Cách thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời từ tấm pin đến hệ thống hoàn chỉnh

Một trong những câu hỏi phổ biến nhất mà chủ nhà, chủ doanh nghiệp, đơn vị lắp đặt điện mặt trời và nhà phát triển dự án thường đặt ra rất đơn giản:

Thực tế tôi cần bao nhiêu tấm pin mặt trời?

Câu trả lời phụ thuộc vào nhiều yếu tố hơn rất nhiều so với diện tích mái. Mức tiêu thụ điện hằng ngày, điều kiện nắng tại địa phương, hiệu suất tấm pin, thiết kế inverter, nhu cầu lưu trữ bằng pin và nhu cầu năng lượng trong tương lai đều ảnh hưởng đến quy mô cuối cùng của hệ thống.

Tại MOTOMA, đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi triển khai các dự án điện mặt trời dân dụng, thương mại và công nghiệp trên toàn thế giới. Dù mỗi dự án có điều kiện khác nhau, quá trình tính toán đều tuân theo một phương pháp kỹ thuật hợp lý giúp đơn vị lắp đặt và khách hàng tránh cả việc thiết kế thiếu công suất lẫn dư công suất.

Bước 1: Tính mức tiêu thụ năng lượng hằng ngày

Điểm khởi đầu của mọi dự án điện mặt trời là hiểu rõ mức sử dụng năng lượng.

Lượng điện tiêu thụ thường được đo bằng kilowatt-giờ (kWh).

Ví dụ, nếu một hộ gia đình tiêu thụ 20kWh mỗi ngày, hệ thống điện mặt trời phải tạo ra ít nhất lượng năng lượng tương đương trong điều kiện vận hành bình thường.

Bước 2: Hiểu về giờ nắng đỉnh

Tấm pin mặt trời không phát công suất định mức suốt 24 giờ mỗi ngày.

Các kỹ sư sử dụng khái niệm Giờ Nắng Đỉnh (PSH), tức số giờ tương đương trong ngày khi cường độ bức xạ mặt trời bằng 1000W/m².

Các dự án ở khu vực có bức xạ mặt trời cao hơn cần ít tấm pin hơn để tạo ra cùng một lượng năng lượng.

Bước 3: Tính đến tổn hao hệ thống

Một hệ thống điện mặt trời không bao giờ hoạt động ở hiệu suất lý thuyết 100%.

Tổn hao phát sinh từ quá trình chuyển đổi của inverter, điện trở cáp, bụi bám, nhiệt độ mô-đun tăng, bóng che và hiệu suất sạc pin.

Hầu hết các kỹ sư thiết kế điện mặt trời chuyên nghiệp giả định hiệu suất tổng thể của hệ thống nằm trong khoảng 75% đến 85%.

Một giả định kỹ thuật thường dùng là:

Hiệu suất hệ thống = 80%

Công thức tính số lượng tấm pin mặt trời

Một công thức thực tế để xác định công suất mà các đơn vị lắp đặt thường dùng là:

Công suất điện mặt trời cần thiết (kW) = Mức tiêu thụ năng lượng hằng ngày ÷ Giờ nắng đỉnh ÷ Hiệu suất hệ thống

Ví dụ:

• Mức tiêu thụ hằng ngày: 20kWh
• Giờ nắng đỉnh: 5 giờ
• Hiệu suất hệ thống: 80%

Công suất cần thiết = 20 ÷ 5 ÷ 0,8 = 5kW

Vì vậy, dự án cần một hệ thống điện mặt trời khoảng 5kW.

Hệ thống điện mặt trời 5kW cần bao nhiêu tấm pin?

Điều này cho thấy vì sao các mô-đun hiệu suất cao hiện đại giúp giảm diện tích lắp đặt và lượng phụ kiện gá lắp cần thiết.

Ví dụ về hệ thống điện mặt trời dân dụng

Dự án điện mặt trời thương mại cần cách tiếp cận khác

Đối với dự án thương mại và công nghiệp, diện tích mái không phải lúc nào cũng là yếu tố giới hạn. Thay vào đó, kỹ sư thường đánh giá:

• Công suất máy biến áp
• Giới hạn phát điện lên lưới
• Biểu đồ phụ tải trong ngày
• Tích hợp hệ thống lưu trữ bằng pin
• Cơ hội giảm phí công suất cực đại

Một nhà máy tiêu thụ 500kWh mỗi ngày có thể cần giàn pin mặt trời 100kW, tương ứng khoảng:

• 233 mô-đun 430W
• 182 mô-đun 550W
• 167 mô-đun 600W

Khi kết hợp với dung lượng 100kWh, 215kWh hoặc lớn hơn trong một hệ thống pin ESS, tỷ lệ tự tiêu thụ điện mặt trời có thể được cải thiện đáng kể.

Tấm pin mặt trời công suất cao hơn có phải lúc nào cũng hợp lý?

Không hẳn.

Mặc dù mô-đun 550W, 600W và 700W giúp giảm số lượng mô-đun, tấm pin lớn hơn cũng làm tăng:

• Khối lượng tấm pin
• Tải trọng gió
• Độ phức tạp khi lắp đặt
• Yêu cầu kết cấu mái

Đối với mái nhà dân dụng, nhiều đơn vị lắp đặt vẫn ưu tiên mô-đun TOPCon 430W đến 450W vì cân bằng tốt giữa hiệu suất, sự thuận tiện khi vận chuyển và khả năng tương thích với mái.

Lưu trữ bằng pin làm thay đổi phép tính

Các dự án điện mặt trời hiện đại ngày càng kết hợp phát điện quang điện với hệ thống lưu trữ năng lượng.

Ví dụ:

• Điện mặt trời 5kW + pin 10kWh
• Điện mặt trời 8kW + pin 15kWh
• Điện mặt trời 10kW + pin 20kWh
• Điện mặt trời 15kW + pin 30kWh

Pin lưu trữ không làm giảm số lượng tấm pin mặt trời cần thiết. Thay vào đó, pin lưu trữ phần điện mặt trời dư thừa được tạo ra ban ngày để sử dụng vào ban đêm hoặc khi lưới điện mất điện.

Kết luận

Xác định số lượng tấm pin mặt trời cần dùng là một bài toán kỹ thuật chứ không phải phép ước lượng đơn giản. Mức tiêu thụ năng lượng, bức xạ mặt trời, hiệu suất mô-đun, kích thước inverter, nhu cầu lưu trữ bằng pin và không gian lắp đặt sẵn có đều góp phần quyết định thiết kế cuối cùng.

Đối với phần lớn dự án dân dụng, hệ thống dùng mô-đun hiệu suất cao 400W đến 450W tạo ra sự cân bằng rất tốt giữa hiệu suất và tính linh hoạt khi lắp đặt. Dự án thương mại có thể phù hợp với mô-đun lớn hơn 550W, 600W hoặc 700W tùy theo điều kiện kết cấu và bài toán kinh tế.

Cách đáng tin cậy nhất là bắt đầu bằng phân tích phụ tải chính xác và thiết kế hệ thống trước khi chọn mô-đun mặt trời và dung lượng pin lưu trữ.

Câu hỏi thường gặp

C1: Hệ thống 5kW cần bao nhiêu tấm pin mặt trời?

Thông thường cần 12 tấm khi dùng mô-đun 430W hoặc 10 tấm khi dùng mô-đun 550W.

C2: Một ngôi nhà cần bao nhiêu tấm pin mặt trời?

Phần lớn nhà ở cần từ 6 đến 30 tấm, tùy theo mức tiêu thụ điện và điều kiện nắng tại địa phương.

C3: Tấm pin mặt trời 430W có tốt hơn tấm 550W không?

Không hẳn. Lựa chọn tốt nhất phụ thuộc vào diện tích mái, yêu cầu lắp đặt và hiệu quả kinh tế của dự án.

C4: Có nên bổ sung pin lưu trữ không?

Pin lưu trữ giúp tăng mức độ độc lập năng lượng và khả năng dự phòng, nhưng không làm giảm công suất phát điện mặt trời cần thiết.

C5: Hệ thống điện mặt trời 10kW cần bao nhiêu diện tích mái?

Thông thường cần 45-60 mét vuông, tùy theo kích thước tấm pin và bố trí lắp đặt.

C6: Tôi có thể mở rộng hệ thống điện mặt trời sau này không?

Có, miễn là inverter, hệ thống pin và hạ tầng điện được thiết kế ngay từ đầu có tính đến khả năng mở rộng trong tương lai.