Bài học

Năng lượng mặt trời và pin quang điện

Mục tiêu bài học

Sau bài học này, em giải thích được vì sao pin quang điện biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng mà không cần bất kỳ bộ phận quay nào, phân biệt được pin quang điện với máy nước nóng năng lượng mặt trời, và tính được điện năng một hệ pin mặt trời tạo ra trong một khoảng thời gian cho trước.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 7 của khoá này, em đã học công suất điện $P = U.I$ và điện năng tiêu thụ $A = P.t$ , đơn vị kWh. Ở Course 8, em vừa học rằng một cuộn dây quay trong từ trường sẽ cảm ứng sinh ra dòng điện xoay chiều — đó chính là cách hầu hết nhà máy điện (nhiệt điện, thuỷ điện, điện gió) tạo ra điện. Bài học hôm nay chỉ ra một con đường hoàn toàn khác: biến ánh sáng thành điện ngay tức khắc, không cần một trục quay nào cả.

Ở Course 7 của khoá này, em đã học công suất điện $P = U.I$ và điện năng tiêu thụ $A = P.t$, đơn vị kWh. Ở Course 8, em vừa học rằng một cuộn dây quay trong từ trường sẽ cảm ứng sinh ra dòng điện xoay chiều — đó chính là cách hầu hết nhà máy điện (nhiệt điện, thuỷ điện, điện gió) tạo ra điện. Bài học hôm nay chỉ ra một con đường hoàn toàn khác: biến ánh sáng thành điện ngay tức khắc, không cần một trục quay nào cả.

Khởi động

Trên mái nhiều ngôi nhà ở Ninh Thuận, Bình Thuận, em thấy các tấm màu xanh đen xếp thành dãy, hướng thẳng lên trời. Buổi trưa trời nắng gắt, đồng hồ điện trong nhà đôi khi "chạy chậm lại" thay vì tăng. Chuyện gì đang xảy ra trên mái nhà đó?

Kiến thức trọng tâm

Pin quang điện (còn gọi là pin mặt trời, tế bào quang điện) làm từ vật liệu bán dẫn, chủ yếu là silicon. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt tấm pin, năng lượng ánh sáng giải phóng electron trong lớp bán dẫn, tạo thành một dòng electron chuyển động có hướng — tức một dòng điện một chiều — ngay tại chỗ, không thông qua bất kỳ chuyển động cơ học nào. Đây là điểm khác biệt lớn nhất so với máy phát điện xoay chiều ở Course 8, nơi buộc phải có một cuộn dây quay trong từ trường thì dòng điện mới xuất hiện.

Cần phân biệt rõ pin quang điện với máy nước nóng năng lượng mặt trời (pin nhiệt mặt trời): loại thứ hai dùng ống hấp thụ nhiệt để biến quang năng thành nhiệt năng làm nóng nước, hoàn toàn không tạo ra điện. Nhầm lẫn hai thiết bị này là một sai lầm rất phổ biến.

Sản lượng điện của một tấm pin quang điện phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu tới (nắng gắt cho sản lượng cao hơn trời nhiều mây), góc chiếu sáng, diện tích tấm pin, và nhiệt độ tấm pin — tấm pin quá nóng lại giảm hiệu suất. Vì dòng điện tạo ra là dòng một chiều, hệ thống cần thêm một bộ biến tần để đổi thành dòng xoay chiều 220V trước khi dùng trong nhà hoặc hoà vào lưới điện quốc gia. Nhờ bức xạ mặt trời mạnh gần như quanh năm, Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây Ninh là những nơi tập trung nhiều cánh đồng điện mặt trời lớn nhất cả nước.

**Pin quang điện** (còn gọi là pin mặt trời, tế bào quang điện) làm từ vật liệu bán dẫn, chủ yếu là silicon. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt tấm pin, năng lượng ánh sáng giải phóng electron trong lớp bán dẫn, tạo thành một dòng electron chuyển động có hướng — tức một dòng điện một chiều — ngay tại chỗ, không thông qua bất kỳ chuyển động cơ học nào. Đây là điểm khác biệt lớn nhất so với máy phát điện xoay chiều ở Course 8, nơi buộc phải có một cuộn dây quay trong từ trường thì dòng điện mới xuất hiện. Cần phân biệt rõ pin quang điện với **máy nước nóng năng lượng mặt trời** (pin nhiệt mặt trời): loại thứ hai dùng ống hấp thụ nhiệt để biến quang năng thành nhiệt năng làm nóng nước, hoàn toàn không tạo ra điện. Nhầm lẫn hai thiết bị này là một sai lầm rất phổ biến. Sản lượng điện của một tấm pin quang điện phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu tới (nắng gắt cho sản lượng cao hơn trời nhiều mây), góc chiếu sáng, diện tích tấm pin, và nhiệt độ tấm pin — tấm pin quá nóng lại giảm hiệu suất. Vì dòng điện tạo ra là dòng một chiều, hệ thống cần thêm một **bộ biến tần** để đổi thành dòng xoay chiều 220V trước khi dùng trong nhà hoặc hoà vào lưới điện quốc gia. Nhờ bức xạ mặt trời mạnh gần như quanh năm, Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây Ninh là những nơi tập trung nhiều cánh đồng điện mặt trời lớn nhất cả nước.

Ví dụ

Tính điện năng của một tấm pin quang điện trong một ngày

1
Một tấm pin quang điện có công suất định mức 300W hoạt động ở công suất định mức trong 5 giờ nắng mỗi ngày. Tính điện năng tấm pin tạo ra trong một ngày, theo đơn vị kWh.
2
Áp dụng công thức điện năng đã học ở Course 7: $A = P.t$ . Đổi đơn vị công suất sang kW trước khi thay số: $P = 300\,\text{W} = 0{,}3\,\text{kW}$ , $t = 5\,\text{h}$ .
Áp dụng công thức điện năng đã học ở Course 7: $A = P.t$. Đổi đơn vị công suất sang kW trước khi thay số: $P = 300\,\text{W} = 0{,}3\,\text{kW}$, $t = 5\,\text{h}$.
3
$A = 0{,}3 \times 5 = 1{,}5\,\text{kWh}$ .
$A = 0{,}3 \times 5 = 1{,}5\,\text{kWh}$.
4
Vậy mỗi ngày tấm pin tạo ra 1,5 kWh điện — đúng bằng cách làm việc với các giá trị W và kWh như ở Course 7, chỉ khác là nguồn năng lượng đầu vào là ánh sáng thay vì nhiên liệu đốt cháy.

Ví dụ

Bài toán dạng thi: hệ pin quang điện có đủ cấp điện cho hộ gia đình

1
Một hộ gia đình ở Ninh Thuận lắp một hệ 10 tấm pin quang điện, mỗi tấm có công suất định mức 330W. Trung bình mỗi ngày hệ hoạt động ở công suất định mức tương đương 4,5 giờ nắng hiệu dụng. Biết gia đình tiêu thụ trung bình 12 kWh điện mỗi ngày. a) Tính tổng điện năng hệ pin tạo ra trong một ngày. b) Hệ pin có đủ cung cấp toàn bộ điện năng tiêu thụ trong ngày không? Nếu dư, tính phần dư.
Một hộ gia đình ở Ninh Thuận lắp một hệ 10 tấm pin quang điện, mỗi tấm có công suất định mức 330W. Trung bình mỗi ngày hệ hoạt động ở công suất định mức tương đương 4,5 giờ nắng hiệu dụng. Biết gia đình tiêu thụ trung bình 12 kWh điện mỗi ngày. a) Tính tổng điện năng hệ pin tạo ra trong một ngày. b) Hệ pin có đủ cung cấp toàn bộ điện năng tiêu thụ trong ngày không? Nếu dư, tính phần dư.
2
Ta có tổng công suất định mức của hệ: $P = 10 \times 330 = 3300\,\text{W} = 3{,}3\,\text{kW}$ .
Ta có tổng công suất định mức của hệ: $P = 10 \times 330 = 3300\,\text{W} = 3{,}3\,\text{kW}$.
3
Áp dụng $A = P.t$ với $t = 4{,}5\,\text{h}$ (giờ nắng hiệu dụng): $A = 3{,}3 \times 4{,}5 = 14{,}85\,\text{kWh}$ . (1)
Áp dụng $A = P.t$ với $t = 4{,}5\,\text{h}$ (giờ nắng hiệu dụng): $A = 3{,}3 \times 4{,}5 = 14{,}85\,\text{kWh}$. (1)
4
Điện năng tiêu thụ trong ngày của gia đình là 12 kWh. (2)
5
Suy ra $A$ hệ pin $(14{,}85\,\text{kWh}) >$ điện năng tiêu thụ $(12\,\text{kWh})$ , nên hệ dư: $14{,}85 - 12 = 2{,}85\,\text{kWh}$ mỗi ngày.
Suy ra $A$ hệ pin $(14{,}85\,\text{kWh}) > $ điện năng tiêu thụ $(12\,\text{kWh})$, nên hệ dư: $14{,}85 - 12 = 2{,}85\,\text{kWh}$ mỗi ngày.
6
Vậy hệ pin quang điện tạo ra 14,85 kWh mỗi ngày, đủ cung cấp toàn bộ nhu cầu và còn dư 2,85 kWh có thể hoà vào lưới điện quốc gia.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn pin quang điện với máy nước nóng năng lượng mặt trời — máy nước nóng chỉ tạo ra nhiệt, không tạo ra điện. Một lỗi khác là quên đổi W sang kW trước khi nhân với số giờ, dẫn đến kết quả sai gấp 1000 lần.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Pin quang điện biến quang năng thành điện năng trực tiếp nhờ hiệu ứng quang điện trong bán dẫn, sinh ra dòng một chiều cần bộ biến tần để dùng được trong lưới điện xoay chiều. Sản lượng phụ thuộc cường độ ánh sáng và số giờ nắng hiệu dụng. Dùng $A = P.t$ (đổi về kW và kWh) để tính điện năng tạo ra.

Cầu nối

Bài sau sẽ đặt pin quang điện vào bối cảnh thực tế lớn hơn: so sánh sản lượng giữa các vùng miền và tìm hiểu vì sao Việt Nam đầu tư mạnh vào điện mặt trời.