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 khác nhau mà API này sử dụng để đề xuất việc lắp đặt tấm năng lượng mặt trời và ước tính chi phí cũng như khoản tiết kiệm chi phí cho các địa chỉ ở Hoa Kỳ.

Nếu bạn nhập địa chỉ của một nơi ở trong khu vực được hỗ trợ ở Hoa Kỳ, Solar API sẽ cho bạn thấy các số liệu 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
• Khoản tiền tiết kiệm (tính bằng đô la Mỹ) mà ngôi nhà có thể tiết kiệm được trong suốt 20 năm sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời
• Hoá đơn tiền điện trung bình hằng tháng của các ngôi nhà trong khu vực của bạn (bạn có thể điều chỉnh cho phù hợp với ngôi nhà của 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 số liệu ước tính cho mọi công trình mà API này có dữ liệu, nhưng số liệu ước tính mà API này cung cấp phù hợp nhất với nhà ở hoặc công trình thương mại nhỏ. Solar API đề xuất kích thước lắp đặt tấm năng lượng mặt trời giúp tối đa hoá khoản tiết kiệm mà không sản xuất nhiều năng lượng hơn mức một hộ gia đình có thể tiêu thụ 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 vì các hộ gia đình ở Hoa Kỳ hiện nhận được ít hoặc không nhận được lợi ích tài chính từ việc sản xuất năng lượng dư thừa. Ở những địa điểm tại Hoa Kỳ có hệ thống đo lường ròng, các khoản tín dụng thu được từ việc sản xuất năng lượng dư thừa thường hết hạn theo thời gian.

Các giá trị bắt buộc để phân tích tài chính cho các địa điểm ở Hoa Kỳ

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

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

Ngoài ra, bạn cần thu thập các giá trị dành riêng cho vị trí cho các biến sau đây mà bạn sẽ sử dụng trong phép tính:

• billCostModel(): Mô hình của bạn để xác định chi phí (tính bằng đồng nội tệ) mà một hộ gia đình phải trả cho việc sử dụng một số lượng 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 các 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 (tăng 2,2% hằng năm) cho các địa điểm ở Hoa Kỳ.
• dcToAcDerate: Hiệu suất mà bộ biến tần chuyển đổi điện một chiều (DC) do tấm năng lượng mặt trời tạo ra thành điện xoay chiều (AC) được sử dụng trong một hộ gia đình. Solar API sử dụng 85% cho các địa điểm ở Hoa Kỳ.
• discountRate: Solar API sử dụng 1,04 (tăng 4% hằng năm ) cho các địa điểm ở Hoa Kỳ.
• efficiencyDepreciationFactor: Mức độ giảm hiệu suất của tấm năng lượng mặt trời mỗi năm. Solar API sử dụng 0,995 (giảm 0,5% hằng năm) cho các địa điểm ở Hoa Kỳ.
• ưu đãi: Bao gồm mọi chương trình ưu đãi bằng tiền để lắp đặt tấm năng lượng mặt trời do các cơ quan chính phủ ở khu vực của bạn cung cấp.
• installationCostModel(): Phương thức của bạn để ước tính chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời bằng đồng nội tệ cho một installationSize nhất định. Mô hình chi phí thường sẽ tính đến chi phí nhân công và chi phí 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. Ở dạng đơn giản nhất, bạn sẽ chia hoá đơn cho chi phí trung bình của một kWh ở vị trí của hộ gia đình.
• monthlyBill: hoá đơn tiền điện trung bình hằng tháng của một hộ gia đình.
• monthlyKWhEnergyConsumption: Số liệu ước tính về lượng điện trung bình mà hộ gia đình ở một vị trí nhất định tiêu thụ trong một tháng, tính bằng KWh.

Với các giá trị này và thông tin do phản hồi của API cung cấp, bạn có thể thực hiện các phép tính cần thiết để đề xuất installationSize phù hợp nhất cho các 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 trên một số tiền hoá đơn 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 kilowatt giờ (kWh) điện mà một hộ gia đình tiêu thụ mỗi tháng. Để biết chi phí hiện tại của điện trên khắp Hoa Kỳ và xác định số kWh từ hoá đơn hằng tháng, Solar API tham chiếu đến các cơ sở dữ liệu do Clean Power Research duy trì.

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

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

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

• Thời gian trong ngày
• Thông tin thời tiết
• Hướng của tấm năng lượng mặt trời so với mặt trời
• Bất kỳ bóng nào do các vật thể gần đó đổ lên tấm năng lượng mặt trời
• Tiềm năng tạo năng lượng mặt trời theo khu vực
• Tuổi thọ của hệ thống lắp đặt

Solar API bao gồm các yếu tố như tiềm năng tạo năng lượng mặt trời theo khu vực và tuổi thọ của hệ thống lắp đặt trong số liệu ước tính về sản lượng năng lượng hằng năm của hệ thống lắp đặt tấm 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 từ trên không và mô hình 3D nâng cao.

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 kích thước của hệ thống lắp đặt tấm năng lượng mặt trời cho một công trình nhất định ở Hoa Kỳ.

Phần giải thích về các phép tính sử dụng các thuật ngữ để biểu thị giá trị trong phép tính. Để biết phần giải thích về các thuật ngữ, hãy xem phần Định nghĩa các thuật ngữ được sử dụng trong phép tính 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 hoá đơn hằng tháng và chi phí điện ở 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 toán mức tiêu thụ năng lượng hằng năm tính bằng KWh bằng công thức sau:

annualKWhEnergyConsumption = monthlyKWhEnergyConsumption x 12

Mức tiêu thụ năng lượng của một hộ gia đình được giả định là không đổi hằng năm trong suốt thời gian sử dụng lắp đặt tấm năng lượng mặt trời. Solar API giả định tuổi thọ của hệ thống lắp đặt tấm 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 hệ thống lắp đặt tấm 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 có ánh sáng mặt trời có thể sử dụng mà một khu vực nhận được hằng năm.

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

Hiệu suất của quá trình chuyển đổi được gọi là mức giảm từ DC sang AC. Để tính đến tổn thất, Solar API nhân sản lượng hằng năm của hệ thống lắp đặt tấm năng lượng mặt trời với mức giảm 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 lắp đặt tạo ra giảm khoảng 0,5% mỗi năm trong suốt thời gian sử dụng hệ thống lắp đặt đó. Để tính đến điều này, sau năm đầu tiên, Solar API nhân sản lượng AC hằng năm của một hệ thống lắp đặt với 99,5% (tức là 0, 995) mỗi năm trong suốt thời gian sử dụng ước tính là 20 năm của hệ thống lắp đặt đó. Điều này được minh hoạ trong bảng sau.

Vì hiệu suất của tấm năng lượng mặt trời giảm theo tỷ lệ không đổi, nên về cơ bản, đây là một chuỗi hình học trong đó a = initialAcKwhPerYear và r = efficiencyDepreciationFactor. Chúng ta có thể sử dụng tổng hình học để tính toán LifetimeProductionAcKwh:

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

Chi phí điện khi sử dụng năng lượng mặt trời

Nếu kích thước của một hệ thống lắp đặt bị giới hạn bởi kích thước mái nhà hoặc các yếu tố khác, thì hệ thống lắp đặt tấm năng lượng mặt trời có thể sản xuất ít điện hơn mức một hộ gia đình tiêu thụ. Trong những trường hợp này, hộ gia đình có thể phải trả tiền cho dịch vụ điện nước cho một lượng điện nhất định mỗi năm, như trong công thức sau:

annualKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear = annualUtilityEnergyRequired

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

annualUtilityBillEstimate = billCostModel(utilityEnergyRequired)

Để tính đến mức tăng chi phí điện hằng năm, chúng tôi áp dụng costIncreaseFactor là 2,2% (tức là 0, 22) mỗi năm cho các địa điểm ở Hoa Kỳ:

costIncreaseFactor = 1 + 2.2% = 1.022

Do lạm phát, chúng tôi phải chiết khấu giá trị của đồng tiền trong số liệu ước tính về chi phí trong tương lai. Để tính đến điều này, chúng tôi áp dụng tỷ lệ chiết khấu 4% cho mô hình của mình đối với các địa điểm ở Hoa Kỳ:

discountRate = 1 + 4% = 1.04

Bảng sau đây cho biết cách tính toán hoá đơn dịch vụ tiện ích hằng năm trong suốt thời gian sử dụng hệ thống lắp đặt tấm năng lượng mặt trời. remainingLifetimeUtilityBill là tổng số tiền của các hoá đơn dịch vụ công cộng trong mỗi năm trong số 20 năm sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời.

Chi phí điện khi không sử dụng năng lượng mặt trời

Để tính toán số tiền mà một hộ gia đình có thể tiết kiệm được nếu lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, chúng ta cũng phải tính toán số tiền mà hộ gia đình 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 cho phép tính, như khi chúng ta tính toán chi phí điện khi sử dụng năng lượng mặt trời.

Bảng sau đây cho biết cách tính toán hoá đơn dịch vụ tiện ích hằng năm khi không sử dụng năng lượng mặt trời trong suốt thời gian sử dụng hệ thống lắp đặt tấm năng lượng mặt trời. costOfElectricityWithoutSolar là tổng số tiền của các hoá đơn dịch vụ công cộng trong cùng khoảng thời gian 20 năm mà chúng ta đã sử dụng để tính toán chi phí điện khi sử dụng 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 số liệu ước tính mà API này cung cấp. Để ước tính chi phí lắp đặt, Solar API sử dụng mô hình chi phí lắp đặt được bản địa hoá và kích thước của hệ thống lắp đặt.

installationCost = InstallationCostModel (installationSize)

Chương trình ưu đãi

Các tổ chức chính phủ có thể cung cấp chương trình ưu đãi để lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời. Các chương trình ưu đãi thường ở dạng tín dụng thuế. Dựa trên vị trí của hộ gia đình, Solar API sẽ trừ mọi chương trình ưu đãi hiện có cho hộ gia đình khỏi số liệu ước tính về tổng chi phí.

Tổng chi phí khi lắp đặt tấm năng lượng mặt trời

Solar API tính toán 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 ở trên cho từng kích thước lắp đặt có thể, sau đó đề xuất kích thước lắp đặt mang lại khoản tiết kiệm tối đa cho hộ gia đình. Số tiền tiết kiệm ước tính được trả về cùng với đề xuất.