Năng lượng điện mặt trời
1. Giới thiệu về điện năng lượng mặt trời
Điện mặt trời(Quang điện hay Photovoltaics – PV) là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người tận dụng và đưa vào sử dụng được. Đặc biệt đây là nguồn năng lượng tái tạo vô cùng sạch, đáng tin cậy và chúng ta có thể khai thác thoải mái mà không bao giờ sợ cạn kiệt. Việc khai thác thành công nguồn năng lượng mặt trời không những không ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường mà còn mang lại vô vàn các tác dụng tích cực khác.
Việc khai thác năng lượng mặt trời được thực hiện qua hai phương pháp là chủ động và thụ động. Phương pháp thụ động là việc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng. Phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu giữ bức xạ nhiệt mặt trời và sử dụng cho hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt. Trong hai cách thì khai thác năng lượng mặt trời bằng phương pháp thụ động có lịch sử dài hơn hẳn trong khi phương pháp chủ động mới phát triển từ thế kỷ 20.
Hai ứng dụng chính của năng lượng mặt trời:
Năng lượng nhiệt mặt trời: là việc chuyển đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng. Nhiệt năng được sử dụng chính cho hệ thống sưởi hoặc đun nước để tạo hơi quay cho tubin điện.
Điện năng lượng mặt trời: Đây là quá trình chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất.
2. Lịch sử phát triển của ngành năng lượng mặt trời
Con người biết đến và sử dụng năng lượng mặt trời từ rất sớm. Tuy nhiện việc ứng dụng được năng lượng mặt trời vào sản xuất thì phải đến cuối thế kỷ 18 tại các nước có lượng bức xạ mặt trời cao như sa mạc. PV Array là bộ thu năng lượng – máy phát điện mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện. Được phát hiện vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre-Edmund Becquerel.
Hiệu ứng quang điện mô tả cách thức mà các tế bào PV tạo ra điện từ năng lượng nằm trong các photon của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào một tế bào PV, tế bào hấp thụ một số photon và năng lượng của photon được chuyển thành một electron trong vật liệu bán dẫn. Với năng lượng từ photon, electron có thể thoát ly ra khỏi vị trí thông thường của nó trong nguyên tử bán dẫn để trở thành một phần của dòng điện trong mạch điện.
Hầu hết các tế bào PV thuộc một trong hai loại cơ bản là Silicon tinh thể hoặc màng mỏng (thin film). Các Mô-đun Silicon tinh thể có thể được tạo thành từ Silicon đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc băng Silicon. Thin-film là một thuật ngữ bao gồm một loạt các công nghệ khác nhau, gồm Silicon vô định hình và một loạt các biến thể sử dụng các chất bán dẫn khác như Cadmium telluride hoặc CIGS (Đồng Indium Gallium diselenide). Mặc dù công nghệ màng mỏng đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, các mô-đun tinh thể hiện vẫn chiếm hơn 80% thị trường.
Để sử dụng năng lượng từ PV Array, cần có các bộ phận phụ trợ khác như bộ biến tần, bộ điều khiển sạc và pin lưu trữ, tạo nên hệ thống điện mặt trời. Từ sau cuộc khủng hoảng ngành năng lượng năm 1968 và năm 1973 năng lượng mặt trời mới thực sự được chú ý và phát triển. Từ đó đến nay ngành công nghiệp năng lượng đã trải qua bao nhiêu cải tiến, phát minh chúng ta có được hệ thống điện mặt trời với các thiết bị hiện đại.
3. Ưu điểm và Lợi ích to lớn mà điện mặt trời mang lại
Điện năng lượng mặt trời mang lại rất nhiều lợi ích to lớn cho công cuộc phát triển kinh tế cũng như đời sống của các nước trên thế giới. Chính vì vậy hiện nay sự phát triển của điện mặt trời đang được chú trọng hàng đầu tại nhiều nước phát triển trong đó có Việt Nam.
3.1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời
Tiện lợi và sẵn có: Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tiện lợi và sẵn có ở khắp mọi nơi. Đặc biệt là một nước có lượng bức xạ hàng đầu như nước ta thì đây là tiềm năng vô cùng lớn.
Nguồn năng lượng vô tận: bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên có thể tái tạo vô tận nhất mà con người có được. Chúng ta có thể thoải mái sử dụng mà không sợ cạn kiệt hay hết hạn.
Nguồn năng lượng sạch an toàn nhất: Ánh sáng mặt trời là tài nguyên thiên nhiên mang lại sự sống cho nhân loài. Chính vì vậy nó cực sạch và an toàn tuyệt đối.
Nguồn năng lượng miễn phí: Sẽ chẳng có ai đánh thuế hay kiểm soát bạn khi bạn sử dụng năng lượng mặt trời cả.
3.2. Lợi ích to lớn của điện mặt trời
Tự chủ về nguồn điện: cho dù bạn đang ở đâu và muốn có hệ thống nhà máy phát điện lớn hay nhỏ bạn đều có thể với điện mặt trời. Bạn sẽ không gặp tình trạng cúp điện như điện lưới.
Không mất chi phí vận hành: Khác với nhiều loại máy phát điện truyền thống cần nhiên liệu như dầu, xăng.. để hoạt động. Còn với điện mặt trời chúng ta chỉ cần đầu tư một lần và có điện năng sử dụng miễn phí trọn đời thiết bị mà không tốn một xu chi phí vận hành.
Tối ưu hóa lợi nhuận đầu tư: Khi lắp đặt hệ thống điện mặt trời theo tính toán thì khoảng sau 5 năm hoạt động chúng ta sẽ được hoàn vốn ban đầu. Vậy sau 25 năm hoạt động tiếp theo gia đình, doanh nghiệp chúng ta sẽ có điện miễn phí để sử dụng. Vậy ngay từ khi đầu tư chúng ta đã chắc chắn biết được đây là dự án đầu tư mang về lợi nhuận cực cao.
Dễ lắp đặt, dễ sử dụng và chi phí bảo dưỡng thấp: Quá trình lắp đặt điện mặt trời khá đơn giản. Chúng ta chỉ cần lựa chọn vị trí thuận lợi để lắp đặt các tấm pin có nhiều nắng nhất. Còn các thiết bị khác đã có nhà cung cấp lo liệu. trong quá trình sử dụng chúng ta chỉ cần vệ sinh sạch sẽ tấm pin mặt trời là xong.
Thân thiện với môi trường: Quá trình sử dụng điện mặt trời không gây ra tiếng ốn, không gây ra khói bụi, giảm thiểu được khí gây hiệu ứng nhà kính. Mang lại bầu không khí trong xanh và sạch đẹp cho chúng ta.
Ứng dụng rộng rãi và đa dạng: Chúng ta có thể lắp đặt và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ở bất kỳ đâu dù tại nhà, ngoài đồng, công ty, trên xe hay thậm chí là trên cả máy bay.
Xu hướng của thời đại: Khi các nguyên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt thì điện mặt trời là năng lượng thay thể để chúng ta phát triển bền vững về kinh tế và đời sống.
4. Nguyên lý hoạt động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
Hệ thống điện năng lượng mặt trời có nguyên lý hoạt động khá đơn giản. Thông qua những tấm pin mặt trời bức xạ mặt trời sẽ được chuyển đổi thành dòng điện một chiều thông qua hiệu ứng quang điện. Sau đó dòng điện được hệ thống sạc năng lượng mặt trời đưa đến và tự động sạc đầy hệ thống ắc quy. Cuối cùng khi dòng điện đủ lớn hệ thống sẽ được lắp đặt thiết bị chuyển đổi nguồn điện inverter để kích nguồn điện một chiếu thành nguồn điện xoay chiều 220v sin chuẩn. Lúc này điện từ hệ thống năng lượng mặt trời đã có thê cung cấp trức tiếp điện cho các tải tiêu thụ dùng cho sinh hoạt và sản xuất.
5. Các hệ thống khai thác điện từ năng lượng mặt trời
Hệ thống điện mặt trời hiện nay được khai thác với các thiết bị hiện đại và hiệu quả hơn. Chúng ta có nhiều giải pháp điện mặt trời khác nhau tuy nhiên cấu tạo của chúng khá giống nhau bao gồm:
Hệ thống pin năng lượng mặt trời: Đây là bộ phận quan trong nhất trong hệ thống điện mặt trời. Nó có nhiệm vụ hấp thụ và biến đổi bức xạ mặt trời thành điện năng.
Sạc năng lượng mặt trời: Đây là thiết bị năng lượng mặt trời có nhiệm vụ chuyển dòng điện từ pin năng lượng qua hệ thống ắc quy. Bảo vệ cho bình ắc quy không bị sạc và xả quá tải cũng như không bị trào ngược điện trở lại pin. Đồng thời sạc NLMT còn giúp bảo vệ tuổi thọ của hệ thống được lâu bền hơn.
Inverter chuyển đổi dòng điện: inverter có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều có cùng tần số với điện lưới.
Hệ thống ắc quy lưu trữ: Hệ thống này có nhiệm vụ lưu trữ lại dòng điện và cung cấp cho tải khi thiết bị điện năng lượng mặt trời không tạo ra điện.
Hiện nay, hệ thống năng lượng mặt trời để khai thác khác nhau đó là điện mặt trời hòa lưới không lưu trữ, điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ và điện mặt trời độc lập. Mỗi giải pháp đều có một ưu điểm riêng biệt nhưng nguyên lý hoạt động của các thiết bị điện năng lượng mặt trời nhìn chung giống nhau.
5.1. Điện mặt trời hòa lưới không lưu trữ
Hệ thống điện mặt trời hòa lưới không lưu trữ là hệ thống sử dụng các thiết bị điện năng lượng mặt trời để tạo ra điện năng sau đó hòa vào điện lưới. Với nguyên lý hoạt động khá đơn giản.
Khi pin mặt trời tạo ra dòng điện một chiều sẽ được thiết bị inverter chuyển đổi dòng điện kích lên thành dòng điện xoay chiều. Dòng điện này được thiết bị sạc năng lượng mặt trời hòa chung với điện lưới và cả hai thiết bị cùng song song cung cấp điện cho tải tiêu thụ.
So với hệ thống điện mặt trời độc lập, hệ thống hoà lưới không lưu trữ rất đơn giản, dễ hiểu và thiết kế, chỉ với hai thành phần chính là mô-đun PV và biến tần cấp nguồn AC vào hệ thống lưới điện để bù một phần hoặc tất cả điện tiêu thụ từ lưới. Các hệ thống này rẻ hơn, dễ cài đặt và bảo trì hơn, đồng thời hoạt động hiệu quả hơn các hệ thống dựa trên ắc quy lưu trữ có công suất tương đương. Hạn chế chính của hệ hoà lưới là khi lưới điện bị hỏng, chúng không thể cung cấp năng lượng để sử dụng. Nếu lưới điện khu vực đáng tin cậy và mất điện là không thường xuyên, các hệ thống hoà lưới có thể thời gian hoàn vốn tốt nhất với mức đầu tư thấp nhất.
Ưu điểm của hệ thống này chính là chi phí lắp đặt các thiết bị công nghệ năng lượng mặt trời này khá rẻ so với các giải pháp điện mặt trời khác. Tuy nhiên khi điện lưới bị mất để đảm bảo an toàn điện mặt trời cũng bị cắt theo.
5.2. Điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ
Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới có lưu trữ là sử dụng điện mặt trời hòa vào điện lưới tạo thành hai dòng điện song song cung cấp cho tải tiêu thụ. Cụ thể hệ thống hoạt động theo nguyên lý như sau: các tấm Panel năng lượng mặt trời sẽ chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng. Thiết bị kích điện inverter sẽ kích dòng điện một chiều từ pin mặt trời lên dòng điện xoay chiều 220v. Sau đó hệ thống sẽ sạc đầy các bình ắc quy bằng sạc nlmt. Khi các bình ắc quy được sạc đầy hệ thống sẽ tự động hòa cùng vào điện lưới và cung cấp điện cho tải tiêu thụ.
Khi điện mặt trời sản sinh ra bằng lượng điện tiêu thụ của tải thì điện mặt trời sẽ cung cấp điện cho tải.
Khi điện mặt trời sản sinh ra thấp hơn tải tiêu thụ thì điện lưới sẽ cung cấp điện cho tải.
Khi điện mặt trời tạo ra nguồn điện lớn hơn tải tiêu thụ thì điện sẽ được truyền ngược lên điện lưới. Số lượng điện thừa ra sẽ được tính tiền trên từng kw theo giá bán điện năng sản xuất ra từ năng lượng tái tạo.
5.3. Điện năng lượng mặt trời hòa lưới (nối lưới điện quốc gia) có lưu trữ mang lại ưu điểm tuyệt vời. Đó chính là khi điện lưới bị cắt thì các thiết bị ưu tiên vẫn được cung cấp điện nhờ vào hệ thống ắc quy lưu trữ điện.
6.Lưu ý khi lắp đặt hệ thống năng lượng điện mặt trời
Khi lắp đặt hệ thống điện mặt trời nói chung và lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời nói riêng. Chúng ta cần lưu ý 3 điểm cụ thể sau đây:
Lựa chọn nhà cung cấp uy tín: Việc quan trọng nhất khi lắp đặt điện mặt trời là chúng ta phải lựa chọn được công ty năng lượng mặt trời uy tín và có thương hiệu. Vì công ty cung cấp điện mặt trời uy tín chúng ta sẽ hoàn toàn yên tâm trong khâu lựa chọn các thiết bị điện, quá trình bảo hành, bảo dưỡng trong suốt thời gian sử dụng.
Tính toán công suất điện mặt trời: Khi lắp đặt tấm pin mặt trời chúng ta phải tính toán được công suất điện phù hợp với quá trình sử dụng điện của gia đình để không gây tình trạng lãng phí. Vì hệ thống điện mặt trời dễ dàng để nâng cấp nên chúng ta không nên lắp kín mái bằng pin mặt trời làm gì. Trừ khi bạn muốn bán điện cho nhà nước.
Chú ý đến thẩm mỹ ngôi nhà: Khi lắp đặt hệ thống pin mặt trời chúng ta không chỉ lắp lên để tạo điện năng. Mà nó còn giúp nâng tầm ngôi nhà của bạn trở nên hiện đại và sang trong hơn. Nên bạn cần chú ý và hoạch định vị trí kỹ càng trong quá trình lắp đặt hệ thống.
