Nghiên cứu thực nghiệm cải tiến đặc tính nhiệt học của tấm pin mặt trời

ngoài trời 
Chế độ thực nghiệm ngoài trời (outdoor) 
nhằm mục đích so sánh và đánh giá hiệu quả 
sinh điện thực tế của tấm PV khi làm việc 
trong điều kiện tự nhiên. Ở chế độ này, các 
thông số thực nghiệm bao gồm cường độ bức 
xạ thực tế đến bề mặt tấm PV giao động trong 
khoảng 750W/m2 đến 1150W/m2, nhiệt độ 
môi trường trung bình khoảng 36oC, tốc độ 
gió trung bình khoảng 0,2 m/s. Do có sự biến 
động tự nhiên như bóng mây, phản xạ, tán xạ, 
gió thổi, nhiệt độ môi trường nên điều kiện 
làm việc này khó khăn cho kết luận so sánh về 
tác động của riêng một biến số lên nhiệt độ 
làm việc của tấm PV giữa các phiên thực 
nghiệm khác nhau. Tuy nhiên, vì hệ thống làm 
việc dưới bức xạ mặt trời thực tế nên giá trị 
nhiệt độ và điện năng đầu ra phản ánh hiệu 
quả thực tế của giải pháp cải tiến trên hệ thống. 
Kết quả đo ở chế độ ngoài trời của từng mẫu 
thí nghiệm được trình bày lần lượt ở các đồ thị 
trong các Hình 10 đến Hình 13. 
Để so sánh hiệu suất sinh điện trong điều 
kiện vận hành thực tế của các tấm pin, tổng 
lượng bức xạ tới trên diện tích bề mặt tấm pin 
và tổng lượng điện năng sinh ra của tấm pin 
được tính theo Bảng 2 và qua đó suy ra giá trị 
hiệu suất trung bình của các mẫu pin. Mẫu pin 
được giữ ổn định nhiệt bằng PCM + Nước 
cho kết quả hiệu suất cao nhất. Điều này hoàn 
toàn phù hợp với kết quả thí nghiệm trong 
phòng thí nghiệm. Mặc dù như đã giải thích ở 
trên, giá trị nhiệt độ làm việc của tấm pin và 
do đó hiệu suất sinh điện của các tấm pin có 
chịu ảnh hưởng của gió, nhiệt độ môi trường 
và sự biến động của bức xạ mặt trời giữa các 
ngày thực nghiệm, nhưng tác giả đã sàng lọc 
trong những dữ liệu thí nghiệm có điều kiện 
ngoài trời gần giống nhau (nhiệt độ môi 
trường giao động quanh khoảng 35 – 36oC, 
tốc độ gió thấp hơn 0,1 m/s (những ngày trời 
nắng oi và lặng gió), bức xạ tương đối ổn định 
ở mức gần 900-1000W/m2, bỏ qua một số thời 
điểm bị mây che khuất. 
Hình 10. Nhiệt độ của tấm PV nguyên bản 
-10.00
10.00
30.00
50.00
70.00
90.00
N
h
iệ
t 
đ
ộ
 (
o
C
) 
Thời gian (hh:mm) 
T mặt trên Pin 
T môi trường 
T mặt trên Pin + Nước 
T mặt trên Pin + PCM 
T mặt trên Pin + PCM + Nước 
0
200
400
600
800
1000
1200
0
10
20
30
40
50
60
70
1
2
h
0
2
1
2
h
0
8
1
2
h
1
4
1
2
h
2
0
1
2
h
2
6
1
2
h
3
2
1
2
h
3
8
1
2
h
4
4
1
2
h
5
0
1
2
h
5
6
1
3
h
0
2
1
3
h
0
8
1
3
h
1
4
1
3
h
2
0
1
3
h
2
6
1
3
h
3
2
1
3
h
3
8
1
3
h
4
4
1
3
h
5
0
1
3
h
5
6
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 b
ứ
c 
x
ạ 
(W
/m
2
 )
N
h
iệ
t 
đ
ộ
 (
o
C
) 
Thời gian (hh:mm) 
T mt T dưới Pin 
T trên Pin Bức xạ 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
51 
 Xét trong khoảng thời gian 2 giờ đầu tiên 
(là khoảng thời gian mà PAL-33 từ trạng thái 
rắn chuyển pha hoàn toàn sang lỏng và sau 
đó hệ lỏng tiếp tục gia tăng nhiệt độ), nhờ 
giải pháp hỗ trợ ổn định nhiệt bằng PCM kết 
hợp với nước, hiệu suất sinh điện đạt mức 
11.21%, cao hơn khoảng 3,07% so với hiệu 
suất có thể đạt được của tấm PV nguyên bản. 
Rõ ràng, khoảng chênh lệch này sẽ tăng lên 
nếu lượng PCM sử dụng đủ nhiều trong toàn 
bộ thời gian làm việc trong ngày của tấm PV. 
Hình 14 thể hiện biểu đồ so sánh tương quan 
giữa các giá trị hiệu suất trung bình đạt được 
ở các mẫu pin. 
Hình 11. Nhiệt độ của tấm PV + nước 
Hình 12. Nhiệt độ của tấm PV + PCM 
Hình 13. Nhiệt độ của tấm PV+PCM+nước 
Hình 14. Biểu đồ so sánh hiệu suất sinh điện 
trung bình của 04 mẫu pin 
Bảng 2. Kết quả thực nghiệm hiệu suất sinh 
điện của pin ở các mẫu khác nhau 
Mẫu Hiệu suất 
Pin 8.14% 
Pin + Nước 9.12% 
Pin + PCM 11.02% 
Pin + PCM + Nước 11.21% 
Bảng 3 thống kê giá trị hiệu suất thực 
nghiệm ứng với các mức nhiệt độ làm việc 
khác nhau trong điều kiện thí nghiệm ngoài 
trời của mẫu 4. Dựa trên bảng dữ liệu này, tác 
giả đã thực hiện phương pháp hồi quy bậc 2 
theo các phương trình (9) và (10), và thu được 
hàm hồi quy thể hiện quan hệ giữa nhiệt độ 
tấm pin và hiệu suất sinh điện có dạng: 
(T) = 18,21 – 0,15 T (11) 
Trong trường hợp chung khi lớp PCM 
chỉ có thể tiếp xúc với mặt dưới (theo 
0
200
400
600
800
1000
1200
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
1
0
h
2
0
1
0
h
2
7
1
0
h
3
4
1
0
h
4
1
1
0
h
4
8
1
0
h
5
5
1
1
h
0
2
1
1
h
0
9
1
1
h
1
6
1
1
h
2
3
1
1
h
3
0
1
1
h
3
7
1
1
h
4
4
1
1
h
5
1
1
1
h
5
8
1
2
h
0
5
1
2
h
1
2
1
2
h
1
9
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 b
ứ
c 
x
ạ 
(W
/m
2
 )
N
h
iệ
t 
đ
ộ
 (
o
C
) 
Thời gian (hh:mm) 
T mt T trên Pin
T dưới Pin Bức xạ 
0
200
400
600
800
1000
1200
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
1
1
h
3
5
1
1
h
4
4
1
1
h
5
3
1
2
h
0
2
1
2
h
1
1
1
2
h
2
0
1
2
h
2
9
1
2
h
3
8
1
2
h
4
7
1
2
h
5
6
1
3
h
0
5
1
3
h
1
4
1
3
h
2
3
1
3
h
3
2
1
3
h
4
1
1
3
h
5
0
1
3
h
5
9
1
4
h
0
8
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 b
ứ
c 
x
ạ 
(W
/m
2
 )
N
h
iệ
t 
đ
ộ
 (
o
C
) 
Thời gian (hh:mm) 
T mt
T dưới Pin+PCM 
T trên Pin + PCM
Bức xạ 
0
200
400
600
800
1000
1200
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
1
0
h
0
2
1
0
h
1
3
1
0
h
2
4
1
0
h
3
5
1
0
h
4
6
1
0
h
5
7
1
1
h
0
8
1
1
h
1
9
1
1
h
3
0
1
1
h
4
1
1
1
h
5
2
1
2
h
0
3
1
2
h
1
4
1
2
h
2
5
1
2
h
3
6
1
2
h
4
7
1
2
h
5
8
1
3
h
0
9
1
3
h
2
0
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 b
ứ
c 
x
ạ 
(W
/m
2
 )
N
h
iệ
t 
đ
ộ
 (
o
C
) 
Thời gian (hh:mm) 
T mt
T dưới Pin + PCM + nước 
T trên Pin + PCM + nước 
Bức xạ 
0.00%
2.00%
4.00%
6.00%
8.00%
10.00%
12.00%
Pin Pin+Nước Pin+PCM Pin+PCM+Nước 
H
iệ
u
 s
u
ất
52 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
phương trọng trường) của đối tượng cần làm 
mát (cụ thể như trong thiết kế với tấm PV 
trong nghiên cứu này) thì cần phải có giải 
pháp nâng ép lớp PCM này tiếp xúc chặt lên 
bề mặt của đối tượng. Một sáng kiến của 
nghiên cứu là tận dụng khối lượng của PCM 
riêng nhỏ hơn nước nên sử dụng lớp nước 
bên dưới để luôn đẩy lớp PCM (nhờ lực nổi) 
lên tiếp xúc với mặt đáy của đối tượng cần 
ổn định nhiệt. Đây là một giải pháp đem lại 
lợi ích kép, nhất là đối với hệ thống làm mát 
bằng PCM do lớp nước bên dưới đồng thời 
giúp tản nhiệt một phần cho lớp PCM nóng 
chảy khi làm việc. Khi tấm PV đặt ở phương 
nằm ngang thì lực nổi sẽ phân bố đều trên 
toàn bộ tiết diện tấm, do vậy lớp PCM sẽ 
luôn tiếp xúc tốt với bề mặt cần được làm 
mát. Và do đó, không cần có vỏ bọc cho lớp 
PCM mà PCM và nước có thể được chứa 
chung trong cùng một hộp chứa kín như đã 
thiết kế trong đề tài nhưng sẽ phân thành 2 
lớp riêng biệt (do tính không hòa tan trong 
nước của PAL-33 và khối lượng riêng khác 
nhau). Tuy nhiên, khi tấm PV đặt ở phương 
nghiêng (15o ở khu vực Thành phố Hồ Chí 
Minh) thì lực nổi sẽ có xu hướng đẩy lớp 
PCM lên phía mép cao của tấm PV trong khi 
nước sẽ nằm phía mép thấp của tấm PV. Do 
cơ chế đối lưu tự nhiên, nước khi hấp thụ 
nhiệt sẽ nóng và đối lưu lên trên sẽ trao đổi 
nhiệt với khối PCM, sau khi giải nhiệt sẽ 
tuần hoàn xuống dưới để tiếp tục chu trình 
làm mát tấm PV. Nếu muốn đảm bảo tác 
động của PCM đồng đều hơn lên bề mặt tấm 
PV thì ta nên có một lớp vỏ PCM dạng tấm 
để lực đẩy của nước sẽ giúp áp tấm PCM lên 
tiếp xúc đều trên bề mặt lưng của tấm PV. 
Bảng 3. Hiệu suất sinh điện của mẫu 4 theo 
các nhiệt độ làm việc khác nhau 
Nhiệt độ bề mặt tấm PV (
o
C) Hiệu suất (%) 
38 13.07 
43 11.57 
48 10.72 
53 10.25 
58 9.44 
63 8.93 
68 8.31 
Tùy theo các thông số kỹ thuật của loại 
PCM được dùng (ẩn nhiệt, nhiệt độ chuyển 
pha, khối lượng riêng) và mức cường độ 
bức xạ mặt trời ở nơi sử dụng mô hình cải 
tiến này, lượng PCM cần được tính toán và 
thiết kế với lượng đủ lớn để đủ duy trì quá 
trình chuyển pha trong suốt thời gian tấm PV 
bị làm nóng lên do nhận bức xạ từ mặt trời 
trong ngày. Nếu lượng PCM chưa đủ thì sau 
khi bị chuyển hóa hết sang dạng lỏng, chính 
lớp PCM sẽ làm chậm khả năng tản nhiệt ở 
phía bề mặt lưng tấm PV, kéo theo nhiệt độ 
của tấm khi đó thậm chí sẽ cao hơn mức 
nhiệt độ ở cùng điều kiện làm việc của tấm 
PV nguyên bản. Đây là một chú ý quan trọng 
trong thiết kế nếu không sẽ có thể làm tổng 
hiệu suất sinh điện của mô hình tấm PV cải 
tiến giảm đi thay vì tăng thêm so với tấm PV 
nguyên bản. 
5. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu đã đề ra một cấu trúc cải tiến 
đặc tính nhiệt học của tấm pin mặt trời thông 
qua việc kết hợp vật liệu chuyển pha và nước 
để ổn định nhiệt độ làm việc cho tấm pin. 
Bằng việc sử dụng vật liệu chuyển pha 
PAL-33, mức giảm nhiệt độ của tấm pin có 
thể đạt khoảng 7oC – 15oC và thời gian làm 
việc tại giá trị nhiệt độ thấp này được duy trì 
dài hay ngắn tùy thuộc vào hàm lượng và giá 
trị ẩn nhiệt của loại PCM được sử dụng trong 
thiết kế. Nhờ nhiệt độ làm việc được duy trì 
ở mức thấp hơn so với trường hợp của tấm 
pin thông thường, hiệu suất sinh điện tổng đã 
được tăng từ khoảng 8.14% (tấm PV nguyên 
bản) lên khoảng 11.21% (tấm 
PV+PCM+nước). Đây là một kết quả tích 
cực cho thấy giải pháp thiết kế của nghiên 
cứu này là phù hợp và có thể ứng dụng để 
đem lại hiệu quả trong việc khai thác nguồn 
năng lượng mặt trời. 
LỜI CẢM ƠN 
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ 
Chí Minh, cơ quan chủ trì của đề tài nghiên 
cứu B2019-SPK-10. 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
53 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Swapnil Dubey, Jatin Narotam Sarvaiya, Bharath Seshadri, “Temperature Dependent 
Photovoltaic (PV) Efficiency and Its Effect on PV Production in the World – A Review”, 
Energy Procedia, Volume 33, 2013, pp. 311–321. 
[2] Miguel Fisac, Francesc X. Villasevil1, Antonio M. López, “High-efficiency photovoltaic 
technology including thermoelectric generation”, Journal of Power Sources, Volume 252, 
2014, pp. 264–269. 
[3] Hassan Fathabadi, “Increasing energy efficiency of PV-converter-battery section of 
standalone building integrated photovoltaic systems”, Energy and Buildings, Volume 
101, 2015, pp. 1–11. 
[4] M. Abdolzadeh, M. Ameri, “Improving the effectiveness of a photovoltaic water 
pumping system by spraying water over the front of photovoltaic cells”, Renewable 
Energy, Volume 34, 2009, pp. 91–96. 
[5] Linus Idoko, Olimpo Anaya-Lara, Alasdair McDonald, “Enhancing PV modules 
efficiency and power output using multi-concept cooling technique”, Energy 
Reports,Volume 4,2018, pp.357–369. 
[6] Elias Roumpakias, Olympia Zogou, Anastassios Stamatelos, “Correlation of actual efficiency 
of photovoltaic panels with air mass”, Renewable Energy, Volume 74, 2015, pp. 70–77. 
[7] Mawufemo,Modjinou, JiJie, Weiqi Yuan, Fan Zhou, Sarah Holliday, Adeel Waqas, 
Xudong Zhao, “Performance comparison of encapsulated PCM PV/T, microchannel heat 
pipe PV/T and conventional PV/T systems”, Energy, Available online 19 October 2018. 
[8] Ali Najah Al-Shamani, Mohammad H. Yazdi, M.A. Alghoul, Azher M. Abed, M.H. 
Ruslan, Sohif Mat, K.Sopian, “Nanofluids for improved efficiency in cooling solar 
collectors –A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 38, 2014, 
pp. 348–367. 
[9] Anant Shukla, D. Buddhi, R.L. Sawhney, “Solar water heaters with phase change 
material thermal energy storage medium: A review”, Renewable and Sustainable Energy 
Reviews, Volume 13, 2009, pp. 2119-2125. 
[10] Atul Sharma, C.R. Chen, Nguyen Vu Lan, “Solar-energy drying systems: A 
review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 13, 2009, pp. 1185-1210. 
[11] Huann-Ming Chou, Chang-Ren Chen, Vu-Lan Nguyen, “A new design of metal-sheet 
cool roof using PCM”, Energy and Buildings, Volume 57, 2013, pp. 42-50. 
[12] S.A.Nada, D.H.El-Nagar, “Possibility of using PCMs in temperature control and 
performance enhancements of free stand and building integrated PV modules”, 
Renewable Energy , Volume 127, 2018, pp. 630-641. 
[13] M.C. Browne, B. Norton, S.J. McCormack, “Phase change materials for photovoltaic 
thermal management”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 47, 
2015, pp. 762-782. 
[14] Christopher J. Smith, Piers M. Forster, Rolf Crook, “Global analyis of photovoltaic 
energy output enhanced by phase change material cooling”, Applied Energy, Volume 
126, 2014, pp.21-28. 
[15] Maria C. Browne, Brian Norton, Sarah J.Mccormack, “Heat retention of a 
photovoltaic/thermal collector with PCM”, Solar Energy, Volume 133, 2016, pp. 533-548. 
[16] A. Hasan, S.J. McCormack, M.J. Huang, J. Sarwar, B Norton, “Increased photovoltaic 
performance through temperature regulation by phase change materials: Material 
comparison in different climates”, Solar Energy, Volume 115, 2015, pp. 264-276. 
[17] C.J. Ho, Wei-Len Chou, Chi-Ming Lai, “Thermal and electrical performance of a 
water-surface floating PV integrated with a water-saturated MEPCM layer”, Energy 
Conversion and Management, Volume 89, 2015, pp. 862-872. 
54 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
[18] A Hasan, S.J. McCormack, M.J. Huang, B. Norton, “Evaluation of phase change 
materials for thermal regulation enhancement of building integrated photovoltaics”, Solar 
Energy, Volume 84, 2010, pp. 1601-1612. 
[19] Ankita Gaur, Christophe Ménézo, Stéphanie Giroux-julien, “Numerical studies on 
thermal and electrical performance of a fully wetted absorber PVT collector with PCM as 
a storage medium”, Renewable Energy, Volume 109, 2017, pp. 168-187. 
[20] Peter Atkin, Mohammed M. Farid, “ Improving the efficiency of photovoltaic cell using 
PCM infused graphite and aluminium fins”, Solar Energy, Volume 114, 2015, pp. 
217-228. 
[21] M.J. Huang, P.C. Eames, B. Norton, N.J. Hewitt, “Natural convection in an internally 
finned phase change material heat sink for the thermal management of photovoltaics”, 
Solar Energy Materials & Solar Cells, Volume 95, 2011, pp. 1598-1603. 
[22] Tao Ma, Hongxingyang, Yinping Zhang, Lin Lu, Xin Wang, “Using phase change 
materials in photovoltaic systems for thermal regulation and electrical efficiency 
improvement: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 43, 
2015, pp. 1273-1284. 
[23] Sachin V. Chavan, D. Devaprakasam, Improving the Performance of Solar Photovoltaic 
Thermal System using Phase Change Materials – Review, Int. J. Adv. Sci. Eng. Vol. 4 
No3 687-697 (2018) 687, ISSN 2349 5359. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
TS. Nguyễn Vũ Lân 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh 
Email: lannv@hcmute.edu.vn