Tại sao kiểm soát chất lượng lại đặc biệt khó khăn đối với đồ trang trí sử dụng năng lượng mặt trời?

Độ phức tạp trong Sản xuất và Sự Biến đổi của Linh kiện

Các đồ trang trí dùng năng lượng mặt trời đặt ra những thách thức kiểm soát chất lượng đặc thù do quy trình sản xuất phức tạp và sự tương tác giữa các linh kiện. Kích thước nhỏ gọn của các sản phẩm này làm gia tăng các vấn đề biến động ở nhiều giai đoạn sản xuất.

Hiệu suất tế bào quang điện không đồng đều trên các tấm pin PV giá rẻ

Các tấm pin năng lượng mặt trời giá rẻ thường cho thấy sự chênh lệch khá lớn về hiệu suất giữa các lô sản xuất khác nhau. Một số bài kiểm tra của Nhóm Đánh giá Độ tin cậy Quang điện đã phát hiện ra sự sai lệch vượt quá 15% giữa các đợt sản xuất khác nhau. Tại sao hiện tượng này lại xảy ra? Có một vài yếu tố tác động ở đây. Silicon sử dụng không phải lúc nào cũng được kết tinh đúng cách, vật liệu tái chế chứa nhiều loại tạp chất, và các lớp màng mỏng không được hiệu chuẩn chính xác trong quá trình sản xuất. Những vấn đề này trở nên đặc biệt rõ rệt khi các tấm pin được lắp đặt bên trong những vỏ bọc trang trí bắt mắt mà người dùng muốn dùng cho ngôi nhà của họ. Nhiều vỏ bọc trang trí như vậy thực tế lại che khuất một phần các tế bào quang điện, làm cho hiệu suất vốn đã không đồng đều càng thêm tồi tệ. Các quy trình kiểm soát chất lượng thông thường hầu như không phát hiện được những vấn đề này, dẫn đến các hệ thống năng lượng mặt trời sạc pin theo cách mà không ai lường trước.

Tích tụ dung sai trong các cụm đèn năng lượng mặt trời cỡ nhỏ

Hiệu ứng cộng dồn của các sai lệch kích thước ở cấp độ vi mô trở nên quan trọng trong các cụm đèn năng lượng mặt trời, nơi các thành phần tương tác ở quy mô dưới milimét. Các dung sai tích tụ qua các phần tử liên kết chặt chẽ:

Việc tích tụ dung sai chiếm khoảng 23 phần trăm số lần hỏng hóc ngoài thực địa, theo một số nghiên cứu về độ bền từ tạp chí Reliability Engineering & System Safety. Những khe hở nhỏ này cho phép độ ẩm xâm nhập vào sản phẩm, và những sai lệch căn chỉnh nhỏ cũng gây ảnh hưởng xấu đến việc truyền năng lượng, dù từng bộ phận riêng lẻ có thể đã vượt qua kiểm tra trên bàn thử nghiệm. Kiểm soát quy trình thống kê có thể giảm bớt rủi ro đến mức độ nào đó, nhưng các công ty không thể đủ khả năng loại bỏ hoàn toàn những vấn đề này do giới hạn về giá mà người tiêu dùng sẵn sàng chi trả cho các đồ trang trí.

Tiếp xúc môi trường làm tăng thêm các sự cố kiểm soát chất lượng

Trong khi các sản phẩm trong nhà chịu ít tác động từ các yếu tố tự nhiên, thì đồ trang trí năng lượng mặt trời vận hành ngoài trời quanh năm. Việc tiếp xúc liên tục với môi trường này tạo ra những dạng hư hỏng đặc thù, thách thức ngay cả các quy trình kiểm soát chất lượng (QC) nghiêm ngặt. Nhiệt độ, độ ẩm và bức xạ tia cực tím tác động cộng hưởng làm suy giảm vật liệu và ảnh hưởng đến chức năng hoạt động.

Suy giảm do tia UV, chu kỳ nhiệt và sự xâm nhập độ ẩm trong môi trường ngoài trời

Ánh sáng mặt trời làm hỏng nhựa và các lớp phủ bảo vệ theo thời gian, khiến chúng trở nên giòn, phai màu và các lớp bong tróc khỏi nhau. Việc giãn nở và co lại liên tục trong ngày tạo ra những vết nứt nhỏ trên vỏ thiết bị và các điểm nối giữa các bộ phận. Khi những vết nứt này hình thành, nước sẽ len lỏi vào bên trong qua các gioăng bị hư hỏng và bắt đầu ăn mòn các bo mạch và tiếp điểm pin. Các nghiên cứu cho thấy chỉ riêng việc tiếp xúc thường xuyên với ánh nắng mặt trời có thể làm giảm tuổi thọ của các bộ phận bằng nhựa khoảng 40 phần trăm ở những nơi có nhiều ánh sáng mặt trời, theo Báo cáo Suy giảm Vật liệu từ năm ngoái. Và khi xem xét các thiết bị được sử dụng ở khu vực có nhiệt độ thay đổi, sự cố xảy ra nhiều hơn khoảng 15% do các chu kỳ giãn nở và co lại lặp đi lặp lại, điều này cũng được đề cập trong Tạp chí Kỹ thuật Độ tin cậy từ năm 2023. Mặc dù khả năng chống nước tốt và vật liệu chịu được tia cực tím vẫn là những yếu tố quan trọng đối với các nhà thiết kế sản phẩm, nhiều bài kiểm tra phòng thí nghiệm tiêu chuẩn hiện nay chưa thực sự phản ánh đúng những gì xảy ra khi tất cả các yếu tố này kết hợp với nhau trong điều kiện thực tế.

Tác động của sự biến đổi thời tiết đến độ tin cậy và tuổi thọ của sạc năng lượng mặt trời

Sự thay đổi thời tiết thực sự gây ảnh hưởng xấu đến các hệ thống thu năng lượng. Khi mây kéo đến hoặc có vật cản che ánh sáng mặt trời, các tấm pin quang điện có thể giảm sản lượng từ 20% đến gần một nửa, điều này khiến pin không được sạc đầy như mong đợi. Những đợt mưa kéo dài dẫn đến tình trạng xả sâu, làm hao mòn tế bào lithium-ion với tốc độ gấp khoảng ba lần so với bình thường. Biến động nhiệt độ còn làm tình hình trở nên tồi tệ hơn đối với hiệu suất thiết bị. Các tấm pin mặt trời bắt đầu mất khoảng 0,5% hiệu suất cho mỗi độ C vượt quá 25°C, trong khi thời tiết lạnh làm chất điện phân đặc lại và làm giảm dung lượng pin xuống khoảng 20% đến 40%, theo nghiên cứu được công bố năm ngoái trên Tạp chí Lưu trữ Năng lượng. Tất cả những yếu tố này kết hợp lại giải thích vì sao hiệu suất hoạt động khác biệt nhiều giữa các khu vực địa lý. Một hệ thống có thể hoạt động rất tốt ở Arizona nắng đẹp nhưng lại gặp khó khăn nghiêm trọng ở Florida ẩm ướt, đó là lý do tại sao những bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm nhỏ gọn, dự đoán tuổi thọ sản phẩm, thường hoàn toàn sai lệch. Tình trạng hỏng hóc ngoài thực tế xảy ra với tần suất cao hơn khoảng 2,4 lần so với những gì điều kiện phòng thí nghiệm dự báo, bởi các nhà sản xuất đơn giản là chưa tính đến tất cả các tổ hợp thời tiết bất ngờ này, như đã được chỉ ra gần đây trong Nghiên cứu về Độ Bền Sản phẩm Năng lượng Mặt trời.

Phân mảnh chuỗi cung ứng và khoảng trống trong giám sát chất lượng

Nguồn cung nhiều cấp cho tế bào quang điện, pin và mạch in PCB mà không có tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng thống nhất

Tính chất toàn cầu của sản xuất khiến việc chế tạo các sản phẩm trang trí năng lượng mặt trời ngày nay được chia nhỏ giữa nhiều chuyên gia khác nhau. Các tế bào quang điện chủ yếu đến từ Đông Nam Á, pin lithium thường bắt nguồn từ Trung Quốc, trong khi các bo mạch in được sản xuất tại nhiều trung tâm sản xuất điện tử trên khắp thế giới. Mỗi công ty dọc theo chuỗi này đều kiểm tra theo cách riêng của họ, điều này tạo ra những khoảng trống mà các sự cố có thể lọt qua mà không được phát hiện. Đôi khi một viên pin trông có vẻ tốt về mặt thông số vì đáp ứng các yêu cầu điện áp nhất định, nhưng nó vẫn có thể làm rối loạn quá trình sạc nếu không tương thích tốt với tấm pin mặt trời mà nó được ghép cùng. Khi không có tiêu chuẩn thống nhất về mức độ chống nước, khả năng chịu nhiệt hay tuổi thọ mong đợi đối với sản phẩm, sẽ rất khó để đảm bảo mọi thứ hoạt động ổn định xuyên suốt toàn bộ chuỗi cung ứng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các sản phẩm đến từ ít nhất năm nhà cung cấp khác nhau thường có số lỗi nhiều hơn khoảng 34% so với các sản phẩm được sản xuất tập trung tại một nơi. Đó là lý do tại sao việc truy xuất nguồn gốc từng thành phần về nơi sản xuất và thống nhất các biện pháp kiểm soát chất lượng cơ bản lại quan trọng đến vậy trong việc tránh những phản ứng dây chuyền gây lỗi đầy thất vọng ở đèn năng lượng mặt trời dùng trong vườn.

Giới Hạn Kiểm Thử cho Các Trường Hợp Sử Dụng Trang Trí Thực Tế

Việc kiểm tra các đồ trang trí chạy bằng năng lượng mặt trời trong phòng thí nghiệm gặp phải những thách thức lớn vì môi trường kiểm soát không phản ánh đúng điều kiện thực tế. Các buồng thử nghiệm tiêu chuẩn không thể tái tạo những tình huống phức tạp xảy ra ngoài đời - ví dụ như bóng râm di chuyển dưới tán cây hay tuyết tích tụ không đều trên lối đi. Những điều kiện này ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng sạc và độ sáng của đồ trang trí. Các bài kiểm tra tia UV tăng tốc cũng cho kết quả sai lệch vì không tính đến các yếu tố như phấn hoa bám vào bề mặt trong khi độ ẩm thay đổi theo ngày. Và đây là một vấn đề lớn khác: phần lớn các bài thử nghiệm diễn ra quá nhanh so với sự thay đổi thực tế của các mùa trong nhiều năm. Phòng thí nghiệm duy trì nhiệt độ ổn định ở mức 72 độ F, nhưng không ai biết điều gì xảy ra khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm đóng băng – lúc đó pin lithium sẽ mất từ 20% đến 40% công suất! Điều này cũng gây ra vấn đề nghiêm trọng về khả năng chống nước. Những mô phỏng mưa nhân tạo trong phòng thí nghiệm không thể so sánh với hiện tượng mưa phùn thật sự thấm dần vào các khe hở nhỏ trong nhiều tuần. Đó là lý do tại sao rất nhiều đồ trang trí bị hỏng ngoài thực địa, đặc biệt là khi chúng ngừng hoạt động đúng cách do các mẫu bóng râm từng phần mà các bài kiểm tra năng lượng mặt trời thông thường không bao giờ kiểm tra.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao các tấm pin năng lượng mặt trời giá rẻ lại có hiệu suất không ổn định?

Các tấm pin năng lượng mặt trời giá rẻ thường sử dụng silicon kết tinh không đúng cách và vật liệu tái chế chứa tạp chất, dẫn đến sự chênh lệch lớn về hiệu suất giữa các lô hàng. Ngoài ra, các vỏ bọc trang trí che phủ những tấm pin này có thể làm chắn một phần các tế bào quang điện, làm trầm trọng thêm tình trạng không đồng nhất.

Hiện tượng "tích sai số" là gì và nó ảnh hưởng thế nào đến đồ trang trí năng lượng mặt trời?

Tích sai số là hiện tượng tích tụ các sai lệch nhỏ về kích thước ở các bộ phận, có thể dẫn đến các vấn đề về căn chỉnh, độ kín nước và độ tin cậy của các điểm nối trên đồ trang trí năng lượng mặt trời. Ngay cả khi từng bộ phận riêng lẻ đều đạt kiểm soát chất lượng, những vấn đề tích lũy này vẫn có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất tổng thể của sản phẩm.

Tia UV và các yếu tố môi trường ảnh hưởng thế nào đến đồ trang trí năng lượng mặt trời ngoài trời?

Tia UV, sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm xâm nhập dẫn đến suy giảm vật liệu, phai màu và lỗi hoạt động. Những điều kiện này gây ra các vết nứt cho phép độ ẩm làm hỏng các bộ phận bên trong như bo mạch, rút ngắn đáng kể tuổi thọ của các đồ trang trí.

Tại sao sự phân mảnh chuỗi cung ứng dẫn đến các vấn đề về chất lượng trong đồ trang trí năng lượng mặt trời?

Sự phân mảnh chuỗi cung ứng dẫn đến việc kiểm tra và kiểm soát chất lượng không đồng nhất đối với các linh kiện được lấy từ các khu vực khác nhau. Thiếu các tiêu chuẩn chất lượng thống nhất, sự khác biệt về chất lượng vật liệu và hiệu suất có thể làm tăng nguy cơ sản phẩm cuối cùng bị lỗi.

Các hạn chế của phương pháp kiểm tra hiện tại đối với đồ trang trí năng lượng mặt trời là gì?

Điều kiện phòng thí nghiệm không thể tái tạo các biến đổi môi trường thực tế như bóng râm, dao động nhiệt độ và tác động của độ ẩm. Phần lớn các bài kiểm tra quá đẩy nhanh, không đánh giá đúng tuổi thọ và độ bền thực sự của đồ trang trí năng lượng mặt trời trong các điều kiện khí hậu đa dạng.