Tia IR là gì? Tác động & ứng dụng trong hệ điện mặt trời

Tia IR (viết tắt của Infrared Ray) là tháng hồng ngoại, hay còn gọi là tia hồng ngoại. Đây là một dạng bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến (ánh sáng mắt người nhìn thấy) nhưng ngắn hơn sóng vi ba.

Với tư cách là những chuyên gia kỹ thuật thuộc đội ngũ kỹ sư điện mặt trời DAT Group, chúng tôi xây dựng bài viết phân tích chuyên sâu này nhằm làm rõ bản chất vật lý của tia IR, cơ chế suy giảm công suất do nhiệt độ và ứng dụng công nghệ chụp ảnh nhiệt hồng ngoại trong công tác bảo trì hệ thống điện mặt trời đạt chuẩn quốc tế.

Định nghĩa tia hồng ngoại IR

Tia IR (viết tắt của Infrared Radiation/Infrared Ray - Tia hồng ngoại) là một dạng bức xạ điện từ không nhìn thấy bằng mắt thường, có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến (từ 700nm đến 1mm), chiếm khoảng 49% đến 53% tổng năng lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất và mang đặc tính truyền tải nhiệt năng mạnh mẽ.

Mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn độ 0 tuyệt đối (-273.15 độ C) đều liên tục phát ra bức xạ hồng ngoại ra môi trường xung quanh.

Phân loại 3 phân vùng tia hồng ngoại

Dựa trên bước sóng và đặc tính tương tác vật lý, tia IR được chia thành 3 phân vùng tiêu chuẩn theo quy định của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC):

• Hồng ngoại gần (Near-Infrared - NIR): Bước sóng từ 700nm đến 1,400nm (1.4 micromet), nằm liền kề với ánh sáng đỏ khả kiến, có khả năng kích hoạt một phần phản ứng quang điện trong chất bán dẫn Silicon.

• Hồng ngoại trung (Mid-Infrared - MIR): Bước sóng từ 1,400nm đến 3,000nm (1.4 - 3.0 micromet), chủ yếu tạo ra các dao động nhiệt phân tử và bị hấp thụ mạnh bởi hơi nước trong khí quyển.

• Hồng ngoại xa (Far-Infrared - FIR): Bước sóng từ 3,000nm đến 1,000,000nm (3.0 micromet - 1mm), mang đặc tính bức xạ nhiệt thuần túy, truyền nhiệt năng lượng trực tiếp làm tăng nhiệt độ vật thể tiếp xúc.

Tác động hai chiều của tia hồng ngoại lên tấm pin năng lượng mặt trời

Khả năng kích thích dòng quang điện ở dải hồng ngoại gần dưới 1100nm

Tế bào quang điện Silicon (c-Si) truyền thống có dải năng lượng vùng cấm (Bandgap) là Eg ≈ 1.12 eV, tương ứng với bước sóng giới hạn hấp thụ quang phổ khoảng 1,107nm.

Các photon thuộc dải hồng ngoại gần (NIR có bước sóng từ 700nm đến 1,100nm) vẫn sở hữu mức năng lượng lớn hơn 1.12eV, đủ sức bứt các electron tự do khỏi liên kết mạng tinh thể Silicon để tạo ra dòng điện quang điện hữu ích, đóng góp vào tổng sản lượng phát điện của hệ thống.

Hiện tượng hấp thụ biến thành nhiệt năng và sụt giảm điện áp Voc

Ngược lại, các photon tia hồng ngoại có bước sóng dài hơn 1,100nm (từ 1,100nm đến 1,000,000nm) không đủ năng lượng để kích thích hiệu ứng quang điện. Toàn bộ phần năng lượng dư thừa này bị cấu trúc mạng tinh thể Silicon và lớp kính cường lực hấp thụ hoàn toàn, chuyển hóa thành nhiệt lượng thuần túy.

Hiện tượng này làm tấm pin bị nung nóng dữ dội, nhiệt độ vận hành thực tế ngoài trời có thể tăng vọt lên mức từ 45 độ C đến 70 độ C vào những ngày hè oi bức. Khi nhiệt độ tế bào quang điện tăng cao, điện áp hở mạch (Voc) của tấm pin bị tụt giảm nghiêm trọng do tốc độ tái hợp của các cặp electron - lỗ trống gia tăng.

Sự suy giảm hiệu suất phát điện theo hệ số nhiệt độ trong mùa hè

Hiệu suất phát điện danh định của tấm pin mặt trời LONGi được kiểm nghiệm ở điều kiện chuẩn STC (nhiệt độ bề mặt 25 độ C). Mỗi tấm pin đều có một thông số kỹ thuật quan trọng gọi là hệ số suy giảm công suất theo nhiệt độ (Temperature Coefficient of Pmax), dao động từ -0.30%/độ C đến -0.35%/độ C.

Khi nhiệt độ bề mặt tấm pin tăng lên 65 độ C dưới tác động đốt nóng của tia IR (chênh lệch 40 độ C so với chuẩn STC), công suất phát điện thực tế của toàn giàn pin sẽ bị suy giảm từ 12% đến 14%, khiến sản lượng điện thu được vào những buổi trưa hè nắng gắt thường thấp hơn so với những ngày trời trong xanh mát mẻ mùa thu.

2 ứng dụng công nghệ nhiệt hồng ngoại phát hiện điểm Hotspot

1. Cơ chế camera nhiệt quét bức xạ hồng ngoại phát hiện nứt cell pin ngầm

Tất cả các vật thể nóng đều phát ra tia hồng ngoại tỷ lệ thuận với nhiệt độ bề mặt theo định luật Stefan-Boltzmann. Camera nhiệt hồng ngoại chuyên dụng (như FLIR) hoặc thiết bị bay không người lái gắn camera nhiệt sẽ thu nhận các bước sóng hồng ngoại phát ra từ mặt kính tấm pin và chuyển đổi thành bản đồ nhiệt độ màu trực quan (Thermogram).

Khi một cell pin bị nứt ngầm (Micro-cracks), bị phân chim che khuất hoặc bị lỗi hàn tiếp điểm, cell đó không phát ra điện mà biến thành một điện trở tiêu thụ dòng điện của các cell lân cận, sinh ra nhiệt độ cục bộ cực cao (lên tới 120 độ C đến 150 độ C) gọi là điểm nóng Hot-spot. Camera nhiệt sẽ ngay lập tức phát hiện vùng màu trắng/đỏ rực cảnh báo nguy cơ phá hủy tấm pin.

2. Phát hiện sớm nguy cơ chập cháy Diode bypass

Bên cạnh lỗi tế bào quang điện, công nghệ chụp ảnh nhiệt IR còn giúp rà soát toàn bộ hộp đấu dây (Junction Box), phát hiện các Diode bypass bị ngắn mạch sinh nhiệt quá mức, các đầu nối jack MC4 bị lỏng tiếp xúc phát sinh hồ quang nhiệt và các điểm quá tải bên trong tủ điện AC/DC Box.

Việc này giúp ngăn ngừa 100% nguy cơ hỏa hoạn và đảm bảo an toàn vận hành đồng bộ với lưới điện của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN).

Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật của các phân dải tia hồng ngoại IR

4 giải pháp kỹ thuật làm mát giàn pin mặt trời trước tia IR

1. Lựa chọn tấm pin công nghệ N-type TOPCon với hệ số nhiệt độ thấp

Thay vì sử dụng công nghệ P-type PERC cũ có hệ số suy giảm nhiệt độ cao (-0.35%/độ C), các công trình hiện đại từ 5kWp trở lên ưu tiên lựa chọn dòng pin N-type TOPCon thế hệ mới của LONGi.

Công nghệ này tối ưu cấu trúc bán dẫn pha tạp Photpho, giúp giảm hệ số suy giảm công suất nhiệt độ xuống chỉ còn -0.29%/độ C, giúp hệ thống phát huy hiệu suất vượt trội hơn từ 3% đến 5% sản lượng điện trong những tháng mùa hè nắng nóng đỉnh điểm.

2. Thiết kế khoảng cách thông gió tự nhiên dưới đáy dàn khung nhôm

Quá trình thi công khung giàn đỡ tấm pin bắt buộc phải duy trì khoảng cách hở tối thiểu từ 15cm đến 25cm giữa mặt dưới tấm pin và bề mặt mái tôn/mái ngói.

Khoảng hở này tạo ra luồng đối lưu không khí tự nhiên liên tục cuốn trôi khí nóng tích tụ dưới đáy giàn pin, giúp hạ nhiệt độ vận hành thực tế của tấm pin từ 5 độ C đến 10 độ C mà không tốn chi phí điện năng vận hành quạt làm mát.

3. Ứng dụng lớp phủ kính chống phản xạ và giải nhiệt bề mặt

Bề mặt kính cường lực của các tấm pin cao cấp được xử lý phủ lớp màng chống phản xạ quang học nano ARC (Anti-Reflective Coating).

Lớp phủ này tối đa hóa khả năng truyền dẫn ánh sáng khả kiến đi xuyên vào tế bào Silicon, đồng thời tăng cường bức xạ nhiệt hồng ngoại tự nhiên phát ngược ra khí quyển, giảm thiểu tối đa hiện tượng tích tụ nhiệt lượng bên trong phiến pin.

4. Quy trình kiểm tra định kỳ bằng camera nhiệt theo chuẩn IEC 62446

Đơn vị lắp đặt và chủ đầu tư cần thực hiện đo kiểm chụp ảnh nhiệt hồng ngoại toàn bộ giàn pin định kỳ 6 tháng hoặc 1 năm một lần theo đúng quy trình kiểm định của tiêu chuẩn quốc tế IEC 62446-3. Việc kiểm tra định kỳ giúp phát hiện sớm các cell pin bị om nhiệt, kịp thời yêu cầu nhà sản xuất đổi mới bảo hành trước khi lỗi lây lan phá hỏng cả chuỗi pin.

Câu hỏi thường gặp về tia hồng ngoại IR trong điện mặt trời

Tấm pin mặt trời truyền thống có chuyển hóa tia IR thành điện năng không?

Tấm pin mặt trời truyền thống (làm từ Silicon tinh thể) chỉ có thể chuyển hóa một phần nhỏ tia hồng ngoại gần (Near-IR) thành điện năng, còn phần lớn dải tia hồng ngoại (IR) khác thì không thể.

Trời nắng gắt mùa hè nhưng tấm pin phát điện kém hơn mùa xuân có phải do tia IR không?

Việc tấm pin năng lượng mặt trời phát điện kém hơn vào mùa hè nắng gắt so với mùa xuân không phải do tia hồng ngoại (IR) gây cản trở, mà là do nhiệt độ cao làm giảm hiệu suất của vật liệu bán dẫn bên trong.

Tại sao tia hồng ngoại lại gây giảm hiệu suất pin mặt trời?

Tia hồng ngoại gây giảm hiệu suất pin mặt trời chủ yếu do năng lượng của các photon hồng ngoại thấp hơn khoảng cấm năng lượng của vật liệu silicon, khiến chúng không thể tạo ra dòng điện mà chuyển hóa thành nhiệt lượng làm nóng tấm pin.