Mặt trời thay đổi vị trí liên tục trong ngày, trong khi tấm pin cố định chỉ có thể tối ưu bức xạ ở một góc nhất định. Đây là lý do dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay ngày càng được quan tâm trong các dự án điện mặt trời cần nâng cao khả năng khai thác bức xạ. Nhờ cơ cấu theo dõi hướng nắng, hệ thống có thể tự động điều chỉnh góc của tấm pin theo chuyển động biểu kiến của Mặt trời, từ đó tối ưu điều kiện phát điện trong ngày.
Dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay là gì?
Dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay là hệ thống điện mặt trời được tích hợp cơ cấu theo dõi hướng chiếu của Mặt trời, cho phép các tấm pin tự động thay đổi góc theo thời gian trong ngày. Thay vì cố định một góc nghiêng, hệ thống sử dụng động cơ, bộ điều khiển và cảm biến hoặc thuật toán tính vị trí Mặt trời để điều chỉnh hướng của dàn pin.
Mục tiêu của dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay là duy trì góc tiếp nhận bức xạ thuận lợi hơn, từ đó tăng lượng năng lượng mặt trời mà tấm pin có thể khai thác. Các nghiên cứu về solar tracker cho thấy hệ theo dõi có thể cải thiện sản lượng so với kết cấu cố định, nhưng mức tăng thực tế thay đổi theo địa điểm và điều kiện vận hành.
Nguyên lý hoạt động của dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay
Về cơ bản, dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay hoạt động theo một chu trình gồm nhận biết hướng nắng, tính toán vị trí cần xoay và điều khiển cơ cấu truyền động.
1. Xác định vị trí của Mặt trời
Hệ thống có thể sử dụng cảm biến ánh sáng như LDR để xác định hướng có cường độ bức xạ cao hơn. Một phương án khác là sử dụng thuật toán tính toán vị trí Mặt trời dựa trên thời gian, ngày tháng và tọa độ địa lý.
2. Bộ điều khiển xử lý dữ liệu
Tín hiệu từ cảm biến hoặc dữ liệu vị trí Mặt trời được đưa về bộ điều khiển. Bộ điều khiển xác định góc cần thiết và phát lệnh tới động cơ.
3. Động cơ thay đổi hướng dàn pin
Động cơ hoặc cơ cấu truyền động sẽ xoay khung pin đến vị trí phù hợp. Với hệ trục kép, dàn pin có thể thay đổi cả góc phương vị và góc cao độ, giúp bám theo chuyển động biểu kiến của Mặt trời theo hai phương.
4. Hệ thống liên tục hiệu chỉnh
Trong suốt thời gian phát điện, bộ điều khiển tiếp tục cập nhật vị trí và điều chỉnh góc. Khi ánh sáng thay đổi do thời tiết hoặc vị trí Mặt trời thay đổi, hệ thống có thể tự động hiệu chỉnh để duy trì trạng thái vận hành phù hợp.
Các loại dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay phổ biến
Không phải mọi dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay đều có cùng cơ chế chuyển động. Hai loại phổ biến nhất là tracker một trục và tracker hai trục.
Dàn pin tự xoay một trục
Hệ thống chỉ xoay quanh một trục, thường được thiết kế để theo dõi chuyển động của Mặt trời từ Đông sang Tây trong ngày.
Ưu điểm của hệ một trục là cấu tạo tương đối đơn giản, ít cơ cấu chuyển động hơn và có thể giảm yêu cầu về bảo trì so với hệ hai trục. Một nghiên cứu về thiết kế tracker một trục cho thấy trong mô hình nghiên cứu, bức xạ thu được đạt khoảng 96,4% so với tracker hai trục.
Dàn pin tự xoay hai trục
Hệ hai trục cho phép dàn pin chuyển động theo cả phương ngang và phương đứng. Nhờ đó, hệ thống có thể điều chỉnh đồng thời hướng và độ nghiêng của tấm pin.
Đây là cấu hình có khả năng bám hướng Mặt trời linh hoạt hơn. Một nghiên cứu thực nghiệm tại Đại học Cần Thơ ghi nhận hệ theo dõi hai trục đạt công suất trung bình cao hơn khoảng 22% so với hệ pin cố định trong điều kiện thử nghiệm của nghiên cứu.
Cấu tạo của dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay
Một dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay hoàn chỉnh thường gồm các thành phần chính:
- Tấm pin mặt trời: Chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng một chiều.
- Khung đỡ: Giữ các module PV và liên kết với cơ cấu chuyển động.
- Động cơ truyền động: Tạo lực xoay hoặc thay đổi góc nghiêng của dàn pin.
- Bộ điều khiển: Tiếp nhận dữ liệu và điều khiển động cơ.
- Cảm biến ánh sáng hoặc hệ thống định vị Mặt trời: Xác định hướng cần theo dõi.
- Công tắc giới hạn: Giới hạn phạm vi chuyển động, giúp bảo vệ cơ cấu.
- Biến tần: Chuyển đổi điện DC từ pin thành điện AC phù hợp với tải hoặc lưới điện.
- Hệ thống bảo vệ: Bao gồm các thiết bị bảo vệ điện, chống quá dòng, quá áp và các giải pháp an toàn khác tùy thiết kế.
Với các hệ thống quy mô lớn, thiết kế cơ khí còn cần tính đến tải trọng, rung động, ăn mòn và khả năng chịu gió để đảm bảo vận hành ổn định.
Lợi ích của dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay
Tăng khả năng tiếp nhận bức xạ mặt trời
Đây là lý do quan trọng nhất để sử dụng dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay. Khi hướng của tấm pin được điều chỉnh theo vị trí Mặt trời, góc chiếu của ánh sáng lên bề mặt module có thể được cải thiện trong nhiều thời điểm trong ngày.
Tuy nhiên, không nên hiểu rằng tracker luôn tạo ra cùng một mức tăng sản lượng. Hiệu quả phụ thuộc vào vị trí địa lý, thiết kế hệ thống, bức xạ, địa hình, thời tiết và thuật toán điều khiển.
Khai thác tốt hơn thời gian nắng
Với hệ cố định, tấm pin chỉ được tối ưu tương đối tại một số thời điểm nhất định. Trong khi đó, dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay có thể thay đổi góc theo thời gian, giúp duy trì điều kiện thu bức xạ thuận lợi hơn trong một khoảng thời gian dài.
Tối ưu diện tích trong một số mô hình
Khi mục tiêu là tăng sản lượng trên cùng khu vực triển khai, việc tối ưu hướng và góc của module có thể trở thành một phương án đáng cân nhắc. Tuy nhiên, cần tính toán khoảng cách giữa các dãy pin để hạn chế che bóng và đảm bảo không gian cho chuyển động, bảo trì.
Tự động hóa quá trình vận hành
Người dùng không cần điều chỉnh thủ công hướng của tấm pin. Bộ điều khiển và cơ cấu truyền động thực hiện quá trình theo dõi tự động, giúp giảm thao tác vận hành trực tiếp.
Hạn chế cần cân nhắc trước khi đầu tư
Mặc dù có nhiều ưu điểm, dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay không phải lúc nào cũng là lựa chọn tối ưu.
Chi phí đầu tư cao hơn hệ cố định
Ngoài tấm pin và thiết bị điện, hệ thống phải bổ sung khung chuyển động, động cơ, bộ điều khiển, cảm biến và các thiết bị liên quan. Vì vậy, tổng chi phí đầu tư thường cao hơn kết cấu cố định.
Có thêm bộ phận cần bảo trì
Một hệ thống cố định có ít bộ phận chuyển động. Ngược lại, dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay có động cơ và cơ cấu cơ khí nên cần kiểm tra định kỳ.
Các hạng mục cần quan tâm gồm cơ cấu truyền động, liên kết cơ khí, dây cáp, cảm biến, bộ điều khiển và khả năng hoạt động sau thời gian dài ngoài trời.
Tiêu thụ một phần điện năng cho cơ cấu tracking
Động cơ và bộ điều khiển cần sử dụng điện để vận hành. Vì vậy, khi đánh giá hiệu quả, cần tính sản lượng điện thu được sau khi trừ mức tiêu thụ của hệ thống theo dõi, thay vì chỉ nhìn vào sản lượng điện thô.
Yêu cầu thiết kế cơ khí cao hơn
Khung pin phải vừa đủ chắc chắn để chịu tải, vừa đảm bảo khả năng chuyển động. Đối với khu vực có gió lớn, bài toán tải trọng và an toàn kết cấu càng cần được tính toán kỹ.
Dàn pin tự xoay có phù hợp với mọi công trình không?
Không. Việc lựa chọn dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay cần dựa trên bài toán kinh tế và kỹ thuật cụ thể.
Hệ cố định có thể phù hợp hơn với những dự án ưu tiên thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư thấp và dễ bảo trì. Trong khi đó, tracker đáng cân nhắc khi chủ đầu tư đặt mục tiêu tăng sản lượng, có điều kiện mặt bằng phù hợp và mức tăng sản lượng kỳ vọng đủ để bù phần chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì bổ sung.
Đặc biệt với dự án quy mô lớn, không nên lựa chọn tracker chỉ dựa trên con số tăng sản lượng được quảng cáo. Cần mô phỏng sản lượng theo vị trí thực tế, đánh giá bức xạ, bóng che, tải gió, chi phí vận hành và thời gian hoàn vốn.
So sánh dàn pin cố định và dàn pin tự xoay
| Tiêu chí | Hệ pin cố định | Dàn pin tự xoay |
|---|---|---|
| Cấu tạo | Đơn giản | Phức tạp hơn |
| Khả năng thay đổi góc | Không | Có |
| Chi phí đầu tư | Thấp hơn | Cao hơn |
| Bộ phận chuyển động | Không | Có |
| Bảo trì cơ khí | Ít | Nhiều hơn |
| Khả năng bám hướng Mặt trời | Hạn chế | Tốt hơn |
| Tiềm năng tăng sản lượng | Cơ bản | Cao hơn tùy điều kiện |
| Yêu cầu thiết kế | Đơn giản hơn | Cần tính toán cơ khí và điều khiển |
Có nên sử dụng dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay?
Dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay phù hợp hơn với những dự án có yêu cầu cao về khả năng khai thác bức xạ và sẵn sàng đầu tư thêm cho hệ thống cơ khí, điều khiển.
Để xác định có nên sử dụng hay không, nên đánh giá ít nhất 5 yếu tố:
- Bức xạ mặt trời tại vị trí dự án.
- Diện tích và đặc điểm mặt bằng.
- Sản lượng điện kỳ vọng.
- Chi phí đầu tư và bảo trì tracker.
- Thời gian hoàn vốn của toàn hệ thống.
Với dự án điện mặt trời quy mô lớn, việc tính toán cần được thực hiện trên tổng thể hệ thống PV, inverter, kết cấu, tracker và nếu có nhu cầu thì cả hệ thống lưu trữ điện.
Giải pháp điện mặt trời và lưu trữ từ MasterSolar
Việc tối ưu sản lượng từ tấm pin chỉ là một phần trong bài toán năng lượng. Với những dự án cần sử dụng điện vào nhiều khung giờ khác nhau, hệ thống lưu trữ có thể giúp tận dụng nguồn điện mặt trời và điều phối năng lượng hiệu quả hơn.
MasterSolar by NZS cung cấp các giải pháp điện mặt trời và lưu trữ năng lượng cho nhà ở, biệt thự, nhà máy, trung tâm thương mại, văn phòng, khách sạn và các dự án quy mô lớn.
Khi triển khai, chủ đầu tư nên đánh giá đồng thời công suất hệ PV, nhu cầu phụ tải, inverter, khả năng lưu trữ và phương án vận hành để lựa chọn cấu hình phù hợp thay vì chỉ tập trung vào số lượng tấm pin.
Dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay là giải pháp giúp tấm pin chủ động thay đổi hướng theo chuyển động của Mặt trời, qua đó tăng khả năng khai thác bức xạ trong nhiều điều kiện vận hành. Tuy nhiên, tracker cũng kéo theo chi phí, độ phức tạp và yêu cầu bảo trì cao hơn hệ cố định. Vì vậy, lựa chọn phù hợp cần dựa trên mô phỏng sản lượng và bài toán hoàn vốn thực tế. Nếu cần tư vấn giải pháp điện mặt trời và lưu trữ phù hợp, hãy liên hệ MasterSolar để được đánh giá theo nhu cầu dự án.