Chuyển hóa năng lượng là gì? Ứng dụng trong điện mặt trời

Chuyển hóa năng lượng là quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác theo định luật bảo toàn năng lượng, trong đó năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà chỉ thay đổi hình thái tồn tại.

Đội ngũ chuyên gia kỹ thuật DAT Group biên soạn bài phân tích này nhằm làm sáng tỏ bản chất vật lý của quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng trong tế bào quang điện, phân tích chuỗi biến đổi năng lượng khép kín trong hộ gia đình và hướng dẫn các giải pháp kỹ thuật giúp tối ưu hóa hiệu suất khai thác điện mặt trời áp mái.

Chuyển hóa năng lượng là gì?

Chuyển hóa năng lượng là quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác để phục vụ cho các hoạt động sống của sinh vật hoặc các hiện tượng tự nhiên.

Trong sinh học, quá trình này luôn đi kèm với quá trình chuyển hóa vật chất trong tế bào, giúp cơ thể sinh trưởng, phát triển và duy trì sự sống.

Bản chất vật lý và định luật bảo toàn năng lượng

Nguyên lý bảo toàn và chuyển hóa năng lượng trong tự nhiên

Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là nguyên lý vật lý nền tảng khẳng định rằng tổng năng lượng của một hệ kín luôn không đổi. Năng lượng chỉ chuyển từ vật này sang vật khác hoặc biến đổi từ hình thái năng lượng này sang hình thái năng lượng khác.

Khái niệm hiệu suất chuyển hóa năng lượng và giới hạn vật lý Shockley-Queisser

Hiệu suất chuyển hóa năng lượng là tỉ số phần trăm giữa năng lượng hữu ích đầu ra so với tổng năng lượng đầu vào cung cấp cho hệ thống:

η=PoutPin×100%

Trong đó Pout là công suất điện năng thu được và Pin là tổng công suất bức xạ ánh sáng chiếu lên bề mặt tấm pin. Đối với tấm pin Silic truyền thống mối nối đơn, hiệu suất lý thuyết cực đại bị chặn bởi giới hạn vật lý Shockley-Queisser ở mức xấp xỉ 33.7%.

4 chuỗi chuyển hóa năng lượng trong hệ thống điện mặt trời

1. Chuyển hóa quang năng thành dòng điện một chiều DC qua hiệu ứng quang điện

Giai đoạn đầu tiên diễn ra trực tiếp tại lớp bán dẫn Silic của tấm pin mặt trời. Ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt cell pin mang theo các hạt photon. Khi các photon này va chạm với electron ở dải hóa trị trong tinh thể Silic, electron sẽ hấp thụ năng lượng photon và nhảy lên dải dẫn tự do.

2. Chuyển hóa điện năng DC thành điện xoay chiều AC qua bộ biến tần Inverter

Dòng điện một chiều DC từ giàn pin không thể sử dụng trực tiếp cho hầu hết các thiết bị gia dụng trong nhà như tivi, tủ lạnh, máy giặt hay điều hòa nhiệt độ. Do đó, dòng điện DC được dẫn về bộ biến tần Inverter thông minh.

Bên trong biến tần, các mạch vi xử lý đóng cắt điện tử công suất IGBT thực hiện chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều AC dạng sóng sin chuẩn tần số 50Hz, điện áp 220V hoặc 380V.

Hiệu suất chuyển đổi điện năng của các dòng biến tần hiện đại từ Sungrow, Solax hay GoodWe đạt mức rất cao, từ 97.5% đến 98.6%, nghĩa là lượng điện năng hao hụt trong quá trình biến tần chỉ chiếm khoảng 1.5% đến 2.5% dưới dạng nhiệt lượng tỏa ra vỏ tản nhiệt.

3. Chuyển hóa điện năng thành hóa năng tích lũy trong pin lưu trữ Lithium

Đối với các hệ thống điện mặt trời Hybrid có lưu trữ, lượng điện năng dồi dào phát ra vào ban ngày mà gia đình không tiêu thụ hết sẽ được chuyển hướng tới pin lưu trữ Lithium LiFePO4.

Tại đây, điện năng sạc vào sẽ kích hoạt các phản ứng hóa học thuận nghịch, di chuyển các ion Lithium từ cực dương sang tích tụ tại cực âm của cell pin, biến điện năng thành hóa năng bền vững.

Đến ban đêm hoặc khi xảy ra sự cố mất điện lưới, quá trình này diễn ra theo chiều ngược lại: hóa năng tích lũy phóng điện tạo thành dòng điện một chiều cấp ngược cho biến tần để nuôi các thiết bị điện ưu tiên trong gia đình.

4. Chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng, cơ năng và quang năng tại phụ tải sinh hoạt

Tại điểm tiêu thụ cuối cùng trong ngôi nhà, dòng điện xoay chiều AC tiếp tục trải qua bước chuyển hóa thành các dạng công năng hữu ích:

• Điện năng thành cơ năng: Cấp nguồn cho động cơ máy nén điều hòa không khí, máy giặt, quạt làm mát và máy bơm nước sinh hoạt.

• Điện năng thành nhiệt năng: Cung cấp nhiệt lượng cho bình nóng lạnh, bếp từ, nồi cơm điện và lò vi sóng.

• Điện năng thành quang năng: Cung cấp năng lượng cho hệ thống đèn chiếu sáng LED trong khắp các phòng chức năng của ngôi nhà.

Bảng tổng hợp các giai đoạn chuyển hóa năng lượng

3 nguyên nhân gây suy hao năng lượng và cách kiểm soát

1. Suy hao do hiệu ứng nhiệt và phát xạ bức xạ hồng ngoại

Phần lớn quang năng mặt trời chiếu vào tấm pin (khoảng 76% đến 79%) không thể chuyển hóa thành điện năng mà chuyển thành nhiệt năng làm nóng bề mặt tấm pin.

Khi nhiệt độ tế bào quang điện vượt quá mốc chuẩn 25 độ C, mỗi độ C tăng thêm làm sụt giảm công suất cực đại Pmax từ 0.30% đến 0.35%. Vào giữa trưa nắng hè, tấm pin bị nung nóng tới 65 độ C sẽ mất đi khoảng 12% đến 14% sản lượng điện có thể tạo ra.

2. Tổn thất điện trở Joule-Lenz trên hệ thống dây dẫn DC và AC

Theo định luật Joule-Lenz, khi dòng điện cường độ I chạy qua dây dẫn có điện trở R, một phần điện năng sẽ chuyển hóa thành nhiệt lượng làm nóng dây dẫn:

Ploss = I2 x R

Nếu kỹ thuật viên thi công sử dụng tiết diện dây dẫn quá nhỏ hoặc kéo đường cáp quá dài, điện trở R sẽ tăng cao, gây sụt áp nghiêm trọng và thất thoát từ 2% đến 5% tổng sản lượng điện của giàn pin.

3. Hao hụt quang học do bụi bẩn, góc nghiêng và hiện tượng che bóng cục bộ

Bụi bẩn bám dính trên mặt kính tạo thành rào cản ngăn chặn chùm photon tiếp cận bề mặt tế bào quang điện. Các nghiên cứu thực tế cho thấy lớp bụi dày không được vệ sinh định kỳ sau hai tháng có thể làm giảm từ 8% đến 15% hiệu suất chuyển hóa quang điện.

Bên cạnh đó, việc lắp đặt giàn pin sai góc nghiêng hoặc bị che bóng cục bộ bởi cột điện, bồn nước làm suy giảm lượng photon đón nhận và gây ra hiện tượng điểm nóng phá hủy cell pin.

Giải pháp nâng cao hiệu suất chuyển hóa cho điện mặt trời gia đình

Ứng dụng công nghệ tế bào quang điện N-type TOPCon và HJT hiệu suất cao

Ưu tiên sử dụng dòng pin mặt trời thế hệ mới ứng dụng công nghệ tiếp xúc thụ động đường hầm N-type TOPCon và dị thể HJT.

Nhờ lớp oxit siêu mỏng giảm thiểu hiện tượng tái hợp electron, hiệu suất chuyển hóa quang điện của tấm pin đạt tới 22.8% đến 23.5%, đồng thời hệ số suy giảm theo nhiệt độ giảm xuống chỉ còn -0.29%/độ C, giúp tấm pin sản xuất nhiều điện hơn trong điều kiện khí hậu nắng nóng nhiệt đới.

Tối ưu hóa thuật toán bám điểm công suất cực đại MPPT trên biến tần thông minh

Biến tần thông minh tích hợp thuật toán MPPT đa kênh liên tục quét điện áp và dòng điện của từng chuỗi pin độc lập với tốc độ hàng phần nghìn giây.

Thuật toán này giúp giàn pin luôn vận hành tại điểm làm việc tối ưu nhất trên đường cong đặc tính I-V, đảm bảo hiệu suất chuyển đổi điện năng của hệ thống luôn duy trì trên 98% ngay cả khi cường độ bức xạ thay đổi liên tục do mây bay qua.

Thiết kế dây dẫn đồng nguyên chất và khoảng cách đối lưu thông gió làm mát mái

Toàn bộ hệ thống cáp điện chuyên dụng solar DC được tính toán tiết diện tối thiểu 4.0mm2 đến 6.0mm2 bằng đồng mạ thiếc tiêu chuẩn quốc tế, giới hạn mức sụt áp toàn tuyến dưới 1%.

Đồng thời, giàn pin luôn được lắp đặt nâng cao cách mặt mái tôn tối thiểu 15cm đến 20cm, tạo khoảng không gian khí động học cho luồng gió mát lưu thông tự nhiên bên dưới mặt pin, giúp hạ nhiệt độ vận hành từ 5 đến 8 độ C và phục hồi đáng kể công suất phát điện.

Câu hỏi thường gặp về chuyển hóa năng lượng trong điện mặt trời

Tại sao tấm pin mặt trời chỉ chuyển hóa được khoảng 21% đến 23% quang năng thành điện năng?

Hiệu suất chuyển hóa của pin mặt trời bị khống chế bởi giới hạn vật lý bán dẫn Shockley-Queisser. Chùm sáng mặt trời chiếu xuống mặt đất chứa đầy đủ các dải bước sóng khác nhau, nhưng tế bào quang điện Silic chỉ hấp thụ hiệu quả các hạt photon có mức năng lượng khớp với độ rộng vùng cấm 1.12 eV.

Năng lượng điện mặt trời không sử dụng hết trong ngày sẽ được chuyển hóa đi đâu?

Trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ (Hybrid), nguồn điện dư thừa trước tiên được sạc vào khối pin Lithium để chuyển hóa thành hóa năng dự trữ cho buổi tối.

Khi pin lưu trữ đã được nạp đầy 100%, hệ thống biến tần thông minh sẽ tự động chuyển hướng lượng điện dư thừa hòa vào lưới điện quốc gia theo cơ chế bù trừ, hoặc tự động kích hoạt tính năng Zero-Export giới hạn công suất phát nhằm bảo vệ an toàn cho hệ thống điện gia đình nếu chưa đăng ký bán điện dư.

Nhiệt độ mùa hè 40 độ C làm ảnh hưởng thế nào đến quá trình chuyển hóa năng lượng?

Nhiệt độ môi trường 40 độ C làm bề mặt tấm pin mặt trời trên mái tôn có thể tăng vọt lên mức 65 đến 70 độ C. Nhiệt độ cao làm gia tăng dao động nhiệt của các nguyên tử trong mạng tinh thể Silic, khiến tốc độ tái hợp của các cặp electron - lỗ trống diễn ra nhanh hơn và làm sụt giảm mạnh điện áp đầu ra Voc.