Tại nhiều khu vực có các xưởng đúc hoạt động — châu Phi cận Sahara, Nam Á, một số vùng của Trung Đông — lưới điện không có sẵn hoặc không đáng tin cậy. Một xưởng đúc được kết nối với lưới điện yếu có thể gặp phải tình trạng sụt áp, biến động tần số và mất điện đột xuất, khiến việc nấu chảy bằng cảm ứng trở nên bất khả thi nếu không có máy phát điện dự phòng. Máy phát điện diesel là giải pháp truyền thống, nhưng nhiên liệu diesel có giá từ 0,25 đến 0,50 đô la Mỹ/kWh khi tính cả nhiên liệu, bảo trì và khấu hao máy phát điện — khiến chi phí nấu chảy trở nên quá cao.
MONTE INTELLIGENCE đã và đang nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng mặt trời-diesel cho các ứng dụng nấu chảy cảm ứng. Khái niệm rất đơn giản: sử dụng pin mặt trời để cung cấp tải điện cơ bản trong giờ ban ngày, với máy phát điện diesel cung cấp nguồn dự phòng trong thời gian nhiều mây và hoạt động ban đêm. Hệ thống này giúp giảm tiêu thụ diesel từ 40-60% — đủ để thu hồi vốn đầu tư năng lượng mặt trời trong vòng 3-5 năm với giá diesel thông thường.
Kiến trúc hệ thống bao gồm năm thành phần chính. Đầu tiên là dàn pin mặt trời – các tấm pin được lắp đặt trên mặt đất hoặc trên mái nhà, có kích thước phù hợp để cung cấp tỷ lệ năng lượng tiêu thụ hàng ngày mục tiêu của lò. Đối với lò cảm ứng 1 MW hoạt động 8 giờ mỗi ngày, mức tiêu thụ năng lượng hàng ngày xấp xỉ 8 MWh (giả sử 1000 kWh/tấn để nấu chảy sắt và xử lý 8 tấn mỗi ngày, hoặc hoạt động ở công suất thấp hơn cho các mẻ nấu chảy nhỏ hơn). Một dàn pin mặt trời cung cấp 50% năng lượng này cần tạo ra 4 MWh mỗi ngày.
Việc tính toán kích thước mảng pin mặt trời phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời tại địa điểm lắp đặt. Tại một địa điểm có 5 giờ nắng cao điểm mỗi ngày (điển hình cho nhiều vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới), một mảng pin mặt trời 1 MW (DC) tạo ra khoảng 5 MWh mỗi ngày, với điều kiện tổn thất hệ thống từ 15-20% do hiệu suất biến tần, dây dẫn, bụi bẩn và giảm công suất do nhiệt độ. Mảng pin này cần khoảng 1,2-1,5 ha đất cho mỗi MW, hoặc 0,6-0,8 ha nếu lắp đặt trên mái nhà xưởng.
Thứ hai, hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) đóng vai trò là bộ đệm giữa sản lượng điện mặt trời biến đổi và tải của lò nung cảm ứng. Quá trình nấu chảy bằng cảm ứng là một quá trình tiêu thụ điện năng cao và biến đổi – lò có thể tiêu thụ 1 MW trong quá trình nấu chảy và 100-200 kW trong quá trình giữ nhiệt. Pin phải cung cấp hoặc hấp thụ sự chênh lệch giữa sản lượng điện mặt trời và tải của lò nung theo từng giây, duy trì sự ổn định điện áp bus DC mà bộ biến tần yêu cầu. Pin lithium sắt photphat (LFP) là loại pin được ưa chuộng vì tuổi thọ chu kỳ dài (4000-6000 chu kỳ ở độ sâu xả 80%), đặc tính an toàn tốt và chi phí giảm dần (hiện nay khoảng 80-120 đô la Mỹ/kWh ở cấp độ bộ pin vào năm 2026).
Dung lượng pin được tính toán dựa trên khoảng thời gian dài nhất dự kiến có sản lượng điện mặt trời thấp trong một ca nấu chảy kim loại — thông thường là 2-4 giờ hoạt động hết công suất đối với hệ thống được thiết kế để có độ tin cậy cao. Đối với lò nung 1 MW, pin 4 MWh cung cấp 4 giờ hoạt động hết công suất mà không cần điện mặt trời, bao gồm hầu hết các trường hợp trời nhiều mây và cho phép người vận hành hoàn thành quá trình nấu chảy đang diễn ra thay vì phải dừng lại. Pin có thể được sạc trong thời gian sản lượng điện mặt trời vượt quá nhu cầu của lò nung, hoặc vào ban đêm từ máy phát điện diesel nếu dự kiến ngày hôm sau trời nhiều mây.
Thứ ba là bộ biến tần lai – thiết bị điện tử công suất chuyển đổi nguồn DC từ mảng pin mặt trời và pin lưu trữ thành nguồn AC cho lò nung. Đây không phải là bộ biến tần năng lượng mặt trời tiêu chuẩn; nó phải xử lý các đặc tính tải của lò nung cảm ứng, bao gồm hệ số công suất thấp (0,15-0,25 chỉ riêng cho cuộn cảm ứng, được hiệu chỉnh lên 0,95+ nhờ bộ tụ điện của lò nung) và hàm lượng sóng hài cao từ nguồn điện tần số trung bình. Bộ biến tần phải được tính toán dựa trên nhu cầu kVA, chứ không chỉ kW, và phải bao gồm bộ lọc sóng hài để ngăn chặn sóng hài của lò nung truyền ngược trở lại hệ thống PV và gây ra hiện tượng ngắt mạch biến tần.
Thứ tư, máy phát điện diesel — được thiết kế để cung cấp đủ công suất cho lò đốt khi cả năng lượng mặt trời lẫn pin đều không đáp ứng đủ nhu cầu, thường là trong những khoảng thời gian nhiều mây kéo dài hoặc khi vận hành vào ban đêm. Công suất định mức của máy phát điện nên xấp xỉ 1,2-1,5 lần công suất định mức của lò đốt để tính đến dòng khởi động và hệ số công suất. Đối với lò đốt 1 MW, máy phát điện 1,5 MVA là điển hình. Máy phát điện chỉ hoạt động khi cần thiết — bộ điều khiển lai sẽ tự động khởi động và dừng máy phát điện dựa trên trạng thái sạc của pin và dự báo sản lượng điện mặt trời.
Thứ năm là hệ thống quản lý năng lượng lai (EMS) — bộ điều khiển quyết định, từng giây một, cách phân bổ công suất giữa dàn pin mặt trời, pin lưu trữ, máy phát điện và lò sưởi. Logic của EMS bao gồm: nếu sản lượng điện mặt trời vượt quá nhu cầu của lò sưởi, hãy sạc pin; nếu nhu cầu của lò sưởi vượt quá sản lượng điện mặt trời, hãy xả pin; nếu mức sạc của pin giảm xuống dưới 20%, hãy khởi động máy phát điện; nếu dự báo thời tiết cho thấy mây che phủ kéo dài, hãy khởi động máy phát điện sớm hơn để bảo toàn dung lượng pin; nếu điện lưới có sẵn (đối với hệ thống nối lưới), hãy sử dụng điện lưới để bổ sung.
Phân tích kinh tế cho hệ thống lai năng lượng mặt trời-diesel khá đơn giản: so sánh chi phí điện năng bình quân của điện mặt trời (bao gồm chi phí chu kỳ pin) với chi phí cận biên của việc phát điện bằng diesel. Chi phí điện năng bình quân (LCOE) của hệ thống lai năng lượng mặt trời, bao gồm việc thay pin sau mỗi 8-10 năm, xấp xỉ 0,06-0,10 đô la/kWh. Chi phí phát điện bằng diesel là 0,25-0,50 đô la/kWh. Mức tiết kiệm trên mỗi kWh điện mặt trời là 0,15-0,44 đô la. Đối với một hệ thống tạo ra 1500 MWh điện mặt trời mỗi năm, mức tiết kiệm hàng năm là 225.000-660.000 đô la, giúp thu hồi vốn đầu tư 1,5 triệu đô la cho hệ thống trong vòng 2,3-6,7 năm.
MONTE INTELLIGENCE cung cấp dịch vụ thiết kế hệ thống lai năng lượng mặt trời-diesel cho các ứng dụng nấu chảy cảm ứng, bao gồm đánh giá nguồn năng lượng mặt trời, tính toán kích thước hệ thống và tích hợp với các gói lò cảm ứng của chúng tôi.
Để được tư vấn về tính khả thi của hệ thống lai năng lượng mặt trời-diesel cho xưởng đúc của bạn, vui lòng liên hệ helenxu@cnlymonte.com.
