Hệ số nhiệt độ (Pmax) là một thông số quan trọng quyết định hiệu suất và độ ổn định của tấm pin mặt trời trong điều kiện nhiệt độ thay đổi. Trong bài viết này, DAT Group sẽ cùng bạn phân tích ý nghĩa của hệ số nhiệt độ Pmax, cách đo lường và vai trò của nó trong việc lựa chọn tấm pin hiệu quả, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nắng nóng như Việt Nam.

1. Hệ số nhiệt độ (Pmax) là gì?

Hiệu suất của tấm pin mặt trời thường giảm khi nhiệt độ tăng cao. Để đánh giá mức suy giảm này, các kỹ sư sử dụng hệ số nhiệt độ (Pmax) – thông số cho biết mức thay đổi công suất khi nhiệt độ tế bào pin lệch khỏi 25 độ C.

1.1. Định nghĩa hệ số nhiệt độ công suất tối đa

Hệ số nhiệt độ công suất tối đa, viết tắt là Pmax, có thể hiểu là tỷ lệ phần trăm thay đổi công suất tối đa của tấm pin khi nhiệt độ tế bào pin thay đổi 1 độ C so với mức chuẩn 25 độ C. Trong hầu hết các trường hợp, hệ số này có giá trị âm vì khi nhiệt độ tăng, hiệu suất chuyển đổi điện năng của tế bào quang điện bị giảm.

Để hiểu rõ hơn về khái niệm “1 độ C” trong định nghĩa này, cần tìm hiểu thuật ngữ “độ” và các thang đo nhiệt độ thường được sử dụng trong khoa học và kỹ thuật. Trong khoa học, nhiệt độ là đại lượng cơ bản phản ánh mức độ chuyển động của các phân tử trong vật chất.

Khi đo lường nhiệt độ, người ta thường sử dụng đơn vị “độ” (°) kèm theo tên của thang đo tương ứng. Tuy nhiên, mỗi thang đo lại có cách xác định điểm chuẩn và quy tắc chia khác nhau, dẫn đến các ký hiệu và giá trị riêng biệt.

Một số đơn vị đo nhiệt độ phổ biến gồm:

• Độ Celsius (°C) – còn gọi là độ bách phân, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Thang đo này lấy 0°C là điểm đóng băng và 100°C là điểm sôi của nước ở áp suất tiêu chuẩn.
• Độ Fahrenheit (°F) – thường dùng tại Hoa Kỳ; 32°F là điểm đóng băng và 212°F là điểm sôi của nước.
• Kelvin (K) – là đơn vị nhiệt độ tuyệt đối trong hệ SI. Trước đây được gọi là “độ Kelvin (°K)”, nhưng từ năm 1967, ký hiệu được đơn giản hóa thành K và không đọc là “độ Kelvin”. Kelvin thường được dùng trong các phép tính khoa học vì liên hệ trực tiếp với năng lượng nhiệt ở cấp độ nguyên tử.
• Ngoài ra, trong lịch sử còn tồn tại các thang đo ít phổ biến hơn như: Độ Delisle (°De), Độ Newton (°N), Độ Rankine (°R hoặc °Ra), Độ Réaumur (°Re) và Độ Rømer (°Ro), hiện nay chủ yếu có ý nghĩa tham khảo hoặc được sử dụng trong các nghiên cứu lịch sử nhiệt động học.

1.2. Ý nghĩa kỹ thuật và cách biểu thị (%/°C)

Về mặt kỹ thuật, hệ số nhiệt độ (Pmax) là thông số quan trọng giúp kỹ sư tính toán tổn thất công suất khi nhiệt độ tế bào pin thay đổi. Nhờ đó, người thiết kế có thể dự đoán được hiệu suất thực tế của hệ thống, đưa ra các giải pháp lắp đặt tối ưu như thông gió mặt sau, chọn khoảng cách phù hợp giữa các tấm pin hoặc sử dụng pin có hệ số nhiệt độ thấp để giảm tổn thất năng lượng.

Hệ số này thường được biểu thị bằng đơn vị %/°C, có thể viết là -0,29%/°C hoặc -0.29%/°C tùy nhà sản xuất. Một số hãng sử dụng ký hiệu γ (gamma) hoặc TC_Pmax trên bảng thông số kỹ thuật. 

1.3. Phạm vi giá trị phổ biến của hệ số nhiệt độ Pmax

Trong thực tế, hệ số nhiệt độ (Pmax) thay đổi tùy vào công nghệ chế tạo tế bào quang điện. Đối với các loại tấm pin silic tinh thể (mono hoặc poly), hệ số này thường nằm trong khoảng -0,30% đến -0,50%/°C. Nghĩa là, cứ mỗi độ C tăng lên, công suất giảm từ 0,3 đến 0,5%.

Một số nhà sản xuất cao cấp như Jinko Solar, Longi hoặc Canadian Solar đã tối ưu cấu trúc tế bào để giảm hệ số nhiệt phản ứng xuống còn -0,25% đến -0,29%/°C, giúp tấm pin vận hành hiệu quả hơn trong điều kiện nắng nóng. Cũng cần lưu ý rằng, hệ số nhiệt độ (Pmax) chỉ phản ánh một phần của ảnh hưởng do nhiệt. 

Ngoài ra, hiệu suất của tấm pin còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như NOCT, khả năng tản nhiệt của khung, độ thông thoáng khi lắp đặt, hướng nghiêng cũng như điều kiện thời tiết từng vùng. Khi kết hợp đánh giá các yếu tố này, chủ đầu tư mới có thể tối ưu hiệu suất hệ thống và giảm tổn thất điện năng do nhiệt độ một cách toàn diện.

2. Tác động của nhiệt độ lên hiệu suất tấm pin mặt trời

Nhiệt độ là yếu tố môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất tấm pin mặt trời. Khi nhiệt độ tế bào tăng cao hơn mức tiêu chuẩn (25 độ C), các đặc tính điện của vật liệu bán dẫn thay đổi, làm giảm điện áp và công suất đầu ra.

Khi hấp thụ ánh sáng, tế bào quang điện chuyển đổi năng lượng photon thành dòng điện. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, dao động mạng tinh thể và va chạm electron – lỗ trống xảy ra mạnh hơn, làm tăng tổn thất nội trở. Dòng điện chỉ thay đổi nhẹ nhưng điện áp giảm đáng kể, khiến công suất (P = V x I) sụt giảm. Nói cách khác, pin nóng lên thì hiệu suất thực tế giảm xuống.

Để hiểu rõ hơn tác động của nhiệt độ lên hiệu suất tấm pin PV, cần xem xét ba thông số điện quan trọng gồm Voc, Isc và hệ số nhiệt độ (Pmax). Trong đó, Voc là mức điện áp cao nhất mà tấm pin có thể tạo ra khi không có dòng điện chạy qua. Khi nhiệt độ tế bào tăng, các electron trong vật liệu bán dẫn có năng lượng lớn hơn, khiến sự chênh lệch điện thế giữa hai cực giảm, dẫn đến điện áp đầu ra giảm theo.

Isc là dòng điện cực đại khi hai cực của tấm pin được nối ngắn mạch. Khác với Voc, Isc lại có xu hướng tăng nhẹ khi nhiệt độ tăng do hiệu ứng sinh thêm electron dưới tác động của năng lượng nhiệt. Tuy nhiên, mức tăng này rất nhỏ, chỉ vài phần trăm.

Pmax là giá trị công suất mà tấm pin có thể cung cấp tại điểm làm việc tối ưu. Thông số này chịu ảnh hưởng tổng hợp từ Voc, Isc và hệ số lấp đầy. Khi nhiệt độ tăng, Voc giảm mạnh hơn nhiều so với mức tăng nhỏ của Isc, khiến Pmax suy giảm đáng kể. 

Ví dụ: Một tấm pin 450W có hệ số nhiệt độ (Pmax) = -0,35 %/°C. Nếu tế bào pin đạt 60 độ C (tăng 35 độ C so với 25 độ C), công suất thực tế sẽ giảm khoảng:

• Tổn thất = 35 x 0,35% = 12,25%
• Công suất thực = 450W × (1 – 0,1225) = ~ 394,9 W

=> Nghĩa là mất khoảng 12,25% công suất so với định mức ở 25 độ C.

Ngoài ra, nhiều quá trình vật lý trong tự nhiên cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ, cho thấy phạm vi tác động sâu rộng của yếu tố này:

• Tính chất vật lý của vật chất: Nhiệt độ quyết định trạng thái pha (rắn, lỏng, khí hoặc plasma), đồng thời ảnh hưởng đến tỷ trọng, độ hòa tan, áp suất hơi và độ dẫn điện.
• Tốc độ phản ứng hóa học: Nhiệt độ cao làm tăng động năng của các phân tử, khiến phản ứng xảy ra nhanh hơn và mạnh hơn. Trong năng lượng mặt trời, điều này dẫn đến gia tăng tổn hao nhiệt và giảm hiệu suất chuyển đổi điện năng.
• Bức xạ nhiệt: Mọi vật thể có nhiệt độ đều phát ra bức xạ điện từ. Số lượng và bước sóng bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt. Do đó, trong điều kiện nắng gắt, tấm pin không chỉ hấp thụ ánh sáng mà còn chịu tác động từ nhiệt phát ra từ chính bề mặt của nó.
• Tốc độ truyền âm: Trong vật lý, tốc độ âm thanh tỉ lệ với căn bậc hai của nhiệt độ tuyệt đối. Dù không liên quan trực tiếp đến pin mặt trời nhưng đây là ví dụ minh chứng cho việc nhiệt độ ảnh hưởng rộng rãi đến các hiện tượng tự nhiên.

3. Cách đo và tính hệ số nhiệt độ (pmax)

Để đánh giá chính xác ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tấm pin, các kỹ sư cần đo đạc trong điều kiện chuẩn hóa. Từ những phép đo này, hệ số nhiệt độ (Pmax) được xác định để phản ánh mức suy giảm công suất khi nhiệt độ thay đổi.

3.1. Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC)

Để đánh giá chính xác hiệu suất của tấm pin PV, các nhà sản xuất thường tiến hành đo đạc trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn – STC. Đây là bộ tiêu chuẩn quốc tế giúp so sánh hiệu suất giữa các tấm pin khác nhau một cách công bằng.

Cụ thể, STC được xác định với ba thông số cố định:

• Cường độ bức xạ mặt trời: 1000 W/m2
• Nhiệt độ tế bào pin: 25 độ C
• Phổ ánh sáng: AM 1.5 

Dưới điều kiện STC, công suất tối đa đo được gọi là Pmax_STC. Tuy nhiên, trên thực tế, tấm pin thường hoạt động ở nhiệt độ cao hơn do hấp thụ bức xạ và điều kiện môi trường. 

Khi đó, công suất thực tế luôn thấp hơn công suất định mức. Vì vậy, việc xác định hệ số nhiệt độ (Pmax) là rất quan trọng để ước lượng chính xác hiệu suất khi vận hành.

3.2. Công thức tính hệ số nhiệt độ Pmax

Để ước tính công suất thực tế trong điều kiện nhiệt độ khác 25 độ C, người ta thường dùng công thức:

P (thực) ​ = P (STC) ​x [1 + γ x (T (cell) ​- 25)]

Trong đó:

• P (STC)​: công suất định mức ở điều kiện tiêu chuẩn (Standard Test Conditions – STC)
• T (cell): Nhiệt độ tế bào pin thực tế
• γ: Hệ số nhiệt độ (Pmax) (%/°C)

Ví dụ thực tế:

Giả sử một tấm pin PV có Pmax_STC = 400W và hệ số nhiệt độ γ = -0,40 %/°C. Nếu tế bào pin đạt 45 độ C (tương ứng chênh 20 độ so với 25 độ C) thì:

• Tổn thất = 20 × 0,40% = 8%
• Công suất thực tế = 400 × (1 – 0,08) = 368 W

Như vậy, chỉ riêng yếu tố nhiệt độ có thể khiến công suất giảm tới 32W mỗi tấm pin. Với hệ thống lớn hàng trăm tấm, tổng tổn thất có thể lên tới hàng kilowatt, ảnh hưởng đáng kể đến sản lượng điện toàn hệ thống.

4. Ý nghĩa của hệ số nhiệt độ (pmax) trong thiết kế và lựa chọn tấm pin

Trong quá trình thiết kế và lựa chọn tấm pin mặt trời, hệ số nhiệt độ (Pmax) giúp đánh giá khả năng duy trì hiệu suất trong môi trường nắng nóng. Từ đó đảm bảo hệ thống vận hành pin ổn định và hiệu quả.

4.1. Tầm quan trọng trong duy trì hiệu suất ổn định

Hệ số nhiệt độ (Pmax) là chỉ số quan trọng giúp đánh giá khả năng duy trì công suất của tấm pin khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Trong điều kiện thực tế, tấm pin thường hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với mức chuẩn 25 độ C, đặc biệt tại Việt Nam. 

Nếu hệ số nhiệt độ càng âm, tấm pin càng bị giảm hiệu suất nhanh khi nóng lên. Do đó, kỹ sư thiết kế hệ thống cần cân nhắc hệ số này để dự đoán tổn thất công suất và đảm bảo hiệu suất ổn định quanh năm.

4.2. Ảnh hưởng kinh tế và hiệu quả sử dụng năng lượng

Hệ số nhiệt phản ứng thấp giúp hệ thống điện mặt trời duy trì sản lượng điện cao hơn, giảm chi phí vận hành và rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư. Với cùng một công suất danh định, tấm pin có hệ số nhiệt độ (Pmax) thấp sẽ tạo ra nhiều điện năng hơn trong điều kiện khí hậu nóng. Điều này có ý nghĩa lớn với các dự án điện mặt trời áp mái công nghiệp hoặc dân dụng ở miền Nam Việt Nam, nơi nhiệt độ có thể vượt 40 độ C.

4.3. So sánh hệ số nhiệt độ ở các loại tấm pin phổ biến

Dưới đây là bảng so sánh hệ số nhiệt độ (Pmax) giữa các loại tấm pin mặt trời phổ biến:

Các công nghệ mới như TOPCon và HJT có hệ số nhiệt độ thấp hơn, giúp hiệu suất duy trì tốt hơn trong điều kiện nắng nóng. Do đó chúng ngày càng được ưa chuộng trong các dự án có quy mô lớn hoặc khu vực có nhiệt độ cao quanh năm.

5. Các thông số điện quan trọng liên quan

Bên cạnh hệ số nhiệt độ (Pmax), các thông số điện khác như Voc, Isc và FF cũng chịu ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ. Việc hiểu mối liên hệ này giúp kỹ sư đánh giá chính xác hiệu suất thực tế của tấm pin và tối ưu thiết kế hệ thống trong điều kiện khí hậu nóng ẩm.

5.1. Hệ số nhiệt độ của điện áp mở mạch (Voc)

Điện áp mở mạch (Voc) là mức điện áp cao nhất mà tấm pin mặt trời tạo ra khi không có dòng điện chạy qua. Đây là thông số rất nhạy với nhiệt độ. Khi nhiệt độ tế bào tăng, năng lượng của các electron giảm khiến Voc giảm đáng kể. 

Hệ số nhiệt độ của Voc thường nằm trong khoảng -0,30% đến -0,50%/°C, nghĩa là mỗi khi nhiệt độ tăng 10 độ C, điện áp có thể giảm 3 – 5%. Sự suy giảm này là nguyên nhân chính dẫn đến giảm hiệu suất tổng thể của tấm pin.

5.2. Hệ số nhiệt độ của dòng ngắn mạch (Isc)

Dòng ngắn mạch (Isc) là dòng điện lớn nhất mà tấm pin có thể tạo ra khi hai cực được nối thẳng với nhau. Khác với Voc, Isc tăng nhẹ khi nhiệt độ tăng, do lượng electron được giải phóng nhiều hơn trong vật liệu bán dẫn. 

Tuy nhiên, mức tăng này rất nhỏ, thường chỉ khoảng +0,03% đến +0,06%/°C nên không đủ bù lại tổn thất điện áp. Do đó, tác động của nhiệt độ lên Isc nhìn chung là không đáng kể so với Voc.

5.3. Hệ số lấp đầy của tế bào năng lượng mặt trời (FF)

Hệ số lấp đầy (FF) thể hiện mức độ chất lượng của đường đặc tính I-V của tấm pin, phản ánh hiệu quả chuyển đổi năng lượng. Khi nhiệt độ tăng, FF thường giảm nhẹ do điện trở bên trong tăng và điện áp cực đại giảm. 

Sự sụt giảm FF cùng với Voc làm giảm hệ số nhiệt độ (Pmax). Vì thế, các nhà sản xuất thường tối ưu cấu trúc vật liệu và công nghệ nhằm duy trì FF ổn định ở nhiệt độ cao, giúp tấm pin hoạt động hiệu quả hơn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

Hệ số nhiệt độ (Pmax) là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất và độ bền của tấm pin mặt trời trong điều kiện khí hậu nóng ẩm như Việt Nam. Lựa chọn tấm pin có hệ số thấp giúp tối ưu sản lượng điện, rút ngắn thời gian hoàn vốn và nâng cao hiệu quả đầu tư. Khám phá các giải pháp năng lượng mặt trời tiên tiến và nhận tư vấn bởi DAT Group, tại: https://datsolar.com/.