Năng lượng mặt trời (tiếp theo)

Hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập  Ước lượng tải  Bộ nghịch lưu và hệ điện áp  Ắc-quy và tính toán dung lượng ắc-quy  Tính toán lắp ghép dàn pin mặt trời  Hệ điện mặt trời la

408004 Năng lượng tái tạo

Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK1

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

nqnam@hcmut.edu.vn

Ch 2: Năng lượng mặt trời

2.8 Hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập

 Ước lượng tải

 Bộ nghịch lưu và hệ điện áp

 Ắc-quy và tính toán dung lượng ắc-quy

 Tính toán lắp ghép dàn pin mặt trời

 Hệ điện mặt trời lai

Hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập

Ước lượng tải tiêu thụ

 Công việc đầu tiên của quá trình thiết kế một hệ thống điện mặt trời.

 Sẽ có một vài bước tính lặp.

 Cần cân nhắc phụ tải nào là thiết yếu, phụ tải là xa xỉ.

 Sẽ đạt đến điểm thỏa hiệp, coi như tối ưu về cả chi phí

và nhu cầu của người sử dụng.

 Cần thông tin về cả công suất lẫn năng lượng, cùng với biểu đồ sử dụng của tất cả phụ tải sẽ được cung cấp điện

Ước lượng tải tiêu thụ

Ước lượng tải tiêu thụ

Ước lượng tải tiêu thụ

Ước lượng tải tiêu thụ

Ví dụ 9.14

 Ước tính nhu cầu năng lượng hàng tháng của một

cabin có toàn tải AC, bao gồm 1 tủ lạnh 19 cu ft, 6 bóng compact 30 W dùng 5 h/ngày, một TV 19 inch bật 3 h/ngày và nối vào một đầu thu vệ tinh, một

điện thoại không dây, một lò vi ba 1000 W dùng.6 phút/ngày, một máy giặt 250 W dùng 12 phút/ngày,

và một bơm chìm 100 ft cung cấp 120 gallon/ngày

Ví dụ 9.14

Bộ nghịch lưu và điện áp hệ thống

 Để ước tính công suất mà ắc-quy phải cung cấp, cần phải

xem xét hiệu suất của bộ nghịch lưu

Ví dụ 9.15

 Giả sử một tủ lạnh DC tiêu thụ 800 Wh/ngày được xem xét

để thay thế tủ lạnh AC đang tiêu thụ 1140 Wh/ngày Ước tính tải DC mà ắc-quy phải cung cấp nếu giả sử bộ nghịch lưu có hiệu suất 85% được dùng khi (a) tất cả các tải dùng nguồn

Wh/ngày

3109 DC

Ví dụ 9.15

 Nếu loại bỏ tủ lạnh, tải AC còn lại

 Tải DC tương ứng là

 Cộng thêm với tủ lạnh DC 800 Wh/ngày

 Cắt giảm được 15% nhu cầu năng lượng.

Wh/ngày

2316 0,85

Wh/ngày

1969 AC

cho DC

( 3 109 1140 ) Wh/ngày 1969 Wh/ngày AC

( 2316 800 ) Wh/ngày 3116 Wh/ngày tong

DC

Ví dụ 9.15

Điện áp hệ thống

 Công suất của bộ nghịch lưu có thể được xác định từ tổng

nhu cầu công suất của các tải sẽ đồng thời làm việc

 Công suất này sẽ giúp lựa chọn điện áp DC cho hệ thống

nếu giả sử dòng điện cực đại mong đợi là 100 A

Nhu cầu công suất liên tục cực đại

 Giả sử các phụ tải được sử dụng đồng thời, bộ nghịch lưu

phải có khả năng cung cấp nhu cầu công suất ở điều kiện này Bảng dưới đây tính toán cho ví dụ 9.14

Nhu cầu công suất đỉnh cực đại

 Ngoài ra, bộ nghịch

lưu cũng cần có đủ

khả năng cung cấp

công suất đỉnh cực đại

mà phụ tải yêu cầu

(các tải động cơ sẽ

làm tăng giá trị này)

 Các hệ thống điện mặt trời độc lập hiển nhiên cần một thiết bị lưu trữ năng lượng.

 Tồn tại nhiều công nghệ: bánh đà, khí nén, hydro, …

 Ắc-quy chì axit vẫn là công nghệ hợp lý nhất ở thời

điểm hiện tại, so với các công nghệ khác (kể cả ắc-quy khác như NiCd, NiMH, Li-ion, Li-Po, kền-kẽm, …)

 Ắc-quy chì axit được phân thành 3 loại: ắc-quy thường (khởi động, thắp sáng, và đánh lửa), xả sâu giá hạ, và

xả sâu tuổi thọ cao.

 So sánh tạm giữa các công nghệ ắc-quy.

Độ sâu phóng điện và tuổi thọ

 Độ sâu phóng điện và tuổi thọ tỷ lệ nghịch.

Phản ứng hóa học

 Khi phóng điện, các phản ứng sau diễn ra:

 Khi nạp điện, các phản ứng sau diễn ra:

 Chú ý: quy ước đặt tên anode và cathode dựa theo chế độ

phóng điện (electron chạy từ anode vào mạch điện)

O H 2 PbSO

2 SO

→ + 2 H O PbO 4H SO 2 e

Nhiệt độ thấp

 Nhiệt độ quá thấp làm giảm khả năng phóng điện của ắc-quy

Ắc-quy chì axit

 Khi xả sâu, dung dịch hầu như là nước, dễ bị đông hơn.

 Đồng thời, lớp PbSO4 làm giảm diện tích điện cực, tăng điện trở nội của ắc-quy

 Khối lượng riêng của ắc-quy giảm.

Ắc-quy chì axit

 Điện áp và tỷ trọng theo điện lượng.

Dung lượng ắc-quy

 Dung lượng của ắc-quy tăng khi dòng phóng giảm.

 Nhiệt độ thấp làm giảm dung lượng ắc-quy.

 Dung lượng được định mức theo dòng phóng C/20 ở 25 °C

Dung lượng ắc-quy

Ví dụ 9.16

 Giả sử ắc-quy tại một trạm viễn thông ở xa có thể làm việc ở nhiệt độ −20 °C Nếu cần cung cấp 500 Ah/ngày cho phụ tải trong 2 ngày, cần có dung lượng ắc-quy là bao nhiêu?

Giải:

 Theo hình 9.39, để tránh dung dịch bị đông, chỉ phóng hết

60% dung lượng Dung lượng cần thiết cho 2 ngày là

(500 Ah/0,6)×2 = 1667 Ah

 Ngoài ra, ắc-quy phóng ở C/48, tại −20 °C chỉ có thể phóng hết 80% dung lượng, dung lượng danh định cần có là

1667 Ah/0,8 = 2083 Ah

Ghép ắc-quy

 Mắc song song để tăng dung lượng.

 Mắc nối tiếp để tăng điện áp.

 Đảm bảo điều kiện ghép nối tiếp và song song

Hiệu suất của ắc-quy

 Giả sử ắc-quy được nạp bằng dòng IC ở áp VC trong thời gian

TC, sau đó phóng hết điện tại dòng ID ở áp VD trong thời gian

TD Hiệu suất năng lượng của ắc-quy là:

 Như vậy: Hiệu suất năng lượng =

hiệu suất điện áp × hiệu suất Coulomb

D C

C

D D C

D C

C C

D D

D

V

V T

I

T

I V

V T

I V

T I

V NL

HS

Ah Ah

Hiệu suất của ắc-quy

 Một ắc-quy 12 V có thể được xem có điện áp nạp trung bình

là 14 V, và điện áp phóng trung bình là 12 V Do đó, hiệu suất điện áp sẽ bằng 12/14 = 0,86 = 86%

 Hiệu suất Coulomb của ắc-quy thường từ 90 đến 95% Điều

này được giải thích như sau: khi ắc-quy nạp sắp đầy, điện áp của nó đủ cao để tạo ra hiện tượng điện phân nước, làm sinh

ra khí H2 và O2 thoát ra ngoài, mang theo một phần điện tích

đã được dùng để nạp điện cho ắc-quy

 Do đó, giả sử hiệu suất Coulomb là 90%, hiệu suất năng

Ví dụ 9.17

 Một ắc-quy 100 Ah, 12 V có điện áp nghỉ 12,5 V được nạp ở

C/5 bằng điện áp 13,2 V Dùng mạch Thevenin đơn giản:

a) Ước tính điện trở nội Ri của ắc-quy

b) Tỷ lệ tổn hao công suất do Ri là bao nhiêu?

c) Nếu nạp ở C/20, tỷ lệ tổn hao công suất là bao nhiêu?

Ví dụ 9.17

b) Tỷ lệ tổn hao công suất:

c) Ở C/20, dòng điện nạp là 100/20 = 5 A Điện áp nguồn khi đó

sẽ bằng V = 12,5 + 0,035×5 = 12,68 V

Tỷ lệ tổn hao công suất khi đó bằng:

% 3 , 5 053

,

0 2

, 13

20 035

, 0

,

0 68

, 12

5 035 ,

Ri

Hiệu suất Coulomb của ắc-quy

 Thực tế thì điện áp và nội trở của ắc-quy đều phụ thuộc vào

điện lượng hiện có trong ắc-quy

 Khi ắc-quy nạp gần đầy, điện áp tăng vọt làm phát sinh nhiều khí, do nước bị điện phân Đồng thời có thể xuất hiện sản

phẩm phụ do tác dụng của hydro với kim loại làm điện cực

Do đó cần thông gió tốt cho các buồng trữ ắc-quy

 Để hạn chế việc bổ sung nước cho ắc-quy (vì bị mất ôxy),

các ắc-quy dạng VRLA có van an toàn cho phép xả khí khi áp suất quá cao, nhưng chặn ôxy để tái hợp với chì Ắc-quy

VRLA có thể hạn chế đến 95% lượng khí thoát ra

Tính toán dung lượng ắc-quy

 Khi ánh sáng tốt, có thể chỉ cần tính dung lượng để phục vụ

tải trong đêm Khi ánh sáng kém, bộ ắc-quy có thể phải phục

vụ tải trong nhiều ngày

 Sự thỏa hiệp giữa việc chọn dung lượng lớn và dung lượng

nhỏ phụ thuộc chủ yếu vào chi phí, bên cạnh các yếu tố về tính linh động của phụ tải, và các nguồn dự phòng khác

 Do bản chất thay đổi của tự nhiên, những tính toán cần dựa

vào các mô hình thống kê để chọn dung lượng ắc-quy phù hợp cho hầu hết các trường hợp

Tính toán dung lượng ắc-quy

Tính toán dung lượng ắc-quy

 Gọi PSH là số giờ nắng đỉnh (Peak sun hour) và SD là số

ngày lưu trữ, các đường cong trên hình 9.46 có thể được xấp

xỉ bởi các phương trình

 Số ngày lưu trữ thể hiện dung lượng ắc-quy khả dụng sau khi

đã xét các yếu tố ảnh hưởng như độ sâu phóng điện cho

phép, hiệu suất Coulomb, nhiệt độ và mức phóng điện

3 , 0 73

, 4 24

, 1 43

, 9

%

Tính toán dung lượng ắc-quy

 Quan hệ giữa số ngày lưu trữ và dung lượng danh định của

ắc-quy (tại C/20, 25 °C) như sau

trong đó, MDOD là mức phóng điện tối đa, T là nhiệt độ, và

DR là mức phóng điện (hệ số (T, DR) tra theo đồ thị trên slide 26) của ắc-quy

 Xét một ví dụ cụ thể dưới đây.

( MDOD )( T DR )

SD

, luong

Ví dụ 9.18

 Một cabin có nhu cầu điện AC là 3000 Wh/ngày trong mùa

đông Tính khả dụng 95% được chọn, với 5% còn lại được hỗ trợ bởi một máy phát dự phòng Các ắc-quy được lưu trữ ở nơi mà nhiệt độ có thể đến –10 °C Điện áp hệ thống là 24 V,

và một bộ nghịch lưu có hiệu suất 85% sẽ được dùng

Giải:

 Tải DC của hệ thống là:

Wh/ngay

3529 85

, 0

Wh/ngay

3000 DC

 Ví dụ cho Salt Lake City, số giờ nắng đỉnh dùng để thiết kế là

3,1 giờ (cho góc nghiêng của tấm pin là L+15° )

Ví dụ 9.18

 Từ đồ thị ở slide 35 cho tính khả dụng 95% (hoặc dùng

phương trình), ta thu được số ngày lưu trữ là khoảng 4,6

 Như vậy, dung lượng lưu trữ khả dụng cần có là

(147 Ah/ngày)×4,6 ngày = 676 Ah

 Ta sẽ dùng ắc-quy chì axit cho phép phóng sâu đến 80%,

nhưng cần xác định hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ và mức

phóng điện, theo đồ thị ở slide 26

 Thời gian phóng điện là 4,6 ngày, do đó mức phóng điện quy

đổi là C/92, chúng ta sẽ dùng đường cong cho C/72 Ở nhiệt

 Dựa vào bảng 9.15 (slide 25), chúng ta thấy có thể ghép 4

dãy ắc-quy Trojan T-105 225 Ah, 6 V để cung cấp 900 Ah Vì điện áp của ắc-quy chỉ có 6 V, nên sẽ có 4 ắc-quy được ghép nối tiếp trong mỗi dãy, để tạo ra điện áp hệ thống 24 V

Ví dụ 9.18

Diode chặn phóng ngược

 PV thực tế có một nhánh dẫn điện song song đặc trưng cho

sự rò điện khi không đủ ánh sáng chiếu vào (Rsh) Do đó, khi không đủ ánh sáng, PV có thể tiêu thụ điện từ ắc-quy

 Người ta có thể hạn chế điều này bằng một diode chặn, mắc

giữa PV và bộ ắc-quy, để tránh cho dòng điện phóng ngược

từ ắc-quy sang PV khi không đủ ánh sáng

Ví dụ 9.19

 Một tấm pin mặt trời có 36 tế bào mắc nối tiếp, mỗi tế bào có

dòng điện bão hòa I0 bằng 10-10 A và điện trở song song 8 Ω

PV cung cấp dòng quy đổi 5 A trong 6 giờ mỗi ngày Tấm pin được nối với ắc-quy có điện áp 12,5 V mà không có diode chống phóng ngược

a) Có bao nhiêu Ah sẽ bị phóng ngược từ ắc-quy trong 15 h?

b) Bao nhiêu năng lượng sẽ bị hao hụt vì điều này?

c) Nếu thêm một diode chống phóng ngược, có bao nhiêu năng lượng sẽ bị tiêu tán trên diode này khi có đủ ánh sáng? Giả

Tính toán dàn pin mặt trời

Tính toán dàn pin mặt trời

 Khi nạp điện cho ắc-quy, PV hầu như luôn làm việc ở phía

trên cánh chỏ của đường cong I-V Tính toán theo quan điểm thận trọng (tính thừa)

Ah = (Dòng định mức)×(Số giờ nắng đỉnh) ×(Hiệu suất

Coulomb) ×(Hệ số suy giảm định mức)

 Hệ số suy giảm định mức thường được chọn là 0,9, để xét

đến ảnh hưởng của bụi bám và lão hóa dần

 Với điện áp hệ thống là 24 V, có thể mắc nối tiếp hai tấm pin

thiết kế cho hệ thống 12 V, hoặc dùng một tấm pin cho hệ

Ví dụ 9.20

 Cabin trong ví dụ 9.18 cần 147 Ah/ngày Giả sử hiệu suất

Coulomb là 0,9, và hệ số suy giảm định mức là 0,9 Dòng

điện định mức cần cung cấp từ PV là

Dòng định mức = (Ah cần thiết)/[(Số giờ nắng đỉnh) ×(Hiệu suất

Coulomb) ×(Hệ số suy giảm định mức)]

Ví dụ 9.20

 Sơ đồ khối của hệ thống tương tự như dưới đây.

Ví dụ 9.20

 Hệ thống chỉ thiếu hụt chút ít vào tháng 12.

Hệ pin mặt trời lai

 Hệ thống được thiết kế theo tháng xấu nhất trong năm

thường có sản lượng cao hơn rất nhiều vào những tháng

khác, đặc biệt ở khu vực không phải nhiệt đới

 Một hệ thống lai, trong đó hầu hết phụ tải được cung cấp từ

điện mặt trời, và một phần nhỏ được cung cấp từ máy phát,

có thể là một giải pháp hiệu quả

 Có thể phân tích nhu cầu năng lượng từng tháng và thay đổi

định mức của PV để quyết định tỷ lệ đầu tư cho PV và máy phát dự phòng Slide tiếp theo giới thiệu đồ thị điển hình

Hệ pin mặt trời lai

% tháng xấu nhất = 0,625×(% cả năm) (cả năm ≤ 0,8)

Hệ pin mặt trời lai

 Bộ ắc-quy có thể được giảm dung lượng

 Dòng điện phóng/nạp của ắc-quy không quá C/5

 Dung lượng cho 3 ngày có thể hạn chế số lần khởi động máy phát