Tìm hiểu về điện năng lượng mặt trời

Ngày nay, khi các nguồn nguyên liệu không thể tái tạo ngày càng cạn kiệt như than đá, dầu mỏ,… Thì những nguồn năng lượng tái tạo được con người nghiên cứu để sử dụng nhiều hơn. Một trong những nguồn tài nguyên vô tận đó là năng lượng mặt trời.

Cùng tìm hiểu về điện năng lượng mặt trời – Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động – Ứng dụng của điện năng lượng mặt trời nhé!

1. Điện năng lượng mặt trời

Điện năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng điện được tạo ra từ việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời (quang năng) thành điện năng bằng cách sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời.

Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là tế bào quang điện, solar panel, solar cell modules hay photovoltaic modules. Đây là thiết bị để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện. Cơ chế hoạt động của thiết bị này dựa trên hiệu ứng quang điện trong vật lý.

2.Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

2.1. Sơ đồ cấu tạo:

Hệ thống điện năng lượng mặt trời được tạo nên từ 5 thành phần chính:

– Tấm pin quang điện mặt trời (solar panel)

– Biến tần (inverter)

– Khung giá đỡ và hệ thống lắp đặt

– Hệ thống giám sát hiệu suất

– Đồng hồ đo đếm điện hai chiều.

1.Tấm pin quang điện mặt trời (solar panel)

Các tấm pin đóng vai trò thu thập và chuyển đổi năng lượng mặt trời (quang năng) thành điện năng. Chúng là thành phần chính của hệ thống pin mặt trời. Hiện nay, phổ biến nhất là pin mặt trời đa tinh thể hoặc đơn tinh thể.

Sự khác biệt chính giữa các tấm đa tinh thể và đơn tinh thể là về chi phí và hiệu quả. Thông thường, các tấm đơn tinh thể cho hiệu quả cao hơn nên giá thành cao hơn. Tuy nhiên, tấm đa tinh thể lại phổ biến hơn, có thể do giá rẻ hơn.

2. Biến tần:

Các tế bào trong các tấm pin có nhiệm vụ thu thập năng lượng mặt trời và biến nó thành dòng điện trực tiếp (DC). Hiện tại, hầu hết các Doanh nghiệp và gia đình đều sử dụng dòng điện xoay chiều (AC). Vậy nên, bộ biến tần sẽ có nhiệm vụ thay đổi một chiều từ các bảng thành điện xoay chiều có thể sử dụng được. Có 3 cách cơ bản tiếp cận inverter như sau:

+Bộ biến tần vi mô: Đối với kiểu biến tần vi mô, một bộ biến tần sẽ được lắp đặt ở mỗi bảng điều khiển năng lượng mặt trời, cho phép mỗi bảng điều khiển tối đa hóa sản xuất. Nếu một số tấm pin của bạn bị bóng che vào các thời điểm khác nhau trong ngày hoặc nếu chúng không được cài đặt cừng hướng, các bộ biến đổi vi mô sẽ giúp giảm thiểu các vấn đề về hiệu suất. Thông thường, chi phí của bộ biến tần vi mô thường là cao biến tần chuỗi.

+Biến tần chuỗi (hoặc tập trung): một biến tần duy nhất được sử dụng để kết nối toàn bộ mảng pin mặt trời với bảng điện. Biến tần chuỗi là tùy chọn biến tần ít tốn kém nhất và chi phí thấp hơn so với biến tần vi mô. Tuy nhiên, nếu một trong các tấm ngừng sản xuất điện, thậm chí do bóng mờ tạm thời, nó có thể làm giảm hiểu suất của toàn hệ thống.

+ Tối ưu hóa công suất: Các hệ thống sử dụng tối ưu hóa năng lượng là sự kết hợp giữa các hệ thống biến tần siêu nhỏ và chuỗi biến tần, Tương tự như bộ biến đổi vi mô, tối ưu hóa điện năng cũng được cài đặt ở mỗi bảng. Nhưng thay vì chuyển đổi một chiều từ các tấm pin mặt trời thành điện xoay chiều, các bộ tối ưu hóa điều kiện điện tử điều chỉnh điện DC trước khi gửi nó đến một biến tần tập trung. Chúng hoạt động tốt khi một hoặc nhiều bảng được tô bóng hoặc nếu các bảng được lắp đặt phải đối mặt với các hướng khác nhau, giống như bộ biến đổi vi mô. Các hệ thống tối ưu hóa điện có giá cao hơn hơn các hệ thống biến tần chuỗi, nhưng thấp hơn biến tần vi mô.

3. Khung giá đỡ và hệ thống lắp đặt:

Khung và giá đỡ được sử dụng để gắn các tấm pin mặt trời của bạn lên mái nhà hoặc trên mặt đất. Chúng cũng cho phép định vị các bảng của mình ở một góc phù hợp nhất để hứng các tia mặt trời.

Để hứng các tia mặt trời tốt nhất, các tấm phin phải được hướng về phía nam và được lắp đặt ở góc từ 30-45 độ (tùy thuộc vào khoảng cách từ bạn đến đường xích đạo). Nếu lắp các tấm pin quay về hướng đông hoặc tây và ở góc cao từ năm độ trở lên sẽ vẫn hoạt động tốt, nhưng sẽ tạo ra điện năng ít hơn 10-20% so với các tấm được lắp đặt trong điều kiện lý tưởng.

Có hai loại giá treo: giá treo cố định (các bảng vẫn đứng yến) và giá treo theo dõi (các bảng di chuyển) để theo dõi mặt trời khi nó di chuyển trên bầu trời vào ban ngày (các giá treo theo dõi một trục) và trong quá trình thay đổi mùa (gắn kết theo dõi trục kép).

Giá treo cố định chi phí thấp hơn là là lựa chọn duy nhất nếu bạn đang lắp đặt các tấm pin trên mái nhà. Giá treo theo dõi tốn kém hơn nhưng cho phép bạn tăng sản lượng điện của mình lên 30% trở lên, nhưng chỉ thích hợp cho các bảng được cài đặt trên mặt đất.

4. Hệ thống giám sát hiệu suất:

Hệ thống giám sát hiệu suất cung cấp cho bạn thông tin chi tiết về hiểu suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời của bạn. Khi có hệ thống giám sát rồi, bạn có thể đo lường và theo dõi lượng điện mà hệ thống của bạn sản xuất hàng giờ.

Hệ thống giám sát giúp bạn nắm được bất kỳ vấn đề hiệu suất nào để đảm bảo rằng hệ thống của bạn đang tối đa hóa ciệc sản xuất điện (sinh ra lợi nhuận). Dù tốn phì thêm để cài đặt cho hệ thống giams át ở một số trình cài đặt, nhưng đừng tiếc, nó có thể cung cấp giá trị đáng kể trong suốt vòng đời của các tấm pin mặt trời.

Có hai loại hệ thống giám sát:

-Giám sát từ xa: Hệ thống năng lượng mặt trời của bạn sẽ truyền dữ liệu hiệu suất của nó đến một dịch vụ giám sát mà bạn có thể truy cập trực tuyến hoặc thiết bị di động.

-Giám sát tại chỗ: Thiết bị giám sát được đặt trên thực tế trên tài sản của bạn và ghi lại lượng điện được sản xuất.

5. Đồng hồ đo đếm điện hai chiều:

Đây là thiết bị đo công suất, đo điện năng, dòng điện, điện áp, tần số, hệ số công suất, bao gồm các loại công tơ, các loại đồng hồ đo điện và các thiết bị, phụ kiện kèm theo.

Các doanh nghiệp hay gia đình lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời thường lắp đặt công tơ điện 2 chiều. Công tơ điện dùng để đo lượng điện tiêu thụ, thường là ampe giờ, kilo ampe giờ hoặc lượng điện tiêu thụ bằng wat giờ.

2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời:

Các tấm pin năng lượng mặt trời chuyển đổi bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều (DC). Thông qua inverter, dòng điện DC sẽ được chuyển hóa thành  dòng điện xoay chiều (AC). Thường inverter được trang bị thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) nhằm tối ưu hóa năng lượng tạo ra từ hệ thống pin mặt trời.

Nguồn điện AC từ hệ thống pin năng lượng mặt trời sẽ được kết nối với tủ điện chính của khu vực, hòa đồng bộ vào lưới điện hiện hữu, cung cấp điện năng song song với nguồn điện lưới, giúp giảm điện năng tiêu thụ từ luwoif của khu vực sử dụng.

Khi điện lưới bị mất, inverter sẽ nhanh chóng ngắt kết nối với lưới điện. Việc này đảm bảo chắc chắn trong trường hợp lưới mất điện, hệ thống pin năng lượng mặt trời không phát vào lưới điện gây nguy hiểm cho nhân viên sửa chữa.

3.Các ứng dụng từ điện năng lượng mặt trời:

Điện năng lượng mặt trời được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong đời sống và sản xuất.

3.1. Máy nước nóng năng lượng mặt trời:

Dùng năng lượng mặt trời để làm nóng nước là hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời. Sản phẩm phổ biến nhất ứng dụng làm nóng nước bằng cách này là máy nước nóng năng lượng mặt trời. Máy nước nóng năng lượng mặt trời có 2 bộ phận chính là bình bảo ôn và ống thủy tinh hấp thu nhiệt mặt trời.

Những ống thủy tinh khi được nắng mặt trời chiếu vào sẽ hấp thụ bức xạ mặt trời. Sau đó chuyển hóa thành nhiệt năng làm nóng nước. Với nguyên lý tỷ trọng nước nóng nhỏ hơn nước lạnh hình thành nên vòng tuần hoàn. Vòng tuần hoàn liên tục chuyển động làm nóng nước, cho đến khi cân bằng được nhiệt độ nước. Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời còn có bình trữ nước nóng. Như thế, những lúc không có ánh nắng mặt trời vẫn có sẵn nước nóng để sử dụng.

Lắp máy nước nóng năng lượng mặt trời cần đáp ứng được các điều kiện: Máy phái được lắp đúng hướng mặt trời chiếu vào nhiều nhất. Và cần có nguồn cấp nước ổn định. Đảm bảo lúc nào cũng có nước để hệ thống làm nóng nước. Không nên để máy không có nước, vì như thế sẽ nhanh hỏng.

3.2. Hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió:

Tại các nước ôn đới, thì các tòa nhà cần hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió. Hệ thống này này chiếm một nguồn năng lượng rất lớn. Ứng dụng năng lượng mặt trời được phát triên giúp tiết kiệm được rất nhiều năng lượng sử dụng cho hệ thống này.

Các tòa nhà được lắp cửa sổ bằng kính rất lớn hướng về mặt trời. Hệ thống sưởi ấm bằng cách thu nhiệt trực tiếp từ ánh nắng mặt trời vào tòa nhà. Một bộ phận thu năng lượng mặt trời để làm nóng nước hoặc lưu trữ nhiệt lại. Khi tòa nhà cần nhiệt các bộ phận thu hoặc lưu trữ nhiệt sẽ truyền nhiệt đi. Qua các thiết bị được phân bố khắp tòa nhà như quạt, ống dẫn không khí, bộ tản nhiệt…

Các tòa nhà còn có ống khói năng lượng mặt trời là hệ thống thông thụ động. Ống khói bao gồm một trục thẳng đứng kết nối nội thất và ngoại thất tòa nhà. Khi ống khói nóng lên, không khí bên trong được đun nóng gây ra hiệu ứng updraft kéo không khí thông qua tòa nhà.

3.3. Ứng dụng năng lượng mặt trời làm đèn chiếu sáng:

Hệ thống đèn chiếu sáng là không thể thiếu trong mỗi gia đình. Với những ngôi nhà có hệ thống sân vườn rộng lớn, hay hệ thống đèn giao thông, đèn tín hiệu… thì đều tiêu thụ điện rất lớn. Vì thế hệ thống đèn sử dụng năng lượng mặt trời sẽ giúp các gia đình hay quốc gia tiết kiệm được nguồn điện lớn.

Đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời gồm các bộ phận sau. Tấm pin mặt trời để hấp thụ bức xạ nhiệt từ mặt trời, chuyển đổi thành điện. Đèn có cảm biến ánh sáng để nhận biết trời sáng tối, phát tín hiệu bật tắt đèn. Bộ phận pin sạc để lưu trữ lại lượng điện được chuyển hóa tứ năng lượng mặt trời. Mạch điều khiển dòng điện không chạy ngược từ pin sạc vào tấm pin mặt trời. Và cuối cùng là bóng đèn LED là nơi phát ra ánh sáng.

Hệ thống đèn tín hiệu giao thông cần thắp sáng liên tục để đảm bảo an toàn giao thông. Sử dụng đèn tín hiệu giao thông năng lượng mặt trời khi mất điện đèn vẫn tiếp tục hoạt động. Đèn được thiết kế với bóng đền LED thân thiện môi trường và tiết kiệm điện.

3.4. Xe điện năng lượng mặt trời:

Các nước trên thế giới đều đã và đang phát triển các loại phương tiện sử dụng điện năng lượng mặt trời như máy bay, xe hơi, tàu thủy, khí cầu,…

Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời thường được lắp một số tấm năng lượng mặt trời ở trên mui xe. Còn đối với xe đạp năng lượng mặt trời thì các tấm năng lượng mặt trời được gắn trên áo của người lái xe. Những loại xe này chủ yếu được sử dụng cho mục đích trình diễn và thử nghiệm về kỹ thuật. Người lái xe có thể theo dõi lượng năng lượng tiêu hao và lượng năng lượng mặt trời thu được qua các loại đồng hồ đo lắp trên xe.

Trên thế giới hiện nay có một số giải đua xe năng lượng mặt trời, trong đó có 2 giải tương đối nổi tiếng là giải The World Solar Challenge được tổ chức ở Úc với quy định người tham gia phải vượt qua một quãng đường dài đến 3.000 km xuyên qua nước Úc. Giải thứ hai là The North American Solar Challenge lần đầu được tổ chức vào năm 2008 với chặng đua từ bang Texas – Hoa Kỳ đến Canada.

Điện năng lượng mặt trời là một nguồn nhiên liệu tái tạo vô tận, đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống.