Trong những năm gần đây, hệ thống điện năng lượng mặt trời càng trở nên phổ biến vì có nhiều sản phẩm đa dạng về mẫu mã cũng như giá thành. Người sử dụng đang dần quan tâm đến dạng năng lượng sạch, bền vững này. Vậy hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm những thành phần nào, hoạt động như thế nào. Chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề này qua bài viết dưới đây.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời là gì?
Hệ thống điện mặt trời giúp tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ vừa mới được khai thác. Nó cung cấp các nguồn lực to lớn có thể tạo ra điện sạch, không gây ô nhiễm và bền vững. Trong những năm gần đây, người ta phát hiện ra rằng sức mạnh của mặt trời có thể được thu thập và lưu giữ để sử dụng trên phạm vi toàn cầu với mục đích cuối cùng là thay thế các nguồn năng lượng thông thường. Đặc biệt trong điều kiện khí hậu đang nóng lên toàn cầu thì năng lượng mặt trời ngày càng phổ biến và khẳng định tầm quan trọng của mình.
Thành phần cơ bản của một hệ thống điện năng lượng mặt trời:
Hệ thống điện năng lượng mặt trời được cấu thành chính từ các tấm pin mặt trời (pin quang điện). Các tấm pin năng lượng mặt trời trong hệ thống đóng vai trò hấp thụ ánh nắng mặt trời, chuyển hóa quang năng thành điện năng và điện năng được đưa lên điện lưới hoặc lưu trữ trực tiếp trên ắc quy để hoạt động độc lập. Hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi điện (inverter) để cấp cho tải sử dụng.
1. Tấm pin năng lượng mặt trời (Solar Panel)
Đây là bộ phận quan trọng nhất trọng hệ thống điện mặt trời. Hệ thống pin mặt năng lượng mặt trời hay còn gọi là pin quang điện có nhiệm vụ thu nhận và chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng. Sau đó cung cấp nguồn điện cho cả hệ thống hoạt động. Một tấm pin thông thường được cấu tạo bằng các tế bào quang điện đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline). Mỗi tế bào quang điện là một ô nhỏ được ghép lại thành mảng lớn.
Trong điều kiện nắng tốt, mặt trời có thể cung cấp được khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây). Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc vào cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời lại với nhau.
Tùy theo nhu cầu sử dụng mà các thông số kỹ thuật của tấm pin năng lượng mặt trời sẽ được thiết kế khác nhau để đáp ứng nhu cầu của khách hàng.
Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…
2. Bộ điều khiển sạc (Solar Charger Controller)
Đây là thiết bị có chức năng điều khiển việc sạc điện từ tấm pin năng lượng mặt trời cho ắc-quy, ổn áp cho dòng điện nạp, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của tấm pin mặt trờii vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải. Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp của tấm pin mặt trời quá thấp.
3. Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)
Bộ kích điện là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình ắcquy (12V – 24V – 48V hoặc lên đến 240V) thành điện áp xoay chiều (AC) có tần số phù hợp với lưới điện Việt Nam đang sử dụng là 220V, 50Hz. Bộ kích điện được thiết kế với nhiều loại công suất từ 300VA – 10kVA tuỳ yêu cầu sử dụng.
Bộ kích điện có hai dạng: sóng điện hình sin mô phỏng và hình sin thực. Loại đầu có ưu điểm là giá rẻ, nhỏ gọn, thường dùng cho máy vi tính, đèn compact, tivi, đầu máy… Loại sau sử dụng tốt với các thiết bị điện dân dụng, nhưng có giá cao hơn.
4. ATS – Chuyển mạch tự động (Option)
Thiết bị này dùng để chuyển mạch từ điện lưới và điện từ năng lượng mặt trời tuỳ trạng thái khi dùng phối hợp giữa hệ thống điện mặt trời với điện lưới. Những hệ thống điện mặt trời thông minh có thể vừa cấp điện cho lưới sau khi đã nạp đầy ắc quy hoặc chuyển sang sử dụng điện lưới khi điện mặt trời không đủ cung cấp. Đơn giản nhất có thể dùng loại cầu dao chuyển mạch thủ công hoặc muốn tự động hoàn toàn, phải dùng tủ điều khiển ATS.
5. Ắc quy (Battery)
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng. Ắc-quy có nhiều loại như ắc quy nước axit, ắc quy miễn bảo dưỡng MF, ắc quy kín khí VRLA, ắc quy khô (gel, cadimi, niken) với kích thước và dung lượng (tính bằng AH) hoàn toàn khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau.
Bình ắc quy chỉ sử dụng cho sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có lưu trữ và điện năng lượng mặt trời độc lập. Bình ắc quy có nhiệm vụ lưu trữ điện để sử dụng cho tải vào ban đêm hoặc những ngày không có nắng.
Điện áp ắc quy năng lượng mặt trời cần phải được xem xét một cách cẩn trọng để đảm bảo mức điện áp phù hợp với toàn hệ thống. Điện áp thường được quyết định bởi các thông số kỹ thuật của Inverter chuyển đổi điện.
6. Phụ kiện khác
Ngoài ra, hệ thống còn có cáp điện, khung, giá đỡ và các phụ kiện khác.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Hệ thống pin năng lượng mặt trời được lắp đặt ở trên mái nhà, vách tường hoặc những nơi thuận lợi để tiếp thu nhiều ánh nắng mặt trời nhất. Ánh sáng mặt trời chiếu thẳng vào pin mặt trời sẽ được biến đổi thành điện, tạo ra dòng điện một chiều theo hiệu ứng quang điện. Dòng điện một điện một chiều này được dẫn tới bộ điều khiển sạc là một thiết bị điện tử có chức năng điều hoà tự động các quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV…).