Giải pháp thiết kế

Pin năng lượng mặt trời
Posted by

Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (PVs), hay theo tên thường gọi là “năng lượng mặt trời” có khả năng sản xuất điện năng trực tiếp từ ánh nắng mặt trời. Đây là loại hình sản xuất năng lượng sạch tại chỗ phổ biến nhất bởi nó có thể sản xuất năng lượng mà không sản xuất chất thải ô nhiễm, không cần có các bộ phận di chuyển và không phát sinh tiếng ồn. Đồng thời đây cũng là nguồn năng lượng dồi dào.

Dãy pin năng lượng mặt trời

Sản xuất năng lượng mặt trời thông thường được đo bằng Watts, tuy nhiên, giá trị quan trọng hơn ở đây là mức năng lượng sản xuất được (kWh) theo ngày, tháng hay theo năm. Bởi tính gián đoạn của ánh nắng mặt trời, pin PV có thể sản xuất được lượng lớn năng lượng vào một số thời điểm nhất định trong ngày nhưng lại thấp hơn vào các thời điểm khác và không sản xuất năng lượng vào ban đêm. Mỗi ngày, mặt trời cung cấp tới 5000 lần mức năng lượng sử dụng bởi con người. Tuy nhiên, pin PV có hiệu suất ở mức nhất định, công trình có diện tích giới hạn để lắp đặt pin PV, chi phí thông thường cao và một số vùng khí hậu nhận đặc biệt ít ánh nắng mặt trời hơn so với vùng khác. Do đó, pin PV không phù hợp trong mọi bối cảnh. Trong nhiều trường hợp, công trình nên tập trung giảm mức năng lượng yêu cầu thông qua thiết kế bị động thu ánh nắng mặt trời cho sưởi ấm trước khi tính tới việc sử dụng ánh nắng mặt trời để sản xuất điện năng.

Dự đoán mức sản xuất điện từ năng lượng mặt trời

Mức năng lượng được sản xuất bởi pin PV phụ thuộc vào 5 yếu tố chính:

  1.  Điều kiện vị trí công trình: kinh độ, vĩ độ, và khí hậu tại địa phương
  2. Hướng và mức độ tiếp xúc với ánh sáng mặt trời của các tấm pin
  3. Hiệu suất của pin
  4. Tổng diện tích của pin
  5. Thiết bị chuyển đổi năng lượng

Điều kiện vị trí công trình

Điều đầu tiên cần xem xét là tính khả thi của việc lắp đặt pin năng lượng mặt trời trong điều kiện vị trí công trình: ánh sáng mặt trời chiếu đến được vị trí công trình ở mức nào? Giá trị này được biết tới như “tiềm năng mặt trời”, “bức xạ tới của mặt trời” hay còn gọi là “phơi nắng”. Nó được đo bởi Wh/m2•ngày hoặc kWh/m2•năm. Hiện có nhiều bản đồ cho thấy tiềm năng năng lượng mặt trời ở các vùng khác nhau trên thế giới.

Tiềm năng năng lượng mặt trời trên thế giới (Nguồn: NASA)

Việc xác định có bao nhiêu kW năng lượng đến được với công trình sẽ cho phép đánh giá được quy mô và hiệu suất cần thiết của chuỗi pin PV nhằm đám ứng nhu cầu năng lượng của công trình.

Đối với một vài địa điểm còn có cả công cụ tính toán trực tuyến, ví dụ như IMBY của Cơ quan Năng lượng Mỹ cho phép tính toán mọi yếu tố sơ bộ cần thiết như tiềm năng năng lượng, vĩ độ, hiệu suất pin, hướng và cân bằng hệ thống.

Hướng của hệ thống

Pin PV tự động hóa di chuyển theo hướng mặt trời

Mặt trời càng chiếu trực tiếp vào pin PV thì mức năng lượng được sản xuất càng lớn.

Một nguyên tắc theo kinh nghiệm cho việc lựa chọn góc gắn pin PV là việc chọn góc chính bằng vĩ độ của vị trí lắp đặt (theo độ). Để tối ưu hóa vào mùa đông, cộng thêm 15 độ. Để tối ưu hóa vào mùa hè, trừ đi 15 độ. Bên cạnh ước tính theo kinh nghiệm, hiện có nhiều công cụ phân tích cho phép thiết kế hệ thống với mức độ chính xác cao hơn.

Với những vị trí có vĩ độ xa với xích đạo, các tấm pin đặt nghiêng theo góc mặt trời có thể sản sinh hơn 20% năng lượng so với pin PV đặt phẳng.

Một số hệ thống pin PV được lắp đặt trên các thanh đứng và cho phép di chuyển góc tương ứng với mặt trời di chuyển từ Đông sang Tây trong ngày. Những hệ thống này có thể tăng mức năng lượng sản xuất được lên 35% nhưng chi phí cũng tăng đáng kể. Do đó thông thường nó chỉ có hiệu quả kinh tế khi sử dụng kết hợp với các tấm pin hiệu suất cao.

Hiệu suất tấm pin PV

Hiện nay có nhiều loại pin PV khác nhau: silicon tinh thể, màng mỏng và dạng cô đặc là ba nhóm chính (mỗi nhóm gồm nhiều loại khác nhau). Loại pin sử dụng quyết định tới hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng của pin PV.

Các loại pin PV: silicon tinh thể, vô định hình và loại nhuộm màu nhạy cảm với ánh sáng

 Nhìn chung, các tấm pin silicon tinh thể có hiệu suất cao hơn so với các tấm pin màng mỏng, tuy nhiên điều này cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tuổi, quá trình sản xuất và điều kiện ánh sáng mặt trời. Hệ thống silicon tinh thể thông thường có mức giảm hiệu suất lớn hơn trong điều kiện bầu trời nhiều mây hay bị che phủ so với pin phim màng mỏng và loại pin tập trung nó yêu cầu ánh sáng chiếu trực tiếp.

Những loại pin hiện phổ biến trên thị trường hiện nay có mức hiệu suất từ 5-20%. Mỗi tấm pin sẽ có một “giá trị danh nghĩa” tính theo watts. Giá trị này cần được chuyển tới mức năng lượng sản xuất hàng năm tương ứng với điều kiện khí hậu của vị trí công trình. Dựa trên đó quy mô của hệ thống có thể được xác định.

Diện tích của hệ thống

Diện tích cho phép lắp đặt pin năng lượng mặt trời có thể là yếu tố giới hạn cho cả hệ thống. Diện tích yêu cầu cho một hệ thống pin năng lượng mặt trời phụ thuộc và hiệu năng của loại pin và lượng ánh sáng. Đây luôn là vấn đề về chi phí bởi pin năng lượng mặt trời rẻ hơn thường có hiệu quả thấp hơn và sẽ cần diện tích lắp đặt lớn hơn.

Mái nhà thường là vị trí được chọn để lắp đặt hệ pin mặt trời, tuy nhiên việc lắp đặt pin mặt trời tại khu vực đỗ xe có thể mang hiệu quả lớn hơn khi nó không chỉ tăng thêm diện tích pin mà còn che cho xe cộ, nhựa đường, giúp giảm hiệu ứng nhiệt ốc đảo trong thành phố.

Các tấm phim mặt trời không yêu cầu phải là các thiết bị riêng biệt mà có thể được lắp vào các sản phẩm xây dựng khác. Tấm lợp mái, thậm chí cửa sổ cũng có thể được phủ phim PV để qua đó tăng diện che phủ cho sản xuất điện mặt trời. Những hệ thống như vậy có thể được xem như là hệ thống pin PV kết hợp vào công trình.

Hệ thống này có lợi không chỉ trong việc tăng năng suất sản xuất điện (tăng diện che phủ) mà còn giảm được chi phí lắp đặt. Mặc dù giá trị thiết bị có thể cao hơn các tấm pin PV riêng biệt nhưng nó giảm được chi phí nhân công. Thay vì thuê nhân công lợp mái và sau đó thuê nhân công lắp đặt pin PV, bây giờ có thể lắp đặt tấm lợp mái pin năng lượng mặt trời chỉ với một lần thuê nhân công.

Hệ thống pin PV kết hợp vào công trình giúp tăng đáng kể diện tích cho phép

Chuyển đổi năng lượng

Cuối cùng, yếu tố quyết định tới mức năng lượng sản xuất là việc giảm tổn thất tới thiết bị biến tần và đường dây của hệ thống – phần chuyển dòng điện một chiều có điện áp thấp thành dòng điện hai chiều có điện áp trung cấp cho trang thiết bị trong công trình sử dụng. Những tổn thất kể trên là một trong số các thành phần dẫn tới hiện tượng giảm tải và thông thường yêu cầu hệ thống cần tăng kích thước lên từ 5-25%.

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng có thể được tối đa hóa bằng cách chọn biến tần và các trang thiết bị khác có hiệu quả cao. Đồng thời phương thức đi dây cũng cần được để ý để tránh sự mất cân bằng trong mạch điện do một số tấm pin có thể nhận được ánh nắng tối đa trong khi một số tấm khác có thể bị che khuất.

Một số loại pin như silicon tinh thể có thể nhạy cảm với phương thức đi dây trong mạch điện hơn các loại pin khác bởi bóng cây lân cận có thể làm giảm điện áp một cách đáng kể và gây ra sự mất cân bằng mạch. Trong những trường hợp này, phương thức đi dây sẽ tạo ra sự khác biệt lớn. Những thiết bị như biến tần siêu nhỏ có thể tách biệt các tấm pin rời nhau và tối đa hóa mức năng lượng sản xuất được.

Bên trong thiết bị biến tần

Hiệu suất vs. Giá thành

Phần lớn mọi người cho rằng hiệu suất càng cao thì càng tốt nhưng trong trường hợp ánh nắng mặt trời là miễn phí và vô cùng phong phú, điều kể trên không thực sự đúng. Pin năng lượng mặt trời có hiệu suất càng cao thì càng tốn kém và chỉ thực sự cần thiết khi diện tích bị giới hạn. Những tấm pin với chi phí thấp hơn khi che phủ trên diện lớn có thể sản xuất được nhiều điện năng hơn.

Diện tích che phủ lớn có thể chỉ cần pin hiệu suất thấp

Giới hạn cho từng dự án là khác nhau và điểm quan trọng ở đây không phải hiệu quả năng lượng mà là hiệu quả chi phí đầu tư. Chi phí đầu tư cho từng watts quyết định tới việc bao nhiêu pin năng lượng mặt trời có thể được lắp đặt.

0 0 1401 10 April, 2015 April 10, 2015
1 vote

Leave a Reply

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

Facebook Comments