uffile-upload-no-title30098

SCIENCE TECHNOLOGY Số 52 2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA MÔĐUN PIN MẶT TRỜI THE EFFECT OF TEMPERATURE ON THE DARK PROPERTIES OF PHOTOVOLTAIC S[.]

SCIENCE TECHNOLOGY ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA MÔĐUN PIN MẶT TRỜI THE EFFECT OF TEMPERATURE ON THE DARK PROPERTIES OF PHOTOVOLTAIC SOLAR MODULES Nguyễn Thế Vĩnh*, Trần Ngân Hà TÓM TẮT Các đặc điểm thuận nghịch cường độ dòng điện - điện áp (I-V) điện dung - điện áp (C-V) mơđun pin mặt trời silicon vơ định hình đo đạc nhằm nghiên cứu hiệu suất chúng ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt bị che khuất Nhiệt độ môđun tác động trực tiếp đến cường độ dòng rò thuận nghịch Các điểm hư hại nhiệt môđun lượng mặt trời, liên quan đến hiệu ứng nhiệt, ghi lại thảo luận Bằng chứng thực nghiệm cho thấy mức nhiệt độ khác xác nhận yếu tố suy giảm ảnh hưởng đến hiệu suất, hiệu lượng pin mặt trời Từ khóa: Pin/mơđun mặt trời, silicon, nhiệt độ, đặc tính cường độ - điện áp, đặc tính điện dung - điện áp ABSTRACT Forward and reverse dark current-voltage (I-V) and capacitance-voltage (CV) characteristics of commercial amorphous silicon solar modules were measured in order to study their performance under the influence of temperature changes due to direct exposure to heat or to shading Applied module temperatures were directly related to the amount of each of the forward and reverse leakage currents, respectively Hot spots defects and overheating of the solar module, linked to thermal effects, were also documented and discussed Experimental evidence showed that different levels of temperatures are confirmed to be a major degrading factor affecting the performance, efficiency, and power of solar cells and modules Keywords: Solar cells/modules, silicon, temperature, current - voltage characteristics, capacitance - voltage characteristics Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: vinhnt@qui.edu.vn Ngày nhận bài: 05/4/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 30/5/2019 Ngày chấp nhận đăng: 10/6/2019 ĐẶT VẤN ĐỀ Pin lượng mặt trời coi điốt với vùng tiếp giáp silicon p-n diện tích lớn với điện áp quang 0,6V, tạo lệch vị trí electron kết photon tới Mặt khác, xem xét kiến trúc toàn hệ thống cảm biến quang điện, panel hay nguồn, pin quang điện gồm nhiều khối, chúng đặt vào tổ hợp khác nhau, chuỗi và/hoặc song song với để đạt điện áp cường độ theo yêu cầu công suất phát đặc tính tải Mỗi mơđun khối hệ thống lượng mặt trời Mơđun xếp theo nhóm để tạo thành panel mặt trời Khi kết nối theo chuỗi để đạt điện áp cao hơn, môđun gọi chuỗi lượng mặt trời; chuỗi nhóm song song với để đạt mức lượng cao tạo nên mảng lượng mặt trời Trong máy phát quang điện cỡ lớn, đa phần pin quang điện thương mại tạo nên từ vật liệu bán dẫn silicon màng mỏng đơn tinh thể, đa tinh thể vô định Tính chất vật lý điện silicon bán dẫn vô nhạy cảm với nhiệt độ thay đổi Các kết thí nghiệm [1, 2, 3, 5] cho thấy rằng, tính chất hiệu môđun quang điện bị ảnh hương mạnh mẽ thay đổi nhiệt độ Khi nhiệt độ mơđun tăng lên, dịng điện ngắn mạch Isc tăng nhẹ, điện áp mạch hở Voc giảm đáng kể đường cong I-V [6, 7] Theo đó, thay đổi tính chất I-V mức nhiệt cao làm giảm lượng đầu tối đa Pmax môđun Thông thường, thay đổi thông số quang điện trình bày theo giá trị dương âm tỷ lệ phần trăm độ C [8] Trình bày định lượng hiệu ứng nhiệt độ thơng số quang điện cho thấy dịng quang điện tăng lên theo nhiệt độ 0,1% oC-1 giảm độ rộng vùng hạn chế nhiệt pin mặt trời điện áp hở mạch giảm 2mVoC-1 khoảng từ 20 đến 100oC không giảm độ rộng vùng hạn chế mà gia tăng dòng bão hòa Hại hiệu ứng dẫn đến suy giảm 0,35% oC-1 mức lượng tối đa đạt tài liệu tham khảo [9] Các thơng số sau phân tích để đạt gọi nhiệt độ tới hạn môđun quang điện định, theo hoạt động điều kiện làm việc tối ưu hóa Nhiệt độ thay đổi mơđun quang điện đặc trưng nhiều yếu tố bên bên nhiệt độ mơi trường, độ ẩm, dịng ngược nhiều yếu tố khác liên quan đến điều kiện hoạt động Một loạt kiểm tra tiêu chuẩn phát triển để xác định đo lường thay đổi [10], ví dụ như: đo lường hệ số Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ nhiệt độ, đo nhiệt độ pin hoạt động danh nghĩa (NOCT), hiệu pin thử nghiệm điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC) (NOCT), chiếu xạ thấp phơi trời Một vài thông số khác pin thường xem xét độ bền tới hạn, tiếp xúc với tia cực tím, chu kỳ nhiệt, độ ẩm nhiệt ẩm Danh sách khơng kiểm tra tồn diện thử nghiệm khác thực đặc tính pin, đặc biệt cân nhắc yếu tố môi trường pin, chẳng hạn diodes nối tắt đặc tính nhiệt chúng Thiết kế phê duyệt kiểu môđun phải tuân thủ yêu cầu tiêu chuẩn IEC 61215:2005/IEC 61646:2008, ASTM E11771 [10] Các phân tích sâu rộng thử nghiệm đặc tính I-V pin mặt trời mơđun cịn thiếu sót cần thiết, phép đo liệu I-V cung cấp thêm thông tin chức tế bào môđun cho mục đích chẩn đốn Sự đóng góp dịng điện tập trung vào phép đo định lượng thực nghiệm tác động thay đổi nhiệt độ với hiệu ứng nhiệt khác dòng điện ngược chọn, đặc tính I-V Điều thực cách áp dụng mức nhiệt độ tăng dần, có khơng có hiệu ứng dịng điện ngược theo hướng dịng điện tử ngược mơđun lượng mặt trời thu thập Mục đích phương pháp thử nghiệm này, kèm với mơ hình hóa tượng, mơ q nhiệt có hại phân cực ngược ảnh hưởng đến môđun khoảng thời gian định Các kết thảo luận sau làm rõ ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ đến đặc tính vật liệu đóng góp cho nghiên cứu khoa học kỹ thuật việc cải thiện hiệu pin mặt trời quang điện THÍ NGHIỆM Để mơ tả tác động nhiệt đến tính quang điện, môđun lượng mặt trời quang điện, làm từ silicon vơ định hình phổ biến thị trường Các môđun di động xây dựng với bốn ô nối tiếp với mơđun có kích thước 1,1 x 13,7 x 35,1 mm; bảng thông số kỹ thuật môđun cung cấp thông số kỹ thuật sau điều kiện thử nghiệm 200 lx 25oC: Vop = 1,5 V, Iop = 11,5 μA, Voc = V, Isc = 14 μA P = 17,25 μWatt, với đường nối tiếp giáp n - p Cả hai mối nối cuối hàn bạc để đảm bảo khả dẫn dòng tốt giảm tổn thất Trong thí nghiệm, năm mức nhiệt độ 25oC, 50oC, 75oC, 100oC 150oC tác động vào môđun buồng kín cách nhiệt Hiệu ứng nhiệt độ tiến hành gián tiếp đến tế bào quang điện Các đặc tính quang điện I-V C-V đo 10 phút sau ổn định mức nhiệt độ cho tám lần liên tiếp Đầu dò kỹ thuật số nhiệt độ theo dõi nhiệt độ bề mặt mơđun suốt thí nghiệm Mục đích nghiên cứu phân tích hiệu suất môđun quang điện cách xem xét ảnh hưởng nhiệt độ tương tự hư hại làm suy giảm hệ số; đó, điều quan trọng cần lưu ý phép đo IV thực bóng tối thay ánh sáng Các phép đo I-V cung cấp thông tin quan trọng đặc tính bên tế bào quang điện coi tiếp giáp p-n Nó tránh tác động trực tiếp gián tiếp Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 52.2019 dao động ánh sáng nguồn chất quang điện biến động nhiệt độ, ảnh hưởng cuối nguồn gây nhiễu phép đo điện Hình Mạch tương đương tế bào quang điện Các mơ hình dựa mạch tương đương chủ yếu sử dụng cho theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) Mạch tương đương mô hình chung biểu thị hình 1, bao gồm dòng quang, điốt, điện trở song song biểu thị dòng rò điện trở nối tiếp mơ tả điện trở Mơ hình điốt cổ điển pin mặt trời không đủ khơng có giá trị để xử lý vấn đề dòng điện ngược, hiệu ứng nhiệt độ hiệu ứng bóng tổng phần tế bào Một mơ tả tốn học xác pin mặt trời, gọi mơ hình hàm mũ, suy từ trạng thái vật lý pin mặt trời silicon đa tinh thể Mơ hình bao gồm hai điốt D1 D2 [6], cho phép xem xét độ khuếch tán ngược mật độ dòng bão hòa J01 dòng bão hòa ngược tái tổ hợp J02, tương ứng, điện trở nối tiếp Rs điện trở RSH tính đến tính tốn với hệ số lý tưởng tiếp giáp A Dữ liệu đầu vào đưa vào phần mềm thiết kế đặc biệt để thực phép tính số dựa mơ hình hàm mũ tiếp giáp p-n xây dựng theo phương trình sau tổng dịng điện I:   V  R s I     1 I  j01  exp  VT       V  R s I    V  R s I      1    j02 exp    R s   AV  T    (1) Trong phương trình (1), V VT = kT/q điện áp tế bào nhiệt, với T nhiệt độ làm việc tế bào; Q điện tích Q = 1,602177.10-19 (C) k số Boltzmann, k = 1,380662.10-23 (J/K) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Một pin mặt trời bóng tối coi hai điốt Hình 2a 2b đặc tính I-V thu thực nghiệm mơđun thử nghiệm hai nhiệt độ 50°C (hình 2a) 100°C (hình 2b) đóng vai trị tác động nhiệt Năm đường cong thể số Lần ghi lại thời điểm ban đầu (t = 0) lần khác thời điểm khác tác động (t = 20, 40, 60, 80 mn) Các đặc điểm đưa quy mô bán logarith Quan sát thay đổi đáng kể khác đặc SCIENCE TECHNOLOGY tính thu nhiệt độ định đường đặc tính hai nhiệt độ khác tục với mẫu lên đến 80 phút Rò rỉ dòng điện thứ tự 10-8A cho nhiệt độ 50oC tăng dần từ 10-7 đến 10-6A cho nhiệt độ 100oC a) b) Hình Đặc điểm I-V mơđun quang điện tác động nhiệt, I trình bảy theo thang đo logarith: a) Ở nhiệt độ 50oC; b) Ở nhiệt độ 100oC Xem xét so sánh đề cập trên, nhiệt độ cố định 50°C (hình 2a) 100°C (hình 2b), quan sát hai hình, đặc điểm I-V có hai khu vực liên kết với thay đổi đáng kể chế dẫn Vùng nằm phạm vi điện áp nhỏ từ 0,1-2V tương ứng với VOC môđun đưa nhà sản xuất Vùng thứ hai vùng kéo dài từ khoảng 2V đến điện áp đo tối đa 6V Hai vùng giải thích rị rỉ dịng khuếch tán mơđun, kết thay đổi tốc độ tái hợp điện tích bề mặt chất bán dẫn Điều quan trọng cần lưu ý mô hình kết hiệu ứng nhiệt độ dường tương tự với kết đạt kết dịng ngược trước Bây giờ, xem xét so sánh thứ hai kết thí nghiệm đề xuất đặc trưng nhiệt độ, trình bày đầy đủ cho hai cấp nhiệt độ 50 100oC hình 2a 2b Việc thay đổi nhiệt độ lên 25oC gây lượng rò rỉ dòng bắt đầu tăng lên liên tục từ khoảng thời gian 10 phút thí nghiệm tiếp Hình Đặc tính I-V mơđun quang điện tác động nhiệt độ 10 phút Những thay đổi bắt đầu xảy đường cong ghi lại cho thấy thiệt hại nghiêm trọng hơn, ảnh hưởng nhiệt độ xảy pin mặt trời Hiệu ứng thực thời gian đủ ngắn, điện áp khuếch tán bắt đầu giảm đáng kể, khiến môđun hoạt động với cơng suất hiệu suất thấp Để hồn thành phân tích kết ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ đến đặc tính chuyển tiếp mơđun quang điện, dịng điện thuận vẽ so với điện áp thuận hình 3, sử dụng thang đo tuyến tính, khoảng thời gian hiệu suất khoảng nhiệt độ khác Quan sát hình thấy rằng, với điện áp định, dòng điện thuận tăng theo nhiệt độ Điều chủ yếu rò rỉ dòng điện, xảy điện áp hoạt động thấp nhiệt độ tác động tăng lên, gia tăng hoạt tính phân tử vật liệu lớp tiếp giáp a) Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ điện áp hoạt động, giá trị điện dung không bị lệch không cịn tác động Sau đó, nhiệt độ cao hơn, hiệu ứng nhiệt dường trở nên rõ ràng đường cong điện dung bắt đầu lệch tăng mạnh phía vơ cực điện áp thấp (khoảng 2V) dòng điện bắt đầu chảy theo chiều thuận b) Hình Đặc tính I-V ngược môđun quang điện tác động nhiệt độ: a) Ở nhiệt độ 50oC; b) Ở nhiệt độ 100oC Hình 4a 4b trình bày đặc tính ngược môđun thử nghiệm tác động nhiệt độ với giá trị tương ứng 50oC 100oC, vẽ theo tỷ lệ tuyến tính Những đường cong tương tự với cấp nhiệt độ khác Ở đây, đường cong dòng điện ngược tăng giá trị cao từ bắt đầu chịu tác động nhiệt độ, so với giá trị ban đầu chưa chịu tác động nhiệt độ Sự thay đổi chệch hướng trì phạm vi định thời gian chịu tác động tăng lên Sự gia tăng đáng kể dòng điện ngược quan sát thấy sau 10 phút chịu tác động, thời gian đủ để tạo hiệu ứng nhiệt cần thiết sau biến đổi trở nên nhỏ giai đoạn đến mức độ định coi có giá trị khơng đáng kể Điều suy giảm hiệu ứng nhiệt độ hiệu suất pin môđun, tạo ảnh hưởng đáng kể từ đầu Ở đây, vài phần môđun nung nóng chí bị đốt cháy (tùy thuộc vào nhiệt độ tác động) để tạo thành kênh dẫn dịng nơi điện tích qua điểm giới hạn chúng tạo ra, mà không làm hỏng khu vực khác Đây lý thời gian chịu tác động lâu phá hỏng không tăng lên, nhiên thực tế, dòng ngược tăng theo thời gian, dường lớp tiếp giáp trì điểm bị cháy khơng rị rỉ đủ dịng điện ngược Điều quan trọng cần lưu ý hiệu ứng nhiệt độ đảo ngược sau loại bỏ tác động nhiệt với số rò rỉ dòng điện, trừ xảy dòng điện đánh thủng tiếp giáp Trong hình 5a, thay đổi đường cong, thời điểm tác động khác nhỏ điện dung thay đổi từ khoảng 6.10-9 7.10-9F đến vô khoảng từ -5 V đến +5 V Nhưng hình 5b, thiết bị chịu tác động nhiệt độ cao hơn, biến đổi trở nên đáng ý có dịng rị cao môđun ảnh hưởng đến điện dung Trên thực tế, miễn điện áp mơđun nhỏ Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 52.2019 a) b) Hình Đặc tính C-V môđun quang điện tác động nhiệt độ: a) Ở nhiệt độ 50oC; b) Ở nhiệt độ 100oC KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho thấy hiệu suất pin lượng mặt trời phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ Các đặc tính mơđun tác động nhiệt độ hiển thị đường đặc tính I - V hay đường đặc tính C - V xác định thực nghiệm Ngoài ra, pin mặt trời chịu tác động nhiệt độ cao dẫn đến hư hại đáng kể cho tế bào quang điện Khi xuất dòng rò lớp tiếp giáp Dịng rị mơđun ngày tăng đủ để quan sát thấy vật mẫu chịu tác động nhiệt lớn dần SCIENCE TECHNOLOGY TÀI LIỆU YHAM KHẢO [1] Nordmann, T., & Clavadetscher, L., 2003 Understanding temperature effects on PV systems performance Paper presented at the 3rd world conference on Photovoltaic Energy Conversion, 11-18 May 2003, Osaka, Japan [2] Friesen, G., Zaaiman, W., & Bishop, J., 1998 Temperature behaviour of photovoltaic parameters Proc of the 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 6-10 July 1998, Wien, Austria [3] Saengprajak, A., & Pattanasethanon, S., 2009 The low temperature analysis of the used PV modules during on-site generation in Thailand Journal of Applied Sciences 9(22), 3966-3974 [4] Sharri, S., Sopian, K., Amin, N., & Kassim, M., 2009 The temperature dependence coefficients of amorphous silicon and crystalline photovoltaic modules using Malaysian field test investigation American Journal of Applied Sciences 6(4), 586-593 [5] Ưzdemir, S and Dưkme, I., & Altındal, S., 2011 The forward bias current density- voltage-temperature (J-V-T) characteristics of Al-SiO2-pSi (MIS) Schottky diodes International Journal of Electronics, 98-6, 699-712 [6] Taherbaneh M., Rezaie A H., Ghafoorifard H., Rahimi K., Menhaj M B., & Milimonfared, J M., 2011 Evaluation of two-diode-model of a solar panel in a wide range of environmental conditions InternationalJournal of Electronics, 983, 357-377., [7] Zegaoui, A., Aillerie, M., Petit, P., Sawicki, J -P., Charles, J P., Belarbi, A W., 2011 Dynamic behaviour of PV generator trackers under irradiation and temperature changes Solar Energy, 85(11), 2953-2964 http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2011.08.038 [8] Mahanama, G D K., & Reehal, H S., 2005 Dark and illuminated characteristics of crystalline silicon solar cells with ECR plasma CVD deposited emitters International Journal of Electronics, 92(9), 525-537 [9] Andreev, V., Grilikhes, V., & Rumyanstev, V., 1997 Handbook of photovoltaic science and engineering John Wiley and Sons, ISBN: 978-0-47196765-1, UK [10] Rheinland TÜV., 2009 Design qualification and type approval of PV modules according to 61215:2005/IEC 61646:2008 TÜV Rheinland Immissionsschutz und Energiesysteme Gmbh Renewable Energies, 1-5 [11] www.solar- academy.com/menuis/IEC_61215_61646022540.pdf AUTHORS INFORMATION Nguyen The Vinh, Tran Ngan Ha Quang Ninh University of Industry Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ