Năng Lượng Mặt Trời Là Gì, Cách Mà ánh Sáng Tạo Ra điện?

 

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, to lớn, vô tận, có ở khắp nơi mà chúng ta có thể khai thác. Nó mang lại nhiều giá trị cho con người. Những năm gần đây các nước trên thế giới đang cùng nhau khai thác và đưa nguồn năng lượng sạch này vào sử dụng. Quá trình khai thác không gây ảnh hưởng tiêu cực nào đến môi trường. Mà ngược lại năng lượng mặt trời mang lại rất nhiều lợi ích khác. Trong bài viết này chúng ta cùng nhau tìm hiểu về ngành năng lượng mặt trời này nhé.

 

 
Điện mặt trời (Quang điện hay Photovoltaics – PV) là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người tận dụng và đưa vào sử dụng được. Đặc biệt đây là nguồn năng lượng tái tạo vô cùng sạch, đáng tin cậy và chúng ta có thể khai thác thoải mái mà không bao giờ sợ cạn kiệt. Việc khai thác thành công nguồn năng lượng mặt trời không những không ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường mà còn mang lại vô vàn các tác dụng tích cực khác.

 

Việc khai thác năng lượng mặt trời được thực hiện qua hai phương pháp là chủ động và thụ động. Phương pháp thụ động là việc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng.

 

Phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu giữ bức xạ nhiệt mặt trời và sử dụng cho hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt. Trong hai cách thì khai thác năng lượng mặt trời bằng phương pháp thụ động có lịch sử dài hơn hẳn trong khi phương pháp chủ động mới phát triển từ thế kỷ 20.

 
- Năng lượng nhiệt mặt trời: là việc chuyển đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng. Nhiệt năng được sử dụng chính cho hệ thống sưởi hoặc đun nước để tạo hơi quay cho turbine điện.
- Điện năng lượng mặt trời: Đây là quá trình chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất.

 
Con người biết đến và sử dụng năng lượng mặt trời từ rất sớm. Tuy nhiện việc ứng dụng được năng lượng mặt trời vào sản xuất thì phải đến cuối thế kỷ 18 tại các nước có lượng bức xạ mặt trời cao như sa mạc. PV Array là bộ thu năng lượng – máy phát điện mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện.

Được phát hiện vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre-Edmund Becquerel. Hiệu ứng quang điện mô tả cách thức mà các tế bào PV tạo ra điện từ năng lượng nằm trong các photon của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào một tế bào PV, tế bào hấp thụ một số photon và năng lượng của photon được chuyển thành một electron trong vật liệu bán dẫn. Với năng lượng từ photon, electron có thể thoát ly ra khỏi vị trí thông thường của nó trong nguyên tử bán dẫn để trở thành một phần của dòng điện trong mạch điện.

 

Hầu hết các tế bào PV thuộc một trong hai loại cơ bản là Silicon tinh thể hoặc màng mỏng (thin film). Các Mô-đun Silicon tinh thể có thể được tạo thành từ Silicon đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc băng Silicon. Thin-film là một thuật ngữ bao gồm một loạt các công nghệ khác nhau, gồm Silicon vô định hình và một loạt các biến thể sử dụng các chất bán dẫn khác như Cadmium telluride hoặc CIGS (Đồng Indium Gallium diselenide).

Mặc dù công nghệ màng mỏng đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, các mô-đun tinh thể hiện vẫn chiếm hơn 80% thị trường. Để sử dụng năng lượng từ PV Array, cần có các bộ phận phụ trợ khác như bộ biến tần (inverter), bộ điều khiển sạc và pin lưu trữ, tạo nên hệ thống điện năng lượng mặt trời. Từ sau cuộc khủng hoảng ngành năng lượng năm 1968 và năm 1973 năng lượng mặt trời mới thực sự được chú ý và phát triển. Từ đó đến nay ngành công nghiệp năng lượng đã trải qua bao nhiêu cải tiến, phát minh chúng ta có được hệ thống năng lượng mặt trời với các thiết bị hiện đại.

 
Mặt trời là nguồn năng lượng vô tận mà chúng ta có thể khai thác và sử dụng. Trong lịch sử khai thác năng lượng mặt trời của con người. Chúng ta có thể chia ra làm hai phương pháp chính. Đó là phương pháp khai thác chủ động và phương pháp thụ động.

- Phương pháp thụ động là phương pháp sử dụng các nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc vật liệu các công trình xây dựng.
- Phương pháp chủ động hiện đại hơn là sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu năng lượng từ bức xạ mặt trời. Sau đó dùng hệ thống quạt hay máy bơm để phân phối nhiệt năng lượng mặt trời.

 
Năng lượng mặt trời hiện nay được khai thác thành công và ứng dụng theo hai phương pháp chính. Đó là nhiệt mặt trời và điện mặt trời. Mỗi loại ứng dụng có một cách khai thác cũng như phục vụ cho nhu cầu sử dụng riêng.

 

- Nhiệt mặt trời: Nhiệt mặt trời là quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng. Nó được sử dụng chủ yếu trong các lò sưởi, đun nóng, tạo hơi nước hay các hệ thống nước nóng hiện nay.
- Điện mặt trời: Có thể hiểu điện mặt trời là quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Hệ thống tạo ra điện mặt trời có thể thay thế nguồn điện lưới để phục vụ cho quá trình sinh hoạt và sản xuất kinh doanh của con người.

 
Tuy rằng công suất của điện mặt trời khai thác được còn khá thấp hơn so với thủy điện và nhiệt điện. Tuy nhiên trong vòng 5 năm trở lại đây điện mặt trời liên tục được phát triển lên theo cấp số nhân. Mỗi năm mức độ tăng trưởng từ 25% trở lên. Dự kiến trong một tương lai gần điện mặt trời sẽ là nguồn năng lượng chính trên thế giới. Nó thay thế các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt.

 
Để khai thác được điện từ năng lượng mặt trời. Người ta tiến hành ghép nối từ nhiều tấm pin mặt trời (hay còn gọi là pin quang điện vì nó sản xuất dựa trên các tế bào quang điện). Các tấm pin được sản xuất từ silic đa tinh thể, đơn tinh thể hay màng mỏng. Nó có hiệu suất khác nhau từ 15% đến 18%. và tuổi thọ trung bình của các tấm pin mặt trời từ 25 đến 35 năm.

Các tấm pin mặt trời sẽ trực tiếp biến đổi từ năng lượng mặt trời thành điện năng. Dòng điện pin mặt trời tạo ra là dòng điện một chiều. Nó sẽ được bộ sạc năng lượng mặt trời điều chỉnh và sạc đầy cho hệ thống ắc quy lưu trữ. Để dòng điện nay phù hợp với các thiết bị điện thường dùng. Hệ thống sẽ sử dụng thêm thiết bị inverter chuyển đổi nguồn điện. Thiết bị này sẽ trực tiếp chuyển đổi dòng điện từ ắc quy lưu trữ hoặc tấm pin pv thành dòng điện xoay chiều 220V. Và cung cấp điện tiêu thụ phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất, kinh doanh.

 

 
Để tiến hành khai thác thành công năng lượng mặt trời thành điện mặt trời. Chúng ta tiến hành ghép nối nhiều thiết bị lại với nhau tạo thành một hệ thống. Trong hệ thống điện mặt trời, mỗi thiết bị sẽ có một nhiệm vụ riêng được kết nối mật thiết với nhau.

 
Tấm pin năng lượng mặt trời là thiết bị quan trọng nhất cũng có mức giá cao nhất của hệ thống. Hệ thống được ghép nhiều tấm pin mặt trời lại với nhau để thu bức xạ mặt trời và biến đổi thành điện năng. Mỗi tấm pin có tuổi thọ khá cao từ 25 đến 30 năm sử dụng.

 

 
Đây là thiết bị có nhiệm vụ điều khiển quá trình sạc điện từ pin mặt trời sang hệ thống ắc quy lưu trữ. Nó bảo vệ cho ắc quy không nạp quá tải hay xả điện quá sâu. Đặc biệt giúp hệ thống luôn hoạt động đúng chiều của nó. Không để điện từ bình ắc quy trào ngược trở lại tấm pin mặt trời. Giúp bảo vệ tuổi thọ của ắc quy cũng như của hệ thống điện mặt trời.

 
Bộ biến tần có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện một chiều từ bình ắc quy từ 12V, 24V hay 48V lên dòng điện xoay chiều 220V. Dòng điện 220V này sẽ phù hợp với tất cả các thiết bị điện chúng ta đang sử dụng cũng như cùng thông số với điện lưới. Tùy theo công suất hệ thống điện mặt trời mà chúng ta lựa chọn các loại inverter có công suất khác nhau từ 300VA – 10kVA.

 
Đây là hệ thống dùng để lưu trữ điện mặt trời để sử dụng cho những lúc trời mưa hay ban đêm pin mặt trời không sản xuất ra điện. Cũng tùy vào công suất của hệ thống mà chúng ta kết hợp nhiều bình ắc quy lại với nhau. Mỗi bình ắc quy có tuổi thọ sử dụng từ 3 đến 5 năm chúng ta phải thay mới một lần. Mức giá của mỗi bình ắc quy dao động trên dưới 150 USD.