Trong các hệ thống điện mặt trời, việc theo dõi cường độ bức xạ là yếu tố quan trọng để đánh giá điều kiện vận hành và hiệu suất phát điện của các tấm pin quang điện. Để thực hiện nhiệm vụ này, cảm biến đo bức xạ mặt trời Pyranometer được sử dụng nhằm thu thập dữ liệu về năng lượng bức xạ nhận được trên một đơn vị diện tích.

Tuy nhiên, trên thị trường hiện nay có nhiều loại Pyranometer với cấp chính xác, công nghệ cảm biến, phương thức truyền tín hiệu và phạm vi ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn không phù hợp có thể khiến dữ liệu đo thiếu chính xác, ảnh hưởng đến quá trình giám sát và đánh giá hiệu suất hệ thống điện mặt trời.

Vậy cần dựa vào những tiêu chí nào để lựa chọn Pyranometer phù hợp? Nên sử dụng cảm biến Class A, Class B hay Class C? Những yếu tố như vị trí lắp đặt, điều kiện môi trường và khả năng kết nối có ảnh hưởng như thế nào?

1. Xác định mục đích sử dụng Pyranometer

Trước khi lựa chọn thiết bị, cần xác định rõ mục đích đo bức xạ trong hệ thống điện mặt trời. Đây là bước quan trọng vì mỗi ứng dụng có thể yêu cầu loại cảm biến và cấp chính xác khác nhau.

Đo bức xạ tổng trên mặt phẳng ngang (GHI)

GHI (Global Horizontal Irradiance) là tổng cường độ bức xạ mặt trời nhận được trên một mặt phẳng nằm ngang, bao gồm bức xạ trực tiếp từ mặt trời và bức xạ khuếch tán từ bầu trời.

Thông số này thường được sử dụng trong các trạm quan trắc khí tượng, nghiên cứu tiềm năng năng lượng mặt trời và đánh giá điều kiện bức xạ tại khu vực triển khai dự án.

Nếu mục tiêu là theo dõi tổng lượng bức xạ trên mặt phẳng ngang, Pyranometer cần được lắp đặt theo phương nằm ngang và cân chỉnh chính xác.

Đo bức xạ trên mặt phẳng tấm pin (POA)

POA (Plane of Array Irradiance) là cường độ bức xạ nhận được trên mặt phẳng của các tấm pin mặt trời theo góc nghiêng và hướng lắp đặt thực tế.

Đây là thông số rất quan trọng trong giám sát hiệu suất nhà máy điện mặt trời vì nó phản ánh lượng bức xạ mà bề mặt tấm pin thực sự tiếp nhận.

Đối với mục tiêu này, Pyranometer thường được lắp cùng hướng và cùng góc nghiêng với dàn pin để dữ liệu đo đại diện cho điều kiện bức xạ trên mặt phẳng lắp đặt.

Đo bức xạ khuếch tán (DHI)

DHI (Diffuse Horizontal Irradiance) là thành phần bức xạ khuếch tán nhận được trên mặt phẳng ngang sau khi loại bỏ bức xạ trực tiếp từ mặt trời.

Việc đo DHI thường cần Pyranometer kết hợp với thiết bị che nắng hoặc hệ thống theo dõi mặt trời phù hợp để loại bỏ thành phần bức xạ trực tiếp.

Ứng dụng này thường xuất hiện trong nghiên cứu khí tượng, đánh giá tài nguyên năng lượng mặt trời và các dự án cần phân tích chi tiết thành phần bức xạ.

2. Lựa chọn cấp chính xác Pyranometer

Cấp chính xác là một trong những tiêu chí quan trọng nhất khi lựa chọn cảm biến đo bức xạ mặt trời.

Theo tiêu chuẩn ISO 9060:2018, Pyranometer được phân loại thành ba cấp chính là Class A, Class B và Class C, dựa trên các đặc tính hiệu suất đo như độ ổn định, độ tuyến tính, đáp ứng nhiệt độ, đáp ứng hướng và các yếu tố liên quan.

Việc lựa chọn cấp thiết bị cần dựa trên yêu cầu đo lường và mức độ chính xác cần thiết của dự án.

Pyranometer Class A

Class A là cấp có yêu cầu hiệu suất đo cao nhất trong ba cấp phân loại theo ISO 9060:2018.

Thiết bị phù hợp với những ứng dụng yêu cầu dữ liệu bức xạ có độ tin cậy cao, chẳng hạn:

• Giám sát hiệu suất nhà máy điện mặt trời quy mô lớn.
• Đánh giá Performance Ratio (PR).
• Phân tích hiệu suất vận hành của hệ thống điện mặt trời.
• Nghiên cứu và quan trắc bức xạ chuyên sâu.
• Các dự án yêu cầu kiểm soát chặt chẽ độ không đảm bảo đo.

Một số model Class A tiêu biểu trên thị trường có thể kể đến Pyranometer SR200-D1 của Hukseflux và dòng SMP22 của Kipp & Zonen.

Pyranometer Class B

Class B có yêu cầu hiệu suất đo thấp hơn Class A nhưng vẫn đáp ứng nhiều ứng dụng quan trắc và giám sát năng lượng mặt trời.

Thiết bị có thể phù hợp với:

• Hệ thống quan trắc bức xạ mặt trời.
• Dự án điện mặt trời có yêu cầu giám sát trung bình.
• Các hệ thống đánh giá điều kiện bức xạ tại địa phương.
• Ứng dụng nông nghiệp và khí tượng.

Việc sử dụng Class B cần được đối chiếu với yêu cầu của hệ thống giám sát và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho dự án.

Pyranometer Class C

Class C thường phù hợp với các ứng dụng đo bức xạ thông thường, trạm quan trắc cơ bản và những hệ thống không yêu cầu cấp chính xác cao như Class A.

Một số ứng dụng gồm:

• Trạm quan trắc thời tiết.
• Giám sát bức xạ trong nông nghiệp.
• Đo bức xạ phục vụ nghiên cứu cơ bản.
• Theo dõi điều kiện ánh sáng mặt trời tại các công trình.

Ví dụ, Pyranometer SR05-D1A3 của Hukseflux thuộc nhóm Class C theo ISO 9060:2018.

Lưu ý: Cấp Class A, B, C theo ISO 9060 là phân loại hiệu suất của thiết bị đo. Không nên đồng nhất trực tiếp với cấp hệ thống giám sát Class A, B, C theo IEC 61724-1. Khi lựa chọn cho nhà máy điện mặt trời, cần kiểm tra cả yêu cầu của tiêu chuẩn giám sát áp dụng.

3. Kiểm tra loại bức xạ cần đo và vị trí lắp đặt

Vị trí lắp đặt có ảnh hưởng trực tiếp đến ý nghĩa và tính đại diện của dữ liệu đo. Một Pyranometer có độ chính xác cao nhưng lắp sai hướng hoặc sai góc nghiêng vẫn có thể cho kết quả không phù hợp với mục tiêu giám sát.

Đối với hệ thống cần đo GHI

Pyranometer cần được lắp trên mặt phẳng ngang, đảm bảo cân bằng và không bị che khuất bởi các vật thể như tòa nhà, cây cối hoặc thiết bị xung quanh.

Đối với hệ thống cần đo POA

Cảm biến cần được lắp song song với mặt phẳng tấm pin, đảm bảo cùng hướng và góc nghiêng để dữ liệu đo có thể phản ánh điều kiện bức xạ mà module quang điện tiếp nhận.

Đối với hệ thống điện mặt trời hai mặt kính (Bifacial)

Đối với các dự án sử dụng module bifacial, ngoài bức xạ mặt trước, doanh nghiệp có thể cần quan tâm đến bức xạ mặt sau và hệ số phản xạ bề mặt (Albedo).

Trong trường hợp này, cần lựa chọn thêm cảm biến và cấu hình đo phù hợp với mục tiêu giám sát mặt sau của tấm pin.

4. Chọn Pyranometer có khả năng đáp ứng điều kiện môi trường

Hệ thống điện mặt trời thường được xây dựng ngoài trời và phải hoạt động trong thời gian dài dưới những điều kiện thời tiết khác nhau.

Vì vậy, ngoài cấp chính xác, cần đánh giá khả năng vận hành của Pyranometer trong môi trường lắp đặt thực tế.

Khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao

Thiết bị cần đáp ứng phạm vi nhiệt độ môi trường tại khu vực lắp đặt. Đối với những dự án đặt tại khu vực có nhiệt độ cao, cần kiểm tra giới hạn nhiệt độ hoạt động trong catalogue của nhà sản xuất.

Khả năng chống bụi và nước

Pyranometer lắp đặt ngoài trời cần có kết cấu phù hợp với điều kiện mưa, bụi và độ ẩm. Cần kiểm tra cấp bảo vệ IP của thiết bị và khả năng chống thấm của đầu nối, cáp tín hiệu.

Khả năng hạn chế ảnh hưởng của sương và ngưng tụ hơi nước

Ở những khu vực có độ ẩm cao, sương hoặc hiện tượng ngưng tụ trên mặt kính cảm biến có thể ảnh hưởng đến kết quả đo và tính liên tục của dữ liệu.

Một số Pyranometer cao cấp được tích hợp hệ thống sưởi hoặc thông gió nhằm hạn chế sương và cải thiện khả năng đo trong điều kiện thời tiết bất lợi.

Tuy nhiên, không phải dự án nào cũng cần sử dụng thiết bị có hệ thống gia nhiệt. Cần cân nhắc điều kiện khí hậu và yêu cầu độ sẵn sàng dữ liệu để lựa chọn phù hợp.

5. Lựa chọn tín hiệu đầu ra và phương thức truyền dữ liệu

Khả năng kết nối với hệ thống giám sát là yếu tố quan trọng khi lựa chọn Pyranometer cho các dự án điện mặt trời hiện đại.

Tùy theo model, thiết bị có thể cung cấp nhiều dạng tín hiệu đầu ra khác nhau.

Tín hiệu Analog mV

Một số Pyranometer sử dụng cảm biến nhiệt điện có đầu ra dạng điện áp mV. Dữ liệu được chuyển đổi thành giá trị bức xạ thông qua độ nhạy (Sensitivity) của cảm biến.

Phương thức này thường được sử dụng trong các hệ thống đo lường truyền thống hoặc hệ thống thu thập dữ liệu có hỗ trợ đầu vào analog phù hợp.

Tín hiệu Analog 4-20 mA

Đầu ra 4-20 mA thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển công nghiệp nhờ khả năng truyền tín hiệu ổn định trên khoảng cách tương đối xa khi được thiết kế đúng.

Đây là một lựa chọn đáng cân nhắc khi Pyranometer cần kết nối với PLC hoặc hệ thống giám sát có đầu vào dòng điện tương ứng.

Giao tiếp RS485 và Modbus RTU

Một số Pyranometer kỹ thuật số hỗ trợ giao tiếp RS485 kết hợp giao thức Modbus RTU.

Phương thức này cho phép truyền dữ liệu đo đến bộ ghi dữ liệu, PLC, SCADA hoặc hệ thống quản lý năng lượng.

Một số ưu điểm của giao tiếp kỹ thuật số gồm:

• Thuận tiện tích hợp vào hệ thống giám sát tập trung.
• Có thể truyền nhiều thông tin đo lường qua cùng một kết nối.
• Hỗ trợ đọc dữ liệu và trạng thái thiết bị.
• Phù hợp với các trạm quan trắc năng lượng mặt trời hiện đại.

Khi lựa chọn, cần kiểm tra giao thức, tốc độ truyền, địa chỉ thiết bị, nguồn cấp và khả năng tương thích với hệ thống thu thập dữ liệu hiện có.

6. Kiểm tra độ nhạy và dải đo của Pyranometer

Hai thông số kỹ thuật cần quan tâm khi đọc catalogue là Sensitivity và Irradiance Range.

Độ nhạy (Sensitivity)

Độ nhạy cho biết mức tín hiệu đầu ra tương ứng với một đơn vị bức xạ mặt trời.

Đối với cảm biến có đầu ra mV, độ nhạy thường được biểu diễn bằng đơn vị µV/(W/m²).

Thông số này được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện thu được thành giá trị bức xạ. Cần sử dụng đúng hệ số hiệu chuẩn của từng cảm biến thay vì dùng chung một giá trị cho nhiều thiết bị.

Dải đo bức xạ (Irradiance Range)

Dải đo cho biết khoảng cường độ bức xạ mà thiết bị có thể đo theo thông số nhà sản xuất.

Đối với hệ thống điện mặt trời ngoài trời, cần đảm bảo dải đo đủ để ghi nhận điều kiện bức xạ trong những thời điểm có cường độ cao, đồng thời đáp ứng yêu cầu theo dõi trong điều kiện bức xạ thấp.

7. Chọn Pyranometer có khả năng tích hợp với hệ thống giám sát

Trong các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn, Pyranometer không hoạt động độc lập mà thường là một phần của hệ thống quan trắc và quản lý dữ liệu.

Thiết bị có thể được tích hợp với:

• Data Logger.
• PLC.
• SCADA.
• EMS (Energy Management System).
• Hệ thống giám sát hiệu suất nhà máy điện mặt trời.

Dữ liệu bức xạ được kết hợp với nhiệt độ môi trường, nhiệt độ module và công suất phát điện để đánh giá điều kiện vận hành của hệ thống.

Do đó, trước khi chọn Pyranometer cần kiểm tra khả năng tương thích với bộ ghi dữ liệu và nền tảng giám sát hiện có.

8. Những dòng Pyranometer đáng cân nhắc cho hệ thống điện mặt trời

Trên thị trường có nhiều model Pyranometer phục vụ các mục đích đo khác nhau. Trong đó, một số sản phẩm của Hukseflux và Kipp & Zonen được sử dụng trong các ứng dụng đo bức xạ và giám sát năng lượng mặt trời.

Pyranometer SR05-D1A3

SR05-D1A3 là cảm biến đo bức xạ mặt trời của Hukseflux thuộc cấp Class C theo ISO 9060:2018.

Thiết bị có thể được cân nhắc cho các ứng dụng quan trắc và đo bức xạ cơ bản. Tuy nhiên, nếu sử dụng trong hệ thống giám sát hiệu suất điện mặt trời, cần kiểm tra thêm mức đáp ứng của model với yêu cầu IEC 61724-1 tương ứng.

Pyranometer SR200-D1

SR200-D1 là dòng cảm biến đo bức xạ Class A của Hukseflux, hướng đến những ứng dụng cần chất lượng dữ liệu đo cao hơn.

Thiết bị có thể được xem xét cho hệ thống giám sát điện mặt trời, trạm quan trắc và các ứng dụng cần dữ liệu bức xạ đáng tin cậy.

Khi lựa chọn, cần đối chiếu phiên bản sản phẩm và điều kiện đáp ứng IEC 61724-1 theo tài liệu kỹ thuật chính thức.

Pyranometer Class A SMP22

SMP22 là dòng Pyranometer Class A của Kipp & Zonen, được thiết kế cho các ứng dụng đo bức xạ có yêu cầu cao về hiệu suất và độ chính xác.

Thiết bị có thể được cân nhắc trong những hệ thống quan trắc chuyên sâu và dự án điện mặt trời cần dữ liệu bức xạ chất lượng cao.

Pyranometer SMP10

SMP10 thuộc dòng cảm biến đo bức xạ mặt trời kỹ thuật số của Kipp & Zonen. Khi lựa chọn model này, cần kiểm tra chính xác phiên bản sản phẩm, cấp phân loại và các yêu cầu tương thích với hệ thống giám sát.

Không nên chỉ dựa vào tên model hoặc thương hiệu để kết luận cấp chính xác mà cần đối chiếu catalogue và chứng nhận của từng thiết bị.

9. Có nên lựa chọn Pyranometer Class A cho mọi dự án điện mặt trời?

Class A có yêu cầu hiệu suất đo cao nhưng không đồng nghĩa đây luôn là lựa chọn tối ưu về chi phí cho mọi hệ thống.

Đối với dự án điện mặt trời quy mô lớn, hệ thống cần đánh giá hiệu suất nghiêm ngặt hoặc có yêu cầu giám sát theo tiêu chuẩn cụ thể, Class A có thể là phương án đáng đầu tư.

Trong khi đó, những ứng dụng đo bức xạ cơ bản hoặc hệ thống không yêu cầu độ không đảm bảo đo quá thấp có thể cân nhắc Class B hoặc Class C nếu thiết bị đáp ứng tiêu chuẩn và mục đích sử dụng.

Quan trọng là cần lựa chọn dựa trên:

• Mục đích đo lường.
• Yêu cầu về độ chính xác.
• Tiêu chuẩn giám sát của dự án.
• Điều kiện môi trường.
• Chi phí đầu tư và bảo trì.
• Yêu cầu về chất lượng dữ liệu trong suốt vòng đời dự án.

10. Những sai lầm thường gặp khi lựa chọn Pyranometer

Chỉ quan tâm đến giá thành

Thiết bị giá thấp có thể phù hợp với ứng dụng cơ bản nhưng chưa chắc đáp ứng yêu cầu giám sát hiệu suất của nhà máy điện mặt trời. Cần cân nhắc tổng chi phí sở hữu, bao gồm hiệu chuẩn, bảo trì và độ tin cậy dữ liệu.

Chọn sai cấp chính xác

Việc lựa chọn thiết bị có cấp chính xác không đáp ứng yêu cầu có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích hiệu suất và đánh giá chất lượng vận hành của hệ thống.

Không xác định rõ GHI hay POA

Đo bức xạ ngang và đo bức xạ trên mặt phẳng tấm pin phục vụ những mục đích khác nhau. Lắp đặt cảm biến sai hướng có thể khiến dữ liệu không phản ánh đúng thông tin cần theo dõi.

Bỏ qua khả năng kết nối dữ liệu

Nếu Pyranometer không tương thích với Data Logger hoặc hệ thống SCADA, doanh nghiệp có thể phải bổ sung thiết bị chuyển đổi hoặc thay đổi phương án thu thập dữ liệu.

Không tính đến công tác bảo trì

Mặt kính cảm biến bị bám bụi, nước hoặc các chất bẩn có thể làm giảm lượng bức xạ truyền đến phần tử đo. Cần có kế hoạch vệ sinh và kiểm tra định kỳ ngay từ khi thiết kế hệ thống.

11. Checklist lựa chọn Pyranometer cho hệ thống điện mặt trời

Để hạn chế sai sót khi lựa chọn thiết bị, doanh nghiệp có thể sử dụng danh sách kiểm tra sau:

• Mục đích đo: Xác định cần đo GHI, POA hay DHI.
• Cấp chính xác: Lựa chọn Class A, B hoặc C theo yêu cầu.
• Tiêu chuẩn: Kiểm tra ISO 9060:2018 và yêu cầu IEC 61724-1 nếu áp dụng.
• Điều kiện môi trường: Đánh giá nhiệt độ, độ ẩm, bụi và nguy cơ ngưng tụ.
• Góc lắp đặt: Xác định cảm biến cần đặt ngang hay nghiêng theo mặt phẳng tấm pin.
• Tín hiệu đầu ra: Kiểm tra mV, 4-20 mA hoặc RS485 Modbus RTU.
• Độ nhạy: Kiểm tra hệ số hiệu chuẩn của cảm biến.
• Dải đo: Đảm bảo đáp ứng điều kiện bức xạ tại địa điểm triển khai.
• Bảo trì: Xem xét nhu cầu vệ sinh, hiệu chuẩn và kiểm tra định kỳ.
• Tích hợp: Đảm bảo tương thích với Data Logger, PLC hoặc SCADA.

12. Kết luận

Lựa chọn Pyranometer phù hợp cho hệ thống điện mặt trời không chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác Class A, Class B hay Class C mà còn liên quan đến mục đích đo, vị trí lắp đặt, điều kiện môi trường và yêu cầu thu thập dữ liệu.

Đối với các dự án cần giám sát hiệu suất nghiêm ngặt, Pyranometer Class A có thể là lựa chọn phù hợp. Trong khi đó, Class B và Class C vẫn có thể đáp ứng hiệu quả những ứng dụng quan trắc hoặc đo bức xạ cơ bản nếu được lựa chọn đúng theo tiêu chuẩn áp dụng.

Bên cạnh đó, doanh nghiệp cần đặc biệt quan tâm đến khả năng đo GHI, POA, tín hiệu đầu ra và khả năng kết nối với hệ thống giám sát. Đây là những yếu tố quyết định dữ liệu bức xạ có thực sự hữu ích trong quá trình vận hành hay không.

Việc lựa chọn đúng cảm biến Pyranometer ngay từ giai đoạn thiết kế sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của dữ liệu quan trắc, hỗ trợ đánh giá hiệu suất hệ thống điện mặt trời và tối ưu công tác vận hành, bảo trì trong dài hạn.