Bức xạ mặt trời là gì? Bản chất & cách tính sản lượng tối ưu

Bức xạ mặt trời là tổng hợp các dòng vật chất và năng lượng điện từ do Mặt Trời phát ra truyền đi trong không gian.

Đội ngũ kỹ sư DAT Group xây dựng bài phân tích này nhằm làm rõ bản chất vật lý của bức xạ quang điện, cung cấp dữ liệu bản đồ bức xạ tại Việt Nam và hướng dẫn công thức chuẩn xác giúp hộ gia đình tự tính toán sản lượng điện thực tế hàng tháng.

Bức xạ mặt trời là gì?

Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng điện từ khổng lồ do Mặt Trời phát ra từ các phản ứng nhiệt hạch trong lõi của nó, lan truyền khắp không gian và chiếu sáng, sưởi ấm các hành tinh trong hệ Mặt Trời, bao gồm cả Trái Đất

Mỗi mét vuông bề mặt ngoài khí quyển nhận mức công suất bức xạ trung bình khoảng 1,367 W/m2, gọi là hằng số mặt trời. Khi đi xuyên qua tầng khí quyển chứa hơi nước, bụi mịn và mây che, chùm tia bị suy giảm do tán xạ và hấp thụ. Ở điều kiện tiêu chuẩn quốc tế STC, cường độ chiếu xạ chuẩn tại mặt đất là 1,000 W/m2 tại nhiệt độ tế bào 25 độ C.

Phân loại bức xạ trực xạ, tán xạ và phản xạ

• Bức xạ trực tiếp: là chùm tia sáng đi thẳng từ Mặt Trời tới bề mặt vật thể, mang mật độ năng lượng cao nhất và tạo ra bóng đổ rõ rệt. Đây là nguồn sinh điện chủ yếu của hệ thống vào những ngày nắng trong.

• Bức xạ khuếch tán: là phần ánh sáng bị đổi hướng bởi phân tử không khí, hơi nước và mây rồi tán xạ tới mặt đất. Thành phần này giúp giàn pin duy trì từ 15% đến 30% công suất danh định ngay cả trong những ngày nhiều mây hoặc trời râm mát.

• Bức xạ phản xạ bề mặt: là lượng quang năng dội ngược từ mặt đất, sàn bê tông hoặc mái tôn sáng màu vào tấm pin. Đối với dòng pin hai mặt kính như LONGi, lượng bức xạ phản xạ này giúp hệ thống thu nhận thêm 5% đến 15% sản lượng điện mỗi ngày.

Đặc điểm bức xạ mặt trời qua từng dải quang phổ

• Tia cực tím có bước sóng ngắn dưới 380nm, chiếm khoảng 7% năng lượng bức xạ. Kính cường lực chuyên dụng của tấm pin đã ngăn chặn dải tia này nhằm bảo vệ màng EVA không bị lão hóa hoặc ố vàng sau nhiều năm ngoài trời.

• Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 380nm đến 780nm, chiếm xấp xỉ 46% tổng lượng quang năng. Đây là dải quang phổ hữu ích nhất mà tế bào pin Silic đơn tinh thể hấp thụ tối đa để tạo ra dòng điện sinh hoạt cho gia đình.

• Tia hồng ngoại có bước sóng dài trên 780nm, chiếm khoảng 47% tổng năng lượng bức xạ. Phần lớn tia hồng ngoại chuyển hóa thành nhiệt năng làm nóng tấm pin, đòi hỏi giàn pin phải có khoảng không gian thông gió tốt để giải nhiệt.

Bảng thống kê bức xạ mặt trời tại các vùng miền Việt Nam

4 yếu tố làm suy giảm bức xạ thực tế trên mái nhà

• Mật độ mây che phủ làm gián đoạn tia bức xạ trực tiếp, khiến công suất phát tức thời có thể giảm từ 100% xuống còn 20% trong thời gian ngắn.

• Bụi bẩn bám trên mặt kính làm tán xạ ánh sáng, cản trở quang năng tiếp cận tế bào pin. Lớp bụi dày sau vài tháng không vệ sinh có thể gây thất thoát từ 5% đến 10% sản lượng điện.

• Độ ẩm không khí cao làm tăng khả năng hấp thụ nhiệt của tia hồng ngoại, làm giảm lượng ánh sáng hữu ích chiếu tới tấm pin.

• Bóng che cục bộ từ nhà lân cận, cây xanh hoặc bồn nước làm mất diện tích đón nắng, tạo nguy cơ điểm nóng phá hủy tấm pin nếu không được khảo sát cẩn thận.

Phương pháp quy đổi bức xạ sang sản lượng điện mặt trời

Khái niệm giờ nắng đỉnh Peak Sun Hours

Giờ nắng đỉnh là số giờ quy đổi tương đương mà tại đó bức xạ mặt trời đạt cường độ chuẩn 1,000 W/m2 liên tục trong ngày. Đây là thước đo chuẩn xác để tính toán sản lượng điện thay vì đếm tổng số giờ có ánh sáng mặt trời ngoài trời.

Ví dụ, một ngày có 10 tiếng có ánh nắng nhưng tổng bức xạ tích lũy cả ngày đo được là 5.0 kWh/m2. Khi chia cho cường độ chiếu xạ chuẩn 1 kW/m2, ngày hôm đó có chỉ số giờ nắng đỉnh đúng bằng 5.0 giờ nắng đỉnh.

Công thức tính toán sản lượng điện năng hàng tháng

Sản lượng điện năng hữu ích phát ra từ dàn pin mặt trời được xác định theo công thức:

E=Ppv​×PSH×PR×N

Trong đó:

• E là tổng sản lượng điện năng thu được (kWh).

• Ppv là tổng công suất danh định của giàn pin mặt trời (kWp).

• PSH là số giờ nắng đỉnh trung bình ngày tại địa phương (giờ/ngày).

• PR là tỷ số hiệu suất toàn hệ thống, phản ánh tổn hao qua dây dẫn, bụi bẩn, nhiệt độ và biến tần. Hệ thống do DAT Universal triển khai đạt PR từ 0.8.

• N là số ngày tính toán trong tháng (thường lấy 30 ngày).

Ví dụ, hộ gia đình tại Thành phố Hồ Chí Minh lắp đặt hệ thống 5 kWp pin LONGi, chỉ số PSH trung bình đạt 4.8 giờ/ngày, hệ số PR đạt 0.80. Sản lượng điện trung bình một tháng được tính như sau:

E = 5 × 4.8× 0.80 × 30= 576 kWh

=> Với 576 kWh điện tạo ra mỗi tháng, gia đình tiết kiệm được khoảng 1,600,000 đến 1,900,000 VNĐ tiền điện sinh hoạt hàng tháng.

2 tiêu chí kỹ thuật khi thiết kế hệ thống điện mặt trời đón bức xạ tối ưu

1. Góc nghiêng và hướng lắp đặt giàn pin theo tọa độ địa lý

Tại Việt Nam thuộc bán cầu Bắc, Mặt Trời luôn đi chếch về hướng Nam trong hầu hết các tháng trong năm. Do đó, hướng lắp đặt tối ưu tuyệt đối để đón bức xạ trọn vẹn là hướng chính Nam.

Nếu mặt bằng mái không cho phép, các hướng nghiêng lệch Nam như Đông Nam hoặc Tây Nam với góc lệch dưới 30 độ vẫn bảo toàn được hơn 95% tổng sản lượng điện.

Về góc nghiêng của tấm pin, góc nghiêng đón bức xạ quanh năm lý tưởng xấp xỉ bằng vĩ độ địa phương:

• Miền Bắc (vĩ độ 20 - 21 độ Bắc): góc nghiêng lý tưởng từ 15 độ đến 18 độ.

• Miền Trung (vĩ độ 12 - 16 độ Bắc): góc nghiêng lý tưởng từ 12 độ đến 15 độ.

• Miền Nam (vĩ độ 9 - 11 độ Bắc): góc nghiêng lý tưởng từ 10 độ đến 12 độ.

2. Khoảng cách giữa các dãy pin nhằm triệt tiêu bóng che

Đối với mái bằng hoặc sân thượng lắp giàn pin thành nhiều hàng song song, việc tính toán khoảng cách giữa các hàng là yêu cầu bắt buộc để hàng trước không đổ bóng lên hàng sau vào thời điểm Mặt Trời xuống thấp nhất trong năm.

Khoảng cách tối thiểu giữa hai dãy pin liên tiếp được xác định dựa trên chiều cao giàn pin và góc chiếu của tia nắng vào ngày Đông chí. Bố trí các dãy pin quá sát nhau sẽ gây hiện tượng che bóng từng phần, kích hoạt điốt chặn và làm giảm nghiêm trọng sản lượng điện của toàn chuỗi pin.

Khảo sát đo đạc bức xạ thực địa trước khi lắp đặt giàn pin

• Đo đạc tọa độ GPS chính xác của công trình để tra cứu dữ liệu bức xạ khí tượng từ cơ sở dữ liệu PVGIS trong 10 năm gần nhất.

• Dùng la bàn xác định góc phương vị mái nhà và độ dốc thực tế của mái tôn hoặc mái ngói.

• Khảo sát bóng che xung quanh bằng thiết bị bay Flycam nhằm dựng mô hình 3D quỹ đạo bóng đổ của cây cối và nhà cao tầng lân cận.

• Kiểm tra kết cấu giàn xà gồ chịu lực và khoảng không gian đối lưu thông gió dưới mái nhằm đảm bảo khả năng tản nhiệt cho tấm pin.

• Đánh giá nguồn nước và lối tiếp cận an toàn trên mái để phục vụ công tác vệ sinh tấm pin định kỳ.

Câu hỏi thường gặp về bức xạ mặt trời

Miền Bắc vào mùa đông bức xạ thấp có nên lắp điện mặt trời không?

Hộ gia đình tại miền Bắc hoàn toàn nên lắp đặt điện mặt trời. Dù mùa đông bức xạ giảm khoảng 40%, nhưng vào mùa hè từ tháng 5 đến tháng 9, lượng bức xạ tại miền Bắc đạt rất cao (4.8 - 5.5 kWh/m2/ngày), đáp ứng hoàn hảo nhu cầu dùng điều hòa cực lớn.

Bức xạ mặt trời vào những ngày nhiều mây có tạo ra điện không?

Những ngày nhiều mây giàn pin vẫn tạo ra điện bình thường nhờ hấp thụ thành phần bức xạ khuếch tán. Sản lượng điện lúc này đạt từ 15% đến 30% công suất danh định tùy theo độ dày của tầng mây.

Nhiệt độ ngoài trời 40 độ C có giúp tấm pin tạo ra nhiều điện hơn không?

Nhiệt độ môi trường 40 độ C không làm tăng sản lượng mà ngược lại làm giảm hiệu suất phát điện của tấm pin. Khi không khí đạt 40 độ C, bề mặt tấm pin bị hun nóng lên tới 65 độ C, gây suy giảm từ 12% đến 14% công suất phát tức thời do hệ số nhiệt độ Pmax.