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

TỔNG QUAN

Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong nghiên cứu nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, xu hướng chủ yếu tập trung vào cải thiện hiệu suất chuyển đổi điện năng của tấm pin mặt trời Các giải pháp giải nhiệt, bao gồm việc sử dụng vật liệu chuyển pha, được áp dụng để duy trì nhiệt độ làm việc thấp, từ đó nâng cao hiệu suất sinh điện Nhiều nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu các giải pháp này, và các nhà khoa học Việt Nam cũng đã có những đóng góp đáng kể trong lĩnh vực này Tác giả đã tìm hiểu các bài báo liên quan từ các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước để có thêm cơ sở cho đề tài.

1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Trên toàn cầu, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải tiến tấm pin mặt trời thông qua (i) công nghệ vật liệu quang điện, (ii) hình dạng hình học, và (iii) đặc tính nhiệt độ - hiệu suất Các nghiên cứu này thường đánh giá hiệu suất của sản phẩm qua cả thực nghiệm và mô phỏng Hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng chủ yếu phụ thuộc vào loại vật liệu tế bào, chất lượng nguồn sáng, bước sóng và cường độ bức xạ Dubey và cộng sự đã chỉ ra rằng nhiệt độ làm việc của tấm pin mặt trời tỷ lệ nghịch với hiệu suất điện năng Đồng thời, Elminshawy cùng nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất tấm PV có thể được cải thiện khi kết hợp với hệ thống làm mát không khí địa nhiệt, trong đó hệ thống EAHE được sử dụng để làm mát không khí trước khi làm mát mặt sau của tấm PV, giúp giảm nhiệt độ từ 55°C xuống mức thấp hơn.

3 GVHD: TS Nguyễn Vũ Lân

Hossain và các cộng sự đã phân tích hiệu suất nhiệt của hệ thống PV/T với dòng chảy song song bên dưới PV trong điều kiện khí hậu Malaysia Họ kết luận rằng công nghệ quang điện (PV) gặp nhược điểm lớn do hiệu quả chuyển đổi năng lượng kém, chủ yếu do tấm PV quá nóng Những phát hiện chính bao gồm: công suất điện của PV/T cao hơn 5,34% so với PV tham chiếu, nhiệt độ trung bình của PV/T là 58,23°C, thấp hơn 3,92°C so với PV tham chiếu Ngoài ra, mỗi khi nhiệt độ giảm 1°C, công suất của PV/T tăng thêm 3,49W và hiệu suất tăng 0,23%.

Để nâng cao hiệu suất sinh điện của tấm pin mặt trời, có hai giải pháp chính: cải tiến vật liệu quang điện qua việc doping và khắc phục vấn đề tăng nhiệt độ trong quá trình hoạt động Giải pháp đầu tiên yêu cầu công nghệ chế tạo hiện đại và chi phí đầu tư cao, trong khi giải pháp thứ hai cung cấp nhiều lựa chọn nghiên cứu hơn, như tăng cường hiệu ứng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức bằng nước làm mát và lắp đặt cánh tản nhiệt để cải thiện khả năng tỏa nhiệt của tấm pin.

Để giải quyết vấn đề suy giảm hiệu suất sinh điện của tấm pin mặt trời khi nhiệt độ làm việc tăng cao, các nhà khoa học toàn cầu đã đưa ra nhiều giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của tấm pin này.

(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];

Tìm kiếm giải pháp điều khiển hệ thống chuyển đổi và nạp điện năng (PV-converter-battery) một cách thông minh nhằm tối ưu hóa việc thu nhận điện năng.

(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;

Sử dụng vật liệu chuyển pha có khả năng duy trì nhiệt độ ổn định trong quá trình chuyển pha sẽ hỗ trợ hiệu quả cho việc ổn định nhiệt độ làm việc.

Browne và các cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu tổng quan về các phương pháp quản lý nhiệt trong mô hình tế bào quang điện (PV), đặc biệt chú trọng vào việc sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) trong hệ thống quản lý nhiệt của PV Việc điều chỉnh nhiệt độ cho các hệ thống PV, bao gồm cả tế bào silic tinh thể, được xem là khả thi và kinh tế nhất khi áp dụng hệ thống PV/PCM, bởi vì sự gia tăng nhiệt độ có tác động tiêu cực đến hiệu suất của pin mặt trời Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng PCM có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống PV.

Mặc dù vẫn còn nhiều khía cạnh cần khám phá và cải tiến, đặc biệt là trong quá trình đông đặc và giải phóng nhiệt của PCM, nhưng PCM được coi là ứng dụng lý tưởng trong lĩnh vực làm mát pin mặt trời để nâng cao hiệu suất của chúng Smith và các cộng sự đã thực hiện một phân tích tổng quan về việc tăng sản lượng năng lượng quang điện nhờ vào việc làm mát bằng PCM Họ đã sử dụng mô hình cân bằng năng lượng một chiều với các yếu tố như nhiệt độ môi trường, độ rung và tốc độ gió từ dữ liệu khí hậu toàn cầu Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa nhiệt độ nóng chảy của PCM từ 0°C đến 50°C có thể cải thiện sản lượng năng lượng PV hàng năm lên hơn 6% ở Mêhicô và Đông Phi, và trên 5% ở nhiều khu vực khác 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 từ 2% đến gần 5% Thêm vào đó, Browne và các cộng sự đã nghiên cứu hệ thống PV kết hợp với bộ thu nhiệt có PCM, cho thấy rằng nhiệt độ nước đạt được cao hơn khoảng 5,5℃ so với hệ thống PV/T không có PCM.

Các nhà khoa học toàn cầu hiện đang chú trọng đến việc ứng dụng vật liệu chuyển pha (PCM) do những lợi ích nổi bật của chúng, bao gồm việc nâng cao hiệu suất lưu trữ năng lượng nhiệt và khả năng tận dụng năng lượng nhiệt từ mặt trời khi cần thiết.

Hasan và các cộng sự đã nghiên cứu hệ thống PV-PCM nhằm giảm nhiệt độ của tấm pin mặt trời (PV) bằng cách so sánh và đánh giá hai loại vật liệu PCM, cụ thể là muối hydrate CaCl2.6H2O và hỗn hợp eutectic axit béo giữa axit capric và palmitic, được đặt tại hai địa điểm khác nhau.

Cả hai PCM tích hợp đều giúp duy trì nhiệt độ tấm PV thấp hơn so với tấm PV tham chiếu Muối hydrate CaCl2.6H2O cho thấy hiệu quả tốt hơn axit capric-palmitic trong việc giữ nhiệt độ PV thấp tại cả hai địa điểm kiểm tra Việc sử dụng hiệu quả các PCMs này đã ngăn chặn sự tổn thất nhiệt của tấm PV, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng.

Ho và các cộng sự đã nghiên cứu lớp vật liệu chuyển pha dạng gói micro (MEPCM) được đặt dưới tấm PV, tạo thành module MEPCM-PV nổi trên mặt nước Nghiên cứu tập trung vào điểm nóng chảy (30°C và 28°C) và độ dày (5cm và 3cm) của MEPCM Kết quả cho thấy 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 đã tiến hành thử nghiệm với 5 loại PCM dưới 3 cường độ ánh sáng khác nhau (500W/m², 750W/m² và 1.000W/m²) Kết quả cho thấy rằng, hydrate muối dày 50 mm là phương pháp hiệu quả nhất trong việc duy trì nhiệt độ giảm 10°C trong thời gian dài nhất là 5 giờ, khi chịu cường độ bức xạ 1.000W/m².

Gaur và các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất điện và nhiệt của bộ thu nhiệt quang điện hấp thụ hoàn toàn với và không có PCM, sử dụng PCM OM37 Nghiên cứu được thực hiện tại Pháp trong mùa đông và mùa hè Kết quả cho thấy, trong thời gian nắng, việc tăng khối lượng PCM đến giá trị tối ưu giúp giảm nhiệt độ, từ đó nâng cao hiệu quả điện và cung cấp nhiệt độ nước cao hơn vào ban đêm.

Tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của tấm pin mặt trời đã được thực hiện từ lâu, nhưng việc dự đoán mối quan hệ này trong các điều kiện làm việc cụ thể là rất cần thiết Điều này giúp đưa ra các giải pháp khắc phục nhằm nâng cao hiệu suất sinh điện tổng thể của tấm pin Đề tài này áp dụng phương pháp mô phỏng số trên máy tính để đánh giá và phân tích kết quả, từ đó hỗ trợ người vận hành và nhà sản xuất trong việc lựa chọn giải pháp tối ưu.

GVHD TS Nguyễn Vũ Lân đã đề xuất các phương pháp khắc phục đặc tính nhiệt độ và hiệu suất cho tấm pin mặt trời, nhằm phù hợp với điều kiện vận hành thực tế Mặc dù điều này có thể không đảm bảo hiệu suất làm việc gần mức danh định, nhưng nó giúp tăng cường tổng lượng điện năng thu được từ tấm pin trong suốt quá trình hoạt động.

Với sự gia tăng đáng kể trong việc sử dụng tấm pin mặt trời cả trong nước và toàn cầu, mỗi giải pháp nâng cao hiệu suất, dù chỉ vài phần trăm, sẽ tạo ra một lượng điện năng lớn Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng sạch từ thiên nhiên mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững.

Trên cơ sở đó, đề tài "NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH NHIỆT ĐỘ -

HIỆU SUẤT CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN BỨC XẠ

Đề tài "VÀ TRAO ĐỔI NHIỆT KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG" nhằm giải quyết vấn đề ổn định nhiệt độ trong quá trình hoạt động của tấm pin Các giải pháp nghiên cứu bao gồm: (i) tăng cường quá trình trao đổi nhiệt và giải phóng nhiệt lượng không mong muốn thông qua hệ thống làm mát hỗ trợ bằng nước; (ii) sử dụng vật liệu chuyển pha để duy trì nhiệt độ ổn định cho tấm pin dưới tác động của bức xạ mặt trời; và (iii) kết hợp hai giải pháp trên để đạt hiệu quả tối ưu.

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Bài viết này nhằm phân tích và xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hoạt động của tấm pin mặt trời trong các điều kiện làm việc khác nhau, dựa trên các giải pháp xử lý tản nhiệt đa dạng.

Mô hình kết cấu mới của tấm pin mặt trời bao gồm:

- Tấm pin + lớp vật liệu biến đổi pha (PCM)

- Tấm pin + cơ cấu làm mát

- Tấm pin + lớp vật liệu biến đổi pha (PCM) + cơ cấu làm mát

Sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình tấm pin mặt trời với kết cấu mới để dự đoán, đối chiếu và đánh giá kết quả.

3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài a Nhiệm vụ nghiên cứu

- Thu thập và phân tích tài liệu về vật liệu chuyển pha gồm:

+ Vật liệu chuyển pha hưu cơ

+ Vật liệu chuyển pha vô cơ

Cấu tạo của pin mặt trời trên thị trường bao gồm các tế bào quang điện, lớp bảo vệ và khung kim loại, tất cả đều ảnh hưởng đến hiệu suất sinh điện Nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với hiệu suất hoạt động của tấm pin; khi nhiệt độ tăng cao, hiệu suất sinh điện của pin thường giảm, do đó việc quản lý nhiệt độ là rất quan trọng để tối ưu hóa khả năng sản xuất điện của hệ thống năng lượng mặt trời.

Phân tích kết cấu tấm pin mặt trời với sự bổ sung lớp vật liệu chuyển pha cho thấy hiệu quả cải thiện trong việc hấp thụ năng lượng Đồng thời, cơ cấu làm mát cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của tấm pin Khi kết hợp cả hai yếu tố này, tấm pin mặt trời không chỉ tối ưu hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mà còn gia tăng độ bền và tuổi thọ, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho người sử dụng.

- Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm mô hình để đánh giá và dự đoán kết quả đạt được b Giới hạn đề tài

Tấm pin năng lượng mặt trời được sử dụng trong thí nghiệm là sản phẩm của hãng SOLARHOUSE, có công suất danh định 35W, dòng điện ra tối đa 1,93A và điện áp ra tối đa 18V Tấm pin này có dòng điện ngắn mạch 2,67A, điện áp hở mạch 21,6V, khối lượng 3kg, và kích thước 675mm x 395mm x 35mm.

Thực nghiệm được tiến hành cả ngoài trời và trong phòng sử dụng hệ thống đèn halogen công suất 500W để mô phỏng bức xạ năng lượng mặt trời Các đèn được lắp đặt ở khoảng cách cố định, chiếu sáng liên tục trong 8 giờ, duy trì mức bức xạ khoảng 800W/m² Nghiên cứu tập trung vào quá trình giải nhiệt của tấm pin trong các trường hợp: có lớp vật liệu chuyển pha, có cơ cấu làm mát, và kết hợp cả hai cơ chế này.

Mô hình mô phỏng được phát triển và tính toán thông qua phần mềm COMSOL Multiphysics, dựa trên cấu trúc và thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời cũng như các yếu tố môi trường tương ứng với từng trường hợp Kết quả của quá trình mô phỏng giải nhiệt tấm pin được so sánh với dữ liệu thực nghiệm, nhằm xác minh tính chính xác và độ tin cậy của các kết quả mô phỏng.

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu a Cách tiếp cận

Sử dụng phương pháp định lượng để tính toán, phân tích và mô phỏng, kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả và đưa ra dự đoán chính xác Phương pháp nghiên cứu này giúp tăng cường độ tin cậy của các kết quả đạt được.

Thu thập và phân tích tài liệu về kỹ thuật vật liệu biến đổi pha là cần thiết để đảm bảo tính đa dạng và áp dụng hiệu quả các kết quả nghiên cứu mới nhất Việc này giúp nội dung nghiên cứu của đề tài được cập nhật và phù hợp hơn với xu hướng hiện tại trong lĩnh vực này.

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Dựa trên các kết quả và thất bại trong quá trình thực nghiệm, chúng tôi đã xác định được kết cấu tối ưu và cải tiến quy trình thu thập dữ liệu thí nghiệm Quy trình này được áp dụng cho các thiết kế khác nhau của tấm pin, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong nghiên cứu.

Xử lý số liệu thực nghiệm bằng phương pháp nội suy để đưa ra công thức dự báo của mô hình

 Phương pháp nghiên cứu mô phỏng:

Sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để thiết lập tình huống hoạt động của tấm pin giả định, mô phỏng theo cấu trúc của mô hình thực nghiệm.

Kiểm chứng lý thuyết và thực nghiệm

Trong nghiên cứu: tìm hiểu cơ chế vi mô của một hiện tượng, tính toán các tính chất của vật liệu, khảo sát sự chuyển pha

 Phương pháp phân tích so sánh:

Dựa trên các kết quả thực nghiệm từ các chế độ khác nhau, bài viết so sánh các cấu trúc thiết kế liên quan đến khả năng giữ ổn định nhiệt độ làm việc của tấm PV, cũng như tốc độ đáp ứng và khả năng duy trì nhiệt độ của các giải pháp thiết kế Kết quả này giúp làm sáng tỏ lý thuyết và cung cấp các chứng cứ thuyết phục cho nghiên cứu.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời được tạo ra từ các phản ứng hạt nhân trong nhân mặt trời, với dải bước sóng rộng Trong đó, bức xạ gamma có bước sóng ngắn nhất, nhưng khi đi qua lớp vật chất dày 5.10^5 km, nó bị biến đổi do va chạm và tán xạ, dẫn đến việc mất năng lượng và chuyển hóa thành bức xạ có bước sóng dài hơn Khi thoát ra bề mặt mặt trời, nơi có nhiệt độ khoảng 5,778 K, bức xạ này đã được suy yếu.

Hình 2.1 Phân phối bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời khi đến bề mặt trái đất phải đi qua không gian bên ngoài và các tầng khí quyển, nơi nó bị phản xạ, tán xạ hoặc hấp thụ bởi ôzôn, hơi nước, bụi, mây và chất ô nhiễm Do đó, bức xạ mặt trời có quang phổ đặc trưng, được chia thành ba vùng: cực tím (UV), khả kiến (VL) và hồng ngoại (IR) Chùm tia trực tiếp từ mặt trời được gọi là bức xạ trực xạ, trong khi tổng hợp cả tia trực xạ và tán xạ được gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực tiếp ngoài khí quyển khoảng 1.353W/m², nhưng giá trị này có thể biến động theo mùa do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi.

Bức xạ mặt trời đạt đỉnh vào khoảng 1.100W/m² trong những ngày quang mây, thậm chí có thể lên tới 1.180W/m² Tổng bức xạ mặt trời bao gồm cả bức xạ khuếch tán và trực tiếp được gọi là bức xạ mặt trời toàn phần Tuy nhiên, các yếu tố khí quyển có thể làm giảm bức xạ mặt trời trực tiếp lên đến 10% trong những ngày đẹp trời và có thể giảm tới 100% trong những ngày nhiều mây.

Pin mặt trời

Pin năng lượng Mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, bao gồm nhiều tế bào quang điện - các phần tử bán dẫn có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng điện Ứng dụng năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt ở các nước phát triển Hiện nay, pin mặt trời được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, trong giao thông vận tải và trong sinh hoạt hàng ngày, góp phần thay thế một phần nguồn năng lượng truyền thống.

Hình 2.2: Tấm pin năng lượng mặt trời

2 Cấu tạo pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời bao gồm 8 bộ phận chính: khung nhôm, kính cường lực, lớp màng EVA, tế bào quang điện (solar cell), tấm nền pin ở phía sau, hộp đấu dây (junction box), cáp điện và Jack kết nối MC4.

Hình 2.3: Cấu tạo chính của tấm pin mặt trời

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời cấu tạo từ tinh thể silic được chia thành 3 loại:

Hình 2.4: Silic dạng tinh thể

Đơn tinh thể module được sản xuất thông qua quy trình Czochralski, mang lại hiệu suất lên tới 16% Tuy nhiên, giá thành của loại đơn tinh thể này thường rất cao do được cắt từ các thỏi hình trụ, dẫn đến việc các tấm đơn thể có khoảng trống ở góc nối các module.

Đa tinh thề được sản xuất từ các thỏi silic nung chảy và làm nguội để hóa rắn Mặc dù pin đa tinh thề thường có giá thành rẻ hơn và hiệu suất thấp hơn so với pin đơn tinh thể, nhưng chúng có khả năng tạo ra các tấm pin lớn hơn, giúp che phủ bề mặt hiệu quả hơn.

Dải Silic được chế tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất trong các loại dải silic, nhưng nó lại có giá thành rẻ nhất.

Tấm kính phủ mặt trên 

Lớp các cell pin mặt trời  Lớp keo EVA 

Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo tấm pin mặt trời PV

3 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời

Pin mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện, tức là khả năng phát ra electron khi ánh sáng chiếu vào vật chất Để chế tạo pin mặt trời, người ta kết hợp hai loại chất bán dẫn n và p để tạo ra lớp tiếp giáp p-n Trong các loại pin mặt trời thương mại phổ biến, silic là nguyên tố chủ yếu được sử dụng, do nguyên tử silic (Si) có 4 electron ở lớp vỏ ngoài liên kết với 4 nguyên tử silic lân cận.

Khi trộn nguyên tử photpho (P) với 5 nguyên tử silicon (Si), 4 liên kết cộng hóa trị được hình thành, tạo ra một electron tự do, dẫn đến bán dẫn loại n Ngược lại, việc pha thêm nguyên tử Bohr (B) sẽ tạo ra lỗ trống do thiếu một electron, hình thành bán dẫn loại p Để cải thiện hiệu suất của các lớp tiếp giáp, có thể thực hiện doping bằng cách thêm một số lượng nhất định các phân tử khác Trong pin mặt trời làm từ silicon, khi bức xạ mặt trời chiếu vào, các photon có bước sóng ngắn hơn 1100nm (1.5eV) sẽ kích thích electron di chuyển qua lớp tiếp giáp, tạo ra dòng điện Ở cường độ bức xạ mặt trời 1000W/m2, hiệu điện thế hở mạch đạt khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch khoảng 25 – 30 mA/cm2.

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Phổ bức xạ mặt trời bao gồm các bước sóng cực tím, khả kiến và cận hồng ngoại, có khả năng sinh điện cho pin mặt trời (PV) ở vùng bước sóng ngắn hơn 1100nm Trong khi đó, các bước sóng ở vùng hồng ngoại sâu không chỉ không có tác dụng sinh điện mà còn làm tăng nhiệt độ hoạt động của tấm pin, dẫn đến suy giảm hiệu suất Do đó, nghiên cứu này nhằm mục đích giảm thiểu tác động của nhiệt độ cao đối với hiệu suất hoạt động của tấm pin mặt trời.

Vật liệu biến đổi pha (PCM)

PCM (Phase Change Materials) là vật liệu có khả năng chuyển đổi giữa các trạng thái rắn, lỏng và khí tùy thuộc vào nhiệt độ Chúng thường được phân loại thành ba nhóm chính: PCM rắn-lỏng, PCM lỏng-khí và PCM rắn-khí.

PCM hữu cơ là loại vật liệu chuyển đổi pha từ rắn sang lỏng, có khả năng hấp thụ và lưu trữ nhiệt năng lớn khi nhiệt độ thay đổi không đáng kể Khi đạt đến nhiệt độ nhất định, PCM sẽ nóng chảy hoặc hóa rắn, cho phép nó lưu trữ năng lượng nhiệt hiệu quả thông qua dung lượng ẩn nhiệt của vật liệu.

Trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang rắn, PCM (Phase Change Material) có khả năng giải phóng một lượng lớn nhiệt năng tương ứng với dung lượng ẩn nhiệt của vật liệu, trong khi nhiệt độ của hệ thống thay đổi chậm hoặc không đáng kể Nhờ vào đặc tính này, PCM đóng vai trò quan trọng trong việc giữ nhiệt, giúp ổn định nhiệt độ cho các hệ thống sử dụng vật liệu này.

Hình 2.8: Mô phỏng chu trình làm việc của PCM

Vật liệu PCM (Phase Change Material) lưu trữ nhiệt thông qua quá trình chuyển pha giữa các trạng thái khác nhau như lỏng – rắn, rắn – lỏng, rắn – khí, và lỏng – khí Trong đó, quá trình chuyển pha từ rắn sang khí hoặc lỏng sang khí gây ra sự thay đổi thể tích lớn, vượt trội so với chuyển pha rắn – lỏng Chính vì vậy, PCM rắn – lỏng được ưa chuộng trong các ứng dụng ổn định nhiệt độ và lưu trữ nhiệt hiệu quả.

Trong quá trình sử dụng vật liệu PCM, khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy, vật liệu sẽ ở trạng thái rắn Khi được cung cấp nhiệt, nhiệt độ tăng lên cho đến khi bắt đầu nóng chảy, và trong suốt quá trình này, nhiệt độ giữ nguyên ở mức nóng chảy cho đến khi vật liệu hoàn toàn tan chảy Tính chất này giúp ổn định nhiệt độ của vật liệu Sau khi tan chảy, nhiệt độ tiếp tục tăng khi nhận thêm nhiệt Ngược lại, khi được làm mát dưới nhiệt độ nóng chảy, vật liệu sẽ trở lại trạng thái rắn và nhiệt độ sẽ giữ nguyên cho đến khi đông cứng hoàn toàn.

Trong các ứng dụng sử dụng PCM, chu trình hoạt động lặp lại nhiều lần mà PCM vẫn duy trì sự ổn định Đặc tính này tạo nên vai trò đặc biệt của PCM trong các hệ thống trao đổi nhiệt, điều mà các vật liệu khác không thể đạt được.

Vật liệu biến đổi pha (PCM) được phân loại thành hợp chất hữu cơ và vô cơ, trong đó hợp chất hữu cơ bao gồm parafin và không parafin, còn hợp chất vô cơ bao gồm hydrat muối, kim loại và hợp kim Trong khoảng nửa thế kỷ qua, các hợp chất này, đặc biệt là sáp parafin, đã được nghiên cứu rộng rãi nhờ vào tính chất tiềm năng về nhiệt lý, kỹ thuật, tính kinh tế và khả năng ứng dụng Sáp parafin đang thu hút sự chú ý lớn vì hiệu quả trong việc sưởi ấm và làm mát, góp phần giảm hiệu ứng nhà kính và phát triển công nghệ năng lượng xanh bền vững.

3 Cơ sở lý thuyết chọn PCM cho đề tài

Trong nghiên cứu này, PCM được sử dụng để hỗ trợ ổn định nhiệt độ cho tấm pin năng lượng mặt trời (PV) thông qua hai quá trình chính: nhận nhiệt để lưu trữ và giải phóng nhiệt Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn Parafin nhờ vào những ưu điểm nổi bật như phạm vi nhiệt độ rộng, không phản ứng hóa học, không gây ăn mòn và chi phí thấp hơn so với parafin tinh khiết Parafin kỹ thuật được sử dụng để lưu trữ năng lượng nhiệt, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của tấm PV.

Với nhiệt độ từ 30°C đến 70°C và những ưu điểm nổi bật của parafin, tác giả đã chọn PCM PAL-33, một hỗn hợp parafin, làm chất lưu nhiệt cho nghiên cứu và ứng dụng trong thí nghiệm này PAL-33, thuộc loại PCM hữu cơ dạng rắn-lỏng, sẽ được sử dụng trong quá trình thực nghiệm.

Vật liệu PCM hữu cơ rắn – lỏng rất phù hợp trong cấu trúc của nghiên cứu này

Lớp hỗ trợ khống chế nhiệt độ làm việc không thể đặt trên bề mặt tấm PV do sẽ cản trở ánh sáng mặt trời chiếu tới, vì vậy nó chỉ có thể được lắp đặt ở phía lưng của tấm.

Lớp PCM có khối lượng riêng nhẹ hơn nước, giúp nó luôn nổi lên và tiếp xúc chặt chẽ với bề mặt tấm PV, từ đó tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt giữa hai thành phần này Nghiên cứu hướng tới việc duy trì nhiệt độ ổn định, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

GVHD: TS Nguyễn Vũ Lân cho biết, việc giữ tấm PV ở mức thấp so với tấm PV nguyên bản càng lâu càng tốt, và việc sử dụng loại PCM có dung lượng ẩn nhiệt lớn sẽ giúp giảm khối lượng cần sử dụng.

Bảng 2.1: Đặc tính vật lý của vật liệu chuyển pha PAL-33 Đặc tính vật lý Ký hiệu Giá trị Đơn vị Điểm nóng chảy Tc ~33 ºC

Nhiệt dung riêng ở thể rắn Cpr 1,7 kJ/kgK

Nhiệt dung riêng ở thể lỏng Cpl 1,9 kJ/kgK

Khối lượng riêng ở thể rắn ρr 851 kg/m 3

Khối lượng riêng ở thể lỏng ρl 781 kg/m 3

Hệ số dẫn nhiệt ở thể rắn λr 0,17 W/mK

Hệ số dẫn nhiệt ở thể lỏng λl 0,25 W/mK Ẩn nhiệt chuyển pha H 45,8 kJ/kg

4 Phương trình truyền nhiệt của PCM

PCM được phân loại thành hợp chất hữu cơ, vô cơ và hỗn hợp eutectic, với mỗi loại có giai đoạn chuyển pha ở các nhiệt độ khác nhau khi cung cấp nhiệt Trong trạng thái rắn hoặc lỏng hoàn toàn, quá trình trao đổi nhiệt của PCM cho phép lưu trữ nhiệt lượng khi nhiệt độ tăng (quá trình nạp) hoặc giải phóng nhiệt khi nhiệt độ giảm (quá trình xả) Nhiệt lượng này phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt dung riêng, sự thay đổi nhiệt độ và khối lượng của vật liệu lưu trữ.

Phương trình nhiệt của các thể rắn và lỏng của PCM là:

(khi Cp không thay đổi theo nhiệt độ)

Khi coi Cp không thay đổi theo nhiệt độ thì :

Công thức Q = mCp(Tf – Ti) mô tả mối quan hệ giữa năng lượng nhiệt (Q) và các yếu tố ảnh hưởng đến nó Trong đó, Ti là nhiệt độ ban đầu (°C), Tf là nhiệt độ cuối cùng (°C), Cp là nhiệt dung riêng (J/kgK), và m là khối lượng của vật liệu lưu trữ (kg) Công thức này giúp tính toán lượng năng lượng cần thiết để làm nóng hoặc làm lạnh một vật liệu.

Trong quá trình chuyển đổi giữa hai pha, nhiệt lượng hấp thụ sẽ chuyển thành ẩn nhiệt trong vật liệu, trong khi nhiệt lượng giải phóng từ ẩn nhiệt của vật liệu sẽ được truyền ra môi trường Để giảm thiểu sự giãn nở nhiệt của lớp chứa PCM, ẩn nhiệt trên một đơn vị khối lượng cần phải cao Dung lượng lưu trữ nhiệt ẩn của hệ thống với một lượng PCM trung bình được xác định bởi một phương trình cụ thể.

Q = ∫ mC p dT + mf∆h m + ∫ mC T f p dT

Nếu C pr và C pl không thay đổi theo nhiệt độ:

Q = m[Cpr(Tm – Ti) + fΔhm + Cpl (Tf – Tm)]

(khi Cpr và Cpl không thay đổi theo nhiệt độ)

MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Trang thiết bị thí nghiệm

Để thực hiện được chế độ thí nghiệm trong nhà, một hệ thống giả lập bức xạ năng lượng mặt trời lên bề mặt tấm pin bao gồm:

+ Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT-100 loại A 1m (Hình 3.2) + Đèn halogen công suất điện 500W/220V (Hình 3.3)

+ Bộ chuyển đổi và thu thập tín hiệu ADAM (Hình 3.4, Hình 3.5) + Bộ chuyển đổi nguồn điện (Hình 3.6)

Bộ chuyển đổi đuôi dây dữ liệu (Hình 3.7) và các mô hình khác nhau của kết cấu tấm pin đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì giá trị bức xạ mặt trời trung bình 800W/m² Để đạt được hiệu suất tối ưu, các đèn cần được cố định ở khoảng cách nhất định, chiếu sáng liên tục với nguồn điện cung cấp ổn định.

Cảm biến nhiệt độ PT-100 loại A 1m với độ sai số nhỏ hơn ±0,15°C được sử dụng để đo nhiệt độ tại các điểm trên và dưới tấm pin, cũng như nhiệt độ môi trường Các cảm biến này được kết nối với bộ thu thập và xử lý tín hiệu ADAM, sau đó liên kết với máy tính để theo dõi và phân tích dữ liệu.

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường thực nghiệm

1 Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT 100 loại A 1m:

Sử dụng 6 cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT 100 loại A 1m trong mô hình thí nghiệm giúp đo nhiệt độ của mặt trên và mặt dưới của tấm pin, cũng như nhiệt độ môi trường xung quanh.

+ Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT-100 loại A 1m

+ Đầu dò bằng thép không rỉ 304 và đổ keo chống nước

+ Nhiệt độ hoạt động: từ -50 đến 200℃

+ Đường kính đầu dò 4 mm, 3 lõi dây

Hình 3.2: Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT 100 loại A 1m

2 Đèn halogen: Đèn halogen được sử dụng để chiếu sáng, chụp đèn làm bằng kính trong suốt, chịu được nhiệt độ Đèn được thiết kế nhỏ, gọn, dễ sử dụng

Bóng đèn halogen 500W/220V được lắp đặt trong mô hình thí nghiệm nhằm tạo ra bức xạ đồng đều trên bề mặt tấm pin.

Hình 3.3: Đèn halogen dùng trong mô hình thí nghiệm

3 Bộ thu thập và xử lý tín hiệu đo lường ADAM-4015:

Bộ thu thập và xử lý tín hiệu ADAM-4015 được sử dụng để kết nối với các cảm biến đo nhiệt độ, nhằm đo nhiệt độ ở các điểm khác nhau trên bề mặt tấm pin và nhiệt độ môi trường trong quá trình thực nghiệm.

+ Đầu vào cảm biến: RTD (Pt, Balco, Ni)

+ Nhiệt độ (hoạt động): -10 đến 70℃

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

Bộ nguồn điện được sử dụng trong mô hình thí nghiệm để chuyển đổi nguồn điện 220V AC sang 24V DC, cung cấp nguồn cho bộ chuyển đổi tín hiệu ADAM-4015

Hình 3.6: Bộ chuyển đổi nguồn điện

5 Bộ chuyển đổi đuôi dây dữ liệu:

Sử dụng bộ chuyển đổi đuôi dây dữ liệu để kết nối vào máy tính

Hình 3.7: Bộ chuyển đổi đuôi dây dữ liệu

Sử dụng đồng hồ VOM để đo hiệu điện thế U(V), cường độ dòng điện I(A) của tấm pin

Sử dụng động cơ DC là tải vận hành để kiểm tra và đo công suất điện sinh ra của tấm pin (chế độ mạch kín)

Hình 3.9: Động cơ DC

8 Đồng hồ đo cường độ bức xạ tổng của mặt trời:

Sử dụng đồng hồ đo cường độ bức xạ mặt trời để xác định mức độ bức xạ của ánh sáng mặt trời và đồng thời đo cường độ bức xạ từ đèn halogen đến tấm pin.

Máy đo năng lượng mặt trời Tenmars 206 là thiết bị chuyên dụng trong ngành năng lượng điện mặt trời, với thiết kế nhỏ gọn và độ bền cao Sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp và các phòng thí nghiệm, giúp đo lường hiệu quả năng lượng mặt trời.

- Màn hình LCD hiển thị 3 1/2 chữ số

- Giữ dữ liệu, chức năng Min/Max

- Thời gian lấy mẫu: 0,25 giây

- Nhiệt độ và độ ẩm hoạt động: 0 - 50℃, dưới 80% RH

Hình 3.10: Đồng hồ đo cường độ bức xạ của mặt trời

9 Hộp mica chứa các mẫu thí nghiệm:

Sử dụng hộp mica để chứa các mẫu thí nghiệm khác nhau

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)

Sử dụng tấm pin mặt trời trong mô hình thí nghiệm, cùng với các trường hợp thí nghiệm khác nhau (Pin mặt trời loại Mono 35W)

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

11 Mô tả cấu trúc của các mô hình thí nghiệm:

Các mô hình thí nghiệm bao gồm 4 loại:

 Tấm PV nguyên bản, không có cơ cấu hỗ trợ ổn định nhiệt nào được áp dụng

Sơ đồ nguyên lý cấu trúc của mô hình này như đã đề cập ở Hình 2.3

 Tấm PV được hỗ trợ làm mát bằng nước chứa trong hộp kín

Lớp cell pin mặt trời 

Lớp nước  Đáy hộp chứa 

Hình 3.18: Sơ đồ cấu tạo của mô hình thí nghiệm tấm PV + nước

 Tấm PV được hỗ trợ làm mát bằng PCM chứa trong hộp kín

Lớp các cell pin mặt trời 

Lớp PCM  Đáy hộp chứa 

Hình 3.19: Sơ đồ cấu tạo của mô hình thí nghiệm tấm PV + PCM

* Tấm PV được hỗ trợ làm mát bằng cả PCM và nước chứa trong hộp kín

Lớp các cell pin mặt trời 

Lớp nước  Đáy hộp chứa 

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 ảnh mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài trời

Hình 3.23: Hệ thống thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

Hình 3.24: Hệ thống thực nghiệm ngoài trời

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ

Phương pháp tổng hợp kết quả thực nghiệm

Mỗi chế độ thực nghiệm được thực hiện nhiều lần để loại trừ các tác động nhiễu đột biến không mong muốn Các giá trị kết quả ở mỗi bước đo được lấy trung bình từ các phiên thực nghiệm cùng điều kiện, nhằm tạo ra giá trị đại diện chung, từ đó tăng cường độ chính xác của kết quả Đồ thị thực nghiệm được tái hiện dựa trên bộ dữ liệu đã được xử lý, làm cơ sở cho các nhận xét so sánh.

Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ làm việc và hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời (PV) được mô tả bằng công thức sau [16].

Trong đó, Tref = 25 o C là giá trị nhiệt độ tham chiếu (nhiệt độ phòng thí nghiệm);

Hiệu suất sinh điện của tấm pin mặt trời tại điều kiện nhiệt độ tham chiếu Tref và tổng xạ 1kW/m² thường đạt khoảng 12% với các pin thương mại hiện nay Hệ số hiệu suất – nhiệt độ βref khoảng 0.45%/K Dựa vào dữ liệu thực nghiệm, nghiên cứu sẽ trình bày phương trình hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất và nhiệt độ của tấm pin Mô hình đa thức hồi quy bậc hai được áp dụng để biểu diễn mối quan hệ này.

Hàm hồi quy hiệu suất theo nhiệt độ được biểu diễn bằng công thức (∑ 𝑇 𝑖 )𝑎 0 + (∑ 𝑇 𝑖 2 )𝑎 1 = (∑ 𝑇 𝑖  𝑖 ) trong đó (T) phản ánh hiệu suất [%] của tấm pin, T là nhiệt độ bề mặt tấm pin [°C], và Ti là các điểm dữ liệu thực nghiệm thu thập tại các nhiệt độ làm việc khác nhau của tấm pin [°C].

Cũng theo [34], công suất sinh điện của tấm pin được tính theo công thức:

P = GT  PV  ref  A  [1 - ref (Tc – 25)] (4.4)

GT là tổng xạ, trong khi PV biểu thị độ xuyên thấu của lớp kính chắn PV A là diện tích bề mặt PV, và ref là hệ số công suất – nhiệt độ, dao động trong khoảng 0.22 – 0.71%/K Cuối cùng, Tc là nhiệt độ làm việc của tấm PV.

Phương trình biến đổi năng lượng trên tấm PV được xác định như sau:

E là tổng xạ tới trên bề mặt diện tích của tấm pin, trong khi Eđ đại diện cho lượng điện năng sinh ra từ tấm pin En là lượng nhiệt năng thu được, và El là năng lượng lưu trữ trong PCM hoặc các thành phần khác của hệ thống Cuối cùng, Ett là năng lượng tổn thất ra ngoài môi trường do các quá trình phản xạ, bức xạ nhiệt, truyền nhiệt và đối lưu.

Công thức xác định hiệu suất thực nghiệm của tấm pin trong toàn khoảng thời gian khảo sát là :

Kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (PTN)

Chế độ trong phòng thí nghiệm được thiết lập để đánh giá và so sánh hiệu quả làm mát tấm pin mặt trời qua các phương pháp khác nhau, bao gồm làm mát bằng nước (thụ động), sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM), kết hợp cả hai phương pháp, và trường hợp không có hỗ trợ làm mát nào.

Điều kiện trong phòng thí nghiệm giúp duy trì sự ổn định của các thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tản nhiệt của tấm pin, như nhiệt độ môi trường, không có gió và không bị gián đoạn nguồn nhiệt do bóng râm hoặc tán xạ ngoài ý muốn Những yếu tố này khó có thể đảm bảo khi thực hiện thí nghiệm ngoài trời, dẫn đến việc so sánh kết quả trở nên phức tạp hơn.

Phương pháp này có nhược điểm là sử dụng nguồn sáng giả lập từ đèn halogen, với quang phổ chủ yếu ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại, không hoàn toàn tương đồng với quang phổ bức xạ mặt trời Điều này dẫn đến giá trị đo được chỉ có tính chất so sánh về mặt nhiệt học, không phản ánh chính xác hiệu quả chuyển đổi điện năng của tấm pin.

38 GVHD: TS Nguyễn Vũ Lân Ở chế độ thực nghiệm này, các thông số thực nghiệm đã được thiết lập như sau:

- Cường độ bức xạ giả lập tới bề mặt tấm pin: 800W/m 2

- Nhiệt độ phòng duy trì khoảng 34 o C

- Nhiễu ánh sáng:  0% so với cường độ bức xạ của đèn

- Thời gian thực nghiệm: kéo dài trong 2.5 ~ 3.0 giờ (đủ để các điểm đo đạt đến các giá trị nhiệt độ ổn định dài hạn)

Kết quả đo được của từng mô hình được diễn giải như dưới đây

1 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc (không có hỗ trợ ổn định nhiệt):

Hình 4.1: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc (chế độ PTN)

2 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng nước có hộp chứa dạng mẫu l:

T mặt dưới T mặt trên Pin T môi trường

Hình 4.2: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + nước (mẫu 1) (chế độ PTN)

3 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng nước có hộp chứa dạng mẫu 2:

Hình 4.3: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + nước (mẫu 2) (chế độ PTN)

T mặt dưới T mặt trên T môi trường

4 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng PCM:

Hình 4.4: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM (chế độ PTN)

5 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng PCM + nước:

Hình 4.5: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM + nước (chế độ PTN)

Dữ liệu từ Hình 4.2 và Hình 4.3 cho thấy hiệu quả trao đổi nhiệt của mẫu 1 và 2 không có sự khác biệt đáng kể, cho phép bỏ qua Do đó, sự xuất hiện của các vách đỡ tấm pin không ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ nhiệt của nước.

Hình 4.4 và Hình 4.5 cho thấy rằng việc giảm nhiệt độ làm việc của tấm pin chủ yếu là do tác động của PCM Nước chỉ đóng vai trò phụ trợ trong quá trình giải nhiệt, chủ yếu giúp nâng và giữ tấm PCM tiếp xúc với mặt lưng của tấm pin, đặc biệt trong giai đoạn chuyển pha.

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:

Hình 4.6: So sánh nhiệt độ mặt trên của tấm PV ở 4 mẫu (chế độ PTN)

Kết quả so sánh cho thấy phương pháp làm mát bằng PCM kết hợp với nước giúp duy trì nhiệt độ của tấm PV gần với nhiệt độ môi trường lâu hơn, với mức giảm nhiệt độ từ 7 oC đến 15 oC Tuy nhiên, do lượng PCM PAL-33 sử dụng chỉ là 0,4kg, nên thời gian duy trì nhiệt độ thấp chỉ kéo dài khoảng nửa giờ Nếu sử dụng đủ lượng PCM, có thể duy trì nhiệt độ bề mặt thấp trong suốt thời gian hoạt động của tấm PV Giả sử tấm PV hoạt động trong 8 giờ từ 8:00 đến 16:00 với cường độ bức xạ trung bình.

T mặt trên Pin T môi trường

T mặt trên Pin + Nước T mặt trên Pin + PCM

T mặt trên Pin + PCM + Nước

Để đảm bảo quá trình chuyển pha diễn ra đủ trong 8 giờ với lượng bức xạ 500W/m², mỗi tấm PV kích thước 1,9m² cần khoảng 15kg PAL-33 Nếu sử dụng PCM có ẩn nhiệt cao gấp 2 đến 3 lần so với PAL-33, khối lượng PCM cần dùng sẽ giảm đáng kể Nhiều loại PCM thương phẩm hiện nay có giá trị ẩn nhiệt trong khoảng 100 đến 200 kJ/kg, cho thấy khả năng thực hiện điều này là hoàn toàn khả thi.

Trong suốt khoản thời gian tấm PV được giữ ở nhiệt độ làm việc thấp hơn, tấm

Tấm pin PV hoạt động hiệu quả hơn khi sử dụng vật liệu PCM, giúp hấp thụ nhiệt và duy trì nhiệt độ làm việc thấp hơn Việc kết hợp nước với PCM không chỉ lấp đầy không gian chứa mà còn đảm bảo PCM tiếp xúc tốt với mặt lưng tấm pin, từ đó cải thiện quá trình trao đổi nhiệt So với các nghiên cứu trước đây, cải tiến này mang lại hiệu quả làm mát vượt trội cho tấm pin PV.

Kết quả thực nghiệm ngoài trời

Chế độ thực nghiệm ngoài trời được thực hiện để so sánh và đánh giá hiệu quả sinh điện thực tế của tấm pin mặt trời trong điều kiện tự nhiên Trong chế độ này, các thông số thực nghiệm đã được thiết lập cụ thể để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

- Cường độ bức xạ thực tế đến bề mặt tấm pin dao động trong khoảng 750W/m 2 đến 1150W/m 2

- Nhiệt độ môi trường trung bình khoảng 36 o C

- Tốc độ gió trung bình khoảng 0,2 m/s

- Thời gian thực nghiệm: kéo dài trong 2 giờ

Sự biến động tự nhiên như bóng mây, phản xạ, tán xạ, gió thổi và nhiệt độ môi trường tạo ra khó khăn trong việc so sánh tác động của từng biến số giữa các phiên thực nghiệm khác nhau Tuy nhiên, do hệ thống hoạt động dưới bức xạ mặt trời thực tế, giá trị nhiệt độ và điện năng đầu ra sẽ phản ánh hiệu quả thực tế của quá trình này.

43 GVHD: TS Nguyễn Vũ Lân quả thực tế của giải pháp cải tiến trên hệ thống Kết quả đo được như ở các đồ thị dưới đây

1 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc ở chế độ ngoài trời:

Hình 4.7: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc (chế độ NTR)

2 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + nước ở chế độ ngoài trời:

12h 02 12h 06 12h 10 12 h 14 12h 18 12h 22 12h 26 12h 30 12h 34 12h 38 12h 42 12h 46 12h 50 12h 54 12h 58 13h 02 13h 06 13h 10 13h 14 13h 18 13h 22 13 h 26 13h 30 13h 34 13h 38 13h 42 13h 46 13h 50 13h 54 13h 58 Cư ờn g độ b ức xạ (W/m2)

T mt T dưới Pin T trên Pin Bức xạ

Hình 4.8: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + nước (chế độ NTR)

3 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM ở chế độ ngoài trời:

Hình 4.9: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM (chế độ NTR)

4 Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM + nước:

T mt T trên Pin T dưới Pin Bức xạ

11h 35 11h 41 11h 47 11h 53 11h 59 12h 05 12h 11 12h 17 12 h 23 12h 29 12h 35 12h 41 12h 47 12h 53 12h 59 13h 05 13h 11 13h 17 13h 23 13h 29 13h 35 13 h 41 13h 47 13h 53 13h 59 14h 05 14h 11 Cư ờn g độ b ức xạ (W/m2)

T trên Pin + PCM Bức xạ

Hình 4.10: Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM + nước (chế độ NTR)

5 Tương quan so sánh giữa nhiệt độ trung bình bề mặt của tấm PV ở các chế độ làm việc khác nhau: Để so sánh hiệu suất sinh điện trong điều kiện vận hành thực tế của các tấm pin, tổng lượng bức xạ tới trên diện tích bề mặt tấm pin và tổng lượng điện năng sinh ra của tấm pin được tính theo Bảng 4.1 và qua đó suy ra giá trị hiệu suất trung bình của các mẫu pin

Bảng 4.1: Bảng tính hiệu suất của pin ở các mẫu khác nhau

Mẫu Tổng xạ (J) Tổng Điện năng thu được (J) Hiệu suất

Kết quả nghiên cứu cho thấy mẫu pin được duy trì ổn định nhiệt bằng cách sử dụng PCM kết hợp với nước đạt hiệu suất cao nhất, hoàn toàn phù hợp với các kết quả thí nghiệm trong điều kiện tương ứng.

10h 02 10h 09 10 h 16 10h 23 10h 30 10h 37 10h 44 10h 51 10h 58 11h 05 11h 12 11h 19 11h 26 11h 33 11h 40 11h 47 11h 54 12h 01 12h 08 12h 15 12h 22 12h 29 12 h 36 12h 43 12h 50 12h 57 13h 04 13h 11 13h 18 13h 25 Cư ờn g độ b ức xạ (W/m2)

T mt T dưới Pin + PCM + nước

T trên Pin + PCM + nước Bức xạ

Trong nghiên cứu về hiệu suất sinh điện của tấm pin, tác giả đã chỉ ra rằng nhiệt độ làm việc của tấm pin bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như gió, nhiệt độ môi trường và sự biến động của bức xạ mặt trời Tuy nhiên, để đảm bảo tính chính xác, tác giả đã lựa chọn dữ liệu thí nghiệm trong điều kiện ngoài trời gần như đồng nhất, với nhiệt độ môi trường khoảng 35 – 36 độ C, tốc độ gió dưới 0,1 m/s (trong những ngày nắng nóng và ít gió), và bức xạ ổn định gần 900W/m², loại bỏ các thời điểm có mây che khuất.

Trong khoảng thời gian 2 giờ, khi PAL-33 chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng và gia tăng nhiệt độ, hiệu suất sinh điện đạt 11.21%, cao hơn 3.07% so với tấm pin nguyên bản nhờ vào giải pháp ổn định nhiệt bằng PCM kết hợp với nước Sự chênh lệch này có thể gia tăng nếu lượng PCM sử dụng đủ lớn trong suốt thời gian hoạt động của tấm PV Hình 4.11 minh họa biểu đồ so sánh hiệu suất trung bình của các mẫu pin.

Hình 4.11: So sánh hiệu suất sinh điện trung bình của 04 mẫu pin

Pin Pin + Nước Pin + PCM Pin + PCM + Nước

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng phương án làm mát kết hợp giữa PCM và nước có khả năng duy trì nhiệt độ của tấm gần với nhiệt độ môi trường trong thời gian dài nhất.

Do sự khác biệt về điều kiện thí nghiệm ngoài trời, như cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường và tốc độ gió, ảnh hưởng đến mức độ tản nhiệt, giá trị nhiệt độ bề mặt tấm PV không hoàn toàn tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ Để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này, tác giả đã thực hiện thí nghiệm trong nhiều ngày với thời tiết nắng nóng ổn định và sàng lọc những ngày có điều kiện tương đồng Tuy nhiên, sự tác động đồng thời của nhiều biến số môi trường đã gây khó khăn cho việc so sánh hiệu quả ổn định nhiệt độ chỉ do PCM mang lại Do đó, kết quả hiệu suất sinh điện được sử dụng để phản ánh hiệu quả của giải pháp thiết kế cải tiến.

Quá trình nghiên cứu đã chỉ ra một số kinh nghiệm quan trọng trong việc thiết lập sản phẩm thực tế, đặc biệt là việc đảm bảo tiếp xúc nhiệt tốt giữa bề mặt cần làm mát và lớp PCM Khi PCM được gói trong bao chứa dạng túi mềm, trong quá trình chuyển pha, nó có thể bị biến dạng và tạo ra khe hở giữa lớp PCM và bề mặt làm mát, dẫn đến suy giảm đáng kể hiệu quả trao đổi nhiệt Do đó, cần thiết phải có cơ chế hỗ trợ để giữ lớp PCM luôn được ép chặt lên bề mặt cần làm mát.

Bảng 4.2 trình bày giá trị hiệu suất thực nghiệm tương ứng với các mức nhiệt độ làm việc khác nhau trong điều kiện thí nghiệm ngoài trời, với giả định nhiệt độ môi trường trung bình là 36 oC và tốc độ gió trung bình theo phương ngang khoảng 0,2 m/s.

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

Nhiệt độ bề mặt tấm PV ( o C) Hiệu suất

Dựa trên bảng dữ liệu, tác giả áp dụng phương pháp hồi quy bậc 2 với các phương trình (4.2) và (4.3) để xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ tấm pin và hiệu suất sinh điện, từ đó thu được hàm hồi quy thể hiện rõ ràng sự liên hệ này.

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Tiêu đề	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
Tác giả	Phan Tuấn Lộc
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Vũ Lân
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
Thể loại	báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	5,7 MB