Cách thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời tối ưu nhất

Hiện nay có rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ tư vấn và lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời nhưng không phải nhà cung cấp nào cũng mang lại lợi ích tối ưu cho bạn.

Do đó, khi đầu tư vào hệ thống năng lượng mặt trời thì ít nhất các bạn cũng nên trang bị cho mình những kiến thức cần thiết về hệ thống này. Và thông qua bài viết này, Việt Nam Solar sẽ mang đến cho bạn thông tin và phương pháp thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời tối ưu.

Thiết kế và lắp đặt một hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời hiện nay không phải là một vấn đề khó, nhưng để trình bày nó một cách đơn giản và hữu ích cho nhiều mục đích thì không hề đơn giản. Nhưng tóm lại, có thể chia thành hai vấn đề lớn:

Thứ nhất: Bạn cần một hệ thống pin mặt trời để đáp ứng nhu cầu như thế nào?

Thứ hai: Cách thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời tối ưu

Đầu tiên bạn cần xác định đúng nhu cầu của mình thì mới tính toán đúng được cách lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời.

cách thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời hiệu quả
Cách thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời tối ưu

Tính toán các thông số của hệ thống điện mặt trời đáp ứng nhu cầu.

Nói đến nhu cầu sử dụng, có lẽ bạn muốn có một hệ thống điện mặt trời độc lập hoặc hệ thống năng lượng mặt trời chạy song song, đấu nối vào lưới điện mà bạn đang sử dụng.

Tất nhiên, một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập sẽ cần nhiều công suất hơn. Chúng tôi sẽ tính toán một hệ thống có công suất có thể cấp điện độc lập cho cả ngôi nhà, sau đó tùy theo nhu cầu mà bạn có thể lựa chọn hệ thống điện đáp ứng bao nhiêu phần nhu cầu năng lượng của căn nhà.

Tính toán các thông số của hệ thống điện mặt trời
Tính toán các thông số của hệ thống điện mặt trời

Trước khi bắt đầu tính toán, chúng ta xác định trước xem mình muốn tính kết quả nào. Câu hỏi trước hết sẽ là: “Bạn cần một hệ thống phát điện bằng năng lượng mặt trời công suất bao nhiêu”. Tất cả các phép tính dưới đây sẽ là câu trả lời cho câu hỏi đó.

Năng lượng mặt trời phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, chỉ số công suất ghi trên các tấm pin là công suất tối đa lý thuyết (đỉnh watt), và công suất thực tế không bao giờ đạt đến mức đó.

Việc tính toán của chúng ta sẽ tiến hành như sau: Tính công suất thực tế →Tính công suất lý thuyết của hệ thống đáp ứng công suất thực tế  → Dựa vào công suất lý thuyết đó để tính toán thiết kế hệ thống pin mặt trời phù hợp.

Vấn đề sẽ được trình bày từng bước, khi tính toán công suất lý thuyết rồi bạn tìm nhà cung cấp nói: “Lắp cho tôi hệ thống pin mặt trời ABC Wat” là ok.

Các yếu tố khác như AC, biến tần sẽ được thiết kế theo công suất của hệ thống nên yếu tố bạn nên quan tâm là công suất.

Cách thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời tối ưu dựa trên công suất

Sau khi xác định được đúng nhu cầu công suất mà bạn cần thì tiếp theo bạn sẽ cần biết cách thiết kế cho hệ thống này để đạt được mức công suất mà bạn mong muốn một cách tối ưu.

1. Tính tổng lượng điện tiêu thụ của thiết bị điện của bạn.

Lượng điện tiêu thụ của một thiết bị điện trong một ngày được tính bằng công suất của nó nhân với số giờ sử dụng.

Ví dụ, một tủ lạnh 120W, chạy cả ngày, lượng điện tiêu thụ = 100 * 24 = 2400 Wh (watt-giờ). Tỉnh tổng lượng điện bạn cần trong một ngày bình thường, bạn có thể tham khảo ví dụ sau:

– Thiết bị chiếu sáng: 4 bóng mỗi bóng 30W, trung bình mỗi bóng bật 8 giờ / ngày, tổng điện năng = 8 * 30 = 240 Wh

– Thiết bị gia dụng: TV 60W bật nguồn 4 giờ mỗi ngày, tủ lạnh 100W bật 24 giờ mỗi ngày, đèn ngủ 10W bật 2 giờ mỗi ngày, quạt 60W bật 8 giờ. Tổng lượng điện = 60 * 4 + 100 * 24 + 10 * 2 + 60 * 8 = 3140 Wh

Bạn có thể tự hỏi làm thế nào có những thời điểm mà bạn sử dụng nhiều điện hơn như cuối tuần.

Câu trả lời là bạn cứ tính theo mức tiêu thụ hàng ngày, vì hệ thống điện mặt trời sẽ đi kèm hệ thống ắc quy dự trữ lượng điện dư thừa trong những ngày bình thường để cung cấp cho những ngày nhu cầu sử dụng điện tăng đột biến.

tổng lượng điện tiêu thụ của thiết bị điện
Tổng lượng điện tiêu thụ của các thiết bị điện

2. Tính toán công suất thực tế mà hệ thống pin mặt trời phải cung cấp

Công suất thực tế của hệ thống điện mặt trời phải lớn hơn công suất trung bình hàng ngày mà chúng ta tiêu thụ.

Lý do là để bù đắp cho sự mất mát của hệ thống, cho những ngày ít nắng và có năng lượng dư thừa để sạc lại trong pin dự trữ. Hệ số an toàn thường rơi vào khoảng từ 1,3 đến 1,5.

Thực tế, công suất thực của hệ thống pin mặt trời càng lớn càng tốt (tất nhiên là chúng ta đang bỏ qua yếu tố giá thành ban đầu), công suất lớn vừa đảm bảo duy trì điện ổn định vừa giảm thiểu yêu cầu phải phóng điện nhiều (tăng độ bền).

Tổng lượng điện mỗi ngày hệ thống pin năng lượng mặt trời cần cung cấp ít nhất hàng ngày = Tổng lượng điện tiêu thụ hàng ngày của các thiết bị điện * Hệ số an toàn

3. Tính công suất lý thuyết mà hệ thống pin mặt trời phải cung cấp

Công suất lý thuyết, đó là công suất lý thuyết của tấm pin mặt trời (Watt-đỉnh). Điều đó có nghĩa là, trong điều kiện lý tưởng, các tấm pin sẽ tạo ra công suất đó.

Chúng tôi sẽ tính toán Watt-đỉnh cần thiết cho công suất thực tế để đáp ứng tổng nhu cầu điện năng. Từ con số đó chúng ta sẽ tính ra các yếu tố như pin, ắc quy, biến tần, điều khiển sạc.

Công suất điện mặt trời phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên. Chủ yếu là cường độ ánh sáng, ngoài ra còn có độ ẩm, mây, bụi của môi trường.

Về cách tính tổng năng lượng tạo ra trong một ngày, nó còn liên quan đến thời gian chiếu sáng trung bình theo thời gian trong năm.

Dựa trên tất cả các yếu tố này, để thuận tiện cho việc tính toán công suất hệ thống điện mặt trời, người ta đưa ra hệ số gọi là Hệ số phát điện bảng điều khiển (PGF), tạm dịch là hệ số tạo ra bảng điều khiển.

Công thức :

Công suất lý thuyết của hệ thống = Tổng lượng điện yêu cầu mỗi ngày / PGF

PGF được tính toán dựa trên dữ liệu về điều kiện môi trường, do đó nó khác nhau theo vị trí địa lý, ví dụ, giá trị PGF trung bình ở Việt Nam là khoảng 4,56.

Việt Nam có vị trí địa lý nằm dọc theo đường đồng mức nên nhìn chung từ Bắc vào Nam chỉ số PGF tăng từ 2,5 lên khoảng 5.

Sau khi xác định PGF, hãy tính công suất lý thuyết (Watt-đỉnh) bạn cần bằng công thức trên.

Ví dụ, một ngày bạn cần 1000 Wh, bạn ở Hà Nội có PGF khoảng 3,6, vì vậy bạn cần ít nhất một hệ thống năng lượng mặt trời có công suất lý thuyết là 1000 /3,6 = 277 W. Có thể chọn dư một chút bằng cách sử dụng ba tấm cực đại 100 Watt. .

Đây là công suất lý thuyết tối thiểu mà hệ thống cần để đáp ứng nhu cầu điện của toàn bộ ngôi nhà.

Nếu chạy song song với lưới điện, bạn có thể chọn mức công suất thấp hơn, hoặc muốn ổn định thì chọn hệ thống mức công suất cao hơn (Dung lượng cao hơn => Tấm pin lớn hơn => Pin dung lượng cao hơn =>Chi phí tăng ). Vì vậy tùy theo nhu cầu sử dụng để chọn một mức công suất phù hợp nhất.

Trên thế giới có rất nhiều cách tính công suất của hệ thống pin mặt trời, theo PGF là cách tính đơn giản được hầu hết các công trình dân dụng không yêu cầu độ chính xác quá cao sử dụng (thực tế thì đơn giản vì số liệu đã cung cấp, nó khá phức tạp để tính toán nó)

4. Tính toán dung lượng pin cho hệ thống pin năng lượng mặt trời

Trong một hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập, điện năng do pin tạo ra được chuyển qua bộ sạc và được sạc vào pin (chúng ta sẽ nói về bộ sạc sau).

Pin của hệ thống PV năng lượng mặt trời là một cảm biến lực có thể phóng điện sâu nhất có thể đến mức công suất điện năng rất thấp và tuổi thọ xả lâu dài.

Tuy nhiên, nên tránh xả pin xuống mức quá thấp sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ và dung lượng tối đa của pin.

Bộ tích lũy phóng điện càng sâu, vòng đời của nó càng ngắn.

Ví dụ: duy trì mức xả sâu nhất là 50%, tuổi thọ pin sẽ dài hơn 4 lần so với mức xả 90%

Mức xả pin được gọi là DOD (Độ sâu xả):

DOD = Dung lượng xả / Dung lượng tối đa của pin

Cũng cần lưu ý rằng dung lượng tối đa của pin chỉ đạt khoảng 75-80% dung lượng lý thuyết. Nên tính toán sao cho sau 1 chu kỳ xả, ắc quy phải còn 40% đến 50% dung lượng.

Như vậy, vấn đề đặt ra là chọn ắc quy lưu trữ dung lượng để đảm bảo ổn định lưới điện và kéo dài tuổi thọ ắc quy. Tùy theo tình hình thực tế mà chúng tôi chia thành 2 loại sau:

  • Hệ thống điện mặt trời hòa lưới với hệ thống điện thông thường.

Đặc điểm của hệ thống này là điện mặt trời không cần cung cấp 100% nhu cầu điện cho nhu cầu sử dụng, có thể dùng ắc quy để cung cấp điện chạy song song với lưới điện và tích trữ điện trong trường hợp mất điện đột ngột trong thời gian ngắn.

Trong trường hợp này, ắc quy ít khi phải xả sâu nên dung lượng của ắc quy không cần quá lớn, thông thường phải lớn hơn 1,5 đến 2 lần tổng năng lượng điện mỗi ngày mà hệ thống điện mặt trời thu được. .

Công thức :

Dung lượng lưu trữ = (năng lượng thu được từ hệ thống trong 1 ngày * 1,5) / hiệu suất pin

Ví dụ: 1 ngày trung bình hệ thống điện mặt trời sản xuất ra 1000wh điện thì công suất cần dùng là = 1000 * 1,5 / hiệu suất của pin = 1000 * 1,5 / 0,8 = 1875 wh.

Các thông số trên được tính theo AH (ampe – giờ) nên ta sẽ quy đổi, với bình acquy 12V thì công suất ghi trên acquy = 1875/12 = 156,25 AH

  • Trường hợp hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập

Trong trường hợp này, hệ thống điện mặt trời được tính toán để có thể cung cấp 100% nhu cầu sinh hoạt của ngôi nhà và không có nguồn điện dự phòng nào khác.

Pin sẽ cần dung lượng lớn, dự trữ đủ điện cho các hoạt động bình thường trong vài ngày cũng như đảm bảo độ phóng điện không giảm quá sâu.

Chúng tôi sẽ tính toán dựa trên số ngày sử dụng mà pin có thể cung cấp mà không có năng lượng từ ngày tự trị (ngày tự chủ).

Trường hợp nơi ở của bạn thường xuyên có nhiều mây, luồng ánh sáng không ổn định, năng lượng sử dụng nhiều vào buổi tối thì số ngày tự chủ dự kiến ​​là 2-3 ngày.

Trong trường hợp bạn sống với nguồn ánh sáng mặt trời ổn định (ví dụ bạn ở Phú Yên, Bình Thuận), ban đêm sử dụng ít điện hơn, ngày tự chủ = 1 hoặc 1,5 ngày.

Công thức:

Dung lượng của pin = (Tổng năng lượng điện sử dụng trong 1 ngày * ngày tự động) / (Hiệu suất của pin * DOD)

Ví dụ, nếu bạn cần tiêu thụ 2000 Wh / ngày, nhưng ban đêm sử dụng ít điện hơn và nhà ở Phú Yên (nơi có tiềm năng điện mặt trời lớn nhất Việt Nam) thì ngày tự chủ của bạn có thể mạnh dạn đặt ở mức 1 ngày, DOD được đặt ở mức 50%.

Dung lượng của pin = (2000 * 1) / (0,8 * 0,5) = 5000 Wh

Pin 12 V, quy đổi thành công suất ghi trên pin = 5000/12 = 416,66 AH

Tất nhiên, pin càng lớn thì càng tốt, DOD đặt ở mức 0,2-0,3 là quá tuyệt vời, nhưng quay lại bài toán kinh tế thì có lẽ điều này không quá cần thiết.

5. Tính toán bộ sạc ắc quy cho hệ thống điện mặt trời

Bộ sạc pin cho hệ thống năng lượng mặt trời (Solar charge controller) có tác dụng nhận dòng điện từ tấm pin. điều chỉnh dòng điện để sạc pin. Nói một cách đơn giản, bộ sạc phải phù hợp với dung lượng của pin và pin.

Có nhiều chỉ số cần tính toán nhưng đối với các loại sạc pin thông thường, thông thường chỉ cần quan tâm đến số imax của sạc phải lớn hơn 1,3 lần dòng ngắn mạch của bảng điều khiển, thứ hai là dung lượng và cách kết nối pin.

Ngoài ra còn có một bộ sạc hiện đại hơn được trang bị mạch MPPT (Theo dõi điểm công suất tối đa) với nhiều tính năng cao cấp hơn. Nó có khả năng điều chỉnh cả dòng điện từ pin mặt trời đến và dòng điện từ pin.

Bộ sạc MPPT sẽ nhấn tấm pin mặt trời để hoạt động ở dòng điện và áp suất tối ưu để có công suất tối đa. Với ắc quy, mạch MPPT sẽ hạ điện áp khi dòng quá cao và tăng áp khi dòng thấp để bảo vệ bình.

Mạch MPPT sẽ giúp tăng hiệu suất của hệ thống pin mặt trời, tăng đáng kể tuổi thọ của pin, mặc dù nó cao hơn nhiều so với bộ sạc thông thường.

6. Tính toán các thông số biến tần cho hệ thống điện mặt trời

Biến tần là thiết bị biến tần nhận dòng điện một chiều từ ắc quy và chuyển thành dòng điện xoay chiều để sử dụng cho các thiết bị gia dụng.

Nhưng không đơn thuần giống như một bộ kích điện chỉ biến dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều, bộ biến tần cho hệ thống năng lượng mặt trời còn có thể hoạt động điều phối năng lượng khi đấu nối song song với hệ thống điện lưới.

Biến tần có khả năng điều chỉnh dòng điện sử dụng từ ắc quy, ắc quy hoặc nguồn điện lưới với chế độ tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng.

Ví dụ, ban ngày có ánh sáng mặt trời, biến tần sẽ cấp điện từ bảng ắc quy, năng lượng dư được nạp vào ắc quy, buổi tối khi không có ánh sáng mặt trời sẽ lấy năng lượng từ ắc quy, khi thiếu ắc quy, năng lượng sẽ được lấy từ điện lưới.

Khi tính toán các thông số của biến tần, hãy đảm bảo rằng điện áp của biến tần phù hợp với điện áp định mức của ắc quy (nếu không có ắc quy thì đó là vùng điện áp định mức của tấm pin mặt trời).

Thứ hai, bạn phải đảm bảo rằng công suất biến tần lớn hơn tổng công suất sử dụng khi bật các thiết bị điện, tốt nhất là lớn hơn 1,5 lần tổng công suất của các thiết bị điện.

Lưu ý rằng một số thiết bị như tủ lạnh, TV, máy điều hòa không khí và máy bơm yêu cầu dòng khởi động lớn hơn 3,4 lần dòng định mức. Vì vậy khi tính toán cần cộng phần chênh lệch này.

Ví dụ: Bạn có 1 tủ lạnh 80W, 1 bóng đèn 10W, 1 quạt 50 W. Dòng khởi động cho tủ lạnh = 4 lần dòng định mức nên công suất biến tần cần là:

Công suất biến tần = (10 +50 + 80) * 1.5 + Công suất bổ sung khi khởi động tủ lạnh

= 140 * 1,5 + (4 – 1) * 80 = 210 + 240 = 450 W

Vì vậy bạn nên chọn biến tần có công suất khoảng 500 W

Bản chất của biến tần cho pin mặt trời là biến tần + thêm chức năng tự động điều phối nguồn điện theo yêu cầu hệ thống.

Vì vậy vấn đề quan trọng nhất của biến tần là khả năng điều chỉnh dòng DC-AC và đủ công suất cho mọi thiết bị điện. Biến tần có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định, an toàn của thiết bị điện và đặc biệt là hiệu suất chuyển đổi của hệ thống pin mặt trời)

Có nhiều lựa chọn như chỉ kết nối với lưới điện vào ban ngày, ban đêm sử dụng điện lưới (sẽ không cần pin và bộ sạc)

Hoặc xung quanh không có lưới điện chỉ sử dụng năng lượng mặt trời (với tùy chọn này cũng có cấu trúc như hoàn chỉnh hệ thống phát điện mặt trời). Nhưng cách tính các thông số thì gần như bài viết đã trình bày.

Mục đích của bài viết này là cung cấp thông tin tổng thể và đầy đủ để bạn có thể tự tính toán và thiết kế một hệ thống pin mặt trời cho mình.

Hoặc bạn cũng có thể tự trang bị kiến ​​thức để lựa chọn nhà thầu uy tín và phương án sử dụng hợp lý nhất chứ không phụ thuộc hoàn toàn vào sự tư vấn của nhà cung cấp.

Hy vọng bài viết sẽ cho bạn cái nhìn tổng quan về cách tính toán các thông số của hệ thống điện mặt trời, cảm ơn đã đọc bài viết rất dài này.

Trả lời