Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận, đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề về năng lượng và môi trường toàn cầu. Theo thống kê, lượng phát thải CO2 từ xe điện thấp hơn khoảng 70% so với xe truyền thống, góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí tại các đô thị lớn. Tuy nhiên, hiện nay, phần năng lượng mặt trời tích hợp trên xe điện chỉ đủ cung cấp cho các thiết bị phụ trợ, chưa đáp ứng được nhu cầu vận hành chính của xe. Ví dụ, mẫu xe Hyundai Sonata Hybrid chỉ tăng thêm được khoảng 3,6 km quãng đường mỗi ngày nhờ năng lượng mặt trời, trong khi mẫu xe Lightyear One có thể tăng thêm 10-12 km/ngày trong điều kiện nắng tốt, vẫn còn thấp so với quãng đường trung bình 27,5 km/ngày tại một số quốc gia như Hàn Quốc.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo linh kiện quang học không tạo ảnh dạng CPC (Compound Parabolic Concentrator) nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của hệ thống điện mặt trời hội tụ, ứng dụng trên nóc xe điện. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của linh kiện CPC để thu nhận tối đa ánh sáng mặt trời trực tiếp và tán xạ trong phạm vi góc chấp nhận khoảng 48°, với hiệu suất chuyển đổi quang điện có thể đạt tới 32%. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế, mô phỏng trên phần mềm LightTools, chế tạo linh kiện bằng máy CNC và đo đạc thực nghiệm tại Việt Nam trong năm 2022-2023.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần phát triển công nghệ năng lượng tái tạo cho xe điện, giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, từ đó nâng cao quãng đường vận hành xe điện mà không cần sạc ngoài, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: quang học không tạo ảnh và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời đa lớp chuyển tiếp.

  • Quang học không tạo ảnh: Đây là nhánh quang học tập trung tối ưu hóa truyền bức xạ từ nguồn sáng đến diện tích thu mà không tạo hình ảnh rõ ràng. Linh kiện CPC thuộc loại quang học không tạo ảnh, sử dụng cấu trúc parabol phức hợp để phản xạ và hội tụ ánh sáng mặt trời vào tấm pin mặt trời hiệu suất cao. Góc chấp nhận của CPC được xác định là góc lệch tối đa của tia sáng so với trục chính mà hiệu suất quang học vẫn đạt trên 90%.

  • Pin mặt trời đa lớp chuyển tiếp: Pin mặt trời gồm nhiều lớp tiếp xúc pn với các vùng năng lượng cấm khác nhau, giúp hấp thụ photon có năng lượng đa dạng trong phổ bức xạ mặt trời, nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện lên đến khoảng 35-45%. Cấu trúc pin đa lớp gồm các vật liệu như GaInP, GaInAs, Ge xếp chồng lên tấm pin Si tinh thể, tận dụng tối đa năng lượng mặt trời hội tụ.

Ba khái niệm chính được sử dụng là: tỷ lệ hội tụ (Cr) của CPC, góc chấp nhận (2θ), và hiệu suất quang học của hệ thống CPV (Concentrator Photovoltaic).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu bức xạ mặt trời lấy từ các địa điểm thực tế như Phoenix (Mỹ) và Seoul (Hàn Quốc) với các thông số bức xạ trực tiếp (DNI) và tán xạ (DHI) được nhập vào phần mềm LightTools để mô phỏng.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế linh kiện CPC với các tỷ lệ hội tụ khác nhau (2.25, 4, 6.25) và kích thước đầu ra cố định 10 mm, mô phỏng hiệu suất quang học, góc chấp nhận và năng lượng thu được trên phần mềm LightTools. So sánh hiệu suất với các thiết kế thấu kính phi cầu và các hệ thống CPV khác.

  • Timeline nghiên cứu: Thiết kế và mô phỏng trong giai đoạn đầu năm 2022, chế tạo linh kiện CPC bằng máy CNC độ chính xác cao trong nửa cuối năm 2022, tiến hành đo đạc thực nghiệm và đối chiếu kết quả mô phỏng trong quý đầu năm 2023.

Cỡ mẫu chế tạo gồm mảng CPC 10x10 linh kiện trên diện tích 1 m², lựa chọn phương pháp mô phỏng tia sáng để đánh giá hiệu suất quang học và góc chấp nhận, đồng thời đo đạc thực nghiệm để xác nhận tính chính xác của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Góc chấp nhận của linh kiện CPC: Linh kiện CPC dạng khối acrylic có góc chấp nhận mở rộng đến khoảng 48°, lớn hơn nhiều so với CPC dạng gương rỗng (khoảng 30°). Điều này giúp thu nhận ánh sáng mặt trời trực tiếp trong phạm vi rộng hơn, tăng thời gian thu năng lượng trong ngày.

  2. Hiệu suất quang học của mảng CPC: Mô phỏng mảng CPC 10x10 cho thấy hiệu suất quang học tổng thể đạt trên 97% trong phạm vi góc chấp nhận, trong đó tấm pin mặt trời đa lớp thu được khoảng 78% năng lượng, tấm pin Si thu 20% năng lượng còn lại. Hiệu suất này cao hơn đáng kể so với thiết kế sử dụng mảng thấu kính phi cầu (khoảng 46.6% cho pin đa lớp và 20% cho pin Si).

  3. Năng lượng thu được theo điều kiện địa lý: Mô phỏng tại Phoenix (Mỹ) với bức xạ trực tiếp cao cho thấy hệ thống thu được năng lượng lớn hơn khoảng 40% so với Seoul (Hàn Quốc) với bức xạ thấp hơn. Điều này cho thấy hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và vị trí địa lý.

  4. So sánh với các hệ thống hiện có: Thiết kế CPC cho phép hiệu suất chuyển đổi quang điện lên đến 32%, vượt trội hơn so với các hệ thống thấu kính phi cầu (27.3%) và tương đương với hệ thống mảng thấu kính tráng gương phức tạp (32.88%) nhưng có ưu điểm về độ mỏng (35 mm), dễ chế tạo và lắp đặt trên nóc xe.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy linh kiện CPC dạng khối acrylic là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất thu năng lượng mặt trời trên xe điện. Góc chấp nhận rộng giúp thu nhận ánh sáng trong nhiều điều kiện chiếu sáng khác nhau, phù hợp với vận hành thực tế của xe điện di chuyển trong ngày. Hiệu suất quang học cao của mảng CPC giúp giảm diện tích tấm pin mặt trời đa lớp cần thiết, từ đó giảm chi phí sản xuất.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng thấu kính phi cầu hoặc mảng thấu kính tráng gương, thiết kế CPC đơn giản hơn, dễ chế tạo bằng máy CNC và có thể điều chỉnh linh hoạt theo hình dạng nóc xe. Việc kết hợp tấm pin đa lớp hiệu suất cao với tấm pin Si thu ánh sáng tán xạ giúp tận dụng tối đa nguồn năng lượng mặt trời, giảm tổn thất quang học xuống còn khoảng 3%, thấp hơn nhiều so với các hệ thống khác.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất quang học theo góc tới, bảng so sánh hiệu suất giữa các loại linh kiện quang học, và đồ thị năng lượng thu được theo giờ trong ngày tại các địa điểm khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và tính khả thi của thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu vật liệu CPC: Áp dụng các vật liệu có chiết suất cao hơn hoặc phủ lớp chống phản xạ để mở rộng góc chấp nhận và giảm tổn thất Fresnel, nhằm nâng cao hiệu suất quang học tổng thể. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu vật liệu và các trường đại học.

  2. Phát triển quy trình chế tạo CPC bằng CNC: Tối ưu hóa các bước gia công, xử lý bề mặt và đánh bóng để đảm bảo độ chính xác và chất lượng linh kiện, giảm chi phí sản xuất hàng loạt. Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: doanh nghiệp sản xuất linh kiện quang học.

  3. Tích hợp hệ thống CPV trên xe điện thương mại: Thử nghiệm lắp đặt hệ thống CPC trên các mẫu xe điện thực tế, đánh giá hiệu suất vận hành và độ bền trong điều kiện môi trường khác nhau. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: các hãng sản xuất xe điện và trung tâm nghiên cứu ứng dụng.

  4. Phát triển hệ thống quản lý năng lượng thông minh: Kết hợp hệ thống CPV với bộ điều khiển pin và hệ thống sạc để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời, kéo dài tuổi thọ pin và nâng cao hiệu quả vận hành xe. Thời gian: 12-24 tháng, chủ thể: các công ty công nghệ ô tô và nghiên cứu điện tử.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật, Quang học và Quang điện tử: Nghiên cứu về thiết kế linh kiện quang học không tạo ảnh, mô phỏng quang học và ứng dụng trong năng lượng tái tạo.

  2. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện quang học và pin mặt trời: Áp dụng công nghệ CPC để phát triển sản phẩm mới, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

  3. Các hãng sản xuất xe điện và công nghệ ô tô xanh: Tìm hiểu giải pháp tích hợp năng lượng mặt trời hiệu quả trên xe điện, nâng cao quãng đường vận hành và giảm phát thải.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ năng lượng mặt trời hội tụ trong giao thông xanh, xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Linh kiện CPC là gì và tại sao lại sử dụng trong hệ thống điện mặt trời hội tụ?
    Linh kiện CPC (Compound Parabolic Concentrator) là thiết bị quang học không tạo ảnh, dùng để hội tụ ánh sáng mặt trời vào diện tích nhỏ hơn mà không tạo hình ảnh. CPC giúp tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời bằng cách mở rộng góc chấp nhận và giảm tổn thất quang học, phù hợp cho ứng dụng trên nóc xe điện với diện tích hạn chế.

  2. Hiệu suất chuyển đổi quang điện của hệ thống CPC đạt được bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hệ thống CPC có thể đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện lên đến 32%, cao hơn so với các hệ thống sử dụng thấu kính phi cầu (khoảng 27.3%) và tương đương với các hệ thống phức tạp hơn nhưng có ưu điểm về độ mỏng và dễ chế tạo.

  3. Góc chấp nhận của linh kiện CPC ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất?
    Góc chấp nhận là phạm vi góc tới của ánh sáng mặt trời mà linh kiện CPC có thể thu nhận hiệu quả (trên 90% năng lượng). Góc chấp nhận rộng giúp thu nhận ánh sáng trong nhiều điều kiện chiếu sáng khác nhau, tăng thời gian thu năng lượng trong ngày, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

  4. Phương pháp chế tạo linh kiện CPC trong nghiên cứu này là gì?
    Linh kiện CPC được chế tạo bằng máy CNC độ chính xác cao, sử dụng vật liệu acrylic (PMMA) với các bước gia công, xử lý bề mặt và đánh bóng để đảm bảo chất lượng quang học và độ bền, phù hợp cho sản xuất hàng loạt.

  5. Ứng dụng thực tế của hệ thống điện mặt trời hội tụ trên xe điện có những lợi ích gì?
    Hệ thống giúp tăng quãng đường vận hành xe điện mà không cần sạc ngoài, giảm phụ thuộc vào nguồn điện lưới, giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời góp phần phát triển giao thông xanh và bền vững. Ngoài ra, thiết kế mỏng nhẹ không ảnh hưởng đến khí động học và trọng lượng xe.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công linh kiện quang học không tạo ảnh CPC với góc chấp nhận khoảng 48° và hiệu suất chuyển đổi quang điện lên đến 32%, phù hợp ứng dụng trên nóc xe điện.
  • Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu suất quang học của mảng CPC đạt trên 97%, vượt trội so với các thiết kế thấu kính phi cầu hiện có.
  • Thiết kế CPC có ưu điểm về độ mỏng (35 mm), dễ chế tạo bằng CNC và linh hoạt trong lắp đặt trên các bề mặt cong của xe điện.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời trong giao thông xanh, giảm phát thải khí nhà kính và chi phí sản xuất hệ thống điện mặt trời hội tụ.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm cải tiến vật liệu, quy trình chế tạo, tích hợp hệ thống trên xe thực tế và phát triển hệ thống quản lý năng lượng thông minh.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu, doanh nghiệp và hãng xe điện hợp tác triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời phát triển công nghệ CPC để thương mại hóa rộng rãi, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp xe điện xanh và bền vững.