Giáo trình Năng lượng xanh trình bày những kiến thức về: Mô phỏng hệ thống tubin gió trên Matlab; thi công lắp ráp 1 hệ thống năng lượng gió công suất nhỏ; hệ thống năng lượng mặt trời; thi công lắp ráp 1 hệ pin mặt trời phục vụ chiếu sáng. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.
NĂNG LƯỢNG GIÓ
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Nguồn năng lượng gió biến đổi động năng của gió thành điện năng thông qua tuốc-bin gió Điện năng từ gió được coi là nguồn năng lượng xanh và sạch, không gây ô nhiễm môi trường và không góp phần vào hiệu ứng nhà kính.
Năng lượng gió đã được con người khai thác từ khoảng 5.000 năm trước, ban đầu để vận hành thuyền buồm trên sông Nile do người Hy Lạp cổ đại sử dụng; sau đó, người châu Âu mở rộng ứng dụng năng lượng gió vào các lĩnh vực giao thông vận tải và các mục đích khác Vào thế kỷ 18 và 19, gió tiếp tục được dùng để xay ngũ cốc và vận hành máy bơm nước, mở ra những ứng dụng công nghiệp sớm của nguồn năng lượng này.
Tuốc bin gió đầu tiên được lắp đặt ở Mỹ để tạo ra điện cho các vùng nông thôn vào năm 1890, mở ra kỷ nguyên mới cho nguồn năng lượng tái tạo tại khu vực này Sau đó là chuỗi thử nghiệm nối lưới và lắp đặt các hệ thống tuốc bin gió được thực hiện liên tục, đánh dấu sự phát triển của ngành công nghiệp điện gió Năm 1979, một tuốc bin gió công suất 2MW được lắp đặt tại Howard Knob, cho thấy sự tiến bộ về công suất và hiệu suất vận hành Tiếp theo, một tuốc bin gió 3MW được lắp đặt tại Scốt Len, biểu thị quy mô và công nghệ tuốc bin gió ngày càng mở rộng.
Trong bối cảnh khoa học và công nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu cung cấp điện và sự cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch đang đặt ra thách thức lớn cho hệ thống năng lượng Việc lắp đặt ngày càng nhiều tuốc bin gió công suất lớn không chỉ khai thác nguồn năng lượng sạch mà còn mang lại lợi ích kinh tế và môi trường to lớn Năng lượng gió dần trở thành một phần quan trọng của hệ thống điện bền vững, góp phần giảm phát thải, tăng an ninh nguồn điện và thúc đẩy sự phát triển xanh cho tương lai.
Dung lượng trung bình của các tuốc bin gió vào khoảng 300 kW cho đến những năm 1990 Những tuốc bin gió mới được lắp đặt từ những năm 1990 đến nay nằm trong phạm vi 1MW đến 3MW Những tuốc bin gió có công suất 5MW đang được lắp đặt tại một số quốc gia như Việt Nam, Đức, Mỹ, Hy Lạp, Trung Quốc
3.1 Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của trái đất, mặt ban đêm bị che khuất không nhận được bức xạ mặt trời và thêm vào đó bức xạ mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và hai cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của trái đất di chuyển tạo thành gió Trái đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của trái đất nghiêng đi (so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất tạo thành khi quay quanh mặt trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa
Hiệu ứng Coriolis do sự quay quanh trục Trái Đất khiến luồng không khí di chuyển từ vùng áp cao tới vùng áp thấp không đi thẳng mà bị lệch, hình thành các gió xoáy với chiều quay khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nhìn từ ngoài không gian, ở Bắc bán cầu không khí di chuyển vào vùng áp thấp theo hướng ngược với chiều kim đồng hồ và thoát khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ; ở Nam bán cầu, chiều quay ngược lại Vì vậy, các hệ thống gió xoáy ở hai bán cầu có hướng quay đối nghịch tùy theo khu vực địa lý.
Năng lượng có sẵn trong gió khác nhau tùy thuộc vào lập phương của tốc độ gió, do đó sự hiểu biết về đặc tính của tài nguyên gió là rất quan trọng cho tất cả các khía cạnh của khai thác năng lượng gió, từ việc xác định những địa điểm phù hợp và dự đoán khả năng kinh tế của các dự án trang trại năng lượng gió cho tới việc thiết kế các tuốc bin gió và sự hiểu biết về hiệu quả của năng lượng gió trên các mạng phân phối điện
Đặc điểm nổi bật của năng lượng gió là sự biến thiên của gió, thể hiện qua biến động địa lý và tính chất tạm thời của nó Sự biến đổi này diễn ra ở quy mô lớn và có ảnh hưởng rộng về cả không gian lẫn thời gian, khiến nguồn năng lượng có sẵn thay đổi theo vùng và thời điểm khác nhau Vì vậy, mối quan hệ lập phương giữa tốc độ gió và lượng năng lượng có thể khai thác được là yếu tố cốt lõi để đánh giá tiềm năng và hiệu quả của các hệ thống năng lượng gió.
Trên một quy mô rộng lớn hơn, không gian biến thiên mô tả một thực tế rằng có rất nhiều sự khác nhau về khí hậu ở các vùng khác nhau trên thế giới, một số nơi có gió lớn hơn hoặc có nhiều bão hơn so với khu vực khác trên thế giới Sự hiểu biết về vấn đề này giúp cho vấn đề điều khiển và thiết kế các tuốc bin gió phù hợp với điều kiện thời tiết từng khu vực Trên thực tế một trong những vùng khí hậu biến thiên trên một quy mô nhỏ hơn phần lớn được quyết định bởi địa lý tự nhiên ví dụ như tỷ trọng của đất và biển, kích thước của đất, và sự hiện diện của các ngọn núi hoặc vùng đồng bằng
4 Năng lượng gió trên thế giới
4.1 Thống kê tổng công suất năng lượng gió trên toàn thế giới
Theo GWEC (Global Wind Energy Council), tính đến cuối năm 2019 tổng công suất của các tuốc-bin gió trên toàn cầu đạt trên 651 GW, tăng 10% so với năm 2018 Đáng chú ý, Trung Quốc và Mỹ đã tăng 60% lượng điện sản xuất được của thế giới trong năm 2019 Năm nước đứng đầu về lắp đặt điện gió trong năm 2019 là Trung Quốc, Mỹ, Anh, Ấn Độ và Tây Ban Nha.
Trong năm 2020 các nước có sự tăng trưởng mạnh về điện gió như: Colombia, Chile, Việt Nam, Thái Lan, Kenya, ngoài khơi Mỹ, ngoài khơi Trung Quốc, ngoài khơi Nhật Bản
4.2 Sự tăng trưởng của điện gió từ năm 2020 đến 2024 theo GWEC
Theo đánh giá của GWEC dự kiến sự tăng trưởng của điện gió trên toàn thế giới tính từ năm 2020 đến 2024 là 355GW, trung bình mỗi năm tăng trưởng 71GW
Bảng 1 Tổng dung lượng năng lượng gió 3 nước đứng đầu thế giới tính đến hết năm
STT Quốc gia Sản lượng điện (TWh)
5 Năng lượng gió ở Việt Nam triển vọng và phát triển
5.1 Tình hình cung-cầu điện năng ở Việt Nam
Sản lượng điện hàng năm của nước ta đã tăng hơn 20 lần, từ 8,6 TWh năm 1990 lên 240,1 TWh năm 2019, với tốc độ tăng trung bình 12–15% mỗi năm, gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP Nguồn điện chủ yếu vẫn từ thuỷ điện, khí tự nhiên và than, trong đó than chiếm 41,6%, thuỷ điện 37,7% và khí tự nhiên 18,8% Ngoại trừ thuỷ điện lớn và thuỷ điện nhỏ, năng lượng tái tạo hiện chiếm tỷ lệ rất nhỏ là 0,5% Tuy nhiên, từ đầu năm 2019, tỷ trọng năng lượng tái tạo đã tăng lên đáng kể nhờ mặt trời, và năng lượng gió cũng đang trên đà phát triển.
Hình 1.1 Sản xuất điện và Công suất lắp đặt theo nguồn EVN (2019)
5.2 Tiềm năng điện gió của Việt Nam
Việt Nam nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển năng lượng gió ở quy mô lớn Phân tích tốc độ gió trung bình cho thấy vùng biển Đông Việt Nam có gió mạnh và biến đổi theo mùa so với các vùng biển lân cận, giúp xác định thời điểm và vị trí tối ưu để khai thác năng lượng gió Do đó, Biển Đông được xem là nguồn tài nguyên gió quan trọng cho chiến lược năng lượng tái tạo của đất nước, với chu kỳ gió theo mùa ảnh hưởng đến hiệu suất và quy mô đầu tư vào tua bin gió.
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ
1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của tuốc bin năng lượng gió
1.1 Cấu tạo động cơ tuốc bin gió thông thường Động cơ tuốc bin điện gió được xem như một chiếc máy phát điện sử dụng sức gió Chi tiết quan trọng nhất vẫn là chiếc motor điện một chiều Thiết bị này sẽ dùng cánh quạt có chỉnh độ nghiên để đón lấy gió Tuốc bin gió bao gồm như hình 1.3
Hình 1.3 Cấu tạo của tuốc bin gió có trục quay nằm ngang
1 Độ nghiên của cánh tuốc bin (Pitch): Độ nghiên của cánh ảnh hưởng rất lớn đến quá trình quay của rotor, do đó cần phải có độ nghiên hợp lý để nhận được sức gió là lớn nhất
2 Rotor (Rotor): Là phần quay của tuốc bin gió
3 Trục tốc độ thấp (Law–Speed shaft): Phần truyền động từ cánh của tuốc bin gió đến hộp số
4 Hộp số (Gear box): Là phần biến đổi tốc độ của tuốc bin gió
5 Máy phát (Generator): Máy phát điện
6 Bộ phận điền khiển (Controller): Bộ phận điều khiển nhận tín hiệu từ thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió để điều khiển độ nghiên của cánh và hướng nhận gió
7 Thiết bị đo (Anemometer): Là thiết bị đo tốc độ của gió
8 Thiết bị cảm biến hướng gió (wind vane): Là thiết bị dùng để nhận biết hướng của gió
9 Trục tốc độ cao (High-speed-shaft): Là trục nhận tốc độ cao của hộp số và nối với rotor của máy phát
10 Bộ hãm (Brake) : Khi tốc độ quay rotor của tuốc bin gió vượt ngưỡng cho phép thì bộ phận điều khiển sẽ kich hoạt thiết bị hãm để điều chỉnh tốc độ quay của rotor sao cho phù hợp
11 Điều chỉnh hướng (Yaw drive): Là thiết bị dùng để điều chỉnh hướng nhận gió của tuốc bin gió
12 Cánh (blades): Phần cánh của tuốc bin gió hay còn gọi là cánh đón lấy gió
13 Trụ, tháp đỡ (Tower): Là phần đỡ tuốc bin gió
1.2 Nguyên lý hoạt động của tuốc bin gió
Tuốc bin gió hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng của gió thành năng lượng cơ học và sau đó phát điện Để tận dụng tối đa nguồn gió, các tuốc bin được lắp đặt trên trụ cao, giúp đón gió nhiều hơn, tăng tốc độ quay và giảm thiểu ảnh hưởng của các luồng gió bất thường.
Khi gió thổi, lực tác động lên cánh quạt khiến chúng quay và truyền động dọc theo trục tuốc-bin Đây là lực cơ học do cánh quạt tạo ra khi biến đổi động năng của gió thành mô-men quay của tuốc-bin.
Từ đó các bộ phận chuyển động khác của động cơ máy phát điện sẽ quay khi kết nối với trục của tuốc bin Đây chính là cơ chế tạo ra năng lượng tái tạo Nguồn điện từ năng lượng gió này nhằm phục vụ cho con người để sử dụng cho các thiết bị trong đời sống sinh hoạt Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ tuốc bin điện gió
Động cơ tuốc bin điện gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc các nhu cầu điện năng khác Chúng có thể nối tới một mạng điện lớn để phân phối mạng điện ra rộng hơn
Tuốc bin điện gió có thể lắp đặt ở mức công suất từ 50 kW đến công suất lớn hơn đến vài MW (Megawatt)
Các tuốc bin điện gió công suất nhỏ dưới 50 kW thường được sử dụng cho hệ thống điện gió gia đình, mang lại nguồn năng lượng sạch và ổn định cho nhu cầu sinh hoạt tại hộ gia đình Đặc biệt, chúng thích hợp lắp đặt và sử dụng ở các vùng sâu vùng xa – những địa phương chưa có lưới điện hoặc có tiếp cận điện lưới hạn chế.
THI CÔNG LẮP ĐẶT 01 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
1 Bài tập 1: Lắp đặt và vận hành máy phát điện năng lượng gió 1kW (Mô hình có sẵn)
Thông số kĩ thuật như sau:
– Điện áp đầu ra định mức: DC 96/120V
– Tốc độ gió khởi động: 2.5m/s
– Tốc độ gió định mức: 11m/s
– Tốc độ gió tối đa: 50m/s
– Trọng lượng turbine không tháp: 27kg
– Đường kính cánh quạt: 330cm
– Chất liệu cánh quạt: Sợi thủy tinh cường lực
– Động cơ: Động cơ điện 3 pha
– Chất liệu nam châm vĩnh cửu: NdFeB
– Vỏ động cơ: Hợp kim nhôm
– Hệ thống điều khiển: Nam châm điện / chỉnh vị trí cánh quạt theo hướng gió
– Điều chỉnh tốc độ cánh quạt: Điểu chỉnh bằng đuôi cánh quạt
– Nhiệt độ làm việc: Từ -40℃ đến 80℃
– Chiều cao tháp đề nghị: 5m- 6m
– Phương pháp dừng: Phanh kéo bằng Controller
- Chuẩn bị vật tư thiết bị
- Thiết kế hệ thống phụ tải
- Vận hành và đo kiểm
2 Bài tập 2: Thi công lắp đặt hệ thống điện gió công suất nhỏ từ động cơ xe đạp điện
3 Bài tập 3: Thi công lắp đặt hệ thống điện gió công suất nhỏ từ động cơ máy giặt
CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
I TỔNG QUANG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng đến từ bức xạ điện từ phát ra bởi mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên tử phóng ra từ mặt trời Đây là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và vô tận, có thể được khai thác thành điện năng hoặc nhiệt năng thông qua công nghệ pin mặt trời và các hệ thống nhiệt mặt trời.
Pin năng lượng mặt trời, hay pin quang điện hay tế bào quang điện, là một thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p-n; dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, nó có khả năng tạo ra một dòng điện sử dụng được Quá trình chuyển đổi này được gọi là hiệu ứng quang điện.
Tấm năng lượng mặt trời là thiết bị thu nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời, được hiểu là khái niệm chung cho hai ứng dụng phổ biến: tấm thu nhiệt dùng để nung nước nóng phục vụ nhu cầu sinh hoạt trong gia đình và tấm quang điện (pin mặt trời) để chuyển hóa ánh sáng thành điện năng, cung cấp điện cho các thiết bị trong nhà.
2 Lịch sử phát triển của pin mặt trời
Từ thế kỷ thứ 7 trước công nguyên con người đã biết ứng dụng năng lượng mặt trời vào phục vụ mục đích sưởi ấm bằng cách định hướng các ngôi nhà của họ để họ có thể thu nhận được bức xạ mặt trời vào mùa đông Đến thế kỷ thứ 14 các định luật đầu tiên về năng lượng mặt trời được giới thiệu tại Ý Vào năm 1767 M.V Lomonossov đã đề nghị việc sử dụng các thấu kính để tập trung các bức xạ Nhưng bước tiến quan trọng nhất là vào năm 1839 hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mặt trời mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%
Một bước tiến quan trọng quá trình nghiên cứu tạo ra các pin năng lượng mặt trời được Y.Czochralski một nhà khoa học người Ba Lan phát triển Ông đã đưa ra một phương pháp để phát triển tinh thể đơn silicon
Ngày nay năng lượng mặt trời đã phát triển rộng rãi và hiệu suất biến đổi điện năng lượng từ bức xạ mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện được nâng cao từ 14 – 16% Với khoa học vật liệu ngày càng phát triển đến năm 2007 các nhà khoa học đã nâng cao hiệu suất lên đến 22%
3 Năng lượng mặt trời trên thế giới
Vào năm 1978, Quốc hội Mỹ thông qua một đạo luật về chính sách xã hội liên quan đến nguồn năng lượng nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp năng lượng thay thế Đến năm 2000, Đức ban hành Luật Phát triển Năng lượng Có khả năng tái sinh, với sự trợ cấp của Chính phủ cho các công ty nghiên cứu và cho các hộ gia đình sử dụng nguồn năng lượng này; đến năm 2003 đã có 100.000 nóc nhà lắp đặt pin mặt trời để phát điện Đến năm 2002, có khoảng 90 quốc gia tham gia liên minh năng lượng phục hồi Tại Johannesburg, các nước đã chính thức thỏa thuận tăng đầu tư cho nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo Ở Nhật Bản, riêng năm 2000 lượng điện mặt trời tăng lên 128 MW, gấp 4 lần trước đó; Philippines có điện mặt trời đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 người; 250.000 ngôi nhà ở Sri Lanka, Trung Quốc và Mexico được lắp đặt pin mặt trời Từ những năm 1990, Đức và Thụy Sĩ đã có hàng ngàn tòa nhà lắp đặt tấm pin mặt trời nhờ các chương trình hỗ trợ tài chính của Chính phủ Với xu hướng này, nhiều quốc gia tiếp tục mở rộng đầu tư và ứng dụng năng lượng mặt trời nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung.
Ngành năng lượng mặt trời đã phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu: năm 1993 số hộ dùng điện mặt trời còn nhiều hơn số hộ được hệ thống điện quốc gia cung cấp; Nam Phi triển khai nhiều chương trình lớn nhằm đảm bảo hệ thống điện mặt trời cho hàng triệu người dân; ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở như Amazon điện mặt trời chiếm vị trí đầu bảng; khối Liên minh châu Âu có trên 25 triệu m² thu năng lượng mặt trời để phát điện và đun nước nóng; Israel có luật bắt buộc nhà ở phải có bình đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời và có những khu phố giờ cao điểm sẽ cúp điện quốc gia; nhờ chính sách khuyến khích đầu tư khai thác năng lượng mặt trời, giá thành 1 kWh điện mặt trời chỉ còn 3–23 cent, so với 20 năm trước người sử dụng phải tốn 2,5 USD; theo dự tính đến năm 2020, điện năng lượng mặt trời ở Mỹ sẽ đảm bảo 15% tổng nhu cầu tiêu thụ điện của cả nước; nhiều tập đoàn lớn đã đầu tư vào lĩnh vực này, như Sharp Corporation của Nhật Bản hiện chiếm khoảng 27% thị trường sản xuất pin mặt trời trên thế giới.
4 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi cho nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời Dọc từ 23°23′ Bắc đến 8°27′ Bắc, khu vực này nằm trong vùng có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, thành phố Hồ Chí Minh có mức bức xạ mặt trời cao nhất, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) Với lượng bức xạ lớn và đa dạng địa hình, Việt Nam có tiềm năng lớn cho phát triển điện mặt trời và các dự án năng lượng sạch kết hợp với mục tiêu phát triển bền vững.
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được xem là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống Tại Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lượng mặt trời, có tác dụng làm nóng nước Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở như Amazon, điện năng lượng mặt trời luôn chiếm vị trí tiên phong Ngay tại Đông Nam Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân Việt Nam hiện có trên 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng mặt trời Tính trung bình toàn quốc thì năng lượng bức xạ mặt trời là 4- 5kWh/m 2 mỗi ngày Tiềm năng điện mặt trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam và vùng Tây Bắc Vùng Đông Bắc trong đó có Đồng bằng sông Hồng có tiềm năng kém nhất Do giá thành còn cao (60cent hay 8.000 đồng cho 1kWh) nên điện mặt trời chưa được phát triển rộng rãi Hiện mới chỉ có 5 hệ thống điện mặt trời lớn, trong đó có hệ thống ở Gia Lai, với tổng công suất 100 kWp (công suất cực đại khi có độ nắng cực đại) Chính phủ cũng đang đầu tư để xây dựng 100 hệ thống điện mặt trời gia đình và 200 hệ thống điện mặt trời cộng đồng đông dân ở các vùng đảo Đông Bắc với tổng công suất là 25kWp 400 hệ thống pin mặt trời gia đình do Mỹ tài trợ đang được xây dựng cho các cộng đồng ở Tiền Giang và Trà Vinh với tổng công suất 14kWp Hiện nay hệ thống điện năng lượng mặt trời đang được xây dựng tràn lang tại Tây Nguyên và các tỉnh ven biển miền Trung do các công ty, cá nhân đầu tư ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dư điện cục bộ tại 1 số địa phương
Pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) là một hệ thống gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) Các tế bào quang điện là các phần tử bán dẫn có trên bề mặt chứa các đi ốt quang – những cảm biến ánh sáng giúp thu nhận tia sáng mặt trời Năng lượng ánh sáng được biến đổi thành điện năng khi ánh sáng tác động lên các tế bào này, cung cấp nguồn điện cho thiết bị và hệ thống điện năng lượng mặt trời Pin mặt trời đóng vai trò quan trọng trong sản xuất điện sạch, giảm thiểu chi phí năng lượng và lượng phát thải CO2 Để tối ưu hiệu suất và độ bền, cần lựa chọn công nghệ tế bào và vật liệu phù hợp với điều kiện môi trường và nhu cầu sử dụng.
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia làm 3 loại:
Tinh thể đơn tinh thể được sản xuất dựa trên quy trình Czochralski, cho ra các tấm có hiệu suất lên tới 16% Loại tinh thể này thường có chi phí cao do được cắt từ thỏi hình ống, và các tấm đơn tinh thể có các mặt trống ở góc nối với module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc–đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp
- Dải silic tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ silicon
Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện, được gọi là pin mặt trời Pin mặt trời phổ biến hiện nay được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4; để tạo vật liệu Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5, còn để làm loại p thì tạp chất acceptor được dùng là bo có hóa trị 3 Khi bức xạ mặt trời chiếu lên pin mặt trời từ vật liệu tinh thể silic, hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0,55 V và dòng điện ngắn mạch khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000 W/m^2 dao động khoảng 25–30 mA/cm^2.
Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si)