Một tấm pin mặt trời là hàng chục tế bào bán dẫn nối với nhau; mỗi tế bào biến một phần năng lượng ánh sáng thành dòng điện một chiều nhờ hiệu ứng quang điện trong. Sản lượng của tấm pin phụ thuộc ánh sáng chiếu tới, diện tích, hiệu suất, góc đặt, nhiệt độ và cả những mảng bóng râm tưởng như không đáng kể.
Bài viết dành cho học sinh muốn hiểu vật lý phía sau những tấm pin trên mái nhà hàng xóm, và cho phụ huynh đang tìm hiểu điện mặt trời áp mái mà muốn hiểu bản chất trước khi nghe tư vấn. Các phép tính đều là ví dụ giả định, có hướng dẫn hỏi AI và kiểm lại kết quả. Bài không bàn về giá, chính sách bán điện hay hãng sản xuất.
Ánh sáng thành điện: hiệu ứng quang điện trong ở chất bán dẫn
Ánh sáng gồm các hạt năng lượng gọi là photon. Trong một tinh thể bán dẫn như silic, electron bị giữ trong liên kết giữa các nguyên tử. Một photon đủ năng lượng chiếu vào có thể giải phóng electron khỏi liên kết, để lại một chỗ trống mang điện dương gọi là lỗ trống. Electron vẫn ở trong vật liệu, chỉ chuyển sang trạng thái có thể dẫn điện. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện trong, khác với hiệu ứng quang điện ngoài khi electron bật hẳn ra khỏi bề mặt kim loại.
Chỉ giải phóng electron thì chưa có dòng điện; chúng sẽ nhanh chóng tái hợp với lỗ trống. Tế bào pin được làm từ hai lớp bán dẫn pha tạp khác nhau, gọi là lớp p và lớp n. Ở chỗ hai lớp tiếp xúc hình thành một điện trường bên trong, đẩy electron về một phía và lỗ trống về phía kia. Nối hai mặt của tế bào bằng dây dẫn qua một thiết bị, electron chạy qua mạch ngoài: đó là dòng điện.
Mỗi tế bào silic chỉ cho hiệu điện thế cỡ một nửa vôn, nên người ta nối nhiều tế bào nối tiếp trong một tấm để cộng hiệu điện thế, rồi nối nhiều tấm thành chuỗi. Dòng điện tạo ra là điện một chiều; muốn dùng cho đồ điện trong nhà hay hoà lưới phải qua bộ biến tần chuyển thành điện xoay chiều.
Tự tính công suất và sản lượng một ngày
Công suất điện của tấm pin bằng cường độ bức xạ chiếu tới nhân diện tích nhân hiệu suất. Điều kiện thử chuẩn của ngành dùng cường độ bức xạ 1.000 W/m². Sản lượng ngày thường ước lượng bằng công suất định mức nhân số giờ nắng đỉnh quy đổi. Mọi con số dưới đây là ví dụ giả định.
| Bước | Cách tính bằng chữ | Kết quả giả định |
|---|---|---|
| Công suất một tấm | 1.000 W/m² × 2 m² × 20% | 400 W |
| Công suất cả hệ 8 tấm | 400 W × 8 | 3.200 W, tức 3,2 kW |
| Sản lượng lý tưởng một ngày | 3,2 kW × 4 giờ nắng đỉnh quy đổi | 12,8 kWh |
| Trừ tổn hao giả định 15% | 12,8 × 0,85 | khoảng 10,9 kWh |
Hiệu suất 20% nghĩa là 80% năng lượng ánh sáng chiếu tới không thành điện; phần lớn thành nhiệt làm tấm pin nóng lên, phần còn lại bị phản xạ. Số giờ nắng đỉnh quy đổi khác nhau giữa các vùng, các mùa; muốn số liệu cho địa phương mình, hãy tra nguồn khí tượng hoặc bản đồ bức xạ chính thức, đừng lấy con số AI đưa ra mà không có nguồn.
Tổn hao 15% ở đây gộp nhiều thứ: nhiệt, bụi, dây dẫn, biến tần. Con số thật của từng hệ khác nhau.
Góc nghiêng và hướng đặt tấm pin ở Việt Nam
Mặt trời ở phía nam phần lớn thời gian trong năm. Việt Nam nằm ở bắc bán cầu, từ khoảng vĩ độ 8 đến 23 độ bắc. Phần lớn thời gian trong năm, Mặt Trời lúc giữa trưa nghiêng về phía nam, nên tấm pin quay về hướng nam thường thu được nhiều ánh sáng nhất.
Góc nghiêng gần bằng vĩ độ là điểm khởi đầu. Quy tắc gần đúng hay dùng là nghiêng tấm pin một góc xấp xỉ vĩ độ nơi lắp, để trung bình cả năm tia nắng chiếu gần vuông góc nhất. Ở phía nam góc nhỏ hơn, ở phía bắc góc lớn hơn; người thiết kế còn tính tới mái nhà và gió.
Ánh sáng chiếu xiên thì năng lượng trải rộng. Cùng một chùm tia, chiếu vuông góc thì dồn trên diện tích nhỏ, chiếu xiên thì trải ra diện tích lớn hơn, nên cường độ trên mỗi mét vuông giảm. Đây là cùng lý do buổi trưa nắng gắt hơn buổi chiều.
Không nên nằm phẳng hoàn toàn. Một chút nghiêng giúp nước mưa trôi bụi đi. Tấm pin nằm phẳng dễ đọng nước và bụi, giảm ánh sáng tới tế bào.
Vì sao một mảng bóng râm nhỏ làm sản lượng giảm nhiều
Các tế bào trong một tấm, và các tấm trong một chuỗi, thường nối tiếp nhau. Trong mạch nối tiếp, cường độ dòng điện như nhau ở mọi phần tử. Một tế bào bị lá cây, dây điện hay phân chim che sẽ tạo ra ít dòng hơn, và nó kéo dòng của cả dãy nối tiếp xuống theo, giống một đoạn ống hẹp làm chậm dòng nước của cả đường ống.
Tế bào bị che còn có thể bị các tế bào khác đẩy dòng qua, khiến nó nóng lên cục bộ, gọi là điểm nóng. Để hạn chế, nhà sản xuất gắn điốt rẽ nhánh cho từng nhóm tế bào: khi một nhóm bị che, dòng đi vòng qua điốt, chỉ mất phần của nhóm đó. Một số hệ còn dùng thiết bị tối ưu cho từng tấm.
Bài học thực tế: trước khi lắp, hãy quan sát bóng của cây, bồn nước, cột ăng ten, nhà bên cạnh trên mái nhà mình vào các giờ khác nhau trong ngày và các mùa khác nhau. Một bóng đổ chỉ vài chục phút mỗi buổi sáng có thể ảnh hưởng nhiều hơn bạn nghĩ. Đây là một bài tập quan sát hay cho học sinh: vẽ sơ đồ mái nhà và đánh dấu bóng đổ theo giờ.
Từ mái nhà xuống ổ cắm: vì sao các tấm pin được nối thành chuỗi điện áp cao
Công suất điện bằng hiệu điện thế nhân cường độ dòng điện, còn phần điện năng mất thành nhiệt trên dây dẫn tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện nhân điện trở dây. Vì vậy cùng một công suất, truyền ở hiệu điện thế cao với dòng nhỏ sẽ ít hao hơn nhiều. Ví dụ giả định với hệ 3.200 W trên mái:
| Cách nối giả định | Cường độ dòng điện | Hao phí trên dây so sánh |
|---|---|---|
| Chuỗi cho hiệu điện thế 400 V | 3.200 chia 400 = 8 A | lấy làm mốc, coi là 1 phần |
| Song song cho hiệu điện thế 40 V | 3.200 chia 40 = 80 A | dòng gấp 10 lần nên hao phí gấp 100 lần trên cùng dây |
Đây cũng là lý do lưới điện quốc gia truyền tải ở hiệu điện thế rất cao, chương mà bạn gặp khi học máy biến áp và truyền tải điện năng. Cùng một định luật Jun – Len-xơ, xuất hiện từ cột điện cao thế tới mái nhà.
Dòng một chiều từ chuỗi pin đi vào bộ biến tần để thành điện xoay chiều cùng tần số với lưới. Nếu hệ có pin lưu trữ, phần điện thừa ban ngày được nạp vào pin dưới dạng năng lượng hoá học, tối lấy ra dùng. Dung lượng pin lưu trữ tính bằng kWh, giống cách tính điện năng trên hoá đơn.
Hiệu điện thế một chiều vài trăm vôn có mặt ngay khi trời sáng, kể cả khi bộ biến tần đã tắt, vì tấm pin không có công tắc tắt nắng. Đó là lý do mọi việc với dây dẫn của hệ phải để người có chuyên môn làm.
Trời nóng không có nghĩa là nhiều điện hơn
Một hiểu lầm phổ biến là ngày càng nóng thì pin mặt trời càng nhiều điện. Thực ra thứ tạo ra điện là ánh sáng, còn nhiệt độ cao lại làm giảm hiệu suất.
- Khi tế bào bán dẫn nóng lên, hiệu điện thế của nó giảm, kéo công suất giảm theo. Mức giảm theo mỗi độ được nhà sản xuất ghi trong thông số kỹ thuật, gọi là hệ số nhiệt độ công suất.
- Trưa hè trên mái tôn, nhiệt độ tấm pin có thể cao hơn không khí rất nhiều, nên công suất lúc đó thấp hơn công suất ghi trên nhãn.
- Ngày trời trong, lạnh và nhiều nắng như mùa khô ở vùng cao có thể cho hiệu suất tốt hơn một ngày oi nồng cùng cường độ ánh sáng.
- Khoảng hở giữa tấm pin và mái giúp không khí lưu thông, làm mát mặt sau tấm.
- Ngày nhiều mây vẫn có điện từ ánh sáng tán xạ, nhưng ít hơn rõ rệt so với ngày nắng.
Nếu AI nói "trời càng nóng pin càng hiệu quả", đó là dấu hiệu nó đang trộn nhiệt và ánh sáng. Hãy hỏi lại nó về hệ số nhiệt độ của tế bào silic.
Học và tìm hiểu điện mặt trời với AI, an toàn từ đầu đến cuối
Dù bạn là học sinh làm dự án hay phụ huynh đang tìm hiểu cho gia đình, cách dùng AI dưới đây giúp bạn hiểu chứ không bị dẫn dắt bởi một câu trả lời nghe chắc nịch.
- Hỏi nguyên lý trước: "Giải thích hiệu ứng quang điện trong ở tấm pin silic cho học sinh lớp 12, phân biệt với hiệu ứng quang điện ngoài."
- Tự tính công suất và sản lượng theo ví dụ giả định trong bài, rồi nhờ AI kiểm từng bước, yêu cầu ghi đơn vị.
- Hỏi AI danh sách giả thiết cần có khi ước lượng sản lượng cho một mái nhà: hướng, góc, bóng râm, số giờ nắng, tổn hao. Tự điền giả thiết của nhà mình.
- Khi cần ảnh mái nhà hay hoá đơn điện để hỏi, che địa chỉ, tên chủ hộ, mã khách hàng và những gì nhìn ra được vị trí nhà.
- Đối chiếu con số với nguồn chính thức và với đơn vị lắp đặt có chuyên môn; AI không đo được mái nhà của bạn.
- Phần điện, đấu nối, lên mái: để thợ có chứng chỉ làm. Chuỗi tấm pin có hiệu điện thế một chiều cao, có điện ngay khi có nắng, và làm việc trên mái có nguy cơ ngã.
Học sinh làm dự án khoa học có thể dùng một tấm pin nhỏ cỡ lòng bàn tay, loại dùng cho đồ chơi, nối với quạt nhỏ hoặc đèn LED, có người lớn bên cạnh. Che dần tấm pin bằng bìa để thấy quạt quay chậm lại: đó là thí nghiệm an toàn minh hoạ đúng ý về bóng râm.
Câu hỏi thường gặp
Pin mặt trời có tạo ra điện vào ban đêm không?
Không. Tấm pin chỉ tạo ra điện khi có ánh sáng chiếu vào. Ban đêm nhà dùng điện lưới hoặc điện từ pin lưu trữ nếu hệ có lắp. Ánh đèn đường quá yếu để tạo ra lượng điện đáng kể.
Hiệu ứng quang điện trong khác hiệu ứng quang điện ngoài thế nào?
Ở hiệu ứng quang điện ngoài, ánh sáng làm electron bật hẳn ra khỏi bề mặt kim loại. Ở hiệu ứng quang điện trong, ánh sáng giải phóng electron khỏi liên kết nhưng electron vẫn ở trong chất bán dẫn và trở thành hạt mang điện tự do. Pin mặt trời dùng hiệu ứng quang điện trong.
Trời càng nắng nóng thì pin càng nhiều điện phải không?
Ánh sáng nhiều thì điện nhiều, nhưng nhiệt độ cao làm giảm hiệu suất tế bào bán dẫn. Ngày nắng gắt mà tấm pin quá nóng có thể cho công suất thấp hơn công suất danh định. Thông gió phía sau tấm giúp giảm nhiệt.
Vì sao một chiếc lá che tấm pin cũng làm giảm điện?
Vì các tế bào nối tiếp nhau, dòng điện qua cả dãy bị kéo xuống theo tế bào yếu nhất. Điốt rẽ nhánh giúp giảm thiệt hại nhưng vẫn mất phần của nhóm bị che. Giữ tấm pin sạch và tránh bóng đổ là cách đơn giản nhất.
Có nên tin con số sản lượng điện mà AI ước tính cho nhà mình?
Chỉ nên coi là ước lượng thô để hiểu thứ tự độ lớn. AI không biết hướng mái, bóng râm, bụi và số giờ nắng thật ở nơi bạn ở. Hãy yêu cầu nó nêu rõ giả thiết, rồi đối chiếu với nguồn chính thức và người có chuyên môn.
Học sinh có thể tự làm thí nghiệm với pin mặt trời không?
Có, với tấm pin nhỏ cỡ đồ chơi khoa học nối với đèn LED hay quạt nhỏ, có người lớn bên cạnh. Không chạm vào tấm pin lớn trên mái hay dây nối của hệ thống gia đình vì hiệu điện thế cao và nguy cơ ngã.