Pin mặt trời được cấu tạo từ rất nhiều tế bào quang điện nhỏ, những tế bào này sẽ sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển thành điện năng.. Ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ li ti gọi là cá
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện: Hoàng Phương Nam
Dương Thế Nam Phùng Quang Minh
Nguyễn Hoàng Minh
Lớp:
Trang 2
Mục Lục
I.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 2
II.Cấu trúc và loại pin 5
1 Khung nhôm 6
2 Lớp kính cường lực 6
3 Lớp EVA (ethylene vinyl acetate) 6
4 Lớp tế bào quang điện (Lớp solar cell) 6
5 Tấm nền pin 6
6 Hộp đấu dây 7
7 Đầu nối cáp MC4 và cáp điện DC 7
III.Loại pin mặt trời: 7
IV Hiệu suất: Làm thế nào để đo lường hiệu suất của một tấm pin mặt trời? 7
V Vị trí và hướng lắp đặt 8
1 Ảnh hưởng của vị trí và hướng lắp đặt tới việc tối ưu hóa hiệu suất 8
2 Cách lắp đặt pin mặt trời để tối ưu hiệu suất 9
IV Quy trình bảo trì pin mặt trời 11
1 Tấm pin năng lượng mặt trời 11
2 Các bước bảo trì pin năng lượng mặt trời 12
VII Tái chế pin năng lượng mặt trời một cách bảo vệ môi trường 12
1 Tái chế pin mặt trời tinh thể Silicon 12
2 Tái chế pin mặt trời màng mỏng (thin-film) 13
VIII Pin mặt trời tích hợp vào trong các công trình kiến trúc 14
1.Giải pháp tích hợp vào mái 14
2 Giải pháp tích hợp trên tường 15
IX Các ứng dụng khác của pin năng lượng mặt trời ngoài tạo ra điện năng 15
1.Ứng dụng pin mặt trời cho phương tiện giao thông 15
2 Ứng dụng năng lượng mặt trời trụ đèn đường, đèn giao thông 15
3 Trạm sạc năng lượng mặt trời 15
4 Ứng dụng của pin năng lượng mặt trời làm Balo năng lượng mặt trời 16
5 Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời 16
6 Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời của các tòa nhà 16
7 Sấy khô các sản phẩm nông nghiệp và các sản phẩm từ động vật bằng năng lượng mặt trời 16
Trang 3bởi trước hết bảo quản là một hoạt động không thể thiếu sau k 16
X Công nghệ mới và phát triển 16
1 Những công nghệ mới trong lĩnh vực pin mặt trời: 16
Công nghệ 1: PERC – Passivated Emitter Rear Cell 16
Công nghệ 4: Split panels – using half cut cells 17
Công nghệ 5: Shingled Cells – Overlapping cells 17
Công nghệ 6: IBC – Interdigitated Back Contact cells 18
Công nghệ 7: HJT – Heterojunction cells 18
Công nghệ 8: Dual Glass – Frameless double glass 19
2 Các xu hướng phát triển trong công nghệ pin mặt trời 19
XI Chất liệu và hiệu quả 20
Trang 4I.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Pin mặt trời được cấu tạo từ rất nhiều tế bào quang điện nhỏ, những tế bào này sẽ sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển thành điện năng Tế bào quang điện được cấu tạo từhai thành phần chủ yếu, gồm chất bán dẫn loại N và chất bán dẫn loại P
Trong đó:
+ Chất bán dẫn loại N là chất bán dẫn được làm từ Silic và pha thêm một số tạpchất Chất bán dẫn loại N chứa các electron không bền vững, có thể tách ra khỏiliên kết và di chuyển tự do, hay còn gọi là các electron tự do
+ Chất bán dẫn loại P cũng là chất bán dẫn được làm từ Silic và pha them một sốtạp chất, nhưng trong đó có chứa các lỗ trống
Tại nơi tiếp xúc giữa 2 loại silic (P/N Junction), electron có thể di chuyển qua tiếp diệnP/N để lại điện tích dương ở một mặt và tạo ra điện tích âm ở mặt còn lại
Trang 5Ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ li ti gọi là các hạt photon, khi được mặt trời chiếusáng, một trong các hạt này va đập vào solar cell với đủ năng lượng, nó có thể đánh bậtmột electron khỏi liên kết để lại một lỗ trống.
Electron mang điện tích âm và lỗ trống mang điện tích dương nay có thể di chuyển tự
do, nhưng bởi vì trường điện từ tại tiếp diện P/N nên chúng chỉ có thể đi theo một hướng.Electron bị hút về mặt N và lỗ trống bị hút về mặt P
Trang 6
Các electron di động được thu thập ở các lá kim loại tại đỉnh solar cell Từ đây chúng đi vào mạch tiêu thụ thực hiện chức năng điện trước khi quay trở về lá nhôm ở mặt sau.
II.Cấu trúc và loại pin.
Trang 7
- Pin mặt trời được cấu tạo từ 7 thành phần chính:
2.1 Khung nhôm
Khung nhôm của tấm pin mặt trời là một thành phần quan trọng, có kết cấu cứng cáp
để tích hợp các tế bào quang điện (solar cells) và các bộ phận khác, bảo vệ và cố định cácthành phần bên trong trước tải trọng gió lớn và ngoại lực tác động bên ngoài Khung nhôm của các tấm pin thường được anode hóa (anodized aluminum) và gia cố thanh ngang để tăng kết cấu cứng cáp cho tấm pin, giúp tăng độ cứng, độ bền, chịu được tác động xấu của thời tiết và các tác động cơ học mài mòn Khung nhôm cũng có trọng lượngnhẹ, giúp giảm tải trọng cho hệ thống điện mặt trời, đặc biệt là hệ thống điện mặt trời áp mái
2.3 Lớp EVA (ethylene vinyl acetate)
Đây là thành phần được coi là chất kết dính, là 2 lớp polymer mỏng đặt trên và dưới lớp solar cells Nhằm kết dính lớp tế bào quang điện với kính cường lực phía trên và lớp phía dưới Ngoài ra lớp này còn tối ưu hóa khả năng hấp thụ và bảo vệ solar cells khỏi sự
Trang 8rung động, tránh bám bụi bẩn và sự tích tụ hơi nước Là vật liệu có khả năng chịu nhiệt rất tốt và độ bền cao.
2.4 Lớp tế bào quang điện (Lớp solar cell)
Lớp tế bào quang điện (lớp solar cell), là thành phần chính của tấm pin năng lượng mặt trời (Solar panel) Các tế bào quang điện thường được làm từ silic – chất bán dẫn phổbiến Trong một tế bào (cell), tinh thể silic nằm ở giữa hai lớp dẫn điện Các tế bào tinh thể silic này có thể là đơn tinh thể hoặc đa tinh thể, tùy theo quy trình sản xuất của từng hãng
Solar cell có 2 lớp bán dẫn chính, bao gồm: (1) Lớp bán dẫn loại N – Lớp này có nhiều electron (hạt mang điện âm), được tạo ra bởi sự dư thừa electron và (2) Lớp bán dẫn loại P – Lớp này có nhiều lỗ trống (hạt mang điện dương), được tạo ra bởi sự thiếu
hụt electron Hai lớp bán dẫn này được nối với nhau bởi một Lớp tiếp giáp P-N.
2.7 Đầu nối cáp MC4 và cáp điện DC
Còn gọi là jack MC4, là đầu nối điện được dùng để kết nối các tấm pin mặt trời Việc
sử dụng đầu nối MC4 giảm thiểu những tai nạn cháy nổ, hoặc hư hỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời
Cáp điện DC là loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng lượng mặt trời, lớp đồng đượctráng kẽm giúp giảm điện trở dây dẫn, lớp vỏ được thiết kế để chống tia UV & Ozone, kháng hóa chất và kháng dầu, với đặc tính chống cháy và tồn tại trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt
Có ba loại pin mặt trời chính: mono poly, và thin-film Mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và loại pin năng lượng mặt trời phù hợp nhất cho việc lắp đặt của bạn sẽ phụ thuộc vào các yếu tố cụ thể như tài chính của bạn và đặc điểm của hệ thống mong muốn
Trang 9III.Loại pin mặt trời:
Có ba loại pin mặt trời chính: mono, poly và thin-film Mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và loại pin năng lượng mặt trời phù hợp nhất cho việc lắp đặt của bạn sẽ phụ thuộc vào các yếu tố cụ thể như tài chính của bạn và đặc điểm của hệ thống mong muốn
IV Hiệu suất: Làm thế nào để đo lường hiệu suất của một tấm pin mặt trời?
Xếp hạng công suất đỉnh là phép đo hiệu suất chính của mô-đun PV Định mức công suất đỉnh (Wp) được xác định bằng cách đo công suất tối đa của mô-đun quang điện trong Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC) trong phòng thí nghiệm Những điều kiện này liên quan đến công suất tối đa của môđun PV là không thực tế Do đó, các nhà nghiêncứu phải sử dụng xếp hạng NOCT (Nhiệt độ tế bào hoạt động danh nghĩa) Trong thực tế,một trong hai được thiết kế để chỉ ra hiệu suất của mô-đun năng lượng mặt trời trong điềukiện vận hành thực tế Một phương pháp khác là xem xét cả ngày thay vì số giờ nắng
“cao điểm” và phương pháp này dựa trên một số yếu tố như mức độ ánh sáng, nhiệt độ môi trường và khối lượng không khí cũng như dựa trên một ứng dụng cụ thể
Mảng năng lượng mặt trời có thể cung cấp lượng điện cụ thể trong những điều kiện nhất định Để xác định hiệu suất mảng, các yếu tố sau cần được xem xét:
+ đặc tính hiệu suất điện của pin mặt trời
+ các yếu tố suy giảm liên quan đến thiết kế mảng
+ lắp ráp, chuyển đổi các cân nhắc về môi trường thành nhiệt độ vận hành pin mặt trời và
+ công suất đầu ra của mảng Tiêu chí hiệu suất sau đây xác định lượng đầu ra của PV
Trang 10Công suất đầu ra: Công suất đầu ra được biểu thị bằng watt và đó là công suất có sẵn tại bộ điều khiển/bộ điều chỉnh sạc được chỉ định là công suất cực đại hoặc công suất trung bình được tạo ra trong một ngày.
Năng lượng đầu ra: Năng lượng đầu ra cho biết lượng năng lượng được tạo ra trong một khoảng thời gian nhất định và được biểu thị bằng Wh/m2
Hiệu suất chuyển đổi được định nghĩa là năng lượng đầu ra từ mảng sang năng lượng đầu vào từ mặt trời Nó còn được gọi là hiệu suất năng lượng và nó bằng công suất đầu ra
từ mảng với công suất đầu vào từ mặt trời Công suất thường được tính bằng đơn vị watt (W) và năng lượng thường được tính bằng đơn vị watt-giờ (Wh)
V Vị trí và hướng lắp đặt.
5.1 Ảnh hưởng của vị trí và hướng lắp đặt tới việc tối ưu hóa hiệu suất.
Việc lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời đúng cách, chính xác là rất quan trọng bởi quy trình này sẽ quyết định đến hiệu suất hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời thấp hay cao Nếu như không lắp pin năng lượng mặt trời đúng cách thì tấm pin sẽ không hấp thụ đủ ánh sáng và đủ năng lượng để cung cấp cho toàn bộ hệ thống Điều nàyảnh hưởng khả năng cung cấp điện năng lượng mặt trời và giảm hiệu suất hoạt động của
hệ thống Bên cạnh đó, việc lắp đặt tấm pin mặt trời không hợp lý còn có thể gây ra những rủi ro về an toàn chẳng hạn như sét đánh, chập điện Thậm chí nó còn gây hỏng thiết bị và độ bền của hệ thống gây tốn kém trong việc sửa chữa, thay thế Do đó, lắp đặt tấm pin mặt trời hợp lý là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả và bền vững của
hệ thống điện năng lượng mặt trời
5.2 Cách lắp đặt pin mặt trời để tối ưu hiệu suất.
5.2.1 Vị trí lắp đặt
Chọn lựa vị trí lắp đặt là bước đầu tiên và quan trọng để đảm bảo hiệu suất của hệ thống Vị trí lắp đặt cần đảm bảo có ánh sáng mặt trời chiếu vào trực tiếp và liên tục từ khoảng 9 giờ sáng cho đến khoảng 3 giờ chiều, tối thiểu 5 tiếng trên 1 ngày
Vị trí lắp đặt cũng cần phải tránh xa các vật che chắn như tòa nhà, cây cối, núi đồi, tường rào Không giống như các tấm nhiệt mặt trời (trong các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời) được sử dụng để làm ấm/nóng nguồn nước có thể chịu được việc bị bóng râm che khuất 1 phần nào đó, nhưng tấm năng lượng thì không thể chịu được bóng râm che khuất từ cây lá, tuyết bám, mây, bóng râm của các tòa nhà cao tầng… Nếu một nhanhcây, ống thông hơi hoặc các tòa nhà lớn xung quanh che khuất ánh sáng chiếu vào hệ thống pin của bạn, sẽ tạo nên những khoảng tối trên bề mặt các tấm pin Những nguồn bóng râm này làm giảm đáng kể lượng ánh nắng chiếu vào các tế bào quang điện của bảng mặt trời Việc bị che mờ một phần trên tấm pin sẽ làm giảm công suất của nó Bởi
vì tất cả các ô được kết nối theo dạng chuỗi nối tiếp, ô yếu nhất sẽ kéo theo các ô còn lại xuống mức năng lượng giống nó Do đó, dù là 1 nửa tấm bị che bóng hay 1 nửa tế bào bị che bóng thì sản lượng điện tạo ra trong trường hợp này cũng sẽ dưới 50% Khi một ô bị
Trang 11bóng râm che hoàn toàn, nó có thể “tiêu phí” năng lượng được tạo ra bởi các tế bào còn lại và xung phát tấm pin mặt trời để bảo vệ chính nó Chúng sẽ định tuyến điện xung quanh chuỗi đó Nếu một hàng các ô ở dưới (các cell gần đầu ra) cùng của tấm pin bị che bóng hoàn toàn, sản lượng điện có thể giảm xuống bằng 0
Cách tốt nhất là nên lựa chọn vị trí lắp pin năng lượng ở nơi cao nhất có thể, bởi vì đó
là vị trí ít gặp phải vật cản nhiều nhất đồng thời thì khả năng gặp phải nắng cũng nhiều hơn
5.2.2 Góc nghiêng
Hệ thống tấm pin hoạt động tốt nhất khi chúng đối diện trực tiếp với mặt trời Nhưng nhiệm vụ đó phức tạp bởi thực tế là mặt trời không bao giờ đứng im và chiếu sáng vào một hướng trong suốt cả ngày Nó cũng sẽ thay đổi góc chiếu khi thay đổi mùa này sang mùa khác Vì vậy, khi bạn xây dựng một hệ mặt trời, câu hỏi đặt ra là: góc nào tốt nhất đểgắn các tấm để có được sản lượng cao nhất?
5.2.3 Góc nghiêng tối ưu không điều chỉnh
Nếu bạn là người khá bận rộn và không có thời gian để bận tâm đến việc phải thường xuyên điều chỉnh hướng các tấm pin, thì hãy đặt chúng ở một góc nghiêng bằng với vĩ độtại nơi đó Một vấn đề cần xem xét là bạn có thể thay đổi độ nghiêng một chút để ưu tiên sản lượng mùa hè hay mùa đông Nếu như cầu sử dụng điện của bạn vào mùa hè cao hơn thì bạn có thể điều chỉnh để tối ưu khả năng sản xuất điện vào mùa hè Ngược lại, bạn có thể điều chỉnh các tấm pin tối ưu cho mùa đông nếu mức sử dụng điện năng vào mùa đông của bạn cao hơn Điều này quan trọng hơn đối với các hệ thống ngoài lưới, vì bạn phải lưu trữ và tự chủ trong việc sử dụng điện của mình Còn nếu bạn sở hữu hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới rất có thể bạn sẽ muốn tối ưu hóa cho sản xuất mùa hè hơn,
vì vào mùa hè thời gian chiếu nắng nhiều hơn dẫn đến sản lượng điện cũng cao hơn, thêmvào đó khi hoà lưới nếu lượng điện thừa ra từ sản xuất của hệ thống mặt trời sẽ được công ty điện lực mua lại và vào mùa đông cũng không phải lo lắng về việc không có điện sinh hoạt Tóm lại:
• Để tối ưu hóa tổng thể sản xuất quanh năm: hãy nghiêng ở vĩ độ của bạn
• Để ưu tiên sản xuất nhiều hơn vào mùa hè: hãy nghiêng ở vĩ độ của bạn trừ đi 10°
• Để ưu tiên sản xuất nhiều hơn vào mùa đông: hãy nghiêng ở vĩ độ của bạn cộng với 10-15°
5.2.4 Điều chỉnh góc nghiêng tối ưu theo mùa
Trang 12Nếu bạn sở hữu một giá treo tấm pin có thể điều chỉnh và không ngại việc nghiêng, điều chỉnh chúng thì bạn có thể thay đổi góc một vài lần trong năm để có thêm một chút hiệu quả sản xuất cho các tấm Có một lưu ý cho bạn nếu bạn ở khu vực có tuyết rơi dày vào mùa đông Việc tuyết tích tụ và bám trên các tấm pin sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến năngsuất của chúng, do đó vào mùa đông tuyết rơi dày bạn có thể điều chỉnh độ nghiêng của tấm pin dốc hơn một chút Điều này không chỉ giúp cải thiện khả năng sản xuất mà còn giúp tuyết không bám vào bề mặt tấm pin được Nếu bạn có thời gian để điều chỉnh góc nghiêng của các tấm pin mặt trời một vài lần mỗi năm thì đây là lịch điều chỉnh mà chúngtôi khuyên bạn nên áp dụng:
• Mùa xuân: Nghiêng các tấm theo vĩ độ của bạn
• Mùa hạ: Nghiêng các tấm đến vĩ độ của bạn và trừ đi 10°
• Mùa thu: Nghiêng các tấm theo vĩ độ của bạn
• Mùa đông: Nghiêng các tấm theo vĩ độ của bạn và cộng thêm 10-15°
VI Quy trình bảo trì pin mặt trời
6.1 Tấm pin năng lượng mặt trời
Khi nào cần bảo trì tấm pin năng lượng mặt trời?
6.1.1 Hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời chứa bụi bẩn và mảnh vụn
Hệ thống các tấm pin mặt trời là thành phần trực tiếp tiếp xúc với môi trường bên ngoài, thường được lắp đặt trên mái nhà, mái xưởng, khu vực diện tích rộng rãi Nhờ vậy các tấm pin có thể trực tiếp đón ánh nắng mặt trời, tuy nhiên cũng phải chịu ảnh hưởng của thời tiết ngoại cảnh Do đó rất có khả năng trong quá trình vận hành, các tấm pin sẽ
bị bám bụi bẩn, bùn hay rêu,… Từ đó làm giảm sản lượng điện sản xuất ra được hàng tháng
6.1.2 Giá đỡ và mái đỡ hệ thống điện mặt trời bị xuống cấp
Hệ thống điện mặt trời thường được thiết kế và lắp đặt trên hệ thống giá đỡ làm bằng kim loại Do đó hệ thống giá đỡ này vừa phải chịu tải từ trọng lượng hệ thống tấm pin, đồng thời vừa phải chịu tác động từ thời tiết cùng tác động lực bên ngoài môi trường Nếu để lâu trong thời gian kéo dài rất dễ bị hao mòn, khiến tấm pin trên giá hoạt động không ổn định Thậm chí bị võng và ngập úng nước trong thời gian dài làm hỏng tấm pin.Đây là một trong những sự cố hư hại không được nhà sản xuất bảo hành, bởi vì lỗi xuất phát từ quá trình lắp đặt