Đối với Việt Nam, là nơi có nguồn tài nguyên bức xạ dồi dào, việc ứng dụng công nghệ Năng Lượng Mặt Trời NLMT ngay tại chỗ sẽ góp phần đáng kể phụ tải điện lưới quốc gia, khắc phục tình
Trang 1CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ KỸ THUẬT HỆ THỐNGMÁI NHÀ MẶT
TRỜI NỐI LƯỚI VÀ LẬP BẢNG DỰ TOÁN KINH PHÍ-
KHẢ NĂNG HOÀN VỐN KHI LẮP ĐẶT TẠI TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
5.1 MỤC TIÊU:
Hiện nay trước tình nguồn điện trong nước ngày càng thiếu hụt trầm trọng Đặc biệt khủng hỏang năng lượng tòan cầu ngày càng gây gắt Các nhà máy thủy điện thường xuyên trong tình trạng qúa tải và mùa khô lượng nước không đủ gây tình trạng mất điện trên diện rộng Khi cắt điện làm ảnh hưởng không nhỏ đến sinh họat hàng ngày như trường học thì học sinh thường xuyên nghỉ học, các dịch vụ công ích, các cơ sở y tế bị gián đoạn, …Do đó việc khai thác năng lượng tại chỗ (năng lượng mặt trời) là xu hướng tất yếu đã được ứng dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới như Mỹ, Đức, Anh, Nhật
Đối với Việt Nam, là nơi có nguồn tài nguyên bức xạ dồi dào, việc ứng dụng công nghệ Năng Lượng Mặt Trời (NLMT) ngay tại chỗ sẽ góp phần đáng kể phụ tải điện lưới quốc gia, khắc phục tình trạng mất điện, sử dụng nguồn năng lượng thân thiên và cải thiện môi trường
Vì vậy việc Nghiên cứu hệ thống mái nhà điện mặt trời kết nối lưới– lập bảng
dự toán kinh phí và khả năng hoàn vốn khi triển khai ứng dụng tại trường ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM nhằm thực hiện các mục tiêu sau:
1 Ưu tiên khai thác tối đa nguồn điện mặt trời, cung cấp riêng cho các nhu cầu ưu tiên của trường học như văn phòng, phòng học,…
2 Không còn phải lo tình trạng mất điện thường xuyên vì đã có nguồn điện mặt trời Đảm bảo nguồn điện nhất định cấp cho 1 phòng ban được liên tục ngay khi điện lưới bị cúp (Ở đây thực hiện thiết kế cho phòng Kế hoạch tài chính của Trường)
3 Giảm một phần chi phí sử dụng điện lưới hàng tháng, góp phần phụ tải lưới điện quốc gia vào các giờ cao điểm
Trang 24 Các thiết bị họat động hòan tòan tự động, an tòan rất tiện cho người sử dụng Tuổi thọ và độ ổn định của các thiết bị rất cao
5 Không gây tiếng ồn, thân thiện với môi trường Nâng cao ý thức sử dụng nguồn năng lượng xanh, sạch góp phần bảo vệ và cải thiện môi trường
6 Là biểu tượng nguồn năng lượng siêu sạch của một trường đại học, là mô hình để cho sinh viên tiếp cận, nghiên cứu, và học tập các công nghệ điện mặt trời
Trang 45.2 THIẾT KẾ:
Như trên đã trình bày, để có một hệ điện mặt trời hoạt động hiệu quả thì cần phải
có một sự tương xứng giữa các thành phần trong hệ Để thiết kế một hệ Điện mặt trời người thiết kế cần phải quan tâm tới các thông số cần thiết sau:
- Vị trí địa lý để biết được thời gian nắng, cường độ bức xạ mặt trời
- Nhu cầu năng lượng: tải hằng ngày
- Đặc trưng của modul Pin mặt trời, các thiết bị điện, Accu…
Từ đó xác định:
- Công suất Pin mặt trời, Số modul
- Sơ đồ kết nối hệ thống: xác định vị trí lắp đặt, hướng Pin mặt trời…
- Khẳng định độ tin cậy, tuổi thọ của hệ thống…
5.2.1 Vị trí địa lý:
Trường ĐHKTCN nằm ở vị trí 144/24ĐBP P.25, Q Bình Thạnh thuộc khu vực phía Nam là khu vực có thời gian nắng khá cao (4-5h nắng), và có cường độ bức xạ tốt, trung bình khoảng 5,2KWh/m2 Nên việc sử dụng mái nhà điện mặt trời là dự án khả thi
5.2.2 Nhu cầu năng lƣợng:
Thống kê các thiết bị sử dụng điện tại Phòng kế hoạch – Tài chính:
Thiết bị Máy lạnh Máy tính Quạt Đèn Máy in Máy scan Tủ lạnh
=> Yêu cầu cung cấp công suất tiêu thụ điện cơ bản:
Thiết bị Laptop Máy tính bàn
(sử dụng LCD)
Máy in kim Đèn Quạt
Trang 5Sử dụng bảng tra cứu công suất tải sử dụng, ta có:
- Công suất cực đại (Maximum power) - Pmax
- Điện thế hở mạch (Open circuit voltage) - Voc
- Điểm công suất cực đại (Maximum power point voltage) - Vmpp
- Dòng ngắn mạch (Short circuit current) - Isc
- Điểm dòng công suất cực đại (A Maximum power point current) - Impp
Trang 6b SMA Sunny Boy:
Sunny Boy mã số SB700U (công suất 700W) là một Solar inverter được kết nối với ngõ ra DC của pin mặt trời, có nhiệm vụ biến đổi DC-AC, đặc biệt là nó có khả năng
dò và tạo ra AC sin giống lưới (tần số, biên độ, pha) để hoà chung với lưới Hình dáng bên ngoài và thông số kỹ thuật chính như sau:
Công suất ngõ vào DC tối đa là 780W
Điện áp DC ngõ vào tối đa là 250 V
Thang điện áp DC ngõ vào hoạt động là 119 VDC – 250 VDC
Dòng DC vào tối đa 7A
Trang 7c SMA Sunny Island:
Hệ thống sử dụng Sunny Island mã số SI 2224 (công suất 2,2KW; 24V) là trung tâm điều chính, gồm một inverter, bộ sạc accu Hình dáng bên ngoài và thông số kỹ thuật chính như sau:
- Dòng sạc Accu tối đa là 90A
- Hiệu suất nạp Accu 90%
- Dung lượng Accu có thể kết nối từ 100 Ah đến 10.000 Ah
- Đặc biệt hiệu suất của inverter lên đến 93,6 %
- Inverter này có bảo vệ: chống đảo cực DC, ngắn mạch AC ngõ ra, quá tải AC ngõ
ra …
Trang 8Bộ biến điện Inverter sóng sine chuẩn là “trái tim” của mạng Madicub Nó không
những mở rộng khả năng sử dụng của ĐMT với tất cả các loại thiết bị mà nó còn tạo ra sức cạnh tranh với điện lưới quốc gia
Ở điều kiện Việt Nam hiện nay, công nghệ tại chỗ đã cho phép thiết kế các bộ Invertercos công suất thường trực tới 10KVA và công suất đỉnh tới 15KVA Khi thiết kế cho nhu cầu công nghiệp, cần sử dụng loại 3 pha và công suất lớn tuỳ theo nhu cầu Inverter nhất thiết phải sử dụng loại sóng sine chuẩn có độ méo dưới 3% Nguồn điện ra
ổn áp, tần số ổn định để đảm bảo chất lượng điện của mạng Madicub tương đương điện lưới.Trong hai năm 2004 – 2005 hơn 200 máy dòng Smart đã được xuất thử nghiệm qua CHLB Đức Từ đây, các máy Smart được các công ty S.P.I phân phối ra thị trường thế giới
Bộ biến điện Inverter sóng sine chuẩn là “trái tim” của mạng Madicub Nó
không những mở rộng khả năng sử dụng của ĐMT với tất cả các loại thiết bị mà nó còn tạo ra sức cạnh tranh với điện lưới quốc gia
Ở điều kiện Việt Nam hiện nay, công nghệ tại chỗ đã cho phép thiết kế các bộ Invertercos công suất thường trực tới 10KVA và công suất đỉnh tới 15KVA Khi thiết kế cho nhu cầu công nghiệp, cần sử dụng loại 3 pha và công suất lớn tuỳ theo nhu cầu Inverter nhất thiết phải sử dụng loại sóng sine chuẩn có độ méo dưới 3% Nguồn điện ra
ổn áp, tần số ổn định để đảm bảo chất lượng điện của mạng Madicub tương đương điện lưới.Trong hai năm 2004 – 2005 hơn 200 máy dòng Smart đã được xuất thử nghiệm qua CHLB Đức Từ đây, các máy Smart được các công ty S.P.I phân phối ra thị trường thế giới
d Hệ tồn trữ:
Theo yêu cầu kỹ thuật của Sunny Island thì hệ tồn trữ sử dụng loại Axid hoặc NiCd, loại kín khí, có dung lượng từ 100-10.000Ah Ở đây, do nhu cầu tồn trữ không nhiều, và để tiết kiệm kinh phí, ta chỉ sử dụng 2 bình loại 100Ah/12V, mắc nối tiếp để được 100Ah/24V
Trang 9Đây là bộ điều khiển sạc ĐMT trung tâm có khả năng điều khiển dòng sạc PMT vào hệ tồn trữ 100A/48VDC hoặc 60VDC Bộ điều khiển này luôn phải ưu tiên sạc điện từ dàn PMT hoặc từ các nguồn năng lượng mới khác như gió, thuỷ điện nhỏ vv… Nó có khả năng ngắt sạc khi điện thế hệ tồn trữ tăng vọt quá ngưỡng qui định và tái sạc trở lại ở mức ngưỡng ưu tiên nhằm khai thác tối đa nguồn điện từ dàn PMT Bộ điều khiển sạc trung tâm sử dụng công nghệ sạc tần số cao, nếu có hiệu suất cao (98%) để sạc từ nguồn điện lưới hay máy phát phụ trợ
Nguyên tắc cần thiết sao cho dung lượng hệ tồn trữ luôn gấp 10 lần dòng sạc tối
đa từ tổ hợp sạc Nếu tổ hợp sạc có dòng sạc tối đa là 100A/48VDC thì dung lượng hệ tồn trữ cần thiết kế là 1000Ah/48VDC Hệ tồn trữ trên nên được sử dụng các loại ắc qui đặc chủng có đời sống lâu khoảng 15 năm và không ô nhiễm môi trường Trong trường hợp
sử dụng các loại ắc qui thông thường phải chú ý thiết kế hầm chứa và điều kiện thông thoáng tốt bảo đảm an toàn cho người sử dụng do sự bay hơi của dung dịch axít trong quá trình nạp
5.2.4 Tính toán công suất:
a Tính công suất sử dụng đồng thời:
Do công suất sử dụng đồng thời cho các thiết bị là: Pdt = 420W, nên ta chọn
Sunny Island có mã số SI 2224 (sử dụng công suất đồng thời tối đa là 2,2KWp), đây là loại công suất nhỏ nhất được cung cấp trên thị trường
b Tính công suất pin sử dụng :
Ta có:
Tổng tải AC (P) = Tải AC danh định của thiết bị (Ptt) : Hiệu suất biến điện DC-AC (ŋac) (Trong đó ŋaccủa Sunny Boy là 93,6% )
Tổng tải AC (P) = 3,2KWh/ngày : 93,6% ≈ 34Kwh/ngày
- Công suất giàn PMT, số lượng pin:
Gọi : - Tổng tải AC: P (KWh/ngày)
Trang 10- Công suất pin MT : Pmt (Wp)
- Thời gian nắng : t (với t= 4- 5h nắng/ngày đối với miền Nam)
Ta có: P = P mt * t
Công suất pin MT (Pmt) = 3,4KWh/ngày : 4,5h nắng/ngày = 755Wp
Ta chọn hệ thống pin có công suất khoảng 755 Wp
Chọn pin thông dụng trên thị trường loại 50Wp/3.1A, ta sẽ dùng 16 tấm pin
Chọn hệ thống Sunny Boy SB 700 (có công suất ngõ vào DC tối đa là 780W)
Do dãy điện áp ngõ vào của SB 700 là 119V-250V, nên khi dùng 16 tấm, chia thành 2 cụm, mỗi cụm 8 tấm nối tiếp, sau đó mắc 2 cụm song song với nhau để điện áp hở mạch Voc = 8* 21V= 168V
Với sơ đồ kết nối như sau :
50
Dàn thép đỡ pin mặt trời :
- Giàn pin năng lượng mặt trời được lắp trên sân thượng, với độ nghiêng giàn 250
- Các tấm pin sẽ được kết nối trên vỉ thép lại V6, vi thép có kích thước :
(P :R = 358mm x 1000mm), mỗi vỉ thép kết nối trên 3 chân đế thép chữ I loại 140
Trang 11- Các tấm pin cách nhau 10mm, bắt vào giàn thép bằng ốc inox, giàn thép này có khả năng chịu được sức gió 150km/h và độ bền lâu dài trên 50 năm
- Các chân thép I140 được bắt vào tích-kê sắt vào sán bê tông sân thượng và đổ bê tông cao 30cm
Trang 12c Tính hệ Accu sử dụng :
Ta có :
Dung tích Accu = (Tải hằng ngày x số ngày tồn trữ)/ (Thế Accu x ŋacx Phóng điện tối đa)
Trong đó: ŋac: Hiệu suất nạp Accu % ( từ 75 – 90%), ta chọn 90%
Phóng điện tối đa: ( 20- 80 % dung tích), ta chọn 60% để đảm bảo tuổi thọ Accu
Số ngày tồn trữ điện : 1 ngày
Thế Accu = 24V
Dung tích Accu = (3,4KWh/ngày x 1ngày) / (24V x 90% x 60%) = 262Ah
Ta có thể dùng 6 bình 100Ah/12V thông dụng trên thị trường, chia thành 3 cụm, mỗi cụm 2Accu nối tiếp nhau, sau đó mắc 3 cụm song song để được 300Ah/24V, thõa yêu cầu cho một ngày sử dụng
- Các mất mát trong hệ thống Điện mặt trời:
Các mất mát trên hệ thống chủ yếu tập trung chủ yếu tập trung vào các thiết bị do hiệu suất và tiêu thụ điện của các thiết bị đó, tỏa nhiệt trên dây dẫn với dòng DC rất lớn, mất mát do các hiệu ứng của modul Pin mặt trời như bức xạ, nhiệt độ, bụi che, mất mát
do Accu…
Trang 135.2.5 Sơ đồ kết nối:
Hệ thống mái nhà điện mặt trời nối lưới gồm các thành phần sau:
- Hệ thống pin mặt trời
- Hệ thống Sunny boy SB700U
- Hệ thống điều khiển trung tâm Sunny Island SI 2224
- Hệ tồn trữ Accu 24V/100Ah
Trong sơ đồ trên các modul pin mặt trời được ghép nối tiếp và song song với nhau
để đạt được điện áp hở mạch VOC trong khoảng 119VDC –250VDC Với điện áp đầu vào khá cao như vậy sẽ làm giảm dòng điện trên dây dẫn từ các modul pin mặt trời xuống tới
Hình 5-2: Sơ đồ kết nối của mái nhà mặt trời kết nối lưới
Trang 14Sunny Boy Với công suất tối đa của Sunny Boy SB 700 dòng này là 3,5A Điều này có nghĩa là dây dẫn không cần tiết diện lớn
Ngõ ra AC của Sunny Boy được nối chung với ngõ ra AC của Sunny Island và nối chung với tải sử dụng
Điện lưới được nối với ngõ vào AC của Sunny Island
Accu 24 VDC được nối với ngõ DC của Sunny Island, nó sẽ được sạc vào hoặc lấy điện ra một cách tự động do Sunny Island điều phối
5.2.6 Mô tả hoạt động:
Bây giờ chúng ta khảo sát các trường hợp sau:
- Khi có điện lưới: khi đó Sunny Island sẽ đóng điện lưới ra tải qua Relay Khi
điện áp pin mặt trời vào Sunny Boy nằm trong dãy hoạt động 139VDC – 320VDC, nó sẽ dò dạng sóng của lưới điện về tần số, biên độ và tận dụng hết toàn bộ công suất của pin mặt
trời phát ra để tạo ra điện AC giống như lưới, rồi hoà chung vào lưới Như vậy khi đó tải
sẽ sử dụng hết công suất điện của pin mặt trời để cho ra tải, nếu thiếu công suất cho tải thì điện lưới sẽ được bù vào Khi đó nếu Accu chưa đầy Sunny Island sẽ tạo ra dòng DC
để sạc cho nó để bảo đảm rằng Accu luôn luôn ở trạng thái đầy Tuy nhiên để Accu nâng cao tuổi thọ, sau định kỳ một thời gian Sunny Island sẽ cho Acuu xả hết điện rồi sạc lại
Đây là bộ điều khiển sạc ĐMT trung tâm có khả năng điều khiển dòng sạc PMT vào hệ tồn trữ 100A/48VDC hoặc 60VDC Bộ điều khiển này luôn phải ưu tiên sạc điện từ dàn PMT hoặc từ các nguồn năng lượng mới khác như gió, thuỷ điện nhỏ vv… Nó có khả năng ngắt sạc khi điện thế hệ tồn trữ tăng vọt quá ngưỡng qui định và tái sạc trở lại ở mức ngưỡng ưu tiên nhằm khai thác tối đa nguồn điện từ dàn PMT Bộ điều khiển sạc trung tâm sử dụng công nghệ sạc tần số cao, nếu có hiệu suất cao (98%) để sạc từ nguồn điện lưới hay máy phát phụ trợ
Nguyên tắc cần thiết sao cho dung lượng hệ tồn trữ luôn gấp 10 lần dòng sạc tối
đa từ tổ hợp sạc Nếu tổ hợp sạc có dòng sạc tối đa là 100A/48VDC thì dung lượng hệ tồn
Trang 15chủng có đời sống lâu khoảng 15 năm và không ô nhiễm môi trường Trong trường hợp
sử dụng các loại ắc qui thông thường phải chú ý thiết kế hầm chứa và điều kiện thông thoáng tốt bảo đảm an toàn cho người sử dụng do sự bay hơi của dung dịch axít trong quá trình nạp
- Khi điện lưới bị cúp: Sunny Island sẽ lấy điện từ Accu tạo ra điện AC chuẩn
230 VDC – 50 Hz và đảo relay để đưa điện AC này ra tải thay cho điện lưới Thông thường do có sự khác biệt đôi chút về biên độ và tần số của lưới điện và của điện AC do Sunny Island tạo ra, cho nên ngay lúc đó Sunny Boy sẽ ngắt ngõ ra AC và dò lại (vì trước
đó Sunny Boy đang tạo ra AC giống AC của lưới) Khi dò xong Sunny Boy sẽ tạo ra AC
giống như AC của Suuny Island tạo ra và hoà chung vào Vậy trong trường hơp này tải
sẽ sử dụng hết công suất của pin mặt trời tạo ra, thiếu thì lấy Accu bù vào Nếu công
suất của pin mặt trời tạo ra lớn hơn công suất tải, phần dư này sẽ được sạc vào Accu Nếu điện lưới bị cúp quá lâu mà công suất pin mặt trời không đủ cho tải, Accu sẽ cạn dần và đến khi nó hết điện thì Sunny Island sẽ ngắt AC ngỏ ra tải Sunny Island sẽ chờ một trong hai nguồn : điện lưới hoặc mặt trời có lại để khởi động lại hệ thống
Khi điện luới bị cúp, công suất ngõ ra của Sunny Island SI 2224 tối đa là 2,2KW Trong trường hợp ban đêm không có điện mặt trời thì công suất của tải lúc đó phải nhỏ hơn 2,2 Kw Nếu nhu cầu tải lớn hơn ta có thể dùng 2 hoặc nhiều bộ SI 2224 ghép lại thành Mạng điện mặt trời nối lưới công suất lớn hơn như hình vẽ:
Trang 16Khi đó 1 bộ sẽ là Master, các bộ còn lại sẽ là Slave Ngõ ra AC của tất cả các bộ sẽ nối chung với nhau Bộ Master sẽ tạo ra AC chuẩn và các bộ khác sẽ dò AC này vào tạo
ra AC giống như vậy để hoà vào
Trong trường hợp pin mặt trời có công suất lớn hơn công suất ngõ vào của Sunny Boy, ta sẽ dùng thêm 2 hoặc nhiều bộ Sunny Boy để đủ cho công suất của pin mặt trời Khi đó tất cả ngõ ra AC của các bộ Sunny Boy cũng được nối chung với nhau, và nối chung với ngõ ra AC của Sunny Island cũng như tải Mỗi bộ Sunny Boy tự động dò AC
và tự động hoà vào
Đây cũng chính là ưu điểm về việc nâng cấp mở rộng hệ thống
Sunny Boy được chế tạo theo công nghệ MPPT (Max Power Point Tracking), nó
sẽ tự động dò điểm công suất cực đại của pin mặt trời nên hiệu suất chuyển đổi công suất
từ pin mặt trời ra điện AC đạt được là cao nhất
Hình 5-3: Sơ đồ kết nối mạng mái nhà mặt trời kết nối lưới công suất lớn
