Năng lượng mặt trời — Tấm pin mặt trời hoạt động thế nào và hiệu suất

Tấm pin mặt trời biến ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Ánh sáng chiếu tới một pin bán dẫn, pin tách điện tích, và một mạch điện được nối vào cho phép điện tích đó thực hiện công điện có ích.

Hiệu suất của tấm pin mặt trời cho biết bao nhiêu phần ánh sáng mặt trời chiếu tới tấm pin được biến thành công suất điện. Viết bằng ký hiệu, ý tưởng đó là $\eta = P_{out}/P_{in}$, nhưng con số này chỉ có ý nghĩa khi các điều kiện được nêu rõ.

Tấm Pin Mặt Trời Tạo Ra Điện Như Thế Nào

Một tấm pin mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời nhỏ. Mỗi pin là một linh kiện bán dẫn có tiếp giáp tạo ra điện trường bên trong.

Khi ánh sáng được hấp thụ trong pin, nó có thể tạo ra các hạt tải điện linh động. Điện trường bên trong giúp tách các điện tích đó ra trước khi chúng tái hợp, từ đó tạo ra một hiệu điện thế trên pin.

Nếu pin được nối vào một mạch điện, dòng điện có thể chạy qua tải bên ngoài. Đó là đầu ra có ích. Tấm pin không lưu trữ ánh sáng mặt trời bên trong nó. Nó chuyển một phần công suất ánh sáng tới thành công suất điện khi có ánh sáng.

Điều này có liên hệ với việc ánh sáng gồm các photon, nhưng pin mặt trời không được mô hình hóa giống như bài toán hiệu ứng quang điện ở kim loại đơn giản nhất. Trong pin mặt trời, cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn và thiết kế tiếp giáp là những yếu tố quan trọng.

Hiệu Suất Tấm Pin Mặt Trời Có Nghĩa Là Gì

Hiệu suất của tấm pin là tỉ số

$$\text{efficiency} = \frac{\text{electrical power out}}{\text{solar power in}}$$

Nếu công suất ánh sáng mặt trời tới trên bề mặt tấm pin là $P_{in}$ và tấm pin cung cấp công suất điện $P_{out}$, thì

$$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}$$

và tương đương

$$P_{out} = \eta P_{in}$$

Để tìm $P_{in}$ từ các điều kiện chiếu sáng, một mô hình khởi đầu thường dùng là

$$P_{in} = IA$$

trong đó $I$ là suất bức xạ mặt trời tính bằng $\mathrm{W/m^2}$ và $A$ là diện tích tấm pin.

Chỉ dùng mô hình đó nếu $I$ là suất bức xạ trên chính bề mặt tấm pin trong các điều kiện bạn đang xét. Nếu giá trị ánh sáng mặt trời được đo cho một hướng khác, hoặc nếu bóng che và nhiệt độ thay đổi, thì đầu ra thực tế cũng thay đổi.

Các nhà sản xuất thường công bố hiệu suất trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn. Hiệu suất ngoài trời thực tế thường thấp hơn vì tấm pin nóng lên và điều kiện không lý tưởng làm giảm hiệu năng.

Ví Dụ Có Lời Giải: Ước Tính Công Suất Tấm Pin Mặt Trời

Giả sử một tấm pin có diện tích $A = 1.6\ \mathrm{m^2}$. Suất bức xạ trên bề mặt tấm pin là $I = 1000\ \mathrm{W/m^2}$, và tấm pin hoạt động với hiệu suất $\eta = 0.20$ trong các điều kiện đó.

Trước hết, tìm công suất mặt trời đầu vào:

$$P_{in} = IA = (1000)(1.6) = 1600\ \mathrm{W}$$

Bây giờ áp dụng hiệu suất:

$$P_{out} = \eta P_{in} = (0.20)(1600) = 320\ \mathrm{W}$$

Vậy tấm pin cung cấp khoảng $320\ \mathrm{W}$ công suất điện trong các điều kiện đã nêu.

Ví dụ này cho thấy rõ ý chính:

• nhiều ánh sáng mặt trời hơn trên mỗi mét vuông cho đầu ra tiềm năng lớn hơn
• diện tích tấm pin lớn hơn cho đầu ra tiềm năng lớn hơn
• hiệu suất cao hơn cho nhiều công suất điện hơn từ cùng một lượng ánh sáng mặt trời tới

Các mối quan hệ đó chỉ đúng khi các điều kiện vận hành khác là tương đương.

Vì Sao Hiệu Suất Tấm Pin Mặt Trời Nhỏ Hơn 100%

Không phải toàn bộ ánh sáng mặt trời tới đều trở thành đầu ra điện có ích. Một phần ánh sáng bị phản xạ, một phần có thể không được hấp thụ hiệu quả, và một phần năng lượng đã hấp thụ biến thành nhiệt thay vì công điện có ích. Các pin và mạch điện thực tế cũng có tổn hao điện trở và các tổn hao thực tế khác.

Chi tiết phụ thuộc vào vật liệu và thiết kế, nhưng ý chính rất đơn giản: tấm pin mặt trời là một thiết bị chuyển đổi năng lượng có tổn hao không thể tránh khỏi, chứ không phải một bộ thu hoàn hảo.

Những Sai Lầm Thường Gặp Về Năng Lượng Mặt Trời Và Hiệu Suất

Nói rằng tấm pin lưu trữ ánh sáng mặt trời

Không phải vậy. Một tấm pin quang điện tiêu chuẩn chuyển đổi năng lượng khi có ánh sáng. Nếu bạn muốn có năng lượng vào ban đêm, điều đó thường cần hệ lưu trữ ở nơi khác, chẳng hạn như pin.

Xem hiệu suất tấm pin là một con số cố định trong mọi tình huống

Hiệu suất phụ thuộc vào điều kiện. Một giá trị định mức thường gắn với các điều kiện thử nghiệm cụ thể, và hiệu năng ngoài trời thực tế có thể khác.

Dùng $P_{in} = IA$ mà không kiểm tra $I$ có nghĩa là gì

Công thức đó đúng khi $I$ là suất bức xạ trên bề mặt tấm pin. Nếu giá trị ánh sáng mặt trời được cho ứng với một hướng khác hoặc một điều kiện trung bình nào đó, bạn không thể thay trực tiếp vào công thức mà không xét đến hình học và cách bố trí.

Cho rằng ánh sáng mặt trời mạnh hơn đảm bảo cùng một phần trăm hiệu suất

Công suất đầu ra thường tăng khi nhiều ánh sáng mặt trời hơn chiếu tới tấm pin, nhưng hiệu suất vẫn có thể thay đổi theo nhiệt độ và điều kiện vận hành.

Nhầm lẫn giữa năng lượng mặt trời và năng lượng nhiệt mặt trời

Tấm pin quang điện tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng trong một linh kiện bán dẫn. Các hệ nhiệt mặt trời chủ yếu dùng ánh sáng mặt trời để làm nóng một chất lỏng hoặc một bề mặt.

Nghĩ rằng pin mặt trời hoạt động giống hệt phương trình hiệu ứng quang điện đơn giản nhất

Các ý tưởng này có liên hệ với nhau qua ánh sáng và năng lượng electron, nhưng pin mặt trời thường được giải thích bằng vùng năng lượng bán dẫn, sự tách điện tích và hành vi của tiếp giáp hơn là chỉ bằng phương trình công thoát của kim loại cơ bản.

Năng Lượng Mặt Trời Được Dùng Ở Đâu

Tấm pin mặt trời được dùng trên mái nhà, vệ tinh, máy tính bỏ túi, cảm biến từ xa, trang trại điện mặt trời và các hệ thống điện độc lập. Chúng đặc biệt hữu ích khi việc phát điện theo mô-đun là quan trọng và có sẵn ánh sáng mặt trời.

Trong vật lý, năng lượng mặt trời là một ví dụ rõ ràng về chuyển đổi năng lượng. Trong kỹ thuật, nó cũng trở thành một bài toán hệ thống liên quan đến hướng đặt, thời tiết, lưu trữ, điện tử công suất và lưới điện.

Hãy Thử Một Trường Hợp Tương Tự

Hãy thử phiên bản của riêng bạn bằng cách thay đổi từng điều kiện một. Giữ diện tích ở mức $1.6\ \mathrm{m^2}$ và đổi suất bức xạ thành $800\ \mathrm{W/m^2}$, hoặc giữ nguyên ánh sáng mặt trời và đổi hiệu suất thành $0.18$. Nếu bạn muốn kiểm tra cách thiết lập của mình với một trường hợp khác, hãy thử một bài toán công suất mặt trời tương tự trong GPAI Solver.