Cấu tạo và nguyên lý làm việc pin năng lượng mặt trời

DAT Solar chào bạn. Bài viết này đơn giản là để cung cấp kiến thức cơ bản về cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin năng lượng mặt trời. Nếu bạn đang bắt đầu tìm hiểu những kiến thức cơ bản thì bài viết này là một trong những nội dung nên đọc đầu tiên.

Trong bài viết này ta sẽ không giải thích lại pin năng lượng mặt trời là gì, mà sẽ đi chi tiết vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Bài viết này cũng chỉ tập trung nói về cấu tạo chung của hai loại pin năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến nhất là mono và poly. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm các loại pin năng lượng mặt trời khác như pin màng mỏng (Thin-film),  pin mặt trời sinh học (Biohybrid) hoặc pin mặt trời PV tập trung (Concentrated PV) thì có thể xem thêm tại đây. 

Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời được chia làm 8 bộ phận gồm: khung nhôm, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin (phía sau), hộp đấu dây (junction box), cáp điện, Jack kết nối MC4.

1. Khung nhôm: có chức năng tạo ra một kết cấu đủ cứng cáp để tích hợp solar cell và các bộ phận khác lên. Với thiết kế cứng cáp nhưng vẫn đảm bảo trọng lượng đủ nhẹ, khung nhôm có thể bảo vệ và cố định các thành phần bên trong trước tải trọng gió lớn và ngoại lực tác động bên ngoài. Một số hãng ví dụ như Canadian Solar, thậm chí khung nhôm còn được anode hóa và gia cố thanh ngang để tăng độ cứng cáp cho tấm pin. Màu sắc phổ biến của khung nhôm là bạc.

2. Kính cường lực: giúp bảo vệ solar cell khỏi các tác động của thời tiết như nhiệt độ, mưa, tuyết, bụi, mưa đá (đường kính 2,5cm trở xuống) và các tác động va đập khác từ bên ngoài. Kính cường lực được thiết kế có độ dày từ 2-4mm (đa số là khoảng 3.2-3.3mm) để đảm bảo vừa đủ khả năng bảo vệ và duy trì được độ trong suốt cho tấm pin mặt trời (ánh sáng ít bị phản xạ, khả năng hấp thụ tốt).

3. Lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate) còn được được gọi là chất kết dính, là 2 lớp màng polymer trong suốt được đặt trên và dưới lớp solar cell có tác dụng kết dính solar cell với lớp kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới. Lớp này còn có tác dụng hấp thụ và bảo vệ solar cell khỏi sự rung động, tránh bám bụi và hơi ẩm. Vật liệu EVA có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt và có độ bền cực kỳ cao. 

4. Lớp Solar cell (tế bào quang điện). Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ hơn là solar cell. Những loại pin năng lượng mặt trời thông dụng như mono và poly được làm từ silic, một loại chất bán dẫn phổ biến. Trong một cell, tinh thể silic bị kẹp giữa hai lớp dẫn điện (ribbon và các thanh busbar). Một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N và loại P.

5. Tấm nền pin (phía sau), có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm. Vật liệu được sử dụng có thể là polymer, nhựa PP, PVF, PET. Tấm nền có độ dày khác nhau tùy vào hãng sản xuất. Phần lớn tấm nền sẽ có màu trắng. 

Với sự phát triển của công nghệ, hiện tại một số hãng như Canadian Solar đã có một số dòng pin đặc biệt như BiKu, loại pin không có tấm nền phía sau, thay vào đó là mặt kính cường lực trong suốt giúp pin năng lượng mặt trời có thể hấp thụ ánh sáng ở cả hai mặt trước và sau. Bạn có thể tham khảo ở video bên dưới.

6. Hộp đấu dây (junction box) nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển năng lượng điện được sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài. Vì đây là điểm trung tâm nên được thiết kế bảo vệ khá chắc chắn.

7. Cáp điện DC, loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng lượng mặt trời, có khả năng cách điện một chiều DC cực tốt, kèm với đó là khả năng chống chịu tốt trước sự khắc nghiệt của thời tiết (tia cực tím, bụi, nước, ẩm..) và tác động cơ học khác.

8. Jack kết nối MC4, là đầu nối điện thường được dùng để kết nối các tấm pin mặt trời. “MC” trong MC4 là viết tắt của nhà sản xuất Multi-Contact. Loại jack kết nối này giúp bạn dễ dàng kết nối các tấm pin và dãy pin bằng cách gắn jack từ các tấm pin liền kề với nhau bằng tay.

Nguyên lý làm việc (hoạt động) của pin năng lượng mặt trời

Để giải thích nguyên lý làm việc của pin năng lượng mặt trời thì phải lại giải thích nguyên lý của một đơn vị nhỏ hơn là solar cell (Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều solar cell). Như đã đề cập ở phần cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời, một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N có các electron dư thừa và loại P có các khoảng trống cho các electron dư thừa, gọi là lỗ trống. 

Tại nơi tiếp xúc giữa 2 loại silic (P/N Junction), electron có thể di chuyển qua tiếp diện P/N để lại điện tích dương ở một mặt và tạo ra điện tích âm ở mặt còn lại.

Bạn có thể hình dung, ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ li ti gọi là các hạt photon (bắn ra từ mặt trời). 

Khi một trong các hạt này va đập vào solar cell với đủ năng lượng, nó có thể đánh bật một 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. 

Các electron di động được thu thập ở các lá kim loại tại đỉnh solar cell (ribbon và các thanh busbar). Từ đây chúng đi vào mạch tiêu thụ thực hiện chức năng điện trước khi quay trở về lá nhôm ở mặt sau. 

Electron là thứ duy nhất di chuyển trong solar cell và quay về nơi xuất phát. Chẳng có thứ gì hao mòn hay cạn kiệt nên solar cell có tuổi thọ lên tới hàng chục năm.

Điện được tạo ra từ tấm pin năng lượng mặt trời là điện một chiều (DC). Để có thể sử dụng cho các tải, thiết bị bình thường thì cần phải chuyển điện DC thành AC (điện xoay chiều). Và đó là chức năng của inverter.

Hiện tại, nhiều loại pin năng lượng mặt trời mới đang được nghiên cứu, phát triển. Trong số đó có những loại mà cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó rất khác so với những gì đã nêu phía trên. Bạn có thể tham khảo thêm những điều này tại bài viết Các loại pin năng lượng mặt trời: Nên chọn loại nào?

Lời kết

DAT Solar xin phép được dừng bài viết cấu tạo và nguyên lý làm việc pin năng lượng mặt trời tại đây. Bạn cảm thấy thế nào về bài viết này? Nếu thấy hay hãy share bài viết này nhé. Trường hợp bạn muốn góp ý cho DAT Solar, vui lòng để lại lời nhắn qua khung chat bên phải nhé.

Chúc bạn một ngày làm việc thuận lợi, thành công!

Bài viết bạn có thể quan tâm: Chuyện gì xảy ra khi pin mặt trời kết thúc vòng đời?