Cách tính toán sản lượng điện cho dự án điện năng lượng mặt trời

Ở những bài chia sẻ trước, VREnergy đã định hướng cho bạn những công việc đầu tiên trước khi triển khai dự án điện mặt trời cho hộ gia đình ở quy mô nhỏ cho đến dự án tổng thầu EPC điện mặt trời ở quy lớn.

Các bài viết VREnergy của lần trước, bạn có thể tham khảo:

• Kiến thức cơ bản về điện
• Quy trình thiết kế hệ thống điện mặt trời
• Thiết kế quy mô dự án điện mặt trời

Hôm nay, chúng ta sẽ đi đến bước tiếp theo, liên quan trực tiếp đến giá trị của dự án điện mặt trời bạn sẽ triển khai đó chính là bước tính toán sản lượng điện cho dự án điện năng lượng mặt trời.

Năng lượng mặt trời

Hiện nay, năng lượng mặt trời được hiểu là tổ hợp số giờ nắng nhận được tại địa phương của bạn và cường độ nắng. Năng lượng này sẽ thay đổi theo thời gian trong năm và nơi bạn sinh sống.

Tổ hợp số giờ và cường độ nắng được gọi là sự phơi nắng hoặc độ rọi nắng. Đại lượng này được gọi là công suất bức xạ trung bình, tính theo đơn vị W/m2 và đối với năng lượng mặt trời, đại lượng này được tính theo kWh chiếu xuống một mét vuông mặt đất trong thời gian một ngày (kWh/m2/ngày). Một mét vuông tương đương 9.9 feet vuông.

Ý nghĩa của độ rọi nắng

Pin quang điện mặt trời đưa ra số watt công suất được kỳ vọng có thể tạo ra, dựa trên độ rọi nắng 1000 W/m2. Số này thường là giá trị watt-đỉnh (Wp), cho biết công suất pin năng lượng mặt trời có thể tạo ra điều kiện lý tưởng.

Độ rọi nắng 1000 W/m2 là điều bạn có thể nhận được vào giữa trưa mùa hè ở xích đạo. Đây không phải là giá trị trung bình dựa trên cơ sở hằng ngày.

Tuy nhiên, khi biết độ rọi nắng tại địa phương của bạn, theo giá trị trung bình hằng ngày (kWh/m2/ngày), bạn có thể nhân số này với số watt của pin năng lượng mặt trời để ước lượng mức năng lượng do pin năng mặt của bạn có thể cung cấp.

Tính toán sản lượng điện qua độ rọi nắng

Độ rọi nắng tùy thuộc vào địa phương (kinh độ – vĩ độ) và thay đổi theo thời gian trong năm (do độ nghiêng của trục trái đất) Để có thể ước tính một cách hợp lý, bạn cần biết giá trị độ rọi nắng của từng tháng tại đại phương bạn cư ngụ. Nhờ phần mềm PVsyst, việc tính toán độ rọi nắng cho từng địa phương trở nên tương đối đơn giản. Hệ thống tính toán liên tục giám sát độ rọi nắng mặt trời trên bề mặt trái đất. Các giá trị này dùng trong tính toán các điều kiện khí quyển trên cao, độ che phủ mây trung bình và nhiệt độ bề mặt và là cơ sở lấy mẫu đo theo chu kỳ 3 giờ. 

Thu năng lượng mặt trời

Góc nghiêng của tấm pin năng lượng mặt trời có tác dụng tăng mức độ thu nhận ánh nắng mặt trời: nếu đặt tấm pin thẳng đứng hoặc nằm ngang so với mặt đất, bạn sẽ thu nhận được ánh nắng trong cả ngày ít hơn so với khi nghiêng tấm này để luôn luôn hướng mặt về phía mặt trời.

Nếu đặt tấm pin năng lượng nghiêng về phía mặt trời, bạn sẽ nhận được nhiều ánh nắng hơn, do đó tạo ra điện năng lớn hơn. Điều này rất rõ trong các tháng mùa đông, khi mặt trời hơi thấp trên bầu trời.

Lý do rất đơn giản: khi mặt trời lên cao trên bầu trời, cường độ ánh nắng cũng cao. Khi mặt trời thấp, ánh nắng trải ra trên một vùng rộng hơn.

Tác dụng của góc nghiêng theo vị trí mặt trời

Nếu nghiêng tấm pin về phía mặt trời, sẽ thu được năng lượng mặt trời nhiều hơn, do đó điện năng chuyển đổi cũng lớn hơn. Nói chung, góc nghiêng này được xác định theo góc mái nhà hiện hữu. Tuy nhiên, mỗi địa phương luôn luôn có các góc tối ưu để lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, cho phép thu được ánh nắng tối đa có thể.

Tính góc nghiêng tối ưu

Do trục trái đất nghiêng 23°30’ so với mặt trời, góc nghiêng tối ưu của các tấm pin năng lượng mặt trời biến thiên theo chu kỳ trong năm, tùy theo mùa.

Một số hệ thống có thể điều chỉnh góc nghiêng của pin năng lượng mặt trời (hệ thống solar tracking)  theo từng tháng, nhưng cũng có các hệ thống lắp pin năng lượng mặt trời theo góc nghiêng cố định.

Để tính góc nghiêng tối ưu, bạn có thể sử dụng công thức:

90° – vĩ độ (nơi bạn sống) = góc nghiêng cố định tối ưu quanh năm

Đây là góc nghiêng tối ưu cho các tấm pin cố định được dùng để phát điện quanh năm. Điều này không có nghĩa là bạn sẽ nhận được công suất cực đại theo từng tháng, thay vào đó, bạn sẽ nhận được công suất tối ưu trong cả năm.

Góc nghiêng tối ưu theo thời gian trong năm

Tùy theo khoảng thời gian bạn muốn sử dụng năng lượng mặt trời, bạn có thể sử dụng năng lượng mặt trời, bạn có thể chọn góc nghiêng pin năng lượng mặt trời thích hợp cho từng thời điểm trong năm. Mỗi tháng trong năm, góc mặt trời trên bầu trời thay đổi khoảng 7.8° – lên cao vào mùa hè và hạ thấp vào mùa đông. Bằng cách điều chỉnh góc nghiêng tấm pin theo mặt trời, bạn có thể tăng hiệu suất của hệ thống điện mặt trời một cách tương ứng. Bạn sẽ nhìn thấy góc nghiêng tối ưu hàng tháng (được làm tròn theo số nguyên gần nhất)/

Lý do để thực hiện điều này:

• Đối với hệ thống điện mặt trời độc lập, không nối với điện lưới, bạn cần sản xuất điện năng tối đa vào các tháng mùa đông để cân bằng với sự suy giảm ánh sáng tự nhiên.
• Khi lắp hệ thống nối với lưới điện trong vùng khí hậu lạnh, nơi tập trung vào việc giảm khí thải carbon, bạn nên nâng công suất hệ thống vào mùa đông để bù cho lượng điện cần mua khi tăng nhu cầu tiêu thụ điện.
• Khi lắp đặt hệ thống nối với lưới điện nhằm mục đích thu lợi nhờ bán điện, bạn có thể điều chỉnh góc nghiêng các pin mặt trời vào mùa hè để đặt được công suất điện cao nhất.

Góc tối ưu mùa đông

Dưới đây là ví dụ về điều chỉnh hệ thống điện mặt trời. Hiệu suất hệ thống điện mặt trời thấp nhất trong các mùa đông. Tuy nhiên, bằng cách nghiêng các tấm pin để thu ánh nắng tối ưu trong mùa đông, bạn có thể cải thiện rõ rệt công suất trong thời gian này.

Ở Bắc Bán Cầu, góc nghiêng mùa đông tối ưu cho các pin năng lượng mặt trời là góc ứng với tháng Mười một và tháng Giêng. Ở Nam Bán Cầu, góc nghiêng màu đông tối ưu tương ứng góc tháng Năm và tháng Bảy.

90° – vĩ độ (nơi bạn sống) – 15.6° = góc nghiêng mùa đông tối ưu

Góc tối ưu mùa hè

Nếu bạn muốn hệ thống điện mặt trời cung cấp công suất cao nhất có thể nhận nhiều điện năng hơn (trong năm) bằng cách nghiêng các tấm pin theo góc tối ưu trong mùa hè.

Những nơi khí hậu nóng thường tiêu thụ nhiều điện năng khi thời tiết nóng, hãy nghiêng các tấm pin theo góc tối ưu để nhận ánh nắng cực đại theo mùa hè là giải pháp tốt, kể cả về tài chính và môi trường.

Công thức tính góc tối ưu cho mùa đông sẽ là:

90° – vĩ độ (nơi bạn sống) + 15.6° = góc nghiêng màu hè tối ưu

Định vị pin năng lượng mặt trời

Bất kể nơi bạn đang sinh sống, mặt trời luôn mọc ở phương Đông và lặn ở phương Tây. Nếu ở Bán Cầu Bắc, các tấm pin mặt trời sẽ luôn luôn làm việc tốt nhất nếu chúng quay mặt về phương nam. Ở Bán Cầu Nam, tấm pin sẽ làm việc tốt nếu ở hướng về phía bắc.

Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có thể định vị các tấm pin năng lượng mặt trời cách chính xác. Ví dụ, nếu muốn lắp các pin năng lượng mặt trời trên mái nhà và mái quay theo hướng đông-tây, bạn sẽ khó hoặc không thể lắp các pin mặt trời quay theo hướng khác.

Trong khoảng 5 năm VREnergy đồng hành cùng ngành điện mặt trời, thiết kế pin năng lượng mặt trời đã cải thiện rõ rệt, do đó vấn đề này không còn quá khó khắc phục như trước đây. Tùy theo hãng chế tạo, hiệu suất sẽ hơi khác nhau và tùy theo các mùa trong năm, độ hiệu suất trung bình của pin năng lượng mặt trời lệch so với phương Nam (Bán Cầu Bắc) và phương Bắc (Bán Cầu Nam) khoảng 1.1% theo từng 5°.

Điều này có nghĩa là nếu pin mặt trời là nếu pin mặt trời quay mặt về chính đông (hoặc chính tây), tổn thất hiệu suất khoảng 20% so với vị trí tối ưu.

Bạn cũng có thể hướng các pin năng lượng theo chiều hoàn toàn ngược lại – bắc ở Bán Cầu và nam ở Bán Cầu Nam – tổn thất hiệu suất sẽ khoảng 40%.

Sử dụng độ rọi nắng để tính năng lượng do pin mặt trời tạo ra

Dựa vào dữ liệu nêu trên, bạn có thể tính trên cơ sở từng tháng, công suất do pin mặt trời tạo ra theo ngày, bằng cách nhân giá trị độ rọi nắng theo tháng với số Watt định mức của pin năng lượng mặt trời.

Độ rọi nắng x Số watt của panel = Watt-giờ/ngày

Như bạn đã biết, trị số độ rọi nắng phụ thuộc vào tháng và góc nghiêng của pin năng lượng. Giả sử pin năng lượng có định mức cố định 550 W, công suất của pin panel này sẽ vào Tháng 6 và Tháng 12 sẽ là:

Như bạn có thể thấy, có sự khác biệt lớn về công suất có thể tạo ra giữa mùa hè và giữa mùa đông. Trong ví dụ trên, công suất mùa hè cao hơn 8 lần so với mùa đông:

Nếu đặt tấm panel nghiêng theo góc 38o giá trị góc tối ưu cả năm, kết quả sẽ là:

Rõ ràng là công suất được cải thiện rõ rệt vào mùa đông và hơi giảm vào mùa hè.

Sử dụng độ rọi nắng để xác định công suất cần thiết cho dãy pin năng lượng mặt trời

Tương tự cách thức tính công suất theo ngày nêu trên, bạn có thể sử dụng giá trị độ rọi nắng đẻ tính nhu cầu công suất cần thiết cho mảng panel.

Đây chỉ là giá trị gần đúng, do giá trị thực còn phụ thuộc vào các yếu tố:

• Các đặc điểm của địa phương bạn ở.
• Vị trí và góc nghiêng của các tấm pin năng lượng mặt trời.
• Các vật cản che chắn ánh sáng vào các thời điểm khác nhau trong năm.

Nói chúng, thực hiện tính toán này để lập bảng chi phí sơ bộ cho hệ thống điện mặt trời luôn luôn đạt hiệu suất tối ưu. Sự tính toán tương đối đơn giản: lấy kết quả đã tính cho tổng số Wh/ngày chia cho giá trị độ rọi nắng của tháng có giá trị thấp nhất bạn muốn hệ thống vận hành.

Với ví dụ hộ gia đình có nhu cầu công suất tiêu thụ trong ngày là 695 kWh/ngày, chúng ta có thể cho cho độ rọi nắng thấp nhất trong tháng 12. Kết hợp với các góc nghiêng mặt trời, bạn có thể tính công suất theo các giá trị góc tương ứng.

Dựa trên bảng nêu trên, để cung cấp đủ nhu cầu điện cho hộ gia đình bạn phải cần dãy pin năng lượng mặt trời công suất trong khoảng 643 – 1159 W, tùy theo góc nghiêng của các tấm panel.

Vậy nếu pin năng lượng mặt trời bị che mất đi ánh sáng thì sẽ giảm đi hiệu suất đáng kể, trước khi lắp đặt chúng ta cần phải khảo sát khu vực lắp đặt hệ thống điện mặt trời để tính toán thật chi tiết nhé!

Các yếu tố tác động đến sản lượng điện của hệ thống điện mặt trời

Hiệu suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể bị tác động bởi một số yếu tố quan trọng, bao gồm:

• Ánh sáng mặt trời: Mức độ ánh sáng mặt trời trực tiếp ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ năng lượng của tấm pin. Khi ánh sáng yếu, sản xuất năng lượng sẽ giảm, làm giảm hiệu suất.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao có thể làm tăng điện trở trong hệ thống pin và làm giảm hiệu suất. Một số hệ thống được thiết kế để tự làm mát, nhưng nếu nhiệt độ quá cao thì hiệu suất vẫn có thể bị ảnh hưởng.
• Độ bám bụi và bẩn: Lớp bụi và bẩn trên tấm pin có thể làm giảm khả năng hấp thụ ánh sáng, dẫn đến giảm hiệu suất. Việc bảo dưỡng và vệ sinh định kỳ là cần thiết để duy trì hiệu suất tối ưu.
• Hướng và góc lắp đặt: Hướng và góc lắp đặt của tấm pin cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Nếu không được đặt theo hướng tốt nhất để tiếp nhận ánh sáng mặt trời, hiệu suất sẽ giảm.
• Được che phủ: Bất kỳ che phủ nào trên tấm pin, chẳng hạn như bóng cây, tòa nhà hoặc tấm che, cũng có thể làm giảm hiệu suất bằng cách cản trở sự tiếp nhận ánh sáng.
• Tuổi thọ và chất lượng tấm pin: Chất lượng của tấm pin và tuổi thọ của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất. Tấm pin kém chất lượng hoặc đã qua sử dụng có thể không sản xuất năng lượng hiệu quả.
• Sự cản trở dòng điện: Bất kỳ sự cản trở nào trong hệ thống điện, chẳng hạn như cáp dẫn hoặc kết nối kém chất lượng, cũng có thể làm giảm hiệu suất bằng cách làm giảm dòng điện đi qua hệ thống.
• Sóng đảo điện: Sóng đảo điện hoặc sự biến đổi tần số không mong muốn cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất bằng cách gây ra sự gián đoạn trong sản xuất điện.
• Bảo dưỡng và kiểm tra định kỳ: Việc bảo dưỡng và kiểm tra định kỳ của hệ thống pin cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Nếu không được duy trì đúng cách, tình trạng của hệ thống có thể suy giảm theo thời gian.

Tổng cộng, để duy trì hiệu suất tối đa của hệ thống pin năng lượng mặt trời, cần chú ý đến các yếu tố trên và thực hiện bảo dưỡng, kiểm tra định kỳ và theo dõi sự hoạt động của hệ thống.

Bằng cách tính giá trị năng lượng hệ thống điện mặt trời, chúng ta có thể ước tính chi phí sơ bộ cho hệ thống, quy hoạch bài toán tài chính rõ ràng, cho phép xác định khoảng diện tích không gian lắp đặt