Đo nắng để biết vì sao dàn pin mặt trời phát ít điện

Khi điện mặt trời giảm vào giữa trưa, người vận hành cần biết nên chờ mây đi qua hay kiểm tra thiết bị. Chỉ nhìn biểu đồ điện chưa đủ để phân biệt hai khả năng. Một cảm biến đặt cùng góc với tấm pin có thể cho biết ngay lúc đó bề mặt dàn pin đang nhận bao nhiêu năng lượng từ ánh sáng.

Thiết bị ấy thường được gọi là máy đo bức xạ mặt trời, hay pyranometer. Nó đo năng lượng ánh sáng đi tới bề mặt theo từng đơn vị diện tích. Đem phép đo này đối chiếu với điện phát ra giúp tách bớt ảnh hưởng của thời tiết trước khi đánh giá tình trạng của hệ thống.

Ánh sáng tới tấm pin và điện đi ra là hai số đo

Hãy hình dung đặt một tấm bìa ngoài nắng. Nếu tấm bìa quay mặt về phía Mặt Trời, chùm tia chiếu lên nó theo một góc khác so với khi đặt nằm ngang. Cả hai tấm đều ở cùng một nơi và cùng một thời điểm, nhưng mỗi mét vuông bề mặt có thể nhận lượng năng lượng khác nhau. Đo trên mặt phẳng của dàn pin nhằm ghi nhận điều kiện mà dàn pin thật sự nhìn thấy.

Số đo tức thời thường được ghi bằng watt trên mét vuông, viết là W/m². Nó mô tả công suất ánh sáng chiếu tới mỗi mét vuông. Nếu cộng dồn theo thời gian, đại lượng thu được là năng lượng ánh sáng trên diện tích, chẳng hạn Wh/m². Ví dụ giả định: mức trung bình 500 W/m² duy trì suốt hai giờ tương ứng 1.000 Wh/m² ánh sáng tới. Điều này không có nghĩa công tơ điện sẽ tăng thêm một kilowatt giờ cho mỗi mét vuông pin.

Tấm pin chỉ chuyển một phần năng lượng nhận được thành điện. Từ tấm pin đến công tơ còn có dây dẫn và bộ đổi điện, tức thiết bị chuyển điện một chiều từ pin thành điện xoay chiều. Nếu so hai biểu đồ, trước hết cần biết đang nhìn công suất tức thời hay điện năng tích lũy, và điểm đo nằm ở phần nào của hệ thống.

Một cảm biến nhỏ nhìn cả khoảng trời phía trước

Ánh sáng tới tấm pin không chỉ có tia đi thẳng từ Mặt Trời. Mây và khí quyển tán xạ ánh sáng; mặt đất và vật thể xung quanh cũng có thể phản xạ một phần. Máy đo đặt đúng hướng thu tín hiệu từ phần không gian trước mặt nó. Hướng đặt vì thế là một phần của phép đo, không đơn thuần là chi tiết lắp đặt.

Cẩm nang đo bức xạ của NREL phân biệt phép đo trên mặt ngang với phép đo trên mặt nghiêng, bao gồm mặt phẳng dàn pin. Máy đo trên mái nhà nằm ngang có thể hữu ích để mô tả nguồn nắng tại chỗ, nhưng nếu pin nghiêng một góc khác, hai mặt phẳng không nhận cùng một mức bức xạ. Với dàn có cơ cấu xoay theo nắng, góc của mặt phẳng dàn còn có thể thay đổi trong ngày.

Một số máy đo dùng bộ phận hấp thụ ánh sáng và đo tín hiệu do chênh lệch nhiệt tạo ra. Loại khác dùng linh kiện nhạy sáng. Hai loại có đặc tính đáp ứng khác nhau; hình dáng bên ngoài hay một con số độ phân giải không nói hết máy phản ứng với các bước sóng và góc chiếu ra sao. Điều quan trọng là chọn thiết bị phù hợp mục đích và biết số đo được lấy trong cấu hình nào.

Khi nào biểu đồ gợi ý nên kiểm tra thiết bị?

Giả sử vào một buổi trưa, công suất điện giảm cùng lúc cảm biến ghi nhận bức xạ giảm. Mây đi qua là một lời giải thích có thể kiểm tra. Nếu số đo bức xạ vẫn tương đối ổn định trong khi chỉ một phần dàn pin phát điện thấp hơn các phần tương tự, người vận hành có lý do để xem xét khu vực ấy kỹ hơn.

Tuy vậy, mức bức xạ giống nhau không bắt buộc điện đầu ra giống nhau. Nhiệt độ tấm pin có thể khác, bóng che có thể phủ lên một số mô-đun mà không phủ lên cảm biến, hoặc bộ đổi điện đã chạm giới hạn công suất. Một mô hình dự báo công suất hữu ích phải dùng các điều kiện thực tế liên quan, thay vì chỉ chia điện đầu ra cho một số đo ánh sáng rồi gán mọi chênh lệch cho thiết bị hỏng.

Trước khi đi tìm lỗi điện, cũng cần chắc rằng hai chuỗi dữ liệu đang chỉ cùng thời điểm. Một biểu đồ lấy trung bình theo phút và một biểu đồ ghi từng giây có thể trông lệch nhau khi mây đi nhanh. Lệch đồng hồ còn tạo ra tình huống số đo ánh sáng của phút trước bị đem so với công suất của phút sau.

Cảm biến đo ở một điểm; dàn pin chiếm cả một vùng

Với dàn nhỏ, một điểm đo đặt hợp lý có thể giúp đọc xu hướng. Với dàn trải rộng hoặc có nhiều hướng lắp, một cảm biến có thể thấy nắng trong khi một phần khác đang dưới mây hay bóng che. Nếu chỉ có một điểm đo, hãy xem nó là quan sát tại vị trí đó trước khi dùng làm đại diện cho toàn bộ hệ thống.

Chính cảm biến cũng cần được chăm sóc. Bụi hoặc nước đọng trên phần thu ánh sáng có thể làm thay đổi tín hiệu. Cảm biến bị che bởi khung đỡ hoặc không còn cùng hướng với dàn sẽ đưa ra phép so sánh lệch ngay từ đầu. Nhật ký bảo trì, vị trí lắp và thời gian hiệu chuẩn giúp người đọc biết khi nào có thể tin vào sự thay đổi trên biểu đồ.

Một phép đo bức xạ tốt không thay thế kiểm tra thiết bị; nó giúp biết nên bắt đầu ở đâu. Khi đặt đúng hướng và đối chiếu cùng thời điểm, số đo cho biết dàn pin đã nhận điều kiện đầu vào nào. Từ đó, người vận hành mới có thể hỏi câu cụ thể hơn: mức điện phát ra có hợp lý với ánh sáng, nhiệt độ và cấu hình của dàn hay không?

Nguồn tham khảo

NREL: cẩm nang đo bức xạ; Sandia: mô hình hiệu năng dàn quang điện; NREL: dữ liệu vận hành PVDAQ

Ảnh tư liệu cảm biến trên dàn pin, EKO Instruments Co., Ltd., CC BY-SA 4.0, dùng nguyên bản; trang ảnh gốc.