THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng

MỤC LỤC

Chương 0: Khái quát về năng lượng mặt trời

1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời 2

2 Năng lượng mặt trời ở nước ta 2

Chương I: Thiết bị chính trong hệ thống năng lượng mặt trời 1 Giới thiệu về pin mặt trời 4

2 Các sơ đồ hệ thống cung cấp NLMT 6

3 Bộ điều khiển sạc 8

4 Inverter 9

5 Ac-quy 9

Chương II: Lựa chọn thiết bị cho hệ thống 1 Vị trí, đặc điểm Văn phòng nhà xưởng và tính toán điện năng tiêu thụ .10

2 Lựa chọn sơ đồ 10

3 Tính số Wp và lựa chọn pin mặt trời 10

4 Lựa chọn bộ điều khiển sạc và ac-quy 11

5 Lựa chọn inverter 11

Chương III: Tính toán kinh tế 1 Giá thành và chi phí 12

Tài liệu tham khảo 13

Chương 0:

1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời

Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Một số nguồn năng lượng đang được sử dụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá…) đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Các khí thải ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, gây hại cho môi trường sống của con người Còn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn cũng được coi là một loại năng lượng

sạch) thì cũng không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện hiện nay trong khi tình trạng mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống dưới mực nước chết Trước tình hình đó, vấn đề phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt đang trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều

sự quan tâm

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời

(Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu,

không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng

Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có tiềm năng to lớn về khai thác và ứng dụng Việt Nam có lợi thế là nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới Theo giáo sư, tiến sĩ khoa học Nguyễn Tiến Khiêm, nguyên Viện trưởng Viện Cơ học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay

Ứng dụng năng lượng mặt trời ỏ Việt Nam hiện cũng rất phong phú với đa dạng sản phẩm như: Máy nước nóng, điện mặt trời, đèn, Tuy nhiên, hiện nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời còn rất nhiều Với bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được

Vì vậy, ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng Tuy nhiên, ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa phát triển một cách

có kế hoạch ở tầm vĩ mô

Nếu so với một số nước ở châu Phi hay Nam Á có cùng hoàn cảnh, Việt Nam vẫn còn đi sau họ

Chương I:

1 Giới thiệu về pin mặt trời

Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện

trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng

điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại

sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện

tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ

kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện

âm nhảy từ

vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị

Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện

Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:

o Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các môdule

o Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể

bù cho hiệu suất thấp của nó

o Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon

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

Phương trình đặc trưng vol-ampere của pin quang điện

Dòng Isc tỉ lệ thuận với cường độ chiếu sáng, điện thế Uoc tỉ lệ nghịch với nhiệt độ môi trường vì vậy mỗi thời điểm trong ngày pin mặt trời

có đường đặc tính U-I khác nhau dẫn đến công suất lớn nhất ra khác nhau Để đặc trưng cho khả năng cung cấp công suất của pin ta có đại lượng Wp Wp là công suất lớn nhất của pin khi công suất rọi của mặt trời là 1kW/m2 và nhiệt độ môi trường là 25OC

1 Các sơ đồ hệ thống cung cấp NLMT

a Sơ đồ off-grid

Hệ thống hoạt động độc lập, được tính toán để hoạt động hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời kể cả những ngày không có nắng và có thể trang bị thêm một máy phát dự phòng nếu nhiều ngày không nắng

Nguyên lý hoạt động là: dòng điện được phát ra từ các tấm panel dưới ánh nắng sẽ được sạc vào các bộ acquy thông qua bộ điều khiển sạc nhằm lấy lượng công suất lớn nhất điện DC từ acquy sẽ được chuyển qua bộ phân phối trung tâm chuyển thành điện AC đưa đến các thiết bị điện

Ưu điểm:

o Ứng dụng nhiều tại các đảo, vùng xa xôi khi không có điện lưới vươn tới

o Có điện vào mọi lúc

Khuyết điểm:

o Phức tạp, giá thành tương đối cao

o Acquy cần phải duy trì, và thay thế

b Sơ đồ on-grid

Hệ thống pin năng lượng mặt trời sẽ nhận bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) Nguồn điện DC này sẽ được chuyển đổi thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua Grid Tie Inverter ( bộ chuyển đổi điện nối lưới) Với bộ chuyển đổi này sẽ đảm bảo nguồn năng lượng được tạo ra từ hệ pin mặt trời sẽ được chuyển đổi ở chế độ tốt nhất nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng từ hệ pin mặt trời và cung cấp điện năng cho tải

Bên cạnh đó việc inverter có chế độ thông minh, tự dò tìm và đồng

bộ pha nhằm kết nối giữa điện năng tạo ra từ hệ pin mặt trời và điện lưới

Chế độ làm việc thông minh của bộ inverter với việc ưu tiên sử dụng lượng điện năng từ hệ pin mặt trời để cung cấp trực tiếp cho tải sử dụng sẽ giúp tối ưu hóa năng lượng từ hệ pin mặt trời

Nguyên lý hoạt động hệ thống hòa lưới : điện thu được từ tấm pin ( Solar Panel) là điện 1 chiều, qua bộ hòa lưới ( Grid Tie Inverter ), có chức năng đổi từ điện DC – AC cùng pha cùng tần số với điện lưới, sau đó hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới:

o Khi công suất hòa lưới bằng công suất tải thì tải tiêu thụ điện hoàn toàn từ pin mặt trời

o Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất hòa lưới thì tải sẽ lấy thêm lưới bù vào

o Khi công suất tải tiêu thụ nhỏ hơn công suất hòa lưới thì điện từ

bộ hòa lưới sẽ trả ra lưới Không được tính tiền khi hòa dư vì hiện tại EVN vẫn chưa cho đồng hồ quay ngược

Ưu điểm:

o Sơ đồ đơn giản, dễ lắp đặt

o Không sử dụng ac-quy

o Giá thành rẻ

Khuyết điểm

o Chỉ có thể lắp đặt ở những vùng có lưới điện

o Sử dụng điện lưới hoàn toàn vào ban đêm

o Khi mất điện từ lưới, các thiết bị không thể sự dụng

c Sơ đồ hybrid

Hệ thống này tương tự hệ thống nối lưới tuy nhiên được thiết kế thêm một hệ thống dự trữ nhỏ hoặc vừa cung cấp cho tải ưu tiên để khi mất điện lưới vẫn dùng được Các tải ưu tiên thường có công suất nhỏ nhưng luôn cần điện ổn định như đèn, quạt, module mạng, hệ thống camera an ninh, máy tính …

Hệ thống kết hợp giữa hệ thống hòa lưới giúp tiết kiệm điện, với hệ thống độc lập để luôn có 1 lượng điện dự trữ cho các thiết bị quan trọng khi mất điện

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống : khi khởi động Ắc quy được ưu tiên nạp đầy từ pin mặt trời Hệ thống sẽ luôn kiểm tra tình trạng ắc quy để đảm bảo ắc quy luôn đầy điện Khi ắc quy đầy hệ thống sẽ chuyển qua hòa lưới, giúp giảm lượng điện tiêu thụ, khi hòa lưới sử dụng tất cả các tải ( tải ưu tiên và tải thông thường

Khi mất điện bộ chuyển mạch ( ATS ) sẽ chuyển qua ưu xài tải

ưu tiên từ lượng điện được dự trữ trong ắc quy, khi đó toàn bộ hệ pin mặt trời được chuyển qua sạc cho ắc quy, khi có điện trở lại thì hệ thống sẽ chuyển qua hòa lưới bình thường

Ưu điểm:

o Giá thành thấp hơn so với sơ đồ off-grid

o Đơn giản

o Có điện vào mọi lúc

o Tuổi thọ của ac-quy cao hơn

Khuyết điểm:

o Acquy cần duy trì và thay thế

2 Bộ điều khiển sạc

Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho quy, bảo vệ cho ac-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ac-quy Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch nạp vào ac-quy khi bộ điều khiển xác nhận bình ac-quy đã được nạp đầy hoặc ngắt ac-quy khỏi phụ tải nếu điện áp ac-quy thấp Vào ban đêm bộ điều khiển sạc sẽ chống dòng chảy ngược từ ac-quy đến pin mặt trời mà

sẽ gây ra nóng pin làm pin giảm tuổi thọ

Bộ điều khiển sạc cho biết dung lượng điện năng còn lại trong bình, giúp

ta có kế hoạch sử dụng các thiết bị điện hay sử dụng máy phát dự

phòng

Ngoài ra bộ điều khiển sạc còn dò tìm điểm công suất max của pin mặt trời nhằm nhận được tối đa công suất tương ứng với các giờ nắng trong ngày

3 Acquy

Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh sáng

Ac-quy thường sử dụng trong hệ thống điện mặt trời là Chì-acid loại xả sâu Có thông số:

o Max depth discharge: 80 %

o Energy density: 35 (Wh/kg)

o Cycle life: 2000 (cycles)

o Calendar life : 7-10 (years)

o Cost: 100 ($/kWh)

o Đặc tính khi sử dụng:

 Dòng điện xả càng nhỏ thì dung lượng ac-quy càng cao

 Nhiệt độ càng thấp thì dung lượng ac-quy càng giảm

 Suất xả điện C/20 ở 25OC làm chuẩn cho hệ thống PV

4 Inverter

là bộ biến điện nghịch lưu, Inverter chuyển đổi dòng điện DC từ ac-quy thành dòng điện sine AC để cung cấp cho tải

đối với ba sơ đồ hệ thống cung cấp, ta có ba loại inverter:

 nạp acquy để dự phòng khi mất điện trên lưới.

 chuyển dòng điện DC từ pin mặt trời thành dòng AC chuẩn để hòa lưới

Chương II:

1 Vị trí, đặc điểm văn phòng nhà xưởng và tính toán điện năng tiêu thụ:

a Vị trí, đặc điểm

Địa chỉ: 345, Phạm Văn Bạch, phường 15, quận

Tân Bình

Tọa độ: 10° 49' 16.9" N, 106° 38' 18.34" E

Nhiệt độ trung bình: 27OC

Cường độ bức xạ: 1762kW/m2

Năng lượng bức xạ: 5,2kWh/ngày

b Tính toán phụ tải

STT Tên thiết

bị Công suất (W) Số lượng Thời gian h/đ (giờ) Điện năng tiêu thụ

(kWh/ngày)

huỳnh quang

Tổng: 20,92

2 Lựa chọn sơ đồ

Yêu cầu thiết kế:

 Cung cấp điện liên tục

 Giá thành không quá cao

 Thiết kế đơn giản

 Phí bảo trì vừa phải

 Chọn hệ thống hybrid với mức bù cho hệ điện lưới là ½, và

 Chọn 9 tấm pin mono, mỗi tấm 300 Wp (tổng cộng xấp xỉ

2700 Wp)

Thông số mỗi tấm:

Điện áp danh định ( Vmp) 36.40 V

 Xếp 9 tấm thành lưới 3 X 3.

4.Lựa chọn ac-quy

a Ac-quy

yêu cầu:

 Điện áp : 48V

 Dung lượng tổng: 0,85 0,8 1220,92 . 3

10 = 0,769 (kAh)

 Với 20,92 là phụ tải một ngày (kWh)

 0,85 hiệu suất của ac-quy

 0,8 là mức xả tối đa của ac-quy

 3/10 là ac-quy phải bù tối đa 3 giờ mất điện lưới trong 1 ngày sử dụng 10 giờ

 Lựa chọn 4 ac-quy mã LGL200-12N hiệu Long ( Đài Loan ) dung lượng 200Ah mỗi bình mắc nối tiếp tạo ra điện áp 48V

5.Lựa chọn inverter hybrid

Yêu cầu:

 Điện áp sạc: 48V

 Công suất từ pin mặt trời: 2,615 kWp

 Dòng điện sạc: 2700 / 48 *1,2 = 67,5 (A) ( với 2700 là công suất pin mặt trời, 48 là điện áp sạc, 1,2 là hệ số dữ trữ )

 Chọn SUPCU-3000-48V của Sukam tích hợp bộ điều khiển sạc và hòa lưới

TECHNICAL SPECIFICATIONS

Type Single Phase Solar Power Conditioning Unit

Technology DSP Based PWM Technology

Input Voltage Range 44V-60V ±2%

Low Battery cut off 44V ±2%

High Battery shutdown 65V ±2%

Output Parameters

Voltage Regulation at nominal voltage 230 ± 5%

Frequency Regulation 50Hz ± 0.2Hz

Efficiency (typical)at linear load >85% (linear load)

Power usage Priority From Photovoltaic Array

GRID CHARGER

Grid I/P Voltage Range WW-155 280VAC±10V and NW-185

VAC-265VAC±10V

Charging Current Max 30Amp + 2Amp ( Factory settable)

SOLAR CHARGE

CONTROLLER

Charging Current Imax > 30A

Operating Temp 0°C to + 45°C

Storage Temp 0°C to + 55°C

Relative Humidity 0-95% Non-Condensing

Chương III: Tính toán kinh tế

1 Giá thành và chi phí

stt Tên thiết bị Số lượng Giá (VNĐ) Giá thành

(VNĐ)

000 Giá điện dưới 6kV là 1.577 đồng/kWh

 Tiền đầu tư tương đương 69321 kWh

 Mỗi tháng sử dụng điện từ hệ thống điện mặt trời 22*20,92/2 = 230,12kWh

 301,2 tháng ( 25 năm sẽ hoàn vốn )