Bộ điều khiển theo dõi năng lượng mặt trời một trục: Thiết kế, lựa chọn dành cho hộ gia đình và hệ thống lắp đặt trên mặt đất

Máy theo dõi trục đơn làm gì

Abộ định vị năng lượng mặt trời một trục quay mảng pin quanh một trục để bám theo vị trí mặt trời trong suốt cả ngày. Cấu hình phổ biến nhất là trục ngang hướng bắc–nam, làm nghiêng các tấm pin về phía đông vào buổi sáng, nằm phẳng vào giữa trưa và nghiêng về phía tây vào buổi chiều. Một máy theo dõi trục đơn ngang (HSAT) kiểu này thường tăng 15–25% sản lượng năng lượng hàng năm so với mảng pin cố định cùng độ nghiêng tại cùng vị trí, tùy thuộc vào vĩ độ và điều kiện khí hậu.

Lợi ích này hoàn toàn bắt nguồn từ yếu tố hình học. Một mảng pin cố định được tối ưu hóa cho một thời điểm duy nhất; còn mảng pin có hệ thống theo dõi được tối ưu hóa cho mọi thời điểm. Khi bạn thấy cụm từ tấm pin mặt trời theo dõi trục đơn được nêu so sánh với mảng pin cố định, phần trăm đó chính là giá trị được bán — và được xác minh bằng cách so sánh số kWh sản xuất trên mỗi kW công suất lắp đặt, chứ không phải bằng cách so sánh thông số kỹ thuật của từng module.

Cơ chế hoạt động của hệ thống theo dõi

Mọi thiết bị theo dõi trục đơn đều gồm bốn bộ phận phụ giống nhau:

Các bộ điều khiển hiện đại sử dụng thuật toán thiên văn học, nghĩa là chúng tính toán vị trí mặt trời dựa trên ngày, giờ và tọa độ GPS — không cần cảm biến quang học dễ bị trôi điểm chuẩn hoặc bám bẩn. Điều này rất quan trọng đối với độ tin cậy: hệ thống điều hướng tấm pin mặt trời một trục điều đó phụ thuộc vào cảm biến bẩn có thể làm hao hụt nhiều năng lượng hơn mức năng lượng thu được.

Chế độ tránh bóng (backtracking) là tính năng cần được ưu tiên. Vào buổi sáng sớm và chiều muộn, các hàng pin mặt trời sẽ đổ bóng lên hàng lân cận nếu không điều chỉnh. Chức năng quay ngược (backtracking) xoay nhẹ các hàng ra khỏi góc lý tưởng nhằm loại bỏ hiện tượng che bóng; trong bố trí dày đặc, chức năng này giúp phục hồi từ 2–5% sản lượng điện hàng năm vốn bị mất.

Hệ thống lắp đặt trên mặt đất: nơi bộ theo dõi phát huy hiệu quả

Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời lắp đặt trên mặt đất là ứng dụng cốt lõi. Hiệu quả kinh tế đạt được khi ba điều kiện sau được đáp ứng:

1. Đất rộng, bằng phẳng và không bị che bóng — bộ theo dõi cần khoảng cách giữa các hàng và không thể chia sẻ mái nhà.

1. Khí hậu có cường độ bức xạ trực tiếp cao — bộ theo dõi thu nhận bức xạ chùm trực tiếp; ở vùng khí hậu khuếch tán mạnh, mức tăng chỉ còn khoảng 8–12%.

1. Quy mô đủ lớn để phân bổ chi phí động cơ — chi phí động cơ và bộ điều khiển trên mỗi kW giảm mạnh khi công suất vượt khoảng 100 kW.

Đối với các trang web phục vụ mục đích công cộng và các cơ sở thương mại quy mô lớn, hệ thống theo dõi một trục đã trở thành tiêu chuẩn mặc định tại các khu vực có chỉ số bức xạ trực tiếp cao (DNI), chẳng hạn như Trung Đông, một phần Tây Nam Hoa Kỳ, Úc và Mỹ Latinh.

Mô-đun đơn diện so với mô-đun hai diện

Các hệ thống theo dõi kết hợp đặc biệt hiệu quả với các mô-đun hai diện, bởi vì cấu trúc nâng cao của thiết bị cùng độ phản xạ ánh sáng từ mặt đất (albedo) cho phép mặt sau tạo thêm từ 5–15% sản lượng điện. Sự kết hợp giữa hệ thống theo dõi một trục và các mô-đun hai diện hiện nay đã trở thành thông số kỹ thuật tiêu chuẩn trong lĩnh vực điện năng quy mô lớn.

Ứng dụng cho hộ gia đình: Thực tế hay không?

Ahệ thống theo dõi năng lượng mặt trời một trục cho hộ gia đình là một giải pháp hẹp hơn nhiều so với phiên bản dành cho mục đích công cộng, và cần thẳng thắn nhìn nhận lý do vì sao.

Điều Nào Hiệu Quả:

• Các dàn pin mặt trời lắp đặt trên mặt đất dành cho hộ gia đình khi có đủ diện tích đất — một dàn pin mặt trời lắp trên mặt đất có hệ thống theo dõi sẽ là lựa chọn hợp lý nếu diện tích mái nhà bị hạn chế nhưng sân vườn lại rộng rãi

• Điều chỉnh góc nghiêng thủ công hoặc theo mùa — một giải pháp chi phí thấp mang lại phần lớn lợi ích

• Bộ theo dõi đơn cực quy mô nhỏ được điều khiển bởi một bộ truyền động duy nhất, trong dải công suất 1–5 kW

• Bộ hỗ trợ nghiêng để nâng cấp trên các giá đỡ mặt đất hiện có

Điều thường không hiệu quả:

• Bộ theo dõi lắp trên mái — phức tạp về mặt cơ khí, xâm lấn về mặt kết cấu và khó biện minh về mặt kinh tế trên mái dốc

• Hệ thống rất nhỏ — chi phí bộ truyền động và bộ điều khiển tính trên mỗi kW vẫn ở mức cao khi công suất dưới khoảng 3 kW

Abộ theo dõi năng lượng mặt trời cho hộ gia đình do đó thường có nghĩa là một hệ thống lắp đặt mặt đất có thể điều chỉnh góc nghiêng theo mùa hoặc một máy đơn cột nhỏ, chứ không phải một dãy đầy đủ các bộ theo dõi quy mô nhà máy. Đối với hầu hết các ngôi nhà có mái dốc, việc lắp thêm các mô-đun là cách rẻ hơn để đạt được cùng số kilowatt-giờ.

Những yếu tố cần nêu rõ khi mua

Dù bạn đang mua một tấm pin mặt trời theo dõi 1 trục cho cột đơn hay cho trang trại HSAT quy mô megawatt, những câu hỏi sau đều áp dụng như nhau:

• Đánh giá Chịu tải Gió — tốc độ gió thiết kế mà cấu trúc được chứng nhận chịu được, kèm theo chiến lược thu gọn (stow). Các bộ theo dõi phải tự động di chuyển vào vị trí an toàn khi tốc độ gió vượt ngưỡng nhất định.

• Nền móng và đất — cọc đóng, tải trọng cân bằng hoặc bê tông; đây thường là khoản chi phí lớn nhất trong toàn bộ dự án.

• Độ dung sai địa hình — độ dốc theo hướng bắc–nam và đông–tây mà thiết bị có thể thích ứng mà không cần san lấp mặt bằng.

• Dự phòng bộ điều khiển động cơ — Liệu có thể bỏ qua sự cố của một bộ điều khiển động cơ mà không cần tắt toàn bộ hàng không?

• Tính mở của bộ điều khiển — Giao thức Modbus TCP hoặc API được tài liệu hóa đầy đủ để hệ thống SCADA tại hiện trường có thể tích hợp.

• Phân chia bảo hành — Tuổi thọ kết cấu (thường từ 20–25 năm) so với tuổi thọ bộ điều khiển động cơ và bộ điều khiển (thường từ 10–15 năm).

• Khả năng tiếp cận để vận hành và bảo trì — Các ổ bi và bộ điều khiển động cơ cần kiểm tra định kỳ; thiết kế phải đảm bảo khả năng tiếp cận dễ dàng.

Trục đơn so với nghiêng cố định so với trục kép

Quyết định này mang tính so sánh chứ không tuyệt đối, do đó việc trình bày ba phương án song song sẽ rất hữu ích.

Cột ở giữa là nơi thị trường đã ổn định. Hệ thống điều khiển tấm pin mặt trời theo một trục đạt được phần lớn lợi ích tiềm năng — khoảng 80% lợi ích mà hệ thống điều khiển hai trục mang lại — với chi phí, trọng lượng và gánh nặng bảo trì chỉ bằng một phần nhỏ. Các thiết bị điều khiển hai trục chỉ hợp lý khi đất gần như miễn phí và giá trị năng lượng đặc biệt cao, ví dụ như tại các nhà máy nhiệt điện mặt trời tập trung.

Ngoài ra, còn có một giải pháp trung gian đơn giản hơn, đáng để biết đến: điều chỉnh góc nghiêng theo mùa . Việc thay đổi góc nghiêng của hệ thống cố định ba hoặc bốn lần mỗi năm có thể đạt được khoảng 5–8% lợi ích từ việc điều khiển, trong khi chi phí và độ phức tạp gần như bằng không. Đối với hệ thống lắp đặt nhỏ cho hộ gia đình, đây thường là sự đánh đổi hợp lý.

Khi so sánh các báo giá, hãy đảm bảo cơ sở so sánh là trung thực. Mức tăng 20% nhờ hệ thống điều khiển được tính trên nền tảng của đúng mảng cố định nghiêng — không so sánh với mảng cố định đặt ở góc nghiêng kém. Luôn hỏi rõ góc nghiêng và phương vị mà phép so sánh giả định.

Chi phí và thời gian hoàn vốn

Với mức tăng hiệu suất 20% và chi phí bổ sung khoảng 50 USD/kW, khoản đầu tư gia tăng cho hệ thống theo dõi mặt trời được hoàn vốn trong vài năm tại các thị trường có cường độ bức xạ cao — đây là lý do các nhà phát triển điện mặt trời quy mô lớn coi việc sử dụng hệ thống theo dõi là tiêu chuẩn mặc định thay vì một lựa chọn.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi: Hệ thống theo dõi trục đơn sản xuất nhiều năng lượng hơn bao nhiêu? Thông thường nhiều hơn từ 15–25% so với dàn pin cố định nghiêng tại những khu vực có cường độ bức xạ trực tiếp cao, và nhiều hơn từ 8–15% tại những vùng nhiều mây.

Câu hỏi: Việc lắp đặt hệ thống theo dõi có đáng giá đối với hộ gia đình không? Hiếm khi lắp trên mái nhà. Đối với dàn pin mặt trời lắp mặt đất dành cho hộ gia đình có đủ diện tích trống, một hệ thống theo dõi cỡ nhỏ hoặc cơ chế điều chỉnh góc nghiêng theo mùa có thể mang lại hiệu quả.

Câu hỏi: Hệ thống theo dõi có hoạt động được trong môi trường có tuyết hoặc bụi không? Có, nếu áp dụng chiến lược gập (stow) phù hợp — góc gập dốc giúp tuyết trượt khỏi bề mặt và giảm tích tụ bụi. Ngoài ra, hệ thống theo dõi cũng có thể được lệnh tự động gập trong các đợt bão bụi.

Câu hỏi: Backtracking là gì và tại sao nó quan trọng? Backtracking là việc xoay các hàng pin ra khỏi góc lý tưởng hướng về Mặt Trời nhằm tránh che bóng cho hàng lân cận. Trong bố trí dày đặc, kỹ thuật này giúp phục hồi vài phần trăm sản lượng điện hàng năm.

Câu hỏi: Một trục hay hai trục? Hệ thống theo dõi một trục thu được phần lớn lợi ích khả dụng với chi phí và độ phức tạp chỉ bằng một phần nhỏ. Hệ thống theo dõi hai trục chỉ tăng thêm 5–10% sản lượng ở hầu hết các vị trí và thường dành riêng cho các ứng dụng năng lượng mặt trời tập trung và nghiên cứu.

Bạn đang xác định hệ thống theo dõi (tracker) hay hệ thống pin mặt trời lắp trên mặt đất có theo dõi? Kinpower cung cấp các hệ thống theo dõi pin mặt trời một trục và thiết bị theo dõi mặt trời thông minh, kết hợp với bộ lưu trữ LiFePO4 cho các nhà máy lai (hybrid) và đi kèm tài liệu chứng nhận tải gió. Xem các giải pháp năng lượng hoặc khám phá các hệ thống thương mại và công nghiệp .