Cơ chế vận hành của hệ thống năng lượng mặt trời khi nhiệt độ tăng cao

Dù hấp thu năng lượng từ bức xạ thái dương, các tấm pin quang điện lại gặp phải một nghịch lý lớn khi hiệu suất vận hành bị suy giảm đáng kể vào những thời điểm trời nắng gắt nhất.

Nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời đang thu hút sự chú ý mạnh mẽ và nhận được nguồn vốn đầu tư lớn trong xu thế chuyển đổi sang năng lượng xanh, hỗ trợ tích cực cho mục tiêu cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính (Ảnh: Fajar Riadii/Shutterstock).

Các báo cáo khí tượng gần đây liên tục xếp các năm vừa qua vào danh sách những giai đoạn có nhiệt độ cao kỷ lục, minh chứng cho xu thế ấm lên toàn cầu chưa có dấu hiệu dừng lại.

Trước áp lực tiêu thụ điện tăng vọt phục vụ nhu cầu làm mát, nguồn điện năng lượng mặt trời được kỳ vọng là phương án thay thế hoàn hảo cho các dạng năng lượng hóa thạch truyền thống. Thế nhưng, một rào cản mang tính nghịch lý xuất hiện: khi thời tiết quá oi bức, khả năng sản sinh dòng điện của hệ thống này lại bị sụt giảm.

Cơ chế vật lý đằng sau hiện tượng suy giảm hiệu suất

Quá trình tạo ra điện năng diễn ra khi các hạt photon từ bức xạ mặt trời va chạm và kích thích hạt electron trong lớp bán dẫn của pin chuyển động, từ đó hình thành dòng điện. Dẫu vậy, lúc nhiệt độ bề mặt của tế bào quang điện tăng lên, các nguyên tử cấu thành vật liệu bán dẫn sẽ dao động mạnh mẽ hơn, gây cản trở và làm sụt giảm điện áp đầu ra, trực tiếp làm suy yếu công suất chuyển đổi năng lượng.

Dựa trên các thông số thử nghiệm tiêu chuẩn (STC), mức hiệu năng của sản phẩm được xác định tại mốc nhiệt độ tế bào quang điện đạt 25°C. Song trong điều kiện thực tế, hầu hết dòng pin silicon đang phân phối trên thị trường sẽ bị hao hụt khoảng 0,3-0,5% công suất ứng với mỗi độ C tăng thêm vượt qua ngưỡng chuẩn này.

Vào các giai đoạn cao điểm nắng nóng, mức nhiệt đo được tại bề mặt tấm pin có thể chạm hoặc vượt mốc 60°C, kéo theo lượng điện năng tạo ra bị hao hụt từ 15-25% tùy thuộc vào nền tảng công nghệ và hệ số nhiệt riêng biệt của thiết bị. Trong trường hợp hệ thống thiếu đi các giải pháp làm mát tối ưu, biên độ suy giảm này thậm chí sẽ còn nghiêm trọng hơn nữa.

Các phương án hạ nhiệt tối ưu nhằm bảo toàn hiệu năng

Dù việc thay đổi thời tiết tự nhiên là điều bất khả thi, các chủ đầu tư vẫn có thể chủ động kiểm soát hiện tượng tăng nhiệt quá mức bằng cách tính toán kỹ lưỡng phương án lắp đặt kỹ thuật.

Đối với các công trình áp mái, thiết bị vừa hấp thụ nhiệt lượng từ mặt trời vừa chịu ảnh hưởng bởi lượng nhiệt bức xạ ngược từ bề mặt mái nhà. Do đó, giới chuyên môn đưa ra khuyến nghị cần duy trì một khoảng trống lưu thông khí từ 10-20cm giữa tấm pin và mái để luồng gió tự nhiên dễ dàng luân chuyển, hỗ trợ hạ nhiệt hiệu quả.

Song song với đó, bộ phận biến tần (inverter) - thiết bị giữ vai trò chuyển đổi dòng điện một chiều thu được thành dòng điện xoay chiều cung cấp cho các tải tiêu thụ - cũng cần bố trí tại những khu vực thoáng đãng, mát mẻ, tránh bị ánh nắng chiếu trực tiếp nhằm phòng ngừa lỗi quá nhiệt và duy trì độ bền vận hành lâu dài cho toàn hệ thống.

Để giải quyết triệt để vấn đề này, giới nghiên cứu toàn cầu đang nỗ lực phát triển những dạng vật liệu mới cùng các lớp phủ bề mặt tiên tiến giúp giải nhiệt nhanh chóng hơn mà không làm ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ quang năng. Các đột phá này hứa hẹn sẽ tối ưu hóa khả năng vận hành ổn định của hệ thống điện mặt trời trước những biến đổi khí hậu ngày một khắc nghiệt.

Cảm ơn quý độc giả đã dành thời gian quan tâm theo dõi nội dung bài viết của chúng tôi. Hãy tiếp tục đồng hành và khám phá thêm nhiều thông tin hữu ích cùng các chủ đề liên quan ngay phía bên dưới.