THIẾT kế hệ THỐNG điện mặt TRỜI CHO hộ GIA ĐÌNH

Hai là hệ thống điện mặt trời không thể kiểm soát được lượng côngsuất biểu kiến phát lên lưới.. CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI2.1 Hệ thống độc lập / ngoài lưới điện Trạm điện mặt tr

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT

TRỜI CHO HỘ GIA ĐÌNH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan năng lượng mặt trời

Hiện nay, đứng trước nhu cầu phát triển công nghiệp và nâng cao đời sốngngười dân, việc phát triển nguồn điện cấp cho lưới điện quốc gia đang vô cùng thiếtyếu Tuy nhiên, vì các vấn đề môi trường nên việc phát triển các nhà máy nhiệt điện

và thủy điện mới gặp rất nhiều hạn chế Trước tính hình đó, việc ứng dụng nhữngnguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện năng nổi lên thành xu hướng mới trongngành năng lượng Trong đó nổi trội hơn cả là ngành điện mặt trời vì nó có nhữngthuận lợi đáng kể so với các nguồn khác

Đầu tiên, hệ thống điện mặt trời là sạch nhất trong tất cả các hệ thống nănglượng tái tạo Điện mặt trời không tạo ra khói, không gây tiếng ồn và không gây ảnhhưởng tới môi trường xung quanh Thứ hai là thời gian xây dựng ngắn Quá trình thicông và lắp đặt nhà máy điện mặt trời đơn giản hơn rất nhiều so với các loại khác.Thứ ba là tuổi thọ lâu dài Các loại pin hiện nay có tuổi thọ lên tới 20 - 30 năm Tuynhiên, hệ thống điện mặt trời cũng có một số nhược điểm không thể tránh khỏi Một

là nhu cầu diện tích đất lớn do để nhà máy có công suất phát điện lớn thì cần rấtnhiều tấm pin Hai là hệ thống điện mặt trời không thể kiểm soát được lượng côngsuất biểu kiến phát lên lưới Do nguồn năng lượng là bức xạ từ mặt trời mà nguồnnày thì cố định và thay đổi theo từng thời điểm trong ngày, trong năm Ta chỉ thể dựđoán được lượng công suất biểu kiến có thể tạo ra tại một thời điểm và thay đổithành phần tác dụng và phản kháng trong đó Ngoài ra, nhà máy điện mặt trời còn

bị hạn chế thời gian phát do chỉ phát được vào buổi sáng, chỉ tầm 6-8 tiếng/ngày

Dù vậy, nhờ những ưu điểm và lợi ích của điện mặt trời mang lại giúp nó thành lựachọn hàng đầu trong các nguồn năng lượng tái tạo

Việc áp dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời không phải là mới trên thếgiới Đức đặt mục tiêu sẽ 100% sử dụng năng lượng mặt trời trong vòng 10 năm tới.Các nước Bắc Âu như Thụy Điển, Phần Lan có các chương trình hỗ trợ và mua điện

mặt trời từ các nhà dân Vì vậy việc Việt Nam áp dụng sản xuất điện từ năng lượngmặt trời là một điều thiết yếu

1.2 Năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam nằm ở vị trí gần xích đạo và vùng khí hậu nhiệt đới nên được hưởngnguồn bức xạ mặt trời rất dồi dào Cường độ bức xạ trung bình trên cả nước là 4.6kWh/m2,ngày với số giờ nắng hàng năm trung bình là 1700-2500 giờ, tức khoảng4.6-6.8 giờ/ngày Đây là điều kiện thuận lợi để phát triển năng lượng điện mặt trờitại nước ta

Do diện tích nước ta trải dài trên nhiều vĩ độ và nhiều loại địa hình nên lượngbức xạ tại tức vùng cũng khác nhau Trong đó, vùng có lượng bức xạ nhiều nhất làkhu vực Tây Nguyên và Nam Trung Bộ, với cường độ bức xạ từ 4.9-5.7kWh/m2,ngày và số giờ nắng hàng năm là 2000-2600 giờ, cao nhất vào các thánggiữa năm (khoảng từ tháng 5 đến tháng 9) Ngoài ra vùng Nam Bộ tuy lượng bức xạthấp hơn, 4.3-4.9 kWh/m2,ngày và 2200-2500 giờ/năm, nhưng ưu điểm của khu vựcnày là lượng bức xạ phân bố đều trong năm, công suất bức xạ ổn định Lượng bức

xạ trung bình ngày trong năm của cả vùng phía Nam là 4.9 kWh/m2 Còn ở phíaBắc, lượng bức xạ trung bình ngày là 3.7 kWh/m2 với khu vực có lượng bức xạ caonhất là Bắc Trung Bộ, cường độ bức xạ đạt 4.6 - 5.2 kWh/m2,ngày với số giờ nắng

là 1700-2000 giờ

Hình 1 Biểu đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Khu vực Số giờ nắng trong

CHƯƠNG 2 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

2.1 Hệ thống độc lập / ngoài lưới điện

Trạm điện mặt trời độc lập là cấu hình hệ thống điện mặt trời thông dụng nhấttrên phạm vi toàn cầu Mục đích chính là cung cấp điện năng tại chỗ khi không cónguồn điện khác có khả năng cung cấp tới

Cấu hình hoạt động theo nguyên lý : panel mặt trời tạo ra điện năng từ ánhnắng mặt trời, điện năng này sau đó được lưu trữ vào pin acquy và sử dụng khi yêucầu

- Cung cấp không liên tục do cần thời gian nạp acquy

2.2 Hệ thống điện mặt trời nối lưới

Trong hệ thống nói với lưới điện, lượng điện được tiêu thụ vào ban ngày đượccung cấp chủ yếu từ hệ thống điện mặt trời, thiếu thì lấy thêm từ điện lưới, dư thìđược chuyển sang lưới điện Tới chiều tối thì điện được cung cấp từ điện lưới theocách thông thường

Thông qua hệ thống này, người lắp đặt có thể có thêm thu nhập thông qua việcbán điện dư từ hệ thống điện mặt trời cho công ty điện theo bảng giá được công tycung cấp điện thông báo

Trạm điện loại này đặc biệt hiệu quả đối với những người sử dụng điện năngchủ yếu vào ban ngày.

Ưu điểm:

- Giảm phụ thuộc vào công ty điện lực

- Thân thiện môi trường

- Có thể bán điện lại cho công ty điện

Ưu điểm:

- Độ tin cây cao, cung cấp liên tục

- Làm việc hiệu quả

- Có thể bán điện cho công ty điện lực

Nhược điểm:

- Chi phí cao

Từ các cấu hình trên ta có thể phân loại các cấu hình theo 4 tiêu chí chính :công suất, khả năng bán điện, sử dụng acquy, chi phí

Bảng 2 Phân tích các cấu hình

CHƯƠNG 3 THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

– Pin đa tinh thể (Polycrystalline): thành phần chính cũng là silic nhưng được sảnxuất bằng phương pháp nung chảy quặng silic - thạch anh (quartz)

– Pin màng mỏng (Thin Film): bao gồm một hoặc nhiều lớp mỏng các vật liệu cótính quang điện được dán trên bề mặt của vật liệu nền

Hình 2 Pin mặt trời đơn và đa tinh thể

– Giá thành rẻ hơnpin đơn tinh thểnhưng hiệu suấtthấp hơn

– Tốc độ suy giảmcông suất thấp

– Làm việc được trongđiều kiện mây mù– Khả năng chịu nhiệtcao hơn

– Gọn, nhẹ

– Hiệu suất và giáthành thấp nhất

Ứng dụng

thích hợp

Hệ thống điện mặttrời bị hạn chế vềdiện tích Do hiệusuất cao nhất nên

sử dụng hiệu quảdiện tích lắp đạt khigặp hạn chế để sảnxuất ra công suấtlớn nhất

Nhà máy điện mặttrời có diện tích đấtlớn Do tỉ lệ giữahiệu suất và chi phíhợp lý nên ở những

dự án quy mô lớngiúp tiết kiệm chiphí đầu tư

Các dự án văn phòngxanh Vì khối lượng nhẹ

và khả năng dán lên các

bề mặt nên được sửdụng để dán lên bề mặtcửa sổ

Bảng 3 So sánh các loại pin

3.1.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện

Hình 4 Cấu tạo pin quang điện

giữa hai lớp và 2 điện cực ở 2 đầu Khi không có ánh sáng chiếu vào, các electron

và lỗ trống bên trong tấm pin không di chuyển cho nên không tạo ra điện năng Khi

có ánh sáng chiếu vào, tương đương với có năng lượng cấp vào, các electron và lỗtrống có đủ năng lượng để vượt qua lớp tiếp xúc khiến chúng di chuyển thành dòng

do đó tạo nên điện năng

- MPP: Max Power Point Là điểm trên biểu đồ I-V của tấm pin mà đạt công suất lớnnhất Điểm này được biểu diễn bởi Impp và Vmpp là giá trị dòng điện và điện áp tối

ưu

- Điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch (Voc và Isc): Là giá trị điện áp lúc hởmạch và điện áp lúc ngắn mạch của tấm pin Tại hai giá trị này thì công suất củatấm pin bằng 0

- Hệ số công suất nhiệt (Pmax temperature coefficient): Là hệ số thay đổi của côngsuất theo nhiệt độ pin chênh lệch với nhiệt độ chuẩn Thường mang giá trị âm,nghĩa là công suất tấm pin giảm khi nhiệt độ tăng lên

- Hệ số nhiệt của điện áp hở mạch (Voc temperature coefficient): Là hệ số thay đổicủa Voc theo nhiệt độ pin chênh lệch với nhiệt độ chuẩn Thường mang giá trị âm,nghĩa là điện áp hở mạch của pin giảm khi nhiệt độ pin tăng lên

- Hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch (Isc temperature coefficient): Là hệ số thayđổi của Isc theo nhiệt độ chênh lệch với nhiệt độ chuẩn Thường mang giá trịdương, nghĩa là dòng điện ngắn mạch của pin tăng khi nhiệt độ tăng.

- Các biểu đồ đặc trưng cho khả năng hoạt động của pin như biểu đồ I-V, biểu đồ P-V,biểu đồ điện áp theo nhiệt độ

Hình 5 Tương quan giữa biểu đồ I-V và P-V

Hình 6 Biểu đồ P-V thay đổi theo cường độ bức xạ

Hình 7 Biểu đồ P-V thay đổi theo nhiệt độ

Hình 8 Biểu đồ I-V thay đổi theo nhiệt độ và cường độ bức xạ

3.2 Bộ biến tần (Inverter)

3.2.1 Chức năng và nguyên lý hoạt động

Chức năng chính của bộ biến tần là chuyển đổi điện áp (dòng diện) DC thànhdòng điện AC với tần số mong muốn Bên cạnh đó, các bộ biến tần dành cho hệthống pin mặt trời còn có thể được tích hợp thêm các chức năng khác như điềukhiển sạc, điều khiển hòa lưới, tìm điểm MPPT (công suất tối ưu), v.v

Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần là nguyên lý băm xung cấp tín hiệu điềukhiển các linh kiện điện tử công suất để nghịch lưu tín hiệu DC thành tín hiệu AC

Hình 9 Mạch Inverter 3 pha đơn giản.

có thể điều khiển chế độ làm việc tối ưu của dàn pin

– Định mức công suất: Phải lớn hơn với công suất đỉnh do dàn pin phát ra

– Chế độ hiệu chỉnh công suất

– Số nhánh có thể nối vào bộ biến tần

– Các hệ thống bảo vệ như quá tải, quá nhiệt, ngắn mạch

CHƯƠNG 4 CÔNG THỨC TÍNH BỨC XẠ MẶT TRỜI

Bức xạ mặt trời là công suất chiếu sáng của mặt trời trên một đơn vị diện tíchtại địa điểm khảo sát

Bức xạ mặt trời phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Các đại lượng được dùng đểtính độ rọi:

- Vĩ độ ϕ

- Góc lệch mặt trời δ: là vị trí của mặt trời so với đường chân trời vào các ngày

trong năm Công thức tính :

δ

, trong đó:

n là số thứ tự ngày trong năm Ví dụ : 1/1 thì n = 1, 1/2 thì n = 32

- Góc giờ ω : là góc dùng để xác định vị trí mặt trời tại các thời điểm trong ngày

Cách xác định : ω=15(T G−12)

, TG là số giờ

Ví dụ tại 9h sáng thì ω= 15(9 − 12)= − 45

o

- Góc cao độ α S : là góc giữa tia bức xạ và mặt phẳng nằm ngang

- Góc thiên đỉnh θ Z : là góc giữa tia bức xạ và đường pháp tuyến mặt phẳngngang θS và αS phụ nhau

- Góc tới θ : là góc giữa tia bức xạ và pháp tuyến bề mặt khảo sát.

- Góc nghiêng β: là độ nghiêng của bề mặt tấm pin.

- Góc phương vị mặt trời γ S : là góc lệch so với hướng nam của hình chiếu mặttrời trên bề mặt ngang Khi mặt trời hướng Đông thì γS < 0 , hướng tây thì γS >

0, hướng Nam γS = 0, hướng Bắc γS = 180,

180

180≤ ≤

− γS

- Góc quay tấm pin γ : là góc lệch so với hướng nam của tấm pin Cách xác định

gia trị tương tự góc phương vị mặt trời

- Bức xạ mặt trời lên bề mặt Trái Đất: bao gồm hai thành phần trực xạ Eb vàtán xạ Ed Các thông số này xem ở bảng giá trị được các đài thủy văn cung cấp

d

b E E

EΣ = +

- Hệ số chuyển đổi từ mặt phẳng ngang sang sang mặt phẳng nghiêng R b:

Z b

Bảng 4 Hệ số phản xạ mặt đất

Các bước tính độ rọi nắng:

- Dựa vào thời điểm tính toán xác định các góc lệch δ và góc giờ ω

- Dựa vào thiết kế và bố trí xác định được góc nghiêng β và góc quay tấm pin γ

- Góc cao độ mặt trời tại thời điểm tính toán :

ω δ

φ δ

γ δ β

ω δ φ

β ω γ

δ β

δ φ

θ

sin sin sin cos ) sin cos sin cos

cos (cos cos

) sin cos cos cos cos

(sin sin cos

+

− +

α

ω δ

γ

cos

sin cos







 + +

E

CHƯƠNG 5 QUY TRÌNH THIẾT KẾ

Quy trình thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời bao gồm các bước chính:

− Lựa chọn cấu hình, tính toán nhu cầu năng lượng

− Tính toán công suất thực tế của hệ thống điện mặt trời

− Lựa chọn thiết bị

− Tính toán tính kinh tế

− Xây dựng bản thiết kế chi tiết

5.1 Lựa chọn cấu hình, tính toán nhu cầu năng lượng

Để lựa chọn cấu hình, ta cần dựa vào mục đích, nhu cầu của người sử dụng vàđặc điểm của vị trí lắp đặt Như đã trình bày ở chương 2, mỗi cấu hình sẽ có những

ưu và nhược điểm phù hợp với từng trường hợp Như hệ thống độc lập thì phù hợpvới nhưng nơi hẻo lánh, không có nguồn điện lưới Hệ thống nối lưới thì sẽ phù hợpvới nơi có mức liên tục cung cấp cao Hệ thống tương tác lưới và hệ thống bù lướiphù hợp với các phụ tải công suất nhỏ do chi phí đầu tư cao

Phụ thuộc vào nhu cầu và mục đích của hệ thống điện mặt trời mà ta tính toánnhu cầu năng lượng khác nhau Nếu mục đích là cung cấp điện cho cả căn hộ thìnhu cầu năng lượng chính là tổng công suất các thiết bị trong căn hộ Nếu hệ thống

có acquy thì nhu cầu năng lượng cần cộng thêm công suất sạc cho acquy Tuy nhiên,trong một số trường hợp, ta chỉ cần một lượng công suất nhất định, không nhất thiếtphải bằng với tổng năng lượng tòa nhà sử dụng Cụ thể là trong trường hợp cấu hìnhnối lưới, người lắp đặt không có nhu cầu cấp điện bằng pin mặt trời mà chỉ có nhucầu bán điện lên lưới thì dựa vào điều kiện kinh tế và nhu cầu cá nhân mà họ sẽ lựachọn một mức công suất nhất định

Ở đây, cấu hình nối lưới rất phù hợp với hộ gia đình ở thành phố Hồ Chí Minh.

Lý do là vì đa số các hộ gia đình đều không ở nhà vào buổi sáng, lượng điện năngtiêu thụ rất thấp Vì vậy thay vì để trống căn nhà như vậy thì khi lắp đặt 1 dàn điệnmặt trời nối lưới sẽ giúp người lắp đặt có thêm 1 khoảng thu nhập

5.2 Ước lượng công suất thực của dàn pin

Công suất thực tế của dàn pin phụ thuộc vào hai yếu tố chính đó là bức xạ mặttrời tại địa điểm lắp đặt và nhiệt độ môi trường Ở đây để ước lượng công suất củadàn pin mặt trời, ta chỉ xét ảnh hưởng của bức xạ mặt trời do không có dữ liệu nhiệt

độ cụ thể

5.2.1 Ước lượng công suất bức xạ

Áp dụng các công thức đã nêu ở phần 4, ta thực hiện việc tính toán ước lượngcông suất bức xạ mặt trời qua các bước sau:

Xét địa điểm thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh cớ vĩ độ là 11o Dàn pin được

ở lớp mái có độ nghiêng là 15o, mặt đón nắng quay 40o hướng Tây Nam

Ta có góc lệch mặt trời theo các ngày trong năm được biểu hiện ở hình sau:

Thông số trên lấy theo trung bình 1 ngày vậy bức xạ trong 1 giờ với số giờnắng là 7 có giá trị là :

Hình 11 Bức xạ mặt trời các tháng trong năm

10 655.92

Bảng 6 Giá trị bức xạ trung bình trong các tháng

Bức xạ trung bình năm Etbn = 621.1747W/m2

Hệ số bức xạ =

621.0

1000Etbn =

5.3 Lựa chọn thiết bị và biểu đồ công suất của dàn pin

5.3.1 Panel pin mặt trời

Khi lựa chọn pin, ta sẽ xem xét các yếu tố quan trọng tại địa điểm và thông số

kỹ thuật của pin Các thông số tại địa điểm có thể kể đến bao gồm ví dụ: điều kiệnkhí hậu, thời tiết, diện tích có sẵn và nhu cầu Các thông số của pin ta cần quan tâm

là : công suất, hiệu suất, điện

Do hạn chế về diện tích là 16m2 nên ở đây ta sẽ cố định số lượng tấm pin là 8tấm Và cũng vì địa điểm có diện tích nhỏ nên cần tối đa lượng công suất tạo ra nên

ta lựa chọn sử dụng loại pin mono

Lựa chọn tấm pin Sunergy Mono 360W với các thông số :

Hình 12 Tấm pin mono Sunergy 360W

– Công suất pin năng lượng: 360 Wp

Với các thông số trên, công suất trung bình trong 1 ngày của tấm pin vào cáctháng trong năm:

Hình 13 Biểu đồ công suất dàn pin

1859

1656

1827

1709

1876

1836

186

2 2020

Bảng 7 Công suất trung bình dàn pin trong các tháng

382.24V và điện áp khi đạt công suất lớn nhất là 8x38.7= 309.6V.

Ở đây, ta ưu tiên lựa chọn các bộ inverter tích hợp với bộ hòa lưới (Grid tieInverter) để tiết kiệm thay vì sử dụng hai bộ riêng biệt

Dựa vào các điều kiện trên ta lựa chọn Inverter 2500W của Goodwe có cácthông số sau:

Điện áp tối đa (Vmax) 500 V

Cường độ dòng điện tối

đa (DC)

18 A

Bảng 8 Thông số kỹ thuật inverter

Ta thấy rằng, Inverter 2500-NS của Goodwe đáp ứng các điều kiện hệ thốngyêu cầu:

− Tuy công suất danh định là 2500W nhưng công suất DC tối đa lại đạt tới3250W nên ta không cần lo Inverter bị quá tải khi lượng bức xạ tăng đột ngột

− Điện áp MPPT tối đa của hệ thống nằm trong khoảng dò MPPT của Inverter

− Điện áp tối đa Inverter chịu được cao hơn so với điện áp hở mạch của dàn pinnăng lượng mặt trời

5.4 Tính toán phụ tải

Thống kê phụ tải:

Thiết bị Số lượng Công suất Số giờ sử dụng Điện năng

Đèn huỳnh quang phòng ngủ 3 60 4 720Đèn huỳnh quang phòng ăn và bếp 2 60 2 240

4800 1000

5.5.1.2 Phía ACCường độ dòng điện tối đa phía AC của Inverter

max

P

Trong đó:

- Công suất ngõ ra tối đa = Hiệu suất tối đa inverter x Công suất tối đa dàn pin

) ( 7 2351 2412

975 0

10 220

7

gồm 12A, 15A nên điều này dẫn đến nếu chọn dây 1.5mm2 thì sẽ dẫn đến trườnghợp dòng cắt của CB lớn hơn dòng tối đa dây chịu được Tình trạng này rất nguyhiểm Do đó, ta sẽ nâng dây lên 1 cấp và chọn dây có tiết diện 2.5mm2.

5.5.2 Lựa chọn CB

Điều kiện lựa chọn là điện áp cho phép lớn hơn 220V, dòng cho phép lớn hơn10.69

Ta chọn CB Easy9 16A của hãng Schneider, mã EZ9F34216 với các thông số

Ue = 230V, In = 16A, Icu = Ics = 4.5kA

Hình 15 CB Easy9

5.6 Sơ đồ nguyên lý.

Hình 16 Sơ đồ nguyên lý

CHƯƠNG 6 TÍNH KINH TẾ

6.1.1 Chi phí đầu tư

Chi phí lớn nhất trong hệ thống pin mặt trời là chi phí mua pin và inverter, do

đó ở đây ta chỉ xét 2 chi phí đó Các chi phi khác sẽ tầm 10-20% tổng chi phí củacủa pin mặt trời và inverter

Bảng giá thiết bị:

Thiết bị Đơn giá

(VND) Số lượng

Thành tiền(VND)Pin 4,500,000 8 36,000,000

6.1.2 Thu nhập hàng năm của dự án

Thu nhập từ hệ thống mặt trời bao gồm 2 phần : phần lợi giúp giảm tiền điệnhàng tháng và tiền bán điện cuối năm

Phần tiền điện giảm được tính bằng cách so sánh giữa số tiền phải trả hàngtháng khi có dàn pin và không có dàn pin

Coi như mọi ngày hộ gia đình đều tiêu thụ 12360 Wh điện năng

Biểu đồ điện năng tiêu thụ các tháng:

Hình 17 Biểu đồ điện năng tiêu thụ

Điện năng(kWh) 381.3 344.4 381.3 369 381.3 369 381.3 381.3 369 381.3 369 381.3

Bảng 12 Điện năng tiêu thụ

Điện năng dàn pin sản xuất theo tháng:

Hình 18 Điện năng dàn pin sản xuất

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Điện năng

(kWh) 461.8 465.5 523.3 479.1 403.5 347.8 396.4 370.8 394 398.4 391.1 438.4

Bảng 13 Điện năng dàn pin sản xuất

Phần điện năng dư ra từ dàn pin vào các tháng bằng điện năng sản xuất của dànpin trừ cho điện năng tiêu thụ: