Nghiên cứu thực nghiệm cải tiến đặc tính nhiệt học của tấm pin mặt trời

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.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 43 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẢI TIẾN ĐẶC TÍNH NHIỆT HỌC CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON IMPROVEMENT FOR THERMAL RESPONSE OF PHOTOVOLTAIC PANELS Nguyễn Vũ Lân, Hoàng An Quốc, Nguyễn Thành Sơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 11/5/2020, ngày phản biện đánh giá 28/5/2020, ngày chấp nhận đăng 28/5/2020 TĨM TẮT Đặc tính nhiệt – điện pin mặt trời (PV solar cells) thương phẩm nói chung có mối quan hệ tỷ lệ nghịch nhiệt độ làm việc pin hiệu suất sinh điện Do để tối đa hóa trình sinh điện cần phải có chế hỗ trợ cho nhiệt độ làm việc giữ vùng giá trị thấp tốt Tấm pin thường có cấu trúc phẳng lắp đặt với khoảng trống thoáng mặt trước mặt lưng Tuy nhiên, nhiệt độ làm việc thực tế cao so với nhiệt độ mơi trường hiệu suất sinh điện thực tế thấp nhiều so với hiệu suất định mức ghi thông số kỹ thuật pin Nghiên cứu nhằm mục đích hỗ trợ trình giữ nhiệt độ làm việc pin vùng gần giá trị nhiệt độ môi trường giải pháp kết hợp sử dụng vật liệu chuyển pha (PCM) hệ thống làm mát nước Kết cho thấy, nhiệt độ làm việc pin xử lý hỗ trợ phương án kết hợp có giá trị thấp pin khơng hỗ trợ khoảng 7oC – 15oC, qua giúp tăng thời gian trì hiệu suất sinh điện đầu pin trình vận hành, cao hiệu suất pin không hỗ trợ khoảng 3,07% Mức giảm nhiệt độ thời gian trì khoảng nhiệt độ làm việc thấp phụ thuộc vào hàm lượng PCM sử dụng, hình thức trao đổi nhiệt hệ làm mát nước điều kiện môi trường bao gồm cường độ xạ tới nhiệt độ mơi trường xung quanh Bên cạnh đó, mức độ tiếp xúc trao đổi nhiệt thành phần kết cấu hệ yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu trì nhiệt độ làm việc mức thấp pin Từ khóa: Pin mặt trời; Vật liệu chuyển pha; Hiệu suất pin; Tấm pin làm mát; Bức xạ mặt trời ABSTRACT Thermoelectric characteristic of commercial PV solar cells shows a reverse proportion between working temperature and produced electricity Therefore, PV panels normally have flat-plate structure and are installed with open spaces at both front and back sides to facilitate natural convection and radiation to surrounding ambience However, the actual working temperature of PV panels in general condition is usually much higher than the ambient temperature, thus its actual electrical efficiency is also quite lower than the nominated efficiency stated in its specifications This research focuses on the solution to keep the working temperature if the PV panels by combining the supporting effects of PCMs and water cooling system Results show that thank to the combined solution the temperature could be maintained at – 15oC lower than that of the original PV without the supporting solution It means that the electrical efficiency is kept longer at its higher range which is about 3.07% higher than that of the original PV The temperature difference and the working period at lower temperature depend on the amount of PCM used, convection enhancement of water cooler employed, ambient conditions including incident radiation and temperature Besides, heat transfer contact quality between each pair of components strongly effects on how effectively the working temperature is kept low Keywords: PV solar cells; PCM; PV efficiency; Cooled PV; Solar radiation 44 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Ký hiệu Đơn Ý nghĩa vị Pin mặt trời thiết bị dùng phổ biến giới để biến đổi lượng mặt trời (năng lượng sạch) thành điện Điện sinh ứng dụng trực tiếp chỗ tích lũy truyền tải dạng điện chiều xoay chiều lưới điện Nhìn chung hiệu suất pin mặt trời thương mại thị trường chưa cao, tùy thuộc vào nguyên liệu dùng để chế tạo Các pin thương mại phổ biến chuẩn hóa thành dạng phẳng có cấu trúc tối giản (tấm pin đặt bên lớp kính bảo vệ nằm đỡ đóng kín viền bao xung quanh) với nhiều kích thước khác Tuy nhiên, tất pin mặt trời có nhược điểm chung nhiệt độ làm việc cao hiệu suất chuyển đổi điện thấp, lượng điện sinh giảm Mức suy giảm mạnh với pin chế tạo từ vật liệu có hệ số hấp thụ hồng ngoại mặt trời cao Với cấu trúc tối giản nêu trên, chế ổn định nhiệt gần phụ thuộc hồn tồn vào cường độ xạ điều kiện mơi trường (nhiệt độ, gió hỗ trợ đối lưu tản nhiệt mặt tấm) Vì cần có thêm nghiên cứu thực việc kết hợp giải pháp ổn định nhiệt độ làm việc để nâng cao hiệu suất pin bên cạnh việc tìm kiếm vật liệu quang điện hiệu Trong nhiều hình thức cải tiến chế giải nhiệt, việc sử dụng vật liệu chuyển pha (PCM) để trì nhiệt độ làm việc pin mức thấp, qua nâng cao hiệu suất sinh điện pin mặt trời nhiều nhà khoa học giới nghiên cứu T o C Nhiệt độ mặt PV Tref o C Nhiệt độ tham chiếu (nhiệt độ phịng thí nghiệm) Ti o C Nhiệt độ ban đầu Tj o C Nhiệt độ đo thời điểm đo Tf o C Nhiệt độ cuối Tm o C Nhiệt độ nóng chảy Tc o C Nhiệt độ làm việc PV ref % Hiệu suất sinh điện điều kiện nhiệt độ Tref = 25oC, tổng xạ GT = 1kW/m2 T % Hiệu suất sinh điện theo nhiệt độ βref %/K Hệ số hiệu suất – nhiệt độ GT W/m2 Tổng xạ tới Q J Nhiệt lượng PV % Độ xuyên thấu lớp kính chắn PV A m2 diện tích bề mặt PV ref %/K Hệ số công suất – nhiệt độ E W Tổng lượng mặt trời tới bề mặt diện tích PV Eđ W Tổng lượng điện sinh PV En W Tổng lượng nhiệt thu từ PV El W Tổng lượng lưu trữ PCM thành phần khác hệ Ett W Tổng lượng tổn thất phản xạ, xạ nhiệt, truyền nhiệt đối lưu môi trường Cp J/kgK Nhiệt dung riêng Cpr J/kgK Nhiệt dung riêng pha rắn Cpl J/kgK Nhiệt dung riêng pha lỏng ∆hm J/kg Ẩn nhiệt m kg Khối lượng f - Tỷ lệ phần nóng chảy PCM - Phase change material PV - Photovoltaic PV/T - Photovoltaic – Thermal system MEPC M- PV - Micro enveloped Phase Change Material – Photovoltaic system GIỚI THIỆU Công nghệ chế tạo pin mặt trời dựa vào nguyên lý quang điện lớp vật chất bán dẫn ánh sáng với cường độ bước sóng phù hợp chiếu vào giải phóng điện tử tự tạo thành dòng điện Hiệu suất trình chuyển đổi từ quang thành điện phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu sử dụng, chất lượng nguồn sáng, bước sóng cường độ xạ Tuy nhiên, Dubey cộng [1] Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh nhiệt độ làm việc pin mặt trời trình làm việc thông số tỷ lệ nghịch với hiệu suất chuyển đổi xạ mặt trời thành điện pin Trước thực tế đó, giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất sinh điện pin mặt trời mức cao bao gồm (a) Cải tiến vật chất tạo nên lớp quang điện cách trộn thêm thành phần phụ (doping) lớp vật liệu quang điện, (b) khắc phục vấn đề tăng nhiệt độ trình làm việc pin Ở phương án (a), việc cải tiến cơng nghệ chế tạo địi hỏi sở vật chất thí nghiệm sản xuất đại, vật liệu phải điều chế thực công nghệ gia công nano tinh vi với chi phí đầu tư cao Trong phương án (b) có nhiều lựa chọn cho giải pháp nghiên cứu tăng cường hiệu ứng đối lưu tự nhiên cưỡng cách dùng hệ thống làm mát phụ trợ, gắn thêm cánh tản nhiệt để hỗ trợ trình tỏa nhiệt pin với chi phí thấp Có thể kể đến nghiên cứu giới đề xuất nhóm giải pháp khác (i) nghiên cứu chế tạo vật liệu quang điện có hiệu suất chuyển đổi xạ mặt trời thành điện cao [2]; (ii) tìm kiếm phương án điều khiển hệ thống chuyển đổi nạp điện (PV-converter-battery) cách thông minh để thu nhiều điện [3]; (iii) áp dụng chế hỗ trợ làm mát thông qua chế truyền nhiệt đối lưu [4–6]; (iv) sử dụng phương pháp trao đổi nhiệt vi kênh để tăng cường tốc độ tản nhiệt [7–8]; (v) dùng vật liệu chuyển pha với khả giữ nhiệt độ tăng chậm gần khơng đổi q trình chuyển pha [9–12] để hỗ trợ giữ ổn định nhiệt độ làm việc Browne cộng [13] có nghiên cứu tổng quan phương pháp quản lý nhiệt mơ hình tế bào quang điện (PV), đặc biệt ý đến việc sử dụng PCM hệ thống quản lý nhiệt PV Việc điều chỉnh nhiệt độ hệ thống PV bao gồm tế bào silic tinh thể dường khả thi kinh tế sử dụng hệ thống PV/PCM Nghiên cứu việc sử dụng PCM giúp cải thiện hiệu suất PV nhiều điều cần 45 khám phá cải tiến đặc biệt q trình đơng đặc giải phóng nhiệt PCM Do đó, PCM ứng dụng phù hợp lĩnh vực làm mát pin mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất pin Nói đến ứng dụng này, Smith cộng [14] phân tích tổng quan sản lượng lượng quang điện gia tăng nhờ PCM làm mát Mơ sử dụng mơ hình cân lượng chiều với nhiệt độ môi trường xung quanh, độ rung tốc độ gió trích xuất từ ERA-Interim phân tích lại liệu khí hậu lưới toàn cầu chia độ 1,50 kinh độ x 1,50 vĩ tuyến Hiệu việc thay đổi nhiệt độ nóng chảy PCM từ 0°C đến 50°C nghiên cứu để xác định nhiệt độ nóng chảy tối ưu vị trí lưới Khi sử dụng nhiệt độ nóng chảy PCM tối ưu, sản lượng lượng PV hàng năm tăng 6% Mêhicô Đông Phi, 5% nhiều địa điểm Trung Nam Mỹ, phần lớn Châu Phi, Ả Rập, Nam Á Quần đảo Inđônêxia Tại Châu Âu, sản lượng lượng tăng lên dao động từ 2% đến gần 5% Bên cạnh Browne cộng [15] nghiên cứu giữ nhiệt PV thu nhiệt có PCM (PV/T/PCM), hệ thống thiết kế kết hợp module PV với thu nhiệt, nhiệt lấy từ trao đổi nhiệt gắn PCM Hiệu suất hệ thống trường hợp (hệ thống có PV, hệ thống có PCM, hệ thống có/khơng có trao đổi nhiệt) so sánh Kết cho thấy nước hệ thống sử dụng PCM có nhiệt độ cao khoảng 5,5℃ so với nước hệ thống PV/T khơng có PCM Hasan cộng [16] phát triển hệ thống PV-PCM để giảm nhiệt độ PV cách so sánh đánh giá loại vật liệu PCM: muối hydrate CaCl2.6H2O hỗn hợp eutectic axit béo axit capric-palmitic đặt hai địa điểm khác Cả hai PCM tích hợp trì nhiệt độ PV thấp so với PV nguyên Muối hydrate CaCl2.6H2O trì nhiệt độ PV thấp axit capric-palmitic hai địa điểm kiểm tra Nhiệt độ PV thấp hiệu sử dụng PCMs ngăn cản tổn thất PV tăng hiệu suất chuyển đổi điện Ho 46 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh cộng [17] nghiên cứu lớp vật liệu chuyển pha dạng gói micro (MEPCM) đặt mặt PV để tạo thành module MEPCM-PV, trôi mặt nước, với nhiệt độ nóng chảy 30oC 28°C độ dày 5cm 3cm Hiệu suất phát điện cải thiện sử dung MEPCM 5cm với điểm nóng chảy 30°C gắn vào mặt sau PV Hasan cộng [18] thử nghiệm với loại PCM, cường độ khác ánh sáng (500W/m2, 750W/m2 1.000W/m2) Kết cho thấy hydrate muối dày 50 mm phương pháp thành cơng việc trì giảm nhiệt độ 10oC thời gian dài 5h, cường độ xạ 1.000W/m2 Gaur cộng [19] nghiên cứu mô hiệu suất điện nhiệt cho thu nhiệt quang điện hấp thụ hồn tồn có khơng sử dụng PCM Nhiệt điện thực với PCM sử dụng PCM OM37, mơ hình đặt Pháp mùa đơng mùa hè Trong thời gian nắng, tăng khối lượng PCM lên đến giá trị tối ưu làm giảm nhiệt độ dẫn đến hiệu điện cao cho phép cung cấp nhiệt độ nước cao vào ban đêm Atkin Farid [20] nghiên cứu nâng cao hiệu tế bào quang điện sử dụng PCM trộn than chì cánh nhôm, kết hệ số dẫn nhiệt PCM tinh khiết PCM trộn than chì 0,25 16,6 W/m.K Huang cộng [21] thực mơ hình PV tích hợp tản nhiệt nhôm kết hợp PCM để nâng cao hiệu suất PV Nhiệt độ hoạt động tăng làm giảm hiệu suất chuyển đổi điện mặt trời việc xây dựng thiết bị quang điện tích hợp Tóm lại, giải pháp có mức độ đáp ứng khống chế nhiệt độ khác có phương thức thiết kế áp dụng khác nhìn chung giúp giữ cho nhiệt độ làm việc PV thấp mức nhiệt độ làm việc thơng thường khơng có hỗ trợ trì mức hiệu suất chuyển đổi khoảng gần với giá trị hiệu suất làm việc tối đa pin hơn, thời gian lâu Nghiên cứu đề xuất giải pháp cải tiến cấu trúc để hỗ trợ trình ổn định trì nhiệt độ làm việc pin khoảng gần nhiệt độ mơi trường Qua giúp nâng cao tổng lượng điện sinh pin Trong chưa thể phát minh vật liệu quang điện có hiệu suất chuyển đổi nhiệt cao sản phẩm sẵn có, việc cải tiến nâng cao hiệu sử dụng pin mặt trời hoàn toàn cần thiết khả thi Việt Nam để mang lại hiệu khai thác tốt cho người sử dụng Với số lượng lớn pin mặt trời sử dụng nước phạm vi toàn giới, giải pháp nâng cao hiệu suất dù vài phần trăm đem lại lượng điện lớn giúp tận dụng tốt nguồn lượng từ thiên nhiên CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin mặt trời Khi tiếp xúc với xạ mặt trời, phần phổ xạ mặt trời bao gồm bước sóng cực tím, khả kiến cận hồng ngoại có tác dụng sinh điện cho PV (vùng bước sóng ngắn 1100nm với PV làm từ Silic) Ngược lại, bước sóng sâu vùng hồng ngoại không giúp sinh điện cho PV lại khiến pin bị nóng lên, khiến cho hiệu suất pin bị suy giảm Tuy nhiên, vùng bước sóng ln thành phần tự nhiên tồn xạ mặt trời Cấu trúc pin biểu diễn Hình Thơng thường, phương trình phản ánh mối quan hệ nhiệt độ làm việc hiệu suất hay công suất sinh điện PV nêu công thức sau [22]: T = ref  [1 – βref (T – Tref)] (1) Công suất sinh điện pin tính theo cơng thức: P = GT PVrefA[1–ref (Tc–25)] (2) Phương trình biến đổi lượng PV xác định sau: E = Eđ + En + El + Ett (3) Công thức xác định hiệu suất thực nghiệm pin khoảng thời gian khảo sát:  = Eđ / E  100% (4) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh độ: Tấm kính  Lớp cell  pin mặt trời (8) MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Mơ hình thực nghiệm Lớp keo EVA  Tấm đáy  Hình Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời PV 2.2 Vật liệu biến đổi pha (PCM) PCM phân loại thành nhiều loại khác hợp chất hữu vô cơ, hỗn hợp eutectic hợp chất Tất chúng cung cấp nhiệt cho giai đoạn chuyển pha nhiệt độ khác Ở trạng thái rắn hoàn toàn lỏng hoàn tồn PCM, q trình trao đổi nhiệt diễn ra, nhiệt lượng lưu trữ gia tăng nhiệt độ PCM (quá trình nạp) nhiệt lượng giải phóng giảm nhiệt độ PCM (quá trình xả) phụ thuộc vào yếu tố bao gồm nhiệt dung riêng, thay đổi nhiệt độ khối lượng vật liệu lưu trữ Phương trình nhiệt thể rắn lỏng PCM là: T Q = ∫T f mCp dT (5) i thì: Nếu Cpr Cpl không thay đổi theo nhiệt Q = m[Cpr(Tm – Ti)+fΔhm+Cpl(Tf – Tm)] Lớp keo EVA  47 Khi coi Cp không thay đổi theo nhiệt độ Q = mCp(Tf – Ti) (6) Khi trạng thái chuyển đổi pha, nhiệt lượng hấp thụ chuyển thành ẩn nhiệt vật liệu (quá trình nạp) nhiệt lượng giải phóng chuyển từ ẩn nhiệt vật liệu sinh môi trường Ẩn nhiệt đơn vị khối lượng cao tốt để giảm thiểu giãn nở nhiệt lớp chứa PCM Dung lượng lưu trữ nhiệt ẩn hệ thống với lượng PCM trung bình cho phương trình: T T i m Q= ∫T m mCpdT +mf∆hm + ∫T f mCp dT (7) Tấm pin mặt trời sử dụng thuộc loại Mono 35W hãng Solarhouse với kích thước 675mm  395mm  35mm, cường độ dòng ngắn mạch 1,93A điện áp hở mạch cực đại 21,6V Trong nghiên cứu này, vật liệu chuyển pha PAL-33, loại PCM hữu dạng rắn – lỏng thuộc họ parafin sử dụng có xuất xứ từ Đài Loan có thơng số nhiệt học Bảng Trong điều kiện làm việc thông thường PV, đặc biệt khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, nhiệt độ mơi trường (trong thời gian có nắng chiếu) khoảng 30oC đến 40oC, nhiệt độ bề mặt pin khoảng 60oC Do vậy, tác giả chọn PCM có nhiệt độ nóng chảy mức 33oC để đảm bảo q trình nóng chảy PCM giữ nhiệt độ làm việc PCM gần mức nhiệt độ môi trường Nếu giá trị nhiệt độ nóng chảy chọn thấp so với nhiệt độ mơi trường PCM gần trạng thái lỏng khả chuyển pha đặc biệt Nếu giá trị nhiệt độ nóng chảy chọn cao nhiều so với mức nhiệt độ làm việc thông thường pin PCM gần ln thể rắn khơng thể tính đặc biệt q trình chuyển pha Do mục đích nghiên cứu trì trình giữ nhiệt độ làm việc PV mức thấp (so với PV nguyên bản) lâu tốt, việc sử dụng PCM có dung lượng ẩn nhiệt lớn cần dùng khối lượng PCM Mặc dù có nhược điểm dễ cháy, bao bọc cẩn thận, khơng rị rỉ đảm bảo an tồn Ngoài ra, vật liệu PCM hữu rắn – lỏng có tính oxi hóa thấp vật liệu chứa đựng PCM dạng bao gói thông thường nhựa kim loại Lớp hỗ trợ khống chế nhiệt độ làm việc khơng thể nằm phía bề mặt PV (vì cản ánh sáng mặt 48 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh trời tới bề mặt tấm) lớp PCM thêm vào phía lưng PV Việc đưa thêm nước kết hợp PCM (Hình 2) nhằm mục đích nhờ lực lớp PCM đẩy lên áp sát lưng PV (do khối lượng riêng PCM nhỏ nước) q trình trao đổi nhiệt PV lớp PCM đảm bảo Bảng Đặc tính nhiệt học PCM 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/m3 Khối lượng riêng (ở thể lỏng) ρl 781 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt (ở thể rắn) λr 0,17 W/mK Hệ số dẫn nhiệt (ở thể lỏng) λl 0,25 W/mK H 45,8 kJ/kg Ẩn nhiệt chuyển pha Tấm kính  Lớp keo EVA  Lớp cell pin mặt trời  Lớp keo EVA  Tấm đáy  Lớp PCM Lớp nước  Đáy hộp chứa  Hình Sơ đồ cấu tạo mơ hình thí nghiệm PV + PCM + nước (mẫu 4) Hình Mơ hình Mẫu Mẫu Có mẫu thực nghiệm bao gồm PV nguyên (mẫu 1), PV kết hợp nước (mẫu 2), PV kết hợp PCM (mẫu 3), PV kết hợp PCM nước (mẫu 4) gia công thực nghiệm chế độ phịng thí nghiệm ngồi trời Máng chứa nhựa mica chế tạo để chứa nước PCM mẫu mẫu Hình 3.2 Phương pháp nghiên cứu Hệ thống thí nghiệm sử dụng cảm biến Pt-100 (với sai số 0,15oC, khoảng đo -50oC – 200oC) kết nối với thu thập liệu ADAM-4015 kết nối với máy tính qua giao thức truyền RS-232 Sơ đồ bố trí vị trí đo nhiệt độ bề mặt PV Hình Ở chế độ phịng thí nghiệm, 02 đèn halogen loại 500W/220V sử dụng để tạo nguồn sáng giả lập chiếu xạ tương đối đồng cỡ 800W/m2 bề mặt pin Ở chế độ trời, thiết bị đo Tenmars 206 sử dụng để đo cường độ xạ tới (với độ phân giải 0,1W/m2) Mỗi chế độ thực nghiệm thực nhiều lần để loại trừ trường hợp xảy tác động nhiễu đột biến ngồi ý muốn Sau đó, điểm giá trị kết bước đo giống lấy giá trị trung bình từ phiên thực nghiệm điều kiện nhằm tạo giá trị đại diện chung để tăng cường độ xác kết Đồ thị thực nghiệm tái với liệu xử lý làm sở phát biểu nhận xét so sánh Dựa vào liệu thực nghiệm, đề tài phương trình hồi quy thể mối quan hệ hiệu suất nhiệt độ pin Mơ hình hồi quy bậc sử dụng với phương trình biểu diễn sau: (T) = a0 + a1T (9) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Chế độ phịng thí nghiệm Thực nghiệm chế độ phịng thí nghiệm (indoor) thực nhằm mục đích đánh giá so sánh hiệu làm mát PV mẫu pin Do điều kiện phịng thí nghiệm giúp đảm bảo ổn định số thông số ảnh hưởng đến trình tản nhiệt pin nhiệt độ mơi trường (nhiệt độ phịng), bỏ qua luồng gió đối lưu (gần 0), khơng bị gián đoạn nguồn nhiệt bóng râm tán xạ ngồi ý muốn Đây điều đảm bảo thực thí nghiệm ngồi trời khó so sánh kết Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp phải dùng nguồn sáng giả lập từ đèn halogen với quang phổ chủ yếu vùng cận hồng ngoại hồng ngoại, khơng hồn tồn giống quang phổ xạ mặt trời Do vậy, giá trị đo mang tính chất so sánh mặt nhiệt học, khơng mang tính chất đánh giá hiệu chuyển đổi điện pin Ở chế độ thực nghiệm này, thông số thực nghiệm thiết lập sau: cường độ xạ giả lập tới bề mặt pin 800W/m2, nhiệt độ phịng trì khoảng 34oC, tốc độ gió  0m/s, nhiễu ánh sáng  0% so với cường độ xạ đèn, thời gian thực nghiệm: kéo dài 2,5 ~ 3,0 (đủ để điểm đo đạt đến giá trị nhiệt độ ổn định dài hạn) Kết đo mô hình diễn giải Hình 5, 6, 7, 70.00 60.00 Nhiệt độ (oC) (10) 50.00 40.00 30.00 T mặt 20.00 T mặt Pin 10.00 T môi trường 0.00 Thời gian (giờ) Hình Nhiệt độ PV nguyên 80.00 70.00 60.00 Nhiệt độ (oC) (∑ 𝑇𝑖 )𝑎0 + (∑ 𝑇𝑖2 )𝑎1 = (∑ 𝑇𝑖 𝑖 ) 80.00 50.00 40.00 30.00 T mặt 20.00 T mặt Pin + Nước 10.00 T môi trường 0.00 Thời gian (giờ) Hình Nhiệt độ PV + nước 90 80 70 Nhiệt độ (oC) { (𝑛)𝑎0 + (∑ 𝑇𝑖 )𝑎1 = (∑ 𝑖 ) 49 60 50 40 30 T môi trường 20 T mặt 10 T mặt Pin + PCM Thời gian (giờ) Hình Nhiệt độ PV + PCM 100.00 Nhiệt độ (oC) 80.00 60.00 40.00 T mặt T mặt Pin + PCM + Nước T môi trường 20.00 0.00 Hình Sơ đồ vị trí điểm đặt đầu đo nhiệt độ PV 0.5 Thời gian (giờ) 1.0 Hình Nhiệt độ PV + PCM + nước Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Nhiệt độ (oC) 70.00 50.00 30.00 10.00 -10.00 T mặt Pin T môi trường T mặt Pin + Nước T mặt Pin + PCM T mặt Pin + PCM + Nước Thời gian (hh:mm) Hình So sánh nhiệt độ mặt PV mẫu 4.2 Chế độ trời Chế độ thực nghiệm trời (outdoor) nhằm mục đích so sánh đánh giá hiệu sinh điện thực tế PV làm việc điều kiện tự nhiên Ở chế độ này, thông số thực nghiệm bao gồm cường độ xạ thực tế đến bề mặt PV giao động khoảng 750W/m2 đến 1150W/m2, nhiệt độ Để so sánh hiệu suất sinh điện điều kiện vận hành thực tế pin, tổng lượng xạ tới diện tích bề mặt pin tổng lượng điện sinh pin tính theo Bảng qua suy giá trị hiệu suất trung bình mẫu pin Mẫu pin giữ ổn định nhiệt PCM + Nước cho kết hiệu suất cao Điều hoàn toàn phù hợp với kết thí nghiệm phịng thí nghiệm Mặc dù giải thích trên, giá trị nhiệt độ làm việc pin hiệu suất sinh điện pin có chịu ảnh hưởng gió, nhiệt độ mơi trường biến động xạ mặt trời ngày thực nghiệm, tác giả sàng lọc liệu thí nghiệm có điều kiện ngồi trời gần giống (nhiệt độ môi trường giao động quanh khoảng 35 – 36oC, tốc độ gió thấp 0,1 m/s (những ngày trời nắng oi lặng gió), xạ tương đối ổn định mức gần 900-1000W/m2, bỏ qua số thời điểm bị mây che khuất 70 1200 60 1000 50 800 40 600 30 400 20 10 T mt T Pin T Pin Bức xạ 200 Cường độ xạ (W/m2 ) 90.00 mơi trường trung bình khoảng 36oC, tốc độ gió trung bình khoảng 0,2 m/s Do có biến động tự nhiên bóng mây, phản xạ, tán xạ, gió thổi, nhiệt độ mơi trường nên điều kiện làm việc khó khăn cho kết luận so sánh tác động riêng biến số lên nhiệt độ làm việc PV phiên thực nghiệm khác Tuy nhiên, hệ thống làm việc xạ mặt trời thực tế nên giá trị nhiệt độ điện đầu phản ánh hiệu thực tế giải pháp cải tiến hệ thống Kết đo chế độ ngồi trời mẫu thí nghiệm trình bày đồ thị Hình 10 đến Hình 13 12h02 12h08 12h14 12h20 12h26 12h32 12h38 12h44 12h50 12h56 13h02 13h08 13h14 13h20 13h26 13h32 13h38 13h44 13h50 13h56 Hình Hình cho thấy làm giảm nhiệt độ làm việc pin chủ yếu nhờ PCM gây nên Nước đóng vai trị nhỏ việc hỗ trợ q trình giải nhiệt cho pin thực chất lớp nước trường hợp có vai trị để giúp nâng giữ PCM lên tiếp xúc với mặt lưng pin Kết so sánh phương án làm mát PCM + Nước cho khả trì nhiệt độ PV giá trị gần nhiệt độ môi trường tốt mức giảm nhiệt độ phạm vi 7oC – 15oC Do khối lượng PAL-33 sử dụng tương đối ít, nên thời gian trì nhiệt độ PV thấp kéo dài khoảng gần nửa Rõ ràng rằng, lượng PCM sử dụng đủ nhiều giúp trì vùng nhiệt độ bề mặt thấp suốt thời gian làm việc PV ngày Trong trường hợp có PCM với ẩn nhiệt cao gấp đến lần ẩn nhiệt PAL-33 khối lượng PCM cần dùng suy giảm đáng kể Trong thực tế điều hồn tồn đạt giá trị ẩn nhiệt nhiều loại PCM thương phẩm nằm khoảng 100 đến 200 kJ/kg [23] Nhiệt độ (oC) 50 Thời gian (hh:mm) Hình 10 Nhiệt độ PV nguyên Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 1200 60.00 1000 800 40.00 600 30.00 400 T mt 20.00 T Pin + PCM + nước T Pin + PCM + nước 10.00 200 Cường độ xạ (W/m2 ) 70.00 50.00 Nhiệt độ (oC) Bức xạ 0.00 10h02 10h13 10h24 10h35 10h46 10h57 11h08 11h19 11h30 11h41 11h52 12h03 12h14 12h25 12h36 12h47 12h58 13h09 13h20 Xét khoảng thời gian (là khoảng thời gian mà PAL-33 từ trạng thái rắn chuyển pha hồn tồn sang lỏng sau hệ lỏng tiếp tục gia tăng nhiệt độ), nhờ giải pháp hỗ trợ ổn định nhiệt PCM kết hợp với nước, hiệu suất sinh điện đạt mức 11.21%, cao khoảng 3,07% so với hiệu suất đạt PV nguyên Rõ ràng, khoảng chênh lệch tăng lên lượng PCM sử dụng đủ nhiều toàn thời gian làm việc ngày PV Hình 14 thể biểu đồ so sánh tương quan giá trị hiệu suất trung bình đạt mẫu pin 51 Thời gian (hh:mm) Hình 13 Nhiệt độ PV+PCM+nước 12.00% 70.00 1200 10.00% 60.00 1000 40.00 600 30.00 400 20.00 T Pin 10h20 10h27 10h34 10h41 10h48 10h55 11h02 11h09 11h16 11h23 11h30 11h37 11h44 11h51 11h58 12h05 12h12 12h19 Mẫu 1200 70.00 60.00 800 40.00 600 30.00 T mt 400 T Pin+PCM T Pin + PCM 200 Bức xạ 11h35 11h44 11h53 12h02 12h11 12h20 12h29 12h38 12h47 12h56 13h05 13h14 13h23 13h32 13h41 13h50 13h59 14h08 0.00 Thời gian (hh:mm) Hình 12 Nhiệt độ PV + PCM Cường độ xạ (W/m2 ) 1000 50.00 Pin+PCM Pin+PCM+Nước Bảng Kết thực nghiệm hiệu suất sinh điện pin mẫu khác Hình 11 Nhiệt độ PV + nước 80.00 Pin+Nước Hình 14 Biểu đồ so sánh hiệu suất sinh điện trung bình 04 mẫu pin Thời gian (hh:mm) Nhiệt độ (oC) 2.00% Pin Bức xạ 0.00 10.00 4.00% 200 10.00 20.00 6.00% 0.00% T Pin T mt Hiệu suất Nhiệt độ (oC) 800 Cường độ xạ (W/m2 ) 50.00 8.00% Hiệu suất Pin 8.14% Pin + Nước 9.12% Pin + PCM 11.02% Pin + PCM + Nước 11.21% Bảng thống kê giá trị hiệu suất thực nghiệm ứng với mức nhiệt độ làm việc khác điều kiện thí nghiệm ngồi trời mẫu Dựa bảng liệu này, tác giả thực phương pháp hồi quy bậc theo phương trình (9) (10), thu hàm hồi quy thể quan hệ nhiệt độ pin hiệu suất sinh điện có dạng: (T) = 18,21 – 0,15  T (11) Trong trường hợp chung lớp PCM tiếp xúc với mặt (theo 52 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh phương trọng trường) đối tượng cần làm mát (cụ thể thiết kế với PV nghiên cứu này) cần phải có giải pháp nâng ép lớp PCM tiếp xúc chặt lên bề mặt đối tượng Một sáng kiến nghiên cứu tận dụng khối lượng PCM riêng nhỏ nước nên sử dụng lớp nước bên để đẩy lớp PCM (nhờ lực nổi) lên tiếp xúc với mặt đáy đối tượng cần ổn định nhiệt Đây giải pháp đem lại lợi ích kép, hệ thống làm mát PCM lớp nước bên đồng thời giúp tản nhiệt phần cho lớp PCM nóng chảy làm việc Khi PV đặt phương nằm ngang lực phân bố toàn tiết diện tấm, lớp PCM tiếp xúc tốt với bề mặt cần làm mát Và đó, khơng cần có vỏ bọc cho lớp PCM mà PCM nước chứa chung hộp chứa kín thiết kế đề tài phân thành lớp riêng biệt (do tính khơng hịa tan nước PAL-33 khối lượng riêng khác nhau) Tuy nhiên, PV đặt phương nghiêng (15o khu vực Thành phố Hồ Chí Minh) lực có xu hướng đẩy lớp PCM lên phía mép cao PV nước nằm phía mép thấp PV Do chế đối lưu tự nhiên, nước hấp thụ nhiệt nóng đối lưu lên trao đổi nhiệt với khối PCM, sau giải nhiệt tuần hoàn xuống để tiếp tục chu trình làm mát PV Nếu muốn đảm bảo tác động PCM đồng lên bề mặt PV ta nên có lớp vỏ PCM dạng để lực đẩy nước giúp áp PCM lên tiếp xúc bề mặt lưng PV Bảng Hiệu suất sinh điện mẫu theo nhiệt độ làm việc khác Nhiệt độ bề mặt PV (oC) Hiệu suất (%) 38 13.07 43 11.57 48 10.72 53 10.25 58 9.44 63 8.93 68 8.31 Tùy theo thông số kỹ thuật loại PCM dùng (ẩn nhiệt, nhiệt độ chuyển pha, khối lượng riêng…) mức cường độ xạ mặt trời nơi sử dụng mơ hình cải tiến này, lượng PCM cần tính tốn thiết kế với lượng đủ lớn để đủ trì trình chuyển pha suốt thời gian PV bị làm nóng lên nhận xạ từ mặt trời ngày Nếu lượng PCM chưa đủ sau bị chuyển hóa hết sang dạng lỏng, lớp PCM làm chậm khả tản nhiệt phía bề mặt lưng PV, kéo theo nhiệt độ chí cao mức nhiệt độ điều kiện làm việc PV nguyên Đây ý quan trọng thiết kế khơng làm tổng hiệu suất sinh điện mơ hình PV cải tiến giảm thay tăng thêm so với PV nguyên KẾT LUẬN Nghiên cứu đề cấu trúc cải tiến đặc tính nhiệt học pin mặt trời thông qua việc kết hợp vật liệu chuyển pha nước để ổn định nhiệt độ làm việc cho pin Bằng việc sử dụng vật liệu chuyển pha PAL-33, mức giảm nhiệt độ pin đạt khoảng 7oC – 15oC thời gian làm việc giá trị nhiệt độ thấp trì dài hay ngắn tùy thuộc vào hàm lượng giá trị ẩn nhiệt loại PCM sử dụng thiết kế Nhờ nhiệt độ làm việc trì mức thấp so với trường hợp pin thông thường, hiệu suất sinh điện tổng tăng từ khoảng 8.14% (tấm PV nguyên bản) lên khoảng 11.21% (tấm PV+PCM+nước) Đây kết tích cực cho thấy giải pháp thiết kế nghiên cứu phù hợp ứng dụng để đem lại hiệu việc khai thác nguồn lượng mặt trời LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, quan chủ trì đề tài nghiên cứu B2019-SPK-10 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] Swapnil Dubey, Jatin Narotam Sarvaiya, Bharath Seshadri, “Temperature Dependent Photovoltaic (PV) Efficiency and Its Effect on PV Production in the World – A Review”, Energy Procedia, Volume 33, 2013, pp 311–321 Miguel Fisac, Francesc X Villasevil1, Antonio M López, “High-efficiency photovoltaic technology including thermoelectric generation”, Journal of Power Sources, Volume 252, 2014, pp 264–269 Hassan Fathabadi, “Increasing energy efficiency of PV-converter-battery section of standalone building integrated photovoltaic systems”, Energy and Buildings, Volume 101, 2015, pp 1–11 M Abdolzadeh, M Ameri, “Improving the effectiveness of a photovoltaic water pumping system by spraying water over the front of photovoltaic cells”, Renewable Energy, Volume 34, 2009, pp 91–96 Linus Idoko, Olimpo Anaya-Lara, Alasdair McDonald, “Enhancing PV modules efficiency and power output using multi-concept cooling technique”, Energy Reports,Volume 4,2018, pp.357–369 Elias Roumpakias, Olympia Zogou, Anastassios Stamatelos, “Correlation of actual efficiency of photovoltaic panels with air mass”, Renewable Energy, Volume 74, 2015, pp 70–77 Mawufemo,Modjinou, JiJie, Weiqi Yuan, Fan Zhou, Sarah Holliday, Adeel Waqas, Xudong Zhao, “Performance comparison of encapsulated PCM PV/T, microchannel heat pipe PV/T and conventional PV/T systems”, Energy, Available online 19 October 2018 Ali Najah Al-Shamani, Mohammad H Yazdi, M.A Alghoul, Azher M Abed, M.H Ruslan, Sohif Mat, K.Sopian, “Nanofluids for improved efficiency in cooling solar collectors –A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 38, 2014, pp 348–367 Anant Shukla, D Buddhi, R.L Sawhney, “Solar water heaters with phase change material thermal energy storage medium: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 13, 2009, pp 2119-2125 Atul Sharma, C.R Chen, Nguyen Vu Lan, “Solar-energy drying systems: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 13, 2009, pp 1185-1210 Huann-Ming Chou, Chang-Ren Chen, Vu-Lan Nguyen, “A new design of metal-sheet cool roof using PCM”, Energy and Buildings, Volume 57, 2013, pp 42-50 S.A.Nada, D.H.El-Nagar, “Possibility of using PCMs in temperature control and performance enhancements of free stand and building integrated PV modules”, Renewable Energy , Volume 127, 2018, pp 630-641 M.C Browne, B Norton, S.J McCormack, “Phase change materials for photovoltaic thermal management”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 47, 2015, pp 762-782 Christopher J Smith, Piers M Forster, Rolf Crook, “Global analyis of photovoltaic energy output enhanced by phase change material cooling”, Applied Energy, Volume 126, 2014, pp.21-28 Maria C Browne, Brian Norton, Sarah J.Mccormack, “Heat retention of a photovoltaic/thermal collector with PCM”, Solar Energy, Volume 133, 2016, pp 533-548 A Hasan, S.J McCormack, M.J Huang, J Sarwar, B Norton, “Increased photovoltaic performance through temperature regulation by phase change materials: Material comparison in different climates”, Solar Energy, Volume 115, 2015, pp 264-276 C.J Ho, Wei-Len Chou, Chi-Ming Lai, “Thermal and electrical performance of a water-surface floating PV integrated with a water-saturated MEPCM layer”, Energy Conversion and Management, Volume 89, 2015, pp 862-872 54 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [18] A Hasan, S.J McCormack, M.J Huang, B Norton, “Evaluation of phase change materials for thermal regulation enhancement of building integrated photovoltaics”, Solar Energy, Volume 84, 2010, pp 1601-1612 [19] Ankita Gaur, Christophe Ménézo, Stéphanie Giroux-julien, “Numerical studies on thermal and electrical performance of a fully wetted absorber PVT collector with PCM as a storage medium”, Renewable Energy, Volume 109, 2017, pp 168-187 [20] Peter Atkin, Mohammed M Farid, “ Improving the efficiency of photovoltaic cell using PCM infused graphite and aluminium fins”, Solar Energy, Volume 114, 2015, pp 217-228 [21] M.J Huang, P.C Eames, B Norton, N.J Hewitt, “Natural convection in an internally finned phase change material heat sink for the thermal management of photovoltaics”, Solar Energy Materials & Solar Cells, Volume 95, 2011, pp 1598-1603 [22] Tao Ma, Hongxingyang, Yinping Zhang, Lin Lu, Xin Wang, “Using phase change materials in photovoltaic systems for thermal regulation and electrical efficiency improvement: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 43, 2015, pp 1273-1284 [23] Sachin V Chavan, D Devaprakasam, Improving the Performance of Solar Photovoltaic Thermal System using Phase Change Materials – Review, Int J Adv Sci Eng Vol No3 687-697 (2018) 687, ISSN 2349 5359 Tác giả chịu trách nhiệm viết: TS Nguyễn Vũ Lân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Email: lannv@hcmute.edu.vn ... pin mặt trời nhiều nhà khoa học giới nghiên cứu T o C Nhiệt độ mặt PV Tref o C Nhiệt độ tham chiếu (nhiệt độ phịng thí nghiệm) Ti o C Nhiệt độ ban đầu Tj o C Nhiệt độ đo thời điểm đo Tf o C Nhiệt. .. với PV nguyên KẾT LUẬN Nghiên cứu đề cấu trúc cải tiến đặc tính nhiệt học pin mặt trời thông qua việc kết hợp vật liệu chuyển pha nước để ổn định nhiệt độ làm việc cho pin Bằng việc sử dụng vật... giống quang phổ xạ mặt trời Do vậy, giá trị đo mang tính chất so sánh mặt nhiệt học, khơng mang tính chất đánh giá hiệu chuyển đổi điện pin Ở chế độ thực nghiệm này, thông số thực nghiệm thiết lập