TIỂU LUẬN MÔN KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN ĐỀ TÀI : ĐIỆN MẶT TRỜI PHOTOVOLTAIC

Ngày nay, phát triển mạnh mẽ khoa học cơng nghệ Đi với nguồn ngun liệu hóa thạch ngày cạn cạn kiệt, dần khơng đáp ứng đủ nhu cầu lượng Điều thúc đẩy việc tìm kím ngun vật liệu nóng lên tồn cầu làm nhiệt độ trung bình trái đất tăng lên  Vì lượng tái tạo đóng vai trị quan trọng việc bổ sung đáp ứng phần đáng kể nhu cầu lượng ngày tăng người Đây nguồn tài nguyên dồi dào, có sẵn tự nhiên tồn nhiều dạng phổ biến Trong lượng mặt trời, nguồn lượng gần vơ hạn khai thác phần lớn khu vực giới, lên lựa chọn bổ sung lý tưởng cho nguồn lượng truyền thống khác  Một đề tài ứng dụng thành công nguồn lượng vơ tận nói đến “Pin lượng mặt trời” Cũng mà “Pin lượng mặt trời” tìm hiểu nghiên cứu sâu tiểu luận Mục tiêu nghiên cứu:  Giúp có nhìn tổng quan tài nguyên lượng mặt trời nói chung pin lượng mặt trời nói riêng

Nội dung

 Khái niệm pin mặt trời

 Cấu tạo pin mặt trời

 Nguyên lí hoạt động pin mặt trời

 Phân loại pin mặt trời

 Ưu điểm và nhược điểm pin mặt trời

 Ứng dụng pin mặt trời

Kết quả

 Hiểu rõ khái niệm quang điện

 Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

 Biết phân biệt các loại pin năng lượng mặt trời cơ bản

 Hiểu sâu sắc hơn các kiến thức về pin năng lượng mặt trời cùng khả năng lưu trữ nguồn năng lượng này.

 Phân tích được các ưu, nhược điểm để có thể áp dụng vào thực tiễn.

 Biết được các ứng dụng của pin năng lượng mặt trời ở trong và ngoài nước.

 Học hỏi để ứng dụng pin năng lượng mặt trời vào đời sống.

NỘI DUNG THỰC HIỆN 3 1 Giới thiệu chung về mặt trời

Cấu tạo của mặt trời

 Một khối cầu chứa chất khí cực nóng Gồm H, He, O, C, Ne, Fe

 Năng lượng tỏa ra từ bề mặt Mặt trời: 230 triệu W/m 2

 Năng lượng phát ra: tia cực tím, bức xạ nhìn thấy được, tia hồng ngoại và neutrino.

Năng lượng bức xạ mặt trời

 Không phải tất cả bức xạ này đều đến được bề mặt Trái đất.

 Một số sẽ bị phân tán bởi bụi và các phân tử trong khí quyển.

 Một số sẽ bị phân tán trở lại không gian trong khi phần còn lại sẽ rơi xuống bề mặt Trái đất dưới dạng bức xạ khuếch tán.

 Nhiều bức xạ được phản xạ trở lại không gian bởi các đám mây.

 Một phần khác của bức xạ được hấp thụ bởi các phân tử như nước, carbon dioxide, ozone và oxy trong khí quyển.

Quang điện ( Photovoltaic )

Năm 1839, nhà vật lý học người Pháp đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện, cho thấy rằng năng lượng mặt trời có khả năng tạo ra hiệu ứng này.

Vào năm 1883, Charle Fritts đã chế tạo tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên với hiệu suất chỉ đạt 1% Mặc dù hiệu suất 1-2% của pin mặt trời thể hiện tỷ lệ ánh sáng mặt trời được chuyển đổi thành điện qua tế bào quang điện, nhưng tính hiệu quả của quá trình này vẫn chưa được chứng minh Do đó, năng lượng quang điện đã trở thành một trong những ẩn số trong nhiều năm, vì lúc bấy giờ nó không có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện một cách hiệu quả.

Vào giữa những năm 1950, pin quang năng đạt hiệu suất 4%, sau đó nâng lên 11% nhờ vào việc sử dụng tế bào silicon, nguyên liệu phổ biến thứ hai trên trái đất.

Vào cuối những năm 1950 và 1960, chương trình không gian của NASA đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ quang điện, nhờ vào việc sử dụng các tế bào quang điện như một nguồn năng lượng lý tưởng cho vệ tinh Các tế bào này không chỉ nhẹ và bền mà còn đáp ứng đáng tin cậy các yêu cầu về công suất thấp.

 Quang điện xuất phát từ các từ photo, có nghĩa là ánh sáng và vôn, một phép đo điện năng

Quang điện là quá trình chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng, cụ thể là dòng điện một chiều, thông qua các vật liệu như chất bán dẫn, nhờ vào hiệu ứng quang điện.

 Là sự sinh ra hiệu điện thế qua mặt tiếp giáp PN trong chất bán dẫn do hấp thụ bức xạ ánh sáng gọi là hiệu ứng quang điện

 Thiết bị dựa trên hiệu ứng này được gọi là thiết bị quang điện.[2]

Hình 1.1 Hiện tượng của hiệu ứng quang điện [2]

Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng Khi ánh sáng mặt trời được hấp thụ, các electron trong vật liệu sẽ di chuyển, tạo ra dòng điện.

Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện liên kết với nhau thành các mô-đun hoặc mảng năng lượng mặt trời Số lượng tế bào quang điện trong tấm pin phụ thuộc vào công suất và điện áp cần thiết.

Hình 1.2 Ảnh minh họa pin năng lượng mặt trời [3]

3.2 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời:

Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo gồm 6 phần chính:

 Tế bào quang điện mặt trời ( solar cells )

 Tấm kính bảo vệ( Glass )

 Các lớp phim EVA ( Encapsulant EVA )

 Tấm lót / tấm nền ( Back sheet )

 Hộp đấu nối ( Junction Box ) [4]

Hình 1.3 Thành phần chính của pin mặt trời [4]

3.2.1 Tế bào quang điện mặt trời ( solar cell):

Tế bào quang điện mặt trời, hay còn gọi là tế bào PV, có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện một chiều Hiệu suất của tấm pin mặt trời phụ thuộc vào loại tế bào và đặc tính của silicon, với hai loại chính là silicon đơn tinh thể và silicon đa tinh thể.

Hầu hết các tấm pin mặt trời được cấu tạo từ 60 tế bào đơn hoặc đa tinh thể, kết nối qua các thanh busbar để tạo ra điện áp từ 30-40 V, tùy thuộc vào loại tế bào Các tấm pin lớn hơn, thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời thương mại và nhà ở quy mô tiện ích, có thể chứa 72 hoặc 144 tế bào và hoạt động ở điện áp cao hơn Các tiếp điểm điện kết nối các tế bào, gọi là thanh cái, cho phép dòng điện chạy qua tất cả các tế bào trong mạch.

Hình 1.4 Một pin mặt trời đơn tinh thể với 5 thanh cái [4]

3.2.2.Tấm kính bảo vệ ( Glass):

Tấm kính phía trước của pin mặt trời có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các tế bào PV khỏi các tác động từ thời tiết, như mưa đá Kính thường có độ dày từ 3.0 đến 4.0mm và được thiết kế để chịu được tải trọng cũng như biến đổi nhiệt độ khắc nghiệt Theo tiêu chuẩn thử nghiệm va đập của IEC, các tấm pin mặt trời cần có khả năng chịu đựng tác động của đá mưa đá có đường kính 1 inch (25 mm) di chuyển với tốc độ 60 dặm/giờ (27 m/s).

Kính cường lực an toàn hơn nhiều loại kính khác trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc va đập nghiêm trọng, vì khi vỡ, nó sẽ tạo ra các mảnh nhỏ thay vì các mảnh sắc nhọn, giúp giảm thiểu nguy cơ gây thương tích.

Có thể cải thiện hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời bằng cách thêm lớp chống phản xạ (Antireflex - AR) lên bề mặt kính Lớp phủ này được mạ trước khi kính được tôi nhiệt, giúp giảm thiểu ánh sáng phản xạ và tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời từ các tế bào quang điện lên 2,5% Nhờ đó, hiệu quả và độ ổn định cơ học của tấm pin năng lượng mặt trời được nâng cao.

Hình 1.5 Kính bảo vệ pin mặt trời [4]

Khung nhôm đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mép của phần cán mỏng và cung cấp cấu trúc vững chắc để gắn bảng điều khiển năng lượng mặt trời Các phần nhôm ép đùn được thiết kế nhẹ, cứng, và có khả năng chịu lực cao từ gió lớn và các tác động bên ngoài.

Khung nhôm có sẵn với màu sắc bạc hoặc đen anodised, và tùy vào nhà sản xuất bảng điều khiển, các phần góc có thể được vặn, ép hoặc kẹp lại với nhau, mang lại các mức độ bền và độ cứng khác nhau.

3.2.4 Các lớp phim EVA ( Encapsulant EVA ):

EVA, viết tắt của "ethylene vinyl acetate", là một loại polyme trong suốt được thiết kế đặc biệt để bao bọc và giữ các tế bào trong quá trình sản xuất Vật liệu này có độ bền cao và khả năng chịu nhiệt, độ ẩm khắc nghiệt, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất lâu dài bằng cách ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm và bụi bẩn.

 Lớp tấm EVA trên cả hai mặt của các tế bào là để bảo vệ chúng khỏi những cú sốc, rung động, độ ẩm và bụi bẩn [4]

3.2.5 Tấm lót / tấm nền ( Back sheet ):

Tấm lưng của pin mặt trời là lớp bảo vệ cuối cùng, có chức năng như màng chắn ẩm và lớp da bên ngoài, cung cấp bảo vệ cơ học và cách điện Vật liệu tấm lưng thường được làm từ các polyme như PP, PET và PVF, mang lại các mức độ bảo vệ khác nhau, độ ổn định nhiệt và khả năng chống tia cực tím Màu sắc của lớp biểu tính ngược thường là trắng, nhưng cũng có thể là trong suốt hoặc đen, tùy thuộc vào nhà sản xuất và loại mô-đun.

Các tấm kính kép, bao gồm tấm hai mặt và không khung, sử dụng kính phía sau thay vì tấm lưng polyme, mang lại độ bền vượt trội Kính mặt sau không chỉ bền hơn mà còn có tuổi thọ lâu dài hơn so với nhiều vật liệu ốp lưng khác Do đó, một số nhà sản xuất cam kết bảo hành hiệu suất lên đến 30 năm cho các sản phẩm này.

Hình 1 8 Tấm lót / tấm nền pin mặt trời [4]

3.2.6 Hộp đấu nối ( Junction Box ):

Hộp nối là một thiết bị quan trọng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời, nằm ở phía sau bảng điều khiển và có chức năng bảo vệ các dây cáp kết nối Nó giữ vai trò trung tâm, liên kết tất cả các tế bào và cần được bảo vệ khỏi độ ẩm và bụi bẩn để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Hình 1.9 Bên trong hộp nối của một bảng điều khiển [4]

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

4.1 Sơ lược về cách chế tạo pin mặt trời:

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú và miễn phí nhất trên Trái Đất Để khai thác nguồn năng lượng này, cần có cát, nguyên tố dồi dào thứ hai trên hành tinh Cát phải được tinh chế thành 99.999% silicon tinh khiết để sản xuất pin mặt trời, qua một quy trình tinh chế phức tạp.

Silicon thô được chuyển đổi thành hợp chất silicon khí, sau đó được trộn với hydro để tạo ra silicon đa tinh thể có độ tinh khiết cao Những thỏi silicon này được định hình thành các tấm silicon mỏng, đóng vai trò quan trọng trong tế bào quang điện Cấu trúc nguyên tử silicon cho thấy các nguyên tử liên kết chặt chẽ với nhau, khiến cho các electron trong cấu trúc này cũng không thể di chuyển tự do.

Khi nguyên tử photpho với năm electron hóa trị được tiêm vào, một electron tự do có thể chuyển động Khi nhận đủ năng lượng, các electron sẽ di chuyển tự do trong cấu trúc này Để phát triển một pin mặt trời đơn giản từ loại vật liệu này, ánh sáng chiếu vào sẽ cung cấp năng lượng photon cho các electron, khiến chúng di chuyển Tuy nhiên, chuyển động của các electron này là ngẫu nhiên và không tạo ra dòng điện qua tải Để dòng electron chuyển động theo hướng nhất định, cần có một động lực.

Một cách dễ dàng và thực tiễn để tạo ra động lực là thông qua điểm nối PN Khi một Giao lộ PN được hình thành, nó tương tự như pha tạp loại n, trong đó bơm bo ba electron hóa trị vào silicon nguyên chất tạo ra một lỗ trống cho mỗi nguyên tử, được gọi là pha tạp loại p Khi hai loại vật liệu pha tạp này kết hợp, một số electron từ phía N sẽ di chuyển sang vùng P và lấp đầy các lỗ trống, tạo ra một vùng suy giảm không có điện tử và lỗ trống tự do Sự di chuyển của electron dẫn đến việc ranh giới phía N trở nên hơi mang điện tích dương.

Khi mặt P tích điện âm, một điện trường sẽ được hình thành giữa các điện tích Điện trường này cung cấp động lực cần thiết cho các quá trình liên quan.

Khi ánh sáng chiếu vào PN Junction, ánh sáng này tác động đến vùng N của tế bào PV và xuyên qua đến vùng cạn kiệt, tạo ra các cặp lỗ trống electron Năng lượng photon đủ mạnh để điện trường trong vùng suy giảm đẩy các electron và lỗ trống ra khỏi vùng này Sự chênh lệch nồng độ electron trong vùng N và lỗ trống trong vùng P dẫn đến sự phát triển của một sự khác biệt tiềm năng Khi kết nối tải giữa hai vùng, electron sẽ di chuyển qua tải và tái kết hợp với lỗ trống trong vùng P, từ đó pin mặt trời liên tục tạo ra dòng điện một chiều.

4.3 Nguyên lý cấu tạo thực tế của PV:

Trong một tế bào năng lượng mặt trời, lớp N ở trên cùng mỏng và chứa nhiều tạp chất, trong khi lớp P dày hơn và pha tạp nhẹ Sự thiết kế này nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của tế bào, đặc biệt là khi quan sát sự hình thành của vùng suy giảm.

Độ dày của vùng suy giảm ở đây cao hơn nhiều so với trước, cho phép ánh sáng chiếu vào tạo ra các cặp lỗ trống điện tử trong một khu vực rộng hơn, dẫn đến việc sản xuất nhiều ô PV hiện tại hơn Thêm vào đó, lớp trên cùng mỏng giúp tăng cường lượng năng lượng ánh sáng tiếp cận vùng suy giảm.

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của pin mặt trời [2]

Phân loại pin mặt trời

Căn cứ vào vật liệu chế tạo và giá thành, hiện nay, pin mặt trời được chia làm 3 loại là:

 Pin mặt trời đơn tinh thể (mono)

 Pin mặt trời đa tinh thể (poly)

 Pin mặt trời phim mỏng (thin-film)

5.1.Tấm pin mặt trời mono:

Bảng 5.1 Pin mặt trời mono [6]

Tấm pin năng lượng mặt trời được cấu thành từ các tế bào quang điện, được chế tạo từ silic Mỗi tấm silic là một lá cắt từ tinh thể silic đơn, đảm bảo độ tinh khiết cao.

Trong quá trình sản xuất, lớp nhôm dẫn điện cùng với các lớp bảo vệ khác được gắn lên tấm wafer, một miếng silic mỏng khoảng 0,76mm, nhằm bảo vệ nó khỏi các tác động từ môi trường.

 Sau đó, người ta lắp các tấm wafer theo từng hàng, cột tạo thành hình chữ nhật và phủ kính, đóng khung lại làm nên tấm pin mặt trời.

 Màu sắc: Tấm pin có màu đen do ánh sáng tác động đến tinh thể silic nguyên chất và phản xạ lại.

 Hình dáng: Các tế bào quang điện có hình vuông vạt góc và được xếp nối tiếp nhau và tạo ra các khoảng hình thoi màu trắng.

 Kích thước: Trước đây, số lượng tế bào quang điện khoảng 60.

Sau này, số lượng cell được nâng lên thành 120 – 144. Đối tượng sử dụng

 Những nơi ít nắng như miền Bắc, có diện tích lắp đặt nhỏ.

Hiệu suất  Hiệu suất chuyển đổi (khoảng 20%) và công suất cao hơn tấm pin poly và tấm pin thin-film

 Công suất khoảng 300 – 450W Giá thành  Giá cao hơn tấm pin poly và tấm pin thin-film.

Pin quang điện mono được sản xuất từ một tinh thể silic đơn lẻ thông qua quy trình Czochralski, một phương pháp tốn nhiều năng lượng và tạo ra nhiều mảnh silic thừa, dẫn đến chi phí sản xuất cao Tuy nhiên, loại pin này nổi bật với hiệu suất và công suất vượt trội.

5.2.Tấm pin mặt trời poly:

Bảng 5.2 Pin mặt trời poly [6]

Tấm pin mặt trời poly được chế tạo từ các tế bào quang điện làm từ silic, trong đó mỗi tấm silic bao gồm nhiều mảnh tinh thể silic được nung chảy trong khuôn, sau đó được làm nguội và cắt thành tấm wafer.

Tấm pin mặt trời poly có màu xanh lốm đốm, xuất phát từ việc ánh sáng tác động lên các mảnh silic trong cell, khiến chúng phản xạ ánh sáng theo nhiều hướng khác nhau.

Sử dụng công nghệ Black Silicon kết hợp với lớp cấu trúc nano trên bề mặt giúp giảm thiểu tối đa tỷ lệ phản xạ ánh sáng của tấm pin Kết quả là tấm pin có màu sắc đen hơn so với các tấm pin poly thông thường, nhưng vẫn giữ được những đốm xanh nổi bật.

 Kích thước: Tấm pin có khoảng 60 tế bào quang điện. Đối tượng sử dụng

 Những nơi có số giờ nắng nhiều, nắng quanh năm như miền

Hiệu suất  Hiệu suất chuyển đổi (khoảng 15 – 19%) và công suất thấp hơn tấm pin mono.

Tấm pin năng lượng mặt trời polycrystalline có giá thành phải chăng hơn so với tấm pin mono, nhờ vào quy trình sản xuất đơn giản hơn do tế bào quang điện được làm từ các mảnh silic Điều này giúp giảm thiểu chi phí sản xuất, mang lại lợi ích kinh tế cho người tiêu dùng.

 Có độ giãn nở và khả năng chịu nhiệt cao.

 Hiệu suất làm việc ngoài nắng cao.

 Độ ổn định về cấu trúc và tính bền vững không cao.

 Tuổi thọ thấp hơn pin mono khi làm việc trong cùng điều kiện ánh sáng.

 Hiệu suất và công suất thấp hơn tấm pin mono

5.3.Tấm pin mặt trời thin-film:

Bảng 5.3 Pin mặt trời thin – film [6]

Chất liệu  Được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau:

Cadmium Telluride (CdTe) là loại tấm pin mặt trời phổ biến nhất, bao gồm một lớp CdTe ở giữa và hai lớp màng dẫn trong suốt ở hai bên để hấp thu ánh sáng mặt trời Lớp kính ở phía trên cùng có chức năng bảo vệ cho tấm pin.

 Silic vô định hình (a-Si): Silic không kết tinh đặt trên nhựa hoặc thủy tinh, kim loại (thường là nhôm) để tạo thành tấm pin.

Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) là một loại vật liệu quang điện được cấu tạo từ bốn thành phần chính, nằm giữa hai lớp dẫn điện như nhựa, thủy tinh, thép và nhôm Các điện cực ở mặt trước và mặt sau của tấm pin có nhiệm vụ thu dòng điện, góp phần tạo ra năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời.

Cách nhận biết  Màu sắc: Tùy theo chất liệu cấu tạo, tấm pin thin-film có thể có màu đen hoặc xanh.

Tấm pin thin-film có kích thước tế bào mỏng hơn khoảng 350 lần so với tấm pin tinh thể mono và poly, khiến chúng nhẹ hơn và mỏng hơn Kích thước của tấm pin thin-film không theo một tiêu chuẩn cố định và có sự không đồng đều.

Pin thin-film có khả năng tích hợp với vật liệu xây dựng để tạo ra ngói năng lượng mặt trời, đặc biệt phù hợp cho các khu vực khó lắp đặt thiết bị năng lượng truyền thống Hiệu suất của loại pin này khoảng 11%, tuy nhiên, hiệu suất cụ thể phụ thuộc vào chất liệu của các cell Công suất của pin thin-film không cố định, mà được xác định dựa trên kích thước vật lý, và khi tính trên mỗi mét vuông, công suất của nó thường thấp hơn so với pin mono và pin poly.

Giá thành của pin thin-film chủ yếu phụ thuộc vào chất liệu sản xuất, với thứ tự giá từ thấp đến cao là CdTe, silicon vô định hình (a-Si) và CIGS Nhìn chung, pin thin-film có giá thành thấp hơn so với pin mono và pin poly.

Chi phí thi công và lắp đặt tấm pin thin-film thấp hơn do tấm pin này có trọng lượng nhẹ, tính linh hoạt cao và quá trình lắp đặt đơn giản, giúp tiết kiệm công sức Những ưu điểm nổi bật của tấm pin này bao gồm sự nhẹ nhàng, tính linh hoạt và dễ dàng trong việc lắp đặt.

 Giá pin và chi phí thi công, lắp đặt đều rẻ Nhược điểm  Hiệu suất và công suất thấp.

 Khi lắp đặt cần có điểm tựa

5.5 Các loại pin mặt trời khác:

Ngoài 5 loại pin mặt trời đã đề cập, còn tồn tại 2 loại pin mặt trời khác là pin mặt trời sinh học (Biohybrid) và pin mặt trời PV tập trung (Concentrated PV).

 Tuy nhiên, hai loại pin này mới chỉ đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triển,chưa sử dụng nhiều trong thực tế [5]

Các yếu tố chính trong hệ thống pin PV

6.1 Mô đun và mảng quang điện:

Một số pin mặt trời được kết nối với nhau và lắp đặt trong một cấu trúc gọi là mô-đun quang điện Các mô-đun này được thiết kế để cung cấp điện ở một điện áp nhất định, và dòng điện tạo ra phụ thuộc trực tiếp vào lượng ánh sáng chiếu vào mô-đun.

Nhiều mô-đun có thể kết nối với nhau để tạo thành một mảng lớn, giúp tăng diện tích và sản lượng điện được sản xuất.

Mô-đun và mảng quang điện sản xuất dòng điện một chiều và có khả năng kết nối theo kiểu nối tiếp hoặc song song Điều này cho phép tạo ra các sự kết hợp điện áp và dòng điện linh hoạt, đáp ứng nhu cầu sử dụng khác nhau.

Hình 1.11 Nhiều mô-đun kết nối với nhau để tạo thành một mảng [7]

Pin là thành phần quan trọng trong hệ thống điện dự phòng và khẩn cấp Nhiều pin được kết nối với nhau để tạo thành "ngân hàng" pin, có chức năng thu thập và lưu trữ năng lượng từ mảng PV trong các khoảng thời gian khác nhau Để xác định kích thước của ngân hàng pin, có thể xem xét một số yếu tố khác nhau.

Phụ tải điện, thời gian công suất dự trữ bắt buộc và tính sẵn có của nguồn điện dự phòng, lưới điện hoặc máy phát điện là những yếu tố quan trọng trong hệ thống điện Ngân hàng pin axít chì chất lượng cao có thể hoạt động hiệu quả từ 500 đến 1000 chu kỳ sạc, đảm bảo độ bền và hiệu suất lâu dài.

Các loại pin khác như Nickel Cadmium có tuổi thọ cao hơn so với pin axit chì, nhưng giá thành thường cao hơn Để bảo vệ pin, cần sử dụng hộp pin phù hợp.

Việc lựa chọn biến tần cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính tương thích với các thành phần khác trong hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng đo thực Biến tần lớn thường đi kèm với bộ sạc pin tích hợp, cho phép chúng hoạt động như bộ sạc khi nhận điện từ nguồn AC khác như máy phát điện Hiện nay, có hai loại biến tần chính.

Biến tần trực tiếp chủ yếu được sử dụng cho các động cơ công suất lớn, vì vậy chúng hiếm khi xuất hiện trên thị trường Loại biến tần này thường chỉ có mặt tại các xưởng và nhà máy lớn, nơi yêu cầu dòng điện cao.

Biến tần gián tiếp là thiết bị phổ biến trong ngành công nghiệp, thường sử dụng cho các động cơ có công suất từ 0,25 kW đến 700 kW Đặc biệt, loại biến tần này được ưa chuộng tại các nhà máy nhỏ và hệ thống điện mặt trời, với gần 100% sự lựa chọn cho việc vận hành máy móc.

Kết nối các tấm pin năng lượng mặt trời (PV) với hộ gia đình đòi hỏi hệ thống dây điện phải có kích thước phù hợp và được lắp đặt theo tiêu chuẩn mã Ngoài ra, tất cả các hệ thống cần phải có cầu chì để bảo vệ an toàn cho con người và thiết bị.

Bộ điều khiển sạc đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lượng năng lượng từ mảng PV đến pin, giúp ngăn ngừa tình trạng sạc quá mức và bảo vệ pin khỏi hư hỏng.

Lưu trữ năng lượng mặt trời

Các tấm pin năng lượng mặt trời là bước khởi đầu quan trọng trong việc sản xuất điện năng Tuy nhiên, để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng này, chúng ta cần có hệ thống lưu trữ điện năng hiệu quả Do đó, các thành phần khác sẽ góp phần tạo nên một hệ thống năng lượng hoàn chỉnh và liên kết chặt chẽ.

Tất cả điện năng từ tấm pin năng lượng mặt trời được chuyển đổi từ DC sang AC thông qua bộ biến tần (inverter) Tuy nhiên, biến tần không lưu trữ điện năng; việc lưu trữ này xảy ra ở giai đoạn tiếp theo và phụ thuộc vào loại hệ thống năng lượng mặt trời được sử dụng.

 Hiện nay có hai công nghệ nguồn điện pin mặt trời thông dụng Đó là hệ nguồn điện pin mặt trời độc lập và hệ nguồn nối lưới.

Hệ nguồn pin mặt trời nối lưới chuyển đổi dòng điện một chiều từ dàn pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều, hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Công nghệ này phổ biến ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Pháp và Đức Ưu điểm của hệ thống này là không cần bộ trữ điện năng, tuy nhiên, nhược điểm là chi phí đầu tư lớn và yêu cầu bảo dưỡng phức tạp.

Đối với những khu vực không có lưới điện hoặc cần sử dụng điện ở quy mô nhỏ, công nghệ pin mặt trời độc lập là giải pháp tối ưu Nguồn điện mặt trời chủ yếu được ứng dụng tại các vùng nông thôn và vùng sâu, nơi mà việc tiếp cận điện năng gặp nhiều khó khăn.

7.2 Hệ nguồn điện pin mặt trời độc lập (Off-grid):

Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập cung cấp toàn bộ năng lượng cho ngôi nhà mà không cần kết nối với lưới điện.

Chúng ta không phải lo lắng về hóa đơn tiền điện và có khả năng tạo ra nguồn điện ở những khu vực xa mạng lưới điện, do đó, vấn đề cúp điện sẽ không ảnh hưởng đến cuộc sống của chúng ta.

Hệ thống không nối lưới có nhược điểm là yêu cầu sản xuất đủ điện năng để đáp ứng nhu cầu của toàn bộ ngôi nhà Nếu nguồn dự trữ năng lượng cạn kiệt, ngôi nhà sẽ hoàn toàn mất điện.

 Lưu trữ điện trong các hệ thống nguồn điện pin mặt trời độc lập:

Khi một hệ thống độc lập không kết nối với bất kỳ thiết bị nào khác, nó sẽ lưu trữ điện năng do các tấm pin mặt trời tạo ra trong bình ắc quy lưu trữ.

Chúng ta có thể tạo một hệ thống không nối lưới đơn giản bằng cách kết nối tấm pin với pin ô tô, nhưng để cung cấp năng lượng cho cả một ngôi nhà, cần nhiều pin lưu trữ hơn Hiện nay, đã có những bộ pin lớn và mạnh mẽ đủ khả năng lưu trữ điện năng từ năng lượng mặt trời cho hệ thống không nối lưới.

7.3 Hệ nguồn điện pin mặt trời nối lưới (On-grid):

 Hệ nối lưới là loại phổ biến nhất trong các ngôi nhà ở Việt Nam ngày nay.

Hệ thống kết nối với lưới điện địa phương giống như một ngôi nhà không sử dụng điện mặt trời, nhưng cho phép dòng điện chảy ngược vào lưới Điều này có nghĩa là ngôi nhà của bạn không chỉ tiêu thụ điện mà còn trở thành một nhà sản xuất điện.

 Lưu trữ và trao đổi trong các hệ thống nguồn điện pin mặt trời nối lưới:

Hệ thống nối lưới không yêu cầu lưu trữ điện năng trong nhà, vì sau khi biến tần chuyển đổi điện từ DC sang AC, chỉ cần kết nối với lưới điện địa phương Điều này cho phép người dùng tiếp tục sử dụng điện lưới một cách bình thường.

Đôi khi, năng lượng tiêu thụ tại nhà có thể vượt quá lượng điện được sản xuất bởi các tấm pin mặt trời, dẫn đến việc ngôi nhà phải sử dụng điện trực tiếp từ lưới điện.

 Đây là cách hệ thống nối lưới cung cấp điện cho ngôi nhà vào ban đêm khi các tấm pin không hoạt động

Khi các tấm pin mặt trời sản xuất ra lượng điện vượt quá nhu cầu sử dụng trong gia đình, điện dư thừa sẽ không bị lãng phí mà được chuyển vào lưới điện Điều này cho phép chúng ta bán lại điện thừa và nhận được khoản chi trả cho lượng điện này.

Hệ thống nối lưới giúp tiết kiệm chi phí điện bằng cách giảm lượng điện tiêu thụ từ lưới điện, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng điện từ hệ thống năng lượng mặt trời.

7.4 Hệ thống điện năng lượng mặt trời Hybrid:

Hệ thống điện mặt trời thứ ba, được xem là loại tốt nhất, cho phép lưu trữ năng lượng mặt trời cả trong và ngoài nhà Đây là sự kết hợp hoàn hảo giữa hệ thống on-grid và off-grid, mang lại hiệu quả tối ưu cho người sử dụng.

 Hệ thống hybrid bổ sung thêm bộ lưu trữ pin vào hệ thống nối lưới nên còn gọi là hệ thống nối lưới có lưu trữ.

Ưu nhược điểm của pin năng lượng mặt trời

 Nó sạch và không gây ô nhiễm.

 Nó là một năng lượng tái tạo.

 Pin mặt trời không tạo ra tiếng ồn và chúng hoàn toàn im lặng.

 Yêu cầu rất ít bảo trì.

 Chúng là nguồn năng lượng lâu dài có thể được sử dụng ở hầu hết mọi nơi.

 Có thời gian tuổi thọ lâu.

 Không có chi phí nhiên liệu hoặc vấn đề cung cấp nhiên liệu.

 Hiệu quả cao, chi phí hoạt động thấp.

 Năng lượng mặt trời không thể thu được vào ban đêm.

 Pin mặt trời (hoặc) tấm pin mặt trời rất đắt.

 Năng lượng không được lưu trữ trong pin.

 Ô nhiễm không khí và liệu có thể ảnh hưởng đến việc sản xuất điện.

 Cần diện tích đất lớn để sản xuất cung cấp điện hiệu quả hơn.

 Chi phí lắp đặt ban đầu cao.

Ứng dụng pin mặt trời

9.1 Trụ đèn đường, đèn giao thông bằng pin PV:

Vận hành hệ thống đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời thay vì điện năng đang trở thành xu hướng phổ biến toàn cầu, góp phần tạo ra môi trường xanh sạch.

Nguồn năng lượng thay thế không chỉ giúp tiết kiệm điện mà còn giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn giao thông trong những lúc mất điện, đồng thời hạn chế nạn trộm cắp dây cáp điện.

Các tấm pin mặt trời có diện tích 3,6 m2 được lắp đặt nghiêng để tối ưu hóa hiệu suất thu nhận ánh sáng mặt trời, giúp cung cấp điện năng cho hệ thống đèn hoạt động liên tục.

Hình 1.12 Đèn tín hiệu giao thông dùng pin PV [12]

9.2 Trạm xe buýt chiếu sáng tự động: Ý tưởng này bắt đầu được đưa ra thực hiện tại Florence - Italia Vào ban đêm, những trạm xe buýt này trở thành những công trình chiếu sáng công cộng hết sức thu hút và sang trọng Ngoài ra, trong trạm xe buýt, còn cài đặt thêm hệ thống cho phép người đợi xe kết nối wifi và sử dụng điện thoại truy cập Internet miễn phí trong lúc chờ đợi [12]

Hình 1.13 Ảnh minh họa trạm xe buýt [12]

9.3 Ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời:

Chiếc ôtô đến từ các nhà sản xuất Thụy Sĩ đã được giới thiệu tại triển lãm ôtô Geneva, nổi bật với lớp film quang điện mỏng Lớp film này không chỉ hấp thụ năng lượng mặt trời mà còn giúp xe hoạt động liên tục trong 20 phút.

Mặc dù chỉ có khả năng tích trữ và cung cấp năng lượng trong thời gian ngắn, xe thân thiện với môi trường này đang được các nhà khoa học trên toàn cầu nghiên cứu và phát triển.

Hình 1.14 Ảnh minh họa ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời [12]

Một số nhà máy điện mặt trời ở Việt Nam và trên Thế Giới

10.1 Nhà máy điện mặt trời Bầu Ngư:

Nhà máy điện mặt trời Bầu Ngư, triển khai từ giữa năm 2018 trên diện tích 75 ha tại xã Phước Dinh, huyện Thuận Nam, có tổng mức đầu tư 1.150 tỷ đồng Sau hơn một năm lắp đặt gần 190.000 tấm pin năng lượng mặt trời và xây dựng hệ thống đường dây truyền tải cùng trạm biến áp 110 KV, nhà máy đã hoàn tất các thủ tục nghiệm thu và thử nghiệm Được Công ty mua bán điện (EPTC) thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đồng ý vận hành, nhà máy chính thức phát điện thương mại với công suất 37,4 MW vào tháng 6 và dự kiến hoàn thành phát điện toàn bộ dự án vào tháng 7-2019.

 Với công suất 50 MWp, khi đi vào hoạt động Nhà máy điện mặt trời Bầu Ngư sẽ cung cấp sản lượng điện hàng năm khoảng 100 triệu kWh [13]

Hình 1.15 Nhà máy điện mặt trời hồ Bầu Ngư Ninh Thuận [13]

10.2 Nhà máy điện mặt trời Gelex Ninh Thuận:

Nhà máy điện mặt trời Gelex Ninh Thuận, tọa lạc tại huyện Thuận Nam, tỉnh Ninh Thuận, có công suất lắp đặt đạt 50 MWp Công trình này đã bắt đầu xây dựng vào tháng 6 năm 2018 và dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào tháng 6 năm 2019.

Nhà máy áp dụng công nghệ panen năng lượng mặt trời với góc nghiêng 110 độ và phương vị 1800 độ Hệ thống bao gồm hơn 150.000 tấm pin mặt trời đa tinh thể công suất 325 Wp, được chia thành 20 block, mỗi block sử dụng một bộ biến đổi điện.

2000 kVA từ DC sang AC Hiệu suất của panen mặt trời ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn là 16,3%

 Diện tích chiếm đất của dự án là khoảng 60 ha tương ứng 12.000 m2 /MWp

Tổng vốn đầu tư cho dự án là 43,62 triệu USD (quy đổi về USD 2016), chưa bao gồm các chi phí hành chính, tư vấn, quản lý dự án, chuẩn bị địa điểm, thuế và lãi trong thời gian xây dựng, tương đương suất đầu tư danh định 0,87 triệu USD/MWp Tổng chi phí đầu tư, bao gồm tất cả các thành phần trên, đạt 53,84 triệu USD, tương ứng với 1,08 triệu USD/MWp.

Hình 1.16 Nhà máy điện mặt trời Gelex Ninh Thuận [14]

10.3 Nhà máy điện mặt trời Bhadla Solar Park ( Ấn Độ ):

Công viên năng lượng mặt trời Bhadla, tọa lạc tại Jodhpur, Rajasthan, Ấn Độ, là công viên năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới với công suất 2.245 megawatt (MW) Nằm trên diện tích 160 km2, khu vực này sở hữu khí hậu khô cằn nhưng lại nhận được lượng bức xạ nhiệt dồi dào, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất điện từ năng lượng mặt trời.

Bhadla Solar Park, được khởi công từng phần từ năm 2016 và chính thức đi vào hoạt động vào tháng 3/2020, là nhà máy năng lượng mặt trời có tổng chi phí đầu tư thấp nhất tại Ấn Độ với 1,3 tỷ USD Đặc biệt, giá điện từ nhà máy này cũng thuộc loại rẻ nhất, chỉ 0,02 USD/kWh.

Hình 1.17 Công viên năng lượng mặt trời Bhadla [15]

10.4 Nhà máy điện mặt trời Huanghe Hydropower Hainan Solar Park ( Trung Quốc ):

Nhà máy điện mặt trời lớn thứ hai thế giới và lớn nhất tại Trung Quốc được đặt tại tỉnh Thanh Hải, chính thức đi vào hoạt động vào cuối năm 2020 Hiện tại, nhà máy vẫn đang trong quá trình xây dựng để hình thành tổ hợp điện tái tạo với tổng công suất 16.000 MW, bao gồm 11.000 MW từ điện mặt trời và 5.000 MW từ điện gió.

Công ty Phát triển Thủy điện Hoàng Hà đang triển khai dự án Huanghe Hydropower Hainan Solar Park, bao gồm 5 giai đoạn và được đầu tư hơn 2,2 tỷ USD Dự án này bắt đầu xây dựng từ năm 2019 trên diện tích 55 km².

Hình 1.18 Một góc của nhà máy điện mặt trời Pavagada Solar Park [15]