ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI CIGS

I. ƯU ĐIỂM CỦA PIN MẶT TRỜI CIGS

Chi phí sản xuất các pin mặt trời CIGS có khả năng cạnh cao với các công nghệ PV khác dựa trên chi phí đầu tư. Hơn nữa, do những lợi thế vốn có của việc sản xuất pin mặt trời màng mỏng, CIGS có lợi thế đáng kể về chi phí đầu tư và chi phí hoạt động đặc biệt là ở quy mô sản xuất lớn.

Về mặt khí thải, PV màng mỏng có lợi thế rất rõ ràng so với c-Si, trong khi c-Si được thương mại hóa có lượng khí thải carbon từ 50-60g CO2 /kWh thì lượng khí thải carbon của PV màng mỏng tương đương từ 12-20g/kWh. Với mức phát thải này thì đã tiệm cận với năng lượng gió (10-12g CO2/kWh), đặc biệt hơn là ứng dụng của PV là rất rộng rãi.

Về việc tái chế khi sản phẩm đã hết thời gian sử dụng là vô cùng quan trọng khi ngành công nghiệp PV đang ngày một phát triển. Quá trình tái chế CIGS có tác động thấp và tạo ra giá trị cao.

So với công nghệ silicon đa tinh thể, dữ liệu cho thấy các mô-đun CIGS có tỷ lệ công suất đầu ra cao hơn (kWh / kWp) – nghĩa là, các tấm CIGS tạo ra nhiều năng lượng hơn cho mỗi kilowatt công suất đỉnh ( kilowatt-peak ) của tấm pin được lắp đặt. Ngoài ra, hiệu suất của pin mặt trời màng mỏng không chịu quá nhiều ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Hơn nữa, các tấm pin mặt trời thinfilm có thể được sử dụng như một yếu tố thiết kế kiến ​​trúc cho mặt trước hoặc mái của các tòa nhà do màu sắc bề mặt đồng nhất của chúng và hình thức trực quan hấp dẫn.

Đối với các tế bào CIGS, lớp hấp thụ bao gồm đồng, indi, gali cũng như selen và một phần hợp chất lưu huỳnh. Những tế bào màng mỏng này đã đạt được mức hiệu quả trong phòng thí nghiệm hơn 20%. Hiệu quả của các mô-đun nằm trong khoảng từ 13 đến 17% tùy thuộc vào kích thước mô-đun.

CIGS là vật liệu có tính ổn định cao và đã được chứng minh, rủi ro công nghệ thấp cho nhà đầu tư. CIGS là công nghệ PV với hiệu suất cao cả về hiệu quả chuyển đổi và năng suất. Đã có tài liệu về đo lường, đánh giá độ hiệu quả của công nghệ pin màng mỏng CIGS mang lại ở cả quy mô nhỏ và áp mái bao gồm cả ở một số vùng có khí hậu khắt khe nhất thế giới. CIGS PV đã chứng minh hiệu suất vượt trội trong điều kiện ánh sáng khuếch tán và ở nhiệt độ cao. Sự suy giảm hiệu suất xuất hiện ở công nghệ crystalline silicon nhưng lại không xảy ra ở các mô-đun CIGS.

Những ứng dụng áp mái hoặc tích hợp vào vật liệu xây dựng thì CIGS có thêm lợi thế về mặt thẩm mỹ do sự đồng nhất về màu sắc. Chính vì điều này mà ngày càng có nhiều thiết kế các mô-đun không khung, kết hợp chúng liền mạch với mặt tiền của tòa nhà. Ngoài sản xuất điện thì những mô-đun CIGS còn là vật liệu xây dựng giá trị cao, chất lượng cao và thẩm mỹ. Đặc biệt hơn là các mô-đun CIGS có thể tạo sự đa dạng về màu sắc và hoa văn giúp các công trình xây dựng trở nên hấp dẫn hơn.

CIGS phù hợp để sản xuất những sản phẩm năng lượng mặt trời có khối lượng nhẹ, linh hoạt, bán trong suốt, có hình dạng bất kì. Vì vậy chúng có thể ứng dụng trong phạm vi rất rộng để cho ra đời những sản phẩm ứng dụng trong cuộc sống.

Vật liệu xây dựng như kính mặt dựng, cửa sổ được tích hợp PV CIGS là những ứng dụng đã được chứng minh rõ nhất của công nghệ này. Ngày nay, áp lực phải giảm thải CO2 thì trong tương lai gần quang điện tích hợp (BIPV) và quang điện ứng dụng (BAPV) trong tòa nhà sẽ còn phổ biến hơn nữa. Trong các ứng dụng BIPV/BAPV với điều kiện ánh sáng khuếch tán, nhiệt độ cao, bóng râm khác với trên mái nhà hoặc trên mặt đất. Chính điều này đã làm cho công nghệ CIGS trở thành công nghệ phù hợp nhất, sản xuất năng lượng tại chỗ vừa tối ưu diện tích, thiết thực lại tiết kiệm chi phí.

Bên cạnh thủy tinh, hỗn hợp chất bán dẫn CIGS có thể được phủ (lắng đọng) trên chất nền dẻo như thép không gỉ, phim polyimide… Những thứ này có thể được tích hợp vào các mô-đun PV nhẹ, linh hoạt điều này rất lý tưởng cho xe điện, xe bus, xe tải, xe lửa và các cấu trúc lợp màng như mái tôn, ngói. Ngoài ra, các mô-đun nhỏ linh hoạt có thể được tích hợp vào các thiết bị điện tử tiêu dùng khác như bộ sạc, phụ kiện, hành lý, balo.

CIGS là viết tắt của các nguyên tố bào gồm đồng (Cu), indium (In), Gallium (Ga), và selen (Se) hoặc sulfur (S). CIGS là một trong ba công nghệ pin màng mỏng chính, hai công nghệ còn lại là cadmium Telluride và silic vô định hình… Cùng tìm hiểu thêm tại bài viết về cấu tạo pin mặt trời CIGS tại đây.

II. ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI CIGS

CIGS có hiệu quả chuyển đổi cao ở cả trong phòng thí nghiệm và trong sản xuất. Với hiệu quả chuyển đổi cao kèm với tính ổn định lâu dài khiến CIGS trở thành vị trí độc nhất, đóng vai trò là trung tâm trong lĩnh vực năng lượng tái tạo toàn cầu. Rõ ràng CIGS là công nghệ sinh ra để thống trị các phân khúc thị trường đang nổi lên nhanh chóng như điện mặt trời tích hợp trong các tòa nhà (BIPV), ứng dụng trên các phương tiện vận chuyển (VIPV), điện mặt trời nổi (FPV), trên nền đường (RPV), vật liệu xây dựng, nông nghiệp (APV),… Công nghệ CIGS có thể tích hợp trên hầu hết các bề mặt kể cả những bề mặt không phẳng. Như vậy khả năng ứng dụng của pin mặt trời màng mỏng là vô cùng rộng lớn. Chỉ cần có ánh sáng là sẽ có điện dù là ánh sáng lúc sáng sớm, chiều muộn hay trời nhiều mây. Công nghệ màng mỏng chỉ cần khoảng 1 phần trăm vật liệu bán dẫn (dày chỉ 2µ so với silicon tinh thể (c-Si) 180µ (bao gồm tổn thất trong quá trình cưa cơ học của các tấm silicon). Do đó, việc sử dung vật liệu của các mô-đun CIGS là rất thấp, mang lợi lợi thế lớn so với các công nghệ màng mỏng khác.

Điện mặt trời tích hợp (BIPV)

Trong quang điện tích hợp trong tòa nhà, các tấm pin mặt đứng không chỉ tạo ra năng lượng mà còn cung cấp khả năng cách nhiệt và bảo vệ khỏi gió, tiếng ồn và thời tiết đồng thời bổ sung thêm các tùy chọn thiết kế mới. Do đó, BIPV đóng góp đáng kể vào việc giảm lượng khí thải CO2 liên quan đến tòa nhà. Hiện nay một số tập đoàn đã phát triển các định dạng linh hoạt, pin mặt trời hiệu suất cao với quá trình kim loại hóa hình sợi và các biến thể màu sắc cung cấp các tùy chọn thẩm mỹ cho các mô-đun năng lượng mặt trời được tích hợp vào mặt tiền hoặc mái nhà xây dựng. Đặc biệt, nhờ lớp phủ đặc biệt của chúng trên nắp kính, các mô-đun này có thể được sản xuất ở bất kỳ màu tral đặc biệt nào với độ bão hòa màu cao và ổn định góc.

Các tòa nhà văn phòng thường tiêu thụ một lượng điện lớn và hiếm khi theo cách thân thiện với môi trường. Như những phát hiện gần đây từ Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Mặt trời và Hydrogen Baden-Württemberg (ZSW) cho thấy, mức tiêu thụ này có thể được thực hiện bền vững hơn nhiều với các hệ thống quang điện (PV) mặt tiền và mái nhà. Các nhà nghiên cứu gần đây đã điều tra hệ thống PV gắn trên mặt tiền tại trụ sở chính của ZSW ở Stuttgart, Đức, để xác định mức độ năng lượng mặt trời do chính tòa nhà tạo ra có thể đáp ứng mức tiêu thụ điện tổng thể. Cung cấp dữ liệu thu được từ tòa nhà này thành mô hình, họ nhận thấy rằng điện có nguồn gốc từ các tấm pin mặt trời gắn trên mái nhà và mặt tiền đáp ứng gần 40% nhu cầu tổng thể của tòa nhà văn phòng tiêu chuẩn – và có thể làm như vậy ngay cả khi không có bộ lưu trữ năng lượng mặt trời. Sự kết hợp của các hệ thống PV trên mái nhà và mặt tiền này mang lại hiệu quả trong ngày cũng như trong các mùa

Điện mặt trời kết hợp nông nghiệp (APV)

Điện quang nông liên quan đến việc lắp đặt các mô-đun năng lượng mặt trời trên đất canh tác, cho phép mở rộng sản lượng điện PV trong khi đồng thời sử dụng đất cho mục đích nông nghiệp, tăng hiệu quả sử dụng đất tăng 60–84% cũng như cải thiện khả năng phục hồi nông nghiệp trong thời kỳ khô hạn. Các lợi ích khác bao gồm bảo vệ chống lại thiệt hại do mưa đá, hạn hán và sương giá, giảm nhu cầu tưới tiêu và tùy chọn sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp tại chỗ.

Điện mặt trời tích hợp trên xe (VIPV)

Trong quang điện tích hợp trên xe, các mô-đun năng lượng mặt trời thay thế các bộ phận bên ngoài xe và cung cấp năng lượng cho các cấu kiện điện hoặc cung cấp năng lượng vào pin truyền động của xe điện, do đó tăng khoảng cách mà chúng có thể lái xe trong một lần sạc. Tiêu chuẩn thẩm mỹ và hiệu quả của mô-đun là những yếu tố đặc biệt quan trọng khi tích hợp mô-đun năng lượng mặt trời vào xe.

Điện mặt trời nổi (FPV)

Hệ thống PV nổi, với các mô-đun được gắn trên các vật nổi nổi trên mặt ao hồ, đại dương. Những lợi thế mà FPV là nằm ở việc sử dụng quy mô lớn rẻ tiền, hiệu suất PV tăng lên nhờ hiệu ứng làm mát của nước và tốc độ bay hơi nước thấp hơn, giúp hạn chế thất thoát nguồn nước.

Điện mặt trời kết hợp giao thông (RIPV)

Quang điện tích hợp trên đường bao gồm tích hợp trực tiếp vào đường phố, lối đi bộ và quảng trường công cộng để sử dụng trong đường sắt và các bề mặt liên quan đến giao thông khác như tường chống ồn và làn đường. Việc tận dụng các bề mặt nằm ngang vốn đã được bịt kín sẽ mở ra tiềm năng công nghệ to lớn. Mô-đun năng lượng mặt trời được tích hợp trực tiếp vào đường phải cung cấp đủ lực kéo cho tất cả những người tham gia giao thông, bất kể điều kiện thời tiết như thế nào, đòi hỏi sự phát triển của bề mặt mô-đun có cấu trúc bền bỉ.

III. Các tấm pin mặt trời đáp ứng gần 40% nhu cầu – ngay cả khi không có pin để lưu trữ năng lượng

Nó tốn khá nhiều điện để duy trì hoạt động của các tòa nhà văn phòng. Hầu hết nó được sử dụng để chiếu sáng, thông gió, điều hòa không khí và các thiết bị điện khác. Đức sẽ phải đáp ứng nhu cầu năng lượng này theo cách thân thiện hơn với môi trường hiện nay khi nước này đã cam kết đạt được mục tiêu xây dựng các tòa nhà trung hòa với khí hậu vào năm 2050. Điện có nguồn gốc từ các hệ thống quang điện có thể giúp thực hiện điều đó. Nước này sẽ cần ít nhất 100 gigawatt công suất lắp đặt vào năm 2030, phần lớn trong số đó sẽ phải được lắp trên các tòa nhà. Một số chủ sở hữu của các tòa nhà không phải nhà ở đã lắp đặt loại nguồn điện không có carbon này chủ yếu trên các mái nhà, nhưng gần như không đủ để đáp ứng các mục tiêu này. Hệ thống PV Façade rất ít và xa.

Sự kết hợp của các tấm pin mặt trời trên mặt tiền và mái nhà sẽ mang lại hiệu quả

Rất ít chủ sở hữu tích hợp các tấm pin mặt trời vào vỏ của tòa nhà, mặc dù lợi ích của chúng cao ngất ngưởng. Mặc dù diện tích mái vẫn giữ nguyên bất kể chiều cao của tòa nhà, nhưng càng lên cao, diện tích bề mặt mặt tiền của tòa nhà sẽ càng lớn. Các hệ thống PV gắn trên Façade mang lại những lợi ích vượt quá khả năng tạo ra điện của chúng. Chúng cũng chống lại gió và thời tiết, cung cấp bóng râm, giảm thất thoát nhiệt, thay thế các cấu kiện xây dựng thông thường và giúp cách âm các tòa nhà.

Đạo luật Năng lượng Tòa nhà của Đức (Gebäudeenergiegesetz) thưởng cho những chủ sở hữu lắp đặt hệ thống PV mặt tiền bằng cách xếp hạng năng lượng tốt hơn cho tòa nhà. Các tấm pin mặt trời gắn trên mặt tiền tiết kiệm chi phí nhất khi được kết hợp vào thiết kế trên bảng vẽ, trước khi các tòa nhà mới mọc lên. Trong trường hợp này, khoản đầu tư có thể tự trả chỉ sau mười năm, sau đó hệ thống gắn mặt tiền bắt đầu thu lợi nhuận.

Các mô-đun màng mỏng với chất bán dẫn làm bằng đồng, indium, gali và selen (CIGS) cũng có lợi thế về mặt thẩm mỹ. Cung cấp các tùy chọn thiết kế tương tự như mặt tiền bằng kính, chúng cho phép các kiến ​​trúc sư tạo ra các bề mặt kính đồng nhất với màu sắc trang nhã. Tấm có nhiều màu sắc, kích thước và hình dạng. Chúng thậm chí có thể là các thành phần linh hoạt và thiết kế tùy chỉnh được thực hiện theo đơn đặt hàng. Các nhà nghiên cứu tại ZSW đang cố gắng tối ưu hóa các ứng dụng như vậy.

Hệ thống PV Façade đạt được 29% khả năng tự cung tự cấp

Mô hình ZSW đã sử dụng dữ liệu sản xuất và tiêu thụ điện thực tế để tính toán lượng điện nhu cầu của một tòa nhà văn phòng có thể được bao phủ bằng các mô-đun quang điện trên mặt tiền và mái nhà. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu xác định lượng điện năng được tạo ra bởi các mô-đun năng lượng mặt trời màng mỏng CIGS trên mặt tiền phía đông nam và tây nam của tòa nhà văn phòng của viện ở Stuttgart và bởi các tấm mái của nó.

Sau đó, các nhà nghiên cứu áp dụng dữ liệu này vào mô hình một tòa nhà văn phòng 5 tầng điển hình với các tấm PV bao phủ 1/4 mặt tiền và 30% diện tích mái. Con số này lên tới 131 kilowatt công suất lắp đặt. Các mô-đun năng lượng mặt trời này sẽ tạo ra khoảng 115.000 kilowatt giờ điện mỗi năm. Trong trường hợp sử dụng được mô hình hóa này, nhu cầu hàng năm của tòa nhà lên tới 170.000 kilowatt giờ, một con số dựa trên chỉ số công tơ do bang Baden-Württemberg thực hiện cho các tòa nhà hành chính.

Kết quả của những tính toán này cho thấy rằng các tòa nhà văn phòng thực sự có thể đáp ứng khá nhiều nhu cầu điện của họ với năng lượng mặt trời được trang bị bởi hệ thống mặt tiền và tầng thượng. Dieter Geyer, giám đốc dự án tại ZSW cho biết: “Chỉ riêng mặt tiền đã cung cấp 29% lượng điện tiêu thụ trong khoảng thời gian một năm. Hầu hết năng lượng được tạo ra bởi các mô-đun năng lượng mặt trời này – 80% – được dành cho mục đích này, phần còn lại được đưa vào lưới điện. Geyer nói: “Sự kết hợp giữa các hệ thống quang điện trên mặt tiền và mái nhà đã nâng mức độ tự cung tự cấp lên 39%. Phần lớn năng lượng mặt trời do các hệ thống của tòa nhà tạo ra – 58% – được tiêu thụ tại địa phương. Phần còn lại làm tăng tỷ trọng điện xanh trong lưới điện.

Có tới 39% nhu cầu được PV bao phủ, ngay cả khi không có pin

Các tấm pin mặt trời có thể đáp ứng rất nhiều nhu cầu ngay cả khi không có pin để lưu trữ điện năng được tạo ra. Geyer nói: “Các tòa nhà văn phòng chủ yếu cần điện vào ban ngày, vì vậy một phần lớn năng lượng mặt trời được tạo ra có thể được tiêu thụ ngay lập tức. “Tích trữ lượng điện này để tiêu dùng sau này không phải là điều cần thiết tuyệt đối”. Điều này cũng làm giảm chi phí của hệ thống quang điện tổng thể.

Hơn nữa, mặt tiền năng lượng mặt trời tạo ra điện chủ yếu vào buổi sáng và buổi chiều muộn khi được căn chỉnh để làm như vậy trong trường hợp sử dụng này. Hệ thống mái nhà tạo ra điện chủ yếu vào các giờ giữa ngày. Điều này có nghĩa là năng lượng mặt trời có sẵn trong những giờ tiêu thụ điện cao nhất, từ 8 giờ sáng đến 6 giờ chiều.

Có một lý do khác tại sao các tấm pin mặt trời gắn trên mái nhà và mặt tiền là một lựa chọn xanh hơn cho các tòa nhà văn phòng – chúng bổ sung tốt cho nhau qua các mùa. Sản lượng tấm lợp mái cao nhất trong những tháng mùa hè. Các tấm PV gắn trên mặt tiền là một sự kết hợp hoàn hảo, góp phần vào sản xuất hàng năm của toàn hệ thống với sản lượng điện chạy cao nhất trong những tháng mùa đông. Hướng thẳng đứng của chúng đặt các tấm gắn ở mặt tiền ở vị trí tốt hơn so với hệ thống trên mái nhà để thu được tia nắng mặt trời vào mùa đông thấp.

Mặt tiền PV chuẩn bị cất cánh

Kết quả là mặt tiền PV rất được khuyến khích – chúng chắc chắn làm cho việc cung cấp điện cho các tòa nhà văn phòng thân thiện hơn với khí hậu, đặc biệt là khi kết hợp với các hệ thống trên mái nhà. Các chuyên gia và nhà khoa học dự đoán rằng hệ thống PV mặt tiền sẽ nổi bật hơn bao giờ hết trong các thiết kế của kiến ​​trúc sư và kế hoạch xây dựng của các kỹ sư. Khi thực tiễn này trở thành phổ biến, nó sẽ mang đến cơ hội thị trường đại chúng cho các nhà sản xuất mô-đun quang điện và hệ thống sản xuất của Đức. ZSW dự định đẩy mạnh nghiên cứu để kéo dài tuổi thọ của quang điện để phù hợp với tuổi thọ của mặt tiền tiêu chuẩn.