Bài học

Vận dụng năng lượng mặt trời trong đời sống và sản xuất

Mục tiêu bài học

Sau bài học này, em so sánh được sản lượng điện mặt trời giữa các điều kiện tự nhiên khác nhau, đọc và ước lượng được điện năng từ đồ thị công suất phát theo giờ trong ngày, và giải thích được vì sao Việt Nam ưu tiên đầu tư điện mặt trời ở một số vùng cụ thể.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã nêu: pin quang điện biến quang năng thành điện năng trực tiếp, và sản lượng điện tính bằng $A = P.t$ . Bài này dùng lại chính công thức đó, nhưng áp dụng cho bối cảnh thực tế hơn: công suất phát không đứng yên cả ngày mà thay đổi theo thời điểm, và thay đổi theo từng vùng địa lý.

Bài trước đã nêu: pin quang điện biến quang năng thành điện năng trực tiếp, và sản lượng điện tính bằng $A = P.t$. Bài này dùng lại chính công thức đó, nhưng áp dụng cho bối cảnh thực tế hơn: công suất phát không đứng yên cả ngày mà thay đổi theo thời điểm, và thay đổi theo từng vùng địa lý.

Khởi động

Hai tỉnh Ninh Thuận và Lào Cai đều lắp một hệ pin quang điện cùng công suất định mức. Cuối năm, sản lượng điện cả năm của hai hệ lại chênh lệch rất lớn. Vì sao cùng một loại pin, cùng công suất, mà sản lượng lại khác nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Sản lượng điện thực tế của một hệ pin quang điện không chỉ phụ thuộc công suất định mức (kWp) mà còn phụ thuộc số giờ nắng hiệu dụng trung bình năm của từng vùng — tức số giờ ánh nắng đủ mạnh để tấm pin phát gần công suất định mức. Ninh Thuận, Bình Thuận thuộc vùng khí hậu khô hạn, ít mưa, mây che thưa nên số giờ nắng hiệu dụng cao hơn hẳn các tỉnh miền núi phía Bắc như Lào Cai, nơi mưa nhiều, sương mù và mây che phổ biến vào mùa đông.

Ngoài vị trí địa lý, góc nghiêng lắp đặt tấm pin cũng ảnh hưởng: tấm pin cần được nghiêng một góc phù hợp với vĩ độ địa phương để đón được nhiều ánh sáng nhất trong cả năm. Vì những lý do đó, Việt Nam tập trung xây dựng các cánh đồng điện mặt trời lớn ở Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây Ninh, Đắk Lắk — nơi vừa có số giờ nắng cao vừa có quỹ đất trống phù hợp — trong khi điện mặt trời áp mái hộ gia đình thì phổ biến trên cả nước với quy mô nhỏ hơn.

Một hướng lắp đặt khác đang phát triển ở Việt Nam là điện mặt trời nổi — đặt tấm pin trên phao nổi ngay trên mặt hồ thuỷ điện, như ở hồ Đa Mi (Bình Thuận). Cách làm này tiết kiệm quỹ đất, đồng thời nước hồ giúp làm mát tấm pin, phần nào bù lại nhược điểm nhiệt độ cao làm giảm hiệu suất đã nêu ở bài trước — và nhà máy có thể dùng chung đường dây truyền tải sẵn có của thuỷ điện.

Sản lượng điện thực tế của một hệ pin quang điện không chỉ phụ thuộc **công suất định mức (kWp)** mà còn phụ thuộc **số giờ nắng hiệu dụng trung bình năm** của từng vùng — tức số giờ ánh nắng đủ mạnh để tấm pin phát gần công suất định mức. Ninh Thuận, Bình Thuận thuộc vùng khí hậu khô hạn, ít mưa, mây che thưa nên số giờ nắng hiệu dụng cao hơn hẳn các tỉnh miền núi phía Bắc như Lào Cai, nơi mưa nhiều, sương mù và mây che phổ biến vào mùa đông. Ngoài vị trí địa lý, góc nghiêng lắp đặt tấm pin cũng ảnh hưởng: tấm pin cần được nghiêng một góc phù hợp với vĩ độ địa phương để đón được nhiều ánh sáng nhất trong cả năm. Vì những lý do đó, Việt Nam tập trung xây dựng các cánh đồng điện mặt trời lớn ở Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây Ninh, Đắk Lắk — nơi vừa có số giờ nắng cao vừa có quỹ đất trống phù hợp — trong khi điện mặt trời áp mái hộ gia đình thì phổ biến trên cả nước với quy mô nhỏ hơn. Một hướng lắp đặt khác đang phát triển ở Việt Nam là **điện mặt trời nổi** — đặt tấm pin trên phao nổi ngay trên mặt hồ thuỷ điện, như ở hồ Đa Mi (Bình Thuận). Cách làm này tiết kiệm quỹ đất, đồng thời nước hồ giúp làm mát tấm pin, phần nào bù lại nhược điểm nhiệt độ cao làm giảm hiệu suất đã nêu ở bài trước — và nhà máy có thể dùng chung đường dây truyền tải sẵn có của thuỷ điện.

Số liệu minh hoạ cho thấy mức chênh lệch sản lượng giữa vùng nhiều nắng (Ninh Thuận) và vùng nhiều mây, mưa (Lào Cai).

Ví dụ

Đọc đồ thị để ước lượng điện năng trong ngày

1
Dựa vào đồ thị công suất phát điện của một tấm pin quang điện trong một ngày nắng (hình trên), hãy ước lượng điện năng tấm pin tạo ra trong cả ngày hôm đó. Coi công suất trung bình trong mỗi khoảng 3 giờ bằng trung bình cộng của hai giá trị đầu-cuối khoảng đó.
2
Từ đồ thị: 6h-9h có $(0+150)/2 = 75\,\text{W}$ ; 9h-12h có $(150+300)/2 = 225\,\text{W}$ ; 12h-15h có $(300+150)/2 = 225\,\text{W}$ ; 15h-18h có $(150+0)/2 = 75\,\text{W}$ .
Từ đồ thị: 6h-9h có $(0+150)/2 = 75\,\text{W}$; 9h-12h có $(150+300)/2 = 225\,\text{W}$; 12h-15h có $(300+150)/2 = 225\,\text{W}$; 15h-18h có $(150+0)/2 = 75\,\text{W}$.
3
Áp dụng $A = P.t$ cho từng khoảng 3 giờ: $75 \times 3 = 225\,\text{Wh}$ ; $225 \times 3 = 675\,\text{Wh}$ ; $225 \times 3 = 675\,\text{Wh}$ ; $75 \times 3 = 225\,\text{Wh}$ .
Áp dụng $A = P.t$ cho từng khoảng 3 giờ: $75 \times 3 = 225\,\text{Wh}$; $225 \times 3 = 675\,\text{Wh}$; $225 \times 3 = 675\,\text{Wh}$; $75 \times 3 = 225\,\text{Wh}$.
4
Tổng điện năng: $225 + 675 + 675 + 225 = 1800\,\text{Wh} = 1{,}8\,\text{kWh}$ .
Tổng điện năng: $225 + 675 + 675 + 225 = 1800\,\text{Wh} = 1{,}8\,\text{kWh}$.
5
Vậy tấm pin tạo ra khoảng 1,8 kWh trong ngày nắng đó — đây là cách đọc và ước lượng điện năng trực tiếp từ một đồ thị công suất theo thời gian, khác với bài trước chỉ cho sẵn một giá trị công suất cố định.

Ví dụ

So sánh sản lượng điện mặt trời giữa hai tỉnh

1
Hai hệ pin quang điện cùng công suất định mức 5kWp được lắp tại Ninh Thuận và Lào Cai. Biết sản lượng trung bình mỗi kWp của Ninh Thuận là 1650 kWh/năm, của Lào Cai là 950 kWh/năm (theo biểu đồ trên). a) Tính sản lượng điện cả năm của mỗi hệ. b) Hệ tại Ninh Thuận tạo ra nhiều hơn hệ tại Lào Cai bao nhiêu kWh mỗi năm?
2
Hệ Ninh Thuận: $5 \times 1650 = 8250\,\text{kWh/năm}$ . (1) Hệ Lào Cai: $5 \times 950 = 4750\,\text{kWh/năm}$ . (2)
Hệ Ninh Thuận: $5 \times 1650 = 8250\,\text{kWh/năm}$. (1) Hệ Lào Cai: $5 \times 950 = 4750\,\text{kWh/năm}$. (2)
3
Từ (1) và (2), suy ra chênh lệch: $8250 - 4750 = 3500\,\text{kWh/năm}$ .
Từ (1) và (2), suy ra chênh lệch: $8250 - 4750 = 3500\,\text{kWh/năm}$.
4
Vậy cùng một hệ 5kWp, lắp ở Ninh Thuận tạo ra nhiều hơn ở Lào Cai khoảng 3500 kWh mỗi năm — gần bằng lượng điện một hộ gia đình tiêu thụ trong cả năm, cho thấy điều kiện tự nhiên ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả đầu tư điện mặt trời.

Sai lầm thường gặp

Nhiều bạn nghĩ cánh đồng điện mặt trời phát công suất định mức suốt cả ngày lẫn đêm — thực tế công suất bằng 0 vào ban đêm và thay đổi liên tục theo đồ thị hình chuông như trên. Cũng đừng nhầm công suất định mức (kWp, ghi trên tấm pin) với sản lượng điện thực tế tạo ra (kWh, phụ thuộc cả thời tiết lẫn vị trí).

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Sản lượng điện mặt trời thực tế phụ thuộc cả công suất định mức lẫn điều kiện tự nhiên: số giờ nắng hiệu dụng, mức độ mây che, vị trí địa lý. Đồ thị công suất theo giờ có dạng hình chuông, bằng 0 lúc đêm và đạt đỉnh giữa trưa; có thể ước lượng điện năng bằng cách chia nhỏ thời gian và lấy trung bình công suất từng khoảng.

Cầu nối

Năng lượng mặt trời khai thác quang năng trực tiếp. Bài sau chuyển sang một nguồn tái tạo khác — gió — nơi động năng của không khí phải đi qua một bước trung gian cơ học trước khi thành điện.