Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Lạng Sơn là trung tâm kinh tế, chính trị và văn hóa của tỉnh Lạng Sơn với tốc độ tăng trưởng phụ tải điện bình quân đạt trên 8% mỗi năm. Nhu cầu tiêu thụ điện năng tại thành phố chiếm khoảng 34% tổng sản lượng điện toàn tỉnh, với định mức cấp điện sinh hoạt nội thị đạt 228 kWh/người/năm. Trong khi đó, hệ thống nguồn phát tại chỗ chỉ đạt tổng công suất 137,9 MVA (chủ yếu dựa vào Nhà máy nhiệt điện Na Dương công suất 110 MVA và 4 nhà máy thủy điện nhỏ có tính ổn định thấp). Công suất phụ tải đỉnh toàn tỉnh đã chạm mốc 167 MW, vượt quá khả năng tự cung ứng nội tỉnh. Hệ quả là trạm biến áp 110kV E13.2 Thành phố Lạng Sơn (công suất 80 MVA) thường xuyên vận hành đầy tải ở mức 95%, phụ thuộc hoàn toàn vào 3 đường dây liên kết 110kV từ Quảng Ninh, Bắc Giang và Cao Bằng, dẫn đến tình trạng sụt áp có thời điểm xuống mức 92 - 94kV vào giờ cao điểm.

Xuất phát từ thực trạng cấp bách trên, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện năng lượng mặt trời nối lưới có lưu trữ (Hybrid) cho thành phố Lạng Sơn, đồng thời xây dựng các giải pháp quản lý và mô hình kinh doanh phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội địa phương. Phạm vi nghiên cứu bao trùm địa bàn thành phố Lạng Sơn và các khu vực phụ cận thuộc vùng Đông Bắc trong giai đoạn từ năm 2020 đến năm 2030, định hướng đến năm 2050.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi mở ra hướng đi giải quyết bài toán thiếu hụt công suất đỉnh, giảm tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối từ 15% đến 20%. Đồng thời, giải pháp phát triển điện mặt trời giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính từ 820g CO2/kWh (đối với nhiệt điện than) xuống chỉ còn 41g CO2/kWh, rút ngắn thời gian thu hồi vốn đầu tư cho các hộ gia đình xuống khoảng 6 năm, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng bền vững cho khu vực biên giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết quang điện bán dẫn và kỹ thuật điện tử công suất hiện đại. Mô hình toán học của tế bào quang điện (PV) một diode tương đương được sử dụng để xác định chính xác mối quan hệ phi tuyến giữa dòng quang điện, cường độ bức xạ và nhiệt độ làm việc của tấm pin.

Lý thuyết biến đổi công suất DC/DC không cách ly và có cách ly (mạch Buck, Boost và Buck-Boost) được áp dụng nhằm duy trì điện áp thanh cái một chiều (DC-Bus) ổn định ở dải 300V - 600V, đồng thời tích hợp thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT). Cấu trúc nghịch lưu áp một pha dạng cầu H (gồm 4 khóa bán dẫn MOSFET/IGBT) kết hợp phương pháp điều chế độ rộng xung hình sin (Sin PWM) được lựa chọn để biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều 220V/50Hz có dạng sóng sin chuẩn.

Bên cạnh đó, nghiên cứu áp dụng lý thuyết phân tích sóng hài Fourier để thiết kế bộ lọc cộng hưởng thụ động LC, loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao phát sinh từ phụ tải phi tuyến. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 4472:93 được sử dụng làm căn cứ kỹ thuật để tính toán dung lượng phóng nạp ở chế độ C20 cho hệ thống ắc quy lưu trữ axit-chì kín khí.

Các khái niệm cốt lõi bao gồm: hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-Grid), hệ thống độc lập (Off-Grid), hệ thống lai kết hợp lưu trữ (Hybrid), hiệu suất chuyển đổi quang điện và hệ số méo sóng hài tổng (THD).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp khảo sát thực tế, phân tích dữ liệu lịch sử và mô phỏng số trên máy tính. Dữ liệu khí tượng về tổng số giờ nắng (1.600 - 1.750 giờ/năm) và cường độ bức xạ mặt trời (3,3 - 4,1 kWh/m2/ngày) được trích xuất từ chuỗi số liệu đo đạc nhiều năm của Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia và bản đồ bức xạ Việt Nam.

Số liệu vận hành lưới điện được thu thập trực tiếp từ Công ty Điện lực Lạng Sơn, bao gồm hồ sơ kỹ thuật của 08 đoạn đường dây 110kV, 19 xuất tuyến 35kV, 07 xuất tuyến 22kV và toàn bộ 200 trạm biến áp phân phối công cộng trên địa bàn thành phố. Nghiên cứu thực hiện chọn mẫu định mức gồm 15 hộ gia đình và cơ sở kinh doanh đại diện cho các mức tiêu thụ điện khác nhau (công suất lắp đặt từ 2 kWp đến 12,75 kWp) để khảo sát thực nghiệm.

Phương pháp mô phỏng trên nền tảng phần mềm chuyên ngành được lựa chọn nhằm kiểm chứng họ đặc tính I-V, P-V dưới sự biến thiên của nhiệt độ từ 25 đến 60 độ C và bức xạ từ 200 đến 1000 W/m2. Phương pháp phân tích tài chính dòng tiền chiết khấu (DCF) được áp dụng để tính toán giá trị hiện tại thuần (NPV) và thời gian hoàn vốn đầu tư. Toàn bộ quy trình thu thập và xử lý số liệu được triển khai liên tục từ năm 2018 đến tháng 7 năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, tiềm năng năng lượng mặt trời tại thành phố Lạng Sơn và vùng Đông Bắc có tính khả thi kỹ thuật rất cao. Cường độ bức xạ trung bình năm đạt xấp xỉ 4,0 kWh/m2/ngày với tổng số giờ nắng từ 1.600 đến 1.750 giờ/năm, tập trung cao điểm từ tháng 5 đến tháng 8 (đạt 6 - 7 giờ nắng/ngày). Mặc dù vào mùa thu và mùa đông sản lượng điện giảm khoảng 50%, nhưng các tấm pin công nghệ đơn tinh thể (Monocrystalline) đặt nghiêng 10 - 15 độ chếch về hướng Nam vẫn duy trì hiệu suất phát quang điện ổn định, đáp ứng tốt nhu cầu sinh hoạt của các hộ dân.

Thứ hai, mô hình tính toán kinh tế cho thấy thời gian hoàn vốn của hệ thống điện mặt trời áp mái hộ gia đình đạt mức rất ấn tượng. Khảo sát thực tế hệ thống điện mặt trời công suất 12,75 kWp tại thành phố Lạng Sơn (tổng mức đầu tư 165,65 triệu đồng, tương ứng suất đầu tư khoảng 13 triệu đồng/kWp) ghi nhận: vào ngày cao điểm mùa hè hệ thống sản xuất 58 kWh, sản lượng điện dư thừa bán lại cho ngành điện là 36 kWh/ngày (thu về khoảng 76.942 đồng/ngày). Tính bình quân cả năm, doanh thu bán điện đạt 19,659 triệu đồng và tiền điện tiết kiệm được từ việc giảm tiêu thụ ở bậc thang giá cao (2.927 đồng/kWh) là 8,071 triệu đồng. Tổng lợi nhuận quy đổi đạt 27,73 triệu đồng/năm, giúp thời gian thu hồi vốn thực tế đạt xấp xỉ 6 năm (chính xác là 5,98 năm).

Thứ ba, cấu trúc hệ thống điện mặt trời lai (Hybrid) sử dụng bộ biến đổi DC/DC Buck-Boost kết hợp nghịch lưu cầu H điều khiển Sin PWM giúp triệt tiêu sóng hài hiệu quả, giữ độ biến thiên điện áp đầu ra dưới 3%, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kết nối lưới của EVN.

Thứ tư, việc phát triển điện mặt trời giúp giảm phát thải 779g CO2 trên mỗi kWh điện thương phẩm so với nhiệt điện than truyền thống (mức phát thải 41g CO2/kWh so với 820g CO2/kWh), trực tiếp giảm tải 10% đến 15% công suất mang tải của máy biến áp 110kV E13.2 trong các khung giờ nắng cao điểm.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định pin mặt trời Mono vượt trội hơn hẳn pin Poly và màng mỏng (Thin-film) khi triển khai tại khu vực miền Bắc. Pin Mono có hệ số suy giảm hiệu suất theo nhiệt độ thấp hơn và khả năng hấp thụ ánh sáng tán xạ trong điều kiện nhiều mây tốt hơn từ 10% đến 15%.

Khi so sánh với khu vực miền Nam và Nam Trung Bộ (bức xạ 4,6 - 5,7 kWh/m2/ngày, thời gian hoàn vốn từ 4 đến 5 năm), thời gian thu hồi vốn 6 năm tại thành phố Lạng Sơn tuy dài hơn khoảng 1 đến 1,5 năm nhưng vẫn hoàn toàn bảo đảm tính khả thi tài chính cho các nhà đầu tư cá nhân và doanh nghiệp. Điều này được giải thích bởi cơ chế bù trừ sản lượng điện theo biểu giá FIT và bậc thang giá điện sinh hoạt ngày càng tăng cao.

Toàn bộ dữ liệu phân tích được hệ thống hóa rõ ràng thông qua các bảng biểu so sánh cường độ bức xạ 5 vùng địa lý trên cả nước, bảng thông số khởi động ắc quy theo chuẩn TCVN 4472:93 và đồ thị họ đặc tính công suất - điện áp P(U), dòng điện - điện áp I(U) của mô-đun quang điện. Sự tương thích giữa mô hình mô phỏng thuật toán PWM và số liệu đo đạc thực nghiệm từ công tơ hai chiều chứng minh tính chính xác và độ tin cậy tuyệt đối của giải pháp thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận khoa học và thực tiễn vận hành lưới điện, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm nhằm thúc đẩy quản lý và kinh doanh điện mặt trời tại thành phố Lạng Sơn:

Một là, triển khai chương trình lắp đặt điện mặt trời áp mái tự dùng cho 100% trụ sở cơ quan hành chính nhà nước, trường học và bệnh viện trên địa bàn thành phố Lạng Sơn. Mục tiêu đạt tổng công suất lắp đặt 5 MWp trước năm 2025. Cơ quan chủ trì thực hiện là Ủy ban nhân dân thành phố Lạng Sơn phối hợp cùng Sở Công Thương và Công ty Điện lực Lạng Sơn nhằm đi đầu trong việc tiết kiệm ngân sách và giảm tải cho lưới điện công cộng.

Hai là, tối ưu hóa quy trình thỏa thuận đấu nối và lắp đặt công tơ đo đếm điện năng hai chiều. Công ty Điện lực Lạng Sơn cần rút ngắn thời gian xử lý thủ tục thẩm định kỹ thuật từ 7 ngày xuống tối đa 3 ngày làm việc, công khai minh bạch biểu đồ khả năng giải tỏa công suất của từng xuất tuyến 22kV và trạm biến áp 110kV trên cổng thông tin điện tử trong giai đoạn 2021 - 2023.

Ba là, thiết lập gói tín dụng xanh ưu đãi tài chính cho người dân và doanh nghiệp. Các chi nhánh ngân hàng thương mại trên địa bàn tỉnh Lạng Sơn cần phối hợp với Hiệp hội Doanh nghiệp tỉnh triển khai gói vay vốn ưu đãi với lãi suất thấp hơn từ 2% đến 3% so với lãi suất thương mại thông thường trong 3 năm đầu, áp dụng cho các dự án điện mặt trời mái nhà quy mô từ 3 kWp đến 50 kWp.

Bốn là, chuẩn hóa công tác quản lý kỹ thuật, cung ứng thiết bị và bảo dưỡng định kỳ. Sở Khoa học và Công nghệ cùng Trung tâm Khuyến công Lạng Sơn cần thiết lập quy chuẩn kiểm định chất lượng đối với pin Mono và biến tần Inverter nhập khẩu, hướng dẫn người dùng thực hiện vệ sinh bề mặt tấm pin định kỳ từ 2 đến 3 lần mỗi năm và bảo dưỡng hệ thống ắc quy lưu trữ 6 tháng một lần theo đúng tiêu chuẩn TCVN 4472:93.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

Nhóm thứ nhất là các nhà quản lý quy hoạch năng lượng, lãnh đạo Sở Công Thương và Công ty Điện lực Lạng Sơn. Luận văn cung cấp bức tranh toàn cảnh về hiện trạng mang tải của lưới điện 110kV/35kV/22kV, giúp các nhà quản lý xây dựng chiến lược phát triển nguồn năng lượng phân tán, giảm áp lực đầu tư mở rộng trạm biến áp và đường dây truyền tải.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư điện, chuyên gia thiết kế và nhà thầu EPC điện mặt trời. Cán bộ kỹ thuật có thể áp dụng trực tiếp các sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu cầu H, thuật toán điều chế Sin PWM, phương pháp tính toán góc nghiêng tối ưu 10 - 15 độ hướng Nam và quy trình phối ghép bộ biến đổi DC/DC Buck-Boost vào các dự án thực tế tại miền Bắc.

Nhóm thứ ba là các hộ gia đình, chủ trang trại và doanh nghiệp sản xuất tại khu vực Đông Bắc. Nhóm đối tượng này có thể sử dụng bảng tính toán hiệu quả tài chính, phương pháp lựa chọn pin Mono và mô hình hoàn vốn 6 năm để đưa ra quyết định đầu tư hệ thống điện mặt trời áp mái một cách hiệu quả và an toàn nhất.

Nhóm thứ tư là các giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo. Luận văn là tài liệu học thuật giá trị về mô hình hóa toán học tế bào quang điện, phân tích sóng hài phi tuyến và thiết kế hệ thống điện mặt trời lai Hybrid có lưu trữ năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao khu vực miền Bắc như thành phố Lạng Sơn nên ưu tiên sử dụng tấm pin Monocrystalline thay vì Polycrystalline? Pin Mono được chế tạo từ tinh thể silic đơn tinh khiết, mang lại hiệu suất chuyển đổi quang điện cao từ 17% đến 20%, vượt trội hơn hẳn pin Poly trong điều kiện bức xạ trung bình yếu (3,3 - 4,1 kWh/m2/ngày) và thời tiết nhiều mây. Dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn khoảng 10%, pin Mono giúp tiết kiệm diện tích lắp đặt mái và tăng sản lượng điện hàng năm thêm từ 12% đến 15%.

Vào mùa đông ít nắng tại Lạng Sơn, hệ thống điện mặt trời có hoạt động được không? Tấm pin quang điện tạo ra dòng điện từ quang năng của ánh sáng chứ không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Vào mùa thu và mùa đông, dù sản lượng điện suy giảm khoảng 50% so với mùa hè, hệ thống vẫn duy trì phát điện ổn định để đáp ứng từ 40% đến 60% nhu cầu sinh hoạt gia đình, đồng thời nhiệt độ mát mẻ còn giúp giảm tổn hao nhiệt trên bề mặt pin.

Thời gian hoàn vốn cho một hệ thống điện mặt trời mái nhà 12,75 kWp tại Lạng Sơn là bao lâu? Theo số liệu phân tích kinh tế thực tế, một hệ thống 12,75 kWp có tổng vốn đầu tư ban đầu khoảng 165,65 triệu đồng sẽ đạt thời gian hoàn vốn chính xác là 5,98 năm (xấp xỉ 6 năm). Mỗi năm hệ thống mang lại tổng lợi ích kinh tế 27,73 triệu đồng thông qua việc bán điện dư thừa và tiết kiệm hóa đơn tiền điện ở bậc thang giá cao.

Hệ thống điện mặt trời lai Hybrid có điểm gì vượt trội so với hệ thống nối lưới trực tiếp On-Grid? Hệ thống On-Grid sẽ ngừng hoạt động hoàn toàn khi lưới điện quốc gia mất điện để bảo đảm an toàn. Ngược lại, hệ thống Hybrid được tích hợp khối lưu trữ ắc quy và bộ điều khiển thông minh, tự động chuyển mạch cung cấp nguồn điện 220V liên tục cho các thiết bị ưu tiên như camera, hệ thống chiếu sáng và máy chủ, triệt tiêu 100% nguy cơ gián đoạn vận hành.

Quy chuẩn kỹ thuật lắp đặt khung giá đỡ pin mặt trời tại Lạng Sơn cần lưu ý những điểm gì? Tấm pin phải được lắp đặt nghiêng một góc từ 10 đến 15 độ chếch thẳng về hướng Nam để đón bức xạ vuông góc lớn nhất. Đối với mái bê tông, khung giá đỡ cần nâng cao từ 1,2 đến 1,5 mét nhằm tạo khoảng không thông thoáng tản nhiệt; kết cấu khung thép mạ kẽm phải bổ sung thanh giằng chịu được sức gió bão cấp 10 đến 12 theo tiêu chuẩn xây dựng.

Kết luận

Nội dung luận văn mang lại những đóng góp khoa học và thực tiễn nổi bật sau:

  • Chứng minh tiềm năng phát triển điện mặt trời tại thành phố Lạng Sơn đạt mức khả quan với cường độ bức xạ trung bình 4,0 kWh/m2/ngày và 1.750 giờ nắng/năm.
  • Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc hệ thống điện mặt trời lai Hybrid tích hợp mạch Buck-Boost, biến tần cầu H điều chế Sin PWM và bộ lọc sóng hài bảo đảm chất lượng điện năng theo chuẩn EVN.
  • Khẳng định tính hiệu quả vượt trội của bài toán kinh tế với thời gian hoàn vốn đầu tư chỉ xấp xỉ 6 năm và tổng lợi nhuận quy đổi đạt 27,73 triệu đồng/năm cho hệ thống 12,75 kWp.
  • Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, cơ chế tài chính ưu đãi và quy trình quản lý kinh doanh điện mặt trời mái nhà cho giai đoạn 2020 - 2030.
  • Đóng góp vào mục tiêu giảm phát thải 779g CO2/kWh so với nhiệt điện than, hỗ trợ đắc lực cho công tác giải tỏa công suất và chống quá tải cho trạm biến áp 110kV E13.2 Lạng Sơn.

Trong giai đoạn 2021 - 2025, việc hiện thực hóa các giải pháp nêu trên cần sự vào cuộc đồng bộ từ chính quyền địa phương, ngành điện và cộng đồng doanh nghiệp. Quý độc giả, kỹ sư và các nhà đầu tư hãy chủ động khảo sát tiềm năng mái nhà, ứng dụng công nghệ điện mặt trời Hybrid ngay hôm nay để tối ưu hóa chi phí năng lượng và chung tay xây dựng đô thị Lạng Sơn xanh, hiện đại và phát triển bền vững.