Tính toán chi phí và tiết kiệm năng lượng mặt trời (chỉ ở Hoa Kỳ)

Tài liệu này giải thích cách Solar API tính toán các giá trị mà API này dùng để đề xuất việc lắp đặt tấm pin mặt trời và ước tính chi phí cũng như mức tiết kiệm chi phí cho các địa chỉ ở Hoa Kỳ.

Nếu bạn nhập địa chỉ của một nơi cư trú ở một khu vực được hỗ trợ tại Hoa Kỳ, thì Solar API sẽ cho bạn thấy các thông tin ước tính sau:

• Lượng ánh sáng mặt trời mà ngôi nhà nhận được hằng năm
• Diện tích mái nhà có thể lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời
• Số tiền tiết kiệm được (bằng đô la Mỹ) mà ngôi nhà có thể đạt được trong vòng 20 năm sử dụng của hệ thống năng lượng mặt trời
• Hoá đơn tiền điện trung bình hằng tháng cho các hộ gia đình trong khu vực của bạn (bạn có thể điều chỉnh cho phù hợp với nhà mình)
• Kích thước được đề xuất (tính bằng kilowatt (kW)) cho hệ thống năng lượng mặt trời trên ngôi nhà

Mặc dù Solar API cung cấp thông tin ước tính cho mọi cấu trúc mà API có dữ liệu, nhưng thông tin ước tính mà API này cung cấp phù hợp nhất với nhà ở hoặc cấu trúc thương mại nhỏ. Solar API đề xuất kích thước hệ thống năng lượng mặt trời giúp tối đa hoá mức tiết kiệm mà không sản xuất nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ của hộ gia đình trong một năm. Solar API không tính toán các giá trị liên quan đến việc sản xuất năng lượng dư thừa.

Kích thước lắp đặt được đề xuất bị giới hạn ở mức tiêu thụ năng lượng hằng năm vì một số lý do, nhưng chủ yếu là do các hộ gia đình ở Hoa Kỳ hiện không nhận được hoặc nhận được rất ít lợi ích về tài chính từ việc sản xuất năng lượng dư thừa. Ở những địa điểm tại Hoa Kỳ có cơ chế bù trừ điện năng, các khoản tín dụng thu được từ việc sản xuất năng lượng dư thừa thường hết hạn theo thời gian.

Giá trị bắt buộc để phân tích tài chính cho các vị trí ở Hoa Kỳ

Từ mỗi phiên bản SolarPanelConfig trong phản hồi của API, bạn cần có 2 giá trị để thực hiện phân tích tài chính cho phiên bản đó:

• panelsCount: Số lượng tấm năng lượng mặt trời trong một hệ thống lắp đặt. Bạn sử dụng giá trị này trong quá trình tính toán installationSize.
• yearlyEnergyDcKwh: Lượng năng lượng mặt trời mà một bố cục thu được trong một năm, tính bằng kWh DC, cho một panelsCount cụ thể. Bạn sử dụng giá trị này trong quá trình tính toán sản lượng điện mặt trời AC hằng năm (initialAcKwhPerYear) của mỗi installationSize.

Ngoài ra, bạn cần thu thập các giá trị theo vị trí cho những biến sau đây mà bạn sẽ dùng trong các phép tính:

• billCostModel(): Mô hình của bạn để xác định chi phí mà một hộ gia đình phải trả bằng đơn vị tiền tệ địa phương khi sử dụng một số kWh nhất định. Mức phí mà công ty điện lực tính cho điện có thể thay đổi theo từng ngày hoặc từng giờ, tuỳ thuộc vào những yếu tố như nhu cầu, thời gian trong ngày và lượng điện mà hộ gia đình tiêu thụ. Bạn có thể cần ước tính chi phí trung bình.
• costIncreaseFactor: Solar API sử dụng 1.022 (mức tăng hằng năm là 2,2%) cho các vị trí ở Hoa Kỳ.
• dcToAcDerate: Hiệu suất mà bộ biến tần chuyển đổi điện một chiều do tấm pin mặt trời tạo ra thành điện xoay chiều được dùng trong hộ gia đình. Solar API sử dụng 85% cho các vị trí ở Hoa Kỳ.
• discountRate: Solar API sử dụng 1,04 (tăng 4% mỗi năm) cho các địa điểm ở Hoa Kỳ.
• efficiencyDepreciationFactor: Mức độ giảm hiệu suất của các tấm pin mặt trời mỗi năm. Solar API sử dụng 0,995 (giảm 0,5% mỗi năm) cho các vị trí ở Hoa Kỳ.
• ưu đãi: Thêm mọi ưu đãi bằng tiền mặt để lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời do các tổ chức chính phủ ở khu vực của bạn cung cấp.
• installationCostModel(): Phương thức ước tính chi phí lắp đặt năng lượng mặt trời bằng nội tệ cho một installationSize nhất định. Mô hình chi phí thường sẽ tính đến chi phí nhân công và vật liệu tại địa phương cho một installationSize nhất định.
• installationLifeSpan: Tuổi thọ dự kiến của hệ thống năng lượng mặt trời. Solar API sử dụng 20 năm. Điều chỉnh giá trị này nếu cần cho khu vực của bạn.
• kWhConsumptionModel(): Mô hình của bạn để xác định lượng năng lượng mà một hộ gia đình tiêu thụ dựa trên hoá đơn hằng tháng. Nói một cách đơn giản, bạn sẽ chia hoá đơn cho chi phí trung bình của 1 kWh tại vị trí của hộ gia đình.
• monthlyBill: hoá đơn tiền điện trung bình hằng tháng của một hộ gia đình.
• monthlyKWhEnergyConsumption: Mức tiêu thụ điện trung bình ước tính của hộ gia đình tại một vị trí nhất định trong một tháng, tính bằng kWh.

Với các giá trị này và thông tin do phản hồi API cung cấp, bạn có thể thực hiện các phép tính cần thiết để đề xuất installationSize phù hợp nhất cho những vị trí không thuộc phạm vi của Solar API.

Cách hoạt động

Hoá đơn tiền điện trung bình hằng tháng là yếu tố chính để thực hiện các phép tính còn lại.

Ban đầu, Solar API dựa vào một số tiền thanh toán hằng tháng được chọn trước để tính toán. Nếu cần, bạn có thể chọn một số tiền khác phản ánh chính xác hơn hoá đơn trung bình hằng tháng của riêng bạn.

Khi biết số tiền của hoá đơn hằng tháng và chi phí hiện tại của điện ở một vị trí nhất định, Solar API có thể ước tính số lượng điện tiêu thụ hằng tháng của một hộ gia đình (tính bằng kilowatt giờ (kWh)). Để biết chi phí hiện tại của điện trên khắp nước Mỹ và xác định số kWh từ hoá đơn hằng tháng, Solar API tham chiếu các cơ sở dữ liệu do Clean Power Research duy trì.

Dựa vào số kWh mà một hộ gia đình tiêu thụ, diện tích có thể sử dụng của mái nhà và tiềm năng năng lượng mặt trời của vị trí nhà, Solar API đánh giá một hoặc nhiều kích thước lắp đặt năng lượng mặt trời có thể và đề xuất kích thước mang lại mức tiết kiệm cao nhất.

Kích thước của hệ thống lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời được đo bằng công suất định mức tính bằng kW. Mức công suất (tính bằng kW) phụ thuộc vào số lượng tấm năng lượng mặt trời trong cấu hình và mức công suất (tính bằng watt) của mỗi tấm.

Công suất định mức của một hệ thống không giống với sản lượng năng lượng của hệ thống đó. Sản lượng năng lượng được đo bằng kWh và có thể thay đổi. Sản lượng kWh của một hệ thống phụ thuộc vào các yếu tố như sau:

• Thời gian trong ngày
• Thời tiết
• Hướng của tấm pin so với mặt trời
• Bất kỳ bóng nào do các vật thể ở gần hắt lên các tấm pin
• Tiềm năng năng lượng mặt trời theo khu vực
• Thời gian kể từ khi cài đặt

Solar API bao gồm các yếu tố như tiềm năng năng lượng mặt trời theo khu vực và tuổi thọ của thiết bị lắp đặt trong số liệu ước tính về sản lượng năng lượng hằng năm của một thiết bị lắp đặt năng lượng mặt trời.

Để xác định diện tích có thể sử dụng của mái nhà và ước tính kích thước lắp đặt tấm năng lượng mặt trời mà mái nhà có thể hỗ trợ, Solar API sử dụng hình ảnh chụp từ trên không và mô hình 3D tiên tiến.

Giải thích chi tiết về các giá trị và phép tính

Các phần sau đây giải thích cách Solar API tính toán chi phí, khoản tiết kiệm và quy mô của các hệ thống năng lượng mặt trời cho một cấu trúc nhất định ở Hoa Kỳ.

Phần giải thích về các phép tính sử dụng các thuật ngữ để biểu thị giá trị trong các phép tính. Để biết nội dung giải thích về các thuật ngữ, hãy xem phần Định nghĩa về các thuật ngữ được dùng trong tính toán của chúng tôi.

Mức tiêu thụ năng lượng hằng năm của hộ gia đình

Như đã đề cập trước đó, Solar API xác định mức tiêu thụ điện hằng tháng dựa trên số tiền trên hoá đơn hằng tháng và chi phí điện tại nơi hộ gia đình sinh sống. Sau khi xác định mức tiêu thụ điện hằng tháng của một hộ gia đình, chúng tôi sẽ tính mức tiêu thụ năng lượng hằng năm theo KWh bằng công thức sau:

annualKWhEnergyConsumption = monthlyKWhEnergyConsumption x 12

Mức tiêu thụ năng lượng của hộ gia đình được giả định là không đổi qua các năm trong suốt thời gian sử dụng của hệ thống năng lượng mặt trời. Solar API giả định tuổi thọ của một hệ thống năng lượng mặt trời là 20 năm.

Sản lượng năng lượng mặt trời hằng năm

Solar API ước tính sản lượng năng lượng hằng năm của một hệ thống năng lượng mặt trời bằng cách xem xét các yếu tố như cường độ ánh sáng mặt trời, góc ánh sáng mặt trời và số giờ nắng có thể sử dụng mà một khu vực nhận được hằng năm.

Hệ thống năng lượng mặt trời tạo ra điện một chiều (DC). Bạn phải chuyển đổi điện này thành điện xoay chiều (AC) bằng bộ biến tần thì mới có thể sử dụng trong nhà. Một phần điện năng bị thất thoát trong quá trình chuyển đổi và hiệu suất của bộ biến tần sẽ quyết định lượng điện năng thất thoát.

Hiệu suất của quy trình chuyển đổi được gọi là DC sang AC derate. Để tính đến mức tổn thất này, Solar API nhân sản lượng hằng năm của hệ thống năng lượng mặt trời với hệ số giảm công suất từ DC sang AC là 0,85. Kết quả là sản lượng điện xoay chiều hằng năm, như trong công thức sau:

initialAcKwhPerYear = yearlyEnergyDcKwh x 0.85

Lượng năng lượng mà một hệ thống tạo ra sẽ giảm khoảng 0,5% mỗi năm trong suốt thời gian hoạt động của hệ thống. Để tính đến yếu tố này, sau năm đầu tiên, Solar API sẽ nhân sản lượng AC hằng năm của một cơ sở lắp đặt với 99,5% hoặc 0, 995 mỗi năm trong suốt thời gian hoạt động ước tính là 20 năm của cơ sở lắp đặt. Điều này được minh hoạ trong bảng sau.

Vì hiệu suất của tấm pin mặt trời giảm với tốc độ không đổi, nên về cơ bản, đây là một chuỗi hình học trong đó a = initialAcKwhPerYear và r = efficiencyDepreciationFactor. Chúng ta có thể dùng tổng hình học để tính LifetimeProductionAcKwh:

LifetimeProductionAcKwh = (dcToAcDerate * initialAcKwhPerYear * (1 - pow(efficiencyDepreciationFactor, installationLifeSpan)) / (1 - efficiencyDepreciationFactor))

Chi phí điện khi sử dụng năng lượng mặt trời

Nếu kích thước của hệ thống bị giới hạn bởi kích thước mái nhà hoặc các yếu tố khác, thì hệ thống năng lượng mặt trời có thể tạo ra ít điện hơn so với mức tiêu thụ của hộ gia đình. Trong những trường hợp này, hộ gia đình có thể sẽ phải trả một khoản tiền điện nhất định mỗi năm, như trong công thức sau:

annualKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear = annualUtilityEnergyRequired

Để tính chi phí này, Solar API áp dụng một mô hình chi phí hoá đơn cho lượng điện ước tính (tính bằng kWh) mà hộ gia đình sẽ cần từ một công ty điện lực trong suốt thời gian lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời. Công thức sau đây minh hoạ cách tính này:

annualUtilityBillEstimate = billCostModel(utilityEnergyRequired)

Để tính đến mức tăng hằng năm về chi phí điện, chúng tôi áp dụng costIncreaseFactor là 2,2% hoặc 0, 22 mỗi năm cho các vị trí ở Hoa Kỳ:

costIncreaseFactor = 1 + 2.2% = 1.022

Do lạm phát, chúng tôi phải chiết khấu giá trị của đơn vị tiền tệ trong các khoản chi phí ước tính trong tương lai. Để tính đến yếu tố này, chúng tôi áp dụng tỷ lệ chiết khấu 4% cho mô hình của mình đối với các vị trí ở Hoa Kỳ:

discountRate = 1 + 4% = 1.04

Bảng sau đây cho biết cách tính hoá đơn điện nước hằng năm trong suốt thời gian sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời. remainingLifetimeUtilityBill là tổng số tiền phải trả cho hoá đơn điện nước trong 20 năm tuổi thọ của hệ thống năng lượng mặt trời.

Chi phí điện khi không có hệ thống năng lượng mặt trời

Để tính toán số tiền mà một hộ gia đình có thể tiết kiệm được nếu lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời, chúng ta cũng phải tính toán số tiền mà hộ gia đình đó có thể phải trả nếu không lắp đặt.

Chúng ta lại phải tính đến chi phí điện ngày càng tăng và lạm phát bằng cách áp dụng costIncreaseFactor là 1,022 và discountRate là 1,04 vào phép tính, như khi chúng ta tính chi phí điện sử dụng năng lượng mặt trời.

Bảng sau đây cho thấy cách tính hoá đơn điện nước hằng năm khi không có hệ thống năng lượng mặt trời trong suốt thời gian sử dụng của hệ thống năng lượng mặt trời. costOfElectricityWithoutSolar là tổng hoá đơn tiền điện trong cùng khoảng thời gian 20 năm mà chúng tôi đã sử dụng để tính chi phí điện khi có năng lượng mặt trời.

Chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời

Solar API bao gồm chi phí lắp đặt cấu hình năng lượng mặt trời được đề xuất trong các thông tin ước tính mà API này cung cấp. Để ước tính chi phí lắp đặt, Solar API sử dụng một mô hình chi phí lắp đặt theo địa phương và quy mô lắp đặt.

installationCost = InstallationCostModel (installationSize)

Chương trình ưu đãi

Các cơ quan chính phủ có thể đưa ra ưu đãi cho việc lắp đặt năng lượng mặt trời. Các ưu đãi thường ở dạng khoản tín dụng thuế. Dựa trên vị trí của hộ gia đình, Solar API sẽ trừ mọi khoản ưu đãi hiện có cho hộ gia đình đó khỏi mức ước tính tổng chi phí.

Tổng chi phí khi lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời

Solar API tính tổng chi phí trong 20 năm của một cấu hình năng lượng mặt trời bằng công thức sau:

totalCostWithSolar = installationCost + remainingLifetimeUtilityBill - incentives

Tổng số tiền tiết kiệm được

Solar API tính toán khoản tiết kiệm cho hộ gia đình bằng công thức sau:

savings = costOfElectricityWithoutSolar - totalCostWithSolar

Solar API thực hiện các phép tính trên cho từng kích thước lắp đặt có thể có, sau đó đề xuất kích thước lắp đặt mang lại mức tiết kiệm tối đa cho hộ gia đình. Số tiền tiết kiệm ước tính sẽ được trả về cùng với đề xuất.