Kéo dài thời gian cấp điện của tế bào quang điện nhờ hệ thống PV-TEG

Mặc dù đã có nhiều ý tưởng gợi ý và cách triển khai thực tế khác nhau về việc hấp thu năng lượng từ làm mát bức xạ của tế bào PV vào ban đêm, nhưng mật độ năng lượng thu được lại quá thấp.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một máy nhiệt điện phát ra điện nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa tế bào PV và môi trường xung quanh. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters (Mỹ).

Với bầu trời đêm quang đãng và điện áp mạch hở 100mV, các nhà nghiên cứu thu được công suất điện 50mW/m² vào ban đêm, tức là cao hơn so với các tính năng đạt được trước đó nhiều bậc.

Sản xuất điện vào ban đêm ở nhiều vùng nông thôn dựa vào các lưới điện nhỏ hoặc các hệ thống không nối lưới đôi khi đòi hỏi phải lắp đặt thêm bộ tích trữ điện bằng acquy lớn, điều này làm tăng đáng kể sự phức tạp cho hệ thống.

Theo nhiệt động lực học, cần phải truyền nhiệt từ nguồn nóng sang bể lạnh để tạo ra công từ nhiệt. Ban ngày, một tế bào PV hoạt động như một động cơ nhiệt, chuyển đổi năng lượng mặt trời chiếu vào tế bào PV thành điện năng bằng cách sử dụng mặt trời làm nguồn nhiệt và môi trường xung quanh Trái đất làm bể lạnh. Thông lượng nhiệt bức xạ từ Trái đất ra khoảng không vũ trụ xảy ra cùng với sự chiếu xạ của mặt trời.

Vì khí quyển Trái đất là trong suốt trong dải bước sóng hồng ngoại trung bình, nên việc truyền nhiệt ra bên ngoài là có thể hiểu được. Nếu tính trung bình, nhiệt này phải cân bằng với dòng nhiệt từ thông lượng mặt trời tới Trái đất để duy trì nhiệt độ của Trái đất, cường độ của dòng nhiệt tỏa ra rất đáng kể.

Do đó, mọi vật thể trên Trái đất tiếp cận với bầu trời đều có thể tỏa nhiệt ra ngoài không gian, do đó cung cấp một phương pháp làm mát bằng bức xạ. Sự tập trung gần đây vào việc hoàn thiện khả năng làm mát bằng các vật liệu khác nhau và kết hợp vào các hoạt động liên quan đến năng lượng, chẳng hạn như làm mát tòa nhà, khiến loại hiệu ứng làm mát bức xạ này được quan tâm.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị PV-TEG (quang điện-máy phát nhiệt điện) được mô tả trên Hình 1 từ quan điểm cân bằng năng lượng của tế bào PV vào ban đêm.

  

Phát điện vào ban đêm từ việc làm mát bằng bức xạ của một tế bào PV. (a) Sơ đồ thể hiện sự cân bằng năng lượng của tế bào PV và (b) mô hình mạch nhiệt của thiết bị PV-TEG.

Bản vẽ thiết kế của thiết bị PV-TEG và nguyên mẫu hoàn chỉnh được thể hiện trong Hình 2(a) và 2(b). Thiết bị được chế tạo bao quanh một tế bào mặt trời silicon đơn tinh thể SunPower C-60 có diện tích bề mặt A = 153cm².

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một buồng cách nhiệt bằng không khí xung quanh tế bào PV với một lối vào ở phía dưới để kết nối bể nhiệt nhằm hạn chế dòng nhiệt ký sinh với môi trường xung quanh. Màng polyetylen khối lượng riêng thấp (LDPE) trong mờ đối với dải bước sóng nhìn thấy được cũng như dải bước sóng hồng ngoại trung bình được sử dụng để che phần trên của buồng cách nhiệt này.

  

Thiết kế và nguyên mẫu của thiết bị PV-TEG. (a) Bản vẽ thiết kế và (b) nguyên mẫu đã chế tạo.

   

Kết quả đo nhiệt độ và công suất trong nhiều ngày. (a) Kết quả đo nhiệt độ. (b) Công suất phát điện của PV. (c) Công suất phát điện của TEG. Lưu ý các thang đo khác nhau được sử dụng cho ban ngày và ban đêm. (d) Ảnh chụp nhanh mối quan hệ dòng-áp-công suất của TEG.

Các số đo công suất và nhiệt độ được thể hiện trong Hình 3. Các kết quả đo nhiệt độ (Hình 3(a)) cho thấy rằng tế bào PV ấm lên vào ban ngày do hấp thụ bức xạ mặt trời. Tế bào PV đạt đến sự chênh lệch nhiệt độ cao hơn nhiều nhất khoảng 15°C so với môi trường xung quanh vào khoảng giữa trưa. Hình 3(b) cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ ban ngày đo được có quan hệ như thế nào với công suất của tế bào PV.

Các giá trị công suất của TEG được thể hiện trên Hình 3(c).

 

So sánh giữa công suất phát ra vào ban đêm được mô hình hóa và các phép đo thực tế (đường liền) trong các đêm 10 tháng 10 (a) và 11 tháng 10 (b). Các vùng bóng mờ thể hiện các giá trị tiên đoán bằng cách sử dụng mô hình hóa tương quan

Kết luận

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống PV-TEG có thể kéo dài thời gian phát điện của tế bào PV sang ban đêm bằng cách sử dụng làm mát bức xạ đồng thời cung cấp thêm năng lượng vào ban ngày. Tùy theo khu vực và chất lượng bầu trời, công suất phát điện vào ban đêm nằm trong khoảng từ 10 đến 100mW/m².

Trong các điều kiện ngoài lưới điện và lưới điện mini, khi các công trình lắp đặt tế bào PV đang trở nên phổ biến hơn, giải pháp này có thể cấp điện và chiếu sáng dự phòng lúc nửa đêm. Vì các nhà máy nhiệt điện có tuổi thọ dịch vụ dài, hệ thống được đề xuất này có thể có chi phí bảo trì dài hạn thấp hơn so với tích trữ bằng acquy.

Hệ thống này cũng có thể cấp điện cho các cảm biến ở những nơi xa, giảm hoặc loại bỏ nhu cầu tích trữ bằng acquy.