Bóng râm là một trong những yếu tố chính gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của hệ thống quang điện. Khi các tấm pin mặt trời bị che khuất, dù chỉ là một phần nhỏ, chúng có thể mất đi một lượng đáng kể năng lượng thu được. Điều này xảy ra vì các tế bào trong tấm pin hoạt động ở mức hiệu suất thấp nhất trong mạch, dẫn đến suy giảm hiệu suất tổng thể. Việc xác định và giảm thiểu bóng râm, do đó, trở thành một yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế và bố trí hệ thống quang điện để tối đa hóa sản lượng năng lượng.
Sơ đồ mặt trời trong việc xác định hướng bóng râm
Sơ đồ quỹ đạo mặt trời là công cụ quan trong việc thiết kế và vận hành các hệ thống năng lượng mặt trời. Công cụ này cung cấp cái nhìn trực quan về vị trí của mặt trời tại bất kỳ thời điểm nào trong ngày và qua các mùa khác nhau, giúp xác định các khoảng thời gian mà một khu vực cụ thể có thể bị che bóng bởi các vật cản như tòa nhà, cây cối hay các địa hình tự nhiên.
Sơ đồ quỹ đạo mặt trời thể hiện hai thông số chính: góc phương vị và góc cao. Góc phương vị cho biết hướng của mặt trời so với phía bắc địa lý, trong khi góc cao cho biết độ cao của mặt trời so với chân trời. Bằng cách vẽ các góc này lên sơ đồ, người ta có thể thấy rõ mặt trời di chuyển trên bầu trời như thế nào và vật cản nào sẽ gây ra bóng râm tại một thời điểm cụ thể.
Trong thiết kế hệ thống quang điện, sơ đồ quỹ đạo mặt trời còn giúp xác định các giải pháp tối ưu hóa như việc sử dụng các hệ thống theo dõi mặt trời đơn trục hoặc hai trục, nhằm điều chỉnh góc đặt tấm pin theo thời gian thực để luôn hướng về phía có ánh sáng mặt trời mạnh nhất, từ đó tăng hiệu suất thu năng lượng.
Hiểu biết về bóng râm và ảnh hưởng của nó
Giảm năng suất năng lượng
Bóng râm một phần từ các vật thể như tòa nhà hoặc cây cối ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của tế bào quang điện, cụ thể là làm giảm mức độ bức xạ mặt trời đến các tấm pin, từ đó giảm năng lượng đầu ra và hiệu quả trên toàn hệ thống. Điều này không chỉ đơn giản là giảm lượng năng lượng thu thập được mà còn gây ra hiện tượng không khớp điện áp và dòng điện giữa các tế bào trong một mô-đun, dẫn đến tổn thất năng lượng.
Về mặt kỹ thuật, khi một phần của tấm pin bị che khuất, các tế bào phơi sáng không đều nhận được ít ánh sáng hơn so với những tế bào không bị che khuất. Điều này làm giảm dòng điện đi qua tấm pin bởi vì dòng điện của tấm pin là dòng điện của tế bào yếu nhất trong chuỗi. Ví dụ, nếu một tấm pin hoạt động ở mức hiệu suất 100% không bị che chắn có thể sản xuất dòng điện là 5A, nhưng nếu 50% bề mặt của nó bị che khuất, dòng điện có thể giảm xuống còn khoảng 2.5A hoặc thấp hơn tùy thuộc vào mức độ che phủ và cấu trúc của các tế bào.
Hơn nữa, sự khác biệt về ánh sáng nhận được giữa các tế bào có thể dẫn đến việc hình thành các điểm nóng, nơi nhiệt tích tụ gây hại cho các tế bào quang điện và có thể làm giảm tuổi thọ của chúng. Điều này xảy ra do các tế bào bị che bóng không thể phóng điện bằng cách chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện, do đó chúng chuyển năng lượng mà chúng nhận được thành nhiệt.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tổn thất năng suất do che bóng có thể đáng kể. Theo một nghiên cứu được công bố, tổn thất hiệu suất có thể lên đến 33% trong trường hợp che bóng hoàn toàn và có sự xuất hiện của đi-ốt bỏ qua để bảo vệ các tế bào không bị ảnh hưởng. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc thiết kế hệ thống phù hợp và việc chọn lựa vị trí lắp đặt để tối thiểu hóa hiện tượng che bóng và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời.
Ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động
Trong môi trường bị che bóng, các tế bào quang điện không thể hoạt động ở Điểm công suất tối đa (MPP) của chúng, điều này làm giảm đáng kể hiệu quả chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Điểm MPP là điều kiện tại đó một tế bào quang điện có thể tạo ra công suất điện năng cao nhất, và việc duy trì hoạt động tại điểm này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống quang điện. Khi tế bào bị che bóng, dòng điện sản sinh sẽ giảm vì không đủ ánh sáng chiếu vào, làm cho điểm MPP di chuyển đến một vị trí không lý tưởng.
Trong những tình huống như vậy, việc sử dụng công nghệ theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) như kỹ thuật SA-P&O (Perturb and Observe) trở nên cần thiết. Công nghệ MPPT SA-P&O hoạt động dựa trên nguyên lý gây rối và quan sát: hệ thống sẽ thay đổi điện áp hoạt động của tế bào quang điện và quan sát cách điều này ảnh hưởng đến công suất điện. Nếu sự thay đổi làm tăng công suất, hướng thay đổi sẽ được tiếp tục cho đến khi tìm được điểm MPP. Nếu công suất giảm, hướng thay đổi điện áp sẽ được đảo ngược.
Hệ thống SA-P&O đặc biệt hữu ích trong các điều kiện ánh sáng thay đổi như khi có sự che bóng một phần, vì nó có thể nhanh chóng điều chỉnh để đáp ứng với sự thay đổi ánh sáng, giúp tối đa hóa công suất thu được. Điều này không chỉ cải thiện tổng hiệu suất của hệ thống quang điện mà còn giúp giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực của các điểm nóng, có thể phát sinh do tế bào không hoạt động ở MPP của chúng.
Các kết quả thực nghiệm cho thấy, công nghệ MPPT như SA-P&O có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống quang điện dưới điều kiện che bóng lên đến 30% so với không sử dụng công nghệ MPPT. Sự cải thiện này không chỉ đến từ khả năng tìm kiếm MPP mà còn do khả năng của hệ thống phản ứng linh hoạt với điều kiện môi trường thay đổi, đặc biệt là trong các ứng dụng năng lượng mặt trời trong môi trường đô thị hoặc các khu vực có nhiều vật cản tự nhiên.