Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời được các nhà khoa học nghiên cứu trong nhiều năm qua.Bài viết sau đây được Powersun biên soạn nhằm giúp bạn hiểu rõ hơn về nguyên lý và hoạt động của những tấm pin mặt trời. Bài viết hơn 2000 chữ và cực kì chi tiết.

Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
  1. Khái niệm Pin năng lượng mặt trời :

Pin là nhóm ‘tế bào điện hóa’ – thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện – được kết nối thành chuỗi. (Không nên nhầm lẫn pin pin với pin mặt trời, hoạt động theo các nguyên tắc hoàn toàn khác nhau.) Pin được cấu tạo từ hai “điện cực” (còn gọi là tấm) được ngâm trong dung dịch “điện phân”. Khi một mạch được hình thành giữa các điện cực, một dòng điện. Dòng điện này được gây ra bởi các phản ứng hóa học thuận nghịch giữa các điện cực và chất điện phân trong tế bào.

Một số ô chỉ có thể được sử dụng một lần – chúng được gọi là ‘pin chính’ (tức là pin khô). Các loại pin khác có thể được sạc lại nhiều lần; chúng được gọi là ‘pin thứ cấp’ (hoặc ắc quy). Vì các tế bào khô thông thường không thể sạc lại được, nên chương này chỉ liên quan đến pin thứ cấp có thể sạc lại.

» Click để biết thêm tác dụng năng lượng mặt trời 

2. Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

Khi pin được sạc, năng lượng điện được lưu trữ dưới dạng năng lượng hóa học trong các tế bào. Khi pin được xả (tức là khi nó được kết nối trong mạch có tải), năng lượng hóa học được lưu trữ sẽ được loại bỏ khỏi pin và chuyển đổi thành năng lượng điện.

Các loại hệ thống pin sạc phổ biến nhất trên thị trường thế giới hiện nay là axit chì, ion lithium, hydrua kim loại niken và niken cadmium. Pin chì-axit có sẵn dễ dàng hơn, tiết kiệm chi phí và phù hợp với tất cả các hệ thống điện mặt trời nhỏ nhất. Ba loại pin sau thường được sử dụng cho các thiết bị điện nhỏ như máy tính xách tay, điện thoại di động, radio và đèn lồng

Như được chỉ định bởi tên của nó, pin axit chì hoạt động trên cơ sở các phản ứng hóa học giữa một tấm chì điôxit dương tính (PbO2), một tấm chì âm tính (Pb) và một chất điện phân gồm axit sunfuric (H2SO4) với nước (H 2O) . Khi pin được sạc, chì dioxide tích tụ trên tấm dương, chì xốp tích tụ trên tấm âm và lượng axit sulfuric tương đối trong chất điện phân tăng. Khi pin được xả, chì sunfat (PbSO2) tích tụ trên tấm âm và

lượng nước tương đối trong chất điện phân tăng Mỗi tế bào trong pin axit chì có điện áp khoảng 2.1V khi được sạc đầy. Điều này có nghĩa là pin axít chì 12V được sạc đầy có điện áp 12,6V khi không kết nối với bất cứ thứ gì. Điện áp đó tăng khi nó được sạc bởi một mô-đun năng lượng mặt trời và giảm khi nó được phóng ra bởi một tải.

3. Hoạt động pin cơ bản

nguyên tắc hoạt động cơ bản của pin mặt trời

Cơ sở cho hoạt động của pin là sự trao đổi electron giữa hai phản ứng hóa học, phản ứng oxy hóa và phản ứng khử. Khía cạnh quan trọng của pin khác biệt với các phản ứng oxy hóa / khử khác (như quá trình rỉ sét, v.v.) là phản ứng oxy hóa và khử được tách biệt về mặt vật lý. Khi các phản ứng được tách ra về mặt vật lý, một tải có thể được chèn vào giữa hai phản ứng.

Sự khác biệt tiềm năng điện hóa giữa hai pin tương ứng với điện áp của pin điều khiển tải và sự trao đổi electron giữa hai phản ứng tương ứng với dòng điện đi qua tải. Các thành phần của pin, được thể hiện trong hình bên dưới, và bao gồm một điện cực và chất điện phân cho cả phản ứng oxy hóa và khử,

Các thành phần chính quyết định nhiều tính chất cơ bản của pin là các vật liệu được sử dụng cho điện cực và chất điện phân cho cả các phản ứng oxy hóa và khử. Điện cực là vị trí vật lý nơi lõi của phản ứng oxi hóa khử – sự chuyển điện tử – diễn ra.

Trong nhiều hệ thống pin, bao gồm cả axit chì và pin kiềm, điện cực không chỉ là nơi diễn ra quá trình chuyển điện tử, mà còn là thành phần trong phản ứng hóa học sử dụng hoặc tạo ra electron. Tuy nhiên, trong các hệ thống pin khác (như pin nhiên liệu), vật liệu điện cực tự trơ và chỉ là nơi chuyển điện tử từ chất phản ứng này sang chất phản ứng khác. Đối với pin phóng điện, điện cực tại đó xảy ra phản ứng oxy hóa được gọi là cực dương và theo định nghĩa có điện áp dương,

Chỉ riêng điện cực là không đủ cho phản ứng oxi hóa khử xảy ra, vì phản ứng oxi hóa khử liên quan đến sự tương tác của nhiều hơn một thành phần. Các thành phần hóa học khác của phản ứng được chứa trong chất điện phân. Đối với nhiều hệ thống pin thực tế, chất điện phân là một giải pháp nước.

Một lý do để có dung dịch nước là dạng oxy hóa hoặc khử của điện cực tồn tại trong dung dịch nước. Hơn nữa, điều quan trọng là các loài hóa học trong chất điện phân phải di động để chúng có thể di chuyển đến vị trí trên điện cực nơi xảy ra phản ứng hóa học và cũng như vậy các loài ion có thể di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác.

Dòng điện trong pin phát sinh từ sự chuyển điện tử từ điện cực này sang điện cực khác. Trong quá trình phóng điện, phản ứng oxy hóa ở cực dương tạo ra các electron và phản ứng khử ở cực âm sử dụng các electron này, và do đó trong quá trình phóng điện, các electron chảy từ cực dương sang cực âm.

Các electron được tạo ra hoặc được sử dụng trong phản ứng oxi hóa khử có thể dễ dàng được vận chuyển giữa các điện cực thông qua một kết nối điện thông thường, chẳng hạn như một dây được gắn vào cực dương và cực âm.

Hình ảnh có liên quan

Tuy nhiên, không giống như một mạch điện thông thường, các electron không phải là hạt mang điện duy nhất trong mạch. Các electron di chuyển từ cực dương sang cực âm, nhưng không trở về từ cực âm sang cực dương.

Thay vào đó, tính trung lập điện được duy trì nhờ sự chuyển động của các ion trong chất điện phân. Nếu mỗi phản ứng oxi hóa khử có một chất điện phân khác nhau, một cây cầu muối tham gia hai giải pháp điện phân. Hướng chuyển động của ion có tác dụng ngăn chặn sự tích tụ điện tích ở cực dương hoặc cực âm.

Trong hầu hết các hệ thống pin thực tế, cùng một chất điện phân được sử dụng cho cả cực dương và cực âm, và sự vận chuyển ion có thể diễn ra thông qua chính chất điện phân, loại bỏ sự cần thiết của cầu muối. Tuy nhiên, trong trường hợp này, một dải phân cách cũng được chèn giữa cực dương và cực âm.

Dải phân cách ngăn cực dương và cực âm chạm vào nhau vì chúng thường ở rất gần nhau và nếu chúng chạm vào thì sẽ làm hết pin vì các electron có thể được truyền trực tiếp mà không chảy qua mạch ngoài và tải. Hướng chuyển động của ion có tác dụng ngăn chặn sự tích tụ điện tích ở cực dương hoặc cực âm.

Trong hầu hết các hệ thống pin thực tế, cùng một chất điện phân được sử dụng cho cả cực dương và cực âm, và sự vận chuyển ion có thể diễn ra thông qua chính chất điện phân, loại bỏ sự cần thiết của cầu muối. Tuy nhiên, trong trường hợp này, một dải phân cách cũng được chèn giữa cực dương và cực âm.

Dải phân cách ngăn cực dương và cực âm chạm vào nhau vì chúng thường ở rất gần nhau và nếu chúng chạm vào thì sẽ làm hết pin vì các electron có thể được truyền trực tiếp mà không chảy qua mạch ngoài và tải. Hướng chuyển động của ion có tác dụng ngăn chặn sự tích tụ điện tích ở cực dương hoặc cực âm.

Kết quả hình ảnh cho Dải phân cách ngăn cực dương và cực âm chạm vào nhau vì chúng thường ở rất gần nhau và nếu chúng chạm vào thì sẽ làm hết pin vì các electron có thể được truyền trực tiếp mà không chảy qua mạch ngoài và tải. Hướng chuyển động của ion có tác dụng ngăn chặn sự tích tụ điện tích ở cực dương hoặc cực âm.

Trong hầu hết các hệ thống pin thực tế, cùng một chất điện phân được sử dụng cho cả cực dương và cực âm, và sự vận chuyển ion có thể diễn ra thông qua chính chất điện phân, loại bỏ sự cần thiết của cầu muối. Tuy nhiên, trong trường hợp này, một dải phân cách cũng được chèn giữa cực dương và cực âm.

Dải phân cách ngăn cực dương và cực âm chạm vào nhau vì chúng thường ở rất gần nhau và nếu chúng chạm vào thì sẽ làm hết pin vì các electron có thể được truyền trực tiếp mà không chảy qua mạch ngoài và tải. và sự vận chuyển ion có thể diễn ra thông qua chính chất điện phân, loại bỏ sự cần thiết của cầu muối.

Tuy nhiên, trong trường hợp này, một dải phân cách cũng được chèn giữa cực dương và cực âm. Dải phân cách ngăn cực dương và cực âm chạm vào nhau vì chúng thường ở rất gần nhau và nếu chúng chạm vào thì sẽ làm hết pin vì các electron có thể được truyền trực tiếp mà không chảy qua mạch ngoài và tải. và sự vận chuyển ion có thể diễn ra thông qua chính chất điện phân, loại bỏ sự cần thiết của cầu muối.

 

Tuy nhiên, trong trường hợp này, một dải phân cách cũng được chèn giữa cực dương và cực âm. Dải phân cách ngăn cực dương và cực âm chạm vào nhau vì chúng thường ở rất gần nhau và nếu chúng chạm vào thì sẽ làm hết pin vì các electron có thể được truyền trực tiếp mà không chảy qua mạch ngoài và tải.

Các phản ứng oxi hóa khử bao gồm một hệ thống pin cụ thể xác định nhiều thông số cơ bản về hệ thống pin. Các thuộc tính chính khác của pin, bao gồm dung lượng pin, hiệu suất sạc / xả và các cân nhắc thực tế khác cũng bị ảnh hưởng bởi cấu hình vật lý của pin.

Ví dụ như lượng vật liệu trong pin hoặc hình dạng của các điện cực. Các trang sau mô tả cách các đặc tính của pin – hành vi điện áp, hiệu suất của pin, tính không lý tưởng của pin (tự xả, suy giảm dung lượng pin, v.v.) – phụ thuộc vào hoạt động của các phản ứng oxy hóa khử và cấu hình pin.

Truy cập ngay Powersun để xem ngay các tấm pin năng lượng mặt trời