Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời - Nguyễn Quang Nam (Phần 4)

u kiện chuẩn (Pac), chúng ta chỉ cần nhân với số giờ
nắng đỉnh để có được số kWh nhận được mỗi ngày.
13Bài giảng 6
Tính toán theo số giờ nắng đỉnh

 Năng lượng cung cấp trong ngày
Năng lượng (kWh/ngày) = Bức xạ (kWh/m2-ngày)⋅A (m2)⋅ ηavg
với A là diện tích dàn PV và ηavg là hiệu suất trung bình

 Công suất AC ứng với điều kiện chuẩn (1-sun)
Pac (kW) = (1 kW/m2)⋅ A (m2)⋅ η1-sun
với η1-sun là hiệu suất hệ thống ở điều kiện chuẩn

 Kết hợp hai công thức trên, giả thiết hiệu suất trung bình 
trong ngày bằng với hiệu suất ở điều kiện chuẩn, suy ra
Năng lượng (kWh/ngày) = Pac (kW)⋅(số giờ nắng đỉnh/ngày)
14Bài giảng 6
Ví dụ 9.4

 Ước tính năng lượng hàng năm cung cấp bởi dàn PV 1 kW 
(dc, STC) được mô tả trong ví dụ 9.3, nếu nó nằm ở 
Madison, WI, hướng về phía nam, và có góc nghiêng bằng 
với vĩ độ trừ 15°. Dùng định mức AC PTC.
Giải

 Phụ lục E cho thấy bức xạ hàng năm ở Madison tại góc 
nghiêng L – 15 là 4,5 kWh/m2-ngày. Dùng công suất ngõ ra 
AC bằng 0,717 kW tính được trong ví dụ 9.3, ta có
Năng lượng = 0,717 (kW) × 4,5 (h/ngày) × 365 (ngày/năm)
 = 1178 kWh/năm
15Bài giảng 6
Ví dụ 9.5

 Tính lại ví dụ 9.4 cho từng tháng trong năm tại Madison, WI, 
thay vì dùng giá trị nhiệt độ trung bình là 20 °C. Nhiệt độ hoạt 
động danh định của các tế bào trong hệ thống này là 47 °C.
Giải:

 Xét tháng Giêng, nhiệt độ cực đại trung bình mỗi ngày là
–4,0 °C, cho Madison, WI. Nhiệt độ của tế bào khi đó là

 Định mức công suất DC của dàn PV là
Pdc = 1 kW[1 – 0,005(29,8 – 25)] = 0,976 kW
C 8,291
8,0
20470,4 °=⋅




 −
+−=cellT
16Bài giảng 6
Ví dụ 9.5

 Kết hợp các yếu tố sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và hiệu suất bộ
nghịch lưu, định mức công suất AC là
Pac = 0,976 kW × 0,97 × 0,96 × 0,9 = 0,818 kW

 Phụ lục E cho thấy trong tháng Giêng ở góc nghiêng L – 15, 
tại Madison sẽ có bức xạ 3,0 kWh/m2-ngày hay 3,0 giờ nắng 
đỉnh. Do đó, dàn PV 1 kW này sẽ cung cấp
Năng lượng = 0,818 kW × 3,0 h/ngày × 31 ngày/tháng
= 76 kWh/tháng

 Tính cho mỗi tháng và tổng hợp lại (slide tiếp theo) cho thấy 
sai số so với ví dụ 9.4 là không đáng kể.
17Bài giảng 6
Ví dụ 9.5
18Bài giảng 6
Tính toán theo số giờ nắng đỉnh
19Bài giảng 6
Tính toán theo số giờ nắng đỉnh
20Bài giảng 6
Hệ số sử dụng cho hệ PV hòa lưới

 Có thể biểu diễn năng lượng do một hệ phát điện cung cấp 
thông qua công suất AC danh định và hệ số sử dụng (CF):
Năng lượng (kWh/năm) = Pac (kW)⋅CF⋅8760 (h/năm)

 Các hệ số sử dụng theo tháng hay theo ngày có thể được 
định nghĩa tương tự.

 So sánh công thức trên với công thức tính năng lượng ở
slide 13, có thể rút ra hệ số sử dụng cho hệ PV hòa lưới:
 h/ngaøy
ñænh/ngaøy naéng giôø Soá
24
=CF
21Bài giảng 6
Ví dụ 9.6

 Một ngôi nhà ở Fresno sẽ được lắp một dàn PV trên mái để
phục vụ toàn bộ nhu cầu 3600 kWh/năm. Cần bao nhiêu kW 
(dc, STC) tấm pin và diện tích là bao nhiêu?
Giải:

 Đặt dàn PV thẳng lên mái nhà là thuận mắt nhất. Nếu chọn 
góc nghiêng là L – 15 thì tại Fresno sẽ cần góc nghiêng 22°, 
khá phù hợp với mái nhà.

 Phụ lục E cho thấy bức xạ trung bình là 5,7 kWh/m2-ngày tại 
Fresno. Dùng số giờ nắng đỉnh, ta có thể tính
Pac = 3600 kWh/(5,7 h/ngày×365 ngày) = 1,73 kW
22Bài giảng 6
Ví dụ 9.6

 Từ các ví dụ trước, có thể thấy kết hợp các yếu tố nhiệt độ, 
sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và bộ nghịch lưu, độ suy giảm định 
mức là khoảng 25%.

 Vậy, định mức công suất DC cho dàn PV (STC) là
Pdc = Pac/(Hiệu suất chuyển đổi) = 1,73/0,75 = 2,3 kW

 Nếu biết hiệu suất của bộ thu, chúng ta có thể tính diện tích 
mái cần dùng. Giả sử dùng các module crystalline với hiệu 
suất 12,5 %, diện tích cần thiết là
A = 2,3 kW/(1 kW/m2 × 0,125) = 18,4 m2
23Bài giảng 6
Ví dụ 9.7
24Bài giảng 6
Ví dụ 9.7
25Bài giảng 6
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

 Các module PV cho hòa lưới không bị ràng buộc điện áp, và
có xu hướng tạo ra điện áp cao.

 Các bộ nghịch lưu cho các hệ PV hòa lưới cũng khác với các 
bộ nghịch lưu trong các hệ PV độc lập.

 Để khảo sát tương tác giữa các module, bộ nghịch lưu, và
dàn PV, chúng ta sẽ tiếp tục xem xét hệ thống trong ví dụ 9.6, 
sử dụng các module PV và bộ nghịch lưu được giới thiệu sau 
đây.
26Bài giảng 6
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới
27Bài giảng 6
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới
28Bài giảng 6
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

 Xét ví dụ 9.6, giả sử chúng ta dùng module Kyocera KC158G 
và bộ nghịch lưu Xantrex STXR2500. Chúng ta sẽ xác định 
số module cần thiết trước:
Số module = 2300 W / 158 W = 14,6 tấm

 Nếu mắc nối tiếp hai tấm thành một nhánh, điện áp danh định 
sẽ là 2 × 23,2 = 46,4 V, quá sát phạm vi điện áp ngõ vào của 
bộ nghịch lưu (44 – 85 V).

 Hơn nữa, khi nhiệt độ tăng, điện áp có thể thấp hơn 44 V. Do 
đó, chúng ta chọn mắc nối tiếp ba tấm thành một nhánh. Như 
vậy 5 nhánh sẽ dùng 15 tấm.
29Bài giảng 6
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

 Tiếp theo cần ước tính điện áp hở mạch tối đa để đảm bảo 
nó không vượt quá khả năng chịu đựng của bộ nghịch lưu 
(120 V). Ba tấm mắc nối tiếp khi hở mạch sẽ có điện áp 3 ×
28,9 V = 86,7 V, thấp hơn nhiều so với 120 V.

 Tuy nhiên, cần kiểm tra xem khi nhiệt độ xuống thấp thì điện 
áp này có trở nên nguy hiểm không. Giả sử nhiệt độ thấp 
nhất vào buổi sáng ở Fresno là – 5 °C. Với độ tăng điện áp 
hở mạch 0,38%/°C, điện áp hở mạch tối đa là
VOC,max = 86,7 V⋅[1 + 0,0038(25 + 5)] = 97 V
30Bài giảng 6
Ví dụ 9.8

 Kiểm tra thiết kế vừa rồi: 15 tấm pin được gắn cố định.
Giải:

 Diện tích của dàn PV là
A = 15 × 1,29 m × 0,99 m = 19,1 m2

 Định mức công suất DC STC sẽ là
Pdc,STC = 158 W × 15 = 2370 W

 Giả sử suy giảm định mức 25%, và bức xạ trung bình là 5,7 
kWh/m2-ngày, năng lượng do hệ cung cấp mỗi năm sẽ là
Năng lượng = 2,37 kW × 0,75 × 5,7 h × 365 = 3698 kWh
31Bài giảng 6
Tính toán thiết bị bảo vệ

 Bên cạnh yêu cầu điện áp chịu đựng 600 V, còn có các ràng 
buộc khác về dây dẫn, cầu chì và thiết bị đóng ngắt.

 Thiết bị phải có thể chịu đựng điện áp bằng 1,25 lần điện áp 
DC dự kiến. Dòng điện chịu đựng cũng phải bằng 1,25 lần 
dòng điện của dàn PV, vì 2 lý do: i) Bức xạ có thể cao hơn 1 
kW/m2 và ii) Dòng ngắn mạch gia tăng ở nhiệt độ cao.

 Ngoài ra, dòng điện liên tục ở bất kỳ phần mạch nào phải 
được nhân với 1,25 để đảm bảo các thiết bị không vận hành 
quá 80% định mức. Sau cùng, dòng điện của dây dẫn phụ
thuộc vào vật liệu và nhiệt độ môi trường.
32Bài giảng 6
Ví dụ 9.9

 Với dàn PV gồm 5 nhánh song song, mỗi nhánh dùng 3 tấm 
Kyocera KC158G mắc nối tiếp, định mức dòng cho cầu chì, 
dao cách ly, CB nối lưới là bao nhiêu? Điện áp tối đa là bao 
nhiêu nếu nhiệt độ tối thiểu trong ngày có thể bằng –5 °C.
Giải:

 Dòng ngắn mạch của mỗi nhánh là 7,58 A, cầu chì nhánh 
đến hộp nối tổng phải cho phép tối thiểu
Cầu chì > 7,58 × 1,25 × 1,25 = 11,8 A

 Cầu chì tổng phải dẫn dòng của 5 nhánh
Cầu chì tổng > 11,8 A × 5 = 59,2 A
33Bài giảng 6
Ví dụ 9.9

 Áp dụng quy tắc hệ số 1,25 cho bộ nghịch lưu 2500 W, 240 V
Cầu chì bộ nghịch lưu > 1,25 × 2500/240 = 13 A
34Bài giảng 6
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

 Với các mái nhà không nghiêng bằng góc vĩ độ, và không 
nhìn về hướng chính nam.
35Bài giảng 6
Tính toán kinh tế cho hệ PV hòa lưới

 Bước tiếp theo là xác định tính khả thi của hệ thống.

 Cần thực hiện hai loại phân tích kinh tế: một để xác định 
phương án kỹ thuật nào là hiệu quả kinh tế hơn, một để xác 
định dự án có đáng để đầu tư hay không.

 Ví dụ dưới đây minh họa một quá trình có thể được dùng, 
nhưng các quyết định thực tế sẽ phụ thuộc vào ước tính chi 
phí hiện hành và chính xác cho thiết bị và quá trình lắp đặt.
36Bài giảng 6
Ví dụ 9.10

 Một dàn PV được lắp tại Boulder, CO để cung cấp 4000 
kWh/năm. Cho biết các chi phí, xác định xem nên dùng hệ
cố định ở L – 15 hay hệ bám theo một trục. Giả sử PV có
hiệu suất 12% và hệ số chuyển đổi dc-ac là 0,75.
37Bài giảng 6
Ví dụ 9.10
Giải:

 Xét hệ bám theo 1 trục, từ phụ lục E, bức xạ trung bình là
7,2 kWh/m2-ngày. Dùng số giờ nắng đỉnh kết hợp hệ số suy 
giảm định mức, suy ra định mức DC STC:
Pdc,STC = 4000/(0,75 × 7,2 × 365) = 2,03 kW

 Ứng với chi phí 4,2 USD × 2030 = 8542 USD.

 Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD × 2030 = 2435 USD.

 Diện tích ứng với hiệu suất 12%:
A = 2,03 kW/(1 kW/m2 × 0,12) = 16,92 m2
38Bài giảng 6
Ví dụ 9.10

 Chi phí cho bộ bám theo 1 trục sẽ là
400 + 100 USD/m2 × 16,92 m2 = 2092 USD

 Với hệ cố định ở L – 15, bức xạ là 5,4 kWh/m2-ngày
Pdc,STC = 4000/(0,75 × 5,4 × 365) = 2,706 kW

 Ứng với chi phí 4,2 USD × 2706 = 11365 USD.

 Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD × 2706 = 3247 USD.
39Bài giảng 6
Ví dụ 9.10

 Bảng tổng hợp chi phí như dưới đây

 Tuy nhiên, cần có một phân tích cẩn thận hơn với các thành 
phần chi phí.
40Bài giảng 6
Ví dụ 9.10
Tracker ($/W) = ($/W)/(EPF)
41Bài giảng 6
Tính toán giá thành

 Giả sử P là số tiền vay trong thời gian n (năm) với lãi suất i 
mỗi năm, số tiền cần thanh toán mỗi năm sẽ là
A = P × CRF(i, n)
với CRF(i, n) là hệ số thu hồi vốn, cho bởi
( ) ( )( ) 11
1
,
−+
+
=
n
n
i
ii
niCRF
42Bài giảng 6
Ví dụ 9.11

 Hệ thống bám theo 1 trục trong ví dụ 9.10 có chi phí 16850 
USD để cung cấp 4000 kWh/năm. Nếu sử dụng vốn vay với 
lãi suất 6%, trong thời hạn 30 năm, giá thành là bao nhiêu?
Giải:

 Hệ số thu hồi vốn theo công thức sẽ là CRF(i, n) = 0,07265

 Vậy tiền thanh toán hàng năm sẽ là
A = 16850 × 0,07265 = 1244 USD/năm

 Giá thành sản xuất điện do đó bằng
1224 USD/4000 kWh = 0,306 USD/kWh
43Bài giảng 6
Tính toán giá thành

 Ví dụ 9.11 bỏ qua tiền hoàn thuế thu nhập. Do đó, nếu xét 
yếu tố hoàn thuế thu nhập, mức hoàn thuế năm đầu sẽ là
Hoàn thuế năm đầu = i × P × MTB
với MTB là marginal tax bracket.

 Sinh viên theo dõi ví dụ 9.12 trong tài liệu.

 Với các quốc gia có chính sách khuyến khích sử dụng năng 
lượng tái tạo, các chủ sở hữu được trợ giá mạnh để yên 
tâm đầu tư cho các hệ thống năng lượng tái tạo. Sinh viên 
theo dõi ví dụ 9.13 trong tài liệu để có thêm thông tin.