Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước: Hiện nay, các nguồn năng lượng hóa thạch như than, dầu, khí đốt đã và đang là nguồn năng lượng chiếm tỷ trọng lớn cho phát điện tại nhiều nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Các nguồn năng lượng nói trên cũng đang dần cạn kiệt, trong khi Việt Nam đang phải đối mặt với những thách thức lớn do các nguồn năng lượng thông thường để đáp ứng nhu cầu phát điện đã và đang vượt quá khả năng cung cấp. Chính vì vậy, vấn đề đẩy mạnh nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời là hết sức cấp thiết đối với Việt Nam. Trong định hướng nghiên cứu về nâng cao hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng mặt trời nói chung có xu hướng tập trung vào tăng cường hiệu suất chuyển đổi điện năng của tấm pin mặt trời.
Trong đó, ngoài việc tìm kiếm vật liệu quang điện hiệu quả hơn, thì nghiên cứu sử dụng các giải pháp giải nhiệt với nhiều hình thức cải tiến cơ chế giải nhiệt bao gồm việc sử dụng vật liệu chuyển pha để duy trì nhiệt độ làm việc của tấm pin ở mức thấp, qua đó nâng cao hiệu suất sinh điện của pin mặt trời được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu thực hiện. Cùng với tình hình nghiên cứu của thế giới, các nhà khoa học ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu đóng góp về lĩnh vực này. Để có thêm cơ sở thực hiện đề tài, tác giả cũng đã có những tìm hiểu về các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước có nội dung liên quan đến đề tài.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Pin mặt trời trong những thập niên trở lại đây đã trở thành thiết bị quen thuộc được biết đến rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Công nghệ chế tạo pin mặt trời dựa vào nguyên lý quang điện khi lớp vật chất (Ví dụ: selen, silic.) được ánh sáng với cường độ và bước sóng phù hợp chiếu vào có thể giải phóng ra các điện tử tự do và tạo thành dòng điện.
Hiệu suất của quá trình chuyển đổi từ quang năng thành điện GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân 1 HVTH: Nguyễn Thành Sơn Luan van Luận văn thạc sĩ năng phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu sử dụng, chất lượng nguồn sáng, bước sóng và cường độ bức xạ. Trong khi đó, Dubey và các cộng sự [1] đã chỉ ra rằng nhiệt độ làm việc của tấm pin mặt trời trong quá trình làm việc là một thông số tỷ lệ nghịch với hiệu suất chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng của pin. Bên cạnh đó, Elminshawy và các cộng sự [2] cũng đã nghiên cứu hiệu suất của tấm PV khi kết hợp với hệ thống làm mát không khí địa nhiệt, trong đó kết quả chỉ ra rằng hiệu suất của tấm PV phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc, một hệ thống EAHE là bộ trao đổi nhiệt không khí từ trái đất được sử dụng để làm mát trước không khí xung quanh, sau đó được thực hiện để làm mát bề mặt phía sau của tấm PV để cải thiện hiệu suất của tấm PV và giảm nhiệt độ tấm PV từ 55℃ (không có làm mát) xuống 42℃.
Hossain và các cộng sự [3] cũng đã phân tích hiệu suất nhiệt của hệ thống PV/T có dòng chảy song song bên dưới PV trong điều kiện khí hậu của Malaysia, đã đưa ra kết luận rằng công nghệ quang điện (PV) bị nhược điểm lớn là hiệu quả chuyển đổi năng lượng kém, tồi tệ hơn bởi tấm PV quá nóng. Ngoài ra còn có những phát hiện chính được kiệt kê như sau: Công suất điện của PV/T cao hơn 5,34% so với PV tham chiếu. Nhiệt độ trung bình của PV/T là 58,23℃ thấp hơn 3,92℃ so với PV tham chiếu. Nhiệt độ cứ giảm 1℃ thì PV/T có công suất tăng 3,49 W và hiệu suất tăng 0,23%.
Trước thực tế đó, các giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất sinh điện của tấm pin mặt trời ở mức cao nhất có thể bao gồm: (i) Cải tiến vật chất tạo nên lớp quang điện bằng cách trộn thêm các thành phần phụ (doping) trên lớp vật liệu quang điện, và (ii) Khắc phục vấn đề về tăng nhiệt độ trong quá trình làm việc của tấm pin. Ở phương án thứ 1: việc cải tiến công nghệ chế tạo đòi hỏi cơ sở vật chất thí nghiệm hoặc sản xuất hiện đại, vật liệu phải được điều chế và thực hiện công nghệ gia công nano công phu và tinh vi với chi phí đầu tư rất cao. Trong khi đó ở phương án thứ 2: có nhiều lựa chọn cho các giải pháp nghiên cứu hơn (ví dụ như tăng cường hiệu ứng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức bằng cách dùng nước làm mát; gắn thêm cánh tản nhiệt. để hỗ trợ quá trình tỏa nhiệt của tấm pin).
Nguyễn Vũ Lân 2 HVTH: Nguyễn Thành Sơn Luan van Luận văn thạc sĩ Nhằm khắc phục vấn đề suy giảm hiệu suất sinh điện khi nhiệt độ làm việc của tấm pin mặt trời tăng, các nhà khoa học trên thế giới đã đề xuất ra các nhóm giải pháp khác nhau như: (i) Nghiên cứu chế tạo vật liệu quang điện mới có hiệu suất chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng cao hơn [4]; (ii) Tìm kiếm phương án điều khiển hệ thống chuyển đổi và nạp điện năng (PV- converter-battery) một cách thông minh hơn để thu được nhiều điện năng hơn [5]; (iii) Áp dụng các cơ chế hỗ trợ làm mát thông qua các cơ chế truyền nhiệt và đối lưu [6–8]; (iv) Sử dụng phương pháp trao đổi nhiệt vi kênh [9–10] để tăng cường tốc độ tản nhiệt; (v) Dùng vật liệu chuyển pha với khả năng giữ nhiệt độ tăng rất chậm hoặc gần như không đổi trong quá trình chuyển pha [11–14] để hỗ trợ quá trình giữ ổn định nhiệt độ làm việc; Browne và các cộng sự [15] đã có nghiên cứu tổng quan về các phương pháp quản lý nhiệt của mô hình tế bào quang điện (PV), đặc biệt chú ý đến việc sử dụng PCM trong hệ thống quản lý nhiệt của PV. Việc điều chỉnh nhiệt độ của các hệ thống PV bao gồm các tế bào silic tinh thể dường như là khả thi và kinh tế nhất khi sử dụng các hệ thống PV/PCM, vì sự gia tăng nhiệt độ có ảnh hưởng bất lợi nhất đến hiệu quả của pin mặt trời. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng PCM giúp cải thiện hiệu suất của PV mặc dù vẫn còn nhiều điều cần được khám phá và cải tiến đặc biệt là quá trình đông đặc và giải phóng nhiệt của PCM. Do đó, PCM là ứng dụng phù hợp trong lĩnh vực làm mát pin mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất của pin.
Nói đến ứng dụng này, Smith và các cộng sự [16] đã phân tích tổng quan về sản lượng năng lượng quang điện gia tăng nhờ PCM làm mát. Mô phỏng sử dụng một mô hình cân bằng năng lượng một chiều với nhiệt độ môi trường xung quanh, độ rung và tốc độ gió được trích xuất từ ERA-Interim phân tích lại dữ liệu khí hậu trên lưới toàn cầu chia độ 1,50 kinh độ x 1,50 vĩ tuyến. Hiệu quả của việc thay đổi nhiệt độ nóng chảy PCM từ 0℃ GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân 3 HVTH: Nguyễn Thành Sơn Luan van Luận văn thạc sĩ đến 50℃ đã được nghiên cứu để xác định nhiệt độ nóng chảy tối ưu tại mỗi vị trí lưới.
Khi sử dụng nhiệt độ nóng chảy PCM tối ưu, sản lượng năng lượng PV hàng năm tăng hơn 6% ở Mêhicô và Đông Phi, và trên 5% ở nhiều địa điểm như Trung và Nam Mỹ, phần lớn Châu Phi, Ả Rập, Nam Á và Quần đảo Inđônêxia. Tại Châu Âu, sản lượng năng lượng tăng lên dao động từ 2% đến gần 5%. Bên cạnh đó Browne và các cộng sự [17] đã nghiên cứu giữ nhiệt của PV trong bộ thu nhiệt có PCM (PV/T/PCM), hệ thống thiết kế kết hợp một module PV với bộ thu nhiệt, trong đó nhiệt được lấy ra từ một bộ trao đổi nhiệt gắn trong PCM. Hiệu suất hệ thống trong 3 trường hợp (hệ thống chỉ có PV, hệ thống có PCM, hệ thống có/không có bộ trao đổi nhiệt) đã được so sánh.
Kết quả là nhiệt độ nước đạt được bằng xấp xỉ 5,5℃ cao hơn với một hệ thống PV/T không có PCM. Từ các nghiên cứu trên ta thấy ngày nay các nhà khoa học trên thế giới cũng đã dành quan tâm nhiều đến việc sử dụng các vật liệu chuyển pha PCM bởi ưu điểm nổi bật: làm tăng hiệu suất tích trữ năng lượng nhiệt, tận dụng lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời khi cần thiết. Ma và các cộng sự [18] đã phân tích sự ảnh hưởng của nhiệt độ cao đối với sự phát điện của PV đã được kiểm tra và những phát hiện đã làm nổi bật tầm quan trọng của việc điều chỉnh nhiệt đối với các mô hình PV. Nhiều phương pháp làm mát PV được sử dụng để duy trì hiệu suất PV tốt hơn được thảo luận và khái niệm hệ thống PV-PCM mới được đưa ra giới thiệu trong thời gian gần đây.
Có nhiều khía cạnh hiện đại của công nghệ này như phát triển hệ thống, đánh giá hiệu năng, lựa chọn vật liệu, cải tiến truyền nhiệt, các mô hình số, mô phỏng và ứng dụng trong thực tế được đưa ra. Tuy nhiên, hệ thống PV-PCM có thể không khả thi về mặt kinh tế nếu chỉ tăng cường hiệu suất PV. Hệ thống PV-ST-PCM, tức là được kết hợp với hệ thống nhiệt năng lượng mặt trời (ST) do đó được nghiên cứu để tận dụng thêm phần nhiệt trữ chiết xuất ra cho các ứng dụng nhiệt khác. Hasan và các cộng sự [19] đã phát triển hệ thống PV-PCM để giảm nhiệt độ của tấm PV bằng cách so sánh và đánh giá 2 loại vật liệu PCM: muối hydrate CaCl2.6H2O và hỗn hợp eutectic của axit béo là axit capric-palmitic và đặt ở hai địa GVHD: TS.
Nguyễn Vũ Lân 4 HVTH: Nguyễn Thành Sơn Luan van Luận văn thạc sĩ điểm khác nhau. Cả hai PCM tích hợp đều duy trì được nhiệt độ tấm PV thấp hơn so với tấm PV tham chiếu. Muối hydrate CaCl2.6H2O duy trì nhiệt độ PV thấp hơn axit capric-palmitic ở cả hai địa điểm được kiểm tra. Nhiệt độ PV thấp hơn do hiệu quả sử dụng PCMs đã ngăn cản sự tổn thất của PV và tăng hiệu suất chuyển đổi điện năng.
Ho và các cộng sự [20] đã nghiên cứu lớp vật liệu chuyển pha dạng gói micro (MEPCM) được đặt ở mặt dưới tấm PV để tạo thành một module MEPCM-PV, trôi nổi trên mặt nước. Điểm nóng chảy (30℃ và 28℃) và độ dày (5cm và 3cm) của MEPCM đã được nghiên cứu.