Chính vì những ưu điểm vượt trội của nó so với các nguồn năng lượngkhác như: dễ chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, dễ truyền tải đi xa, hiệu suấtcao,… mà ngày nay điện năng được
TỔNG QUAN CÁC LOẠI NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Tổng quan về các loại năng lượng mới
Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng vô hạn được sản sinh từ các hiện tượng tự nhiên như gió, mưa, năng lượng mặt trời, sóng biển, thủy triều và địa nhiệt Đây là loại năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và được gọi là năng lượng tái sinh.
Năng lượng sạch, dù còn mới mẻ, đang tạo ra những thay đổi tích cực cho tương lai Nguồn năng lượng này nhanh chóng được áp dụng rộng rãi ở cả quy mô lớn và nhỏ, dần thay thế các nhiên liệu truyền thống trong bốn lĩnh vực quan trọng: nhiên liệu động cơ, làm mát, phát điện và hệ thống điện độc lập cho nông thôn.
Hình 1 1 Một số năng lượng tái tạo
- Là nguồn năng lượng sạch, ít gây ô nhiễm nên rất thân thiện với môi trường;
- Nhiều ứng dụng hữu ích, điển hình là tiết kiệm điện năng cho các hộ gia đình, nhà máy, xí nghiệp,
- Chi phí đầu tư ban đầu khá tốn kém bởi phải xây dựng hệ thống trang thiết bị hiện đại và tiên tiến;
- Do có nguồn gốc từ thiên nhiên nên tính ổn định thấp và thường chịu tác động từ các tác nhân gây ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.
1.1.3 Một số loại năng lượng tái tạo trên thế giới
Hiện nay, tua bin gió có công suất lớn, dao động từ 600kW đến 9MW, giúp tạo ra năng lượng điện từ sức gió Khi tốc độ gió tăng, sản lượng điện được sản xuất cũng tăng theo, đạt công suất tối đa cho tuabin.
Các khu vực có gió mạnh liên tục là lựa chọn lý tưởng cho các trang trại điện gió, với số giờ đầy tải của tuabin gió dao động từ 16% đến 57% hàng năm, đặc biệt cao hơn ở các vị trí ngoài khơi.
Năng lượng mặt trời có thể được khai thác thông qua nhiều công nghệ hiện đại, bao gồm sưởi ấm, năng lượng mặt trời tập trung (CSP), kiến trúc năng lượng mặt trời, quang điện, quang điện bộ tập trung (CPV) và quang hợp nhân tạo.
Ngày nay, con người sử dụng năng lượng tái sinh đa dạng, như sản xuất điện cho thiết bị điện và làm nước nóng, nhằm đáp ứng nhu cầu sống hàng ngày.
Hình 1 3 Năng lượng mặt trời
Thủy điện là nguồn năng lượng sạch, đang được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Năng lượng này hoạt động dựa vào sức nước từ các dòng sông có tốc độ chảy nhanh, giúp vận hành tuabin máy phát điện.
Hiện nay, nhiều quốc gia đang phát triển hệ thống nhà máy và đập thủy điện, tuy nhiên, những công trình này không được coi là nguồn năng lượng tái tạo do chúng làm giảm dòng chảy tự nhiên và thay đổi hướng chảy của nước Thủy điện và các đập thủy điện cũng ảnh hưởng đến đời sống con người và hệ sinh thái trong khu vực Đặc biệt, các nhà máy thủy điện nhỏ cần được quản lý chặt chẽ hơn để hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường.
Năng lượng sinh học, hay năng lượng sinh khối, được hình thành từ các nguồn tài nguyên tự nhiên như động vật và cây trồng Đây là nguồn năng lượng tái sinh có thể được sử dụng trực tiếp hoặc thông qua quá trình đốt cháy để tạo ra nhiệt năng.
Gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng việc đốt sinh khối từ thực vật thải ra lượng khí CO2 lớn, gây tác động tiêu cực đến môi trường Do đó, sinh khối ngày càng ít được xem như một nguồn năng lượng hoàn toàn sạch.
Hình 1 5 Năng lượng sinh học có nguồn gốc từ cây trồng
Năng lượng địa nhiệt của Trái Đất được hình thành từ quá trình hình thành hành tinh và sự phân rã phóng xạ của khoáng chất Ở những khu vực có độ dốc địa nhiệt cao, năng lượng này có thể được khai thác để sản xuất điện Tuy nhiên, công nghệ khai thác năng lượng địa nhiệt hiện vẫn còn hạn chế và chỉ áp dụng được ở một số nơi, đồng thời các vấn đề kỹ thuật cũng ảnh hưởng đến khả năng sử dụng loại năng lượng này.
Hình 1 6 Năng lượng địa nhiệt
1.1.3.6 Năng lượng chất thải rắn.
Chuyển hóa chất thải rắn thành năng lượng hiện nay là một phương pháp tái chế rác thải hữu cơ hiệu quả, giúp xử lý rác thải thành điện năng và đồng thời giảm phát thải khí nhà kính.
Nhiều quốc gia, đặc biệt là ở khu vực Bắc Âu, Singapore, Nhật Bản, Mỹ và Đức, đã thành công trong việc chuyển hóa rác thải thành nguyên liệu thô cho ngành công nghiệp Trong khi đó, các nước đang phát triển đối mặt với tình trạng gia tăng số lượng và mật độ rác đô thị, nhưng gặp khó khăn trong việc xử lý do thiếu vốn đầu tư và công nghệ.
Hình 1 7 Năng lượng chất thải rắn
Thủy triều là nguồn năng lượng sạch, được chuyển đổi thành điện năng, nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư cao Năng lượng này chỉ có thể khai thác hiệu quả ở những khu vực có dòng chảy mạnh hoặc thủy triều đạt mức cao.
Năng lượng tái tạo từ thủy triều gặp một số nhược điểm mà các nhà khoa học đang nỗ lực khắc phục để ứng phó với cuộc khủng hoảng năng lượng sắp tới Do đó, nguồn năng lượng này vẫn chưa được khai thác một cách rộng rãi.
Hình 1 8 Năng lượng thủy triều
1.1.3.8 Nhiên liệu hydrogen và pin nhiên liệu hydro.
Tổng quan về năng lượng mặt trời
1.2.1 Giới thiệu về năng lượng mặt trời
Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km, với nhiệt độ bên trong đạt gần 15 triệu độ và áp suất gấp 70 tỷ lần so với khí quyển Trái Đất, tạo điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ các phản ứng này tương tác với các nguyên tố khác bên trong Mặt Trời, chuyển đổi thành bức xạ có năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và nhiệt Bức xạ điện từ này trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng Quá trình bức xạ của Mặt Trời đã diễn ra trong 5 tỷ năm và sẽ tiếp tục trong vài tỷ năm tới.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên cung cấp cho hành tinh, được khai thác từ bức xạ ánh sáng và nhiệt của Mặt trời Đây cũng là nguồn gốc cho các loại năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, sinh khối và thủy triều Năng lượng mặt trời được coi là vô tận, nhưng để khai thác và sử dụng hiệu quả, cần hiểu rõ các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt là khi tiếp xúc với bề mặt trái đất.
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H2), Heli (He) chiếm 19,8
% các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chiếm 1,8%.
Mặt trời phát ra một lượng năng lượng khổng lồ, lên tới 3,865 x 10^26 J mỗi giây, tương đương với việc đốt cháy 1,321 x 10^16 tấn than đá tiêu chuẩn Tuy nhiên, bề mặt trái đất chỉ nhận được một phần rất nhỏ, khoảng 17,57 x 10^16 J.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời là kết quả của các phản ứng nhiệt hạt nhân, với nhiệt độ bề mặt khoảng 60000K và có thể lên tới hàng triệu độ ở bên trong Áp suất nội tại của mặt trời đạt mức cao hơn 340.10^18 Mpa.
Nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao bên trong mặt trời đã ion hóa vật chất và tạo ra chuyển động với năng lượng lớn Sự va chạm giữa các hạt này dẫn đến hàng loạt phản ứng hạt nhân Nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu đến từ hai loại phản ứng hạt nhân: phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon và nito, cùng với phản ứng hạt nhân proton-proton.
Khối lượng của mặt trời khoảng 21.027 tấn, và để mặt trời chuyển hóa toàn bộ khối lượng này thành năng lượng, cần khoảng thời gian lên đến 15.1013 năm Điều này cho thấy nguồn năng lượng mặt trời không chỉ khổng lồ mà còn bền vững trong thời gian dài.
1.2.2 Vai trò của năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời có khả năng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng hạt nhân Với hiệu suất chuyển đổi chỉ 10% trên diện tích 700x700 km tại sa mạc Sahara, năng lượng mặt trời có thể đáp ứng toàn bộ nhu cầu năng lượng.
Việc áp dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, không chỉ mang lại lợi ích sinh thái mà còn hỗ trợ kinh tế một cách gián tiếp So với các nguồn năng lượng truyền thống, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm nổi bật, giúp giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường.
Bức xạ mặt trời chủ yếu không đến từ các phản ứng hạt nhân trong nhân mặt trời, mà chỉ chiếm khoảng 3% Khi bức xạ gamma đi qua lớp vật chất dày 5.105 km của mặt trời, nó bị biến đổi mạnh mẽ Tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và khác nhau ở bước sóng, với độ dài bước sóng được đo bằng micromet (μm).
Hình 1 10 Dải bức xạ điện từ
Bức xạ gamma là dạng sóng ngắn nhất, phát ra từ tâm Mặt Trời và giảm năng lượng qua quá trình va chạm hoặc tán xạ, chuyển thành bức xạ Röntgen với bước sóng dài hơn Gần bề mặt Mặt Trời, nơi nhiệt độ đủ thấp để tồn tại vật chất ở trạng thái nguyên tử, các cơ chế khác bắt đầu hoạt động Bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài có phổ rộng, với cường độ tối đa nằm trong dải (10-1 ÷ 10) μm, và gần một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng (0,38 ÷ 0,78) μm, tức là vùng nhìn thấy của phổ.
Bức xạ trực xạ là chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời, trong khi tổng xạ là sự kết hợp của các tia trực xạ và tán xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ bên ngoài lớp khí quyển được tính cho 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ theo một công thức cụ thể.
: hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời.
C 0 = 5,67 W/m 2 K 4 : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
: nhiệt độ bề mặt mặt trời.
Hình 1 11 Góc nhìn mặt trời
Khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa, dẫn đến sự biến đổi của β và q Tuy nhiên, mức độ thay đổi này không lớn, vì vậy q có thể được coi là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi các chùm tia bức xạ đi qua khí quyển Trái đất, chúng bị hấp thụ và tán xạ bởi ôzôn, hơi nước và bụi, chỉ một phần năng lượng đến được bề mặt Trái đất Ôxy phân tử O2 phân ly thành ôxy nguyên tử O khi tiếp xúc với photon có bước sóng ngắn hơn 0,18μm, dẫn đến việc các photon này bị hấp thụ hoàn toàn Một số nguyên tử ôxy kết hợp thành phân tử ôzôn O, trong khi phần lớn tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo ra ôzôn.
Ôzôn hấp thụ bức xạ tử ngoại với mức độ thấp hơn ôxy, dẫn đến sự phân tách O3 thành O2 và O dưới tác dụng của các photon có bước sóng ngắn hơn 0,32μm Toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, tạo ra một quá trình ổn định Nhờ vào quá trình này, bức xạ tử ngoại khi đi qua khí quyển sẽ biến đổi thành bức xạ có năng lượng nhỏ hơn.
Các bức xạ trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với phân tử khí và hạt bụi trong không khí mà không làm phá vỡ các liên kết của chúng Kết quả là, các photon bị tán xạ đều theo mọi hướng, trong đó một số photon quay trở lại không gian vũ trụ.
Pin mặt trời – cấu tạo và nguyên lý
Pin năng lượng mặt trời là thiết bị bán dẫn có chứa nhiều diod p-n, có khả năng tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện Do đó, năng lượng mặt trời rất phù hợp cho những khu vực chưa được kết nối với lưới điện.
1.3.1 Cấu tạo pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.
Hình 1 12 Cấu tạo của pin mặt trời
Hình 1 13 Tế bào PMT cơ bản
Hiện tại, vật liệu chủ yếu để chế tạo Pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời chế tạo từ tinh thể silic chia làm 3 loại:
Pin mặt trời đơn tinh thể, được sản xuất qua quá trình Czochraski, có hiệu suất từ 11% đến 16% Tuy nhiên, loại pin này có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể thường có các mặt trống ở góc nối giữa các module.
Đa tinh thể được sản xuất từ silic nung chảy được làm nguội và làm rắn, thường có chi phí thấp hơn so với pin đơn tinh thể Mặc dù hiệu suất của chúng chỉ đạt từ 8% - 11%, nhưng khả năng tạo thành các tấm vuông lớn giúp che phủ bề mặt hiệu quả hơn, bù đắp cho hiệu suất thấp.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại silic này có hiệu suất thấp nhất, chỉ từ 3% - 6%, nhưng nó lại là lựa chọn tiết kiệm nhất vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Hình 1 14 Các loại cấu trúc pin mặt trời 1.3.2 Nguyên lý hoạt động
Khi chiếu sáng hệ thống, điện tử hấp thụ lượng tử ánh sáng (photon) có năng lượng hν, với h là hằng số Plank và ν là tần số ánh sáng, dẫn đến việc điện tử chuyển từ mức năng lượng thấp E1 lên mức E2.
Phương trình cần bằng năng lượng: hν = E 1 - E 2
Hình 1 15 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Trong các vật rắn, do tác động mạnh mẽ của mạng tinh thể lên các điện tử vành ngoài, năng lượng bị tách thành nhiều mức con gần nhau, tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp, gọi là vùng hóa trị, bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng và có năng lượng Ev Phía trên vùng hóa trị là vùng dẫn, nơi hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần, trong khi giữa hai vùng này là vùng cấm, có độ rộng năng lượng Eg, nơi không có mức năng lượng cho phép cho điện tử.
Khi ánh sáng chiếu vào vật rắn, photon có năng lượng hv được hấp thụ bởi điện tử trong vùng hóa trị, khiến chúng chuyển lên vùng dẫn và trở thành điện tử tự do e- Sự chuyển động này tạo ra lỗ trống trong vùng hóa trị, có thể di chuyển như một hạt mang điện tích dương (ký hiệu h+), và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hình 1 17 Các vùng năng lượng
Phương trình hiệu ứng lượng tử:
Điều kiện để điện tử hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là rất quan trọng.
414\* MERGEFORMAT (.) Suy ra bước sóng tới hạn λ của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e' - h+ là:
Khi ánh sáng chiếu vào vật rắn, các điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển lên vùng dẫn, tạo ra cặp hạt dẫn điện gồm điện tử và lỗ trống Hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang điện bên trong, và nó tạo ra một điện thế.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n.
Hình 1 18 Hiện tượng quang điện trên lớp bán dẫn
Khi photon tiếp xúc với silic, chúng có thể truyền qua mảnh silic nếu năng lượng của chúng thấp hơn mức cần thiết để nâng các electron lên mức năng lượng cao hơn Ngược lại, nếu năng lượng của photon lớn hơn mức cần thiết, silic sẽ hấp thu năng lượng đó.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó truyền đến các electron trong màng tinh thể, thường là các electron ở lớp ngoài cùng, khiến chúng trở thành dẫn điện và có khả năng di chuyển tự do trong bán dẫn Sự kích thích này tạo ra lỗ trống khi nguyên tử mất một electron, cho phép các electron của nguyên tử lân cận di chuyển để lấp đầy lỗ trống, từ đó tạo ra lỗ trống mới cho các nguyên tử khác Quá trình này tiếp diễn, làm cho lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon cần có năng lượng lớn hơn mức tối thiểu để kích thích electron trong lớp ngoài cùng dẫn điện Tần số bức xạ của mặt trời khoảng 6000°K, dẫn đến việc năng lượng chủ yếu được silic hấp thụ Tuy nhiên, phần lớn năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành nhiệt năng thay vì điện năng.
Một tế bào mặt trời sản sinh ra lượng điện năng hạn chế, vì vậy để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện lớn, người ta thường kết nối nhiều tế bào mặt trời thành các nhóm gọi là module mặt trời Mỗi module mặt trời được trang bị một giàn khung để giữ các tế bào và có khả năng tạo ra từ vài trăm watt điện năng Để đạt được công suất lớn hơn, các module có thể được ghép lại thành ma trận mặt trời.
1.3.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được tính theo công thức:
Tại điểm làm việc và , công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0.
Hình 1 19 Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời
Hình 1 20 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng von – ampe của pin như sau:
I SC là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có R S và R SH ) (A/m 2 )
I 01 là dòng bão hòa (A/m 2 ) q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10 -19 k là hệ số Boltzman = 1,38.10 -23 (J/k)
I, V, R s , R sh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở R s và R sh của pin trong mạch tương đương ở hình 1.20
- Dòng ngắn mạch ISC tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Nên đường đặc tính V -
Mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng
Hiện nay, Việt Nam áp dụng ba mô hình hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT): mô hình cấp điện độc lập, mô hình kết hợp giữa NLMT và các nguồn năng lượng khác, và mô hình NLMT kết nối với lưới điện quốc gia.
1.4.1 Mô hình hệ thống NLMT cấp điện độc lập
Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT) độc lập là hệ thống không kết nối với lưới điện, tự sản xuất điện và cung cấp trực tiếp cho người tiêu dùng Công suất của các tấm pin NLMT và ắc quy được xác định dựa trên nhu cầu điện hàng ngày của tải tiêu thụ và mức độ bức xạ mặt trời tại vị trí lắp đặt hệ thống.
Hình 1 27 Sơ đồ điển hình của hệ thống NLMT độc lập
Giàn pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được điều hòa bởi bộ điều khiển (charge controller) trước khi nạp vào acquy (Battery) Cuối cùng, bộ đổi điện DC/AC (Inverter) chuyển đổi dòng điện thành dạng xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng.
+ Tạo ra một nguồn điện độc lập Vì thế, có thể lặp đặt để cung cấp điện cho những vùng xa, nơi chưa có điện lưới quốc gia.
Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên vô tận và sẵn có, không gây hại cho môi trường Việc sử dụng năng lượng này không chỉ không phát thải chất thải nguy hiểm mà còn giúp bảo vệ nguồn nước và không khí Hơn nữa, năng lượng mặt trời hoàn toàn miễn phí và mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho cuộc sống.
Hệ thống năng lượng mặt trời không thể tự điều chỉnh công suất điện cung cấp cho phụ tải do phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời tại vị trí lắp đặt Trong mùa hè, hệ thống thường sản xuất lượng điện lớn, nhưng vào mùa đông, sản lượng điện có thể giảm xuống, dẫn đến khả năng không đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ điện của người dùng.
1.4.2 Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT và các nguồn năng lượng khác
Hình 1 28 Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- Diesel
Hình 1 29 Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- gió- Diese
Mô hình này chính là sự kết hợi giữa NLMT và các nguồn năng lượng khác như
NL gió, thủy điện nhỏ, Diesel….Sự kết hợp các nguồn nói trên tùy thuộc nhu cầu, đặc điểm phụ tải, tiềm năng các nguồn NLTT tại chỗ.
Mô hình này tập trung vào việc phát huy tối đa điện năng từ nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) Máy phát Diesel sẽ chỉ được kích hoạt khi nguồn điện từ NLTT không đủ để đáp ứng nhu cầu của phụ tải.
- Ưu điểm: Hệ thống vận hành linh hoạt, với độ tin cậy cao.
- Nhược điểm: Giá thành đầu tư cao.
1.4.3 Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới
1.4.3.1 Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới không dự trữ
Hình 1 30 Sơ đồ điển hình hệ thống NLMT kết nối lưới không dự trữ
Khi không có mặt trời, HTPMT không sản sinh ra điện Do đó, điện năng cấp cho các phụ tải sẽ được lấy từ lưới một cách bình thường.
Khi có ánh nắng, các tấm PMT tạo ra điện một chiều (DC) và thông qua bộ biến đổi DC-AC, điện này được chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) với tần số, pha và điện áp phù hợp để hòa vào lưới điện, cung cấp năng lượng cho các phụ tải.
Khi mất điện lưới, hệ thống ngưng hoạt động đảm bảo sự an toàn cho lưới điện.
Không sử dụng bình acquy: giảm được đáng kể chi phí đầu tư và bảo dưỡng cho hệ thống acquy.
Khai thác điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời (NLMT) hiệu quả nhất nhờ vào cơ cấu nổi bật, cho phép thu nhận, biến đổi và bổ sung trực tiếp vào lưới điện mà không bị tổn hao qua ắc quy Giải pháp này có thể được ứng dụng rộng rãi cho các hộ dân, cơ quan và đơn vị đang kết nối với lưới điện quốc gia.
Việc lắp đặt và sử dụng thiết bị rất đơn giản, cùng với chi phí bảo trì gần như bằng không, giúp rút ngắn thời gian thu hồi vốn tối đa và đảm bảo lợi nhuận theo dự tính đầu tư ban đầu.
Hệ thống này rất phù hợp cho các đơn vị như văn phòng, khách sạn, siêu thị và nhà máy, đặc biệt là những nơi có nhu cầu sử dụng điện cao trong khung giờ cao điểm từ 7 giờ sáng đến 5 giờ chiều.
Hiện nay, hệ thống quản lý điện lực Việt Nam chưa cho phép mua điện từ các nhà máy điện mặt trời và điện gió, dẫn đến tình trạng điện năng thừa không được sử dụng hiệu quả Khi hệ thống điện mặt trời nối lưới cung cấp nhiều điện hơn nhu cầu sử dụng, lượng điện thừa này sẽ bị coi là "phí uổng" vì không thể quay ngược đồng hồ điện để giảm chỉ số.
Một lựa chọn hợp pháp và thông minh là lắp đặt hệ thống nối lưới với công suất nhỏ hơn hoặc bằng công suất tải sử dụng Điều này giúp giảm chỉ số điện năng tiêu thụ từ lưới, mặc dù vẫn phải mua điện từ lưới nhưng với mức tiêu thụ thấp hơn.
1.4.3.2 Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ.
Hình 1 31 Sơ đồ minh họa hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ
- Nguyên lý hoạt động: Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm:
Hệ thống on - grid (hệ thống nối lưới): Sản xuất điện năng từ các tấm pin mặt trời thành điện 220V AC /50Hz để hòa vào điện lưới.
Hệ thống off-grid là một giải pháp độc lập, cho phép lưu trữ điện năng từ các tấm pin mặt trời vào acquy Hệ thống này sẵn sàng biến đổi điện năng thành điện 220VAC/50Hz, cung cấp cho các thiết bị khi không có nguồn điện lưới.
Khi khởi động hệ thống, Acquy luôn được ưu tiên nạp điện từ Mặt trời cho đến khi đầy Lúc này hệ thống On Grid chưa làm việc.
Khi acquy được sạc đầy, hệ thống sẽ tự động chuyển đổi điện DC từ PMT thành điện AC 220V để hòa vào lưới điện, với điện áp ra có tần số và pha tương thích, có thể là 1 pha hoặc 3 pha.
Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ tự động lấy điện DC từ Acquy và PMT để biến đổi thành điện AC- 220V cung cấp cho tải ưu tiên.
- Ưu điểm: Độ tin cậy cao vì được cấp điện từ 2 nguồn.
Việc sử dụng NLMT trong những giờ mặt trời chiếu sáng cho phép giảm sự phụ thuộc vào lưới điện trong ngày.
- Nhược điểm: Giá thành đầu tư và bảo dưỡng hệ thống ắc quy cao.
ĐỐI TƯỢNG THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN PHỤ TẢI
Đối tượng thiết kế
Hệ thống điện mặt trời áp mái hộ gia đình anh Nguyễn Văn Hải sẽ được lắp đặt tại địa chỉ 43 - 41 ĐCT Nội bài – Hạ Long, Đức Chính, Tx Đông Triều, Quảng Ninh.
Bảng 2 1 Thông tin mái nhà
STT Thông tin mái nhà
Kích thước có trong bản vẽ (~ 150 m 2 )
(Azimuth) Mái bằng không hướng
4 Độ dốc mái (Tilt) Không
6 Đường lên mái (để khảo sát và thi công)
Sử dụng thang sắt leo trực tiếp, cạnh cửa chính phòng khách.
7 Đường tập kết tấm pin lên mái
Do chiều cao mái thấp so với mặt đất và sân vườn rộng, vật tư được tập kết tại sân vườn trước cửa, sử dụng phương án buộc dây dù kép để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thi công.
8 Các vật cản trên mái Không
9 Chiều cao - diện tích khu vực chống sét 3 mét, diện tích khu vực = 14,5 (m 2 )
(tôn, ngói, bê tông) Bê tông, lát gạch hoa
11 Loại xà gồ mái, khoảng cách xà gồ Không
12 Đánh giá chất lượng của mái Chắc chắn
13 Loại liên kết vào mái đề xuất sử dụng
Trong khu vực lắp đặt, việc sử dụng dây cứu sinh bảo hộ là rất quan trọng Do đó, cần thiết phải lắp đặt cọc cứu sinh để buộc dây tại các vị trí được chỉ định trong quá trình thiết kế.
Hình 2 1 Hình sketch minh họa mái nhà
2.1.2 Mục tiêu của hệ thống năng lượng mặt trời
Tận dụng năng lượng tự nhiên để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng không chỉ giúp giảm chi phí tiêu thụ điện lưới mà còn góp phần tiết kiệm nguồn điện quốc gia.
Thực tế làm giảm hóa đơn điện tiêu thụ của khu vực như phòng khách hoặc những khu vực có phụ tải nặng.
Làm tiền đề để thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo và tiết kiệm năng lượng trong khu vực.
Giảm phát thải khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường.
Hệ thống được lắp đặt trên mái của biệt thự, vị trí này không gây cản trở cho việc triển khai và thi công công trình Thêm vào đó, mức độ che bóng vào buổi chiều của tòa nhà là không đáng kể.
Hình 2 3 Nhiệt độ môi trường Quảng Ninh (2023) [1]
Trong thời gian này, nhiệt độ môi trường dao động từ 14℃ đến 34℃, với sự biến đổi theo mùa khí hậu Đặc biệt, nhiệt độ trên bề mặt sân thượng có thể vượt quá nhiệt độ xung quanh trong một số trường hợp.
Hình 2 4 Nhiệt độ pin trung bình theo các tháng [2]
Theo datasheet của tấm pin, nhiệt độ trung bình cao nhất của tấm pin từ tháng 6 đến tháng 8 đạt khoảng 45°C, trong khi nhiệt độ trung bình thấp nhất từ tháng 12 đến tháng 1 chỉ khoảng 25°C Nhiệt độ này thay đổi theo mùa khí hậu tại Quảng Ninh.
2.1.4 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới không lưu trữ
Hình 2 5 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới không lưu trữ
Hệ thống pin năng lượng mặt trời trên mái Biệt Thự Đông Triều, Quảng Ninh, thu nhận bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành điện một chiều (DC) Nguồn điện này sau đó được biến đổi thành điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi điện nối lưới (Inverter hòa lưới) Bộ chuyển đổi này đảm bảo tối ưu hóa năng lượng từ hệ thống pin mặt trời, giúp kết hợp với điện lưới quốc gia cung cấp điện cho các tải tiêu thụ.
Khảo sát phụ tải
Dưới đây là bảng khảo sát công suất các phụ tải trong biệt thự.
Bảng 2 2 Bảng khảo sát công suất tầng 1
STT Thiết bị điện Số lượng
Thời gian sử dụng (h) (t) Điện năng tiêu thụ trong ngày (Ang) (Wh)
Bảng 2 3 Bảng khảo sát công suất tầng 2
STT Thiết bị điện Số lượng
Thời gian sử dụng (h) (t) Điện năng tiêu thụ trong ngày (Ang) (Wh)
Bảng 2 4 Tổng điện năng trong ngày
STT Tên phụ tải Hệ số Ksd Điện năng Ađ (kWh)
Tổng nhu cầu điện năng trong ngày theo lý thuyết của các phụ tải là:
Tổng nhu cầu điện năng thực tế là:
Căn cứ theo bảng thống kê trên và ước tính được một ngày trong tháng 6 (tức tháng nóng nhất trong năm) được thống kê theo đồ thị sau:
Hình 2 6 Biểu đồ công suất của ngày sử dụng tải lớn nhất
Tính toán và lựa chọn thiết bị cho hệ thống điện NLMT
2.3.1 Tính toán, lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời
Tổng điện năng tiêu thụ của các phụ tải trong biệt thự đạt 20.4 KWh, tương ứng với tổng số công suất watt – hour sử dụng hàng ngày của các thiết bị là 20.4 kWh/ngày.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống năng lượng mặt trời, số Watt-hour mà tấm pin mặt trời cung cấp cần phải lớn hơn tổng số Watt-hour của toàn bộ tải Thực nghiệm cho thấy mức cung cấp này nên cao hơn khoảng 1,3 lần so với tổng tải.
Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt - hour toàn tải sử dụng:
Wh tấm pin = 20.4 x 1,3 = 26.56 (kWh/ngày)
Tổng số Watt – peak của hệ thống
Hệ số bức xạ mặt trời được chọn dựa trên vị trí địa lý, vì cùng một loại pin mặt trời sẽ có hiệu suất hấp thụ điện khác nhau ở các khu vực khác nhau Để hiểu rõ hơn, chúng ta có thể xem xét bảng giá trị trung bình về cường độ bức xạ mặt trời và số giờ nắng trong năm tại một số khu vực ở Việt Nam.
Bảng 2 5 Giá trị trung bình cường độ bức xạ mặt trời ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực ở Việt Nam
STT Khu vực Hệ số bức xạ
Số giờ nắng trung bình
3 Khu vực Bắc Trung Bộ 4,6 – 5,2 1700 – 2000
4 Khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên
Trong đó xét đến Đông Triều – Quảng Ninh thì có hệ số bức xạ khoảng 4.0
(kWh/m 2 /ngày) (theo trung tâm khí tượng thủy văn tỉnh Quảng Ninh)
Như vậy năng lượng điện sinh ra tối đa có thể được cung cấp bởi một tấm pin năng lượng mặt Watt – peak
Lựa chọn tấm Pin JKM600-66HL4M-BDV của hãng JinKosolar
Hình 2 7 Tấm pin mặt trời JKM600-66HL4M-BDV
Bảng 2 6 Đặc tính cơ học của tấm pin JKM600-66HL4M-BDV
Cell Type N type Mono – crystalline
Front Glass 2.0mm, Anti-Reflection Coating
Back Glass 2.0mm, Heat Strengthened Glass
(+): 400mm, (-): 200mm or Customized Length
Bảng 2 7 Thông số kĩ thuật tấm pin JKM600-66HL4M-BDV
Module Type JKM600N-66HL4M/BDV
Maximum system voltage 15OOVDC (IEC)
Chọn tấm pin mặt trời có 600 Wp vậy số tấm pin cần dùng là:
2.3.2 Tính toán, lựa chọn Inverter
Với R s là tỉ số giữa công suất của hệ pin và công suất inverter
P v là công suất đặt của hệ thống pin mặt trời
P invAC là công suất đầu ra của inverter phía AC
Hệ số R s lý tưởng nhất là 1,1, trong khi giá trị 1,2 dẫn đến tổn thất tối thiểu Giá trị 1,25 và 1,3 có thể cải thiện hiệu quả kinh tế của dự án, đặc biệt khi dự án bị hạn chế bởi công suất ra của Inverter Hệ số Rs nhỏ hơn 1 cho thấy mảng pin mặt trời được kết nối với một Inverter có công suất lớn hơn, giúp bảo toàn công suất đỉnh của mảng Tuy nhiên, việc đạt công suất đỉnh trong thực tế rất hiếm gặp.
Tổng số Watt – peak của hệ thống là = 6640 (Wp).
Suy ra ta chọn công suất của Inverter:
Từ đó ta chọn Inverter Sungrow SG8K-D 8kW 1 Pha 220V có công suất 8kW
3 pha của công ty Sungrow để thực hiện cho hệ thống điện mặt trời này.
Hình 2 8 Biến tần hòa lưới Sungrow SG8K-D 8kW 1 Pha 220V
Bảng 2 8 Thông số kĩ thuật của biến tần Sungrow SG8K-D 8kW 1 Pha 220V
Mã hiệu SG8K-D Điện áp DC vào tối đa 600 V Điện áp DC vào định mức 320 V Điện áp DC vào tối thiểu/Khởi động 90/120 V
Dòng điện 1 chiều vào tối đa 25 A
Dòng điện ngắn mạch tối đa PV 30A
Số lượng MPP 2 Đầu nối MC4
Công suất AC ra danh nghĩa 8Kw
Dải điện áp AC đầu ra 180-276 V
Dòng điện AC tối đa 34.8 A Điện áp xoay chiều định mức 230 V
Dải tần số 45 Hz – 55 Hz / 55 Hz – 65 Hz
Tiêu thụ điện năng ban đêm < 3W
Lớp bảo vệ IP65 Độ ẩm 0-100%
Tính toán lựa chọn dây dẫn và các thiết bị bảo vệ
2.4.1 Tính toán lựa chọn dây dẫn
Tiêu chí thiết kế hệ thống DC được xác định theo các yêu cầu sau khi tham khảo các hướng dẫn của IEC-60439-1:
Sụt áp không quá 3% trên các mạch có chiều dài khác nhau (từ chuỗi PV đến Inverter) Tổng tổn thất năng lượng trên cáp DC không quá 1%
Đầu nối với Inverter: các Inverter thường có đầu cốt đấu nối cáp điện tối đa đến 400mm 2
Cáp được lựa chọn cần có tiết diện dây phù hợp với mật độ dòng điện cho phép theo tiêu chuẩn IEC 60439-1 Độ dài của các đoạn cáp sẽ được khảo sát dựa trên kích thước của các tấm PV và vị trí thực tế của các thiết bị dự kiến, đồng thời thực hiện đo đạc tại hiện trường.
Dựa vào bảng tiêu chuẩn về dây dẫn 1 chiều IEC 60439 – 1: 2004:
Bảng 2 9 Tiết diện dây dẫn theo tiêu chuẩn IEC 60439 -1 [4]
Dòng điện định danh Dây dẫn cứng hoặc xoắn Dây dẫn mềm
Với thông số kỹ thuật tấm pin năng lượng mặt trời có Isc = 15,84 A và theo tiêu chuẩn IEC, ta chọn dây dẫn có tiết diện 4 mm² Do đó, loại dây cáp chuyên dụng 1500VDC chuẩn PV1-F 1*4mm là lựa chọn phù hợp, với các đặc tính nổi bật.
Cáp điện đáp ứng tiêu chuẩn TUV; UL; VDE; CUL
Chống tia UV, chống nước, cách điện PVC/XLPE
Nhiệt độ cách điện XLPE 120 o C
Lõi kim loại mạ kẽm
Điện áp làm việc 1500VDC ở nhiệt độ -40 o C – 90 o C
Cáp DC cần đáp ứng tiêu chuẩn chống cháy, hạn chế sinh khói và không phát thải khí halogen khi bị đốt Lớp vỏ của cáp DC thường được chế tạo từ các hợp chất chống cháy vô cơ.
Cáp DC được chế tạo với lớp Polymer ứng dụng công nghệ "electron-beam crosslinking", giúp ngăn chặn nước thấm vào bên trong cáp ngay cả khi cáp bị ngâm trong nước.
Hình 2 9 Dây cáp chuyên dụng 1500VDC chuẩn PV1-F 1*4mm
Dây tiếp địa cho tấm pin
Theo tiêu chuẩn TCVN 4756, đối với các thiết bị điện có điểm trung tính cách ly, điện dẫn của dây nối đất phải đạt ít nhất 1/3 điện dẫn của dây pha Bên cạnh đó, tiết diện dây nối đất không được nhỏ hơn các quy định trong bảng tiêu chuẩn Cụ thể, không yêu cầu sử dụng dây đồng có tiết diện lớn hơn 25mm², dây nhôm lớn hơn 35mm², và dây thép lớn hơn 120mm² Tiêu chuẩn này nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc chọn dây tiếp địa.
Bảng 2 10 Tiêu chuẩn chọn tiết diện dây tiếp địa [5]
Dây trần: Tiết diện, mm 2 4 6 - - - Đường kính, mm - - 5 5 10
Dây dẫn có bọc cách điện với tiết diện từ 1.5 mm² đến 2.5 mm² được sử dụng phổ biến Lõi nối đất và lõi nối không của dây cáp cùng với dây dẫn nhiều lõi được bảo vệ chung trong một vỏ bọc, đảm bảo an toàn cho các dây pha.
Thép góc bề dày của gờ, mm 2 - - 25 48 48
Thép dẹt, tiết diện mm 2 - - 3 4 4
Bề dày, mm - - 2.5 3.5 3.5 Đường ống dẫn nước và dẫn khí ( bằng théo) bề dày thành ống, mm
- - 1.5 2.5 Đường ống móng ( bằng théo) bề dày thành ống, mmQua bảng trên => chọn tiết diện dây tiếp địa cho tấm pin là 6 mm 2
Hình 2 10 Hệ tiếp địa tấm pin
Dây dẫn xoay chiều AC
Cường độ dòng điện phía AC được tính như sau:
Với công suất P = 6,64 kW, U = 380 V, cos𝜑 = 0,95 ta có:
Với I = 10,6 A Dựa theo phụ lục A bảng A1 của tiêu chuẩn IEC 60439 – 1:
Do 10 (A) < I = 10,6(A) < 12(A) => chọn dây dẫn có tiết diện 4 mm 2 Vậy ta chọn được dây cáp điện 4x4mm CU/XLPE/PVC CADISUN
Hình 2 11 Cáp điện 4x4mm CU/XLPE/PVC CADISUN
Dây tiếp địa của hệ thống Áp dụng theo TCXDVN 319:2004 Theo đó tiết diện nhỏ nhất của dây bảo vệ được áp dụng như sau:
Bảng 2 11 Kích thước nhỏ nhất của dây nối đất và dây trung tính bảo vệ [4]
Từ bảng trên kết hợp với tiết diện của dây AC chọn bên trên (4 mm 2 ).
Chọn tiết diện dây dẫn tiếp địa của hệ thống là 16 mm 2
2.4.2 Tính toán chọn tủ điện và thiết bị đóng cắt
Khi lựa chọn MCB (Miniature Circuit Breaker) và MCCB, cần lưu ý rằng MCB là thiết bị điện dùng để đóng ngắt mạch điện một pha hoặc ba pha, với chức năng bảo vệ mạch khỏi quá tải, ngắn mạch và sụt áp.
MCCB (Moulded Case Circuit Breaker), hay còn gọi là át khối hoặc aptomat vỏ đúc, là thiết bị bảo vệ điện quan trọng giúp bảo vệ mạch điện khỏi dòng điện quá mức, ngăn ngừa tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch Việc lựa chọn MCB và MCCB đúng cách là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.
Dòng điện định mức của MCB lớn hơn hoặc bằng dòng điện lớn nhất chạy trên dây dẫn: IMCCB ≥ Imax
Ta có dòng điện cực đại đầu ra của inverter là
Dòng cắt định mức của MCB phải lớn hơn hoặc bằng dòng ngắn mạch lớn nhất tại điểm đặt MCB, chúng tôi chọn sơ bộ:
Điện áp định mức của MCCB cần phải lớn hơn hoặc bằng điện áp định mức của lưới điện, tức là UMCCB ≥ Uđm Điều này đảm bảo rằng dòng điện áp đầu ra của Inverter hoạt động hiệu quả và an toàn.
Qua các thông số như trên thì chúng tôi chọn 2 MCB LS BKN 16A 6kA 2P cho tủ điện với thông số như sau:
Hình 2 12 MCB LS BKN 16A 6kA 2P
Ta có bảng thông số kỹ thuật của MCB như sau:
Bảng 2 12 Thông số kỹ thuật MCB 4P LS 16A 10kA
Dòng cắt ngắn mạch 6kA
Chọn đồng hồ bám tải
Nguyên lý hoạt động của đồng hồ bám tải:
Khi cung vượt cầu, đồng hồ bám tải sẽ gửi thông tin đến biến tần, cho biết rằng lượng điện tiêu thụ trong nhà thấp hơn sản lượng điện từ hệ thống điện mặt trời Điều này yêu cầu biến tần giảm công suất để đạt được sự cân bằng với lượng điện tiêu thụ trong nhà.
Khi cung không đủ cầu, đồng hồ bám tải sẽ gửi thông tin đến Biến tần, thông báo rằng lượng điện tiêu thụ trong nhà vượt quá sản lượng điện từ hệ thống điện mặt trời Điều này yêu cầu Biến tần sử dụng điện lưới để bù đắp phần thiếu hụt.
Lựa chọn đồng hồ bám tải
Hình 2 13 Đồng hồ bám tải 1 Pha Sungrow-s100
Hình 2 14 Thông số kỹ thuật đồng hồ bám tải 1 Pha Sungrow-s100
Sơ đồ đấu nối đồng hồ bám tải yêu cầu đồng hồ đo năng lượng được lắp đặt tại công tắc chính Kẹp CT cần phải bọc tất cả các dây dẫn mang điện vào nhà, và mũi tên trên CT phải hướng về phía nhà để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc đo lường năng lượng.
Hình 2 15 Sơ đồ đấu nối đồng hồ bám tải
Tính toán kinh tế
Để xác định kính tế và thời gian thu hồi vốn, cần liệt kê các thiết bị trong hệ thống cùng với giá trị của chúng, bao gồm chi phí nhân công, từ đó tính tổng chi phí lắp đặt Bên cạnh đó, việc tính toán lượng điện năng mà pin sản xuất cũng giúp xác định thời gian thu hồi vốn hiệu quả.
Bảng 2 13 Bảng thiết bị sử dụng cho công trình
STT Tên sản phẩm Hình ảnh SL
Chống sét Dây điện Giắc nối Phụ kiện khác
5 Đồng hồ bám tải 1 Pha
6 Nhân công 5 người (thợ lắp đặt, cơ khí, KS điện)
Bảng 2 14 Bảng tính toán chi phí
STT Tên thiết bị Số lượng Đơn giá/VNĐ
Thời gian sử dụng/năm.
Tấm pin năng lượng mặt trời Pin
Tiền điện ban đêm sử dụng:
Trung bình số giờ không có nắng:
Dựa vào hình 2.6, lượng điện tiêu thụ vào buổi tối khoảng 6 số điện trong 10 tiếng Trung bình, lượng điện tiêu thụ mỗi giờ trong thời gian không có nắng là khoảng 0,6 số điện.
Tiền điện mua để sử dụng vào ban đêm 1 năm là:
0,6 x 4327,2 x 3000 = 7788960 (VND) Bảng 2 15 Bảng tính toán tổng chi phí đầu tư
STT Tên chi phí Số tiền
3 Chi phí điện ban đêm 7,788,960
Bảng 2 16 Bảng tính toán thời gian hoàn vốn
Công suất của hệ thống trong 1 giờ nắng ở điều kiện tiêu chuẩn
Công suất tấm pin x số lượng tấm pin
Lượng điện tạo ra với hệ số giờ nắng 4 giờ một ngày
Công suất hệ thống trong một giờ x số giờ nắng
Lượng điện tạo ra trong một tháng
Lượng điện tạo ra trong một ngày x 30 ngày
Lượng điện tạo ra trong một năm
Lượng điện tạo ra trong một tháng x 12 tháng
Doanh thu / năm Lượng điện tạo ra trong 1 năm x giá điện
Thời gian hoàn vốn Tổng chi phí đầu tư / doanh thu một năm
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Cấu trúc điều khiển
Các cấu trúc mạch lực cho pin mặt trời rất đa dạng nhưng đều có điểm chung trong sơ đồ khối chức năng điều khiển Hệ thống điều khiển điện tử công suất cho pin mặt trời được chia thành ba cấp chức năng chính.
Hình 3 1 Sơ đồ khối chức năng điều khiển ĐTCS nối lưới cho pin mặt trời
Điều khiển cấp 1 bao gồm các chức năng cơ bản như vòng điều khiển điện áp, dòng điện và điều chế độ rộng xung cho thiết bị biến đổi công suất Thuật toán vòng khóa pha PLL được sử dụng để đồng bộ hóa với điện áp lưới, đáp ứng các yêu cầu khi kết nối lưới.
Điều khiển cấp 2 trong hệ thống pin mặt trời bao gồm các chức năng cụ thể như thuật toán theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT), bảo vệ chống cô lập (anti-islanding) và giám sát, chẩn đoán lỗi Những tính năng này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của pin mặt trời và đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
Điều khiển cấp 3 (ancillary functions) trong hệ thống điều khiển điện tử công suất có thể tích hợp các chức năng như lọc tích cực và bù công suất phản kháng, dựa trên đặc điểm cấu trúc mạch lực và chế độ làm việc Đây là cấp điều khiển phụ có thể hiện diện hoặc không trong hệ thống điều khiển điện tử công suất của hệ pin mặt trời.
Các bộ biến đổi trong hệ PV.
Các bộ biến đổi trong hệ PV gồm có bộ biến đổi chiều DC/DC và bộ biến đổi DC/AC:
Bộ DC/DC đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điểm làm việc tối ưu của pin và ổn định nguồn điện một chiều từ pin mặt trời cho tải và ắc quy Ngoài ra, nó còn giúp điều khiển chế độ nạp và phóng, bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của ắc quy Trong số các loại bộ biến đổi DC/DC, ba loại phổ biến nhất là bộ tăng áp Boost, bộ giảm áp Buck và bộ hỗn hợp Boost-Buck, được lựa chọn dựa trên mục đích và nhu cầu sử dụng.
Khóa điện từ trong mạch DC/DC được điều khiển để đóng ngắt theo từng chu kỳ, kết hợp với thuật toán MPPT (maximum power point tracking) nhằm tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống quang điện Mạch vòng điều khiển và thuật toán MPPT đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả nhất.
Bộ chuyển đổi DC/AC có chức năng chuyển đổi nguồn điện một chiều thành điện xoay chiều ba pha (380 VAC, tần số 50Hz hoặc 60Hz), nhằm phục vụ cho việc hòa lưới điện hoặc cung cấp năng lượng cho các tải có công suất lớn.
Mô hình hóa hệ thống PV và bộ biến đổi Buck Converter
Quá trình mô hình hóa cần dựa trên các giả thiết lý tưởng để đạt được các mối quan hệ gần đúng với độ chính xác chấp nhận được, đảm bảo rằng kết quả tính toán phản ánh thực tế mà không làm cho mô hình trở nên quá phức tạp Dưới đây là các giả thiết quan trọng nhất.
1 Phần tử bán dẫn là một khóa lý tưởng Khi nối mạch thì điện trở tương đương bằng không khi ngắt mạch thì điện trở tương đương bằng vô cùng
Hơn nữa thời gian đóng mở của khóa coi là tức thời
2 Các nguồn điện là lý tưởng Nguồn áp có nội trở bằng không, như vậy không được phép ngắn mạch vì dòng ra sẽ bằng vô cùng Nguồn dòng có nội trở bằng vô cùng, như vậy không được phép hở mạch vì điện áp ra sẽ bằng vô cùng.
3 Các phần tử phản kháng như tụ điện, điện cảm là tuyến tính Nói cách khác là giá trị điện cảm L không phụ thuộc dòng điện qua nó, còn tụ C không phụ thuộc vào điện áp trên nó.
Các giả thiết giúp đơn giản hóa các phương trình mô tả mạch điện, nhưng vẫn cần xem xét các yếu tố thực tế Để tính toán tổn hao phát nhiệt, cần thêm một điện trở nối tiếp với van bán dẫn hoặc nguồn áp, trong khi với nguồn dòng, cần sử dụng một điện trở song song.
3.2.1 Mô hình hóa tấm PV
Hình 3 2 Sơ đồ mạch điện tương đương của pin quang điện
Khi được chiếu sáng thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph vì vậy pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng
Lớp tiếp xúc p-n hoạt động như một diode D với tính chất chỉnh lưu Tuy nhiên, khi bị phân cực ngược, do điện trở tiếp xúc có giới hạn, vẫn có dòng điện rò qua lớp này Dòng điện rò qua lớp tiếp xúc p-n được đặc trưng bởi điện trở shunt Rsh.
Dòng quang điện trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, cùng với các điện cực và tiếp xúc, tạo thành một điện trở tổng hợp RS mắc nối tiếp Điều này cho phép xây dựng sơ đồ tương đương tổng quát của PMT, như được minh họa trong hình 3.2.
Phương trình đặc tính (I - V) của một tế bào PMT là :
I s là dòng bão hòa của diode, [A] q là điện tích của electron, q = 1,6.10 -19 k : hằng số Boltzman, k= 1,381.10 -23 J/K
T : là nhiệt độ lớp tiếp xúc, [K] n : hệ số lý tưởng của diode
I PV : dòng điện ra của pin mặt trời, [A]
Điện áp ra của pin mặt trời (PV) được xác định bằng cách ghép nối các tế bào quang điện (PMT) thành một module PMT Khi ghép nối Ns tế bào PMT theo chiều nối tiếp và Np tế bào PMT theo chiều song song, ta có thể xây dựng phương trình đặc tính I – V tổng quát cho hệ thống.
Đặc tính làm việc của pin mặt trời được thể hiện qua đường đặc tính I(U), trong đó có hai thông số quan trọng: điện áp hở mạch (khi dòng điện ra bằng 0) và dòng điện ngắn mạch ISC (khi điện áp ra bằng 0) Điểm làm việc tối ưu MPP (maximum power point) trên đường đặc tính P(U) là nơi điện áp đạt cực đại UMPP và công suất cũng đạt cực đại.
3.2.2 Mô hình hóa bộ Buck Converter
Mạch Buck, hay còn gọi là mạch Buck hạ áp, là một loại mạch chuyển đổi DC-DC phổ biến, bao gồm bốn linh kiện chính: diode, khóa chuyển mạch điện tử, cuộn dây và tụ điện Mạch này có khả năng chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp một cách hiệu quả, đồng thời giúp tiết kiệm năng lượng, kéo dài tuổi thọ pin, giảm nhiệt độ trong quá trình hoạt động và cho phép thiết kế các thiết bị nhỏ gọn hơn.
Hình 3 3 Cấu trúc mạch lực bộ Buck
Mạch Buck hoạt động dựa trên nguyên lý băm xung, sử dụng các khóa mạch MOSFET hoặc BJT để chuyển mạch điện tử, nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian nhất định theo chu kỳ T Điện áp đầu ra của mạch thay đổi theo chu kỳ T và thời gian đóng cắt của khóa chuyển mạch Dòng điện được dẫn qua các linh kiện điện tử bán dẫn và cuộn cảm, giúp nạp cho tụ điện, và sau khi nạp xong, nó duy trì dòng qua tải.
Khi dòng điện đi qua cuộn dây và nạp vào tụ điện, dòng điện sẽ tăng dần, dẫn đến điện áp ở đầu ra trên tải cũng tăng theo Trong giai đoạn này, diode không dẫn điện do bị phân cực ngược.
Khi tắt dòng qua tải, diode tự động điều chỉnh dòng qua tải chính, giúp bảo vệ linh kiện bán dẫn khỏi hư hỏng do điện áp ngược Điều này hạn chế tình trạng linh kiện bán dẫn bị chết khi điện áp ngược từ cuộn cảm tăng lên.
Hình 3 4 Sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi kiểu Buck trong trạng thái 1 Áp dùng định luật Kirchhoff cho 2 mạch vòng trên hình ta được:
Hệ phương trình trên được viết lại dưới dạng không gian trạng thái với dạng ma trận:
Hình 3 5 Sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi kiểu Buck trong trạng thái 2 Áp dùng định luật Kirchhoff cho 2 mạch vòng trên hình ta được:
Hệ phương trình trên được viết lại dưới dạng không gian trạng thái với dạng ma trận:
Từ 2 ma trận mô phỏng trạng thái 1 và 2 ta có bộ biến đổi Buck được mô tả trên không gian trạng thái theo dạng chuẩn như sau:
Trong phương trình trạng thái mô tả bộ buck có: i L , u C là biến trạng thái; d là hệ số điều chế và là biến điều khiển; u 0 là biến đầu ra.
Hàm truyền đạt giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế:
Hàm truyền đạt giữa dòng điện qua cuộn cảm và hệ số điều chế
Để đơn giản hóa hàm truyền đạt, ta giả định trở kháng tại nguồn vào là 0 và điện trở của cuộn cảm cũng là 0 Điều này cho phép chúng ta xây dựng một mô hình trạng thái đơn giản hơn.
Hàm truyền giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế:
26126\* MERGEFORMAT (.) Hàm truyền giữa dòng điện chảy qua cuộn cảm và hệ số điều chế:
27127\* MERGEFORMAT (.) Hàm truyền giữa điện áp đầu ra và điện áp vào:
Thiết kế điều khiển cho bộ Buck
Hình 3 6 Sơ đồ khối điều khiển gián tiếp cho bộ biến đổi DC/DC theo nguyên lý dòng điện trung bình
Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên hai mạch vòng nối cấp, trong đó đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp cung cấp tín hiệu cho bộ điều chỉnh dòng điện, và đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là hệ số điều chế đưa đến khối PWM Vòng điều khiển dòng điện có nhiệm vụ theo dõi dòng điện đặt với băng thông rộng, do đó hàm truyền giữa điện áp đầu ra và lượng đặt dòng điện được xấp xỉ gần đúng với hàm truyền giữa điện áp đầu ra và dòng điện thực Để thiết kế bộ điều chỉnh điện áp vòng ngoài, cần tính toán các thông số như điện áp nguồn 28V và điện áp ra 15V.
Dòng tải 5A Điện trở 3 Ohm Điện cảm 50μH Điện dung 500μF
Tần số phát xung 100kHz
3.3.1 Bộ điều khiển dòng điện
Hàm truyền giữa dòng điện qua cuộn cảm và hệ số điều chế d là:
Ta thay số và tìm được:
Cấu trúc bộ điều khiển PI.
31131\* MERGEFORMAT (.) Để hạn chế sự thay đổi độ dự trữ pha ta chọn tần số
Hệ số G ci_0 được lựa chọn để
Hàm truyền bộ điều chỉnh dòng điện:
3.3.2 Bộ điều khiển điện áp
Ta có hàm truyền giữa dòng điện và điện áp là:
Dựa trên đồ thị Bode của hàm truyền giữa dòng điện qua cuộn cảm điện áp \( G_{ui}(s) \), để triệt tiêu sai lệch tĩnh, chúng tôi đã chọn cấu trúc điều khiển PI cho bộ điều chỉnh điện áp.
Điểm zero của bộ điều chỉnh điện áp được xác định bằng điểm cực của hàm truyền đạt đối tượng 𝐺𝑢𝑖(s) Điều này giúp khử hằng số thời gian của đối tượng và đảm bảo rằng điểm zero của bộ điều chỉnh trùng với điểm cực của đối tượng.
Tính toán: G cu_0 = 0.966 với f c = 1 kHz
=> Bộ điều khiển mạch vòng điện áp:
Mô phỏng trên Matlab Simulink
Sơ đồ cấu trúc mô phỏng:
Để mô phỏng bộ Buck Converter trên phần mềm Matlab Simulink, cần sử dụng các thông số được trình bày trong bảng 3.1 và bảng 3.2 Bảng 3.1 chứa các thông số mô phỏng, trong khi bảng 3.2 cung cấp thông tin về bộ điều khiển dòng điện và điện áp.
Bảng 3 1 Thông số mô phỏng Điện áp nguồn 28V Điện áp ra 15V
Dòng tải 5A Điện trở 3 Ohm Điện cảm 50μH Điện dung 500μF
Tần số phát xung 100kHz
Bảng 3 2 Thông số bộ điều khiển
Bộ điều khiển dòng điện Kpc = 0,110454
Bộ điều khiển điện áp Kpv = 0,966
Sơ đồ mô phỏng bộ Buck trên Matlab Simulink
Hình 3 9 Sơ đồ mô phỏng bộ Buck
Hình 3 10 Điện áp đầu ra V o
Hình 3 11 Dòng điện qua cuộn cảm i L
