Năng lượng mặt trời có phù hợp để sử dụng ở các khu vực lạnh không?

Cách Nhiệt độ Lạnh Cải thiện Hiệu suất Tấm pin Mặt trời

Khoa học về Hệ số Nhiệt độ và Hiệu suất Tấm pin Mặt trời

Khi trời trở nên lạnh hơn, các tấm pin năng lượng mặt trời thực sự hoạt động hiệu quả hơn nhờ vào một hiện tượng gọi là hệ số nhiệt âm. Điều này cơ bản cho biết mức độ thay đổi công suất đầu ra khi nhiệt độ giảm mỗi độ C. Hầu hết các tấm pin mặt trời thông thường có hệ số dao động khoảng -0,3% đến -0,5% mỗi độ, do đó chúng hoạt động tốt hơn rõ rệt khi nhiệt độ xuống dưới mức tiêu chuẩn để kiểm tra là 25°C (khoảng 77°F). Khoa học đằng sau hiện tượng này cũng rất thú vị. Ở nhiệt độ thấp hơn, điện trở đối với các electron di chuyển trong các vật liệu bán dẫn bên trong tấm pin sẽ giảm. Điều đó có nghĩa là các tế bào quang điện có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả hơn mà không bị hao tổn nhiều năng lượng trong quá trình này.

Tại Sao Khí Hậu Lạnh Lại Tăng Điện Áp Đầu Ra Trong Các Hệ Thống Quang Điện

Các tấm pin mặt trời thực tế hoạt động tốt hơn trong thời tiết lạnh vì các vật liệu bên trong không bị nóng lên nhiều, điều này có nghĩa là chúng tạo ra điện áp cao hơn. Dây dẫn truyền điện cũng có điện trở thấp hơn khi thời tiết lạnh giá. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 25 độ C, mỗi độ giảm giúp các tấm pin mặt trời phục hồi một phần hiệu suất đã mất dựa trên hệ số nhiệt độ. Điều này tạo ra sự khác biệt rõ rệt ở những nơi mùa đông xuống tới mức âm 20 độ C hoặc thấp hơn. Các nghiên cứu đánh giá hiệu suất của tấm pin mặt trời trong điều kiện khí hậu băng giá cho thấy tất cả các yếu tố này kết hợp lại có thể làm tăng sản lượng năng lượng từ 12 đến 15 phần trăm so với các hệ thống tương tự ở khu vực ấm hơn nhưng nhận được cùng lượng ánh sáng mặt trời.

Hiệu suất cải thiện của các tấm pin mặt trời loại N trong môi trường nhiệt độ thấp

Khi nói đến hiệu suất trong thời tiết lạnh, các tấm pin silicon đơn tinh thể loại N vượt trội hơn loại thông thường vì chúng có hệ số nhiệt độ tốt hơn. Các tấm pin tiêu chuẩn giảm khoảng 0,35% hiệu suất mỗi độ C, trong khi những tấm pin tiên tiến này chỉ mất khoảng 0,25%. Bí mật nằm ở thiết kế tiếp điểm phía sau, giúp giảm thiểu hiện tượng tái kết hợp electron gây mất hiệu suất. Điều này có ý nghĩa gì về mặt thực tiễn? Những tấm pin này vẫn hoạt động với hiệu suất cao hơn từ 8 đến 10% ngay cả khi nhiệt độ xuống dưới điểm đóng băng. Đó là lý do tại sao nhiều đơn vị lắp đặt năng lượng mặt trời ưa chuộng chúng cho các khu vực Bắc Cực. Các tấm pin duy trì được sản lượng điện ngay cả trong điều kiện lạnh giá, đây là một lợi thế lớn vì ban ngày mùa đông vốn đã không có đủ ánh sáng mặt trời. Đối với các cộng đồng ở vùng khí hậu cực, sự ổn định này có thể tạo nên sự khác biệt giữa việc có nguồn điện đáng tin cậy và tình trạng mất điện thường xuyên.

Tác động của lớp tuyết che phủ đến sản lượng điện mặt trời: Những hiểu biết từ khu vực Bắc Âu

Khi tuyết tích tụ trên các tấm pin năng lượng mặt trời, khả năng tạo ra điện của chúng bị giảm đáng kể. Tuyết chặn ánh sáng mặt trời trực tiếp và thay đổi cách ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt do hiện tượng gọi là hiệu ứng albedo. Nghiên cứu tại các trung tâm điện mặt trời lớn ở Scandinavia cho thấy chỉ cần một lớp tuyết mỏng che phủ tấm pin cũng có thể làm giảm sản lượng điện khoảng từ 40 đến 60 phần trăm trong những tháng mùa đông cao điểm. Và nếu có một lớp tuyết dày phủ kín, đôi khi hơn 90% lượng ánh sáng mặt trời bị chặn hoàn toàn. Hơn nữa, do tuyết có tính phản quang cao, nó thực sự làm ánh sáng mặt trời bị bật ngược lại thay vì để ánh sáng chiếu vào các tế bào pin nơi cần thiết để tạo ra điện. Điều đó có nghĩa là các trang trại điện mặt trời cần được bảo trì thường xuyên để dọn tuyết, đặc biệt ở những khu vực lạnh nơi hiện tượng này xảy ra thường xuyên trong suốt mùa đông.

Định lượng tổn thất công suất do tích tụ tuyết trong những tháng lạnh

Các mô hình sản xuất năng lượng ở khu vực có tuyết rơi cho thấy mức độ tổn thất có thể dự đoán được dựa trên độ sâu của lớp tuyết:

• Lớp bụi mỏng nhẹ (<1") gây giảm công suất hàng ngày từ 15–25%
• Lượng tuyết tích tụ trung bình (1–3") làm giảm sản lượng từ 45–60%
• Tuyết dày (>6") có thể ngừng hoàn toàn việc phát điện trong vài ngày

Các hệ thống lắp đặt ở vùng núi chịu tổn thất sản lượng mùa đông cao hơn 35% so với hệ thống ở vùng đồng bằng do tuyết rơi thường xuyên và tích tụ kéo dài.

Các chiến lược thụ động và chủ động để ngăn ngừa tích tụ tuyết trên các dàn pin mặt trời

Công nghệ chống đóng băng và dọn tuyết tự động nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động đáng tin cậy vào mùa đông

Ngày nay, các hoạt động mùa đông được duy trì trơn tru nhờ sự kết hợp giữa kỹ thuật gia nhiệt và cơ học. Các bộ phận gia nhiệt điều chỉnh theo nhiệt độ ngăn tuyết bám dính bằng cách giữ cho các tấm pin đủ ấm để không bị đóng băng. Đồng thời, những lớp phủ đặc biệt được phát triển tại Đại học Michigan giúp tuyết mới dễ dàng trượt khỏi hầu hết các bề mặt. Khoảng 9 trong số 10 lần, tuyết mới sẽ tan hoàn toàn trong vòng hai giờ sau khi ánh sáng mặt trời chiếu vào. Các thử nghiệm thực tế tại khu vực Bắc Âu cũng cho thấy kết quả khả quan. Khi các phương pháp khác nhau này phối hợp cùng nhau, lượng năng lượng bị mất do tuyết che phủ giảm xuống dưới 5% mỗi năm, điều này tạo ra sự khác biệt lớn đối với các hoạt động ở vùng khí hậu lạnh.

Góc nghiêng, định hướng và thiết kế tối ưu cho tấm pin mặt trời ở vùng khí hậu lạnh

Tối Đa Hóa Việc Thu Thập Ánh Sáng Mặt Trời Thông Qua Góc Nghiêng và Hướng Đặt Chiến Lược ở Các Khu Vực Cao Độ Cao

Các tấm pin mặt trời ở những khu vực phía bắc lạnh giá trên khoảng vĩ độ 45 độ hoạt động hiệu quả nhất vào những tháng mùa đông khi được điều chỉnh góc nghiêng lớn hơn từ 15 đến 25 độ so với vĩ độ thực tế của vị trí đó. Điều này thường có nghĩa là đặt chúng ở góc nghiêng khoảng 60 đến 75 độ. Việc thay đổi này có thể làm tăng sản lượng điện tạo ra vào mùa đông từ 18 đến 23 phần trăm so với các thiết lập thông thường. Việc hướng các tấm pin về hướng nam vẫn rất quan trọng, vì nó giúp thu nhận gần như toàn bộ ánh sáng mặt trời có thể ở bán cầu Bắc – cụ thể là thu được gần 97% lượng ánh sáng ban ngày hiện có. Nghiên cứu gần đây của Moserbaer Solar năm 2023 đã xác nhận khá rõ ràng điều này, cho thấy những điều chỉnh này thực sự tạo ra sự khác biệt về hiệu suất.

Góc nghiêng lớn hơn cũng cải thiện khả năng tự thoát tuyết thụ động, giảm tổn thất do tích tụ tuyết lên đến 11% so với các thiết lập thông thường.

Các Điều Chỉnh Kỹ Thuật Để Cải Thiện Việc Sử Dụng Bức Xạ Mặt Trời Trong Môi Trường Lạnh

Các hệ thống năng lượng mặt trời tối ưu hóa cho vùng lạnh bao gồm ba cải tiến thiết kế chính:

1. TĂNG CƯỜNG CẤU TRÚC : Khung nhôm được đánh giá hoạt động ở mức -40°C chịu được co ngót nhiệt độ cực đoan
2. Tế bào quang điện nhiệt độ thấp : Các tấm pin N-type TOPCon duy trì hiệu suất 94% ở -25°C (-13°F), vượt trội hơn các module PERC tiêu chuẩn (88%)
3. Cấu hình lưỡng diện (bifacial) : Tấm pin hai mặt thu ánh sáng phản xạ từ tuyết, tăng sản lượng vào mùa đông từ 19–27%

Các hệ thống lắp đặt tiên tiến cho phép điều chỉnh góc nghiêng theo mùa từ xa, trong khi lớp phủ kính kỵ nước giảm độ bám dính của băng tới 53%, đảm bảo độ tin cậy trong các chu kỳ đóng băng và tan băng. Kết hợp lại, những điều chỉnh này tận dụng lợi thế từ sự gia tăng điện áp do nhiệt độ lạnh mang lại, đồng thời giảm thiểu các bất lợi về môi trường.

Giải Quyết Vấn Đề Ánh Sáng Mặt Trời Giảm Trong Các Tháng Mùa Đông

Biến động theo mùa về thời gian chiếu sáng ban ngày và cường độ ánh sáng mặt trời ở các vùng lạnh

Mùa đông lạnh giá đồng nghĩa với ngày ngắn hơn nhiều và ánh nắng yếu hơn, đặc biệt ở các khu vực phía bắc nơi mà người dân có thể chỉ nhận được khoảng 4 đến 5 giờ ánh sáng ban ngày yếu ớt mỗi ngày. Ánh sáng mặt trời ít hơn đồng nghĩa với việc ít photon hơn tiếp xúc với các tấm pin năng lượng mặt trời, làm giảm sản lượng điện của chúng từ khoảng 40% đến 60% so với mức sản xuất vào các tháng mùa hè. Mặc dù các tấm pin năng lượng mặt trời hiện đại vẫn hoạt động khá tốt trong điều kiện nhiệt độ đóng băng, nhưng lượng ánh sáng đầu vào theo thời gian vẫn không đủ để tạo ra lượng điện đáng kể. Vấn đề thực sự không phải là nhiệt độ mà là lượng ánh nắng thực tế đến được các tấm pin trong suốt cả ngày.

Thách thức về sản lượng năng lượng trong những ngày đông ngắn và cách khắc phục

Ba chiến lược đã được chứng minh giúp giảm thiểu tình trạng thiếu hụt năng lượng vào mùa đông:

• Tấm pin đơn tinh thể hiệu suất cao có hiệu suất tốt hơn trong điều kiện ánh sáng khuếch tán
• Hệ thống theo dõi hai trục tối đa hóa khả năng tiếp xúc trong khoảng thời gian ban ngày ngắn ngủi
• Các ngân pin cách nhiệt lưu trữ năng lượng dư thừa từ các đỉnh điểm vào giữa trưa

Khi kết hợp với các giải pháp lưu trữ năng lượng thông minh, những phương pháp này có thể bù đắp tới 80% tổn thất sản xuất theo mùa. Việc kết hợp chúng với các góc nghiêng tối ưu hóa cho mùa đông—đặc biệt là khoảng 60° ở vĩ độ cao—còn làm tăng thêm khả năng thu ánh sáng mặt trời và tự động loại bỏ tuyết.

Câu hỏi thường gặp

Nhiệt độ lạnh cải thiện hiệu suất của tấm pin mặt trời như thế nào?

Nhiệt độ lạnh làm giảm điện trở trong các vật liệu bán dẫn của tấm pin mặt trời, cho phép các electron di chuyển dễ dàng hơn và tăng hiệu suất.

Việc tích tụ tuyết có ảnh hưởng tiêu cực đến các tấm pin mặt trời không?

Có, tuyết có thể che khuất ánh sáng mặt trời và làm giảm đáng kể sản lượng năng lượng, đôi khi lên tới 90% nếu không được dọn sạch.

Những chiến lược nào có thể giúp ngăn ngừa hiện tượng tích tụ tuyết trên tấm pin mặt trời?

Cả các phương pháp thụ động như điều chỉnh góc nghiêng tấm pin và các phương pháp chủ động như hệ thống làm sạch bằng robot đều có thể giảm hiệu quả tình trạng tích tụ tuyết.

Các tấm pin năng lượng mặt trời có thể bù đắp cho lượng ánh sáng giảm vào mùa đông như thế nào?

Việc sử dụng các tấm pin hiệu suất cao, hệ thống theo dõi hai trục và các ngân pin tích trữ nhiệt có thể giúp giảm thiểu tác động của thời gian ban ngày ngắn hơn.