by Thời gian tới đây, nguồn điện mặt trời nói chung và nguồn điện mặt trời mái nhà nói riêng sẽ rất phát triển ở Việt Nam. Bài viết “Ước tính công suất nguồn điện mặt trời mái nhà” này sẽ giúp các hộ gia đình có nhu cầu xây dựng nguồn điện mặt trời mái nhà riêng cho gia đình mình ước tính công suất nguồn điện cũng như sản lượng điện mà nguồn này sản xuất ra trung bình hàng năm hay hàng tháng đối với các khu vực khác nhau trên lãnh thổ Việt Nam.
1. Hệ số công suất nguồn ĐMT
Sản lượng điện năng do một nguồn điện mặt trời (ĐMT) sản xuất ra phụ thuộc vào các thông số sau: (1) Công suất dàn pin mặt trời; (2) Hệ số công suất nguồn ĐMT và (3) Cường độ năng lượng mặt trời (NLMT) tại địa phương lắp đặt nguồn ĐMT.
1.1. Hiệu suất của một nguồn ĐMT
Nguồn ĐMT nối lưới
Một nguồn ĐMT hộ gia đình nối lưới tổng quát gồm các thành phần chính như chỉ ra trên hình 1. Chức năng chính của các thành phần như sau.
- Dàn pin mặt trời (gồm một hoặc nhiều mô-đun pin mặt trời (PMT) ghép nối điện lại với nhau. Công suất dàn pin tính theo đơn vị Oát-đỉnh Wp (Watt-Peak), kWp hay MWp…. Dàn PMT có chức năng hấp thụ NLMT và biến đổi trực tiếp thành điện năng của dòng điện một chiều (DC).
- Inverter hay còn gọi là bộ Biến đổi điện là một thiết bị điện tử có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện DC do dàn PMT phát ra thành dòng điện xoay chiều (AC) có các đặc trưng điện (như tần số, pha, biên độ…) phù hợp với dòng điện trên lưới điện.
- Ngoài ra còn có các dây, cáp và phụ kiện nối điện từ dàn PMT đến Inverter và từ Inverter đến hộ sử dụng và hệ đấu nối điện lên lưới; khung dàn để lắp định vị các môđun PMT. Đối với nguồn ĐMT hộ gia đình công suất từ 3kWp đến khoảng 5kWp thì dàn PMT thường được lắp ngay trên mái nhà và nối với lưới điện hạ áp, ví dụ lưới 220V. Nguồn ĐMT này được gọi là nguồn ĐMT mái nhà.
Các tổn hao điện năng trên nguồn ĐMT
a. Tổn hao trên dàn pin mặt trời
Các tổn hao điện năng trên một nguồn ĐMT được chỉ ra trên hình 1, bao gồm:
(1) Tổn hao do nhiệt độ các môđun khi làm việc ngoài trời cao hơn nhiệt độ chuẩn là 25 0C. Tổn hao này được đặc trưng bằng đại lượng gọi là hiệu suất nhiệt độ, Hs(T). Đối với các nước ở khu vực nhiệt đới như Việt Nam, tổn hao do nhiệt độ môđun khá cao, khoảng 13%, do đó Hs(T) khoảng bằng 87%.
(2) Tổn hao do bụi bám vào mặt dàn pin làm giảm sự hấp thụ NLMT. Giá trị trung bình của tổn hao do bụi khoảng 4%. Tổn hao này được đặc trưng bằng hiệu suất bụi của dàn pin Hs(b) = 96%. Nếu thường xuyên lau rửa mặt dàn pin thì hiệu suất này có thể cao hơn.
(3) Tổn hao do định hướng mặt dàn PMT lệch chuẩn. Dàn PMT định hướng chuẩn khi mặt dàn pin phải hướng về đường xích đạo của quả đất và nghiêng một góc bằng vĩ độ nơi lắp đặt. Thông thường, nếu dàn pin được lắp đặt ở không gian tự do thì không bị lệch chuẩn. Tuy nhiên trong thực tế do không gian lắp đặt bị giới hạn (ví dụ, lắp trên các mái nhà, theo định hướng của mái), do người lắp đặt định hướng sai… Chúng ta tạm lấy giá trị trung bình của tổn hao này khoảng 3%. Điều này tương ứng với hiệu suất định hướng dàn PMT là Hs(đh) = 97%.
Như vậy, hiệu suất tổng trên dàn PMT sẽ là:
Hs (PMT) = Hs(T) x Hs(b) x Hs(đh)
= 0,87 x 0,96 x 0,97 = 0,81
b. Tổn thất trên Inverter
Các Inverter hiện nay có hiệu suất biến đổi rất cao, nói chung > 0,95. Ở đây, ta lấy giá trị trung bình Hs(Inv) = 0,95.
c. Tổn thất trên các dây, cáp và phụ kiện đấu nối trên các mạch điện DC và AC
Kinh nghiệm của thế giới, nếu thiết kế đạt chuẩn và người lắp đặt có trình độ tốt thì tổn thất này trên các đoạn mạch dòng DC và AC khoảng 3% cho mỗi đoạn, tương ứng với Hs(DC) = 0,97 và Hs(AC) = 97%.
Hiệu suất chung cả hệ nguồn ĐMT nối lưới:
Từ các phân tích nói trên, hiệu suất chung của cả hệ nguồn ĐMT, Hs(ĐMT), nối lưới sẽ được xác định bằng biểu thức:
Hs(ĐMT) = Hs(PMT) x Hs(Inv) x Hs(DC) x Hs(AC)
= 0,81 x 0,95 x 0,97 x 0,97 = 72%
1.2. Hệ số công suất nguồn ĐMT
Hệ số công suất (Capacity Factor, CF) của một nguồn ĐMT nói ở đây là tỷ số giữa tổng điện năng thực tế mà một nguồn ĐMT phát ra trong một một năm vận hành và tổng điện năng lý thuyết theo thiết kế khi nguồn này vận hành liên tục cũng trong một năm đó. Ta hãy cho một ví dụ như sau.
Một nguồn ĐMT có công suất thiết kế P = 100 kWp. Tổng điện năng lý thuyết khi nguồn này vận hành liên tục trong một năm (24 giờ/ngày, 365 ngày/ năm) với công suất thiết kế sẽ là: Elt = 100 kWp x 365 ngày/năm x 24 h/ngày = 876.000 kWh/năm. Chú ý rằng, để nguồn ĐMT phát đủ công suất (100 kWp) thì cường độ bức xạ mặt trời phải là IO = 1 kW/m2 là giá trị cực đại của cường độ NLMT trên mặt quả đất.
Trong thực tế, nhà máy không thể vận hành liên tục và phát đủ công suất thiết kế vì các lý do sau:
a. Thời gian ban đêm nhà máy không hoạt động vì không có ánh sáng mặt trời.
b. Cường độ bức xạ mặt trời luôn thay đổi và nói chung < IO = 1 kW/m2.
c. Do các tổn hao trong hệ thống ĐMT (xem mục 1.1).
d. Do phải ngừng hoạt động để bảo trì, bảo dưỡng...
Vì vậy, tổng điện năng thực tế mà nguồn ĐMT phát ra luôn nhỏ hơn nhiều so với tổng điện năng thiết kế lý thuyết. Ví dụ, ở một năm nào đó, tổng điện năng nguồn ĐMT nói trên chỉ sản xuất ra được tổng điện năng Ett = 131.000 kWh. Theo định nghĩa, thì hệ số công suất của nguồn ĐMT đối với năm quan sát chỉ là:
Tổng điện năng thực tế Ett của nguồn điện ĐMT phụ thuộc vào Hiệu suất tổng của nguồn. Hiệu suất càng cao thì Ett và do đó CF cũng càng cao. Ngoài ra, CF còn phụ thuộc và các thông số khác như cường độ bức xạ NLMT, thời gian bảo trì, bảo dưỡng…
2. Ước tính hệ số công suất nguồn ĐMT đối với các khu vực ở Việt Nam
2.1. Biểu thức tính hệ số công suất
Có thể tính hệ số công suất CF trung bình của nguồn ĐMT từ các thông số thiết kế.
Giả sử một nguồn ĐMT có các thông số thiết kế như sau:
- Công suất thiết kế của dàn PMT: P (tính theo kWp)
- Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ở địa phương lắp đặt là I (tính theo kWh/m2 ngày). I cũng chính là số giờ nắng có cường độ cực đại chuẩn IO = 1 kW/m2 trong 1 ngày.
- Hiệu suất chung của cả hệ nguồn là Hs(ĐMT) (tính theo %).
Khi đó:
+ Tổng điện năng thực tế nguồn ĐMT sản xuất trong một năm tính theo biểu thức:
Ett = P x I x 365 x Hs(ĐMT) (kWh/năm)
(Ta giả thiết nguồn ĐMT không bị ngừng hoạt động để sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng).
+ Tổng điện năng lý thuyết khi nhà máy hoạt động liên tục trong một năm tính theo biểu thức:
Elt = P x 24 x 365 (kWh/năm)
+ Từ đó tính được Hệ số công suất của nguồn ĐMT theo biểu thức:
Như vậy, hệ số công suất của nguồn ĐMT phụ thuộc vào 2 thông số là: (i) Cường độ bức xạ mặt trời I ở địa phương xây dựng nguồn ĐMT và (ii) Hiệu suất chung của hệ nguồn Hs(ĐMT). Điện năng do nguồn ĐMT sản xuất ra hàng năm phụ thuộc trực tiếp vào hệ số công suất CF. CF càng cao, chất lượng nguồn điện càng tốt.
Áp dụng: Tính hệ số công suất và điện năng thực tế do một nguồn ĐMT với dàn PMT có công suất P = 100kWp, được xây dựng ở địa phương có cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày là I = 4,8 kWh/m2.ngày. Hiệu suất chung của nguồn Hs(ĐMT) = 0,72. Hãy tính Hệ số công suất CF và điện năng thực do nguồn đó sản xuất ra trung bình hàng năm?
Giải:
+ Áp dụng biểu thức (3) tính được Hệ số công suất
+ Điện năng thực tế nguồn ĐMT sản xuất trung bình hàng năm:
Ett = CF. Elt = 0,144 x (100 x 24 x 365) = 126.144 kWh.
2.2. Ước tính hệ số công suất và điện năng nguồn ĐMT đối với các khu vực ở Việt Nam
Như đã biết, cường độ NLMT trên lãnh thổ Việt Nam không đồng đều mà được phân thành 5 khu vực là: (1) Đông Bắc bộ, (2) Tây Bắc bộ, (3) Bắc Trung bộ, (4) Nam Trung bộ và Tây Nguyên và (5) Nam bộ. Cường độ bức xạ mặt trời trung bình của các khu vực được cho trong bảng 1.
Ta hãy ước tính hệ số công suất và điện năng do nguồn ĐMT với công suất dàn PMT P = 5 kWp và hiệu suất Hs(ĐMT) = 0,72 sản xuất ra đối với các khu vực khác nhau. Áp dụng biểu thức (3) ta có các kết quả như được cho trong bảng 1.
Cần chú ý rằng:
Các giá trị trên bảng 1 là các giá trị trung bình khu vực. Tuy nhiên, đối với các địa phương khác nhau trong một khu vực thì các giá trị đó có thể khác nhau. Ví dụ, đối với khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên, nhiều địa phương ở hai tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận, cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày I có thể 5,2 kWh/m2.ngày. Khi đó, CF = 15,4% và điện năng nguồn ĐMT sản xuất ra hàng tháng sẽ là 554,8 kWh, cao hơn giá trị trung bình trong bảng 1 (514,7kWh).
3. Ước tính nguồn ĐMT mái nhà nối lưới
Nếu một hộ gia đình nào đó có nhu cầu lắp đặt nguồn ĐMT cho gia đình trên mái nhà thì có thể ước tính công suất dàn pin, diện tích lắp đặt và kinh phí theo các bước dưới đây:
(1) Ước tính lượng điện năng trung bình hàng tháng hộ sử dụng thông qua hóa đơn trả tiền điện, Ett(tháng).
(2) Xác định hệ số công suất CF và cường độ bức xạ mặt trời trung bình khu vực gia đình đang sinh sống nhờ tham khảo bảng 1.
(3) Ước tính công suất dàn PMT theo biểu thức:
P = Ett(tháng)/(CF.24.30) (đơn vị là kWp)
(biểu thức tính P chia cho 30 vì Ett(tháng) là điện năng tiêu thụ hàng tháng).
Ví dụ, hàng tháng hộ gia đình sử dụng Ett(tháng) = 350 kWh (phải trả tiền điện cho 350 kWh); hộ đang ở khu vực Nam Bộ, có CF = 14,1%. Dàn PMT phải có công suất là: 350/(0,141.24.30) = 3,44 ~ 3,5kWp
Cũng sử dụng 350 kWh/tháng, nhưng nếu hộ gia đình ở Bắc Trung bộ thì CF = 13,2%, do đó dàn PMT phải có công suất 3,7 kWp (áp dụng biểu thức tính trên).
Diện tích để lắp đặt 1 kWp khoảng 12 m2. Nếu dàn pin có công suất 3,5 kWp thì cần khoảng 42 m2.
(4) Ước tính tổng kinh phí xây dựng hệ nguồn: Giá trọn gói (bao gồm giá thiết bị, vật tư, vật liệu, vận chuyển, lắp đặt…) phổ biến hiện nay ở Việt Nam khoảng 20 triệu đồng cho một nguồn điện công suất 1 kWp. Nếu hộ gia đình cần nguồn ĐMT công suất 3,5 kWp thì tổng chi phí khoảng 70 triệu đồng.
Hiện nay ở trong nước có một số công ty sản xuất, kinh doanh hay thực hiện các dịch vụ về nguồn ĐMT. Các thông tin về công ty, giá cả… có thể tham khảo qua mạng Internet.
Tác giả: PGS. TS. ĐẶNG ĐÌNH THÔNG
Hiệp hội Năng lượng Sạch Việt Nam (VCEA)
0 comments: