Hoạt động của Pin mặt trời Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Solar panel Pin năng lượng mặt trời (haypin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứalượng lớn cácdiod p-n,duớisự hiện diện củaánhsáng mặttrờicó khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Lịch sử Hiệu ứngquangđiệnđược phát hiệnđầutiên năm 1839 bởi nhà vật lýPháp AlexandreEdmond Becquerel. Tuynhiên chođến 1883một pin nănglượng mới được tạothành, bởi Charles Fritts, ôngphủ lên mạch bán dẫn selen mộtlớp cực mỏngvàng để tạonên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, RussellOhl xem là người tạo ra pinnăng lượngmặt trời đầu tiên năm 1946. SvenAson Berglundđã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năngcảm nhậnánh sáng của pin. Nền tảng Để tìm hiểu về pin mặt trời, thì cần một ít lý thuyết nền tảng về vật lý chất bándẫn. Để đơn giản,miêu tả sauđây chỉ giới hạn hoạt động củamột pinnăng lượngtinh thể silic. Silic thuộc nhómIV, tức là có4 electronlớpngoài cùng.Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắnsilicon, đathùhình (không có trậttự sắp xếp)và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy khônggian 3 chiều). Pinnăng lượng mặt trời phổ biến nhấtdùngđa tinhthể silicon. Silic là chất bán dẫn. Tức làthể rắn silic, tại một tầng nănglượngnhất định, electroncó thể đạt được, vàmột số tầng năng lượng khác thì khôngđược. Cáctầng năng lượngkhôngđược phép này xemlàtầng trống. Lýthuyết này căn cứ theo thuyết cơ họclượng tử. Ở nhiệtđộ phòng, Silic nguyên chất có tínhdẫn điện kém.Trongcơ học lượng tử, giảithích thất tế tại mức nănglượng Fermi trong tầng trống.Để tạo ra silic cótính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào mộtlượngnhỏ các nguyên tử nhóm IIIhay V trong bảng tuần hoànhóa học. Các nguyên tử nàychiếmvị trí của nguyên tử silic trong mạng tinhthể, vàliênkết với các nguyên tử silic bên cạnhtương tự như là một silic. Tuy nhiên các phân tử nhóm IIIcó 3 electronngoài cùngvà nguyên tử nhóm Vcó 5 electron ngoài cùng,vì thế nên có chỗ trong mạng tinhthể có dư electroncòncó chỗ thì thiếuelectron.Vì thế cácelectron thừa haythiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinhthể. Chúngcó thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp vớinguyên tử nhóm III(nhôm haygali) được gọi là loạibán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mangđiện tích dương (positive), trong khi phần kếthợp với các nguyên tử nhóm V (phốtpho, asen)gọi là bán dẫn nvì mang năng lượng âm(negative). Lưu ý rằngcả hai loại nvà pcó năng lượngtrung hòa, tức là chúng cócùng nănglượng dươngvà âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể dichuyển xungquanh, tương tự ngược lại với loại p. Vật liệu và hiệu suất Nhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm chopin mặt trời. Vàhai tiêu chuẩn, hiệu suất và giá cả. Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. Vào buổi trưamột ngày trời trong,ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đó 10% hiệu suất của1 module1 m² cung cấp năng lượngkhoảng 100W. hiệu suấtcủa pinmặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình,và có thể lên đến 30% haycao hơnnữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiêncứu trong phòng thí nghiệm. Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tínhtoán cụ thể trên từng kilo Wattgiờ (kWh).Hiệu suất của pinmặt trờikết hợpvới sự bức xạ là 1 yếu tố quyết định trong giá thành. Nói chung hiệu suất củatoàn hệ thốnglà tầmquan trọng của nó.Để tạonên ứng dụng thực sự của pintích hợp năng lượng,điện năng tạo nên nối với mạnglưới điện sử dụng inverter; trong các phương tiện dichuyển, hệ thống ắcquy sử dụng để lưu trữ nguồn năng lượngkhông sử dụnghiện tại. Các pin năng lượngthương mại và hệ thốngcông nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá của điện từ 50 Eurocent/kWh(Trung Âu)xuốngtới 25 eurocent/kWhtrong vùng có ánh mặt trờinhiều. Cho tới hịên tạithì vật liệu chủ yếucho pinmặt trời (và cho cácthiết bị bándẫn) là các silictinh thể. Pin mặt trời từ tinhthể silic chiara thành3 loại: Một tinhthể hay đơntinh thể modulesản xuấtdựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%.Chúng thườngrấtmắc tiền do được cắt từ các thỏi hìnhống, cáctấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. Đa tinhthể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nungchảycẩn thận được làm nguộivà làm rắn. Cácpin này thường rẻ hơn các đơn tinhthể, tuy nhiênhiệu suất kém hơn. Tuynhiênchúng có thể tạo thànhcác tấm vuôngche phủ bề mặt nhiều hơnđơn tinhthể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. Dải silictạo từ các miếng phimmỏngtừ silic nóng chảy và có cấutrúcđa tinh thể, Loại nàythường cóhiệu suấtthấpnhất, tuynhiên loại này rẻ nhất trong các loạivì không cần phải cắttừ thỏi silicon. Công nghệ trên là sảnsuất tấm, nói cách khác, cáclọai trêncó độ dày 300 µm tạo thành vàxếplại để tạo nên module. Sự chuyển đổi ánh sáng Cấu trúc 1 tấm pin Khi một photonchạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảyra: 1. Photontruyền trựcxuyên quamảnh silic. Điều này thường xảy rakhi năng lượngcủa photonthấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electronlên mức năng lượngcao hơn. 2. Nănglượngcủa photonđược hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng củaphoton lớnhơn năng lượng để đưa electronlên mức năng lượng cao hơn. Khi photon đượchấp thụ, năng lượng củanó được truyền đếncác hạt electron trong màng tinhthể. Thông thường các electronnày lớp ngoài cùng,và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vìthế không thể di chuyểnxa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron nàycó thể tự do dichuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyêntử sẽ thiếu 1 electronvàđó gọi là "lỗ trống". Lỗ trống này tạo điềukiệncho các electroncủa nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống",và điều này tạo ra lỗ trống chonguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống"di chuyển xuyên suốt mạch bándẫn. Một photon chỉ cần có năng lượnglớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùngdẫn điện. Tuynhiên, tần số của mặttrời thường tươngđương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đềuđượchấpthụ bởi silic. Tuy nhiênhầu hếtnăng lượng mặt trờichuyển đổithành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượngđiện sử dụng được. Sơ đồ nguyên lý một hệ thống năng lượng mặt trời Ứng dụng pin mặt trời ở Việt Nam Pin mặt trời làphươngphápsản xuấtđiệntrựctiếptừ nănglượngmặttrời(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện. Pinmặt trời (PMT)có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu cóánh sángmặt trời, đặc biệtlà tronglĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụngNLMT dưới dạng này được phát triển với tốcđộ rất nhanh,nhấtlà ở các nước pháttriển.Ngày nayứngdụng NLMTđể chạyxe thaythế dần nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao,trung bình hiện naykhoảng 5 - 10USD/Wp, nên ở những nướcđang phát triển, pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp nănglượng điện sử dụng cho các vùng sâu,vùng xa, nơi đườngđiện quốcgia chưa có. Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành)và mộtsố tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việcxâydựng các trạm pinmặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạtvà vănhóa của cácđịa phương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khuvực không có lưới điện.Tuy nhiên hiệnnay pinmặt trời vẫnđang còn là món hàngxa xỉ đối với các nướcnghèo như chúng ta. Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này làngành bưuchính viễnthông.Các trạm pin mặt trờiphát điệnsử dụng làm nguồn cấp điện cho cácthiết bị thu phát sóng của cácbưu điện lớn,trạmthu phát truyềnhình thôngqua vệ tinh. Ở ngành bảo đảm hàng hải,các trạm pin mặt trời phátđiện sử dụng làmnguồncấp điện cho các thiết bị chiếu sáng,cột hải đăng,đèn báo sông.Trongngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phátđiện sử dụng làm nguồn cấpđiện dự phòng cho các thiết bị điều khiểntrạmbiến áp 500kV,thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điệnlưới quốc gia.Trongsinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa,các trạm pin mặt trời phátđiện sử dụng để thắp sáng, ngheđài,xem vô tuyến. Trong ngànhgiao thông đường bộ, cáctrạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồncấp điện chocáccột đèn đường chiếu sáng. Để hiểuđược hết tác dụng, hiệu quả và tầm quan trọng của hệ thống pin mặt trời phát điện, chúng ta có thể tìm hiểu sơ đồ nguyên lýhệ thống điệnpin mặt trời nối lưới điển hình dưới đây: Công trình ứng dụng Khu vựcphía Namứng dụng các dàn PMTphục vụ thắp sángvà sinhhoạt văn hoá tại một số vùng nôngthôn xalướiđiện. Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500 - 1.000 Wpđược lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng. Các dàn PMT có công suất từ 250- 500 Wpphục vụ thắp sáng cho cácbệnh viện, trạm xávà các cụm vănhoá xã. Đến nay có khoảng 800 - 1.000dàn PMTđã được lắpđặt vàsử dụng cho các hộ gia đình,côngsuất mỗi dàn từ 22,5 -70 Wp. Khu vựcmiền Trungcó bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thíchhợp cho việc ứng dụng PMT. Hiện tại ở khu vực miền Trung cóhai dự án lai ghép với PMT có côngsuất lớn nhất Việt Nam,đó là: - Dự án phát điện ghépgiữa PMTvà thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kWđượclắp đặt tại xã Trang,huyện MangYang,tỉnh GiaLai, trong đó công suất của hệ thống PMT là 100kWp(kilowatt peak) và của thuỷ điện là25 kW. Dự án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999,cung cấp điện cho5 làng. Hệ thốngđiện do Điện lực Mang Yang quản lý vàvận hành. Sơ đồ hệ thống điện gia đình - Dự án phátđiệnlaighép giữa PMTvà độngcơ gióphát điệnvớicôngsuất là9 kW, trong đó PMT là7 kW. Dự án trên đượclắp đặttại làng Kongu 2,huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum,do Viện Năng lượng thực hiện.Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cungcấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42hộ gia đình. Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành. - Các dàn pinđã lắp đặt ứng dụng tại cáctỉnh Gia Lai,Quảng Nam,Bình Định, QuảngNgãi và KhánhHoà, hộ gia đình côngsuất từ 40 - 50 Wp. Các dàn đã lắp đặt ứng dụngcho các trungtâm cụmxã vàcác trạm y tế xã cócông suấttừ 200 - 800 Wp. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp vàtruyền thông; đối tượng phụcvụ là người dân, do dânquản lývà vậnhành. Ở khuvựcphía Bắc, việc ứngdụngcác dàn PMT phát triển với tốc độ khá nhanh, phục vụ các hộ gia đìnhở các vùng núicao, hải đảo và cho các trạm biên phòng. Công suất của dàn pindùng chohộ gia đìnhtừ 40 - 75 Wp.Các dàndùng chocác trạm biên phòng, nơi hải đảo có côngsuất từ 165 - 300Wp.Các dàn dùng cho trạm xá và các cụmvăn hoáthôn, xã là 165- 525Wp. Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ: - Dự án PMT cho đơnvị bộ đội tại các đảovùngĐôngBắc.Tổng công suấtlắp đặt khoảng20 kWp.Dự án trên do Viện Nănglượng và Trungtâm Năng lượngmới Trường đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện. Hệ thống điện sử dụng chủ yếuđể thắpsáng và truyền thông,đối tượng phụcvụ là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành. - Dự án PMT cho các cơ quan hànhchính và một số hộ dân của huyện đảoCô Tô. Tổng công suấtlắp đặt là15 kWp.Dự án trên do ViệnNăng lượng thực hiện. Công trình đã vận hành từ tháng 12/2001. . hệ thống năng lượng mặt trời Ứng dụng pin mặt trời ở Việt Nam Pin mặt trời làphươngphápsản xuấtđiệntrựctiếptừ nănglượngmặttrời(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện. Pinmặt trời (PMT)có ưu điểm. được thử nghiệm chopin mặt trời. Vàhai tiêu chuẩn, hiệu suất và giá cả. Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. Vào buổi trưamột ngày trời trong,ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng. hiệu suất của1 module1 m² cung cấp năng lượngkhoảng 100W. hiệu suấtcủa pinmặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình,và có thể lên đến 30% haycao hơnnữa, sử dụng pin có