Bước đầu tiên trong việc thiết kế một hệ thống điện năng lượng mặt trời là tìm ra tổng công suất và mức tiêu thụ năng lượng của tất cả các tải cần được cung cấp bởi hệ thống điện năng lượng mặt trời như sau :
- Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp bằng cách 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 tải sử dụng mỗi ngày .Ví dụ : Tổng công suất điện chiếu sáng + điện cho các thiết bị sử cho công trình sau khi nhân với hệ số Ku và Ks trong một ngày là: 9kwh
- Do tổn hao trong hệ thống , cũng như xét đến tính an toàn khi những ngày nắng không tốt , số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải , theo công thức sau:
Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) phải cung cấp = (1.3 – 1.5) x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng
Trong đó 1.3 đến 1.5 là hệ số an toàn . Vậy ta chọn 9*1.5 = 13.5kw - Lựa chọn tấm pin
Để tính toán kích cỡ các tấm pin mặt trời cần sử dụng , ta phải 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 .
Để thiết kế chính xác , người ta phải khảo sát từng vùng và đưa ra một hệ số gọi là “panel generation factor”, Hệ số này là tích số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) trong các tháng ít nắng của vùng, đơn vị tính của nó là (kWh/m²/ngày) .Tuy nhiên nếu bỏ qua bỏ qua những tính toán chi tiết để lấy các hệ số an toàn. Ta chọn ngay thông số kỹ thuật của pin để chọn số lượng tấm pin cần. Lưu ý cần nghiên cứu địa hình để lựa chọn kích thước và công suất pin phù hợp .
ví dụ chúng ta chọn pin :
Tấm pin mono PERC AE SOLAR 400W
• Công suất đỉnh: 400 W
• Tiêu chuẩn: IP67
• Khối lượng: 22.5 kg
• Kích thước: 1979 x 1002 x 40 mm
Bảo hành hiệu suất tuyến tính
Bảo hành hiệu suất 30 năm
Bảo hành sản phẩm 12 năm
Thông số kỹ thuật ( Điều kiện tiêu chuẩn)
Công suất cực đại: 400 W
Điện áp tại điểm công suất đỉnh: 41.71 V
Dòng điện tại điểm công suất đỉnh: 9.59 A Điện áp hở mạch: 49.69 V Dòng ngắn mạch: 10.59 A
Hiệu suất quang năng mô-đun: 20.17 %
Ngưỡng nhiệt độ vận hành: -40 ~ +85oC
Ngưỡng điện áp cực đại: 1000 VDC(IEC)
Dòng cực đại cầu chì: 15 A
Phân loại: Hạng A Dung sai công suất: 0 ~ +5 W
*Trong điều kiện tiêu chuẩn, bức xạ mặt trời là 1000 W/m2, áp suất khí quyển 1.5 AM, nhiệt độ môi trường là 25oC
Thông số kỹ thuật cơ khí
Loại tế bào quang điện: Đơn tinh thể Số lượng cell: 72 cells (6 x 12)
Kích thước: 1979 x 1002 x 40 mm
Cân nặng: 22.5 kg Kính mặt trước: Kính cường lực 3.2 mm
Chất liệu khung: Nhôm mạ anode Hộp đấu dây: IP67
Cáp điện: 4 mm2 Chiều dài cáp (bao gồm đầu nối): 1200 mm
Jack kết nối: Cổng MC4
Như vậy số lượng tấm pin cần lắp là 34 tấm pin
Càng có nhiều tấm pin mặt trời , hệ thống sẽ làm việc tốt hơn , tuổi thọ của ắc quy sẽ cao hơn . Nếu có ít tấm pin mặt trời , hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát . Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao , vượt quá ngân sách cho phép , đôi khi không cần thiết .
Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống . Thí dụ một hệ solar có độ dự phòng 4 ngày , thì bắt buộc dung lượng của hệ thống dự phòng phải cao hơn , cùng với đó phải tăng số lượng tấm pin mặt trời .
Bước 2: Tính chọn ắc quy
Loại ắc quy được khuyến cáo sử dụng trong hệ thống PV năng lượng mặt trời là ắc quy chu kỳ sâu . Ắc quy chu kỳ sâu được thiết kế đặc biệt để được thải ra mức năng lượng thấp và sạc nhanh hoặc chu kỳ sạc và xả hàng ngày qua ngày trong nhiều năm . Ắc quy phải đủ lớn để chứa đủ năng lượng để vận hành thiết bị vào ban đêm và những ngày nhiều mây .
Hiệu suất xả nạp của ắc quy chỉ khoảng 70 – 80% cho nên chia số Wh do pin mặt trời sản xuất ra với 0.7 – 0.8 rồi nhân với 1.5 đến 2 lần ta có Wh của battery . Trường hợp nhu cầu sử dụng chủ yếu là ban ngày thì chỉ cần thiết kế lượng ắc quy chứa bằng lượng điện sản xuất ra từ pin mặt trời là được .
Bước 3: Tính thời gian sử dụng điện của thiết bị
Xác định thời gian sử dụng hệ thống , nên tính toán thời gian sử dụng thật hợp lý vì chi phí đầu tư cho 1kwh sử dụng điện 1 ngày cho hệ thống điện năng lượng mặt trời không nhỏ
Áp dụng công thức để tính toán bằng một trong các công thức sau :
- Tổng Công suất tiêu thụ trong hệ thống (W)
- Hiệu điện thế của mạch nạp bình ắc quy (V)
- Dung lượng của bình ắc quy (AH)
- Thời gian cần có điện của hệ thống (T)
- Hệ số năng suất của bộ kích điện (pf): thường là 0,7 hoặc 0,8
AH = (T * W)/(V * pf)
- Dùng công thức này để tính tổng dung lượng của ắc quy (AH) nếu xác định trước thời gian sử dụng hệ thống T, tổng công suất của Inverter W, điện thế của bộ nạp V, pf = 0.7 hoặc 0.8 tuỳ vào từng loại Inverter
T = (AH * V * pf)/W
- Dùng công thức này để tính thời gian hoạt động T của hệ thống nếu biết tổng dung lượng của ắc quy AH, tổng công suất của Inverter W, điện thế của bộ nạp V, pf = 0.7 hoặc 0.8 tuỳ vào từng loại Inverter
Bước 4: Tính toán bộ inverter
Bộ inverter phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả tải đều bật lên , như vậy nó phải có công suất bằng 125% công suất tải . Nếu tải là motor thì phải tính toán thêm công suất để đáp ứng thời gian khởi động của motor .
Chọn inverter có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định của ắc quy . Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện ta không cần ắc quy , điện áp vào danh định của inverter phải phù hợp với điện áp danh của hệ pin mặt trời .
Bước 5: Thiết kế solar charge controller
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 solar charge controller có nhiều loại cho nên bạn cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar của bạn.
Đối với các hệ pin mặt trời lớn , nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một solar charge controller phụ trách . Công suất của solar charge controller phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp ắc quy .Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x Dòng ngắn mạch của hệ thống pin năng lượng mặt trời .
