Tổng quan về công nghệ sản xuất điện bằng tấm pin mặt trời và quang điện (QUENENG)

1. Lịch sử phát triển và tình hình hiện tại của sản xuất điện quang điện

Kể từ khi phát minh ra tế bào quang điện (PV) thực tế đầu tiên vào năm 1954, công nghệ phát điện quang điện mặt trời đã có những tiến bộ đáng kể. Tuy nhiên, sự phát triển của năng lượng mặt trời chậm hơn so với những tiến bộ nhanh chóng trong các lĩnh vực như máy tính hoặc sợi quang. Một phần là do nhu cầu về thông tin đặc biệt mạnh mẽ và các nguồn năng lượng thông thường đã đủ để đáp ứng nhu cầu của con người. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 và các vấn đề ô nhiễm môi trường trong những năm 1990 đã thúc đẩy đáng kể sự phát triển của năng lượng quang điện mặt trời. Dưới đây là những cột mốc quan trọng trong lịch sử công nghệ quang điện mặt trời:

• 1893:Nhà khoa học người Pháp Becquerel đã phát hiện ra "hiệu ứng quang điện".
• 1876:Adams và những người khác đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện trạng thái rắn trên kim loại và selen.
• 1883:"Tế bào quang điện selen" đầu tiên được chế tạo, sử dụng làm thiết bị cảm biến.
• 1930:Schottky đã đề xuất lý thuyết về "hiệu ứng quang điện" trong các rào cản Cu2O.
• 1954:Bell Labs đã phát triển pin mặt trời silicon đơn tinh thể đầu tiên có hiệu suất 6%.
• 1962:Hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời gali arsenide đạt 13%.
• 1978:Hoa Kỳ đã xây dựng một nhà máy điện quang điện mặt trời công suất 100 kWp trên mặt đất.
• 1990:Đức đã triển khai "Chương trình năng lượng mặt trời trên mái nhà năm 2000".
• 1995: Pin mặt trời gali arsenide cô đặc hiệu suất cao đạt hiệu suất 32%.
• 1997:Hoa Kỳ đề xuất "Chương trình một triệu mái nhà năng lượng mặt trời" với mục tiêu lắp đặt pin mặt trời tại 1 triệu ngôi nhà.

2. Giới thiệu về Pin Mặt Trời

Pin mặt trời, còn được gọi là chip năng lượng mặt trời hoặc tế bào quang điện, là màng mỏng bán dẫn chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. Một tế bào quang điện không thể được sử dụng làm nguồn điện; nhiều tế bào quang điện cần được kết nối nối tiếp hoặc song song và được hàn kín với nhau để tạo thành một tấm pin mặt trời. Tấm pin mặt trời là thành phần cốt lõi và quan trọng nhất của hệ thống phát điện năng lượng mặt trời.

Các loại năng lượng mặt trời

• Sử dụng nhiệt mặt trời:Bức xạ mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt, có thể sử dụng để phát điện nhiệt.
• Sản xuất điện năng lượng mặt trời quang điện:Bức xạ mặt trời được chuyển đổi thành điện năng thông qua các thiết bị chuyển đổi quang điện, chủ yếu dựa trên nguyên lý của hiệu ứng quang điện.

3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời hoạt động theo nguyên lý của hiệu ứng quang điện. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu bán dẫn, các photon có năng lượng lớn hơn khoảng cách dải sẽ kích thích các electron và tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các hạt mang không cân bằng này được tách ra bởi trường điện tích hợp tại mối nối PN, với các electron di chuyển về phía vùng loại N và các lỗ trống về phía vùng loại P. Điều này tạo ra một điện thế trên mối nối PN. Khi các dây dẫn kim loại được gắn vào các lớp loại P và loại N và được kết nối với tải bên ngoài, dòng điện sẽ chạy qua mạch bên ngoài, tạo ra năng lượng điện.

4. Đặc điểm của tế bào năng lượng mặt trời

Các đặc điểm chính của pin mặt trời bao gồm:

• Điện áp đầu ra định mức:Trong điều kiện ánh sáng tiêu chuẩn (cường độ chiếu sáng 1000 W/m², nhiệt độ 25°C), điện áp đầu ra là khoảng 0,48V.
• Hệ số nhiệt độ âm: Cứ mỗi lần nhiệt độ tăng 1°C, điện áp giảm khoảng 2mV.
• Công suất đầu ra: Công suất đầu ra của pin mặt trời thay đổi theo cường độ ánh sáng mặt trời, điều kiện khí hậu, thời gian và địa điểm. Vào những ngày nắng vào khoảng giữa trưa, công suất đầu ra gần với giá trị định mức.

5. Lựa chọn pin mặt trời

Khi lựa chọn pin mặt trời, công suất đầu ra là yếu tố quan trọng. Các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn là:

• Độ rọi: 1000 W/m²
• Khối lượng không khí: AM1.5
• Nhiệt độ tế bào: 25°C

Những điều kiện này mô phỏng sơ bộ ánh sáng mặt trời vào buổi trưa trong một ngày quang đãng. Trên thực tế, công suất đầu ra của pin mặt trời sẽ dao động do sự thay đổi của điều kiện ánh sáng và các yếu tố môi trường.

6. Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng ánh sáng gây ra sự chênh lệch điện thế giữa các bộ phận khác nhau của chất bán dẫn hoặc sự kết hợp giữa chất bán dẫn và kim loại. Trong pin mặt trời, hiệu ứng này được sử dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện. Nguyên lý cốt lõi của pin mặt trời dựa trên mối nối PN, tạo ra một trường điện tách các electron và lỗ trống, tạo ra điện áp và do đó là dòng điện.

7. Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời có thể được chia thànhngoài lưới điệnVàlưới điện kết nốihệ thống. Các thành phần của những hệ thống này có đôi chút khác biệt:

Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời ngoài lưới điện

Các hệ thống này được sử dụng ở những khu vực không có lưới điện và thường bao gồm các thành phần sau:

• Mảng pin mặt trời: Nhiều tấm pin mặt trời được sắp xếp và kết nối theo một kiểu mẫu cụ thể.
• Pin lưu trữ năng lượng: Dùng để lưu trữ điện để sử dụng khi trời không có nắng.
• Bộ điều khiển: Kiểm soát quá trình sạc pin lưu trữ năng lượng và bao gồm nhiều chức năng bảo vệ khác nhau để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định.
• Biến tần: Chuyển đổi điện một chiều được lưu trữ thành điện xoay chiều.
• Hộp phân phối và dây kết nối: Được sử dụng để kết nối và quản lý các thành phần hệ thống và công suất đầu ra.

Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời kết nối lưới điện

Các hệ thống này được sử dụng ở những khu vực có lưới điện và có thể đưa điện dư trở lại lưới điện. Các thành phần chính bao gồm:

• Mảng pin mặt trời: Nhiều tấm pin mặt trời được kết nối với nhau.
• Pin lưu trữ năng lượng: Dùng để lưu trữ điện.
• Biến tần hòa lưới: Chuyển đổi điện một chiều từ bộ lưu trữ thành điện xoay chiều phù hợp với lưới điện.
• Hộp phân phối và dây kết nối: Được sử dụng để kết nối và quản lý các thành phần hệ thống và công suất đầu ra.