Công nghệ pin mặt trời đang phát triển nhanh chóng với hiệu quả cao hơn và giá thành thấp hơn dẫn đến nhu cầu về chúng ngày càng tăng cao. Tuy nhiên, bất chấp những sự tiến bộ vượt bậc về công nghệ, việc tạo ra một tấm pin về cơ bản vẫn không thay đổi nhiều trong những năm qua. Hầu hết chúng vẫn được tạo ra từ một loạt các tế bào silicon tinh thể được “nẹp” giữa một tấm kính cường lực ở trên và một tấm vật liệu nền bên dưới và được gia cố bởi một khung nhôm.
Sau khi lắp đặt, tấm pin phải chịu các điều kiện khắc nghiệt trong suốt vòng đời hơn 25 năm. Những thay đổi bất lợi về nhiệt độ, độ ẩm, gió và bức xạ tia UV có thể gây áp lực rất lớn lên chúng. May mắn thay, phần lớn các tấm đều được thiết kế với cấu trúc tốt để có thể chống chịu được thời tiết khắc nghiệt. Tuy vậy, một số tấm vẫn có thể bị hỏng do nước thấm vào, trầy xước hoặc nứt tế bào quang điện… đây là lý do vì sao các tấm quang điện trong quá trình sản xuất luôn chú trọng đến việc lựa chọn các linh kiện, vật liệu chất lượng cao nhất.
Ở bài viết này tôi và các bạn sẽ cùng phân tích chi tiết về cấu tạo của một tấm pin mặt trời, cùng tham khảo nhé:
Mục lục
I. Quy trình để sản xuất tấm mặt trời như thế nào?
Các tế bào quang điện (solar cell) được tạo ra bằng việc sử dụng các miếng bán dẫn tinh thể silicon rất giống với các lát bán dẫn được sử dụng để chế tạo máy tinh và chip silicon. Tấm bán dẫn silicon đơn tinh thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp sản xuất khác nhau, phổ biến nhất là quy trình Czochralski
Đầu tiên, vật liệu silicon được chiết xuất từ cát. Cát được sử dụng là loại cát silica hoặc silicon dioxide, thường được làm từ đá thạch anh nghiền nát. Tuy nhiên, cát trước tiên phải được làm sạch thông qua một quy trình gọi là Carbon Arc Welding (CAW) để chiết xuất oxy không mong muốn và tạo ra vật liệu silicon nguyên chất 99%. Silicon sau đó phải được xử lý thêm để trở nên gần như tinh khiết hoàn toàn 100%. Kết quả cuối cùng là silicon tinh khiết được pha tạp với boron hoặc phốt pho để trở thành silicon loại P hoặc loại N. Bây giờ silicon pha tạp được chế tạo thành một thỏi rắn bằng cách sử dụng quy trình Czochralski. Quá trình này bao gồm việc làm nóng chảy silic đa tinh thể dưới áp suất và nhiệt độ cao để từ từ phát triển thành một tinh thể đơn, được gọi là phôi.
Tóm tắt các bước sản xuất
- Cát silica được tinh chế thành silicon có độ tinh khiết 99% bằng quy trình CAW.
- Silicon 99% được tinh chế thêm để cho ra silicon nguyên chất nhất có thể, gần như 100%.
- Silicon sau đó được pha tạp với boron hoặc phốt pho để cho ra 2 loại tương ứng là P hoặc N.
- Silicon pha tạp được nấu chảy và chiết xuất thành một thỏi lớn.
- Thỏi lớn sau đó được cắt thành các tấm vuông mỏng.
- Các tấm bán dẫn silicon mỏng này được dùng để ghép với nhau tạo thành tấm pin tổng thể.
II. Cấu tạo của một tấm pin năng lượng mặt trời
Tấm năng lượng mặt trời được cấu tạo bởi 6 thành phần chính được chúng tôi mô tả dưới đây và được lắp ráp tại các các sở sản xuất hiện đại với độ chính xác cực kỳ cao. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ chỉ tập trung vào phân tích loại pin phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay là silicon tinh thể. Các công nghệ khác như màng mỏng, silicon vô định hình thì chúng tôi sẽ không thảo luận đến vì chúng vẫn còn đang trong quá trình phát triển.
6 thành phần chính của một tấm pin mặt trời hoàn chỉnh:
- Tế bào quang điện
- Kính cường lực – dày 3 – 4mm
- Khung nhôm gia cố.
- Vật liệu đóng gói (làm kín) – Các lớp màng EVA
- Tấm nền phía dưới bằng Polymer
- Hộp nối – điốt và các bộ ghép nối
Có rất nhiều nhà sản xuất nổi tiếng, họ sản xuất pin dựa trên các thành phần cơ bản gồm thỏi silicon và tấm bán dẫn mỏng. Tuy nhiên, việc lựa chọn các chất liệu tấm nền polymer và vật liệu đóng gói EVA giữa họ là khác nhau, do đó mới có sự phân loại giữa loại giá rẻ, hay loại công suất lớn… Ngoài ra, sản phẩm của những nhà cung cấp uy tín luôn được kiểm duyệt các tiêu chuẩn an toàn, chất lượng quốc tế trước khi đưa ra thị trường.
1. Tế bào quang điện
Các tế bào quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành dòng điện một chiều DC. Hiệu suất của một tấm pin được xác định bởi lại tế bào và đặc tính của silicon được sử dụng trong sản xuất, với hai loại chính là silicon đơn tinh thể và đa tinh thể. Cấu tạo của tế bào silicon có thể được xây dựng bằng cách sử dụng chất phụ gia khác nhau (boron hoặc phốt pho) để tạo ra silicon loại P (dương tính) hoặc silicon loại N (âm tính). Có một số kích thước và cấu hình tế bào khác nhau hiện có trên thị trường, cung cấp mức độ hiệu quả và hiệu suất khác nhau.
Hầu hết các hệ thống điện mặt trời cho gia đình thường sử dụng loại tấm pin có chứa 60 tế bào quang điện (60 cell) đơn hoặc đa tinh thể được liên kết với nhau thông qua các mạch nối tiếp để tạo ra điện áp khoảng 30 – 40V tùy thuọc vào loại tế bào được sử dụng. Tấm lớn hơn được sử dụng cho các hệ thống điện mặt trời thương mại và các trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn có chứa 72 hoặc thậm chí 96 tế bào và chúng hoạt động ở điện áp cao hơn. Các tiếp điểm điện kết nối các solar cell còn được gọi là thanh cái (busbar) và cho phép dòng điện chạy qua tất cả các tế bào trong một mạch.
2. Mặt kính
Tấm kính phía trên bao vệ các tế bào PV khỏi thời tiết và các tác động từ môi trường như mưa đá, bụi bẩn hoặc các mảnh vụn trong không khí. Mặt kính được dùng thường là kính cường lực cao cấp, dày từ 3 đến 4mm và được thiết kế có khả năng chịu tải trọng cơ học và sự thay đổi khí hậu khắc nghiệt. Thử nghiệm tác động tiêu chuẩn tối thiểu theo tiêu chuẩn IEC yêu cầu các tấm pin năng lượng phải chịu được tác động của mưa đá có đường kính khoảng 1 inch (25mm) di chuyển với vận tốc lên đến 27m/s (60 dặm trên giờ). Trong trường hợp xảy ra va chạm mạnh cũng được đảm bảo an toàn hơn khi mà kính cường lực vỡ sẽ thành các mảnh nhỏ thay vì các mảnh kính sắt nhọn của kính thường.
Để cải thiện hiệu quả và hiệu suấ chuyển đổi, mặt kính được sử dụng thường được tích hợp khả năng chống phản xạ ánh sáng cực tốt. Điều này giúp giảm tổn thất và cải thiện khả năng truyền tải ánh nắng.
3. Khung nhôm
Khung nhôm đóng một vai trò quan trọng với việc bảo vệ các cạnh của các tế bào ngoài cùng và cung cấp một cấu trúc vững chắc để người dùng có thể dễ dàng lắp đặt các tấm pin vào những vị trí mong muốn. Bộ khung nhôm ép này được thiết kế cực kỳ nhẹ, cứng và có thể chịu được áp lực tải trọng khá lớn từ các lực tác động bên ngoài.
Khung nhôm có thể có màu bạc hoặc đen anode tùy thuộc vào nhà sản xuất, các phần góc có thể được vặn ốc, ép hoặc kẹp lại với nhau cung cấp các mức độ chắc chắn và cứng cáp khác nhau.
4. Đóng gói EVA
EVA là viết tắt của cụm từ tiếng Anh “ethylene vinyl acetate“, một lớp polymer được thiết kế đặc biệt có độ trong suốt cao (chất dẻo) được sử dụng để bọc các tế bào và giữ chúng ở đúng vị trí trong quá trình sản xuất. Vật liệu EVA phải cực kỳ bền và chịu được nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt, nó đóng một phần quan trọng đối với hiệu suất dài hạn bằng việc ngăn chạn hơi ẩm và bụi bẩn xâm nhập vào bên trong tấm pin.
Việc ghép hai bên của các tế bào PV, chất liệu này hỗ trợ giảm sốc và giúp bảo vệ các tế bào cũng như dây kết nối bên trong mạch tránh khỏi sự rung động và tác động đột ngột từ mưa đá và các vật thể rắn khác. Trong quá trình sản xuất, các tế bào được đóng gói với EVA trước khi được lắp ráp vào bên trong tấm kính và tấm nền bên dưới.
5. Tấm nền
Tấm nền là lớp dưới cùng của tấm pin điển hình, đóng vai trò như một hàng rào chống ẩm và lớp vỏ bên ngoài cùng để cung cấp tính bảo vệ cơ học và cách nhiệt. Vật liệu tấm nên được làm từ các loại polymer hoặc nhựa khác nhau có thể kể đến như PP, PET và PVF hỗ trợ các mức độ bảo vệ khác nhau, ổn định với nhiệt độ cao và chống tia cực tím lâu dài. Tấm nền thường có màu trắng, cũng có lúc là màu đen tùy thuộc vào nhà sản xuất.
6. Hộp nối và đầu nối
Hộp nối là một vỏ bọc chống thời tiết nhỏ nằm ở phía sau. Nó là bộ phần cần thiết để có thể kết nối giữa các tấm pin với nhau cũng như kết nối với các thiết bị khác trong hệ thống điện mặt trời. Hộp nối rất quan trọng vì nó là điểm trung tâm nơi tất cả các tế bào solar dẫn điện đến và phải được bảo vệ khỏi độ ẩm, nước và bụi bẩn.
a. Đi-ốt nối tắt
Hộp nối cũng chưa các điốt cần thiết để ngăn dòng điện chạy ngược xảy ra khi một số ô bị bóng đâm hoặc bụi bẩn che khuất ánh nắng. Điốt chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng và một bảng 60 ô thông thường có 3 hàng 20 ô và lần lượt có 3 điốt, một để ngăn dòng chạy ngược cho mỗi 3 dãy ô. Một nhược điểm đáng nhắc đến là điốt không có được tuổi thọ cao và có thể cần phải thay thế nhiều lần, vì vậy nắp hộp nối của loại pin mặt trời này thường có thể được tháo ra dễ dàng để bảo trì.
b. Đầu nối năng lượng mặt trời MC4
Hầu như tất cả các tấm pin mặt trời đều kết nối với nhau bằng cách sử dụng phích cắm và ổ cắm có khả năng chịu được thời tiết đặc biệt gọi là đầu nối MC4. Thuật ngữ MC4 là viết tắt của cụm từ “multi-contact 4mm diameter connector” nghĩa là đầu nối đường kính 4mm đa tiếp xúc. Do sử dụng bên ngoài với điều kiện thời tiết khắc nghiệt, các đầu nối phải rất chắc chắn, an toàn, có khả năng chống tia cực tím và duy trì kết nối tốt với điện trở tối thiểu.
Các đầu nối được thiết kế để được sử dụng với cáp DC năng lượng mặt trời cách điện kép 4mm hoặc 6mm với lõi đa sợi đồng mạ thiếc cho điện trở tối thiểu.
