Đừng lắp solar nếu chưa biết công thức tính điện năng tiêu thụ

Công thức tính điện năng tiêu thụ là bước đầu tiên và quan trọng nhất khi bạn muốn lắp đặt điện mặt trời. Bạn lo lắng về việc đầu tư sai lầm, chọn một hệ thống quá lớn gây lãng phí hay quá nhỏ không đủ dùng? Sự mơ hồ trong cách tính toán công suất pin, inverter, và ắc quy chính là rào cản khiến hệ thống không hoạt động hiệu quả, thậm chí giảm tuổi thọ thiết bị. Đừng lo, bài viết này sẽ cung cấp công thức chính xác và hướng dẫn chi tiết từng bước, giúp bạn tự tin tính toán và thiết kế một hệ thống điện mặt trời tối ưu, phù hợp hoàn hảo với nhu cầu sử dụng và ngân sách của gia đình.

Tính số Watt-hour của tấm pin mặt trời

Để đảm bảo hệ thống điện mặt trời hoạt động hiệu quả và ổn định, việc tính toán hệ thống điện mặt trời, cụ thể là lượng điện năng mà các tấm pin cần cung cấp, là vô cùng quan trọng. Lượng công thức tính điện năng tiêu thụ (Watt-hour) từ các tấm pin mặt trời cần phải cao hơn tổng Watt-hour của toàn bộ tải sử dụng. Điều này là do các yếu tố tổn hao trong hệ thống và những ngày điều kiện thời tiết không thuận lợi (nắng yếu, mây mù).

Dưới đây là công thức tính lượng Watt-hour cần thiết từ tấm pin mặt trời:

Giải thích về hệ số an toàn (1.3 – 1.5)

Hệ số an toàn từ 1.3 đến 1.5 trong cách tính pin năng lượng mặt trời đóng vai trò thiết yếu để đảm bảo nguồn điện luôn đủ cung cấp, ngay cả trong điều kiện không lý tưởng. Ý nghĩa cụ thể của hệ số này bao gồm:

• Bù đắp tổn hao hệ thống: Trong quá trình chuyển đổi và truyền tải điện năng từ pin mặt trời, luôn có một lượng tổn hao nhất định. Các tổn hao này bao gồm tổn hao trên dây dẫn, tổn hao hiệu suất của inverter (bộ biến tần), và tổn hao tại bộ điều khiển sạc (đối với hệ độc lập có ắc quy). Hệ số an toàn giúp đảm bảo rằng ngay cả sau khi trừ đi các tổn hao này, lượng điện năng hữu ích vẫn đủ đáp ứng công suất tải.
• Đối phó với điều kiện thời tiết bất lợi: Hiệu suất của tấm pin mặt trời phụ thuộc rất nhiều vào cường độ bức xạ mặt trời. Những ngày mây mù, mưa hoặc có ít nắng sẽ làm giảm đáng kể lượng điện năng sản xuất. Hệ số an toàn được thêm vào để dự phòng cho những ngày như vậy, đảm bảo hệ thống vẫn có thể hoạt động ổn định và cung cấp đủ điện cho các thiết bị.
• Dự phòng cho sự suy giảm hiệu suất của pin: Theo thời gian, hiệu suất của các tấm pin mặt trời sẽ dần suy giảm. Việc áp dụng hệ số an toàn ngay từ đầu giúp kéo dài thời gian hệ thống vẫn đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng, trước khi hiệu suất pin giảm quá mức.
• Đảm bảo tính tin cậy và liên tục: Đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống điện mặt trời độc lập hoặc những ứng dụng yêu cầu nguồn điện không gián đoạn. Hệ số an toàn giúp hệ thống có khả năng dự trữ năng lượng hoặc sản xuất nhiều hơn mức cần thiết, tăng cường độ tin cậy tổng thể.

Việc áp dụng chính xác công thức tính số tấm pin mặt trời cần dùng và hệ số an toàn này sẽ giúp bạn thiết kế hệ solar tối ưu, đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng điện cho gia đình hoặc doanh nghiệp, đồng thời kéo dài tuổi thọ và hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.

Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng

Để thiết kế một hệ thống điện mặt trời hiệu quả, việc xác định chính xác công suất tấm pin mặt trời là bước vô cùng quan trọng. Đơn vị thường dùng để đo công suất tối đa của pin mặt trời trong điều kiện tiêu chuẩn là Watt-peak (Wp). Mức Wp mà một tấm pin có thể tạo ra không cố định mà phụ thuộc đáng kể vào khí hậu và vị trí địa lý cụ thể. Điều này có nghĩa là cùng một tấm pin sẽ cho ra mức hấp thu năng lượng khác nhau khi được đặt ở các khu vực địa lý khác nhau.

Trong quá trình thiết kế hệ solar, các chuyên gia thường sử dụng một hệ số gọi là “panel generation factor” (hệ số phát điện của pin mặt trời). Hệ số này là tích số của hiệu suất hấp thu ánh sáng (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) tại khu vực đó, đặc biệt là trong những tháng có ít nắng nhất. Đơn vị tính của hệ số này là kWh/m2/ngày, phản ánh lượng năng lượng mặt trời trung bình mà một mét vuông bề mặt pin có thể nhận được mỗi ngày.

Tại Việt Nam, mức hấp thu năng lượng mặt trời trung bình dao động khoảng 4.58 kWh/m2/ngày. Để đơn giản hóa trong quá trình tính toán hệ thống điện mặt trời, chúng ta có thể làm tròn con số này thành 4 kWh/m2/ngày. Dựa trên thông số này, tổng công suất Wp cần có của hệ thống pin mặt trời được tính bằng cách lấy tổng số Watt-hour (Wh) mà hệ thống cần cung cấp chia cho hệ số phát điện trung bình (ví dụ: 4 Wh/Wp/ngày nếu lấy mức 4 kWh/m2/ngày). Mỗi tấm pin quang điện (PV) đều có thông số Wp riêng. Khi đã có tổng Wp cần thiết cho hệ thống, bạn chỉ cần chia con số này cho Wp của một tấm pin cụ thể để xác định số lượng tấm pin cần sử dụng.

Số lượng tấm pin mặt trời tính được chỉ là mức tối thiểu để đáp ứng nhu cầu điện năng. Việc trang bị nhiều pin mặt trời hơn sẽ giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả hơn, đồng thời kéo dài tuổi thọ của hệ thống ắc quy (battery) do tránh được tình trạng xả sâu. Ngược lại, nếu lắp đặt quá ít pin, hệ thống có thể thiếu điện vào những ngày ít nắng hoặc nhiều mây, khiến ắc quy bị rút cạn thường xuyên, từ đó làm giảm đáng kể tuổi thọ của chúng. Tuy nhiên, việc đầu tư quá nhiều pin cũng sẽ làm tăng chi phí ban đầu của hệ thống và có thể vượt quá ngân sách, đôi khi là không cần thiết nếu nhu cầu sử dụng không quá cao.

Ngoài ra, số lượng pin mặt trời cần thiết còn phụ thuộc vào yếu tố dự phòng của hệ thống, hay còn gọi là “autonomy day” (số ngày hệ thống có thể hoạt động mà không có nắng). Ví dụ, một hệ thống với độ dự phòng 4 ngày sẽ yêu cầu dung lượng ắc quy lớn hơn và kéo theo đó là số lượng pin mặt trời cũng phải tăng lên tương ứng để sạc đầy ắc quy. Để khắc phục vấn đề thiếu điện trong những ngày râm mát tại các khu vực đã có điện lưới, Vũ Phong Energy Group và SolarV cung cấp các giải pháp hệ thống bù lưới thông minh hoặc chuyển lưới thông minh, đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định cho người dùng.

• Top các thương hiệu Inverter hòa lưới chất lượng cao năm 2020
• Điện mặt trời Cần Thơ được kỳ vọng trong vai trò tiên phong

Tính toán bộ inverter

Việc lựa chọn và công thức tính điện năng tiêu thụ cho bộ inverter là một bước cực kỳ quan trọng trong thiết kế hệ thống điện mặt trời, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ cho toàn bộ hệ thống. Inverter (hay còn gọi là bộ chuyển đổi điện năng) chịu trách nhiệm chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ pin mặt trời hoặc ắc quy thành dòng điện xoay chiều (AC) để cung cấp cho các thiết bị điện trong gia đình hoặc doanh nghiệp. Hiện nay, hai loại inverter sine chuẩn phổ biến nhất được sử dụng là inverter tần số cao (High Frequency) và inverter tần số thấp (Low Frequency – thường dùng tăng phô).

Khi tính toán công suất inverter, đặc biệt đối với inverter sine chuẩn tần số cao, nguyên tắc là công suất của bộ inverter phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả các tải đều bật lên đồng thời. Do đó, công suất của inverter lý tưởng nên bằng ít nhất 150% tổng công suất tải mà bạn dự kiến sử dụng. Tốt nhất là nên chọn inverter có công suất bằng 200% tổng công suất tải để có một hệ số an toàn cao, đặc biệt khi có các thiết bị cần dòng khởi động lớn. Điều này đảm bảo inverter không bị quá tải đột ngột và hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.

Một lưu ý cực kỳ quan trọng khi chọn công suất inverter là phải xem xét các tải có motor như tủ lạnh, máy lạnh, máy bơm nước… Các thiết bị này thường có dòng khởi động (inrush current) rất cao, có thể gấp 5-6 lần dòng điện khi chạy ổn định. Nếu inverter không đủ khả năng đáp ứng dòng khởi động này, nó có thể bị ngắt hoặc hỏng hóc. Để giải quyết vấn đề này, bạn cần tính toán công suất inverter cao hơn đáng kể hoặc cân nhắc sử dụng các phương pháp khởi động mềm (soft start) cho motor, giúp giảm thiểu dòng khởi động và cho phép chọn inverter với công suất hợp lý hơn.

Đối với inverter sine chuẩn tần số thấp (dùng tăng phô), bạn có thể lựa chọn công suất từ 125% – 150% tổng công suất tải. Loại inverter này thường có khả năng chịu quá tải tốt hơn trong thời gian ngắn, nhưng nhược điểm chính là hiệu suất thấp hơn và tiêu hao năng lượng nội bộ (tổn hao không tải) lớn hơn so với inverter tần số cao, dẫn đến lãng phí điện năng về lâu dài.

Cuối cùng, việc lựa chọn điện áp đầu vào danh định của inverter phải phù hợp với điện áp danh định của hệ thống cấp nguồn. Cụ thể:

• Đối với hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-grid): Điện áp đầu vào của inverter phải tương thích với điện áp danh định của hệ thống ắc quy (battery bank). Việc này là cực kỳ quan trọng để đảm bảo quá trình sạc và xả diễn ra hiệu quả, đồng thời bảo vệ tuổi thọ của ắc quy. Bạn có thể tham khảo thêm cách tính dung lượng ắc quy để có cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống độc lập.
• Đối với hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-grid): Do không sử dụng ắc quy, điện áp đầu vào danh định của inverter phải phù hợp với điện áp danh định của chuỗi tấm pin mặt trời. Việc kết nối đúng điện áp sẽ tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi và đảm bảo inverter hoạt động ổn định, hòa vào lưới điện quốc gia một cách an toàn và hiệu quả.

Tính toán Battery

Trong việc thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập, việc xác định dung lượng ắc quy (battery) đóng vai trò then chốt, đảm bảo hệ thống có thể cung cấp điện liên tục ngay cả khi không có nắng hoặc vào ban đêm. Loại battery chuyên dụng cho hệ thống solar là loại deep-cycle. Ưu điểm nổi bật của loại ắc quy này là khả năng xả sâu đến mức năng lượng rất thấp và khả năng nạp đầy nhanh chóng mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong. Với khả năng nạp xả lặp đi lặp lại nhiều lần (nhiều chu kỳ – cycle), ắc quy deep-cycle có tuổi thọ cao và độ bền vượt trội, rất phù hợp với yêu cầu vận hành liên tục của hệ thống điện mặt trời.

Phương pháp 1: Dựa vào lượng điện sản xuất từ pin mặt trời

Một cách tiếp cận để xác định dung lượng ắc quy là dựa vào lượng điện mà tấm pin mặt trời có thể sản xuất được mỗi ngày. Thông thường, dung lượng ắc quy cần thiết phải gấp từ 1.5 đến 2 lần tổng lượng điện sản xuất hàng ngày. Điều này giúp đảm bảo dự trữ đủ năng lượng cho những thời điểm nắng yếu hoặc nhu cầu sử dụng cao hơn dự kiến.

Cần lưu ý rằng hiệu suất nạp xả của battery chỉ đạt khoảng 70% – 80%. Do đó, để tính toán dung lượng ắc quy theo Watt-hour (Wh), bạn cần chia tổng lượng điện sản xuất từ pin mặt trời (Wh) cho hiệu suất nạp xả (0.7 – 0.8), sau đó nhân với hệ số dự phòng (1.5 đến 2 lần). Trong trường hợp hệ thống chủ yếu cung cấp điện cho các tải sử dụng vào ban ngày, dung lượng ắc quy có thể thiết kế bằng hoặc lớn hơn một chút so với lượng điện sản xuất hàng ngày.

Để tối ưu hóa tuổi thọ của ắc quy trong hệ thống độc lập sử dụng hàng ngày, các chuyên gia khuyến nghị không nên để ắc quy xả quá sâu. Đối với ắc quy 12V, nên duy trì mức điện áp trên 11V và chuyển sang sử dụng nguồn điện lưới hoặc bổ sung từ lưới điện để bảo vệ ắc quy, giúp kéo dài tuổi thọ lên gấp 2-3 lần so với việc xả quá mức.

Phương pháp 2: Dựa vào tải tiêu thụ cụ thể

Phương pháp tính toán dung lượng ắc quy thứ hai, chính xác hơn, dựa vào tổng lượng điện tiêu thụ của các tải và số ngày dự phòng (autonomy day) mà hệ thống cần hoạt động khi không có nắng. Autonomy day là số ngày hệ thống có thể hoạt động độc lập, sử dụng năng lượng dự trữ trong ắc quy mà không cần nạp từ pin mặt trời.

• **Hiệu suất nạp xả (Charge/Discharge Efficiency):** Hiệu suất thực tế của quá trình nạp và xả điện từ ắc quy thường khoảng 80%. Do đó, lượng điện tiêu thụ của tải cần được chia cho 0.8 để có dung lượng Wh cần thiết cho ắc quy.
• **Mức xả sâu (Depth of Discharge – DOD):** Để bảo vệ ắc quy và kéo dài tuổi thọ, không nên để ắc quy xả cạn hoàn toàn. Mức xả sâu an toàn thường là 60% (DOD = 0.6) hoặc có thể thấp hơn đến 80% (DOD = 0.8) tùy loại ắc quy. Bạn cần chia dung lượng Wh của ắc quy cho DOD để có dung lượng tổng thực tế cần thiết.

Công thức tính dung lượng battery theo tải tiêu thụ

Kết quả từ công thức trên sẽ cho bạn biết dung lượng battery tối thiểu cần thiết cho hệ thống solar độc lập mà không có ngày dự phòng. Khi hệ thống cần có số ngày dự phòng (autonomy day) để hoạt động ổn định trong những ngày thời tiết xấu hoặc không có nắng, bạn phải nhân dung lượng ắc quy tính được với số ngày dự phòng đó.

Công thức tính dung lượng battery khi có ngày dự phòng

Thiết kế Solar Charge Controller

Bộ điều khiển sạc (solar charge controller) là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống điện mặt trời độc lập. Vai trò chính của nó là quản lý quá trình nạp điện từ các tấm pin mặt trời vào ắc quy, ngăn chặn tình trạng nạp quá mức hoặc xả quá sâu, từ đó bảo vệ và kéo dài tuổi thọ cho ắc quy. Bộ điều khiển sạc cũng đảm bảo điện áp và dòng điện từ pin mặt trời phù hợp với yêu cầu của ắc quy và tải.

Khi lựa chọn solar charge controller, cần đảm bảo rằng điện thế đầu vào của nó tương thích với điện thế của dãy pin mặt trời và điện thế đầu ra phù hợp với điện thế của hệ thống ắc quy. Trên thị trường có nhiều loại bộ điều khiển sạc với công nghệ khác nhau (ví dụ: PWM, MPPT), việc lựa chọn loại phù hợp sẽ tối ưu hóa hiệu suất sạc và tuổi thọ hệ thống.

Để tính toán dòng điện tối đa (Imax) cần thiết cho bộ điều khiển sạc, chúng ta sử dụng công thức sau:

Imax = 1.3 x Dòng ngắn mạch của PV (Isc)

Hệ số 1.3 là hệ số an toàn, nhằm đảm bảo bộ điều khiển sạc có thể chịu được các điều kiện hoạt động khắc nghiệt hoặc biến động dòng điện từ pin mặt trời.

Ví dụ thực tế: Tính toán hệ thống điện mặt trời độc lập cho hộ gia đình

Giả sử chúng ta cần thiết kế một hệ thống điện mặt trời cho một hộ gia đình ở vùng sâu, có nhu cầu sử dụng điện như sau:

• 1 bóng đèn 18 Watt, sử dụng 4 giờ/ngày (từ 6 giờ tối đến 10 giờ tối).
• 1 quạt máy 60 Watt, sử dụng 2 giờ/ngày.
• 1 tủ lạnh 75 Watt, chạy liên tục (ước tính chạy 12 giờ/ngày, nghỉ 12 giờ/ngày do cơ chế tự động ngắt).

Xác định tổng lượng điện tiêu thụ

Để bắt đầu công thức tính điện năng tiêu thụ, chúng ta cần xác định tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày của các thiết bị:

Tổng điện tiêu thụ mỗi ngày = (18 W x 4 giờ) + (60 W x 2 giờ) + (75 W x 12 giờ) = 72 Wh + 120 Wh + 900 Wh = 1,092 Wh/ngày.

Tính toán công suất và số lượng tấm pin mặt trời (PV panel)

Với lượng điện tiêu thụ hàng ngày là 1,092 Wh, chúng ta sẽ tính toán công suất pin mặt trời cần thiết.

Tính toán công suất Inverter

Inverter (bộ biến tần) chuyển đổi điện DC từ ắc quy thành điện AC 220V cho các thiết bị gia đình. Công suất inverter phải đủ lớn để đáp ứng tổng công suất của các thiết bị hoạt động đồng thời, và đặc biệt là dòng khởi động của các thiết bị có động cơ.

Tính toán dung lượng Battery (ắc quy)

Sử dụng phương pháp dựa trên tải tiêu thụ và các hệ số đã phân tích ở trên.

Kết quả tính toán dung lượng battery cần thiết

• Nếu cần có 2 ngày dự phòng (autonomy day): Dung lượng bình ắc quy = 178 Ah x 2 ngày = 356 Ah. Như vậy, có thể chọn battery deep-cycle 12V/400Ah.
• Nếu chỉ sử dụng trong ngày và không cần dự phòng: Chọn ắc quy 12V/200Ah là đủ để lưu trữ và cung cấp năng lượng.

Tính toán dòng điện cho Solar Charge Controller

Cuối cùng, chúng ta sẽ tính toán dòng điện yêu cầu cho bộ điều khiển sạc dựa trên thông số của các tấm pin mặt trời.

• Giả sử thông số kỹ thuật của mỗi tấm PV module là: Pm = 110 Wp, Vm = 16.7 Vdc, Im = 6.6 A, Voc = 20.7 V, Isc (dòng ngắn mạch) = 7.5 A.
• Dòng điện yêu cầu cho solar charge controller = (Số tấm PV x Isc của 1 tấm PV) x 1.3 (hệ số an toàn) = (3 tấm PV x 7.5 A) x 1.3 = 29.25 A.

Vậy, bạn cần chọn một bộ điều khiển sạc có dòng tối đa ít nhất là 30A.

Nguồn: Vũ Phong Energy Group

Câu hỏi thường gặp về công thức tính điện năng tiêu thụ:

Làm thế nào để xác định tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày?: Bạn cần liệt kê tất cả các thiết bị điện, nhân công suất (Watt) của mỗi thiết bị với số giờ sử dụng trong ngày để ra Watt-hour (Wh). Sau đó, cộng tất cả lại để có tổng Wh/ngày.

Tại sao phải nhân thêm hệ số an toàn khi tính công suất pin mặt trời?: Hệ số an toàn (thường từ 1.3 đến 1.5) dùng để bù trừ cho những tổn hao trong hệ thống và đảm bảo đủ điện năng vào những ngày nắng yếu, giúp hệ thống hoạt động ổn định.

Cần lưu ý gì khi chọn công suất inverter cho hệ thống điện mặt trời?: Công suất inverter cần lớn hơn tổng công suất các thiết bị sử dụng cùng lúc. Đặc biệt, với thiết bị có động cơ như tủ lạnh, bạn phải tính đến dòng khởi động (thường gấp 5-6 lần) để chọn inverter có khả năng đáp ứng.