Công nghệ Bifacial trong pin mặt trời và yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

Công nghệ giúp pin năng lượng mặt trời hoạt động 'bất ​chấp thời tiết'


Tế bào quang điện công nghệ Bifacial có thể hấp thụ ánh sáng từ phía sau, nhờ đó tăng hiệu suất năng lượng của tấm pin năng lượng mặt trời. Có một số yếu tố chủ chốt ảnh hưởng tới hiệu suất năng lượng của tấm pin năng lượng mặt trời công nghệ bifacial và việc tối đa hoá những yếu tố này để đạt được hiệu suất năng lượng cao hơn được khách hàng và các nhà thầu nhà máy điện EPC rất quan tâm.

Bài viết này giới thiệu một mô hình có thể dự đoán được hiệu suất năng lượng của một hệ thống nghiêng quy mô lớn, cũng như phân tích những sự thay đổi trong hiệu suất năng lượng của mô-đun này khi tính tới các thông số khác như albedo mặt đất, chiều cao của mô-đun, tỉ lệ phủ mặt đất (ground coverage ratio - GCR) và sự khuất bóng. Dựa vào các dữ liệu thu được có thể đưa ra các thông số lắp đặt tối ưu để đạt được hiệu suất năng lượng cao hơn.

Giới thiệu mô hình quang học

Có hai mô hình quang học cơ bản là view-factor và ray-tracing (dò tia) được nhiều nhà sản xuất phần mềm mô phỏng lớn, cũng như các cơ sở nghiên cứu thứ ba được cấp phép sử dụng. Thông tin chi tiết về hai mô hình như sau:

Mô hình view-factor chủ yếu được sử dụng bởi PVsyst, SAM và ISC Konstanz. Mô hình này biểu thị tỉ lệ chiếu xạ mà mặt sau tấm pin nhận được từ mặt đất.

Ví dụ: Mặt đất là A1, mặt sau tấm pin là A2, thì F_A1->A2 đại diện cho tỉ lệ chiếu xạ A2 nhận được từ A1. Ufuk Alper Yusufoglu giới thiệu mô hình view-factor tại Hội nghị Quốc tế lần thứ 4 về Quang điện Silicon năm 2014, sử dụng phương trình sau:

A1 là mặt đất, A2 là mặt sau của tấm pin, q1 thể hiện góc giữa n1 và s, q2 thể hiện góc giữa n2 và s. Vào năm 1981, U. Gross đã giải được phương trình bằng chữ cái trong truyền nhiệt và khối 8.3, như dưới đây:

Phân tích thêm phương trình trên sẽ cho kết quả như sau:

Đây là một phương trình liên quan đến hệ toạ độ ba chiều, phức tạp hơn. Để đơn giản hoá phương trình này, giả sử khung cố định là vô hạn theo hướng đông-tây, hệ toạ độ ba chiều có thể được đơn giản hóa thành phiên bản hai chiều, được thể hiện trong sơ đồ nguyên lý sau:

Có thể đạt được View-factor của mặt sau hệ thống pin mặt trời bằng cách tích hợp các điểm trên trục ngang. Do bức xạ ngang chùm tia trực tiếp (beam horizontal irradiance - BHI) sẽ bị chặn bởi mô-đun, đổ bóng xuống mặt đất, chỉ có thể phản xạ chiếu xạ ngang khuếch tán (diffuse horizontal irradiation - DHI) từ trong bóng đổ. Tuy nhiên, từ khu vực bên ngoài bóng đổ, cả BHI và DHI đều có thể được phản xạ lại. I_ref,r.là tổng của phản xạ chiếu xạ từ 2 vùng, biểu thị như sau:

Khi albedo là albedo mặt đất, DHI là bức xạ khuếch tán từ khu vực bóng đổ, GHI là tổng của BHI và DHI từ bên ngoài khu vực bóng đổ, F_Ash->Am là View-factor giữa khu vực bóng đổ và mặt sau của mô-đun, F_Ansh->Am là Vew-factor giữa khu vực ngoài bóng đổ và mặt sau của mô-đun. Tổng của bức xạ nhận được từ mặt sau của mô đun có thể được tính toán dựa vào phương trình trên, từ đó tính được hiệu suất bifacial của mô-đun.

Mô hình ray-tracing chủ yếu được sử dụng bởi NRREL, EDDF R&D và Fraunhofer ISE, có nguồn gốc từ đồ hoạ máy tính tính toán số lượng tia được phản xạ tới mắt người nhìn. Dựa vào nguyên lý này có thể tính toán được bức xạ mà mặt sau của mô-đun nhận được.

Giả sử kết xuất hình ảnh dưới dạng mắt người hoặc máy ảnh, khi tia sáng bị một vật thể phản xạ, nó sẽ đi vào mắt người hoặc máy ảnh, trở thành một vật có thể được nhìn thấy hoặc hình ảnh được tạo bởi máy ảnh, như hình bên trái. Tuy nhiên, hầu hết các tia từ nguồn không thể đi vào mắt, do đó trong quá trình mô phỏng không cần phải theo dõi các tia như vậy.

Để xác định các tia cần phải theo dõi, một giải pháp ngược đã được đưa ra, như thể hiện trong hình bên phải. Nếu các tia hội tụ ngược về nguồn của chúng sau khi tương tác với một vật thể ảo, thì các tia này chính là các tia cần được theo dõi. Quá trình trên có thể đạt được thông qua một chương trình máy tính.

Phân tích bằng cách mô phỏng các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất của tấm pin hai mặt

Các yếu tố chính tác động tới hiệu suất của tấm pin hai mặt, bao gồm albedo mặt đất, chiều cao của mô-đun, tỉ lệ phủ mặt đất (ground coverage ratio - GCR) và sự khuất bóng. PVSyst được sử dụng để mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố này tới hiệu suất của tấm pin hai mặt.

1/ Ảnh hưởng của albedo mặt đất:

Về lý thuyết, albedo mặt đất càng cao thì chiếu xạ nhận được của mặt sau tấm pin càng cao. Mối tương quan giữa albedo mặt đất và hiệu suất của Bifacial PV module cần được xem xét nhiều hơn. Kết quả mô phỏng được hiển thị trong hình dưới.

Có thể thấy, có một mối quan hệ tuyến tính giữa albedo mặt đất và hiệu suất năng lượng đạt được. Vì trong phương trình trên cũng có một mối quan hệ tuyến tính giữa albedo mặt đất và hiệu suất năng lượng đạt được, kết quả mô phỏng cũng đồng nhất với lý thuyết.

2/ Ảnh hưởng của chiều cao lắp đặt lên hiệu suất của mô-đun:

Theo mô hình View-factor hai chiều đã được đơn giản hoá, khi tăng chiều cao của mô-đun thì view-factor sẽ giảm - tuy nhiên, chiếu xạ mà mặt sau mô-đun nhận được lại tăng, từ đó có thể rút ra rằng mối quan hệ giữa hiệu suất và chiều cao lắp đặt là không tuyến tính. Hiệu suất của mô-đun thay đổi theo chiều cao tại các albedo mặt đất khác nhau (30%, 50%, 80%) được thể hiện trong biểu đồ dưới. Cần phải chú ý rằng hiệu suất của mô-đun tăng mạnh trong khoảng chiều cao từ 0 - 1 mắt, và tăng chậm hơn khi chiều cao vượt quá 1 mét.

Khi chiều cao thay đổi, sự đồng nhất trong lượng chiếu xạ nhận được của mặt sau mô-đun sẽ giảm, do đó ảnh hưởng tới hiệu suất của mô-đun. Hình sau mô phỏng sự đồng nhất của lượng chiếu xạ nhận được bởi mặt sau của mô-đun. Có thể rút ra rằng khi chiều cao ở mức trên 1 mét, lượng chiếu xạ sẽ đồng nhất và có lợi cho hiệu suất năng lượng của mô-đun.

3/ Ảnh hưởng của tỉ lệ phủ mặt đất (ground coverage ratio - GCR) tới hiệu suất của mô-đun

GCR là tỉ lệ giữa độ rộng của bóng râm và khoảng cách giữa các mảng. Theo mô hình iew-factor hai chiều đã được đơn giản hoá, khi GCR tăng thì view-factor cũng tăng, từ đó tăng lượng chiếu xạ từ mặt đất. Vì các biến số trong GCR có liên quan tới phương trình view-factor và cũng liên quan tới các tính toán tích phân phức tạp, sự tương quan giữa hiệu suất mô-đun và GCR cũng trở nên phức tạp. Sự tương quan này được biểu đạt trong hình dưới.

Có thể nhận ra khi GCR tăng từ 0.25 - 0.5 thì sự tương quan là tuyến tính. Tuy nhiên, khi GCR tăng từ 0.1 - 0.25 thì độ dốc của hiệu suất lại giảm. Hiệu suất của mô-đun và chi phí xây dựng của nhà máy nên được tính toán để đưa ra các thông số thiết kế tối ưu.

4/ Ảnh hưởng của sự đổ bóng tới hiệu suất năng lượng:

Trong một số trường hợp, bóng của mặt sau tấm pin là không thể tránh được, như minh hoạ trong hình. Chiều cao (h) và độ dày (a) của giá đỡ sẽ ảnh hưởng tới lượng chiếu xạ nhận được của mặt sau mô-đun.

Các mô phỏng chi tiết hơn cho 2 thông số trên được biểu thị trong hình dưới. Tổn hao quang học sẽ giảm nếu chiều cao của giá đỡ tăng và độ dày giá đỡ giảm. Chiều cao tối thiểu của giá đỡ được khuyến nghị là 40mm.

LONGi đã thực hiện các nghiên cứu của riêng mình về ảnh hưởng của bóng đổ của giá đỡ tới hiệu suất năng lượng. Mô phỏng kết quả của tổn hao quang học do bóng đổ của giá đỡ được thể hiện trong hình dưới, cho thấy là giá đỡ càng cao thì tổn hao quang học càng thấp, trong khi phía C của giá đỡ càng cao thì tổn hao quang học càng tăng.

Để loại bỏ tổn hao quang học gây ra do bóng đổ của giá đỡ, LONGi đã thiết kế ra một loại khung thấp không có phía C. Hiệu suất năng lượng thu được trong thực tế của loại khung này được thể hiện trong hình dưới, tăng 0.6% khi so sánh với mô-đun sử dung loại giá thông thường.         

Kết luận, các yếu tố chính tác động tới hiệu suất của tấm pin hai mặt bao gồm albedo mặt đất, chiều cao của mô-đun, tỉ lệ phủ mặt đất (ground coverage ratio - GCR) và sự khuất bóng. Các nhà thầu EPC cần cân nhắc các yếu tố này để tối đa hoá lợi nhận cho khách hàng.

Thông tin chi tiết về LONGi tại Việt Nam, xin vui lòng liên hệ: LONGi-Vietnam@longigroup.com