Các tấm pin mặt trời hoạt động như thế nào?

Năng lượng tự do và năng lượng sạch Một cách sản xuất điện năng là sử dụng ánh sáng mặt trời.. Năng lượng của ánh sáng mặt trời chiếu tới trái đất trong một giờ nhiều hơn năng lượng cả t

Richard Hantula Trần Nghiêm dịch

Năng lượng vô tận 1

Tế bào mặt trời đa công dụng .3

Năng lượng từ ánh sáng mặt trời .5

Tìm hiểu điện năng .7

Ngược dòng lịch sử 9

Bên trong một tế bào mặt trời 11

Ghép các tế bào mặt trời 13

Các tấm pin mặt trời gia dụng 15

Ưu điểm của các tấm pin mặt trời 18

Nhược điểm của các tấm pin mặt trời 20

Ủng hộ điện mặt trời .22

Các tế bào mặt trời ngày một hiệu quả hơn .24

Nhiều sản phẩm năng lượng mặt trời hơn .26

Thuật ngữ 28

Điện năng là một dạng năng lượng quan

trọng Nó thắp sáng khu vực Seattle ở

Washington

Các tấm khai thác năng lượng mặt trời cấp

điện cho xe tự hành thám hiểm sao Hỏa

Năng lượng có nhiều dạng khác nhau Ánh sáng là một dạng năng lượng Nhiệt là một dạng năng lượng Điện cũng là một dạng năng lượng

Thường thì một dạng năng lượng này

có thể chuyển hóa thành dạng khác Thực tế này rất quan trọng vì nó giải thích làm thế nào chúng ta có được điện năng, cái chúng ta sử dụng với nhiều phương thức khác nhau Điện năng được sử dụng để thắp sáng đường phố và nhà cửa, để chạy máy vi tính và

ti vi, và để chạy nhiều máy móc và thiết bị khác dùng ở nhà, ở trường học

và ở công sở

Một phương pháp thu lấy điện năng là đốt cháy nhiên liệu như dầu hỏa hoặc than đá Sự cháy của nhiên liệu như vậy tạo ra nhiệt Nhiệt làm cho nước sôi lên và chuyển thành hơi nước Hơi nước làm chạy một cỗ máy gọi là tuabin để phát ra điện Thông thường, dòng điện này được tải vào hệ thống lưới điện công cộng, qua các dây dẫn, đến từng nhà, đến trường học và cơ sở làm việc trong một khu vực rộng lớn Phương pháp sản xuất điện như thế này

là phổ biến Nhưng nó có một số hạn chế Hành tinh của chúng ta chỉ có thể chu cấp dầu hỏa và than đá với trữ lượng có hạn Chúng là loại nhiên liệu không thể hồi phục Một khi đã qua

Đồng thời, chúng giải phóng các chất khí khi đốt cháy Những chất khí này

có thể làm nhiễm bẩn, hay nhiễm độc, không khí, và một số chất khí này có thể làm biến đổi khí hậu của Trái đất

Năng lượng tự do và năng lượng sạch

Một cách sản xuất điện năng là sử dụng ánh sáng mặt trời Ánh sáng mặt trời là tự do và không bao giờ cạn kiệt Đồng thời, nó còn có rất nhiều nữa Năng lượng của ánh sáng mặt trời chiếu tới trái đất trong một giờ nhiều hơn năng lượng cả thế giới sử dụng trong một năm

Một dụng cụ nhỏ gọi là tế bào mặt trời có thể sản xuất điện năng ngay từ ánh sáng mặt trời (trong tiếng Anh, “solar” có nghĩa là phải làm cái gì đó với Mặt trời) Một tế bào mặt trời không thải ra bất kì chất khí nào Nó cũng chẳng gây ồn ào gì Một tấm pin mặt trời là một nhóm tế bào mặt trời hoạt động đồng bộ với nhau

Việc sử dụng các tế bào mặt trời đang phát triển nhanh ở Mĩ và các quốc gia khác

Việc cấp điện ở những nơi xa xôi

Các tấm pin mặt trời là một phương pháp di động sản xuất điện năng ở những nơi xa xôi, nơi chẳng có mạng lưới điện nào Chúng cấp điện thắp sáng đèn hiệu tại các đường băng ở Nam Cực Chúng được sử dụng trên phi thuyền vũ trụ và trên “xe tự hành” thám hiểm Hỏa tinh

Các tế bào mặt trời và pin mặt trời có

trời Có điện thoại di động và máy

nhắn tin sử dụng năng lượng mặt trời

Việc sử dụng năng lượng mặt trời

với các nguồn như thế này có nghĩa

là bạn không bao giờ phải lo lắng về

việc hết pin cả

Các tấm pin mặt trời thỉnh thoảng

được sử dụng để sản xuất điện thắp

sáng đèn phố và các trạm xe bus

Chúng có thể sản xuất điện cấp cho

các buồng điện thoại đường phố hay

các vạch đỗ xe trong công viên hoạt

động Thậm chí một số máy ATM

(máy rút tiền hoặc nạp tiền vào tài

khoản ngân hàng của bạn) cũng có

các tấm pin mặt trời

Nhà cửa sử dụng các tấm pin mặt trời thường lắp chúng trên mái nhà

Cấp điện cho nhà cửa

Bóng đèn trên trần nhà và mọi loại máy móc, dụng cụ điện sử dụng trong nhà, tại trường học và nơi công sở lấy điện từ các dây dẫn chạy trên tường hoặc xuyên bên trong tường Thường thì điện cấp cho nhà cửa lấy từng mạng lưới điện địa phương Nhưng người ta cũng có thể sử dụng các tấm pin mặt trời để cấp điện song song với điện lưới Thỉnh thoảng, người ta đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà của họ Những tòa nhà lớn cũng có thể lắp chúng Chúng giúp chúng ta tiêu thụ ít điện năng đắt đỏ từ

trong trường hợp mất điện, hay mạng lưới điện gặp sự cố

Ở một số nơi, bản thân mạng lưới điện còn thu một phần điện năng từ các tấm pin mặt trời

Chiếc Zephyr cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời

có thể ở trong không khí hàng ngày liền

Máy bay mặt trời

Các tấm pin mặt trời còn được sử dụng trên máy bay mặt trời – nhưng chỉ có vài

ba chiếc thôi Vấn đề là chúng khó sử dụng trên máy bay Chúng cần bao phủ một diện tích lớn mới sinh ra đủ điện năng Khi trời tối, thì chúng không hoạt động nữa Chiếc máy bay đầu tiên cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời bay được một khoảng cách xa là chiếc Solar Challenger Nó đã băng qua Eo biển Anh ở châu Âu vào năm 1981 Các cánh của nó có hơn 16 000 tế bào mặt trời Vào năm 2008, chiếc Zephyr-6 đã bay được hơn ba ngày trong không trung Nó

là một chiếc máy bay không người lái Nó mang theo các bộ pin dự trữ điện năng do các tấm pin mặt trời sản xuất ban ngày để tiếp tục hoạt động vào ban đêm

Mặt trời liên tục giải phóng năng lượng Năng lượng đó lan đi trong không gian dưới dạng bức xạ điện từ Có vài loại bức xạ điện từ Ánh sáng là một loại Sóng vô tuyến là một loại nữa

Bức xạ điện từ truyền đi giống như những con sóng truyền đi trong nước Giống như sóng nước, nó là một chuỗi đỉnh sóng và hõm sóng Một trong những thứ

mà các loại bức xạ điện từ khác nhau là bước sóng của chúng Đây là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (hoặc hai hõm sóng) liên tiếp trong một hàng Bước sóng của sóng vô tuyến thì dài hơn bước sóng của ánh sáng Trong các loại ánh sáng, ánh sáng đỏ có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng xanh

Mặt trời sáng rực với nguồn năng lượng gần như vô tận

Tế bào mặt trời sử dụng ánh sáng như thế nào ?

Chỉ một phần năng lượng Mặt trời gửi đến Trái đất thật sự đến được mặt đất Một phần năng lượng mặt trời bị phản xạ trở vào trong không gian Một phần thì

bị không khí hấp thụ Phần lớn năng lượng mặt trời đến được mặt đất ở dạng ánh sáng nhìn thấy Các tế bào mặt trời có thể khai thác ánh sáng này để sản xuất điện năng Nhưng chúng không hoạt động đồng đều với mọi dạng ánh sáng Những loại tế bào mặt trời khác nhau sử dụng những bước sóng ánh sáng khác nhau Điều này có nghĩa là một tế bào chỉ sử dụng một phần năng lượng mặt trời

mà nó nhận được

Những loại bức xạ điện từ khác nhau có bước sóng khác nhau Các tế bào mặt trời

sử dụng những bước sóng nhất định thuộc dải ánh sáng nhìn thấy để sản xuất điện năng

Pin quang điện

Một tên gọi khác cho các tế bào mặt trời là tế bào quang điện Tên gọi này hợp

lí, vì quang có nghĩa là “ánh sáng”, và điện ám chỉ điện năng

Người ta thường nghĩ điện là cái gì

đó đang chạy đi Thật ra, điều đó rất

đúng Điện là một dòng chảy gồm

những hạt rất nhỏ gọi là electron

Dòng chảy đó được gọi là dòng điện

Có hai loại dòng điện Một là điện

một chiều (DC) Đây là dòng điện

không đổi Nó luôn luôn chạy theo

một hướng Pin và tế bào mặt trời tạo

ra điện một chiều Loại điện kia là điện xoay chiều (AC) Đây là dòng điện biến đổi Nó đổi chiều nhiều lần trong một giây Mạng lưới điện cung cấp điện xoay chiều Đa số các dụng

cụ điện trong nhà sử dụng điện xoay chiều

Các tấm pin mặt trời tại Căn cứ Không quân Nellis ở Nevada, Mĩ Nhà máy

quang điện Nellis là nhà máy điện mặt trời lớn nhất ở Mĩ

Đo điện năng

Công suất điện là tốc độ sử dụng điện

năng Nó được đo bằng watt Một

bóng đèn 100 watt thì sáng hơn một

bóng đèn 60 watt Nó tiêu thụ nhiều

điện năng hơn (Khi nói tới những

lượng lớn của watt, người ta sử dụng

các đơn vị lớn hơn: 1 kilowatt là 1000

watt, 1 megawatt là 1 triệu watt)

Một đơn vị quan trọng nữa là watt giờ

Nó đo lượng điện năng sản sinh ra hay

bị tiêu thụ trong một khoảng thời gian

Nó bằng 1 watt công suất trong thời

gian 1 giờ Một đơn vị tương tự nhưng

lớn hơn là kilowatt giờ Đây là 1000

watt trong 1 giờ Một bóng đèn 100

watt hoạt động trong 10 giờ sử dụng

1000 watt giờ điện năng Giá trị này

Edmond Becquerel nước Pháp là

người đầu tiên để ý thấy ánh sáng có

thể làm cho các chất sinh ra điện Đó

là vào năm 1839 Sau đó, các nhà

khoa học khác đã bắt tay vào nghiên

cứu các ràng buộc giữa ánh sáng, vật

chất và điện năng Một người trong

số họ là Albert Einstein Năm 1905,

ông đã giải thích làm thế nào các

nguyên tử hấp thu bức xạ điện từ (thí

dụ như ánh sáng) rồi sau đó giải

phóng các electron Quá trình này

được gọi là hiệu ứng quang điện

Einstein đã giành giải Nobel Vật lí

năm 1921 cho công trình nghiên cứu

về hiệu ứng này

Các tế bào mặt trời đầu tiên

Russell Ohl là người đầu tiên đi đến

một tế bào mặt trời giống như các tế

bào được sử dụng ngày nay Ông làm

việc tại Phòng thí nghiệm Bell ở

New Jersey Tế bào của ông chế tạo

bằng silicon (silicon tìm thấy trong

cát và nhiều loại đá) Ông gọi tế bào

đó là “một dụng cụ điện nhạy sáng”

Ông đã đăng kí một bằng phát minh

cho nó vào năm 1941 5 năm sau,

ông lấy được bằng phát minh Năm

1954, Phòng thí nghiệm Bell chế tạo

tế bào mặt trời thực tiễn đầu tiên Nó

là tế bào đầu tiên sản xuất đủ điện

năng để chạy các dụng cụ điện thông thường

Trang đầu tiên trong bản đăng kí bằng sáng chế tế bào mặt trời của Russell Ohl, năm

1941

Tuy nhiên, các tế bào buổi đầu

không sản xuất nhiều điện năng

Đồng thời, chi phí sản xuất chúng rất

đắt đỏ Công dụng quan trọng đầu

tiên của chúng là trong các vệ tinh vũ

trụ, bắt đầu vào năm 1958 Khi các tế

bào trở nên rẻ tiền hơn, chúng mới được sử dụng trong những ứng dụng khác Nhà máy điện đầu tiên có khả năng sản xuất 1 megawatt điện năng với các tấm pin mặt trời mở cửa ở Hesperia, California, năm 1982

Edmond Becquerel

Edmond Becquerel (ảnh) sống thọ hơn 70 tuổi, từ năm 1820 đến năm 1891 Ông tham gia rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu Các lĩnh vực đó bao gồm ánh sáng, điện học và từ học Sự khám phá của ông ra dòng điện từ ánh sáng xảy ra vào năm

1839, khi ông chỉ mới 19 tuổi Người con trai Henri của Edmond sau này còn trở nên nổi tiếng hơn cả cha mình Năm 1896, Henri đã khám phá ra sự phóng

xạ

Các tế bào mặt trời có nhiều kích cỡ

khác nhau Một số loại mỏng hơn

một con tem Một số loại có bề

ngang đến 12 cm

Các tế bào mặt trời chế tạo từ một

loại chất liệu gọi là chất bán dẫn

Thường thì chúng chế tạo từ silicon

Các chất bán dẫn có thể dẫn, hoặc

mang, dòng điện Tuy nhiên, chúng

không dẫn điện tốt như kim loại Đó

là nguyên do vì sao người ta gọi

chúng là “bán” (dẫn) Vì chúng chỉ

“bán” dẫn dòng điện, nên có thể

dùng chúng để điều khiển dòng điện

Ở mặt trên và mặt dưới của chúng

thường có các tiếp xúc kim loại, nơi

dòng điện có thể chạy qua

Một loại tế bào đơn giản điển hình

có hai lớp silicon Một lớp gọi là loại

n Lớp kia gọi là loại p Các lớp đó

Khi ánh sáng đi tới một tế bào mặt trời, phần nhiều năng lượng của chúng bị tiêu hao Một phần ánh sáng bị phản xạ hoặc truyền xuyên qua tế bào Một phần bị chuyển thành nhiệt Chỉ phần ánh sáng có bước sóng, hay màu sắc, thích hợp là

bị hấp thụ và sau đó chuyển hóa thành điện năng

Một tế bào mặt trời đơn giản tiêu biểu sử dụng một phần ánh sáng mặt trời

để tạo ra dòng điện chạy qua giữa hai lớp chất bán dẫn Dòng điện này đi ra

khỏi tế bào qua các tiếp xúc kim loại và được sử dụng

Một loại tế bào mặt trời khác

Một số tế bào mặt trời chế tạo từ những lớp chất liệu rất, rất mỏng Các lớp đó mỏng hơn 10 micro mét, hay một phần nghìn của một centi mét Một số tế bào “màng mỏng” này, giống như các tế bào mặt trời bình thường, có đế rắn phía sau Một số khác thì có đế chất dẻo Các tế bào màng mỏng thích hợp cho việc sản xuất các tấm pin nhẹ cân hoặc dễ uốn dẻo Chúng còn thích hợp cho việc bao phủ một diện tích lớn, thí dụ như thành tường của các tòa nhà

Một tế bào mặt trời sản sinh lượng

điện năng rất ít Với đa số mục đích

sử dụng, người ta cần có nhiều tế bào

mặt trời Vì lí do này, các tế bào

thường được liên kết với nhau thành

các nhóm gọi là module mặt trời

Một module mặt trời có một giàn

khung để giữ các tế bào Một số

module dài và rộng đến vài foot

Thường thì chúng có thể tạo ra tới

vài trăm watt điện năng Nếu cần

công suất lớn hơn nữa, thì có thể

ghép các module lại thành ma trận

mặt trời

Thỉnh thoảng, các module còn được

gọi là tấm pin mặt trời Các ma trận

thỉnh thoảng cũng được gọi là tấm

pin mặt trời Cho dù bạn gọi một

nhóm tế bào mặt trời bằng tên gì đi

chăng, thì có một thực tế luôn luôn

đúng: bạn càng ghép nhiều tế bào lại

thì bạn có công suất điện càng lớn

Với đủ số module mặt trời, người ta

có thể tạo ra những lượng điện năng

lớn Một thí dụ tiêu biểu là một nhà máy điện mới xây dựng tại Moura ở

Bồ Đào Nha Giai đoạn 1 của dự án trên có 262.080 module mặt trời, mỗi module có 8 tế bào mặt trời Chúng

sẽ sản xuất đến 46 megawatt điện năng

Ma trận mặt trời này cấp điện cho một nhà kho và khu láng trại của bang Utah, Mĩ

Để sản xuất nhiều điện năng, các tế bào mặt trời có thể ghép lại với nhau thành một module mặt trời, và nhiều module có thể ghép lại thành một ma trận mặt trời

Nhiều năng lượng hơn

Nhiều chuyên gia nghĩ rằng những nhà máy điện mặt trời với công suất lớn hơn

là có khả năng xây dựng trong những năm sắp tới Một ngày nào đó sẽ có những nhà máy điện mặt trời sản xuất tới 500 megawatt điện năng Đây là công suất tiêu biểu của một nhà máy điện than hiện nay

Các tấm pin mặt trời hoạt động tốt nhất khi chúng đối mặt trực tiếp với ánh sáng mặt trời Vì lí do này, các tấm pin thường được đặt trên “bộ dò nắng tự động” Các bộ dò nắng sẽ hướng các tấm pin về phía mặt trời khi mặt trời di chuyển trên bầu trời

Tập trung ánh sáng mặt trời

Các tế bào mặt trời hoạt động tốt hơn với ánh nắng rực rỡ Để đặt các module nhận càng nhiều ánh sáng càng tốt, thỉnh thoảng người ta sử dụng các bộ tụ sáng Đây là những dụng cụ thu gom ánh sáng mặt trời trên một diện tích lớn Chúng

sử dụng gương hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng vào các module mặt trời Vì các bộ tụ sáng phải hướng thẳng về phía mặt trời, nên chúng thường được đặt