Tính toán kích thước hệ thống quang điện cho nhu cầu chiếu sáng ban đêm

Thiết kế hệ thống pin mặt trời cho chiếu sáng ban đêm: Các nguyên tắc chính

Hệ thống chiếu sáng ban đêm đáng tin cậy từ đèn đường năng lượng mặt trời đòi hỏi sự kết hợp giữa đánh giá tải chính xác, các giả định tổn thất thực tế, dữ liệu về nguồn năng lượng mặt trời tại địa phương và lựa chọn phù hợp về khả năng tự cung cấp năng lượng của pin và các thành phần hệ thống. Đối với các đô thị đang mua hoặc chỉ định giải pháp Đèn đường năng lượng mặt trời đô thị, việc tính toán kích thước mảng PV chính xác đảm bảo hiệu suất hoạt động trong điều kiện thay đổi theo mùa, giảm thiểu chi phí thiết kế quá mức và đáp ứng các mục tiêu an toàn công cộng. Bài viết này sẽ trình bày các nguyên tắc kỹ thuật, cung cấp các bước tính toán chi tiết, đưa ra các bảng kịch bản và nêu bật những sự đánh đổi thực tế cho việc triển khai tại đô thị.

Quy trình tính toán kích thước cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị: Từng bước một

Để tính toán kích thước dàn pin quang điện cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị, hãy làm theo quy trình kỹ thuật ngắn gọn sau:

1. Xác định các yêu cầu chiếu sáng: độ sáng (lux) theo tiêu chuẩn, công suất LED (W) và số giờ hoạt động ban đêm.
2. Tính toán mức tiêu thụ năng lượng hàng đêm (Wh) từ công suất và số giờ hoạt động của đèn LED, và cộng thêm tổn thất do bộ nguồn/dây dẫn.
3. Xác định thời lượng sử dụng pin (số ngày không có ánh nắng mặt trời) và loại pin/độ xả sâu (DOD).
4. Chọn điện áp hệ thống (12/24/48 V) và tính toán dung lượng pin (Ah).
5. Lấy thông tin về Giờ nắng cao điểm (PSH) hoặc bức xạ mặt trời tại địa phương từ PVGIS/PVWatts.
6. Ước tính mức giảm công suất hệ thống (nhiệt độ mô-đun, độ bẩn, dây dẫn, bộ điều khiển) — sử dụng mức giảm công suất kết hợp thận trọng từ 0,70 đến 0,80.
7. Tính toán công suất Wp cần thiết của mảng PV (Wp = Nhu cầu năng lượng hàng ngày / (PSH * hiệu suất hệ thống)).
8. Lặp lại quy trình với hiệu suất LED tối ưu, chiến lược điều chỉnh độ sáng hoặc kích thước pin để đạt được mục tiêu về chi phí/hiệu suất.

Mỗi bước đều phải được ghi chép lại để phục vụ cho việc mua sắm và kiểm tra nghiệm thu trong các dự án đô thị.

Các giả định về tải và tổn thất cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị

Các thông số đầu vào chính và các giả định cơ bản thận trọng được sử dụng trong các ví dụ bên dưới (hãy điều chỉnh cho phù hợp với khí hậu và các thành phần của bạn):

• Công suất đèn LED: 20 W, 40 W, 100 W (phạm vi công suất điển hình cho khu vực đô thị tùy thuộc vào khoảng cách giữa các cột đèn và độ sáng mục tiêu)
• Thời gian hoạt động ban đêm: 12 giờ (trường hợp thiết kế thông thường vào mùa đông; có thể điều chỉnh theo yêu cầu địa phương)
• Tổn thất do mạch LED và dây dẫn: 10% (hiệu suất 0,90)
• Loại pin: LiFePO4 (khuyến nghị về chu kỳ sạc/xả và khả năng chịu nhiệt); độ sâu xả khả dụng: 80% (0,80)
• Hiệu suất chu trình khép kín của pin: 95% (0,95)
• Điện áp hệ thống: 24 V (thường dùng cho các giải pháp công suất tầm trung)
• Mức giảm công suất hệ thống PV (nhiệt độ mô-đun, bụi bẩn, không đồng bộ, tổn thất bộ điều khiển): 0,75 (mức thận trọng)
• Giờ nắng cao điểm (PSH): sử dụng giá trị địa phương — ví dụ sử dụng 4 và 5 PSH/ngày để thể hiện độ nhạy cảm

Ví dụ tính toán chi tiết cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị (LED 40W)

Các bước tính toán sử dụng ví dụ đèn LED 40W minh họa quy trình và công thức.

1) Năng lượng tiêu thụ ban đêm (Wh): E_night = Công suất LED (W) * số giờ (h) * (1 + tổn thất)
Giả sử công suất LED = 40 W, thời gian hoạt động = 12 giờ, tổn thất = 10% → E_night = 40 * 12 * 1,10 = 528 Wh

2) Dung lượng pin (Ah) cho thời gian sử dụng N ngày:
Giả sử thời gian tự cung tự cấp là 3 ngày. Năng lượng dự trữ = E_đêm * thời gian tự cung tự cấp = 528 * 3 = 1584 Wh
Dung lượng pin (Ah) = Năng lượng lưu trữ / (Điện áp hệ thống * Độ xả * Hiệu suất pin)
Sử dụng điện áp 24 V, DOD = 0.8, Bat_eff = 0.95 → Dung lượng pin (Battery_Ah) = 1584 / (24 * 0.8 * 0.95) ≈ 86.9 Ah → làm tròn thành 90 Ah ở điện áp 24 V.

3) Kích thước mảng PV (Wp) sử dụng PSH và giảm công suất:
Năng lượng cần thiết hàng ngày từ hệ thống PV = E_night (528 Wh) (Hệ thống PV phải thu hoạch năng lượng này vào mỗi ngày trời quang để bù lại lượng tiêu thụ ban đêm)
PV_Wp = E_night / (PSH * system_derate)
Với PSH = 4 và hệ số giảm công suất = 0,75 → PV_Wp = 528 / (4 * 0,75) = 528 / 3 = 176 Wp
Với PSH = 5 → PV_Wp = 528 / (5 * 0,75) ≈ 141 Wp

Giải thích: Đối với đèn đường năng lượng mặt trời đô thị 40W được thiết kế để hoạt động 12 giờ và tự cung cấp năng lượng trong 3 ngày, bạn thường sẽ chỉ định một dàn mô-đun khoảng 200Wp (chọn kích thước mô-đun tiêu chuẩn và thêm biên độ an toàn) ở vị trí có lượng ánh sáng mặt trời vừa phải, hoặc khoảng 150Wp ở vị trí nhiều nắng hơn. Quá trình mua sắm cuối cùng sẽ làm tròn kích thước mô-đun PV xuống kích thước thực tế và hỗ trợ việc lắp đặt và đi dây cáp.

Bảng so sánh: Đèn đường năng lượng mặt trời đô thị — Các kịch bản lựa chọn kích thước

Bảng dưới đây trình bày các thông số về kích thước mạch cho ba trường hợp sử dụng đèn LED, một đêm 12 tiếng và thời gian hoạt động liên tục 3 ngày. Điện áp hệ thống = 24 V, công suất hệ thống giảm = 0,75, độ sâu xả pin (DOD) = 80%, hiệu suất pin = 95%.

Ghi chú về cách tính toán trong bảng: Năng lượng ban đêm = Công suất LED * 12 * 1,10 (tổn thất 10%). Dung lượng pin Ah được tính bằng Năng lượng * 3 / (24 * 0,8 * 0,95). Công suất PV Wp = Năng lượng ban đêm / (PSH * 0,75). Các giá trị được làm tròn theo kích thước mua sắm thực tế.

Những yếu tố cần cân nhắc khi thiết kế hệ thống đèn đường năng lượng mặt trời đô thị.

Các dự án đô thị phải đối mặt với những yêu cầu bổ sung ngoài việc chỉ định kích thước cho một loại đèn duy nhất. Những yếu tố cần xem xét thường gặp bao gồm:

• Mức độ chiếu sáng và độ đồng đều theo phân loại đường (sử dụng tiêu chuẩn IES/EN để đặt mục tiêu quang thông).
• Chiều cao và khoảng cách giữa các cột đèn: ảnh hưởng đến quang thông cần thiết và do đó, ảnh hưởng đến công suất của đèn LED.
• Giá trị PSH xấu nhất theo mùa (được thiết kế cho các tháng mùa đông ở vùng khí hậu ôn đới hoặc mùa nhiều mây ở vùng khí hậu gió mùa).
• Chống trộm và phá hoại: bảo vệ hộp chứa pin và vị trí lắp đặt tấm pin mặt trời trên cột.
• Giám sát từ xa và giao diện người dùng (HMI): hệ thống đo từ xa giúp giảm chi phí bảo trì và cho phép lập lịch trình điều chỉnh độ sáng.
• Lập kế hoạch vòng đời linh kiện và thay thế bóng đèn: chu kỳ thay thế pin và đèn LED khác nhau – hãy lập ngân sách phù hợp.

Ví dụ về tối ưu hóa cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị

Để giảm chi phí điện mặt trời và pin lưu trữ mà không làm giảm độ tin cậy, các đô thị thường:

• Sử dụng đèn LED có hiệu suất cao hơn (130–160 lm/W) và hệ thống quang học hiệu quả để giảm công suất tiêu thụ.
• Sử dụng tính năng điều chỉnh độ sáng tự động hoặc cảm biến chuyển động để giảm mức tiêu thụ năng lượng trung bình mỗi đêm.
• Hãy chọn pin LiFePO4 để có dung lượng sử dụng, tuổi thọ chu kỳ và hiệu suất nhiệt độ cao hơn so với pin axit chì.
• Đối với các hệ thống lắp đặt nhỏ, hãy bố trí các mô-đun PV trên đầu cột hoặc các mảng tập trung cho các hành lang có mật độ cao để đơn giản hóa việc bảo trì.

Các yếu tố môi trường và địa điểm ảnh hưởng đến kích thước của đèn đường năng lượng mặt trời đô thị.

Việc tính toán kích thước hệ thống PV chính xác cần xem xét các yếu tố sau:

• Cường độ bức xạ cục bộ (PSH) — sử dụng các công cụ không gian địa lý (PVGIS, NREL PVWatts) để có được các giá trị cụ thể cho từng vị trí.
• Nhiệt độ: nhiệt độ mô-đun càng cao thì sản lượng càng giảm; hãy áp dụng hệ số nhiệt độ từ bảng thông số kỹ thuật của mô-đun.
• Bụi bẩn: các khu vực nhiều bụi cần công suất PV cao hơn hoặc kế hoạch làm sạch – bụi bẩn có thể làm giảm sản lượng từ 5–20% tùy thuộc vào tần suất.
• Che bóng: Cây cối hoặc các tòa nhà liền kề làm giảm đáng kể hiệu quả sản xuất — hãy tránh hiện tượng che bóng trên mặt phẳng của dàn thu sóng.
• Sự thay đổi về vĩ độ và thời gian chiếu sáng ban ngày theo mùa — thiết kế dựa trên tháng có điều kiện xấu nhất thay vì mức trung bình hàng năm.

Các khuyến nghị về mua sắm và thử nghiệm cho các dự án đèn đường năng lượng mặt trời đô thị

Đối với hoạt động mua sắm của chính quyền địa phương, cần xác định rõ các tiêu chí chấp nhận có thể đo lường được và các bước kiểm tra:

• Chứng nhận linh kiện: CE/UL/IEC cho mô-đun và bộ điều khiển LED; tiêu chuẩn an toàn pin (UN38.3 cho vận chuyển nếu có).
• Kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy: công suất tiêu thụ của mô-đun (Wp), dung lượng pin, chức năng bộ điều khiển và phần cứng chống trộm.
• Vận hành tại công trường: kiểm tra bức xạ và đặc tuyến I-V của chuỗi PV, xác định trạng thái sạc pin cơ bản, kiểm tra vận hành ban đêm trong ít nhất một tuần dưới điều kiện thực tế.
• Các cam kết về hiệu suất: số ngày tự chủ tối thiểu và mục tiêu về khả năng hoạt động (ví dụ: 99% số đêm được chiếu sáng trong năm đầu tiên).
• Lịch trình bảo trì: các khoảng thời gian vệ sinh, kiểm tra tình trạng pin và giám sát từ xa (nếu có).

Tại sao nên chọn nhà cung cấp đã được chứng minh về giải pháp đèn đường năng lượng mặt trời cho đô thị — Hồ sơ của Queneng Lighting

Công ty TNHH Công nghệ Chiếu sáng Quảng Đông Queneng (thành lập năm 2013) chuyên về các sản phẩm chiếu sáng năng lượng mặt trời và giải pháp trọn gói, bao gồm đèn đường năng lượng mặt trời, đèn chiếu điểm năng lượng mặt trời, đèn sân vườn năng lượng mặt trời, đèn chiếu cỏ năng lượng mặt trời, đèn cột năng lượng mặt trời, tấm pin quang điện năng lượng mặt trời, nguồn điện và pin di động ngoài trời, và đèn LED di động. Sau nhiều năm phát triển, Queneng đã trở thành nhà cung cấp được chỉ định cho nhiều công ty niêm yết và các dự án kỹ thuật lớn, có khả năng cung cấp hướng dẫn chuyên nghiệp và các giải pháp cấp hệ thống được thiết kế riêng cho việc triển khai tại đô thị.

Những thế mạnh cạnh tranh của Queneng bao gồm:

• Đội ngũ nghiên cứu và phát triển giàu kinh nghiệm cùng thiết bị sản xuất tiên tiến cho phép thiết kế hệ thống theo yêu cầu và tạo mẫu nhanh chóng.
• Kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và hệ thống quản lý hoàn thiện — đạt chứng nhận ISO 9001 và được kiểm định bởi TÜV quốc tế.
• Nhiều chứng nhận quốc tế (CE, UL, BIS, CB, SGS, MSDS) đáp ứng các yêu cầu mua sắm toàn cầu.
• Cung cấp giải pháp trọn gói từ tấm pin năng lượng mặt trời đến đèn chiếu sáng và pin lưu trữ, cùng với hỗ trợ kỹ thuật cho các dự án triển khai quy mô lớn tại đô thị.

Sản phẩm chính: Đèn đường năng lượng mặt trời, đèn chiếu điểm năng lượng mặt trời, đèn sân vườn năng lượng mặt trời, đèn trụ năng lượng mặt trời, tấm pin quang điện năng lượng mặt trời, đèn sân vườn năng lượng mặt trời. Đối với các đô thị đang tìm cách tiêu chuẩn hóa và mở rộng quy mô, Queneng cung cấp các dòng sản phẩm với các tùy chọn kích thước PV và pin phù hợp cùng độ bền đã được kiểm chứng thực tế cho cơ sở hạ tầng công cộng.

Ví dụ thực tế: Danh sách kiểm tra vị trí lắp đặt và thông số kỹ thuật cuối cùng cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị

Trước khi phát hành hồ sơ đấu thầu, hãy bao gồm danh sách kiểm tra cho từng vị trí đèn:

• Tiêu chuẩn độ sáng/độ đồng đều yêu cầu và chiều cao/khoảng cách giữa các cột đèn.
• PSH cho từng địa điểm (sử dụng PVGIS/NREL hoặc máy đo bức xạ mặt trời tại chỗ cho các vị trí quan trọng).
• Lựa chọn quang thông và hiệu suất của đèn LED, cùng với chế độ điều chỉnh độ sáng.
• Mục tiêu về thời lượng sử dụng pin và lựa chọn loại hóa chất.
• Hướng đặt, độ nghiêng và phương pháp lắp đặt chống trộm của dàn pin mặt trời.
• Các yêu cầu về liên lạc/giám sát và chiến lược dự trữ phụ tùng.

Việc có câu trả lời được ghi chép đầy đủ cho các mục này sẽ giảm bớt sự mơ hồ trong quá trình đấu thầu và thúc đẩy tối ưu hóa chi phí vòng đời thay vì chỉ lựa chọn phương án có chi phí thấp nhất ngay từ đầu.

Câu hỏi thường gặp — Các câu hỏi thường gặp về việc tính toán kích thước hệ thống quang điện cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị

1. Tôi nên sử dụng bao nhiêu giờ nắng cao điểm (PSH) để tính toán kích thước tấm pin mặt trời cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị?

Sử dụng giá trị PSH cụ thể theo vị trí từ PVGIS hoặc NREL PVWatts. Để tính toán kích thước an toàn cho đô thị, hãy sử dụng giá trị PSH xấu nhất trong mùa đông hoặc mùa nhiều mây thay vì giá trị trung bình hàng năm. Các giá trị thiết kế điển hình dao động từ 3–6 PSH/ngày tùy thuộc vào khí hậu.

2. Thời lượng pin tối đa được khuyến nghị cho các hệ thống đèn đường năng lượng mặt trời đô thị là bao nhiêu?

Thông thường, thời gian hoạt động liên tục là 2-4 ngày đối với những khu vực có nhiều mây kéo dài nhiều ngày. Khu vực đô thị với việc bảo trì thường xuyên có thể chấp nhận thời gian hoạt động 1-2 ngày. Chọn pin LiFePO4 để có tuổi thọ chu kỳ dài hơn và độ sâu sử dụng cao hơn (trên 80%).

3. Nên lắp đặt các tấm pin mặt trời trên cột hay trên mặt đất cho hệ thống chiếu sáng đường phố đô thị?

Hệ thống quang điện lắp đặt trên cột giúp giảm chiều dài dây cáp và phổ biến cho các khu vực có mật độ dân cư thấp đến trung bình. Hệ thống lắp đặt trên mặt đất hoặc tập trung có thể giảm chi phí và đơn giản hóa việc bảo trì cho các hành lang có mật độ dân cư cao. Nên lựa chọn dựa trên rủi ro trộm cắp, khả năng tiếp cận để bảo trì và bố cục.

4. Các chiến lược điều chỉnh độ sáng ảnh hưởng như thế nào đến việc tính toán kích thước tấm pin mặt trời cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị?

Điều chỉnh độ sáng (theo thời gian hoặc thích ứng) giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng trung bình và có thể giảm đáng kể kích thước tấm pin mặt trời và pin lưu trữ hoặc tăng thời gian hoạt động độc lập. Việc tích hợp các chiến lược điều chỉnh độ sáng là một trong những cách hiệu quả nhất về chi phí để tối ưu hóa chi phí hệ thống.

5. Tôi cần những chứng nhận gì để mua sắm thiết bị chiếu sáng năng lượng mặt trời cho chính quyền địa phương?

Yêu cầu chứng nhận IEC/UL cho mô-đun, tiêu chuẩn an toàn cho bộ điều khiển LED và đèn chiếu sáng (CE/UL), tiêu chuẩn an toàn pin (UN38.3 vận chuyển, tiêu chuẩn pin IEC) và chứng chỉ quản lý chất lượng như ISO 9001. Đồng thời, cần nêu rõ các bài kiểm tra nghiệm thu hiệu năng và tiêu chí vận hành thử nghiệm tại hiện trường.

6. Làm thế nào để ước tính chi phí vòng đời và thời gian hoàn vốn cho đèn đường năng lượng mặt trời đô thị?

Hãy xem xét chi phí đầu tư (đèn, cột, tấm pin mặt trời, pin lưu trữ, giá đỡ, lắp đặt), chi phí vận hành (bảo trì, vệ sinh, thay pin), tiết kiệm năng lượng so với chiếu sáng lưới điện và lợi ích xã hội. Đèn đường năng lượng mặt trời thường có giá trị vòng đời cao hơn ở những khu vực không có lưới điện hoặc có chi phí lưới điện cao; hãy chạy mô hình tổng chi phí sở hữu (TCO) 5-10 năm để so sánh.

Thông tin liên hệ và hỏi về sản phẩm (Lời kêu gọi hành động)

Nếu bạn đang lên kế hoạch thiết kế hệ thống đèn đường năng lượng mặt trời cho đô thị và cần tư vấn thiết kế về kích thước tấm pin mặt trời và pin lưu trữ, Công ty TNHH Công nghệ chiếu sáng Quảng Đông Queneng cung cấp dịch vụ tư vấn thiết kế, mẫu sản phẩm và hỗ trợ dự án trọn gói. Hãy liên hệ với Queneng để nhận báo giá cụ thể cho từng địa điểm, bảng dữ liệu kỹ thuật và phân tích chi phí trọn vòng đời phù hợp với tiêu chuẩn chiếu sáng của thành phố bạn.

Tài liệu tham khảo và nguồn

1. NREL PVWatts — Giới thiệu & Phương pháp luận. Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia. https://pvwatts.nrel.gov/about (truy cập ngày 28/12/2025).
2. PVGIS — Hệ thống Thông tin Địa lý Quang điện. Ủy ban Châu Âu, Trung tâm Nghiên cứu Chung. https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis (truy cập ngày 28/12/2025).
3. DOE — Kiến thức cơ bản về đèn LED và chiếu sáng trạng thái rắn. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. https://www.energy.gov/eere/ssl/led-basics (truy cập ngày 28/12/2025).
4. IRENA — Điện mặt trời quang điện: Thông tin tóm tắt về công nghệ. Cơ quan Năng lượng tái tạo quốc tế. https://www.irena.org (tìm kiếm thông tin tóm tắt về điện mặt trời quang điện) (truy cập ngày 28/12/2025).
5. IEC và hệ số nhiệt độ mô-đun — bảng dữ liệu của nhà sản xuất mô-đun và phương pháp tham chiếu IEC 61215 để đánh giá hiệu suất. Ví dụ tổng quan: https://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic_module (truy cập ngày 28/12/2025).
6. Lựa chọn và những điều cơ bản về pin — tóm tắt ngành và tiêu chuẩn an toàn (UN38.3). Ví dụ: https://unece.org/transport/dangerous-goods (truy cập ngày 28/12/2025).

Để có thông tin chi tiết hơn về kích thước phù hợp với từng địa điểm cụ thể, hoặc để yêu cầu bảng dữ liệu sản phẩm và chứng nhận của Queneng, vui lòng liên hệ trực tiếp với đội ngũ Queneng để được tư vấn giải pháp đèn đường năng lượng mặt trời phù hợp với nhu cầu của thành phố.