Giải pháp thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời

Tính toán tấm Pin

Để thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời sao cho phù hợp,hiệu quả, không bị thiếu công suất dẫn đến ắc quy dự phòng luôn phải hoạt động, gây cạn kiệt, dẫn đến ác quy nhanh bị chai hoặc thừa công suất , dẫn đến tăng tổng mức đầu tư,gây lãng phí không cần thiết thì việc tính toán vừa đủ các tấm pin sẽ là lụa chọn hợp lý cho nhà thiết kế, cung cấp, nó tăng khả năng tư vấn, thuyết phục khách hàng và cũng khiến cho khách hàng thấy đây là một lựa chọn tối ưu thì ta phải dựa trên những nguyên tắc sau: 

Tính tổng lượng điện năng tiêu thụ (watt-hour) của tất cả các thiết bị mà hệ thống Điện năng lượng mặt trời phải cung cấp mỗi ngày.

Muốn thế, chúng ta phải tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Watt-hour toàn bộ phụ tải sử dụng mỗi ngày.

Ví dụ: Phụ tải là máy tính có công suất tiêu thụ là 150 W, sử dụng trung bình 8h mỗi ngày thì số watt-hour sử dụng mỗi ngày là 150 x 8 = 1200 wh. Tương tự tính cho mỗi thiết bị như thế rồi cộng tất cả lại sẽ có tổng watt-hour của tất cả thiết bị mà hệ thống Điện năng lượng mặt trời cung cấp.

2. Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn bộ phụ tải mỗi ngày.

Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn bộ phụ tải. Thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 - 1.5 lần ( đây có thể gọi là hệ số an toàn trong quá trình thiết kế, lựa chọn tấm pin mặt trời vì nó dựa vào từng vùng,vùng nắng nhiều, vùng nắng ít, và khu vực bị cản ánh nắng do cây,nhà cao tầng...)

Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng.

Thí dụ ở trên thì watt-hour các tấm pin mặt trời là 1200 x 1.3 = 1560 wh.

3. Tính toán kích cỡ tấm pin mặt trời cần sử dụng

Để tính toán kích cỡ của các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế chính xác, người ta phải đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng vùng các tháng trong năm và đưa ra một hệ số trung bình ,có nghĩa hệ số hấp thu bức xạ của pin mặt trời. Hệ số hấp thụ bức xạ của tấm pin mặt trời này là tích số của hiệu suất hấp thu và độ bức xạ năng lượng mặt trời, đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày).

Thí dụ mức hấp thu năng lượng mặt trời tại 1 địa điểm của nước Việt Nam ta là 5 kWh/m2/ngày, ta lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 5 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặt trời.

Thí dụ ở trên thì watt-peak các tấm pin mặt trời là: 1560 / 5 = 312 Wp

Mỗi Tấm pin mặt trời mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó được ghi trên tem mác của nhà sản xuất, lấy tổng số Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của 1 tấm ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời cần dùng.

-Theo ví dụ trên thì trên mỗi tấm pin ghi thông số là 80Wp thì số lượng tấm pin cần dùng sẽ là 312 : 80 xấp xỉ bằng 4, ta lựa chọn 4 tấm là phù hợp.

Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin năng lượng mặt trời cần sử dụng. Càng có nhiều panel pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽ cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế quá nhiều pin mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết , gây thâm hụt tài chính, kéo dài thời gian thu hồi vốn...

Vì thế, thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. Thí dụ một hệ thống điện từ Pin năng lượng mặt trời có độ dự phòng 4 ngày, ( gọi là, là những ngày không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lượng ắc quy dự trữ phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời. Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do các chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ điện năng lượng mặt trời trong vùng.

Mặt khác, khi ta đã có tổng số tấm pin mặt trời thì không nhất thiết phải ghép nối tiếp tất cả các tấm này lại với nhau mà có thể ghép chúng thành các tổ hợp kết hợp nối tiếp và song song, do một hay nhiều solar controller đảm trách. Các việc này có tương tác lẫn nhau đến cách thiết kế hệ Inverter, Ắc-quy và bộ điều khiển sạc dưới đây.

Tính toán bộ inverter

Hiện nay trên thị trường có 2 loại Inverter để ta có thể đưa vào trong tính toán thiết kế: Một loại Inverter chuẩn tần số cao và loại Inverter chuẩn tần số thấp.

Nếu đưa bộ Inverter chuẩn tần số cao vào trong thiết kế thì phải đưa bộ Inverter đủ lớn để khi phụ tải hoạt động hết công suất trong cùng một thời gian( đầy tải) thì công suất của Inverter phải gấp 1,5 lần công suất đầy tải .Như vậy thêm cả hệ số an toàn nữa thì ta nên chọn công suất Inverter gấp 2 lần công suất khi tải đầy vì khi bật các thiết bị trong gia đình, dòng khởi động sẽ rất lớn.Gấp 5, 6 lần dòng khi phụ tải đã ổn định) Để tránh hiện tượng dòng khởi động quá lớn, ta có thể dùng thêm bộ khởi động mềm.

Nếu chọn Inverter chuẩn tần số thấp thì chỉ cần chọn công suất từ 1,2 - 1,5 công suất khi đầy tải là được,tuy nhiên Inverter này có nhược điểm là tiêu hao tương đối lón.

Thông số điện áp danh định của inverter khi đưa vào thiết kế cũng phải phù hợp với điện áp danh định của Ắc-quy. Nếu Thiết kế cho hệ thống Điện mặt trời hòa lưới thì điện áp danh định của Inverter phải phù hợp với điện áp danh định của hệ Pin năng lượng mặt trời.

Tính toán Ắc-quy

Ắc-quy dùng cho hệ thống điện năng lượng mặt trời là loại công nghệ xả sâu (deep-cycle) nên khi mua hay đầu tư Hệ thống Pin năng lượng mặt trời chúng ta cũng phải hỏi và biết để lựa chọn loại Ắc - quy này. Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Nó có khả năng nạp xả rất nhiều lần (rất nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao.

Trước tiên ta tính dung lượng của hệ bình Ắc-quy cho toàn hệ thống. Dung lượng điện năng tích trữ cần dùng cho hệ Pin năng lượng mặt trời là dung lượng điện năng đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng, khi các tấm pin năng lượng mặt trời không sản sinh ra điện được do điều kiện thời tiết.

Ta tính dung lượng Ắc quy như sau:

– Hiệu suất của Ắc-quy chỉ vào khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của Ắc-quy

– Với mức xả sâu là 0.6( hoặc thấp hơn là 0.8) ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery

Kết quả phép tính trên cho ta dung lượng Ắc -quy tối thiểu cho hệ pin năng lượng mặt trời không có dự phòng. Khi hệ pin năng lượng mặt trời có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượngẮc - quycho số autonomy-day để có số lượng ắc- quy cần cho hệ thống.

Khi đã có điện thế V và dung lượng Ah của bình acquy, ta có thể lựa chọn acquy và tính toán cách ghép chúng lại với nhau sao cho tối ưu nhất, và phải để ý đến tính dự phòng của toàn hệ thống. Thí dụ 1 hệ ac-quy 12V/1500AH ghép 3 dãy 12V/500AH song song sẽ có độ an toàn cao hơn 1 dãy 12V/1500AH, nếu 1 vài ac-quy bị hỏng thì ta vẫn còn các dãy khác làm việc tốt trong thời gian chờ sửa chữa.

Tính toán bộ điều khiển sạc:

Bộ điều khiển sạc (Solar charge controller ) có điện thế vào phù hợp với điện thế của Pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của Ắc -quy vì Bộ điều khiển sạc có nhiều loại cho nên ta cần chọn loại Điều khiển sạc nào phù hợp với hệ Pin năng lượng mặt trời của bạn. Đối với các hệ pin năng lượng mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một Bộ điều khiển sạc phụ trách. Công suất của bộ điều khiển sạc phải đủ lớn để nhận điện năng từ tấm pin và đủ công suất để nạp cho Ắc -quy.

Thông thường ta chọn Bộ điều khiển sạc có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch của tấm pin năng lượng mặt trời.

So sánh công nghệ PWM với MPPT :

Hiện nay trên thị trường có 2 loại bộ điều khiển sạc với công nghệ khác nhau, đó là công nghệ PWM và MPPT, Cả hai loại bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi trong hệ thống năng lượng mặt trời và cả hai lựa chọn này cũng là tuyệt vời để sạc pin hiệu quả . Nhiệm vụ cơ bản nhất của bộ điều khiển sạc là điều chỉnh điện áp ra của tấm pin mặt trời (PV panel) thành điện áp thích hợp để nạp cho acquy .

Vậy sự khác biệt giữa bộ điều khiển sạc PWM và MPPT là gì?

Công nghệ sạc PWM

- Bộ điều khiển sạc Pulse-Width Modulating (viết tắt PWM ) sử dụng các thuật toán phức tạp để xác định lượng điện tích đi vào ắc quy và từ từ giảm dần khi ắc quy đầy .

- Bộ điều khiển sạc PWM về cơ bản nó giống như công tắc chuyển đổi kết nối hệ thống giàn pin năng lượng mặt trời vào tổ hợp ắc quy.

- Bộ điều khiển sạc PWM sử dụng các mạch điện tử transitor đóng cắt liên tục với tần số cao để ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ hệ thống giàn pin năng lượng mặt trời.

Công ngệ sạc MPPT

- Bộ điều khiển sạc theo dõi nhiều điểm (MPPT) (Maximum Power Point Tracker ) thực tế nó là một bảng điều khiển năng lượng mặt trời , nó sẽ theo dõi , giám sát đầu ra để có thể tự động khớp điện áp mà nó tạo ra với điện áp của Ắc-quy nhằm tối đa hóa hiệu suất sạc.

- MPPT là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC.

- Công nghệ điều khiển sạc theo dõi điểm tối đa MPPT sẽ giúp ta thu được nhiều năng lượng hơn từ hệ thống giàn pin năng lượng mặt trời . Hiệu quả của phương pháp này vượt trội hơn khoảng từ 10% đến 40% khi các tấm pin có nhiệt độ thấp khoảng dưới 45ºC, hoặc rất cao khi nhiệt độ trên 75ºC, hoặc khi cường độ bức xạ ánh sáng từ mặt trời thấp .

- Khi ở điều kiện nhiệt độ cao nhưng cường độ bức xạ thấp, điện áp đầu ra của giàn pin năng lượng mặt trời sẽ giảm đi đáng kể. thêm nhiều cell cần được kết nối vào dãy pin để đảm bảo điện áp đầu ra của dãy pin phải cao hơn điện áp Ắc-quy. Đây chính là điểm yếu nếu sử dụng điều khiển sạc PWM. Chính vì thế việc sử dụng bộ điều khiển sạc MPPT, có thể nối tiếp nhiều cell pin với nhau để cho điện áp cao hơn, giảm cường độ dòng điện. Điều này giúp ta giảm chi phí cần thiết để mua cáp điện, cùng với đó thì điện năng thất thoát trên hệ thống cũng thấp hơn.

Căn cứ vào so sánh phía trên đây ta có thể lựa chọn Bộ điều khiển sạc sao cho phù hợp nhất đối với từng thiết kế của mình.