by Do kết hợp được nhiều yếu tố ưu việt nên công nghệ điện mặt trời mái nhà nối lưới đang có xu hướng phát triển nhanh trên thế giới. Ở Việt Nam, với các chính sách mới được ban hành gần đây về điện mặt trời của Chính phủ cũng đã tạo ra các điều kiện thuận lợi cho phát triển nguồn năng lượng sạch và hiệu quả này.
1. Nguồn điện mặt trời mái nhà (áp mái)
1.1. Nguồn điện mặt trời
Nguồn điện mặt trời (ĐMT) là nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để sản xuất điện. Như ta biết, NLMT là một nguồn năng lượng sạch, vô tận, không gây phát thải các chất có hại cho môi trường, không gây ra tiếng ồn và đặc biệt là có ở mọi nơi, mọi địa phương, nên ở đâu cũng có thể khai thác NLMT để sản xuất điện. Tuy nhiên, nguồn ĐMT cũng có các nhược điểm như: (1) là nguồn điện không ổn định do NLMT luôn thay đổi. Đặc biệt, ban đêm không thể sản xuất điện. (2) Cần tốn một diện tích ngoài trời khá lớn để lắp đặt dàn pin mặt trời (PMT) do hiệu suất nguồn ĐMT thấp và do mật độ NLMT không cao.
Hiện nay, giá thiết bị nguồn ĐMT đã giảm khá thấp. Ngoài ra, để giảm thiểu các hiện tượng biến đổi khí hậu nên Chính phủ các nước đều có các chính sách hỗ trợ phát triển ĐMT. Nhờ vậy, ĐMT đã có thể cạnh tranh tốt với điện hóa thạch và do đó đang có xu hướng phát triển rất mạnh trên phạm vi thế giới.
Có 2 loại nguồn ĐMT là nguồn ĐMT nối lưới và không nối lưới (còn gọi là nguồn ĐMT độc lập). Điểm khác nhau cơ bản của 2 loại hệ nguồn ĐMT nói trên là bộ tích trữ điện năng. Đối với nguồn ĐMT độc lập thì phải sử dụng bộ ắc qui để tích trữ điện năng cho những lúc không có nắng hay nắng yếu. Còn đối với nguồn ĐMT nối lưới thì chính lưới điện đóng vai trò bộ tích trữ điện năng nên nói chung không cần dùng bộ ắc qui để tích trữ điện.
Trong bài viết này chúng ta chỉ đề cập đến nguồn ĐMT nối lưới.
1.2. Nguồn ĐMT mái nhà nối lưới
Nguồn ĐMT nối lưới có dàn PMT lắp trên mái nhà được gọi là nguồn ĐMT mái nhà (Rooftop Solar PV System) nối lưới. Các thành phần chính của một nguồn ĐMT nối lưới, bao gồm: (1) Dàn PMT; (2) Bộ biến đổi điện (inverter); (3) Lưới điện; (4) Các đồng hồ đo điện (công tơ mét) như chỉ ra trên hình 1 bên dưới
a. Dàn PMT gồm một số mô-đun
PMT ghép nối điện lại với nhau. Dàn PMT là thành phần chính của nguồn ĐMT. Chức năng của dàn PMT là hàng ngày nhận và hấp thụ NLMT và biến đổi trực tiếp thành điện năng của dòng điện một chiều (DC). Dàn PMT luôn phải lắp ở ngoài trời và phải định hướng sao cho thời gian có ánh nắng mặt trời hàng ngày nhiều nhất và có cường độ NLMT chiếu tới càng cao càng tốt.
Nếu dàn PMT lắp trên mái nhà thì mái hướng Nam là tốt nhất. Trung bình, một diện tích mái 12 m2 thì lắp được dàn pin công suất 1kWp. Ví dụ, một ngôi nhà có diện tích các mái hướng Nam 60 m2 thì có thể lắp được nguồn ĐMT công suất 5kWp.
Ngoài ưu điểm là tận dụng được diện tích mái, các nguồn ĐMT mái nhà còn có nhiều ưu việt khác như: (i) làm mát nhà, (ii) giảm tổn hao điện năng do truyền tải, (iii) giảm chi phí đầu tư đối với các công ty điện do chủ hộ thường là chủ đầu tư, (iv) chủ hộ đầu tư bán được điện giá cao do Chính phủ có chính sách khuyến khích, hỗ trợ phát triển ĐMT, và các lợi ích khác.
b. Bộ biến đổi điện hay Inverter
Dòng điện một chiều (DC) do dàn PMT phát ra sau đó được đưa vào bộ Inverter để biến đổi thành dòng điện AC thông dụng. Công suất của Inverter phụ thuộc công suất dàn PMT (thường chọn bằng công suất đỉnh dàn PMT). Đối với các bộ Inverter hiện đại, hiệu suất biến đổi DC/AC có thể > 95%. Ngoài ra, người ta còn tích hợp các chức năng bảo vệ an toàn cho hoạt động của nguồn và duy trì chất lượng dòng điện phát lên lưới.
c. Lưới điện
Các hệ nguồn ĐMT thương mại có công suất lớn hàng trăm kWp hay cỡ MWp trở lên được hòa vào lưới điện phân phối cao áp hay lưới truyền tải quốc gia thông qua các máy biến áp. Còn đối với các nguồn ĐMT mái nhà, quy mô hộ gia đình, có công suất thường < 10kWp, nên hệ nguồn được nối trực tiếp với lưới điện phân phối hạ áp, ví dụ lưới phân phối 230V, 50Hz.
d. Đồng hồ đo đếm điện năng
Theo sơ đồ hình 1, hộ sử dụng điện được cấp điện chủ yếu từ nguồn ĐMT. Khi hộ sử dụng không hết thì điện năng dư thừa được bán lên lưới. Ngược lại, khi nguồn ĐMT phát không đủ điện, ví dụ vào thời gian ban đêm hay những lúc mây, mưa, sương mù… thì hộ sử dụng có thể mua điện từ lưới. Vì vậy, các nguồn ĐMT mái nhà nối lưới cần dùng 2 đồng hồ đo đếm điện như Meter 1 và Meter 2 trên hình 1. Giả sử số điện năng hàng tháng do các đồng hồ Meter 1 và Meter 2 lần lượt là M1 và M2. Khi đó, nếu M1 > M2 hay M1 – M2 = M12 > 0 thì nguồn ĐMT đã phát bán lên lưới lượng điện năng M12. Ngược lại, nếu M2 > M1 hay M1 – M2 = - M12 < 0 thì hộ tiêu thụ đã phải mua điện thêm từ lưới điện một lượng điện năng M21 = M2 – M1. Trong thực tế, các đồng hộ Meter 1 và Meter 2 được thay bằng một đồng hồ điện 2 chiều và hàng tháng nó tự động xác định lượng M12 hay M21 (net metering).
2. Những điều cần biết khi đầu tư xây dựng nguồn ĐMT mái nhà nối lưới
Vấn đề quan trọng nhất là tiềm năng năng lượng mặt trời (NLMT). Đối với nguồn ĐMT, thì khu vực có NLMT càng cao sẽ cho hiệu quả kinh tế càng tốt. Hiện nay, với giá mua điện theo Quyết Định số 13 (8,38 USCents/kWh, tương đương 943 đồng/kWh ở thời điểm hiện nay) thì các hầu hết các khu vực ở nước ta, trừ khu vực Đông Bắc Bộ, sẽ đạt hiệu quả kinh tế tốt, đặc biệt các khu vực từ Đà Nẵng trở vào sẽ rất hiệu quả.
Dàn PMT phải lắp đặt ở nơi có nắng càng nhiều càng tốt. Dàn pin không bị che bóng do các ngôi nhà hay cây cối xung quanh tạo ra.
Định hướng dàn pin cũng rất quan trọng. Định hướng chuẩn đối với dàn PMT được cho trên hình 2: mặt dàn pin hướng chính Nam; góc nghiêng β của dàn pin so với mặt phẳng ngang bằng Vĩ Độ Ф nơi lắp đặt; khe không khí giữa dàn pin và mái khoảng (50 – 60) cm. Ngoài ra, khung kim loại lắp dàn pin phải được nối đất.
Trong thực tế các nguồn ĐMTAM (điện mặt trời áp mái) thường lắp đặt trên mái các tòa nhà đã xây dựng. Nếu mái tòa nhà là mái bằng thì không có vấn đề gì về định hướng dàn pin. Còn nếu tòa nhà có mái nghiêng thì có thể gặp khó khăn trong việc định hướng dàn PMT theo các tiêu chuẩn nói trên. Lắp đặt dàn PMT lệch chuẩn thì tất nhiên hiệu quả phát điện của nguồn ĐMT sẽ giảm. Mức độ giảm hiệu quả phụ thuộc vào độ lệch chuẩn, lệch chuẩn càng lớn, hiệu quả càng thấp. Dù sao đi nữa thì các định hướng sau đây cần phải tránh: (i) Mặt dàn PMT hướng vào Hướng Bắc, chính Đông hay chính Tây; (ii) Góc nghiêng β của dàn PMT quá lớn, trên 50 độ.
Bụi bẩn bám vào mặt dàn pin cũng làm giảm đáng kể hiệu suất phát điện của nguồn ĐMTAM (giảm khoảng 3 đến 5%). Vì vậy định kỳ 1 tháng 1 lần lau rửa sạch mặt dàn pin bằng nước sạch, đặc biệt đối với các khu vực nhiều bụi (như gần nhà máy xi măng, công trường xây dựng, …) và vào các khoảng thời gian ít hoặc không có mưa.
Ước tính công suất, diện tích mái nhà cần có và chi phí đầu tư
Phần lớn các hộ gia đình thường băn khoăn nên lắp nguồn ĐMTAM công suất bao nhiêu thì phù hợp ? Để trả lời câu hỏi này thì cần phải biết mục đích lắp nguồn ĐMTAM của chủ hộ là để làm gì ? Nếu thuần túy chỉ để bán điện như một mặt hàng kinh doanh thì rõ ràng lắp công suất càng lớn càng tốt nếu diện tích mái nhà cho phép. Với giá điện hỗ trợ hiện nay của Chính phủ (1.943 đồng/kWh), thì các hộ gia đình chỉ nên lắp công suất vừa đủ để cân bằng lượng điện năng tiêu thụ của hộ trung bình hàng tháng. Vì vậy, dưới đây chúng ta tham khảo một cách ước tính công suất nguồn ĐMTAM đối với trường hợp sử dụng cho mục đích tiêu dùng.
Biểu thức tổng quát để ước tính công suất nguồn ĐMTAM (hay cũng chính là công suất dàn PMT lắp trên mái nhà) là:
Trong đó:
P là công suất dàn PMT tính ra kWp;
E là điện năng tiêu thụ trung bình ngày, tính theo kWh/ngày;
I là cường độ NLMT trung bình ngày, tính theo kWh/m2.ngày. Đại lượng này cũng chính là số giờ nắng có cường độ cực đại (1000 W/m2) qui đổi (tính theo giờ/ngày)
và Hs là hiệu suất chung của nguồn ĐMTAM, tính ra phần trăm.
Để xác định giá trị E có thể làm như sau. Căn cứ theo hóa đơn tiền điện hàng tháng, ta sẽ xác định được điện năng tiêu thụ trung bình hàng tháng và do đó xác định được lượng điện năng cần sử dụng trung bình hàng ngày của hộ tiêu thụ điện. Ví dụ, điện năng tiêu thụ trung bình hàng tháng của hộ là 360 kWh, thì điện năng tiêu thụ trung bình ngày, E = 390/30 = 13 kWh/ngày.
Cường độ cường độ NLMT trung bình ngày I phụ thuộc vào khu vực và có thể tim kiếm trên mạng internet. Ở nước ta, I nằm trong khoảng từ 3,3 kWh/m2.ngày (đối với Đông Bắc Bộ) đến khoảng 5,2 kWh/m2.ngày (đối với Nam Trung Bộ).
Hiệu suất chung của nguồn ĐMTAM có thể lấy gần đúng trong khoảng từ 63% đến 67%.
Ví dụ: một hộ sử dụng trung bình E = 12 kWh/ngày, ở khu vực có số giờ nắng cường độ cực đại I = 4,5 giờ/ngày và hiệu suất nguồn ĐMTAM là Hs = 65% thì công suất dàn PMT sẽ là:
P = 13/(4,5 x 0,65) = 4,44 kWp
Như vậy hộ này có thể lắp nguồn ĐMTAM có công suất 4 hoặc 5 kWp. Diện tích mái nhà cần có cũng như tổng chi phí được cho trên bảng sau.
Tất nhiên, với cùng nhu cầu điện như nhau, nhưng nếu các hộ lắp đặt ở các khu vực khác nhau (và do đó có NLMT khác nhau), thì công suất lắp đặt nguồn điện và chi phí sẽ khác nhau. Qui luật chung là, khu vực có NLMT càng thấp (ví dụ khu vực Đông Bắc Bộ) thì công suất nguồn ĐMT càng phải lớn hơn và do đó chi phí đầu tư cũng cao hơn.
Kết luận
Nguồn ĐMTAM là loại hình công nghệ nguồn ĐMT có nhiều ưu việt nên hiện nay nó đang phát triển mạnh ở nhiều quốc gia trên thế giới. Với một đất nước có mật độ dân số cao, NLMT dồi dào, thì nguồn ĐMTAM là nguồn điện hiệu quả và phù hợp với Việt Nam. Phát triển nguồn ĐMTAM sẽ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển nguồn năng lượng sạch, vừa giải quyết khó khăn về diện tích lắp đặt nguồn ĐMT và vừa tạo điều kiện thuận lợi xã hội hóa phát triển nguồn điện cho đất nước.
Tác giả: ĐẶNG ĐÌNH THỐNG,
Hiệp Hội Năng lượng Sạch Việt Nam
0 comments: