by 
Dưới đây là các bước cơ bản để tính toán và thiết kế ra hệ thống pin năng lượng mặt trời phù hợp với dự án của bạn:
1. Tính tổng lượng tiêu thụ điện (watt-hour) của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp mỗi ngày.
• Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày.
• Thí dụ: tải là tivi có công suất tiêu thụ là 80W, sử dụng trung bình 8g mỗi ngày thì số watt-hour sử dụng mỗi ngày là 80 x 8 = 640 wh. Cứ tính cho mỗi thiết bị như thế rồi cộng tất cả lại sẽ có tổng watt-hour của tất cả thiết bị mà hệ solar cung cấp.
2. Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày.
Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải. Thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần
• Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng
• Thí dụ ở trên thì watt-hour các tấm pin mặt trời là 640 x 1.3 = 832 wh
3. Tính toán kích cở tấm pin mặt trời cần sử dụng
Để tính toán kích cỡ các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế chính xác, người ta phải đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng vùng các tháng trong năm và đưa ra một hệ số trung bình gọi là "panel generation factor", tạm dịch là hệ số hấp thu bức xạ của pin mặt trời. Hệ số "panel generation factor" này là tích số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation), đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày).
• Thí dụ mức hấp thu năng lượng mặt trời tại 1 địa điểm của nước Việt Nam ta là 5 kWh/m2/ngày, ta lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 5 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặt trời.
• Thí dụ ở trên thì watt-peak các tấm pin mặt trời là: 832/5 = 166 Wp
Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời cần dùng.
• Thí dụ ở trên nếu sử dụng solar panel 60 wp số lượng panel cần phải có là: 166/60 =3 tấm
• Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời cần dùng. Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽ cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết. Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. Thí dụ một hệ solar có độ dự phòng 4 ngày, (gọi là autonomy day, là những ngày không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lượng battery phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời. Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do các chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ solar trong vùng.
• Còn nữa, khi ta đã có tổng số tấm pin mặt trời thì không nhất thiết phải ghép nối tiếp tất cả các tấm này lại với nhau mà có thể ghép chúng thành các tổ hợp kết hợp nối tiếp và song song, do một hay nhiều solar controller đảm trách. các việc này có tương tác lẫn nhau đến cách thiết kế hệ battery và hệ solar charger dưới đây.
4. Thiết kế hệ thống bình ac-quy (battery system) cho hệ thống năng lượng mặt trời có dùng ac-quy:
Battery dùng cho hệ solar là loại deep-cycle. Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Nó có khả năng nạp xả rất nhiều lần (rất nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao.
Trước tiên ta tính dung lượng của hệ bình ac-quy cho toàn hệ thống. Dung lượng battery cần dùng cho hệ solar là dung lượng battery đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng (autonomy day) khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được.
Ta tính dung lượng battery như sau:
• Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của battery
• Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6, ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery.
Kết quả trên cho ta dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng. Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượng battery cho số autonomy-day để có số lượng battery cần cho hệ thống.
5. Thiết kế solar charge controller
Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của battery. Vì solar charge controller có nhiều loại cho nên bạn cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar của bạn. Đối với các hệ pin mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một solar charge controller phụ trách. Công suất của solar charge controller phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp cho hệ thống bình ac-quy.
Để chọn Solar charge controller, ta phải tính ra các thông số Wp, Vpm, Voc, Ipm, Isc của hệ thống pin mặt trời kết nối với nó. Các trị số dòng và áp của bộ solar charge controller phải chấp nhận được các trị số dòng áp trên của hệ thống pin mặt trời.
Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch Isc của hệ pin mặt trời.
Đối với các Solar charge controller có MPPT thì cách chọn có khác.
MPPT solar charge controller là một charge controller bên trong có bộ vi-xử-lý sử dụng thuật toán MPPT để làm pin mặt trời hấp thu tối đa năng lượng bức xạ của mặt trời và nạp vào ac-quy. (Tham khảo MPPT thêm tại đây)
Thông thường MPPT solar charge controller bao hàm một bộ DC/DC converter: nó lấy điện DC từ pin mặt trời, đổi sang điện AC, sau đó đổi lại điện DC để nạp vào bình ac-quy. Tại sao phải phức tạp như thế? Vì MPPT solar charge controller điều khiển tích cực và riêng biệt cho cả 2 đầu vào (pin mặt trời) và đầu ra (bình ac-quy) cho nên nó cần 2 dòng DC riêng biệt:
Đối với kết nối đến pin mặt trời: bộ vi-xử-lý sử dụng thuật toán MPPT theo dõi đường cong dòng-áp làm việc của pin mặt trời, ép pin mặt trời làm việc tại dòng và áp của điểm công suất cực đại MPP. (Tham khảo MPP tại đây)
• Khi dòng từ pin mặt trời thấp, MPPT solar charge controller làm nhiệm vụ boost, nâng dòng lên để nạp vào bình.
• Khi dòng từ pin mặt trời cao, MPPT solar charge controller làm nhiệm vụ buck, hạ dòng xuống để bảo vệ bình.
Có thể thấy đối với thời tiết thay đổi, lượng bức xạ mặt trời khi thấp khi cao thì vai trò điều tiết của solar charge controller là rất lớn. Do vậy MPPT solar charge controller rất hữu dụng nhất là cho các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, sử dụng bình ac-quy và không có kết nối với lưới điện. Nó cũng rất cần cho hệ thống bơm nước dùng solar.
Các đặc tính chính của MPPT solar charge controller
- Theo dõi quan hệ dòng–thế của pin mặt trời để tìm điểm năng lượng cực đại của đường cong I-V.
- Thay đổi điện áp của pin mặt trời để buộc pin mặt trời phải làm việc ở điểm năng lượng cực đại nhằm giúp pin mặt trời hấp thu tối đa năng lượng bức xạ mặt trời.
- Điều tiết dòng điện từ pin mặt trời phù hợp với điện áp bình ac-quy. Điều này giúp bạn có nhiều lựa chọn các sản phẩm pin mặt trời trong thiết kế vì chúng có nhiều điện áp khác nhau, ngay cả khi nó có điện áp cao hơn điện áp bình acquy. Nó còn giúp ta tiết kiệm chi phí dây dẫn . Thí dụ pin mặt trời đặt xa, ta phải dùng dây dẫn cỡ lớn để điện áp khi đến bình acquy không bị suy giảm. Khi có bộ MPPT charge controller, ta có thể dung dây nhỏ hơn mà không làm giảm hiệu suất của pin mặt trời nạp vào bình.
- MPPT solar charge controller làm việc thiết kế hệ thống đơn giản hơn và làm hiệu suất hệ thống tăng lên. Hơn nữa nó rất phù hợp với các hệ thống tích hợp nhiều nguồn năng lượng vì nó điều khiển trực tiếp dòng điện DC ngỏ ra.
- MPPT solar charge controller cần thiết sử dụng cho các tur-bin gió, tur-bin nước v.v…
0 comments: