Đặt vấn đề Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo giúp cải thiện “Biến đổi khí hậu”, là động lực để phát triển bền vững môi trường và xã hội loài người. Trong đó, năng lượng mặt trời (NLMT) vốn ổn định và hầu như có mặt ở khắp nơi đang được con người tận dụng khai thác cho mục đích cấp điện và/hoặc cấp nhiệt. Việt Nam là quốc gia có nguồn NLMT dồi dào và có tiềm năng lớn để phát triển các công nghệ điện, nhiệt mặt trời. Nhà nước có nhiều chính sách và ưu đãi trong phát triển năng lượng tái tạo cho mục đích cấp điện, gần đây nhất là “Quy hoạch điện VIII” để phát triển điện lực quốc gia tầm nhìn đến 2050, trong đó tỉ lệ năng lượng tái tạo lên đến 67,5 đến 71,5%.
Nhiều dự án điện mặt trời đã, đang và sẽ được triển khai ở nhiều dạng khác nhau từ áp mái, nổi cho đến cánh đồng…để ứng dụng trên nhiều quy mô khác nhau từ hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn.đến các nhà máy điện mặt trời nhằm giải quyết vấn đề thiếu hụt nguồn điện cho sinh hoạt, nghỉ dưỡng, sản xuất…Về bản chất, hiệu suất chuyển hóa quang năng thành điện năng của pin mặt trời (Photovoltaic hoặc PV cell) là tương đối thấp nên hầu hết bức xạ mặt trời mà PV cell nhận được bị chuyển hóa thành nhiệt năng, điều này khiến nhiệt độ làm việc của PV cell tăng cao. Trrong những ngày nắng, nhiệt độ làm việc của PV cell thường cao hơn nhiệt độ môi trường từ 20oC đến 30oC. Công suất của PV cell sẽ giảm từ 0,39 đến 0,43 %/°C với chất liệu silicon đa tinh thể (Poly c-Si) và từ 0,35 đến 0,40%/°C với chất liệu silicon đơn tinh thể (Mono c-Si) [1]. Trong khi đó, công suất định mức được công bố bởi các nhà sản xuất cho PV cell hoặc tấm pin mặt trời (mô-đun PV) thường cao hơn nhiều so với thực tế do chúng được đánh giá ở điều kiện chuẩn (cường độ bức xạ mặt trời 1000 W/m2 và nhiệt độ môi trường xung quanh 25oC).
Tuy nhiên, trên thực tế hiệu suất phát điện của các tấm pin mặt trời thông thường rất khiêm tốn, không quá 20%. Ngoài ra, sự phân bố nhiệt độ không đồng đều sẽ dẫn đến sự phát triển của ứng suất nhiệt, điều này làm giảm tuổi thọ của tấm pin mặt trời [2]. Nhằm hạn chế tối đa sự sụt giảm hiệu suất phát điện của pin mặt trời cũng như kéo dài tuổi thọ của nó, nhiều nghiên cứu được thực hiện để giải nhiệt 1 cho pin mặt trời và công nghệ Photovoltaic/Thermal (PV/T) ra đời như một giải pháp hữu ích để đạt được đồng thời hai mục đích là cấp điện và cấp nhiệt.2 Công nghệ Photovoltaic/Thermal (PV/T) Công nghệ PV/T có thể được việt hóa bằng tên gọi công nghệ Pin mặt trời/Nhiệt, là công nghệ lai kết hợp các PV cell với bộ trao đổi nhiệt (TĐN) tạo thành một mô-đun nhằm cung cấp đồng thời điện năng và nhiệt năng. Công nghệ PV/T hoạt động bằng cách tận dụng nhiệt thừa của các PV cell để làm nóng chất công tác thông qua các bộ TĐN.
Việc tích hợp thêm bộ TĐN dưới tấm pin mặt trời không chỉ tận dụng được nguồn nhiệt thải của PV cell để làm nóng chất công tác mà còn giúp cải thiện hiệu suất phát điện của tấm pin mặt trời do các PV cell được làm mát, từ đó giúp nâng cao hiệu quả năng lượng tổng của tấm pin mặt trời do nó tạo ra cả điện năng và nhiệt năng từ cùng một diện tích bề mặt. Theo Zongdag cùng cộng sự [3] và Zhao cùng cộng sự [4], với cùng diện tích hứng nắng, mô-đun PV/T có thể nhận và chuyển hoá phần trăm NLMT cao hơn so với mô-đun PV hay một bộ thu mặt trời thông thường nào đó. Do đó, mô-đun PV/T rất có tiềm năng phát triển để góp phần tạo nên hệ thống đồng phát nhiệt – điện có hiệu quả cao và chi phí thấp.1 miêu tả mối quan hệ qua lại của các công nghệ chuyển hoá năng lượng từ nguồn NLMT.1 Sơ đồ những công nghệ chuyển hóa năng lượng từ nguồn NLMT Một mô-đun PV/T điển hình là một cấu trúc được cấu thành từ các thành phần như miêu tả trên hình 1.2, gồm: (i) Kính; (ii) Lớp không khí; (iii) Lớp PV (hình 1.3) gồm: lớp bảo vệ (có thể là kính cường lực hoặc màng TPT trong suốt (Transparent tedlar– polyester–tellar)), 2 lớp keo EVA (Ethylene Vinyl Acetate), chuỗi PV cell và lớp bảo vệ Tedlar; (iv) Bộ trao đổi nhiệt (TĐN), gồm 2 chi tiết: tấm hấp thụ hoặc cánh và 2 đường ống hay kênh dẫn chất công tác: nước, không khí, môi chất lạnh…ống ở đây cũng có thể là ống nhiệt; (v) Lớp bảo ôn. Mô-đun PV/T như mô tả trên hình 1.2 được sử dụng trong các ứng dụng cần nâng cao hiệu suất nhiệt.
Tuy nhiên, trong một số nghiên cứu loại bỏ thành phần kính, lúc này mô-đun PV/T cũng không còn lớp không khí. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu không sử dụng lớp bảo vệ Tedlar, lúc này tấm hấp thụ được liên kết trực tiếp với keo EVA.2 Cấu trúc điển hình của một mô-đun PV/T.3 Cấu tạo của lớp PV Hình 1.4 Phân loại công nghệ PV/T theo chất giải nhiệt/làm mát Trải qua nhiều năm nghiên cứu nhưng công nghệ PV/T vẫn là chủ đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm do công nghệ PV/T rất rộng lớn và còn nhiều khía cạnh chưa được đào sâu nghiên cứu. Có nhiều cách để phân loại công nghệ PV/T, theo chất giải 3 nhiệt/làm mát được sử dụng, có thể phân loại công nghệ PV/T theo 4 dạng như mô tả trên hình 1. Công nghệ PV/T giải nhiệt bằng không khí, nước, môi chất lạnh của bơm nhiệt và lưu chất trong ống nhiệt cũng lần lượt được biết đến với tên: mô-đun PV/T không khí, mô-đun PV/T nước, mô-đun PV/T môi chất lạnh và mô-đun PV/T ống nhiệt.
Zhang [5] đã tiến hành đánh giá chung khi so sánh hiệu suất tổng (tổng hiệu suất nhiệt và điện) của 4 loại mô-đun PV/T vừa kể trên trong cùng điều kiện thời tiết và điều kiện vận hành với hiệu suất điện của PV cell ban đầu là 10%. Bằng cách sử dụng 4 mô hình tính toán: (1) cho mô-đun PV/T không khí của Solanki và công sự [6]; (2) cho mô-đun PV/T nước của Joshi và cộng sự [7]; (3) cho mô-đun PV/T môi chất lạnh của Ji và cộng sự [8]; (4) cho mô-đun PV/T ống nhiệt của Quan và cộng sự [9], Zhang [5] đã cho ra hiệu suất tổng như mô tả trên bảng 1.1 Bảng so sánh tổng hiệu suất của 4 loại mô-đun PV/T [5] STT Mô hình tính toán cho Hiệu suất tổng (%) 1 Mô-đun PV/T không khí Từ 24% đến 47% 2 Mô-đun PV/T nước Từ 33% đến 59% 3 Mô-đun PV/T môi chất lạnh Từ 56% đến 75% 4 Mô-đun PV/T ống nhiệt Từ 42% đến 68% Bảng 1.2 Bảng so sánh ưu nhược điểm của 4 loại mô-đun PV/T STT Mô-đun Ưu điểm Nhược điểm PV/T 1 Mô-đun - Cấu trúc đơn giản Hiệu quả lấy nhiệt thấp do đặc tính về PV/T - Chi phí thấp tính chất nhiệt động nên các thông số không nhiệt vật lý như khối lượng riêng nhỏ, khí nhiệt dung riêng thấp, hệ số dẫn nhiệt thấp. [10] 2 Mô-đun - Chi phí thấp, dễ chế tạo - Nhược điểm lớn nhất là có thể gây PV/T [11] đóng băng đường ống ở những nơi có nước - Phân phối lỏng đồng đều nhiệt độ môi trường thấp. [12] [12] - Nhiệt độ nước tăng theo thời gian hoạt - Hiệu quả trao đổi nhiệt động khiến nhiệt độ PV tăng cao, mô- cao hơn không khí do đun PV/T hoạt động kém hiệu quả.
[12] thông số nhiệt vật lý của 4 nước có giá trị cao hơn. [12] 3 Mô-đun - Hiệu suất nhiệt, điện cao - Nguy cơ rò rỉ cao [10] PV/T do mô-đun PV/T hoạt - Phân phối môi chất không đồng đều môi chất động ở nhiệt độ thấp. [10] lạnh Nhiệt độ PV thấp nên khả- Khó khăn, phức tạp trong kiểm soát năng nhận nhiệt cao. nhiệt độ mô-đun PV/T khi ứng dụng ở [10,12] quy mô lớn.
- Chi phí đầu tư cao và khó chế tạo. 4 Mô-đun - Hoạt động ổn định [10] - Chi phí chế tạo cao PV/T - Hiệu quả trao đổi nhiệt - Công nghệ cao, khó chế tạo ống lớn [10] - Hiệu suất không khả quan trong điều nhiệt kiện môi trường nhiều mây [13] Qua việc phân tích sơ bộ về ưu, nhược điểm trên bảng 1.2 và so sánh tổng hiệu suất nhiệt, điện trên bảng 1.1 của các loại mô-đun PV/T, có thể thấy mỗi loại mô-đun PV/T đều có những ưu nhược điểm riêng. Tuy nhiên để ứng dụng trong điều kiện thực tế tại hầu hết địa phương tại Việt Nam, mô-đun PV/T nước phù hợp hơn những loại còn lại do phát huy được nhiều ưu điểm như: (i) Giá thành thấp, dễ chế tạo; (ii) Không lo ngại vấn đề đóng băng do nhiệt độ môi trường khá cao; (iii) Phân phối nước đồng đều khắp mô-đun, hơn nữa nước có nhiệt dung riêng lớn nên nhiệt độ của nước tương đối đồng đều; (iv) Hiệu suất tổng tương đối cao và có thể đạt được giá trị cao hơn nữa khi hạ thấp nhiệt độ của nước bằng cách kết hợp mô-đun PV/T với bơm nhiệt; (v) Có thể triển khai ở quy mô lớn do nước là môi chất thân thiện với môi trường, không sợ nguy cơ rò rỉ như môi chất lạnh; (vi) Dễ phát hiện sự cố khi rò rỉ. Với những ưu điểm kể trên, mô-đun PV/T nước được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu trong luận án.
Ở phần tiếp theo, các vấn đề nghiên cứu liên quan đến mô-đun PV/T nước và các hệ thống sử dụng mô-đun PV/T nước cho mục đích cấp điện và cấp nhiệt sẽ được tổng quan.3 Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu Theo hiểu biết tốt nhất của nghiên cứu sinh (NCS), cho đến thời điểm hiện tại nước ta có rất ít các nghiên cứu liên quan đến giải nhiệt cho pin mặt trời, điển hình trong số đó là Hồ Đăng Huy và cộng sự [14] đã sử dụng nước phun vào mặt sau của tấm pin mặt trời để làm mát. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ làm mát đơn thuần cho pin mặt trời mà 5 không sử dụng bộ TĐN để tận dụng nguồn nhiệt thải nên không thuộc công nghệ PV/T. Có thể nói rằng, hiện nay các loại mô-đun PV/T chưa được nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam. Trên thế giới, trong những năm gần đây, có nhiều nghiên cứu cả lý thuyết lẫn thực nghiệm được thực hiện trên mô-đun PV/T nước cũng như các hệ thống sử dụng mô- đun PV/T nước.1 Mô-đun PV/T nước 1.1 Cấu trúc hình học Nhìn chung các đề xuất về cấu trúc hình học cho mô-đun PV/T nước của các nhóm nghiên cứu là khác nhau, do đó mô-đun PV/T nước có cấu trúc khá đa dạng.