Tổng quan nghiên cứu

Nguồn tài nguyên bức xạ mặt trời tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh đạt mức trung bình từ 4,5 đến 5,2 kWh/m2/ngày cùng hơn 2.400 giờ nắng mỗi năm, mang lại tiềm năng to lớn cho việc khai thác năng lượng tái tạo tại chỗ. Tuy nhiên, khi vận hành dưới nền nhiệt độ môi trường nhiệt đới vượt quá 35°C, bề mặt tấm quang điện thường xuyên bị đốt nóng lên mức 60°C đến 65°C. Sự gia tăng nhiệt độ này làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất chuyển đổi quang điện, gây sụt giảm từ 10% đến 15% tổng sản lượng điện sinh ra. Vấn đề đặt ra là phải vừa đảm bảo nguồn cấp điện sạch, ổn định cho các khu vực tự học, vừa tìm ra giải pháp tản nhiệt chủ động nhằm duy trì hiệu suất làm việc tối đa của mô-đun pin.

Nghiên cứu này hướng tới mục tiêu tính toán, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời độc lập phục vụ nhu cầu chiếu sáng và làm mát tại Khu tự học B10 thuộc Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời chế tạo và đánh giá bộ giải nhiệt bằng nước cho tấm pin mặt trời. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trực tiếp tại khuôn viên tòa nhà B10 trong khoảng thời gian từ tháng 01/2022 đến tháng 05/2022. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc đảm bảo tự chủ 100% năng lượng điện cho phụ tải công suất khoảng 320W đến 450W, đồng thời cải thiện công suất đầu ra của giàn pin thêm khoảng 16,8%, mở ra giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa chi phí đầu tư và rút ngắn thời gian hoàn vốn cho các dự án điện mặt trời phân tán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng lý thuyết hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn và định luật bảo toàn, cân bằng nhiệt năng lượng bề mặt của hệ quang điện - nhiệt. Quá trình chuyển đổi năng lượng từ photon ánh sáng thành dòng điện một chiều phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ làm việc của mối nối bán dẫn p-n. Khi nhiệt độ tế bào quang điện tăng, điện áp hở mạch sụt giảm theo hệ số suy giảm nhiệt độ danh định từ âm 0,40% đến âm 0,45%/°C.

Song song đó, lý thuyết truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức và tản nhiệt bằng bay hơi màng nước mỏng được áp dụng để mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt kính tấm pin với môi trường. Bốn khái niệm khoa học then chốt được phân tích chuyên sâu gồm: hệ số suy giảm công suất theo nhiệt độ, hệ thống điện mặt trời độc lập có ắc quy lưu trữ, màng nước làm mát đối lưu chủ động, và hiệu suất chuyển đổi năng lượng tức thời của tế bào quang điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm chuỗi số liệu bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí dự báo năm 2022 tại Thành phố Hồ Chí Minh, bảng thông số kỹ thuật tấm pin Helios 135P công suất 135W và khảo sát đo đạc thực tế cơ sở vật chất phụ tải tại khu tự học B10. Phương pháp phân tích kết hợp giữa giải tích kỹ thuật cân bằng phụ tải và thực nghiệm đo đạc đối chứng ngoài trời. Timeline nghiên cứu được phân bổ chặt chẽ trong 5 tháng, bắt đầu từ khảo sát phụ tải (tháng 01/2022), tính toán thiết kế hệ thống (tháng 02 - 03/2022), đến chế tạo mô hình và đo kiểm thực nghiệm (tháng 04 - 05/2022).

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết lập gồm 2 mô-đun pin quang điện Helios 135P lắp đặt cùng góc nghiêng 15 độ hướng về phía Nam, trong đó 1 tấm vận hành tự nhiên và 1 tấm tích hợp dàn béc phun nước giải nhiệt. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có kiểm soát theo điều kiện thời tiết thực tế, tập trung đo kiểm liên tục vào các khung giờ nắng cao điểm từ 9 giờ đến 15 giờ trong 30 ngày thử nghiệm. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm trực tiếp kết hợp thiết bị đo bức xạ PCE-SPM 1 và máy ghi nhiệt độ 4 kênh Extech SDL200 là nhằm thu thập dữ liệu nhiệt - điện tức thời với sai số dưới 1%, loại bỏ các giả định lý thuyết không sát với biến động vi khí hậu thực tế tại hiện trường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát phụ tải thực tế tại khu tự học B10 ghi nhận tổng công suất tiêu thụ của hệ thống gồm các đèn LED panel 6W, đèn LED chiếu điểm thanh ray và cụm quạt treo tường công suất 55W đạt khoảng 410W, tiêu tốn trung bình 2,8 kWh điện mỗi ngày. Hệ thống điện mặt trời thiết kế tích hợp bộ biến tần Goodwe GW1000-NS công suất 1 kW cùng ắc quy GS L100 dung lượng 100Ah đã cung ứng đủ 100% nhu cầu điện năng liên tục cho không gian học tập.

Thực nghiệm đo đạc cho thấy khi bức xạ mặt trời đạt đỉnh 850 W/m2 vào khoảng 12 giờ trưa, nhiệt độ bề mặt tấm pin không làm mát tăng lên tới 62,5°C, khiến công suất phát điện sụt giảm 14,2% so với công suất tiêu chuẩn tại 25°C.

Khi kích hoạt hệ thống giải nhiệt với mạng lưới béc phun lưu lượng 1,2 lít/phút tại ngưỡng nhiệt độ 45°C, lớp màng nước làm mát đồng đều đã kéo nhiệt độ tấm pin giảm nhanh từ 62,5°C xuống còn 38,2°C, tương đương mức giảm nhiệt độ 38,9%.

Nhờ hạ nhiệt độ vận hành, công suất đầu ra thực tế của tấm pin Helios 135P có giải nhiệt đã tăng từ 98,5W lên mức 115,1W, tức tăng trưởng thêm 16,8% sản lượng điện so với tấm pin đối chứng không được làm mát.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng gia tăng công suất phát điện sau khi làm mát được giải thích bởi việc ức chế quá trình tái tổ hợp của các cặp electron - lỗ trống trong lớp bán dẫn p-n khi nhiệt độ tiếp giáp giảm sâu. Lớp màng nước mỏng chảy tràn trên bề mặt kính tạo ra hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức cao gấp khoảng 4 lần so với đối lưu không khí tự nhiên, đồng thời hỗ trợ làm sạch bụi bẩn bám dính, gia tăng độ truyền quang qua lớp kính bảo vệ thêm khoảng 2% đến 3%.

So sánh với các nghiên cứu giải nhiệt gián tiếp bằng cánh tản nhiệt nhôm gắn mặt lưng (chỉ giúp hạ nhiệt độ từ 6°C đến 8°C và tăng công suất khoảng 5% đến 7%), phương pháp phun sương mặt trước mang lại hiệu quả tản nhiệt vượt trội gấp hơn 2 lần. Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường kép so sánh biến thiên nhiệt độ và công suất theo thời gian thực trong ngày, kết hợp bảng đối sánh các thông số dòng điện ngắn mạch, điện áp hở mạch và công suất cực đại trên các dải bức xạ từ 400 W/m2 đến 1.000 W/m2. Kết quả này khẳng định giải pháp làm mát bề mặt bằng nước là hướng đi có tính ứng dụng cao cho các trạm điện mặt trời áp mái tại vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa.

Đề xuất và khuyến nghị

Tự động hóa hoàn toàn chu trình phun làm mát thông minh: Cài đặt bộ điều khiển vi xử lý nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ gắn ở mặt sau tấm pin, tự động đóng ngắt máy bơm tại ngưỡng nhiệt độ kích hoạt 45°C nhằm duy trì hiệu suất phát điện trên 90% công suất danh định, hoàn thành lắp ráp và hiệu chỉnh trong vòng 3 tháng do nhóm nghiên cứu kỹ thuật nhiệt đảm nhiệm.

Mở rộng quy mô công suất hệ thống điện mặt trời hòa lưới có dự phòng: Lắp đặt bổ sung thêm 8 tấm pin quang điện nâng tổng công suất đỉnh lên mức 2,4 kWp, kết hợp bộ biến tần hòa lưới Hybrid nhằm cung cấp thêm 60% điện năng cho các phòng tự học lân cận, đặt mục tiêu triển khai trong thời gian 6 tháng do Phòng Quản trị Cơ sở vật chất trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh chủ trì.

Xây dựng hệ thống thu hồi và tái tuần hoàn nước làm mát khép kín: Bố trí máng thu gom nước tràn dưới chân giàn pin dẫn về bể lắng lọc dung tích 200 lít để tái sử dụng tới 85% lượng nước phun tưới, hạn chế tối đa lãng phí nguồn nước sạch, tiến độ thực hiện trong 4 tháng dưới sự giám sát của các kỹ sư vận hành.

Ban hành quy trình bảo trì và kiểm chuẩn định kỳ: Thiết lập lịch bảo dưỡng hệ thống với tần suất 2 tuần một lần nhằm kiểm tra áp lực bơm, vệ sinh béc phun chống đóng cặn khoáng chất trên mặt kính, đảm bảo tuổi thọ thiết bị kéo dài trên 20 năm, giao Đội sinh viên tự quản cơ sở vật chất phối hợp thực hiện định kỳ từ quý 3/2022.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế năng lượng tái tạo và hệ thống cơ điện công trình: Tiếp cận thuật toán tính toán kích thước chuỗi pin quang điện, lựa chọn bộ biến tần 1 kW, tính toán dung lượng ắc quy 100Ah và ứng dụng kỹ thuật giải nhiệt cưỡng bức để nâng cao chỉ số hiệu suất toàn hệ thống lên trên 82%.

Cán bộ quản lý hạ tầng và cơ sở vật chất tại các trường đại học, viện nghiên cứu: Khai thác mô hình cấp điện độc lập tại khu tự học B10 để xây dựng các trạm học tập xanh, tự chủ 100% chi phí điện ban ngày cho các thiết bị chiếu sáng và quạt mát có công suất dưới 500W.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Năng lượng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp nghiên cứu truyền nhiệt thực nghiệm, kỹ thuật đo bức xạ bằng máy PCE-SPM 1 và phương pháp ghi nhận dữ liệu nhiệt độ đa kênh qua thiết bị Extech SDL200.

Doanh nghiệp tổng thầu EPC và cung ứng thiết bị điện mặt trời: Ứng dụng giải pháp chế tạo bộ phun nước tản nhiệt chi phí thấp (dưới 1,5 triệu đồng cho một cụm mô-đun) vào các dự án áp mái công nghiệp nhằm rút ngắn thời gian hoàn vốn từ 5 năm xuống còn khoảng 4,2 năm.

Câu hỏi thường gặp

Nhiệt độ cao ảnh hưởng như thế nào đến khả năng phát điện của tấm pin mặt trời? Nhiệt độ tăng cao làm giảm độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, khiến điện áp hở mạch sụt giảm mạnh theo hệ số nhiệt âm khoảng 0,4%/°C. Số liệu đo đạc thực tế cho thấy khi nhiệt độ bề mặt vượt mức 60°C, công suất phát của tấm pin 135W bị suy giảm hơn 14% so với điều kiện tiêu chuẩn 25°C.

Lượng điện tiêu thụ cho máy bơm nước có làm triệt tiêu phần công suất điện tăng thêm không? Hệ thống sử dụng bơm mini 12V công suất 18W vận hành ngắt quãng theo chu kỳ 3 phút phun và 10 phút nghỉ. Trong khi đó, phần công suất điện thu hồi thêm từ tấm pin đạt từ 35W đến 50W, mang lại lượng thặng dư năng lượng thuần dương khoảng 65% so với mức tiêu hao của bơm.

Hệ thống điện mặt trời tại khu tự học B10 vận hành theo mô hình nào? Hệ thống được thiết kế theo cấu hình độc lập ngoài lưới có lưu trữ, sử dụng ắc quy GS L100 dung lượng 100Ah và biến tần Goodwe 1 kW. Ban ngày giàn pin cấp điện trực tiếp cho phụ tải đèn, quạt và nạp ắc quy, giúp cung cấp điện ổn định 220V trong 4 giờ dự phòng khi trời mưa hoặc mất điện lưới.

Việc phun nước lên bề mặt kính có gây nứt vỡ do sốc nhiệt hoặc ố cặn không? Hệ thống sử dụng các béc phun sương tạo hạt mịn dưới 50 micromet và kích hoạt tản nhiệt sớm tại ngưỡng 45°C, giúp hạ nhiệt từ từ với tốc độ làm mát khoảng 3°C/phút nên không gây sốc nhiệt kính. Nguồn nước cấp qua màng lọc cặn giúp ngăn chặn triệt để hiện tượng lắng cặn canxi trên bề mặt pin qua 30 ngày thử nghiệm.

Thời gian thu hồi vốn cho hạng mục lắp đặt bộ giải nhiệt bằng nước là bao lâu? Chi phí lắp đặt bộ giải nhiệt nước thực tế chỉ khoảng 1,2 triệu đồng. Nhờ gia tăng thêm 16,8% sản lượng điện hàng năm (tương đương khoảng 180 kWh/năm), thời gian thu hồi vốn riêng cho cụm thiết bị giải nhiệt ước tính chỉ mất khoảng 1,8 năm dựa trên biểu giá điện sinh hoạt bậc thang của EVN năm 2022.

Kết luận

  • Tính toán và thiết kế thành công hệ thống điện mặt trời độc lập công suất 1 kW kết hợp ắc quy 100Ah, đáp ứng trọn vẹn nhu cầu tiêu thụ điện năng 2,8 kWh/ngày cho khu tự học B10.
  • Chế tạo và thử nghiệm hoàn chỉnh hệ thống giải nhiệt bằng nước với mạng lưới béc phun sương, giúp hạ nhiệt độ tấm pin từ 62,5°C xuống 38,2°C khi bức xạ vượt 800 W/m2.
  • Gia tăng công suất phát điện thực tế của mô-đun pin Helios 135P thêm 16,8%, chứng minh tính hiệu quả vượt trội của giải pháp tản nhiệt màng nước chủ động.
  • Xác lập bài toán hiệu quả kinh tế kỹ thuật rõ ràng với thời gian hoàn vốn cho bộ giải nhiệt chỉ 1,8 năm và tuổi thọ vận hành ước tính trên 20 năm.
  • Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác từ máy đo bức xạ PCE-SPM 1 và máy ghi nhiệt độ Extech SDL200, đóng góp tài liệu quý báu cho lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Kế hoạch trong giai đoạn tiếp theo là hoàn thiện mạch điều khiển tự động hóa IoT trong quý 4/2022 và mở rộng diện tích lắp đặt cho toàn bộ các khu tự học trong năm 2023. Các đơn vị quản lý cơ sở đào tạo và doanh nghiệp năng lượng nên nhanh chóng tham khảo, triển khai ứng dụng mô hình này nhằm tối ưu hóa hiệu suất khai thác điện mặt trời phân tán.