Hệ thống quang điện mặt trời
Contents in this article

Hệ thống quang điện mặt trời hoạt động như thế nào?

Nhiệt năng lớn của Mặt trời khiến nó trở thành một nguồn năng lượng rất hấp dẫn. Năng lượng này có thể được chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện một chiều và nhiệt năng. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch, dồi dào và vô tận có sẵn trên trái đất. Các tấm pin mặt trời hoặc Hệ thống quang điện mặt trời sử dụng các tấm pin (tấm SPV) được bố trí trên các mái nhà hoặc trong các trang trại năng lượng mặt trời theo cách sao cho bức xạ mặt trời rơi vào các tấm quang điện mặt trời để tạo điều kiện phản ứng chuyển đổi bức xạ ánh sáng của mặt trời thành điện năng.

Năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một tòa nhà hoặc nó có thể được sử dụng ở quy mô công nghiệp. Khi nó được sử dụng ở quy mô nhỏ, lượng điện bổ sung có thể được lưu trữ trong pin hoặc đưa vào lưới điện. Năng lượng mặt trời là vô hạn và hạn chế duy nhất của chúng ta là khả năng chuyển đổi nó thành điện năng theo cách có lợi. Tấm quang điện mặt trời nhỏ xíu máy tính năng lượng, đồ chơi và hộp gọi điện thoại.

Định nghĩa hệ thống quang điện mặt trời

Hệ thống quang điện mặt trời chuyển đổi quang năng thành năng lượng điện cũng giống như pin chuyển hóa năng lượng thành năng lượng điện hoặc động cơ ô tô chuyển hóa năng lượng thành cơ năng hoặc động cơ điện (trong xe điện là EV) chuyển hóa năng lượng điện thành cơ năng. Một tế bào SPV chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Pin mặt trời không sản xuất điện bằng cách sử dụng sức nóng của mặt trời, nhưng các tia sáng tới tương tác với các vật liệu bán dẫn để tạo ra điện.

Điện có thể được định nghĩa là dòng electron. Làm thế nào để các hệ thống quang điện Mặt trời tạo ra dòng chảy này? Nói chung, năng lượng phải được cung cấp để di chuyển các electron ra khỏi hạt nhân nguyên tử. Các điện tử hóa trị (nghĩa là các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử) có mức năng lượng cao nhất trong số các điện tử vẫn còn liên kết với nguyên tử mẹ của chúng, (vì chúng ở xa hạt nhân, so với các điện tử ở lớp vỏ bên trong ). Năng lượng bổ sung là cần thiết để loại bỏ hoàn toàn một điện tử khỏi nguyên tử, do đó, các điện tử tự do có mức năng lượng cao hơn các điện tử hóa trị.

Fig1. Energy band diagram

Hình trên mô tả một biểu đồ vùng năng lượng, biểu đồ này cho thấy hai mức năng lượng, vùng hóa trị và vùng dẫn. Các điện tử hóa trị nằm trong vùng hóa trị và các điện tử tự do ở vùng dẫn cao hơn. Trong chất bán dẫn, có một khoảng trống giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Vì vậy phải cung cấp năng lượng cho các electron hóa trị đi đến vùng dẫn. Điều này có nghĩa là phải cung cấp năng lượng để bứt các điện tử hóa trị ra khỏi nguyên tử mẹ của chúng để trở thành các điện tử tự do.

Hệ thống quang điện mặt trời là gì?

Khi silicon nguyên chất ở nhiệt độ 0 K (0 độ Kelvin là – 273 ° C), tất cả các vị trí trong lớp vỏ electron ngoài cùng bị chiếm, do các liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử và không có electron tự do. Do đó vùng hóa trị hoàn toàn đầy và vùng dẫn trống hoàn toàn. Mặc dù các điện tử hóa trị có năng lượng cao nhất, nhưng chúng cần ít năng lượng nhất để loại bỏ khỏi nguyên tử (năng lượng ion hóa). Điều này có thể được minh họa bằng một ví dụ về nguyên tử chì. Ở đây năng lượng ion hóa (của một nguyên tử ở thể khí) của sự bứt electron thứ nhất là 716 kJ / mol và năng lượng cần thiết cho electron thứ hai là 1450 kJ / mol. Giá trị tương đương của Si là 786 và 1577 kJ / mol.

Mỗi điện tử di chuyển đến vùng dẫn để lại một vị trí trống ( gọi là lỗ trống) trong liên kết hóa trị. Quá trình này được gọi là quá trình tạo cặp electron-lỗ trống . Một lỗ trống trong tinh thể silicon có thể, giống như một electron tự do, di chuyển xung quanh tinh thể. Các phương tiện mà lỗ trống di chuyển như sau: Một electron từ một liên kết gần lỗ trống có thể dễ dàng nhảy vào lỗ trống, để lại một liên kết không hoàn chỉnh, tức là một lỗ trống mới. Điều này xảy ra nhanh và thường xuyên – các điện tử từ các liên kết lân cận thay đổi vị trí với các lỗ trống, gửi các lỗ trống một cách ngẫu nhiên và thất thường trong toàn bộ chất rắn; nhiệt độ của vật liệu càng cao, các electron và lỗ trống càng bị kích động và chúng chuyển động càng nhiều.

Sự tạo ra electron và lỗ trống bởi ánh sáng là quá trình trung tâm của hiệu ứng Quang điện tổng thể, nhưng bản thân nó không tạo ra dòng điện. Không có cơ chế nào khác liên quan đến pin mặt trời, các electron và lỗ trống do ánh sáng tạo ra sẽ đi lang thang trong tinh thể một cách ngẫu nhiên trong một thời gian và sau đó mất nhiệt năng khi chúng trở về vị trí hóa trị. Để khai thác các electron và lỗ trống để tạo ra lực điện và dòng điện, cần có một cơ chế khác – một rào cản “tiềm năng” được xây dựng sẵn. * Một tế bào quang điện có hai phiến mỏng silicon được kẹp vào nhau và gắn vào dây kim loại.

Trong quá trình sản xuất thỏi, silicon được pha tạp trước trước khi cắt lát và vận chuyển. Pha tạp chất không có gì khác ngoài việc thêm các tạp chất vào tấm silicon tinh thể để làm cho nó dẫn điện. Silicon có 4 electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Các vật liệu pha tạp dương (loại p) này luôn luôn là Boron, có 3 điện tử (hóa trị ba) được gọi là hạt tải điện dương (Người chấp nhận) Tạp chất. Chất dopant âm (loại n)phốt pho , có 5 điện tử (ngũ phân) được gọi là chất mang âm (Donor) Dopant

Tế bào quang điện chứa một lớp chắn được tạo nên bởi các điện tích trái dấu đối diện nhau ở hai phía của đường phân cách. Rào cản tiềm năng này ngăn cách có chọn lọc các điện tử và lỗ trống do ánh sáng tạo ra, gửi nhiều điện tử hơn đến một bên của tế bào và nhiều lỗ trống hơn đến bên kia. Do đó tách ra, các electron và lỗ trống ít có khả năng liên kết lại với nhau và mất năng lượng điện của chúng. Sự tách biệt điện tích này tạo ra sự chênh lệch điện áp giữa hai đầu của tế bào, có thể được sử dụng để thúc đẩy dòng điện trong mạch ngoài.

Khi một tế bào quang điện tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, các bó năng lượng ánh sáng được gọi là photon có thể đẩy một số electron từ lớp P dưới cùng ra khỏi quỹ đạo của chúng thông qua điện trường được thiết lập tại tiếp giáp PN và vào lớp N. Lớp N, với lượng điện tử dư thừa, phát triển một dòng điện tử dư thừa, tạo ra lực điện để đẩy các điện tử bổ sung ra xa. Đến lượt mình, các electron thừa này lại bị đẩy vào trong dây kim loại trở lại lớp P dưới cùng, lớp này đã bị mất một số electron. Do đó, dòng điện sẽ tiếp tục chạy cho đến khi tia nắng mặt trời chiếu vào các tấm pin.

Hệ thống quang điện mặt trời chỉ có thể tiết kiệm năng lượng một chút

Các tế bào của hệ thống quang điện Mặt trời ngày nay chỉ chuyển đổi khoảng 10 đến 14% năng lượng bức xạ thành năng lượng điện. Mặt khác, các nhà máy nhiên liệu hóa thạch chuyển đổi từ 30 – 40% năng lượng hóa học của nhiên liệu thành năng lượng điện. Hiệu suất chuyển đổi nguồn điện hóa cao hơn rất nhiều lên đến 90 đến 95 %.

Hiệu suất chuyển đổi của hệ thống quang điện mặt trời là gì?

Hiệu quả của thiết bị = Năng lượng đầu ra hữu ích / Năng lượng đầu vào

Trong trường hợp của hệ thống quang điện Mặt Trời, hiệu suất là khoảng 15%, có nghĩa là nếu chúng ta có bề mặt tế bào là 1 m 2 cho mỗi 100 W / m 2 bức xạ tới thì chỉ có 15 W được cung cấp cho mạch.

Hiệu suất tế bào SPV = 15 W / m 2/100 W / m 2 = 15%.

Trong trường hợp pin axit-chì, chúng ta có thể phân biệt hai loại hiệu suất, hiệu suất coulombic (hoặc Ah hoặc ampe-giờ) và hiệu suất năng lượng (hoặc Wh hoặc watt giờ). Trong quá trình sạc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học, hiệu suất Ah là khoảng 90% và hiệu suất năng lượng là khoảng 75%

Hệ thống quang điện năng lượng mặt trời hoạt động ban đầu

Sản xuất tế bào hệ thống quang điện mặt trời

Nguyên liệu thô là thạch anh (cát) dồi dào thứ hai. Thạch anh là một loại khoáng vật phân bố rộng rãi. Nó có nhiều loại bao gồm chủ yếu là silica hoặc silicon dioxide (SiO2) với các tạp chất nhỏ như liti, natri, kali và titan.
Quá trình sản xuất pin mặt trời từ tấm silicon wafer liên quan đến ba loại công nghiệp
a.) Các ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời từ thạch anh
b.) Các ngành công nghiệp sản xuất tấm silicon từ thạch anh và
c.) Các ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời từ tấm silicon

Các tấm silicon được tạo ra như thế nào trong hệ thống Quang điện Mặt trời?

Bước đầu tiên, silicon tinh khiết được sản xuất bằng cách khử và tinh chế silicon dioxide không tinh khiết trong thạch anh. Quy trình Czochralski (Cz) : Ngành công nghiệp PV hiện đang sử dụng hai tuyến đường chính để chuyển đổi nguyên liệu thô polysilicon thành các tấm wafer thành phẩm: tuyến đơn tinh thể sử dụng quy trình Czochralski (Cz) và tuyến đa tinh thể sử dụng quy trình đông đặc định hướng (DS) . Sự khác biệt cơ bản giữa hai cách tiếp cận này là ở cách polysilicon được nấu chảy, cách nó được tạo thành một thỏi, kích thước của thỏi và cách các thỏi được tạo hình thành gạch để cắt tấm wafer.

  • Quy trình Czochralski (Cz) : Phương pháp Cz tạo ra một thỏi hình trụ, và quá trình này được thực hiện theo nhiều bước cưa dây và băng để tạo ra tấm wafer. Đối với một chén nung có đường kính 24 inch điển hình được tải với trọng lượng sạc ban đầu khoảng 180 kg, cần khoảng 35 giờ để nấu chảy polysilicon trong một chén Cz, nhúng tinh thể hạt vào nồi nấu chảy và kéo cổ, vai, thân ra. , và hình nón cuối. Kết quả là một thỏi Cz hình trụ có khối lượng 150–200 kg. Để sót lại kim loại và các chất bẩn khác, cần để lại 2-4 kg phế liệu nồi trong nồi nấu.
  • Quy trình đông đặc có hướng (DS) : Các tấm DS đa tinh thể được chế tạo từ các thỏi ngắn hơn nhưng rộng hơn và nặng hơn nhiều – khoảng 800 kg – giả sử có hình khối khi polysilicon được nấu chảy trong một chén thạch anh. Sau khi polysilicon bị nóng chảy, quá trình DS được tạo ra bằng cách tạo ra một gradient nhiệt độ ở đó bề mặt đáy của chén được làm nguội ở một tốc độ nhất định. Tương tự như thỏi Cz, các phần của thỏi DS được tạo ra trong quá trình cắt và cắt hình vuông có thể được nấu lại cho các thế hệ thỏi sau này. Tuy nhiên, trong trường hợp thỏi DS, phần trên cùng thường không được tái chế do nồng độ tạp chất cao.

Bởi vì quá trình bắt đầu với một chén nung chảy hình khối, các thỏi và tấm DS có hình dạng vuông tự nhiên, giúp dễ dàng tạo ra các ô đa tinh thể có thể chiếm toàn bộ diện tích trong một mô-đun hoàn chỉnh. Cần khoảng 76 giờ để sản xuất một thỏi DS-silicon điển hình, được xẻ thành 36 viên gạch từ một hình cắt 6 x 6. Một viên gạch thành phẩm điển hình có tiết diện hình vuông đầy đủ 156,75 mm x 156,75 mm (diện tích bề mặt 246 cm2) và chiều cao 286 mm, tạo ra 1.040 tấm mỗi viên gạch khi độ dày tấm lát là 180 µm và có 95 µm tổn thất kerf trên mỗi tấm wafer. Do đó, 35.000–40.000 tấm wafer được sản xuất trên mỗi thỏi DS.

Thư mục
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. Các Nguyên tắc và Phương pháp PV Cơ bản NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. Woodhouse, Michael. Brittany Smith, Ashwin Ramdas và Robert Margolis. 2019. Chi phí sản xuất mô-đun quang điện silicon tinh thể và định giá bền vững: Điểm chuẩn và Lộ trình giảm chi phí trong 6 tháng đầu năm 2018. Golden, CO: Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. trang 15 và tiếp theo

Các loại hệ thống quang điện mặt trời khác nhau

Khi giá nhiên liệu hóa thạch tiếp tục tăng và các tiêu chuẩn khí thải tiếp tục khắt khe hơn trên toàn cầu, nhu cầu về năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và các giải pháp lưu trữ năng lượng sẽ tiếp tục tăng.

Thuật ngữ mặt trời dùng để chỉ mặt trời. Pin năng lượng mặt trời là loại pin được sử dụng để lưu trữ năng lượng chuyển đổi từ bức xạ mặt trời hoặc năng lượng ánh sáng thành điện năng bằng cách sử dụng pin mặt trời (còn gọi là tế bào quang điện mặt trời, hoặc tế bào PV) thông qua các hiệu ứng quang điện. Chúng không liên quan đến các phản ứng hóa học như trong pin. Tế bào PV được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn, kết hợp một số tính chất của kim loại và một số tính chất của chất cách điện, giúp nó có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng.

Khi ánh sáng bị chất bán dẫn hấp thụ, các photon ánh sáng có thể truyền năng lượng của chúng cho các electron, tạo ra dòng electron. Dòng điện là gì? Nó là dòng chuyển động của các electron. Dòng điện này chảy ra khỏi chất bán dẫn đến các đạo trình đầu ra. Các dây dẫn này được kết nối với pin hoặc lưới điện thông qua một số mạch điện tử và biến tần để điều khiển và tạo ra dòng điện xoay chiều.

Phương pháp sử dụng công suất hệ thống quang điện mặt trời

Hệ thống SPV độc lập (hoặc Off-Grid):

Ở đây năng lượng mặt trời được sử dụng cho một ngôi nhà hoặc một đơn vị công nghiệp hoặc cộng đồng nhỏ. Điện năng được sản xuất bởi các tấm pin mặt trời được gửi đến pin thông qua bộ điều khiển điện tử và pin lưu trữ năng lượng. DC từ pin được đảo ngược thành AC; các tải điện lấy điện từ các pin này. Thông thường, một hệ thống năng lượng mặt trời 1 kW trên mái nhà yêu cầu 10 sq. mét vùng không có bóng. Tuy nhiên, kích thước thực tế phụ thuộc vào các yếu tố địa phương của bức xạ mặt trời và điều kiện thời tiết, hiệu quả của mô-đun năng lượng mặt trời, hình dạng của mái nhà, v.v.

Hình 2. Một hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới đơn giản
Hình 2. Một hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới đơn giản

Hệ thống quang điện mặt trời nối lưới thẳng (hoặc hệ thống gắn lưới)

Trong hệ thống nối lưới thẳng (hay hệ thống cột lưới), các tấm SPV sẽ được kết nối với đường dây phân phối điện công cộng thông qua bộ điều khiển và đồng hồ đo năng lượng. Ở đây không sử dụng pin. Điện được sử dụng đầu tiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu điện tức thời của ngôi nhà. Khi những nhu cầu đó được đáp ứng, điện năng bổ sung sẽ được đưa ra lưới điện thông qua đồng hồ đo năng lượng. Với hệ thống điện mặt trời nối lưới khi ngôi nhà yêu cầu nhiều điện hơn những gì mà các tấm pin mặt trời đang sản xuất thì lượng điện cân bằng cần thiết sẽ được cung cấp bởi lưới điện.

Vì vậy, ví dụ, nếu tải điện trong nhà đang tiêu thụ dòng điện 20 ampe và năng lượng mặt trời chỉ có thể tạo ra 12 ampe, thì 8 ampe sẽ được lấy từ lưới. Rõ ràng, vào ban đêm, tất cả các nhu cầu về điện đều được cung cấp bởi lưới điện bởi vì với hệ thống nối lưới, bạn không lưu trữ điện năng mà bạn tạo ra vào ban ngày.

Một nhược điểm của loại hệ thống này là khi cúp điện thì hệ thống cũng vậy. Điều này là vì lý do an toàn vì người quản lý đường dây làm việc trên đường dây điện cần biết không có nguồn cấp cho lưới điện. Biến tần gắn lưới phải tự động ngắt kết nối khi chúng không cảm nhận được lưới điện. Điều này có nghĩa là bạn không thể cung cấp điện khi cúp điện hoặc trường hợp khẩn cấp và bạn không thể tích trữ năng lượng để sử dụng sau này. Bạn cũng không thể kiểm soát khi nào bạn sử dụng nguồn điện từ hệ thống của mình, chẳng hạn như trong thời gian nhu cầu cao điểm.

Hệ thống quang điện mặt trời tương tác lưới hoặc gắn lưới (kết hợp)

Có một hệ thống khác mà chúng tôi có thể cung cấp cho hệ thống lưới điện. Chúng ta có thể kiếm tiền hoặc lấy lại năng lượng do chúng ta cung cấp bất cứ khi nào cần.

Hệ thống quang điện mặt trời không có pin lưu trữ - Tương tác lưới hoặc gắn với lưới (kết hợp)

Các hệ thống SPV này tạo ra điện mặt trời và cung cấp các phụ tải trong nhà và cho hệ thống phân phối địa phương. Loại thành phần hệ thống SPV này là (a) Bảng điều khiển SPV và (b) Biến tần. Hệ thống nối lưới tương tự như hệ thống điện thông thường ngoại trừ một số hoặc toàn bộ lượng điện đến từ mặt trời. Hạn chế của những hệ thống không có pin dự trữ này là chúng không có nguồn cung cấp điện trong thời gian mất điện.

Ưu điểm Hệ thống quang điện mặt trời kết hợp lưới (hybrid) mà không cần lưu trữ pin

Đây là hệ thống ít tốn kém nhất với việc bảo trì không đáng kể
Nếu hệ thống tạo ra nhiều điện hơn nhu cầu trong nhà, thì năng lượng thừa sẽ được trao đổi với lưới điện
Hệ thống trực tiếp lưới có hiệu suất cao hơn vì không tham gia vào pin.
Điện áp cao hơn có nghĩa là kích thước dây nhỏ hơn.
Chi phí ước tính của hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà nối lưới cho năm tài chính 2018-19 dao động từ Rs. 53 mỗi watt – Rs. 60 mỗi watt.

Sơ đồ hệ thống quang điện mặt trời Hình 3. Năng lượng mặt trời hòa lưới không có pin
Hình 3. Năng lượng mặt trời hòa lưới không có pin
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

Hệ thống quang điện mặt trời tương tác lưới hoặc gắn lưới (kết hợp) với bộ lưu trữ pin

Loại hệ thống Quang điện mặt trời này được kết nối với lưới điện và có thể đủ điều kiện nhận các ưu đãi của nhà nước, đồng thời giảm hóa đơn điện nước của bạn. Đồng thời, nếu mất điện, hệ thống này sẽ có nguồn dự phòng. Hệ thống nối lưới dựa trên pin cung cấp năng lượng khi cúp điện và năng lượng có thể được lưu trữ để sử dụng trong trường hợp khẩn cấp. Các phụ tải thiết yếu như ánh sáng và các thiết bị cũng đang có nguồn dự phòng khi mất điện. Người ta cũng có thể sử dụng năng lượng trong thời gian nhu cầu cao điểm vì năng lượng đã được lưu trữ trong ngân hàng pin để sử dụng sau này.

Hạn chế chính của hệ thống Quang điện mặt trời này là chi phí cao hơn so với các hệ thống cơ bản nối lưới và kém hiệu quả hơn. Ngoài ra còn có các thành phần được thêm vào. Việc bổ sung pin cũng cần có bộ điều khiển sạc để bảo vệ chúng. Cũng phải có một bảng phụ chứa các tải quan trọng mà bạn muốn được sao lưu. Không phải tất cả các tải mà ngôi nhà sử dụng trên lưới đều được sao lưu với hệ thống. Các phụ tải quan trọng cần thiết khi mất điện. Chúng được tách biệt thành một bảng phụ dự phòng.

Please share if you liked this article!

Did you like this article? Any errors? Can you help us improve this article & add some points we missed?

Please email us at webmaster @ microtexindia. com

On Key

Hand picked articles for you!

Bảo trì ngân hàng pin 2v

Bảo trì Ngân hàng Pin 2V

Hướng dẫn bảo trì ngân hàng pin 2V Đây là hướng dẫn chung để có được tuổi thọ siêu dài từ các ngân hàng pin

so sánh các hóa chất pin

So sánh các hóa chất pin

So sánh các hóa chất pin Có khá nhiều thông số pin và dựa trên các ứng dụng khác nhau mà pin được sử dụng,

Pin gel Microtex AGM Vs

AGM vs Pin Gel

AGM so với Pin Gel cho năng lượng mặt trời Pin Gel là gì và chúng khác với Pin AGM VRLA như thế nào? Bạn

Tham gia bản tin của chúng tôi!

Tham gia danh sách gửi thư của chúng tôi gồm 8890 người tuyệt vời, những người đang cập nhật các bản cập nhật mới nhất của chúng tôi về công nghệ pin

Đọc Chính sách Bảo mật của chúng tôi tại đây – Chúng tôi cam kết sẽ không chia sẻ email của bạn với bất kỳ ai và chúng tôi sẽ không gửi thư rác cho bạn. Bạn có thể bỏ đăng ký bất cứ lúc nào.