Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu đánh giá đặc tính nhiệt độ - hiệu suất của tấm pin mặt trời trong các điều kiện bức xạ và trao đổi nhiệt khác nhau bằng phương pháp mô phỏng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu đánh giá đặc tính nhiệt độ - hiệu suất của tấm pin mặt trời trong các điều kiện bức xạ và trao đổi nhiệt khác nhau bằng phương pháp mô phỏng" nhằm phân tích và xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất làm việc của tấm pin mặt trời ứng với các điều kiện làm việc khác nhau do các giải pháp xử lý tản nhiệt khác nhau mang lại.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu đánh giá đặc tính nhiệt độ - hiệu suất của tấm pin mặt trời trong các điều kiện bức xạ và trao đổi nhiệt khác nhau bằng phương pháp mô phỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊ CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH NHIỆT ĐỘ - HIỆU SUẤT CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN BỨC XẠ VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT KHÁC NHAU S K C 0 0 3 9 5 9 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MÃ SỐ: SV2020-04 S KC 0 0 7 3 6 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH NHIỆT ĐỘ - HIỆU SUẤT CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN BỨC XẠ VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Mã số đề tài: SV2020 - 04 Chủ nhiệm đề tài: Phan Tuấn Lộc TP Hồ Chí Minh, Tháng 10 / 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH NHIỆT ĐỘ - HIỆU SUẤT CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN BỨC XẠ VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Mã số đề tài: SV2020 - 04 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật Công Nghệ SV thực hiện: Phan Tuấn Lộc Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 171470B Năm thứ: 3 /Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vũ Lân TP Hồ Chí Minh, Tháng 10 / 2020
MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................... i DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................... iv DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................. vii TÓM TẮT ...........................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..............................................................................2 I. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. .................2 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: ...........................................................2 2. Tình hình nghiên cứu trong nước: ...........................................................6 II. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................8 III. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu ....................................................9 1. Mục tiêu đề tài .........................................................................................9 2. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................9 3. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài ................................................10 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ............................................11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................12 I. Bức xạ mặt trời ....................................................................................12 II. Pin mặt trời...........................................................................................13 1. Giới thiệu ...............................................................................................13 2. Cấu tạo pin mặt trời ...............................................................................13 3. Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời ............................................15 III. Vật liệu biến đổi pha (PCM) ............................................................16 1. Khái niệm ...............................................................................................16 2. Phân loại ................................................................................................18 3. Cơ sở lý thuyết chọn PCM cho đề tài ....................................................19 i GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
4. Phương trình truyền nhiệt của PCM ......................................................20 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ...................................................22 I. Trang thiết bị thí nghiệm ....................................................................22 1. Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT 100 loại A 1m: ...............23 2. Đèn halogen: ..........................................................................................23 3. Bộ thu thập và xử lý tín hiệu đo lường ADAM-4015: ..........................24 4. Bộ nguồn: ...............................................................................................25 5. Bộ chuyển đổi đuôi dây dữ liệu: ............................................................26 6. Đồng hồ VOM: ......................................................................................26 7. Động cơ DC: ..........................................................................................27 8. Đồng hồ đo cường độ bức xạ tổng của mặt trời: ...................................28 9. Hộp mica chứa các mẫu thí nghiệm: .....................................................29 10. Pin mặt trời: ........................................................................................30 11. Mô tả cấu trúc của các mô hình thí nghiệm: ......................................32 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ..........................................................36 I. Phương pháp tổng hợp kết quả thực nghiệm: ..................................36 II. Kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (PTN): .....................37 1. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc (không có hỗ trợ ổn định nhiệt): ...............................................................................................................38 2. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng nước có hộp chứa dạng mẫu l: ...............................................................................................................38 3. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng nước có hộp chứa dạng mẫu 2: ...............................................................................................................39 4. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng PCM: ...............40 5. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng PCM + nước: ...40 ii GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
6. Tương quan so sánh giữa nhiệt độ trung bình bề mặt của tấm PV ở mẫu khác nhau trong cùng chế độ làm việc: ................................................................... 41` III. Kết quả thực nghiệm ngoài trời: .....................................................42 1. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc ở chế độ ngoài trời: ............43 2. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + nước ở chế độ ngoài trời: ...................43 3. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM ở chế độ ngoài trời: ...................44 4. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM + nước: ......................................44 5. Tương quan so sánh giữa nhiệt độ trung bình bề mặt của tấm PV ở các chế độ làm việc khác nhau: .......................................................................................45 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................49 I. Mô hình mô phỏng ...............................................................................49 II. Kết quả mô phỏng: ..............................................................................49 1. Mô hình Tấm PV nguyên bản:...............................................................49 2. Tấm pin có nước làm mát: .....................................................................50 3. Tấm pin với PCM : ................................................................................51 4. Tấm pin có PCM và nước làm mát: .......................................................52 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................54 I. Kết luận .................................................................................................54 II. Hướng phát triền của đề tài ................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................57 ` iii GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Phân phối bức xạ mặt trời Hình 2.2: Tấm pin năng lượng mặt trời Hình 2.3: Cấu tạo chính của tấm pin mặt trời Hình 2.4: Silic dạng tinh thể Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo tấm pin mặt trời PV Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Hình 2.7: PCM hữu cơ Hình 2.8: Mô phỏng chu trình làm việc của PCM Hình 2.9: Phân loại PCM Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường thực nghiệm. Hình 3.2: Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT 100 loại A 1m Hình 3.3: Đèn halogen dùng trong mô hình thí nghiệm Hình 3.4: Bộ chuyển đổi và thu thập tín hiệu ADAM-4015 lúc chưa kết nối Hình 3.5: Bộ chuyển đổi và thu thập tín hiệu ADAM-4015 lúc hoạt động Hình 3.6: Bộ chuyển đổi nguồn điện Hình 3.7: Bộ chuyển đổi đuôi dây dữ liệu Hình 3.8: Đồng hồ VOM Hình 3.9: Động cơ DC Hình 3.10: Đồng hồ đo cường độ bức xạ của mặt trời Hình 3.11: Hộp mica để chứa các mẫu thí nghiệm (mẫu 1) Hình 3.12: Hộp mica để chứa các mẫu thí nghiệm (mẫu 2) Hình 3.13: Hộp mica để chứa các mẫu thí nghiệm (mặt trước) Hình 3.14: Hộp mica để chứa các mẫu thí nghiệm (mặt sau) iv GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 3.15: Mặt trước của tấm pin mặt trời sử dụng trong thí nghiệm Hình 3.16: Mặt sau của tấm pin mặt trời sử dụng trong thí nghiệm Hình 3.17: Thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời sử dụng trong thí nghiệm Hình 3.18: Sơ đồ cấu tạo của mô hình thí nghiệm tấm PV + nước Hình 3.19: Sơ đồ cấu tạo của mô hình thí nghiệm tấm PV + PCM Hình 3.20: Sơ đồ cấu tạo của mô hình thí nghiệm tấm PV + PCM + nước Hình 3.21: Sơ đồ vị trí các điểm đặt đầu đo nhiệt độ trên tấm PV Hình 3.22: Sơ đồ mạch điện đo công suất điện đầu ra của tấm PV Hình 3.23: Hệ thống thực nghiệm trong phòng thí nghiệm Hình 3.24: Hệ thống thực nghiệm ngoài trời Hình 4.1: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc (chế độ PTN) Hình 4.2: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + nước (mẫu 1) (chế độ PTN) Hình 4.3: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + nước (mẫu 2) (chế độ PTN) Hình 4.4: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM (chế độ PTN) Hình 4.5: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM + nước (chế độ PTN) Hình 4.6: So sánh nhiệt độ mặt trên của tấm PV ở 4 mẫu (chế độ PTN) Hình 4.7: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc (chế độ NTR) Hình 4.8: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + nước (chế độ NTR) Hình 4.9: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM (chế độ NTR) Hình 4.10: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM + nước (chế độ NTR) Hình 4.11: So sánh hiệu suất sinh điện trung bình của 04 mẫu pin Hình 5.1: Phân bố nhiệt trên mặt cắt theo chiều dày của tấm PV nguyên bản Hình 5.2: Đường cong mô phỏng nhiệt độ trên bề mặt tấm PV nguyên bản Hình 5.3: Phân bố nhiệt trên mặt cắt theo chiều dày của tấm PV+nước Hình 5.4: Đường cong mô phỏng nhiệt độ trên bề mặt tấm PV+nước v GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 5.3: Phân bố nhiệt trên mặt cắt theo chiều dày của tấm PV+PCM Hình 5.4: Đường cong mô phỏng nhiệt độ trên bề mặt tấm PV+PCM Hình 5.5: Phân bố nhiệt trên mặt cắt theo chiều dày của tấm PV+PCM Hình 5.6: Đường cong mô phỏng nhiệt độ trên bề mặt tấm PV+PCM+Nước vi GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Đặc tính vật lý của vật liệu chuyển pha PAL-33 Bảng 4.1: Bảng tính hiệu suất của pin ở các mẫu khác nhau Bảng 4.2: Bảng dữ liệu thực nghiệm giữa hiệu suất của mẫu Pin + PCM + nước theo các giá trị cường độ bức xạ mặt trời khác nhau vii GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu đánh giá đặc tính nhiệt độ - hiệu suất của tấm pin mặt trời trong các điều kiện bức xạ và trao đổi nhiệt khác nhau bằng phương pháp mô phỏng - Chủ nhiệm đề tài: Phan Tuấn Lộc Mã số SV: 17147158 - Lớp: 171470B Khoa: Cơ khí Động lực - Thành viên đề tài: STT Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Nguyễn Thị Kim Quế 17147172 171470B Cơ khí Động lực 2 Lê Đức Mạnh 17147161 171470A Cơ khí Động lực 3 Phạm Văn Nhiêm 17147165 171470B Cơ khí Động lực - Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vũ Lân 2. Mục tiêu đề tài: Nhằm phân tích và xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất làm việc của tấm pin mặt trời ứng với các điều kiện làm việc khác nhau do các giải pháp xử lý tản nhiệt khác nhau mang lại. 3. Tính mới và sáng tạo: - Mô hình mô phỏng giúp có thể phân tích đánh giá các chế độ làm việc khác nhau và giúp cho người nghiên cứu có thể thay đổi các thông số trong mô hình để dễ dàng nghiên cứu mà không cần làm thực nghiệm - Mô hình PCM và nước làm mát hỗ trợ cho tấm pin mặt trời giúp duy trì giá trị hiệu suất sinh điện cao hơn so với pin nguyên bản. 4. Kết quả nghiên cứu: Đề tài đã thực hiện thành công việc xây dựng một mô hình cấu trúc trên phần mềm mô phỏng có đối chiếu với kết quả thí nghiệm trên mô hình thực tế. Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng có sự tương thích tốt với kết quả thực nghiệm. Trên cơ sở đó, người sử dụng có thể linh hoạt thay đổi các thông số kỹ thuật để tạo nên các điều kiện viii GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
làm việc khác nhau của tấm PV để mô phỏng và tìm ra dự báo đáp ứng nhiệt độ của tấm pin ở điều kiện làm việc tương ứng mà không cần thiết phải thiết lập thực nghiệm. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Giúp sinh viên có trải nghiệm về Nghiên cứu Khoa học và góp phần tích lũy kinh nghiệm về việc Nghiên cứu Khoa học. 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Ngày tháng năm 2020 SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài: Ngày tháng năm 2020 Người hướng dẫn (kí, họ và tên) ix GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
TÓM TẮT Đặc tính nhiệt – điện của tấm pin mặt trời (PV solar cells) thương phẩm nói chung có mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa nhiệt độ làm việc và hiệu suất tạo ra điện của pin. Do đó để tối đa hóa quá trình sinh điện cần phải có cơ chế hỗ trợ làm giảm nhiệt độ làm việc của tấm pin được giữ ở vùng giá trị càng thấp càng tốt. Tấm pin thường có cấu trúc phẳng được lắp đặt với khoảng trống thoáng ở cả mặt trước và mặt sau. Tuy nhiên, nhiệt độ làm việc thực tế vẫn khá cao so với nhiệt độ môi trường và do đó hiệu suất tạo ra điện thực tế thấp hơn nhiều so với hiệu suất định mức ghi trong thông số kỹ thuật của tấm pin. Nghiên cứu này nhằm mục đích hỗ trợ quá trình giữ nhiệt độ làm việc của tấm pin ở vùng gần giá trị nhiệt độ môi trường bằng giải pháp kết hợp sử dụng vật liệu chuyển pha (PCM) và hệ thống làm mát bằng nước. Kết quả cho thấy, nhiệt độ làm việc của tấm pin khi được xử lý hỗ trợ bằng phương án kết hợp có giá trị thấp hơn tấm pin không được hỗ trợ khoảng 7oC – 15oC, qua đó giúp tăng thời gian duy trì hiệu suất sinh điện đầu ra của tấm pin trong quá trình vận hành, cao hơn hiệu suất của tấm pin không được hỗ trợ khoảng 3,07%. Mức giảm nhiệt độ và thời gian duy trì khoảng nhiệt độ làm việc thấp phụ thuộc vào hàm lượng PCM được sử dụng, hình thức trao đổi nhiệt của hệ làm mát bằng nước và điều kiện môi trường bao gồm cường độ bức xạ tới và nhiệt độ môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, mức độ tiếp xúc trao đổi nhiệt giữa các thành phần kết cấu của hệ là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả duy trì nhiệt độ làm việc ở mức thấp của tấm pin. Từ khóa: Pin mặt trời; Vật liệu chuyển pha PCM; Hiệu suất tấm pin 1 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Trong định hướng nghiên cứu về nâng cao hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng mặt trời nói chung có xu hướng tập trung vào tăng cường hiệu suất chuyển đổi điện năng của tấm pin mặt trời. Trong đó, ngoài việc tìm kiếm vật liệu quang điện hiệu quả hơn, thì nghiên cứu sử dụng các giải pháp giải nhiệt với nhiều hình thức cải tiến cơ chế giải nhiệt bao gồm việc sử dụng vật liệu chuyển pha để duy trì nhiệt độ làm việc của tấm pin ở mức thấp, qua đó nâng cao hiệu suất sinh điện của pin mặt trời được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu thực hiện. Cùng với tình hình nghiên cứu của thế giới, các nhà khoa học ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu đóng góp về lĩnh vực này. Để có thêm cơ sở thực hiện đề tài, tác giả cũng đã có những tìm hiểu về các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước có nội dung liên quan đến đề tài. 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Trên thế giới, đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm phát triển tấm pin mặt trời về (i) công nghệ vật liệu quang điện của tấm PV, (ii) hình dạng hình học, (iii) đặc tính nhiệt độ - hiệu suất. Đa số các nghiên cứu này đều tiến hành đánh giá thông số làm việc của các sản phẩm trên cả hai phương diện thực nghiệm lẫn mô phỏng. Như đã biết hiệu suất của quá trình chuyển đổi từ quang năng thành điện năng phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu cấu tạo nên tế bào của tấm pin mặt trời, chất lượng nguồn sáng, bước sóng và cường độ bức xạ... Trong khi đó, Dubey và các cộng sự [1] đã chỉ ra rằng nhiệt độ làm việc của tấm pin mặt trời trong quá trình làm việc là một thông số tỷ lệ nghịch với hiệu suất sinh ra điện năng của pin mặt trời. Bên cạnh đó, Elminshawy cùng các cộng sự của ông [2] cũng đã nghiên cứu hiệu suất của tấm PV khi kết hợp với hệ thống làm mát không khí địa nhiệt, trong đó kết quả chỉ ra rằng hiệu suất của tấm PV phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc, một hệ thống EAHE là bộ trao đổi nhiệt không khí trái đất được sử dụng để làm mát trước không khí xung quanh, sau đó được thực hiện để làm mát đề mặt phía sau của tấm PV để cải thiện hiệu suất của tấm PV và giảm nhiệt độ tấm PV từ 55oC xuống còn 42oC. 2 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hossain và các cộng sự [3] cũng đã phân tích hiệu suất nhiệt của hệ thống PV/T có dòng chảy song song bên dưới PV trong điều kiện khí hậu của Malaysia, đã đưa ra kết luận rằng công nghệ quang điện (PV) bị nhược điểm lớn hơn là hiệu quả chuyển đổi năng lượng kém, tồi tệ hơn bởi tấm PV quá nóng. Ngoài ra còn có những phát hiện chính được liệt kê như sau: Công suất điện của PV/T cao hơn 5,34% so với PV tham chiếu. Nhiệt độ trung bình của PV/T là 58,23oC thấp hơn 3,92oC so với PV tham chiếu. Nhiệt độ cứ giảm 1oC thì PV/T có công suất tăng 3,49W và hiệu suất tăng 0,23%. Dựa trên thực tế đó, đã nảy sinh ra các các giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất sinh điện của tấm pin mặt trời ở mức cao nhất có thể bao gồm: (i) Cải tiến vật chất tạo nên lớp quang điện bằng cách trộn thêm các thành phần phụ (doping) trên lớp vật liệu quang điện, và (ii) Khắc phục vấn đề về tăng nhiệt độ trong quá trình làm việc của tấm pin. Ở phương án thứ 1: việc cải tiến công nghệ chế tạo đòi hỏi cơ sở vật chất thí nghiệm hoặc sản xuất hiện đại, vật liệu phải được điều chế và thực hiện công nghệ gia công nano công phu và tinh vi với chi phí đầu tư rất cao. Trong khi đó ở phương án thứ 2: có nhiều lựa chọn cho các giải pháp nghiên cứu hơn (ví dụ như tăng cường hiệu ứng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức bằng cách dùng nước làm mát; gắn thêm cánh tản nhiệt... để hỗ trợ quá trình tỏa nhiệt của tấm pin). Nhằm khắc phục vấn đề suy giảm hiệu suất sinh điện khi nhiệt độ làm việc của tấm pin mặt trời tăng, các nhà khoa học trên thế giới đã đề xuất ra các nhóm giải pháp để năng cao hiệu suất của tấm pin mặt trời khác nhau như: (i) Nghiên cứu chế tạo vật liệu quang điện mới có hiệu suất chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng cao hơn [4]; (ii) Tìm kiếm phương án điều khiển hệ thống chuyển đổi và nạp điện năng (PV- converter-battery) một cách thông minh hơn để thu được nhiều điện năng hơn [5]; (iii) Áp dụng các cơ chế hỗ trợ làm mát thông qua các cơ chế truyền nhiệt và đối lưu [6–8]; (iv) Sử dụng phương pháp trao đổi nhiệt vi kênh [9–10] để tăng cường tốc độ tản nhiệt; (v) Dùng vật liệu chuyển pha với khả năng giữ nhiệt độ tăng rất chậm hoặc gần như không đổi trong quá trình chuyển pha [11–14] để hỗ trợ quá trình giữ ổn định nhiệt độ làm việc; 3 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Browne và các cộng sự [15] đã có nghiên cứu tổng quan về các phương pháp quản lý nhiệt của mô hình tế bào quang điện (PV), đặc biệt chú ý đến việc sử dụng PCM trong hệ thống quản lý nhiệt của PV. Việc điều chỉnh nhiệt độ của các hệ thống PV bao gồm các tế bào silic tinh thể dường như là khả thi và kinh tế nhất khi sử dụng các hệ thống PV/PCM, vì sự gia tăng nhiệt độ có ảnh hưởng bất lợi nhất đến hiệu quả của pin mặt trời. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng PCM giúp cải thiện hiệu suất của PV mặc dù vẫn còn nhiều điều cần được khám phá và cải tiến đặc biệt là quá trình đông đặc và giải phóng nhiệt của PCM. Do đó, PCM là ứng dụng phù hợp trong lĩnh vực làm mát pin mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất của pin. Nói đến ứng dụng này, Smith và các cộng sự [16] đã phân tích tổng quan về sản lượng năng lượng quang điện gia tăng nhờ PCM làm mát. Mô phỏng sử dụng một mô hình cân bằng năng lượng một chiều với nhiệt độ môi trường xung quanh, độ rung và tốc độ gió được trích xuất từ ERA-Interim phân tích lại dữ liệu khí hậu trên lưới toàn cầu chia độ 1,50 kinh độ x 1,50 vĩ tuyến. Hiệu quả của việc thay đổi nhiệt độ nóng chảy PCM từ 0°C đến 50°C đã được nghiên cứu để xác định nhiệt độ nóng chảy tối ưu tại mỗi vị trí lưới. Khi sử dụng nhiệt độ nóng chảy PCM tối ưu, sản lượng năng lượng PV hàng năm tăng hơn 6% ở Mêhicô và Đông Phi, và trên 5% ở nhiều địa điểm như Trung và Nam Mỹ, phần lớn Châu Phi, Ả Rập, Nam Á và Quần đảo Inđônêxia. Tại Châu Âu, sản lượng năng lượng tăng lên dao động từ 2% đến gần 5%. Ngoài ra, Browne và các cộng sự [17] đã nghiên cứu giữ nhiệt của PV trong bộ thu nhiệt có PCM (PV/T/PCM), hệ thống thiết kế kết hợp một module PV với bộ thu nhiệt, trong đó nhiệt được lấy ra từ một bộ trao đổi nhiệt gắn trong PCM. Hiệu suất hệ thống trong 3 trường hợp (hệ thống chỉ có PV, hệ thống có PCM, hệ thống có/không có bộ trao đổi nhiệt) đã được so sánh. Kết quả là nhiệt độ nước đạt được bằng xấp xỉ 5,5℃ cao hơn với một hệ thống PV/T không có PCM. Từ các nghiên cứu trên ta thấy ngày nay các nhà khoa học trên thế giới cũng đã dành quan tâm nhiều đến việc sử dụng các vật liệu chuyển pha PCM bởi ưu điểm nổi bật: làm tăng hiệu suất tích trữ năng lượng nhiệt, tận dụng lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời khi cần thiết Hasan và các cộng sự [18] đã phát triển hệ thống PV-PCM để giảm nhiệt độ của tấm PV bằng cách so sánh và đánh giá 2 loại vật liệu PCM: muối hydrate CaCl2.6H2O và hỗn hợp eutectic của axit béo là axit capric-palmitic và đặt ở hai địa điểm khác nhau. 4 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Cả hai PCM tích hợp đều duy trì được nhiệt độ tấm PV thấp hơn so với tấm PV tham chiếu. Muối hydrate CaCl2.6H2O duy trì nhiệt độ PV thấp hơn axit capric-palmitic ở cả hai địa điểm được kiểm tra. Nhiệt độ PV thấp hơn do hiệu quả sử dụng PCMs đã ngăn cản sự tổn thất của PV và tăng hiệu suất chuyển đổi điện năng. Ho và các cộng sự [19] đã nghiên cứu lớp vật liệu chuyển pha dạng gói micro (MEPCM) được đặt ở mặt dưới tấm PV để tạo thành một module MEPCM-PV, trôi nổi trên mặt nước. Điểm nóng chảy (30oC và 28°C) và độ dày (5cm và 3cm) của MEPCM đã được nghiên cứu. Hiệu suất phát điện được cải thiện khi nước bão hòa một MEPCM 5 cm với điểm nóng chảy của 30°C đã được gắn vào mặt sau của PV. Hasan và các cộng sự [20] đã thử nghiệm với 5 loại PCM, dưới 3 cường độ khác nhau của ánh sáng (500W/m2, 750W/m2 và 1.000W/m2). Kết quả cho thấy rằng hydrate muối dày 50 mm là phương pháp thành công nhất của việc duy trì giảm nhiệt độ 10oC trong thời gian dài nhất là 5h, dưới cường độ bức xạ 1.000W/m2. Gaur và các cộng sự [21] đã nghiên cứu số về hiệu suất điện và nhiệt cho một bộ thu nhiệt quang điện hấp thụ hoàn toàn có và không có PCM. Nhiệt và điện được thực hiện với PCM sử dụng là PCM OM37, mô hình được đặt ở Pháp trong mùa đông và mùa hè. Trong thời gian nắng, tăng khối lượng PCM lên đến giá trị tối ưu của nó làm giảm nhiệt độ dẫn đến hiệu quả điện cao hơn và cũng cho phép cung cấp nhiệt độ nước cao hơn vào ban đêm. Atkin và Farid [22] đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả của các tế bào quang điện sử dụng PCM trộn than chì và cánh bằng nhôm, kết quả hệ số dẫn nhiệt của PCM tinh khiết và PCM trộn than chì lần lượt là 0,25 và 16,6 W/m.K. Huang và các cộng sự [23] đã thực hiện mô hình PV tích hợp bộ tản nhiệt nhôm kết hợp PCM để nâng cao hiệu suất PV. Nhiệt độ hoạt động tăng làm giảm hiệu suất chuyển đổi điện năng mặt trời của việc xây dựng các thiết bị quang điện tích hợp (BIPV). Các vật liệu thay đổi pha (PCM) có thể được sử dụng để hạn chế thụ động nhiệt độ tăng lên mặc dù hiệu quả của chúng bị hạn chế bởi độ dẫn nhiệt thấp và sự phân tách tinh thể trong quá trình đông đặc. Hiệu suất nhiệt của khối PCM với sự phân tách tinh thể có cánh bên trong đã cải thiện nhiệt độ hoạt động của hệ thống PV/PCM. 5 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Qua các nghiên cứu trên, ta thấy các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng các hệ thống PV tích hợp PCM về thay đổi nhiều loại vật liệu khác nhau, thay đổi địa điểm khảo sát năng lượng mặt trời, thêm bộ tản nhiệt để nhằm tối ưu hóa hiệu suất sinh điện của pin mặt trời. Tuy nhiên, mỗi nghiên cứu có hình thức thực nghiệm và mô phỏng trên cở sở các phần mền khác nhau. Do vậy, để đánh giá, so sánh đặc tính làm việc của các sản phẩm khác nhau, nhóm nghiên cứu mong muốn xây dựng một mô hình mô phỏng chung trong cùng điều kiện làm việc cho các loại sản phẩm PV có thông số kỹ thuật khác nhau, qua đó có thể chỉ ra mức độ khác biệt giữa các sản phẩm này. 2. Tình hình nghiên cứu trong nước: Ở trong nước, theo nghiên cứu về nâng cao hiệu suất sinh điện cho tấm pin mặt trời trên thị trường Việt Nam, hiện nay hiệu suất của các tấm pin mặt trời sử dụng các công nghệ khác nhau hiện có kỷ lục hiệu suất ở các mức 26,7% (với tế bào quang điện trong phòng lab cho silic-đơn thể), 22,3% (với tế bào quang điện trong phòng lab cho silic- đa tinh thể), 22,9% (với loại tế bào màng mỏng CIGS), 21% (với loại tế bào màng mỏng CdTe). Trong suốt 10 năm qua, hiệu suất thương mại của pin dùng công nghệ silic tăng từ 12% lên 17% (với loại siêu đơn thể là 21%), trong khi pin màng mỏng CdTe tăng từ 9% lên 16. Trong phòng thí nghiệ, tấm pin dùng silicon đơn thể đạt được hiệu suất 24,4%. Các sản phẩm pin mặt trời đang được sử dụng trong thực tế trên thị trường Việt Nam có thể kể đến: (i) First Solar, thin-film, series 6, 420Wp, 17% (đang được sản xuất tại nhà máy ở Việt Nam); (ii) Canadian Solar, 295Wp-295P-FG, poly, 17.94%; (iii) JA Solar 72- Cell Mono PERC Double Glass Module, 370Wp, 19%; (iv) JA Solar 72-Cell Poly Module, 335W,17.2%; (v) Jinko loại Eagle PERC 60 cell, mono, 360Wp, 18,57%; (vi) Jinko loại Eagle 72 cell 330Wp poly 17.01% (một dự án ở Long An); (vii) Hanwa Q- cells 72 cell 340Wp poly 17.8%; (viii) Hanwa Q-cells 60-cell module 300Wp mono half-cut 18,5%. Điều kiện chuẩn STC bao gồm: cường độ bức xạ 1000W/m2, đặc tính không khí AM 1.5, nhiệt độ tấm pin là 25oC; Điều kiện thường NOTC bao gồm: cường độ bức xạ 800W/m2, nhiệt độ môi trường 20oC, đặc tính không khí AM 1.5 tốc độ gió 1m/s. 6 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Trong khi chưa thể phát minh ra vật liệu quang điện có hiệu suất cao hơn các sản phẩm sẵn có, thì việc cải tiến nâng cao hiệu quả sử dụng các tấm pin mặt trời là hoàn toàn cần thiết và khả thi ở Việt Nam để mang lại hiệu quả kinh tế tốt hơn cho người sử dụng. Trong nước đã có những công trình nghiên cứu làm tăng hiệu suất của pin mặt trời như: Theo GS. TSKH. Thân Ngọc Hoàn [24] cũng nghiên cứu về năng lượng điện mặt trời và những phương pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất đã đưa ra kết luận điện mặt trời là một nguồn năng lượng sạch có dự trữ lớn, đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia nhằm mục đích nâng cao chất lượng điện, giảm giá thành và có thể đưa vào sử dụng ngày càng nhiều thay thế được nguồn năng lượng cổ điển vừa có nguy cơ cạn kiệt, vừa ô nhiễm môi trường. Với tốc độ nghiên cứu như hiện nay một ngày không xa những hy vọng của loài người về một nguồn năng lượng sạch nhiều và rẻ sẽ được thành sự thật. TS. Nguyễn Chánh Khê thuộc Trung tâm nghiên cứu và triển khai [25] cho biết hiện đã có một số hoạt động nghiên cứu tại Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM về pin mặt trời Gratzel ở mức hiệu suất 6%, trong khi loại pin này trên thị trường hiện đã có ở mức 11%. “Hiện tại các chip pin mặt trời chủ yếu nhập từ Đức và Pháp và hiện chúng ta mới thực hiện việc đóng gói các sản phẩm này”. Trong khi đó, các nhà khoa học Nguyễn Tiến Khiêm, Ngô Quý Thêm (Viện Cơ học) cùng Đỗ Đình Khang (Công ty phát triển công nghệ) và Vũ Anh Tuấn (Công ty Yên Đông) [25] đưa ra báo cáo về “Công nghệ pin mặt trời vô định hình Silic (a-Silic) và khả năng ứng dụng vào Việt Nam”. Theo nghiên cứu này, Việt Nam là một trong những nước nằm trong giải phân bố ánh sáng nhiều nhất trong năm theo bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới nhờ bờ biển dài tới hơn 3.000 km. Trong khi đó có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống mà nhiều nơi không thể đưa điện lưới tới được, vì vậy sử dụng năng lượng mặt trời tại chỗ để thay thế cho năng lượng truyền thống là một kế sách vô cùng có ý nghĩa về mặt kinh tế, văn hóa giáo dục và an ninh quốc phòng. Một hướng nghiên cứu khác cũng được TS. Nguyễn Đức Nghĩa, Chủ nhiệm bộ môn Công nghệ hóa học nano (Đại học Công nghệ) phối hợp với Phòng hóa học Nano (Viện Hóa học) [25] tiến hành: đó là chế tạo pin mặt trời hữu cơ. Pin mặt trời hữu cơ có nhiều đặc tính hấp dẫn như có giá thành thấp, mềm dẻo, phù hợp với diện tích lắp đặt 7 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
lớn và có màu sắc tự nhiên. Nhưng pin mặt trời hữu cơ cũng có một nhược điểm quan trọng, đó là hiệu suất hoạt động kém, chỉ bằng khoảng 1/3 hiệu suất của pin mặt trời Silic tinh thể. Ở Việt Nam, vật liệu biến đổi pha cũng đã sớm được Bộ khoa học và công nghệ giới thiệu qua Hội thảo “ năng lượng và môi trường ” với các chuyên gia, kỹ thuật viên và các nhà quản lý đã tham dự. Bộ khoa học và công nghệ là đơn vị đi đầu trong việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu mới và đã nghiên cứu, so sánh khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt để làm mát và sưởi ấm trong xây dựng, y tế, nông nghiệp, thủy sản... Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên Nguyễn Thị Hồng Nhung (ĐH Đà Nẵng) [26]: “Sử dụng chất chuyển pha để trữ nhiệt trong thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời”. Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc tính toán, thiết kế thiết bị thu trữ, cấp nhiệt năng lượng mặt trời dùng trong hệ thống sấy hải sản có sử dụng Paraffin để trữ nhiệt. Tuy nhiên, đề tài này chỉ tính toán được thời gian tích trữ, giải phóng năng lượng của Parafin trong Collector tấm phẳng để sấy hải sản. Hoàng Ngọc Minh [27] cũng nghiên cứu ứng dụng vật liệu biến đổi pha PCM làm mát tòa nhà trạm viễn thông nhằm giảm chi phí nhiên liệu, điện năng và điều hòa không khí. Nhưng đề tài báo cáo chỉ ứng dụng PCM trong làm mát, còn những hạn chế về nội dung và tính toán mô phỏng. Như vậy, sản phẩm tấm pin mặt trời đang được áp dụng trong nước rất phong phú và đa dạng về công nghệ, vật liệu, tỷ lệ hiệu suất, thông số làm việc. Do đó, việc xây dựng được mô hình mô phỏng đặc tính hiệu suất- nhiệt độ cho các sản phẩm khác nhau nhằm so sánh và đánh giá các sản phẩm ở điều kiện làm việc cụ thể. II. Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc tính làm việc của tấm pin mặt trời không còn là mới, tuy nhiên việc dự báo được mối quan hệ này trong các điều kiện làm việc cụ thể khác nhau của tấm pin mặt trời là cần thiết nhằm đưa ra các giải pháp khắc phục phù hợp để nâng cao hiệu suất sinh điện nói chung của tấm pin. Đề tài này sử dụng phương pháp số bằng phần mềm mô phỏng trên máy tính để đưa ra các kết quả đánh giá và phân tích, qua đó giúp người vận hành hoặc nhà sản xuất lựa chọn giải 8 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân