Ch. 2: Năng lượng mặt trời

Định mức DC và AC Tính toán theo số giờ nắng đỉnh Tính toán công suất Tính toán kinh tếĐịnh mức DC và AC Tính toán theo số giờ nắng đỉnh Tính toán công suất Tính toán kinh tếĐịnh mức DC và AC Tính toán theo số giờ nắng đỉnh Tính toán công suất Tính toán kinh tếĐịnh mức DC và AC Tính toán theo số giờ nắng đỉnh Tính toán công suất Tính toán kinh tếĐịnh mức DC và AC Tính toán theo số giờ nắng đỉnh Tính toán công suất Tính toán kinh tế

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

2.9 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

 Cấu trúc hệ điện mặt trời hòa lưới

 Định mức DC và AC

 Tính toán theo số giờ nắng đỉnh

 Tính toán công suất

 Tính toán kinh tế

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Biểu đồ phụ tải (không có ắc-quy)

 Ở điều kiện chuẩn, công suất ngõ ra AC có thể được tính:

Pac = Pdc,STC(Hiệu suất chuyển đổi)

trong đó, Pdc,STC là tổng công suất DC của các tấm pin ở điều kiện chuẩn

 Hiệu suất chuyển đổi được xét tổng hợp các yếu tố liên quan đến bộ nghịch lưu, bám bụi, sai lệch giữa các tấm pin, và

Định mức DC và AC

 Xét ảnh hưởng của sự sai lệch đặc tính I-V giữa các tấm pin

Định mức DC và AC

 Một yếu tố quan trọng hơn là nhiệt độ Các tấm pin nhiều khả năng sẽ hoạt động nóng hơn 25 C, dẫn đến giảm công suất Do đó, người ta đã phát triển một tiêu chuẩn thử

nghiệm tấm pin khác (PTC), để phản ánh điều kiện thực tế

Ví dụ 9.3

 Xét một dàn PV định mức 1 kW ở điều kiện chuẩn Nhiệt độ làm việc danh định của các tấm pin là 47 C Công suất DC tại MPP giảm 0,5%/C cao hơn nhiệt độ chuẩn 25 C Ước tính công suất AC ngõ ra ở điều kiện PTC, nếu có tổn hao 3% do sai lệch module, 4% tổn hao do bụi bẩn, và hiệu suất

bộ nghịch lưu là 90%

Giải:

 Quy đổi nhiệt độ tấm pin

C 8,

538

,0

20

4720

8,0

Ví dụ 9.3

 Công suất DC của dàn pin bị suy giảm còn

 Kết hợp tổn hao do sai lệch các tấm pin, bụi bẩn, và bộ nghịch lưu, công suất danh định AC của hệ tại điều kiện PTC là

 Hệ thống được định mức 1 kW theo điều kiện chuẩn chỉ cung cấp khoảng 72% giá trị định mức, trong thực tế

, 717 9

, 0 96

, 0 97

, 0

856

ac

P

Tính toán theo số giờ nắng đỉnh

 Yếu tố then chốt thứ hai là lượng ánh sáng có được

 Khi đơn vị tính bức xạ trung bình là kWh/m2-ngày, có một cách diễn dịch giá trị này rất thuận tiện Vì bức xạ chuẩn

được định nghĩa là 1 kW/m2, có thể coi bức xạ 5,6 kWh/m2ngày là 5,6 giờ/ngày ở bức xạ chuẩn, hay 5,6 giờ “nắng

-đỉnh”

 Vậy, nếu biết công suất AC được cung cấp bởi một dàn PV dưới điều kiện chuẩn (Pac), chúng ta chỉ cần nhân với số giờ nắng đỉnh để có được số kWh nhận được mỗi ngày

Tính toán theo số giờ nắng đỉnh

 Năng lượng cung cấp trong ngày

Năng lượng (kWh/ngày) = Bức xạ (kWh/m2-ngày)A (m2) avg

với A là diện tích dàn PV và avg là hiệu suất trung bình

 Công suất AC ứng với điều kiện chuẩn (1-sun)

Pac (kW) = (1 kW/m2) A (m2) 1-sun

với 1-sun là hiệu suất hệ thống ở điều kiện chuẩn

 Kết hợp hai công thức trên, giả thiết hiệu suất trung bình trong ngày bằng với hiệu suất ở điều kiện chuẩn, suy ra

Năng lượng (kWh/ngày) = Pac (kW)(số giờ nắng đỉnh/ngày)

 Phụ lục E cho thấy bức xạ hàng năm ở Madison tại góc

nghiêng L – 15 là 4,5 kWh/m2-ngày Dùng công suất ngõ ra

AC bằng 0,717 kW tính được trong ví dụ 9.3, ta có

Năng lượng = 0,717 (kW)  4,5 (h/ngày)  365 (ngày/năm) = 1178 kWh/năm

Ví dụ 9.5

 Tính lại ví dụ 9.4 cho từng tháng trong năm tại Madison, WI, thay vì dùng giá trị nhiệt độ trung bình là 20 C Nhiệt độ hoạt động danh định của các tế bào trong hệ thống này là 47 C

Giải:

 Xét tháng Giêng, nhiệt độ cực đại trung bình mỗi ngày là

–4,0 C, cho Madison, WI Nhiệt độ của tế bào khi đó là

Pdc = 1 kW[1 – 0,005(29,8 – 25)] = 0,976 kW

C 8,29

18

,0

20

470

Năng lượng = 0,818 kW  3,0 h/ngày  31 ngày/tháng

= 76 kWh/tháng

 Tính cho mỗi tháng và tổng hợp lại (slide tiếp theo) cho thấy sai số so với ví dụ 9.4 là không đáng kể

Ví dụ 9.5

Tính toán theo số giờ nắng đỉnh

Tính toán theo số giờ nắng đỉnh

Hệ số sử dụng cho hệ PV hịa lưới

 Cĩ thể biểu diễn năng lượng do một hệ phát điện cung cấp thơng qua cơng suất AC danh định và hệ số sử dụng (CF):

Năng lượng (kWh/năm) = Pac (kW)CF8760 (h/năm)

 Các hệ số sử dụng theo tháng hay theo ngày cĩ thể được định nghĩa tương tự

 So sánh cơng thức trên với cơng thức tính năng lượng ở slide 13, cĩ thể rút ra hệ số sử dụng cho hệ PV hịa lưới:

h/ngày

đỉnh/ngày nắng

giờ

Số

24



CF

Ví dụ 9.6

 Một ngôi nhà ở Fresno sẽ được lắp một dàn PV trên mái để phục vụ toàn bộ nhu cầu 3600 kWh/năm Cần bao nhiêu kW (dc, STC) tấm pin và diện tích là bao nhiêu?

Giải:

 Đặt dàn PV thẳng lên mái nhà là thuận mắt nhất Nếu chọn góc nghiêng là L – 15 thì tại Fresno sẽ cần góc nghiêng 22, khá phù hợp với mái nhà

 Phụ lục E cho thấy bức xạ trung bình là 5,7 kWh/m2-ngày tại Fresno Dùng số giờ nắng đỉnh, ta có thể tính

Pac = 3600 kWh/(5,7 h/ngày365 ngày) = 1,73 kW

Ví dụ 9.6

 Từ các ví dụ trước, có thể thấy kết hợp các yếu tố nhiệt độ, sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và bộ nghịch lưu, độ suy giảm định mức là khoảng 25%

 Vậy, định mức công suất DC cho dàn PV (STC) là

Pdc = Pac/(Hiệu suất chuyển đổi) = 1,73/0,75 = 2,3 kW

 Nếu biết hiệu suất của bộ thu, chúng ta có thể tính diện tích mái cần dùng Giả sử dùng các module crystalline với hiệu suất 12,5 %, diện tích cần thiết là

A = 2,3 kW/(1 kW/m2  0,125) = 18,4 m2

Ví dụ 9.7

Ví dụ 9.7

Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

 Các module PV cho hòa lưới không bị ràng buộc điện áp, và

có xu hướng tạo ra điện áp cao

 Các bộ nghịch lưu cho các hệ PV hòa lưới cũng khác với các

bộ nghịch lưu trong các hệ PV độc lập

 Để khảo sát tương tác giữa các module, bộ nghịch lưu, và

dàn PV, chúng ta sẽ tiếp tục xem xét hệ thống trong ví dụ 9.6,

sử dụng các module PV và bộ nghịch lưu được giới thiệu sau đây

Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

 Xét ví dụ 9.6, giả sử chúng ta dùng module Kyocera KC158G

và bộ nghịch lưu Xantrex STXR2500 Chúng ta sẽ xác định

số module cần thiết trước:

Số module = 2300 W / 158 W = 14,6 tấm

 Nếu mắc nối tiếp hai tấm thành một nhánh, điện áp danh định

sẽ là 2  23,2 = 46,4 V, quá sát phạm vi điện áp ngõ vào của

bộ nghịch lưu (44 – 85 V)

 Hơn nữa, khi nhiệt độ tăng, điện áp có thể thấp hơn 44 V Do

đó, chúng ta chọn mắc nối tiếp ba tấm thành một nhánh Như vậy 5 nhánh sẽ dùng 15 tấm

Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

 Tiếp theo cần ước tính điện áp hở mạch tối đa để đảm bảo

nó không vượt quá khả năng chịu đựng của bộ nghịch lưu (120 V) Ba tấm mắc nối tiếp khi hở mạch sẽ có điện áp 3  28,9 V = 86,7 V, thấp hơn nhiều so với 120 V

 Tuy nhiên, cần kiểm tra xem khi nhiệt độ xuống thấp thì điện

áp này có trở nên nguy hiểm không Giả sử nhiệt độ thấp nhất vào buổi sáng ở Fresno là – 5 C Với độ tăng điện áp

hở mạch 0,38%/C, điện áp hở mạch tối đa là

VOC,max = 86,7 V[1 + 0,0038(25 + 5)] = 97 V

Tính toán thiết bị bảo vệ

 Bên cạnh yêu cầu điện áp chịu đựng 600 V, còn có các ràng buộc khác về dây dẫn, cầu chì và thiết bị đóng ngắt

 Thiết bị phải có thể chịu đựng điện áp bằng 1,25 lần điện áp

DC dự kiến Dòng điện chịu đựng cũng phải bằng 1,25 lần dòng điện của dàn PV, vì 2 lý do: i) Bức xạ có thể cao hơn 1 kW/m2 và ii) Dòng ngắn mạch gia tăng ở nhiệt độ cao

 Ngoài ra, dòng điện liên tục ở bất kỳ phần mạch nào phải

được nhân với 1,25 để đảm bảo các thiết bị không vận hành quá 80% định mức Sau cùng, dòng điện của dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ môi trường

Ví dụ 9.9

 Với dàn PV gồm 5 nhánh song song, mỗi nhánh dùng 3 tấm Kyocera KC158G mắc nối tiếp, định mức dòng cho cầu chì, dao cách ly, CB nối lưới là bao nhiêu? Điện áp tối đa là bao nhiêu nếu nhiệt độ tối thiểu trong ngày có thể bằng –5 C

Ví dụ 9.9

 Áp dụng quy tắc hệ số 1,25 cho bộ nghịch lưu 2500 W, 240 V

Cầu chì bộ nghịch lưu > 1,25  2500/240 = 13 A

Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới

 Với các mái nhà không nghiêng bằng góc vĩ độ, và không nhìn về hướng chính nam

Tính toán kinh tế cho hệ PV hòa lưới

 Bước tiếp theo là xác định tính khả thi của hệ thống

 Cần thực hiện hai loại phân tích kinh tế: một để xác định

phương án kỹ thuật nào là hiệu quả kinh tế hơn, một để xác định dự án có đáng để đầu tư hay không

 Ví dụ dưới đây minh họa một quá trình có thể được dùng, nhưng các quyết định thực tế sẽ phụ thuộc vào ước tính chi phí hiện hành và chính xác cho thiết bị và quá trình lắp đặt

Ví dụ 9.10

Giải:

 Xét hệ bám theo 1 trục, từ phụ lục E, bức xạ trung bình là 7,2 kWh/m2-ngày Dùng số giờ nắng đỉnh kết hợp hệ số suy giảm định mức, suy ra định mức DC STC:

Pdc,STC = 4000/(0,75  7,2  365) = 2,03 kW

 Ứng với chi phí 4,2 USD  2030 = 8542 USD

 Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD  2030 = 2435 USD

 Diện tích ứng với hiệu suất 12%:

A = 2,03 kW/(1 kW/m2  0,12) = 16,92 m2

 Ứng với chi phí 4,2 USD  2706 = 11365 USD.

 Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD  2706 = 3247 USD

Ví dụ 9.10

 Bảng tổng hợp chi phí như dưới đây

 Tuy nhiên, cần có một phân tích cẩn thận hơn với các thành phần chi phí

Ví dụ 9.10

Tracker ($/W) = ($/W)/(EPF)

i CRF

Ví dụ 9.11

 Hệ thống bám theo 1 trục trong ví dụ 9.10 có chi phí 16850 USD để cung cấp 4000 kWh/năm Nếu sử dụng vốn vay với lãi suất 6%, trong thời hạn 30 năm, giá thành là bao nhiêu?

Giải:

 Hệ số thu hồi vốn theo công thức sẽ là CRF(i, n) = 0,07265

 Vậy tiền thanh toán hàng năm sẽ là

A = 16850  0,07265 = 1244 USD/năm

 Giá thành sản xuất điện do đó bằng

1224 USD/4000 kWh = 0,306 USD/kWh

Tính toán giá thành

 Ví dụ 9.11 bỏ qua tiền hoàn thuế thu nhập Do đó, nếu xét yếu tố hoàn thuế thu nhập, mức hoàn thuế năm đầu sẽ là

Hoàn thuế năm đầu = i  P  MTB

với MTB là marginal tax bracket

 Sinh viên theo dõi ví dụ 9.12 trong tài liệu

 Với các quốc gia có chính sách khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo, các chủ sở hữu được trợ giá mạnh để yên tâm đầu tư cho các hệ thống năng lượng tái tạo Sinh viên theo dõi ví dụ 9.13 trong tài liệu để có thêm thông tin