Hướng dẫn tự thiết kế và lắp đặt một hệ thống pin năng lượng mặt trời

Opto tài trợ và đồng hành với Chiến dịch Giờ Trái Đất 2018

Bài viết này sẽ không đề cập đến định nghĩa, ưu việt hay lý do nên sử dụng điện năng lượng mặt trời nữa. Hẳn là khi tìm hiểu cách thiết kế, lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời, mặc định là bạn chắc hẳn đã biết và tìm hiểu những thông tin đó rồi.

Mục đích của bài viết này là cung cấp một thông tin tổng quát và đầy đủ để bạn có thể tự tính toán và thiết kế một hệ thống pin mặt trời. Hoặc có thể tự trang bị kiến thức để chọn một nhà thầu uy tín và phương án dử dụng hợp lý nhất chứ không phụ thuộc hoàn toàn vào tư vấn của bên cung cấp.

Bài viết này được xây dựng từ kiến thức của tác giả cùng đóng góp của những kỹ thuật viên nhiều năm kinh nghiệm từ Opto Việt Nam .

Thiết kế và lắp đặt một hệ thống pin mặt trời hiện tại không phải là một vấn đề khó, nhưng để trình bày thật đơn giản và hữu dụng với nhiều mục đích thì không dễ. Nhưng tổng kết lại, có thể chia thành 2 vấn đề lớn :

  1.  Cần một hệ thống pin mặt trời thông số như thế nào để đáp ứng nhu cầu sử dụng
  2.  Lắp đặt thi công hệ thống pin mặt trời đó như thế nào

Với những bạn cần trang bị một số thông tin tổng hợp nhất để chọn một nhà thầu và phương án lắp đặt phù hợp, chỉ cần đọc phần 1, lắp đặt thi công sẽ là vấn đề về lựa chọn nhà thầu tốt. Phần 2 của bài viết này hi vọng sẽ cung cấp thông tin để bạn tự thiết kế và thi công hệ thống pin mặt trời của mình từ đầu tới cuối.

Bây giờ bạn có thể đi pha một cốc cafe và chúng ta sẽ cùng bắt đầu.

  1. Những lợi ích khi sử dụng điện mặt trời hòa lưới
  2. Có nên lắp đặt điện năng lượng mặt trời
  3. Hệ thống kết hợp điện gió và điện mặt trời

1. Tính toán thông số của một hệ thống điện mặt trời đáp ứng được nhu cầu sử dụng.

Nói về nhu cầu sử dụng, có thể bạn muốn một hệ thống điện mặt trời độc lập hoặc một hệ thống mặt trời chạy song song, hòa lưới với mạng điện mình đang dùng. Tất nhiên, một hệ thống điện mặt trời độc lập sẽ cần có công suất lớn hơn. Chúng ta sẽ tính toán một hệ thống có công suất đảm bảo được năng lượng cho cả ngôi nhà một cách độc lập, sau đó tùy vào nhu cầu của bạn, có thể chọn lựa một hệ thống công suất đáp ứng bao nhiêu phần nhu cầu năng lượng ngôi nhà.

Trước khi bắt đầu tính toán, chúng ta xác định trước kết quả chúng ta muốn tính là cái gì. Câu hỏi trước hết đặt ra sẽ là : ” Bạn cần một hệ thống phát điện năng lượng mặt trời với công suất lý thuyết là bao nhiêu “. Tất cả các tính toán sắp trình bày dưới đây sẽ là để 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 trên lý thuyết ( watt peak ), còn công suất thực tế không bao giờ đạt mức đó cả. Cùng một hệ thống đó đặt ở Nam Phi chắc hẳn sẽ cho công suất thực tế lớn hơn nhiều khi nó đặt ở Hà Nội. Việc tính toán của chúng ta sẽ diễn ra như sau : Tính toán công suất thực tế —–> Tính toán công suất lý thuyết của hệ thống nhằm đáp ứng công suất thực tế —-> Dựa vào công suất lý thuyết đó để tính toán thiết kế một hệ thống pin mặt trời phù hợp. 

Bài toán sẽ được trình bày theo từng bước, khi bạn tính toán được công suất lý thuyết rồi thì bạn có thể tìm một nhà cung cấp nào đó bảo :” Lắp cho tôi hệ thống pin mặt trời ABC Wat ” là ok.

Các yếu tố khác như ac quy, inverter sẽ được thiết kế theo mức công suất của hệ thống, nên yếu tố bạn nên cân nhắc chính là công suất. 

1.1. Tính toán tổng lượng điện tiêu thụ các thiết bị điện của bạn.

Lượng điện tiêu thụ của một thiết bị điện trong 1 ngày tính bằng công suất của nó nhân với số giờ sử dụng. Ví dụ tủ lạnh công suất 120W , chạy cả ngày thì lượng điện tiêu thụ của nó = 100*24 = 2400 Wh ( watt-hour ). Tỉnh tổng lượng điện bạn cần trong một ngày bình thường, có thể tham khảo ví dụ sau :

  1. Thiết bị chiếu sáng: 4 bóng đèn mỗi bóng 30W, mỗi bóng bật trung bình 8 tiếng/ ngày , tổng lượng điện = 8*30= 240 Wh
  2. Thiết bị gia dụng: Tivi công suất 60W ngày bật 4 tiếng, tủ lạnh 100W ngày bật 24 tiếng, đèn ngủ 10W ngày bật 2 tiếng, quạt 60W ngày bật 8 tiếng. Tổng lượng điện = 60*4 + 100*24 + 10*2 + 60*8 = 3140 Wh

Có thể bạn đang phân vân là có những lúc bạn dùng điện trội hơn như ngày cuối tuần thì phải tính như thế nào. Câu trả lời là bạn cứ tính toán theo mức tiêu thụ hàng ngày, vì hệ thống điện mặt trời sẽ đi kèm một hệ thống ác quy đễ trữ điện dư thừa trong những ngày thường để cung cấp cho những ngày nhu cầu điện tăng đột biến.

1.2. Tính công suất thực tế hệ thống pin mặt trời phải cung cấp

Công suất thực tế của hệ thống pịn mặt trời phải lớn hơn công suất trung bình một ngày mà chúng ta tiêu thụ. Lý do là bù trừ hao hụt hệ thống, cho những ngày ít nắng, và phải có năng lượng dư thừa để xạc lại vào ác quy dự trữ . Hệ số an toàn thông thường rơi vào khoảng 1.3 đến 1.5 . Trên thực tế, công suất thực tế của hệ thống pin mặt trời càng lớn càng tốt ( tất nhiên chúng ta đang lờ đi yếu tố chi phí ban đầu ), công suất lớn vừa đảm bảo duy trì điện ổn định, vừa hạn chế ác quy phải xả nhiều ( tăng độ bền ).

Tổng lượng điện 1 ngày hệ thống pin mặt trời cần cung cấp tối thiểu hàng ngày= Tổng lượng điện tiêu thụ các thiết bị điện hàng ngày * Hệ số an toàn

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

Công suất lý thuyết, nó là công suất lý thuyết của tấm pin mặt trời ( Watt-peak ). Tức là ở điều kiện lý tưởng, tấm pin sẽ sản sinh ra được công suất đó.

Chúng ta sẽ là tính Watt-peak cần thiết để công suất thực tế đáp ứng được tổng nhu cầu điện năng. Từ con số đó ta sẽ tính toán các yếu tố như pin, ắc quy, inverter, điều khiển sạc.

Công suất nguồn năng lượng mặt trời phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên. Chủ yếu là cường độ ánh sáng, ngoài ra là độ ẩm, mây, bụi của môi trường. Xét trên khía cạnh tính toán tổng năng lượng phát sinh một ngày, còn liên quan đến thời gian chiếu sáng trung bình theo thời gian trong năm.

Dựa trên tất cả các yếu tố đó, để thuận tiện cho việc tính toán công suất hệ thống năng lượng mặt trời, người ta đưa ra một hệ số gọi là Panel Generation Factor (PGF) , dịch nôm na là hệ số phát điện của panel.

Công thức :

Công suất lý thuyết của hệ thống = Tổng lượng điên cần thiết 1 ngày / PGF 

PGF được tính toán trên các số liệu về điều kiện môi trường nên nó khác nhau theo từng vị trí địa lý , ví dụ trị số PGF trung bình ở Việt Nam là khoảng 4,56. Việt Nam có vị trí địa lý năm dọc theo đường vỹ tuyến, nên nhìn chung từ bắc vào nam chỉ số PGF tăng dần từ 2.5 đến khoảng 5.

Có thể tham khảo vị PGF vị trí địa lý của bạn dựa vào bản đồ nhiệt gần đúng dưới đây

Thực tế đây là bản đồ Solar Radiation  ( bức xạ nhiệt ) ở Việt Nam tính theo GHI trung bình trong ngày. Ở Việt Nam trị số này gần như trùng khớp với PGF , nên có thể dùng để tính toán ở mức không quá chính xác. Nếu cần thông tin chính xác PGF ở địa điểm bạn sống, có thể comment dưới bài viết này hoặc liên hệ với Opto Việt Nam .

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

Ví dụ một ngày bạn cần 1000 Wh , bạn ở Hà Nội có PGF khoảng 3.6 , như vậy bạn cần tối thiểu một hệ thống mặt trời công suất lý thuyết là 1000/3.6 = 277 W . Có thể chọn dư ra một chút bằng 3 tấm panel 100 Watt peak .

Đây là công suất lý thuyết tối thiểu mà hệ thống cần để đáp ứng nhu cầu điện toàn ngôi nhà. Nếu bạn chạy song song với hệ thống điện lưới thì có thể chọn mức công suất thấp hơn, hoặc nếu muốn sự ổn định thì chọn hệ thống mức công suất cao hơn ( Công suất cao hơn —–> Tấm Pin to hơn ——> Ăc quy dung lượng cao hơn ——> Chi phí tăng ). Vì vậy tùy theo nhu cầu sử dụng để chọn một mức công suất thích hợp nhất.

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

1.4. Tính toán dung lượng ác quy cho hệ thống pin năng lượng mặt trời

Ở một hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập điện năng sinh ra từ tấm pin sẽ đi qua bộ sạc và nạp vào ác quy ( chúng ta sẽ nói về bộ sạc sau ).

Ác quy dùng cho hệ thống điện mặt trời là loại ác quy tải, có thể xả sâu đến mức dung lượng điện rất thấp và tuổi thọ số lần nap-xả cao. Tuy nhiên nên tránh xả ác quy xuống mức quá thấp, sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ và dung lượng tối đa của ác quy.

Ác quy xả càng sâu thì vòng đời của nó càng ngắn

Vd : duy trì mức xả sâu nhất 50% , tuổi thọ ác quy sẽ dài hơn 4 lần so với xả 90 %

Mức xả ác quy gọi là DOD ( Depth of discharge )

DOD = Dung lượng xả / Dung lượng tối đa ác quy

Còn một lưu ý là dung tích tối đa ác quy chỉ đạt khoảng 75-80 % công suất lý thuyết. Nên cần tính toán sao cho sau 1 chu kỳ xả, ắc quy phải còn 40% đến 50% dung lượng.

Như vậy bài toán đặt ra là lựa chọn ác quy dung lượng vừa đảm bảo độ ổn định lưới điện, vừa kéo dài được tuổi thọ ác quy. Tùy theo tình hình thực tế chúng ta phân ra làm 2 loại sau.

1.4.1. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới với hệ thống điện bình thường.

Đặc điểm của hệ thống này là điện mặt trời không cần cung ứng 100% nhu cầu điện sử dụng, ác quy có tác dụng để cấp điện chạy song song với lưới điện và trữ điện khi mất điện đột xuất thời gian ngắn.

Trường hợp này ác quy ít khi phải xả sâu nên dung lượng ác quy không cần quá lớn, thông thường để  ở mức lớn hơn 1,5 đến 2 lần tổng năng lượng điện 1 ngày mà hệ thống điện mặt trời thu được.

Công thức :
Dung lượng ác quy = ( năng lượng thu được từ hệ thống trong 1 ngày * 1.5 ) / hiệu suất ác quy

Ví dụ : 1 ngày hệ thống điện mặt trời trung bình sản xuất được 1000wh điện, thì dung lượng ác quy cần là = 1000 * 1.5 / hiệu suất ác quy = 1000*1.5 / 0.8 = 1875 wh . Thông số trên ác quy tính theo AH ( ampe – giờ ) nên ta sẽ tiến hành quy đổi, với ác quy 12V thì dung lượng ghi trên ác quy = 1875/12 = 156.25 AH 

1.4.2. Trường hợp hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập

Trường hợp này hệ thống điện mặt trời được tính toán có thể cung cấp 100% nhu cầu sinh hoạt của ngôi nhà và không có nguồn điện dự phòng nào khác. Ác quy sẽ cần có công suất lớn, dự trù điện đủ để sinh hoạt bình thường trong vài ngày cũng như đảm bảo mức xả không xuống quá sâu.

Chúng ta sẽ tính dựa theo số ngày sử dụng mà ác quy có thể cung cấp mà không cần năng lượng từ tấm pin mặt trời ( autonomy day ).

Trong trường hợp nơi bạn ở thường xuyên mây mù, lưu lượng ánh sáng không ổn định, năng lượng sử dụng nhiều vào buổi tối, số ngày autonomy dự trù ra nên là 2-3 ngày . Còn trường hợp nơi bạn sống có nguồn nắng ổn định ( ví dụ như bạn ở Phú Yên, Bình Thuận ), buổi tối dùng ít điện thì autonomy day = 1 hoặc 1.5 ngày .

Công thức:

Dung lượng ác quy = ( Tổng năng lượng điện sử dụng trong 1 ngày * autonomy day ) / ( Hiệu suất ác quy * DOD ) 

Ví dụ bạn cần mức tiêu thụ 2000 Wh / ngày , nhưng buổi tối dùng ít điện và nhà ở Phú Yên ( nơi có tiềm năng điện mặt trời lớn nhất Việt Nam ) thì autonomy day của bạn có thể mạnh dạn đặt ở mức 1 ngày, DOD đặt ở mức 50%.

Dung lượng ác quy = ( 2000 * 1 ) / ( 0.8 * 0.5 ) = 5000 Wh

Ác quy 12 V, đổi ra dung lượng ghi trên ác quy = 5000/12 = 416.66 AH

Tất nhiên ác quy càng lớn càng tốt, DOD đặt ở mức 0.2-0.3 thì quá tuyệt vời, nhưng quay lại với bài toán kinh tế thì có thể điều này không quá cần thiết

1.5. Tính toán bộ sạc ác quy cho hệ thống điện năng lượng mặt trời

Bộ sạc ác quy cho hệ thống năng lượng mặt trời ( Solar charge controller ) có tác dụng nhận dòng từ tấm pin. chỉnh dòng phù hợp để sạc vào ác quy. Đơn giản là bộ sạc phải phù hợp công suất của pin và ác quy. Có rất nhiều chỉ số cần tính toán nhưng với những những bộ sạc ác quy bình thường, thường chỉ cần xem xét chỉ số imax của bộ sạc chỉ số này cần lớn hơn 1.3 lần dòng ngắn mạch của panel, thứ 2 là dung tích và cách đấu nối ắc quy.

Còn một dòng sạc hiện đại hơn có trang bị mạch MPPT ( Maximum power point tracking ) có tính năng ưu việt hơn. Nó có khả năng điều chỉnh cả dòng từ pin mặt trời vào và dòng ra từ ắc quy.

Bộ sạc MPPT sẽ ép panel mặt trời hoạt động ở dòng và áp tối ưu cho công suất cực đại. Với Ắc quy, mạch MPPT sẽ hạ áp khi dòng quá cao và tăng áp khi dòng thấp để bảo vệ bình.

Mạch MPPT sẽ giúp tăng hiệu suất hệ thống pin mặt trời, giúp tăng đáng kể tuổi thọ ắc quy, tuy có giá trị cao hơn bộ sạc thường khá nhiều. 

1.6. Tính toán thông số bộ Inverter cho hệ thống điện mặt trời

Inverter là thiết bị biến tần nhận dòng một chiều ra của ắc-quy rồi chuyển thành dòng xoay chiều để sử dụng cho các thiết bị gia đình. Nhưng không đơn thuần như một bộ kích điện chỉ có tác dụng biến dòng một chiều thành xoay chiều, Inverter cho hệ thống mặt trời còn có thể có tác dụng điều phối năng lượng khi mắc  song song với hệ thống điện lưới.

Inverter có khả năng điều chỉnh dòng điện sử dụng từ ắc quy, pin hay điện lưới với chế độ tuy chỉnh theo nhu cầu sử dụng. Ví dụ, ban ngày khi có ánh nắng mặt trời, inverter sẽ cấp điện từ tấm pin, năng lượng dư thừa nạp vào ắc quy, buổi tối khi không có ánh nắng năng lượng được lấy từ ắc quy, khi ắc quy không đủ, năng lượng sẽ được lấy từ điện lưới.

Khi tính toán thông số inverter, đảm bảo điện áp của Inverter phù hợp điện áp định mức của ác quy ( nếu không có ác quy thì là diện áp định mức của tấm pin mặt trời ). Thư hai, bạn phải bảo đảm công suất inverter lớn hơn tổng công suất sử dụng khi các thiết bị điện được bật, tốt nhất nên lớn hơn 1.5 lần công suất tổng các thiết bị điện. Lưu ý một số thiết bị như tủ lạnh, tivi, điều hòa, máy bơm cần dòng khởi động lớn hơn 3,4 lần dòng định mức. Vì thế khi tính toán cần công thêm 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 như vậy công suất inverter cần là :

Công suất Inverter = ( 10 +50 + 80 )*1.5 + Công suất phụ trội khi khởi động tủ lạnh
= 140*1.5 + (4 – 1 )*80 = 210 + 240 = 450 W

Như vậy bạn nên chọn inverter công suất khoảng 500 W

Bản chất Inverter cho pin mặt trời là một bộ biến tần + thêm chức năng tự động điều phối nguồn điện tùy theo yêu cầu hệ thống. Nên vấn đề quan trọng nhất của inverter là khả năng chỉnh dòng DC-AC và đủ công suất cho toàn bộ thiết bị điện. Inverter có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định, an toàn cho thiết bị điện và đặc biệt là hiệu suất chuyển hóa của cả hệ thống pin mặt trời )

 

Phần 1 bài viết kết thúc ở đây, các quy trình tính toán đều được xắp xếp tuần tự từ trên xuống dưới, chỉ cần tính toán và ghi chép lại số liệu từng phần một. Bài viết chủ yếu nói về quy trình tính toán một hệ thống điện mặt trời hoàn chỉnh.

Có nhiều phương án như chỉ hòa lưới chạy vào ban ngày, còn buổi tối dùng lưới điện ( sẽ không cần ắc quy và bộ sạc ) , hoặc xung quanh không có lưới điện chỉ dùng điện mặt trời ( với phương án này cấu tạo cũng như một hệ phát năng lượng mặt trời hoàn chỉnh ) . Nhưng cách tính toán thông số cũng gần giống như bài viết đã trình bày.

Hi vọng bài viết sẽ cho bạn một cái nhìn tổng thể về vấn đề tính toán thông số một hệ thống điện mặt trời, cảm ơn đã đọc hết bài viết rất dài này 🙂

Dự định sẽ viết phần 2 luôn trong bài viết này nhưng thiết nghĩ bài viết đã quá dài, người viết cũng khá mệt nên tạm gác lại phần 2 ở một bài viết khác trong tương lai gần, trân trọng.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *