Hệ thống điện năng lượng gió – mặt trời kết hợp: Cách thức vận hành và thời điểm đầu tư

Tại sao kết hợp gió và mặt trời

Ahệ thống năng lượng mặt trời – gió lai hoạt động vì hai nguồn tài nguyên này bổ sung cho nhau, chứ không cạnh tranh.

• Năng lượng mặt trời đạt cực đại vào giữa trưa, dự báo được khá chính xác theo mùa và không sản xuất điện vào ban đêm.

• Gió thường mạnh nhất vào buổi tối, ban đêm và mùa đông — đúng vào lúc năng lượng mặt trời yếu nhất.

Tại vị trí phù hợp, hai nguồn này giao thoa đủ để làm phẳng đường cong phát điện theo ngày và theo mùa, nhờ đó giảm dung lượng pin cần thiết để bù đắp các khoảng trống. Việc giảm nhu cầu lưu trữ này chính là yếu tố kinh tế chủ chốt.

Hiệu ứng bổ sung là có thật — nhưng mang tính đặc thù theo vị trí

Hiệu ứng bổ sung không đồng đều. Nó phụ thuộc vào các mô hình gió địa phương:

Kết luận trung thực: hệ thống lai gió-năng lượng mặt trời rất phù hợp với một số ít địa điểm và không phù hợp với phần lớn các địa điểm. Hãy thực hiện đánh giá tiềm năng gió trước khi cam kết đầu tư — tối thiểu là mười hai tháng dữ liệu, và lý tưởng nhất là hồ sơ mô phỏng dài hạn. Một sai lầm phổ biến là mua tua-bin dựa trên dữ liệu của một tháng bất thường có gió mạnh.

Cấu hình hệ thống

Ahệ thống phát điện lai năng lượng mặt trời và gió để bán thường bao gồm:

Thành phần then chốt là bộ điều khiển lai. Bộ này phải xử lý được hai nguồn có đặc tính đầu ra rất khác nhau — điện một chiều (DC) từ pin mặt trời (PV) tương đối ổn định, và điện xoay chiều (AC) đã chỉnh lưu từ tua-bin có tính biến đổi cao. Các bộ điều khiển giá rẻ thường xử lý tốt một nguồn nhưng xử lý kém nguồn kia, dẫn đến hệ thống lai hoạt động dưới hiệu suất thiết kế mà không ai nhận ra.

Logic điều khiển

Một hệ thống được thiết kế tốt sẽ ưu tiên theo thứ tự sau:

• Phục vụ tải trực tiếp từ nguồn nào đang phát điện.

• Sạc pin với phần dư thừa.

• Giảm công suất hoặc xả tải dư thừa sau khi pin đã sạc đầy.

Tuabin tạo ra một vấn đề: không thể đơn giản tắt tuabin trong điều kiện gió mạnh mà không có biện pháp bảo vệ cơ học. Do đó, tuabin cần phải có một trong các giải pháp sau: cơ chế xoay tránh gió (furling), phanh điện hoặc tải tiêu thụ dư (dump load) được thiết kế để xử lý công suất đỉnh của tuabin. Đây là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc, chứ không phải yếu tố tùy chọn — việc bỏ qua giải pháp này là nguyên nhân phổ biến nhất gây hỏng tuabin.

Xác định quy mô hệ thống lai gió-năng lượng mặt trời

Một phương pháp có thể lặp lại:

• Nhu cầu hàng ngày — như với mọi hệ thống ngoài lưới, tính theo kWh/ngày.

• Đóng góp từ năng lượng mặt trời — công suất dàn pin (kW) × số giờ nắng đỉnh × 0,75.

• Đóng góp từ năng lượng gió — công suất định mức của tuabin × hệ số công suất. Hãy thận trọng: các tuabin quy mô dân dụng thường đạt hệ số công suất từ 10–20%, chứ không phải mức trên 40% như các tuabin quy mô nhà máy.

• Cân bằng với nhu cầu , sau đó chọn kích thước pin cho phạm vi hoạt động.

• Thêm máy phát điện dự phòng — phần lớn các trang trại ngoài lưới lai ghép đều giữ một máy phát điện nhỏ để sử dụng trong tuần lặng gió và nhiều mây, điều mà bất kỳ trang trại nào cuối cùng cũng sẽ gặp phải.

Một phép kiểm tra hợp lý: nếu năng lượng do tua-bin gió cung cấp chiếm dưới khoảng 20% tổng năng lượng, chi phí và bảo trì tua-bin hiếm khi đủ cơ sở để đưa vào hệ thống. Cùng số tiền đó chi cho thêm tấm pin quang điện (PV) và hệ thống lưu trữ thường là lựa chọn đầu tư hiệu quả hơn.

Nơi phù hợp để áp dụng

• Các trang trại ở vùng xa xôi, không nối với lưới điện — các trạm viễn thông, trang trại, khu nghỉ dưỡng trên đảo, trạm giám sát từ xa, nơi chi phí vận chuyển nhiên liệu là yếu tố chi phối

• Nhà ở ven biển và vùng cao nguyên không kết nối với lưới điện

• Các trang trại có sự chênh lệch mạnh giữa mùa đông và mùa hè — nơi mà năng lượng mặt trời đơn thuần đòi hỏi pin rất lớn để đáp ứng nhu cầu vào mùa đông

• Lưới điện vi mô lai phục vụ các cộng đồng nhỏ

Nơi mà việc lắp đặt thường không hợp lý: mái nhà ở vùng ngoại ô, các địa điểm có kết nối lưới điện đáng tin cậy và những vị trí chưa được đo đạc tiềm năng gió.

Chi phí

Tuabin là bộ phận đắt đỏ nhất và cũng là yếu tố chính gây chi phí bảo trì. Vì vậy, quyết định nên dựa trên tiềm năng gió chứ không phải dựa trên sự hấp dẫn của công nghệ.

Thiết kế pin cho trạm lai

Pin trong hệ thống lai thực hiện nhiều việc hơn so với hệ thống chỉ dùng quang điện, do đó việc xác định dung lượng pin cần được thực hiện cẩn trọng.

Bắt đầu từ khoảng thời gian thiếu hụt dự kiến dài nhất. Tại trạm lai, pin phải bù đắp khoảng chênh lệch giữa sản lượng phát điện và nhu cầu tiêu thụ trong điều kiện xấu nhất khi cả gió và nắng đều thấp. Khoảng thời gian này thường kéo dài hai đến bốn ngày — chứ không chỉ một đêm — vì vậy pin dùng cho hệ thống lai ngoài lưới có dung lượng tương đối lớn hơn pin chỉ dùng cho hệ thống quang điện.

Sau đó, tính đến độ biến thiên của tuabin. Công suất đầu ra của tuabin dao động từng phút. Một cụm pin quá nhỏ sẽ phải trải qua nhiều chu kỳ sạc-xả nông thường xuyên; điều này ít gây hại hơn so với chu kỳ sạc-xả sâu nhưng vẫn làm giảm tuổi thọ. Một quy tắc thực tiễn là thiết kế dung lượng pin đủ cung cấp điện cho tải trung bình trong ít nhất bốn giờ.

Tiếp theo, lựa chọn máy phát điện. Hầu hết các trạm lai (hybrid) đều duy trì một máy phát điện dự phòng cỡ nhỏ. Nếu có máy phát điện, kích thước cụm pin có thể chỉ cần đáp ứng nhu cầu trong hai ngày thay vì bốn ngày, bởi máy phát điện sẽ bù đắp phần thiếu hụt còn lại. Ngược lại, nếu không có máy phát điện, cụm pin phải tự đảm bảo cung cấp điện đầy đủ ngay cả trong điều kiện xấu nhất.

Cuối cùng, xác minh khả năng tiếp nhận sạc của pin. Các cụm pin LiFePO4 tiếp nhận sạc nhanh, phù hợp hơn nhiều với đầu ra biến thiên của tuabin so với pin chì-axit, vốn giảm mạnh khả năng tiếp nhận sạc khi mức sạc vượt 80%. Đối với một trạm lai, riêng khác biệt này đã đủ để biện minh cho khoản chi phí cao hơn khi chọn pin LFP.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi: Hệ thống lai gió-năng lượng mặt trời có hiệu quả hơn hệ thống chỉ dùng năng lượng mặt trời kèm thêm pin không? Chỉ ở những nơi có nguồn gió thực sự mạnh và bổ sung cho năng lượng mặt trời. Ngược lại, việc lắp thêm pin mặt trời (PV) và hệ thống lưu trữ thường rẻ hơn nhiều và yêu cầu bảo trì thấp hơn rất nhiều.

Câu hỏi: Tôi cần bao nhiêu gió? Một địa điểm nên có tốc độ gió trung bình tối thiểu khoảng 5 m/giây ở độ cao trục tua-bin, kèm theo dữ liệu đo đạc thực tế làm cơ sở cho ước tính. Dưới mức đó, tua-bin hiếm khi hoàn vốn.

Câu hỏi: Tôi có thể bổ sung tua-bin gió vào hệ thống năng lượng mặt trời hiện có không? Thường là được, nếu bộ biến tần hoặc bộ điều khiển chấp nhận đầu vào thứ hai. Nhiều bộ biến tần lai (hybrid inverter) hỗ trợ điều này; nếu không, cần lắp thêm bộ điều khiển tua-bin riêng và tải tiêu tán (dump load).

Câu hỏi: Một tua-bin cỡ nhỏ cần bảo trì bao nhiêu lần? Ít nhất một lần kiểm tra mỗi năm, bao gồm kiểm tra bạc đạn và cánh quạt. Tua-bin đòi hỏi sự chú ý nhiều hơn bất kỳ thành phần nào khác trong hệ thống.

Câu hỏi: Tua-bin có hoạt động hiệu quả trong khu vực đô thị không? Hoạt động kém. Các tòa nhà gây ra dòng khí rối (turbulence), làm giảm sản lượng điện và tăng tốc độ hao mòn. Gió đô thị nói chung không phải là nguồn năng lượng khả thi.

Đang đánh giá một địa điểm lai (hybrid site)? Kinpower cung cấp các hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời — gồm các dãy pin quang điện (PV), bộ biến tần lai, giao diện kết nối tuabin gió và hệ thống lưu trữ lithium sắt phốt phát (LiFePO4) — được thiết kế như một hệ thống quản lý tập trung với khả năng giám sát thống nhất. Xem giải pháp tích hợp điện gió và điện mặt trời hoặc khám phá các giải pháp năng lượng .