Điện năng lượng mặt trời hay điện mặt trời (tiếng Anh: solar power) hay còn gọi là quang điện, quang năng là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời. Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng.
Bức xạ mặt trời là gì?
Bức xạ mặt trời hay còn gọi là bức xạ điện từ hoặc năng lượng mặt trời – được phát ra bởi mặt trời. Mặc dù mọi vị trí trên Trái đất đều nhận được một số ánh sáng mặt trời trong một năm, nhưng lượng bức xạ mặt trời đến điểm bất kỳ trên bề mặt Trái đất sẽ khác nhau. Các công nghệ năng lượng mặt trời thu nhận bức xạ này và biến nó thành các dạng năng lượng hữu ích gọi chung là năng lượng tái tạo hay năng lượng xanh.
Có hai loại công nghệ năng lượng mặt trời chính – quang điện (PV) và nhiệt điện mặt trời tập trung (CSP).
Quang điện (PV)
Quang điện (PV) được sử dụng trong các tấm pin mặt trời. Khi mặt trời chiếu vào bảng điều khiển năng lượng mặt trời, năng lượng từ ánh sáng mặt trời sẽ được các tế bào PV trong bảng hấp thụ. Năng lượng này tạo ra các điện tích di chuyển để phản ứng với điện trường bên trong tế bào, gây ra dòng điện.
Nhiệt điện mặt trời tập trung (CSP)
Hệ thống nhiệt điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng gương để phản chiếu và tập trung ánh sáng mặt trời vào máy thu thu năng lượng mặt trời và chuyển nó thành nhiệt, sau đó có thể được sử dụng để sản xuất điện hoặc lưu trữ để sử dụng sau này. Nó được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy điện rất lớn.
Quy mô của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Hệ thống điện năng lượng mặt trời lắp đặt trên 3 quy mô chính:
Quy mô nhỏ: Năng lượng mặt trời quy mô nhỏ thường được lắp đặt trên nóc nhà của các hộ gia đình, doanh nghiệp nhỏ (Điện mặt trời áp mái) và thường có công suất từ 5 đến 20 kilowatt (kW), tùy thuộc vào diện tích lắp đặt.
Quy mô vừa: Các dự án năng lượng mặt trời ở quy mô vừa thường được lắp đặt ở quy mô lớn hơn so với năng lượng mặt trời dân dụng. Đó là các dự án điện mặt trời ở các doanh nghiệp lớn, trung tâm thương mại,… Mặc dù các dự án có thể khác nhau rất nhiều về diện tích lắp đặt, nhưng năng lượng mặt trời quy mô vừa phục vụ một mục đích nhất quán: cung cấp điện mặt trời tại chỗ cho các doanh nghiệp và tổ chức phi lợi nhuận.
Quy mô lớn: Các dự án năng lượng mặt trời quy mô lớn thường có quy mô lắp đặt lớn, công suất cỡ vài megawatt (MW) cung cấp điện năng lượng mặt trời trên quy mô lớn.
Năng lượng mặt trời hoạt động như thế nào?
Một tấm pin mặt trời (còn được gọi là mô-đun năng lượng mặt trời) bao gồm một lớp tế bào silicon, một khung kim loại, một bộ phận vỏ thủy tinh và hệ thống dây điện để truyền dòng điện từ silicon. Silicon (nguyên tử số 14 trong bảng tuần hoàn) là một phi kim có đặc tính dẫn điện cho phép nó hấp thụ và chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng sử dụng được. Khi ánh sáng chiếu vào một tế bào silicon, ánh sáng làm cho các electron trong silicon chuyển động, tạo ra một dòng điện. Đây được gọi là “hiệu ứng quang điện” và nó mô tả chức năng chung của công nghệ bảng điều khiển năng lượng mặt trời.
Khoa học tạo ra điện bằng các tấm pin mặt trời bắt nguồn từ hiệu ứng quang điện này. Nó được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1839 bởi Edmond Becquerel và có thể được coi là thuộc tính của các vật liệu cụ thể (được gọi là chất bán dẫn) cho phép chúng tạo ra dòng điện khi chúng tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Quá trình quang điện hoạt động qua các bước chính sau:
- Pin mặt trời quang điện silicon hấp thụ bức xạ mặt trời
- Khi tia nắng mặt trời tương tác với tế bào silicon, các electron bắt đầu chuyển động, tạo ra dòng điện
- Dây điện bắt và cấp dòng điện một chiều (DC) này đến bộ biến tần năng lượng mặt trời để chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC).
Sơ lược về lịch sử của điện năng lượng mặt trời
Năm 1954, Bell Labs đã phát triển tế bào quang điện silicon đầu tiên. Mặc dù năng lượng mặt trời trước đây đã được thu nhận và chuyển đổi thành năng lượng sử dụng được thông qua nhiều phương pháp khác nhau, nhưng chỉ sau năm 1954, điện mặt trời mới bắt đầu trở thành nguồn điện khả thi để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong thời gian dài. Các tế bào năng lượng mặt trời đầu tiên đã chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng với hiệu suất 4% – để tham khảo, nhiều tấm pin mặt trời phổ biến hiện nay có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng mặt trời với hiệu suất trên 20%, một con số không ngừng tăng lên.
Mặc dù việc áp dụng năng lượng mặt trời lúc đầu còn chậm, một số chính sách và khuyến khích của tiểu bang và liên bang đã góp phần làm giảm giá thành của các tấm pin mặt trời đủ xa để được áp dụng rộng rãi hơn. Tại thời điểm này, điện mặt trời đã đủ công suất để cung cấp điện cho 11 triệu trong tổng số 126 triệu hộ gia đình trên cả nước.
So sánh điện năng lượng mặt trời và nguồn điện từ các loại nguyên liệu khác:
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch, rẻ tiền có thể khai thác ở hầu hết mọi nơi trên thế giới – bất kỳ điểm nào mà ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt trái đất đều là vị trí tiềm năng để tạo ra năng lượng mặt trời. Và vì năng lượng mặt trời đến từ mặt trời nên nó đại diện cho một nguồn năng lượng vô hạn. Công nghệ năng lượng tái tạo tạo ra điện từ các nguồn tài nguyên là vô hạn.
Trong khi đó, Phải mất hàng trăm nghìn năm để hình thành dầu, khí đốt và than đá, vì vậy mỗi khi một trong những nguồn tài nguyên đó được đốt cháy để tạo ra điện, nguồn tài nguyên hữu hạn đó lại gần với sự cạn kiệt hơn một chút.
Sử dụng tài nguyên tái tạo – chẳng hạn như gió, mặt trời và thủy điện – để tạo ra điện, không làm cạn kiệt tài nguyên đó. Sẽ luôn có ánh sáng mặt trời nhất quán chiếu trên bề mặt Trái đất, và sau khi biến ánh sáng mặt trời thành điện năng, vẫn còn một lượng ánh sáng mặt trời vô hạn để biến thành điện năng trong tương lai. Đó là những gì làm cho năng lượng mặt trời, về bản chất, là năng lượng tái tạo.
Hệ thống điện mặt trời có thể lắp đặt ở đâu?
Hệ thống điện năng lượng mặt trời có thể lắp đặt trên mái ngói, mái tôn (hệ lắp đặt kiểu áp mái), hệ lắp đặt trên mặt đất hay hệ thống điện mặt trời nổi ở ao hồ rộng. Trong đó, hệ lắp đặt điện mặt trời áp mái được sử dụng phổ biến nhất trong các hộ gia đình, doanh nghiệp, nhà xưởng.
Các hệ thống lắp đặt điện mặt trời phổ biến:
– Hệ thống điện năng lượng mặt trời áp mái
- Hệ thống điện mặt trời áp mái nhà xe
- Hệ thống lắp đặt hình tam giác
- Hệ thống lắp đặt trên mái ngói
- Hệ thống lắp đặt trên mái tôn dân dụng
- Hệ thống lắp đặt trên mái tôn công nghiệp, nhà xưởng
– Hệ thống điện năng lượng mặt trời mặt đất
- Hệ thống lắp đặt có trụ bê tông
- Hệ thống điện mặt trời 2 cột mặt đất
- Hệ thống điện mặt trời 1 cột mặt đất
- Hệ thống điện mặt trời lắp đặt cho nhà kính
– Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới
– Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập
– Hệ thống điện năng lượng mặt trời nổi
– Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp: Kết hợp giữa hòa lưới và độc lập
Tùy vào nhu cầu và quy mô lắp đặt mà các hệ thống điện mặt trời này phù hợp với các đối tượng khác nhau như: Hộ gia đình, doanh nghiệp, nhà xưởng, bãi đỗ xe, văn phòng, tòa nhà, ao hồ, bệnh viện, trường học, siêu thị, trung tâm thương mại, sân bay, nhà ga,…
Các thiết bị trong hệ thống điện mặt trời gồm: tấm pin năng lượng mặt trời, Bộ Inverter (biến tần hòa lưới), tủ bảo vệ DC/AC, đồng hồ 2 chiều. Ngoài ra, còn có các phụ kiện, linh kiện lắp đặt như: Thanh rail, mini rail, bộ kẹp, bích kẹp, giắc kết nối, kìm mở giắc, cáp solar,…
