1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
1. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Pin năng lượng mặt trời (solar panel/pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.
Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. "Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phịng". Với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất bán dẫn. Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hịa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngồi một ngun tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hịa điện tích.
Trang 8 Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác. Quá trình này được gọi là “doping” và silicon pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống. Một chất bán dẫn silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác. Phần đầu tiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hịa điện tích và có đủ 5 electron trong vỏ của nó. Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra. Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N). Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron. Boron chỉ cần 3 electron để trung hịa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron.
Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các electron từ điện cực N và điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Các tế bào năng lượng mặt trời sẽ trở thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép di chuyển ngược lại.
Tất nhiên, để kích hoạt q trình cần có năng lượng tiếp xúc với các tế bào silicon. Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời, các hạt nhỏ năng lượng có thể tiếp xúc với các tế bào năng lượng mặt trời và nới lỏng liên kết của các electron ở điện cực N. Sự di chuyển của các elentron tự do từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện.
2. Nguyên lý hoạt động của Bypass Diode
Bypass Diode là một linh kiện dẫn dòng điện được sản sinh đi qua chuỗi tế bào quang điện không sinh ra dòng điện (bị lỗi, bị che chắn do bụi bẩn bám). Chuỗi quang điện là một chuỗi các tế bào quang điện được đấu nối tiếp với nhau để tạo ra dịng điện lớn hơn, nâng cơng suất phát điện. Máy đo kiểm tra nối tắt được tập đoàn Hioki thiết kế nhằm kiểm tra và phát hiện các lỗi hở mạch và ngắn mạch trên các Bypass Diode của chuỗi tế bào quang điện ngay cả khi pin đang hoạt động dưới ánh sáng mặt trời mà không cần phải sử dụng tấm che chắn.
Trang 9
Hình 1.6: Mơ hình mạch tương đương cho tấm pin năng lượng mặt trời
Hiện tại, hầu hết các tấm pin NLMT sử dụng các tế bào PV silicon đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Khi một tế bào quang điện bị che bóng, khả năng sản xuất ra dịng điện của nó sẽ giảm xuống 0. Vì các tế bào quang điện trong một tấm pin NLMT thường được đấu nối tiếp, nên dòng điện qua tất cả các tế bào quang điện là giống nhau. Dòng điện trong tế bào bị bóng che chạy qua điện trở Rp. Sự sụt giảm điện áp trên điện trở Rp làm cho diode trong mạch tương đương bị phân cực ngược, do đó dịng điện qua diode (Id) nói chung là không đáng kể (trừ khi diode được phân cực ngược đủ để gây ra bão hịa).
Cơng suất tiêu tán trong điện trở Rp và diode gây ra hiện tượng được gọi là hiện tượng điểm nóng, theo đó tế bào quang điện bắt đầu nóng lên. Tế bào quang điện có cơng suất tiêu tán Pc, nếu vượt quá có thể dẫn đến phá hủy tế bào. Các nhà sản xuất thường xác định điện áp đánh thủng Vc, điện áp này phụ thuộc vào cơng nghệ làm tấm pin và quy trình sản xuất được sử dụng. Sự sụt giảm điện áp trên một ơ bóng mờ làm giảm tổng điện áp chuỗi. Từ quan điểm sản xuất điện năng, do đó sẽ có lợi hơn nếu loại bỏ ơ bóng mờ khỏi chuỗi hơn là để nó tác động tiêu cực đến tổng công suất được tạo ra [11], [14].
Trang 10
Hình 1.7: Xuất hiện các điểm nhiệt (hotspot) trên tấm pin khi Bypass Diode trên tấm pin bị hư hỏng
Bypass Diode là một diode phụ được đặt song song với một tế bào quang điện hoặc một chuỗi các tế bào, như thể hiện trong dưới. Trong quá trình hoạt động bình thường, Bypass Diode được phân cực ngược. Khi tế bào (hoặc chuỗi tế bào) bị bóng che, Bypass Diode được phân cực thuận và do đó cung cấp một đường dẫn thay thế cho dòng điện từ các tế bào khơng bị che bóng đi qua. Trong trường hợp lý tưởng, Bypass Diode sẽ được đặt song song với mỗi tế bào quang điện trong một tấm pin NLMT, tuy nhiên do giới hạn về chi phí nên chỉ sử dụng Bypass Diode cho một chuỗi các tế bào quang điện.
Hình 1.8: Bypass Diode hoạt động để dẫn dịng khơng cho đi qua các chuỗi tế bào bị che khuất
Khi chọn một Bypass Diode, tham số đầu tiên cần xem xét là điện áp phân cực ngược lớn nhất Vrrm. Điện áp phân cực ngược cực đại được yêu cầu phải lớn hơn điện áp tối đa được tạo ra bởi tế bào (hoặc chuỗi tế bào) mà nó được kết nối, qua đó để ngăn chặn việc bão hịa dẫn đến tế bào đó (hoặc chuỗi tế bào) không tạo ra bất kỳ công suất đầu ra nào. [14]
Trang 11
Hình 1.9: Đặc tính V-I của tế bào quang điện khi có và khơng có Bypass Diode
Tham số thứ hai cần xem xét là điện áp phân cực thuận Vf của diode. Điện áp phân cực thuận được yêu cầu phải thấp hơn điện áp đánh thủng Vc của tế bào quang điện khi bị bóng che. Khi được đặt trên một chuỗi tế bào, Bypass Diode được yêu cầu để dẫn dòng điện khi một tế bào bị bóng che. Diode Schottky thường được chọn làm Bypass Diode do điện áp phân cực thuận của chúng thấp. Điện áp phân cực thuận thấp hơn cũng dẫn đến tổn thất trong diode thấp hơn. [14]
Hình 1.10: Bypass Diode trong hộp nối của tấm pin NLMT
Bypass Diode thường được đặt trong một hộp chứa ở phía sau của mơ-đun PV được gọi là hộp nối. Một số nhà sản xuất niêm phong hộp nối để ngăn chặn sự ăn mòn, làm cho việc tiếp cận các Bypass Diode trở nên khó khăn. Hình dưới cho thấy các Bypass Diode được đặt trong một hộp nối có thể tiếp cận.