producttion and consumption

Chủ nhật, 20/09/2020 | 04:08 GMT+7

Tiêu dùng bền vững

Cập nhật 11:08 ngày 03/08/2020

Điện mặt trời áp mái: Công nghệ nguồn điện sạch hiệu quả và phù hợp với Việt Nam

Mặc dù công suất nhỏ, phân tán, nhưng công nghệ nguồn điện mặt trời áp mái là công nghệ nguồn điện hiệu quả, có nhiều ưu việt và rất phù hợp với điều kiện tự nhiên, xã hội ở Việt Nam.
Bài viết dưới đây sẽ phân tích các đặc tính ưu việt, các cơ chế chính sách hiện hành nhằm hỗ trợ, thúc đẩy sự phát triển của nó cũng như đưa ra một phương pháp đơn giản ước tính công suất nguồn điện mặt trời áp mái.
Hệ nguồn điện mặt trời áp mái
Nguồn điện mặt trời áp mái (ĐMTAM) là một hệ nguồn điện mặt trời (ĐMT) có dàn pin mặt trời (PMT) lắp trên mái nhà dân cư hoặc mái các tòa nhà thương mại, khu công nghiệp, công sở, nhà máy... Cũng giống như các hệ nguồn ĐMT khác, các thành phần chính của một nguồn ĐMTAM gồm có: (1) Dàn PMT gồm một số tấm/modules PMT nối ghép điện lại với nhau; (2) Bộ Inverter (Bộ Chuyển đổi điện) để chuyển dòng điện một chiều (DC) do dàn PMT phát ra khi có nắng thành dòng điện xoay chiều (AC) thông dụng; (3)  Khung dàn (thường bằng kim loại) để lắp các tấm PMT; (4) Dây cáp điện để nối các tấm PMT và các thành phần khác với nhau; (5) Đồng hồ/công tơ đo đếm điện (M); v.v... như cho thấy trên hình 1.
Do diện tích các mái nhà hạn chế nên công suất các nguồn ĐMTAM chỉ trong khoảng từ vài kWp đến vài MWp.
Có 2 loại nguồn ĐMTAM là nguồn độc lập (không nối lưới điện) và nguồn nối lưới. Loại nguồn ĐMTAM độc lập chỉ được sử dụng ở các khu vực không có lưới điện quốc gia như các hải đảo, các bản làng khu vực miền núi, vùng sâu, vùng xa. Hiện nay số lượng loại này là rất ít. Vì vậy, dưới đây chúng ta chỉ đề cập đến loại nguồn ĐMTAM nối lưới (hình 1).
Đối với nguồn ĐMTAM nối lưới thì dòng điện sau Bộ Inverter được tải lên lưới điện. Vì vây, Bộ Inveter trong hệ này cần phải thỏa mãn các yêu cầu cao về các đặc trưng điện đầu ra như dạng sóng phải là dạng hình sine chuẩn, tần số và pha phải bằng và đồng bộ với tần số và pha của dòng điện trên lưới, hiệu suất chuyển đổi DC/AC phải cao (trên 90%), v.v… Do công suất nguồn ĐMTAM không lớn, nên gần như tất cả các nguồn ĐMTAM được nối vào lưới hạ áp và do đó không cần sử dụng máy biến áp.
Ưu việt của nguồn ĐMTAM
Do mật độ NLMT không cao (mật độ cực đại chỉ là 1000 W/m2) nên để có nguồn ĐMT có công suất lớn cần phải sử dụng một dàn PMT có diện tích khá lớn. Trung bình, để lắp dàn PMT công suất 1.000 kWp cần phải sử dụng một diện tích mặt bằng khoảng 12.000 m2. Đây là một vấn đề rất lớn đối với công nghệ nguồn ĐMT, đặc biệt đối với các quốc gia “đất chật, người đông” như Việt Nam chúng ta.
Ở các thành phố lớn, mật độ dân cư và do đó mật độ nhà ở cũng như nhà công vụ, nhà công nghiệp và thương mại dịch vụ… cũng rất cao. Đương nhiên là tổng diện tích mái nhà các loại  rất lớn. Vì vậy, việc phát triển loại hình ĐMTAM là rất kinh tế và đồng thời còn đạt được các lợi ích khác như:
1. Chi phí đầu tư giảm do không phải thuê hay mua đất (hiện nay ở Việt Nam, chi phí đầu tư trung bình để lắp đặt hoàn thiện 1 kWp chỉ khoảng 15 triệu đồng.
2. Dàn PMT làm mát ngôi nhà nên tiết kiệm được đáng kể chi phí năng lượng làm mát. Như đã biết, do nước ta nằm ở khu vực nhiệt đới, gần như nóng quanh năm, thời gian sử dụng máy điều hòa tương đối nhiều. Do đó, điện năng làm mát nhà chiếm một tỷ lệ lớn nhất trong tổng tiêu dùng điện của các hộ tiêu thụ điện, kể cả các hộ tập thể như cơ quan, doanh nghiệp, khách sạn, v.v… Ngoài ra, trong thời tiết càng nóng, cần sử dụng nhiều máy điều hòa, thì cũng chính là lúc nguồn ĐMT phát điện mạnh nhất.
3. Mái nhà bền và đẹp hơn do được dàn PMT rất đẹp che phủ, bảo vệ.
4. Xã hội hóa đầu tư nguồn điện rất hiệu quả. Hiện nay, tổng chi phí cho một nguồn ĐMTAM công suất 5 kWp chỉ có khoảng 75 triệu đồng. Nguồn đầu tư này không quá lớn và do đó phần lớn các hộ đều có thể đầu tư được, nhà nước không phải đầu tư.
5. Giảm chi phí đầu tư hệ truyền tải điện do các nguồn ĐMTAM phân tán, công suất nhỏ và được nối vào lưới phân phối.
Nhờ các ưu việt nói trên, và với điều kiện tự nhiên về tiềm năng NLMT dồi dào, ĐMTAM là công nghệ rất hiệu quả đối với Việt Nam. Nhận thức được điều này, trong thời gian gần đây, Chính phủ đã ban hành các cơ chế, chính sách rất thiết thực nhằm khuyến khích phát triển ĐMTAM. Các Quyết Định số 11/2017/QĐ-TTg (ngày 11/4/2017) và Quyết Định số 13/2020/QĐ-TTg (ngày 6/4/2020) đều có qui định giá mua điện của ĐMTAM là cao nhất trong các loại hình ĐMT (9,35 USCents/kWh theo QĐ số 11 và 8,38 USCents/kWh theo QĐ số 13). Hơn nữa, cả hai Quyết Định trên đều qui định thời hạn của Hợp Đồng mua bán điện là 20 năm. Nhờ các chính sách đúng đắn này mà ĐMTAM đã có bước phát triển nhảy vọt trong vài năm gần đây.
Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), nửa đầu năm nay, tổng công suất các nguồn ĐMTAM ở Việt Nam đã tăng khoảng 44%. Tính đến đầu tháng 7/2020, đã có 37.300 hệ thống ĐMTAM được lắp đặt, với tổng công suất khoảng 782 MWp. Riêng 21 tỉnh thành phía Nam đã có 17.148 hộ lắp đặt, với tổng công suất chiếm 50,73% tổng công suất ĐMTAM của cả nước, trong đó có 14.090 hộ là hộ gia đình sử dụng điện cho sinh hoạt. Sản lượng điện dư được các hộ bán lại cho ngành điện 6 tháng qua là 87 triệu kWh, tương đương 195 tỷ đồng 
Các vấn đề cần chú ý khi lắp đặt nguồn ĐMTAM
Vấn đề quan trọng nhất là tiềm năng năng lượng mặt trời (NLMT). Đối với nguồn ĐMT, thì khu vực có NLMT càng cao sẽ cho hiệu quả kinh tế càng tốt. Hiện nay, với giá mua điện theo Quyết Định số 13 (8,38 USCents/kWh, tương đương 943 đồng/kWh ở thời điểm hiện nay) thì các hầu hết các khu vực ở nước ta, trừ khu vực Đông Bắc Bộ, sẽ đạt hiệu quả kinh tế tốt, đặc biệt các khu vực từ Đà Nẵng trở vào sẽ rất hiệu quả.
Dàn PMT phải lắp đặt ở nơi có nắng càng nhiều càng tốt. Dàn pin không bị che bóng do các ngôi nhà hay cây cối xung quanh tạo ra.
Định hướng dàn pin cũng rất quan trọng. Định hướng chuẩn đối với dàn PMT được cho trên hình 2: mặt dàn pin hướng chính Nam; góc nghiêng β của dàn pin so với mặt phẳng ngang bằng Vĩ Độ Ф nơi lắp đặt; khe không khí giữa dàn pin và mái khoảng (50 – 60) cm. Ngoài ra, khung kim loại lắp dàn pin phải được nối đất.
Trong thực tế các nguồn ĐMTAM thường lắp đặt trên mái các tòa nhà đã xây dựng. Nếu mái tòa nhà là mái bằng thì không có vấn đề gì về định hướng dàn pin. Còn nếu tòa nhà có mái nghiêng thì có thể gặp khó khăn trong việc định hướng dàn PMT theo các tiêu chuẩn nói trên. Lắp đặt dàn PMT lệch chuẩn thì tất nhiên hiệu quả phát điện của nguồn ĐMT sẽ giảm.  Mức độ giảm hiệu quả phụ thuộc vào độ lệch chuẩn, lệch chuẩn càng lớn, hiệu quả càng thấp. Dù sao đi nữa thì các định hướng sau đây cần phải tránh: (i) Mặt dàn PMT hướng vào Hướng Bắc, chính Đông hay chính Tây; (ii) Góc nghiêng β của dàn PMT quá lớn, trên 50 độ.
Bụi bẩn bám vào mặt dàn pin cũng làm giảm đáng kể hiệu suất phát điện của nguồn ĐMTAM (giảm khoảng 3 đến 5%). Vì vậy định kỳ 1 tháng 1 lần lau rửa sạch mặt dàn pin bằng nước sạch, đặc biệt đối với các khu vực nhiều bụi (như gần nhà máy xi măng, công trường xây dựng, …) và vào các khoảng thời gian ít hoặc không có mưa.
Ước tính công suất, diện tích mái nhà cần có và chi phí đầu tư
Phần lớn các hộ gia đình thường băn khoăn nên lắp nguồn ĐMTAM công suất bao nhiêu thì phù hợp ? Để trả lời câu hỏi này thì cần phải biết mục đích lắp nguồn ĐMTAM của chủ hộ là để làm gì ? Nếu thuần túy chỉ để bán điện như một mặt hàng kinh doanh thì rõ ràng lắp công suất càng lớn càng tốt nếu diện tích mái nhà cho phép. Với giá điện hỗ trợ hiện nay của Chính phủ (1.943 đồng/kWh), thì các hộ gia đình chỉ nên lắp công suất vừa đủ để cân bằng lượng điện năng tiêu thụ của hộ trung bình hàng tháng. Vì vậy, dưới đây chúng ta tham khảo một cách ước tính công suất nguồn ĐMTAM đối với trường hợp sử dụng cho mục đích tiêu dùng.
Biểu thức tổng quát để ước tính công suất nguồn ĐMTAM (hay cũng chính là công suất dàn PMT lắp trên mái nhà) là:
Trong đó: P là công suất dàn PMT tính ra kWp; E là điện năng tiêu thụ trung bình ngày, tính theo kWh/ngày; I là cường độ NLMT trung bình ngày, tính theo kWh/m2.ngày. Đại lượng này cũng chính là số giờ nắng có cường độ cực đại (1000 W/m2) qui đổi (tính theo giờ/ngày) và Hs là hiệu suất chung của nguồn ĐMTAM, tính ra phần trăm.
Để xác định giá trị E có thể làm như sau. Căn cứ theo hóa đơn tiền điện hàng tháng, ta sẽ xác định được điện năng tiêu thụ trung bình hàng tháng và do đó xác định được lượng điện năng cần sử dụng trung bình hàng ngày của hộ tiêu thụ điện. Ví dụ, điện năng tiêu thụ trung bình hàng tháng của hộ là 360 kWh, thì điện năng tiêu thụ trung bình ngày, E = 390/30 = 13 kWh/ngày.
Cường độ cường độ NLMT trung bình ngày I phụ thuộc vào khu vực và có thể tim kiếm trên mạng internet. Ở nước ta, I nằm trong khoảng từ 3,3 kWh/m2.ngày (đối với Đông Bắc Bộ) đến khoảng 5,2 kWh/m2.ngày (đối với Nam Trung Bộ).
Hiệu suất chung của nguồn ĐMTAM có thể lấy gần đúng trong khoảng từ 63% đến 67%.
Ví dụ: một hộ sử dụng trung bình E = 12 kWh/ngày, ở khu vực có số giờ nắng cường độ cực đại  I = 4,5 giờ/ngày và hiệu suất nguồn ĐMTAM là Hs = 65% thì công suất dàn PMT sẽ là:
Như vậy hộ này có thể lắp nguồn ĐMTAM có công suất 4 hoặc 5 kWp. Diện tích mái nhà cần có cũng như tổng chi phí được cho trên bảng sau.
Tất nhiên, với cùng nhu cầu điện như nhau, nhưng nếu các hộ lắp đặt ở các khu vực khác nhau (và do đó có NLMT khác nhau), thì công suất lắp đặt nguồn điện và chi phí sẽ khác nhau. Qui luật chung là, khu vực có NLMT càng thấp (ví dụ khu vực Đông Bắc Bộ) thì công suất nguồn ĐMT càng phải lớn hơn và do đó chi phí đầu tư cũng cao hơn.
Kết luận
Nguồn ĐMTAM là loại hình công nghệ nguồn ĐMT có nhiều ưu việt nên hiện nay nó đang phát triển mạnh ở nhiều quốc gia trên thế giới. Với một đất nước có mật độ dân số cao, NLMT dồi dào, thì nguồn ĐMTAM là nguồn điện hiệu quả và phù hợp với Việt Nam. Phát triển nguồn ĐMTAM sẽ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển nguồn năng lượng sạch, vừa giải quyết khó khăn về diện tích lắp đặt nguồn ĐMT và vừa tạo điều kiện thuận lợi xã hội hóa phát triển nguồn điện cho đất nước.
PGS. TS. Đặng Đình Thống
Hội KHCN Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Việt Nam (VECEA)
lên đầu trang