Tấm năng lượng mặt trời

Cách lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời

Là một bài mà chúng tôi sẽ không đề cập đến các định nghĩa, những tính năng ưu việt hay các lý do nên sử dụng điện năng lượng mặt trời cho bạn nữa. Hẳn là khi gia đình bạn cần tìm hiểu về những thiết bị này đề sẽ đề cập đến cách thiết kế, cách lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời, bạn phải bắt buộc mình phải biết để có thể theo dõi cũng như hiểu được những gì bạn sắp phải sử dụng nó trong gia đình và công nghiệp.

Mục đích ở bài viết này là chúng tôi cung cấp một số thông tin tổng quát cần thiết và có khi là đầy đủ để bạn có thể tự tính toán cho mình các thiết kế để xây dựng một hệ thống pin mặt trời. Hoặc có thể tự trang bị những kiến thức để chọn một nhà thầu uy tín có các phương án sử dụng hợp lý chứ không phải chờ đợi bên nhà tư vần về những nhu cầu của mình.

Sơ đồ hệ thống điện mặt trời
Sơ đồ hệ thống điện mặt trời

Bài viết này được sưu tập một các các kỹ sư để có thể giúp bạn hiểu được phần nào các thiết bị để có thể lựa chọn và tính toán hợp lý nhất.

Để có thể thiết kế cũng như lắp đặt một hệ thống pin năng lượng mặt trời hiện tại không phải là một vấn đề khó đối với hầu hết tất cả mọi người, nhưng để trình bày rõ rằng và thật đơn giản cũng như sự hữu dụng với nhiều mục đích thì không dễ không dễ dàng. Nhưng đối với người lắp đặt thì chỉ có 2 vấn đề lớn hiện nay bạn cần chí ý:

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

Một hệ thống pin mặt trời với thông số như thế nào để có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng

Đối với những ai cần thông tin tổng hợp nhất về các thông số để chọn cho mình một nhà thầu và phương án lắp đặt thì chỉ phần 1 sẽ đáp ứng nhu cầu, chọn nhà thầu lắp đặt là điều lựa chọn hàng đầu. Chúng ta cùng nhau đi quyết vấn đề đầu tiên đối với những ai muốn tìm hiểu về năng lượng điện mặt trời.

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

Khi nói về vấn đề của một hệ thống năng lượng mặt trời thì bạn cũng nên biết rằng một trong những hệ thống độc lập hoặc có thể hòa vào lưới điện mình đang dùng. Tất nhiên là, một hệ thống điện mặt trời sẽ độc lập cần có một công suất lớn hơn để có thể sử dụng nhiều thiết bị trong gia đình. Bạn cần phải tính công suất điện mà gia đình sử dụng cho toàn bộ ngôi nhà một cách riêng lẻ. Sau đó bạn mới chọn thiết bị cũng như một hệ thống với một công suất đáp ứng đủ nhu cầu của bạn sử dụng năng lượng các thiết bị gia đình.

Trước khi tính toán để lắp thì bạn cần tính toán vấn đề gì thì đây là một cầu hỏi dành cho bạn: “Bạn cần hệ thống phát điện năng lượng mặt trời có công suất tính trên lý thuyết là bao nhiêu”. Các tính toán được trình bày bên dưới đây sẽ là câu trả lời cho câu hỏi vừa được đặt ra của chúng tôi dành cho bạn.

Hệ thống điện mặt trời độc lập
Hệ thống điện mặt trời độc lập

Năng lượng của mặt trời thì phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, các 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 có thể đạt mức đó cả. Với 2 hệ thống giống như đặt ở 2 nói có điều kiện cũng vị trí địa lý thời tiết khác nhau thì sẽ có một các khác nhau về công suất. Việc tính toán của sẽ được tính như sau:

Công suất thực tế > Công suất lý thuyết > Đưa ra một thiết kế phù hợp về công suất hệ thống cho bạn.

Bạn chỉ cần xác định số Watt mà bạn cần lắp cho mình để được tư vấn từ nhà thầu của bạn trên thị trường. Họ sẽ đưa ra các phương án cho bạn để lựa chọn một cách tốt nhất.

Các thiết bị như ac quy, inverter được thiết kế phù hợp với mức công suất của hệ thống bạn cần, do đó vần đề bạn cần cân nhắc và quan trong nhất là công suất hoạt động năng lượng.

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

Cách tính lượng điện tiêu thụ ở một thiết bị điện đã dùng trong 1 ngày bằng công suất của nó nhân với số giờ sử dụng mà bạn đã dùng.

Ví dụ: Nếu bạn có tủ lạnh công suất 100W , chạy cả ngày lẫn đem 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:

Nếu thiết bị chiếu sáng thì: 4 bóng đèn thì mỗi bóng 30W, mỗi bóng 8 tiếng/ ngày(lấy trung bình số giờ bạn hoạt động nó) . Tổng lượng điện bạn cần là = 8*30= 240 Wh

Đối với thiết bị gia dụng: Tivi có công suất = 60W ngày bật 3 tiếng, tủ lạnh 100W ngày bật 24 tiếng, đèn ngủ 10W ngày bật 3 tiếng, quạt 60W ngày bật 8 tiếng. Tổng lượng điện = 60*3 + 100*24 + 10*3 + 60*8 = 3090 Wh.

Nếu bạn có một suy nghĩ nữa là khi không làm gì thị điện đó đi đâu, nhỡ đâu ngày nào đó dùng hơn mức quy đình thì sao. Bạn cứ yên tâm với một hệ thống năng lượng thì điều có một thiết bị lưu trữ để có thể trữ lượng điện thừa trong ngày của bạn để dùng lúc cần thiết.

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

Để an toàn và đảm bảo bạn nên chọn những thiết bị công suất phải lớn hơn công suất trung thu để tiêu thụ khi có những ngày phát sinh. Và khi trời năng ít sẽ không có nguồn năng lượng dự trữ thì bình ắc quy lúc này đã trữ được khá nhiều năng lượng ở những ngày nắng trước đó và kích hoạt để dùng.

Hệ số được gọi là an toàn là 1.3 đến 1.5. Công suất của hệ thống pin năng lượng càn lớn càn tốt, sẽ giúp mọi hoạt động sẽ được duy trì một cách ổn định hơn. Khi bạn dùng nhiều thì bắc buộc bình ắc quy sẽ xả nhiều sẽ làm giảm tuổi thọ của ác quy(nên hãy sử dụng công suất lơn hơn để hạn chế tình trạng này xảy ra).

Tổng lượng điện tối thiểu hàng ngày sử dụng 1 ngày = Tổng lượng điện tiêu thụ các thiết bị điện hàng ngày * Hệ số an toàn

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

Công suất được tính bằng đơn vị Watt-peak là công suất của tấm pin mặt trời phải bắt buộc sử dụng. Tức là ở điều kiện lý tưởng này, những tấm pin sẽ sản sinh ra được nguồn điện có công suất đó.

Do đó cần tính Watt-peak để đáp ứng nhua cầu điện năng để hoạt động của những thiết bị. Với con số đó ta sẽ tính toán được các yếu tố như pin, ắc quy, inverter, điều khiển sạc như thế nào là hợp lý.

Công suất của nguồn năng lượng với tấm pin của bạn đã tiếp nhận được thời gian nắng là bao nhiêu. Nó thường phụ thuộc vào độ ẩm thời tiết và lớp bụi mà bạn sử dụng lâu ngày không vệ sinh thiết bị. Bạn có thể xét trên khía cạnh tính toán của tổng năng lượng để phát sinh trong một ngày, còn liên quan đến những thời gian mặt trời chiếu sáng trung bình theo thời gian trong năm đó bạn.

Dựa vào tất cả các yếu tố trên, vệc tính toán công suất hệ thống năng lượng mặt trời thuận lợi hơn, thì người ta gọi đó là Panel Generation Factor (PGF) , hiều một cách 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 như sau về số liệu điều kiện của môi trường nên nó khác nhau theo từng các vị trí địa lý mà bạn sử dụng.

Ví dụ: trị số PGF trung bình ở Việt Nam hiện này được tính toán là khoảng 4,56. Tại vì Việt Nam có vị trí địa lý năm dọc theo đường vỹ tuyến, nên nhìn một cách tổng quát từ bắc vào nam chỉ số PGF tăng dần từ 2.5 đến khoảng 5 theo đường vĩ tuyến.

PGF vị trí địa lý bạn có thể biết được với mô hình được chụp bê dưới:

Theo thực tế thì đây là bản đồ Solar Radiation (bức xạ nhiệt) ở Việt Nam trung bình trong ngày. Ở Việt Nam thì những trị số này gần như là trùng khớp với trị PGF, nên bạn có thể dùng để tính toán cho mình(sự chênh lệch là có).

Sau khi đã xác định được PGF, tính công suất lý thuyết (Watt-peak) công thức được nhắc trên bạn nên áp dụng.

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

Bản đồ vùng nhiệt độ các nơi ở việt nam
Bản đồ vùng nhiệt độ các nơi ở việt nam

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 )

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

Hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập điện năng sinh ra từ các tấm pin sẽ đi qua bộ sạc và được nạp vào bình ắc quy.

Ắc qui dùng cho những hệ thống điện mặt trời là loại ắc quy tải, có thể thực hiện xả sâu đến mức dung lượng rất thấp và số lần nạp và xả cao. Nhưng nếu bạn để những chiếc bánh ắc quy thực hiện xả một cách quá mức thì bạn sẽ gây tổng thương đến bình ắc quy và tuổi thọ của bình sẽ giảm đi khá  nhiều trong thời gian sử dụng.

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

Ví dụ: bạn nên duy trì mức xả sâu nhất 50% , tuổi thọ ắc quy sẽ dài hơn 4 lần so với xả 90%. Mức xả ác quy còn thường được gọi là DOD (Depth of discharge).

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

Bạn có thể lưu ý khi chọn dung tích tối đa ác quy chỉ đạt khoảng 75-80 % công suất lý thuyết. Và tính toán sao cho sau 1 chu kỳ xả, thì bình ắc quy phải còn 40% đến 50% dung lượng dự trữ.

Tuy thuộc vào bạn lựa chọn ắc qui để đảm bảo độ ổn định dung lượng và ổn đinh của lưới điện bạn có thể lựa chọn theo thực tế của mình thấy và sử dụng.

– 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 ắc qui = năng lượng trong 1 ngày thu được trong hệ thống * 1.5 ) / hiệu suất ác quy

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

Hệ thống năng lượng hòa lưới
Hệ thống năng lượng điện mặt trời hòa lưới

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

Nếu bạn chỉ muốn dùng một nguồn điện đến từ hệ thống điện năng lượng mặt trời mà không cần đến các nguồn điện khá đến từ bên ngoài. Thì ắc quy bạn sẽ lựa chọn phải có một công suất lớn, có đủ để dự trù điện đủ để sinh hoạt trong những ngày bình thường khi không có năng tránh tình trạng xả sâu của các chiếc bình ắc quy.

Đó là những ngày hầu như những chiếc tấm năng lượng mặt trời hoàn toàn không thể nào hấp thụ được ánh năng để có thể tạo ra năng lượng.

Trong trời thường xuyên mây mù, lưu lượng ánh sáng hầu như là không ổn định, năng lượng cần sử dụng nhiều vào những buổi tối, số ngày autonomy dự trù ra nên là 2-3 ngày là điều bắt buộc bạn phải tính đến. Còn trường hợp bạn số ở những nơi có điều kiện nắng nóng và thời gian mà mặt trời chiếu nắng nhiều hơn thì bình ắc quy phải tự động lưu autonomy được 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 phải có mức tiêu thụ 2000 Wh/ngày, nhưng buổi tối dùng ít điện và nhà ở các tỉnh miền trung ( nơi có tiềm năng để khai thách điện mặt trời lớn nhất Việt Nam hiện nay bạn nên tận dụng) 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 là bạn dùng bình ắc quy càng lớn thì càng tốt, DOD đặt ở mức 0.2-0.3 thì quá tuyệt vời khi sử dụng, nhưng bạn cần quay lại với bài toán về kinh tế thì điều này không quá cần thiết phải lựa chọn.

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

Bộ sạc cho hệ thống năng lượng mặt trời (Solar charge controller) có tác dụng nhận dòng từ tấm pin. Chỉnh dòng điện phù hợp để sạc vào bình dự trữ ấy. Đơn giản là khi bạn có một bộ sạc phải phù hợp công suất của pin và bình ác quy. Có rất nhiều chỉ số cần tính toán  khi bạn lựa chọn lắp đặt nhưng với những những bộ sạc bình thường, thì thường chỉ cần xem xét đến các chỉ số imax từ bộ sạc của chỉ số này cần lớn hơn 1.3 lần từ dòng ngắn mạch của panel, thứ 2 về dung tích và cách đấu nối đến từ ắc quy như thế nào.

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.

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.

Hệ thống năng lượng có inverter
Hệ thống năng lượng có inverter

Ví dụ: Ban ngày khi có nắng mặt trời, thì cá inverter sẽ cấp điện từ những tấm pin, năng lượng dư thừa được nạp vào mỗi chiếc bình quy. Buổi tối khi không có nắng năng lượng sẽ lấy từ các bộ sặc ắc quydự trữ, khi ắc quy không đủ nhu ầu của bạn thì, năng lượng sẽ được lấy từ điện lưới từ các công ty điện mà bạn mua.

Khi tính toán về thông số inverter, phải đảm bảo điện áp của Inverter sẽ phù hợp điện áp định mức của ác quy. Vấn đề thứ hai, bạn phải bảo đảm công suất inverter phải lớn hơn tổng công suất của tổng công suất của các thiết bị của bạn bật. Tốt nhất là lớn hơn 1.5 lần công suất tổng các thiết bị điện. Và phải cần lưu ý tính công suất chênh lệch cho khi sử dụng các thiết bị khi khởi động của mỗi thiết bị những lúc khác nhau hay cũng lúc với nhau. Vì khi các thiết khi khởi đụng thì điện năng cũng như công suất sẽ lớn hơn 3 đến 4 lần dòng điện đinh mức bình thường bạn dùng.

Ví dụ: Bạn có 1 tủ lạnh trung bình 80W, 1 bóng đèn 10W, 1 quạt trung bình 50W. 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 500W

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

Vậy là các quy trình tính toán đều được sắp xếp tuần tự từ trên xuống dưới một cách mạch lạc nhất. Chỉ cần tính toán và ghi chép lại các số liệu từng phần bạn sẽ có được một sự tính toán cho hệ thống của mình.

Có rất nhiều phương án khác nhau để có thể đem lại một sự khác biệt. Cũng như cách để có thể đem lại một sự khác biệt để có một hệ thống tốt nhất cho mình. Hi vọng rằng những gì mà chúng tôi đêm đến sẽ cho bạn cái nhìn tổng thể và giải quyết được vấn đề của mình khi muốn một hệ thống năng lượng mặt trời.

Hãy chờ tiếp phần 2 sẽ là tốt cho những ai hay gia đình có thể tự mình chọn lựa cũng như lắp rắp từ chối các nhà thầu lắp ráp cho mình.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *