Các giải pháp tiết kiệm điện và thiết kế hệ thống pin mặt trời cho siêu thị coopmart quảng ngãi

Hiện nay nước ta đang thiếu hụt nguồn điện cung cấp nên việc sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả và tìm ra nguồn năng lượng tái tạo để thay thế là vấn đề cực kỳ quan trọng đối với toàn xã hội Việc sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả và lắp đặt sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời trong doanh nghiệp không những tiết kiệm được chi phí sản xuất giúp tăng năng suất nâng cao chất lượng sản phẩm giảm giá thành sản phẩm tăng tính cạnh tranh tăng lợi nhuận mà còn giảm bớt chi phí đầu tư cho các công trình cung cấp điện từ lưới điện Quốc gia đồng thời giảm sự phát sinh chất thải bảo vệ tài nguyên môi trường khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng thực hiện phát triển kinh tế xã hội bền vững Luận văn Các giải pháp tiết kiệm điện và thiết kế hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Coopmart Quảng Ngãi là rất cần thiết Đề tài này tác giả đề xuất các giải pháp tiết kiệm điện và thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới không dự trữ cho siêu thị qua đó tác giả tính toán cụ thể từng giải pháp tiết kiệm điện như lượng điện năng tiết kiệm được chi phí đầu tư thời gian thu hồi vốn lượng phát thải CO2 giảm được Sử dụng phần mềm PVsyst để tính toán thiết kế và mô phỏng sản lượng điện của hệ thống pin mặt trời từ đó đề ra các kế hoạch khai thác vận hành bảo trì bảo dưỡng hệ thống pin một cách hợp lý và hiệu quả

Đ I H CăĐÀăN NG

TR NăKIMăT N

CÁCăGIẢIăPHÁPăTIẾTăKIỆMăĐIỆNăVÀăTHIẾTăKẾăHỆă THỐNGăPINăMẶTăTRỜIăCHOăSIÊUăTHỊăCO.OPMARTă

QUẢNGăNGÃI

K Ỹ THU T ĐIỆN

ĐƠăN ng - Nĕm 2018

Đ I H CăĐÀ N NG

TR NăKIMăT N

CÁCăGIẢIăPHÁPăTIẾTăKIỆMăĐIỆNăVÀăTHIẾTăKẾăHỆă THỐNGăPINăMẶTăTRỜIăCHOăSIÊUăTHỊăCO.OPMART

L ỜIăCAMăĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a riêng tôi

Các s ố liệu kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công b ố trong bất kỳ công trình nào khác.

TR N KIM T N

Học viênμ Trần Kim Tấn Chuyên ngànhμ Kỹ thuật điện

Mư sốμ 60520202 Khóa: K34.KTĐ.KH Trường Đại học Bách khoa ậ ĐHĐN

Tómătắtă– Hiện nay, nước ta đang thiết hụt nguồn điện cung cấp nên việc sử dụng năng lượng tiết

kiệm, hiệu quả và tìm ra nguồn năng lượng tái tạo để thay thế là vấn đề cực kỳ quan trọng đối với toàn xư hội Việc sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả và lắp đặt sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời trong doanh nghiệp không những tiết kiệm được chi phí sản xuất, giúp tăng năng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm giá thành sản phẩm, tăng tính cạnh tranh, tăng lợi nhuận mà còn giảm bớt chi phí đầu tư cho các công trình cung cấp điện từ lưới điện Quốc gia, đồng thời giảm sự phát sinh chất thải, bảo vệ tài nguyên môi trường, khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, thực hiện phát triển kinh tế - xư hội bền vững Luận văn ắCác giải pháp tiết kiệm điện và thiết kế hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Coopmart Quảng Ngưi” là rất cần thiết Đề tài này tác giả đề xuất các giải pháp tiết kiệm điện và thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới không

dự trữ cho siêu thị qua đó tác giả tính toán cụ thể từng giải pháp tiết kiệm điện như lượng điện năng tiết kiệm được, chi phí đầu tư, thời gian thu hồi vốn, lượng phát thải CO 2 giảm được, Sử dụng phần mềm PVsyst để tính toán thiết kế và mô phỏng sản lượng điện của hệ thống pin mặt trời từ đó đề ra các kế hoạch khai tác vận hành bảo trì bảo dưỡng hệ thống pin một cách hợp lý và hiệu quả

Từăkhóaă– Tiết kiệm điệnν iải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị, năng lượng mặt trời; pin mặt

trờiν mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

SOLUTIONS TO SAVE ELECTRICITY AND DESIGN SOLAR CELL SYSTEM

FOR QUANG NGAI CO.OPMART SUPERMARKET

Abstract: Currently in Vietnam, there is a shortage of the electricity supply, so using energy

economically, effectively and finding renewable energy resources instead are extremely important to our society Using energy economically, effectively and installing renewable energy resources especially solar energy in the business, which is not only saving the cost of production, increasing productivity, comparative and profit, improving the quality of product but also reduce the cost of investment in electricity construction from national grid as well as decrease waste generation, protect natural resources, exploit natural resources rationally and implement sustainable socio-economic development Thesis "solutions to save electricity and

design solar cell system for Quang Ngai Co.opmart Supermarket” is very necessary This

subject, the author proposes the solutions to save electricity and design of solar system connected with grid without reserved for supermarkets , through it, the author calculated in detail each solution to save electricity as the amount of saved electricity, saved cost of investment, time of capital recovery, CO2 emission reduction, using PVsyst software to calculate , design and simulate the output of solar PV system to refer to plans to operate and maintain the cell system in a reasonable and effective way

Keywords – Electricity saving; solutions to save electricity for supermarket; solar energy; solar

Panel; model transforms solar energy into power

M C L C

L I CAM ĐOAN

M C L C

DANH M C KÝ HI U VI T T T

DANH M C CÁC B NG

DANH M C CÁC HÌNH

M Đ U 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 ụ nghĩa khoa học và thực ti n của đề tài 2

7 Bố cục luận văn 3

CH NGă 1 ĐI U TRA PH TẢI VÀ NH Nă ĐỊNH TI Mă NĔNGă TIẾT KI ỆMăĐIỆN T I SIÊU THI CO.OPMART QUẢNG NGÃI 4

1.1 Giới thiệu về siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi 4

1.2 Khả năng cung cấp và tiêu thụ điện tại siêu thị 5

1.3 Khảo sát, đo đạc các hệ thống sử dụng điện tại siêu thị 8

1.3.1 Hệ thống chiếu sáng 8

1.3.2 Hệ thống điều hòa không khí và thông gió 9

1.3.3 Hệ thống tủ đông, tủ mát trưng bày sản phẩm 10

1.3.4 Các thiết bị khác 10

1.3.5 Hệ thống điện 10

1.4 Các tiềm năng tiết kiệm điện 11

1.5 Kết luận 11

CH NGă2 TÍNH TOÁN CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆMăĐIỆN 12

2.1 Giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng của siêu thị 12

2.2 Giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống thông gió 14

2.3 Giải pháp tránh xâm nhập nhiệt nóng từ bên ngoài vào 15

2.4 Tổng hợp các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị 18

2.5 Lắp đặt hệ thống pin mặt trời cho siêu thị 18

2.6 Kết luận 19

CH NGă 3 TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ HỆ THỐNGă PINă NĔNGă L NG M ẶT TRỜI CHO SIÊU THỊ CO.OPMART QUẢNG NGÃI 20

3.1 Tổng quan về hệ thống pin mặt trời 20

3.1.1 Cơ s lý tuyết năng lượng mặt trời 20

3.1.2 Pin mặt trời cấu tạo và nguyên lý 22

3.1.3 Mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng 29

3.1.4 Khảo sát thống kê tiềm năng bức xạ mặt trời tại thành phố Quảng Ngãi 33

3.2 Tính toán, thiết kế, mô phỏng hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi 34

3.2.1 Nhu cầu xây dựng hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi 34

3.2.2 Lựa chọn mô hình hệ thống pin mặt trời và vị trí lắp đặt 34

3.2.3 Tính toán, thiết kế, mô phỏng hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi 35

3.2.4 Đấu nối hệ thống 43

3.2.5 Giải pháp lắp đặt Pin mặt trời lên tầng thượng siêu thị 46

3.2.6 Kết quả mô phỏng trong phần mềm PVsyst 46

3.3 Kết luận 50

CH NGă 4 TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ C A CÁC GIẢI PHÁP TI ẾT KIỆMăĐIỆN VÀ HỆ THỐNG PINăNĔNGăL NG M ẶT TRỜI CHO SIÊU TH Ị CO.OPMART QUẢNG NGÃI 51

4.1 Tổng mức đầu tư hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi 51

4.1.1 Chi phí xây dựng (CPXD) 51

4.1.2 Chi phí mua thiết bị (CPTB) 52

4.1.3 Chi phí tư vấn đầu tư xây dựng (CPTVĐTXD), chi phí khác (CPK) 52

4.1.4 Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống (CPVHBD) 53

4.2 Phân tích tính hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi 53

4.3 Tổng hợp đánh giá hiệu quả của các giải pháp tiết kiệm điện và hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi 54

4.4 Kết luận 55

K ẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ 56

DANH M C TÀI LI ỆU THAM KHẢO 58

PH L C

DANH M C KÝ HI ỆU VIẾT T T

PV Photovoltaics : H ệ thống quang điện

DC Direct current μ Dòng điện một chiều

AC Alternating current μ Dòng điện xoay chiều

NLMT μ Năng lượng mặt trời

PMT : Pin m ặt trời

Co.opmart

33

3.2 Phụ tải của siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi 36 3.3 Thông số vật lý Pin mặt trời 38 3.4 Thông số kỹ thuật Pin mặt trời 38 3.5 Thông số kỹ thuật của INVERTER 41 3.6 Tủ đấu nối cáp DC chuyên d ng 42 3.7 Đặc tính kỹ thuật của Webbox 43 3.8 Tổng hợp số liệu chính để mô phỏng 47 3.9 Tổng hợp kết quả tính toán mô phỏng 48 3.10 Sản lượng điện phát ra của một nhóm pin 49 4.1 Chi phí gia công, lắp dựng giá đỡ dàn pin mặt trời 51 4.2 Chi phí mua thiết bị hệ thống pin mặt trời 52 4.3 Chi phí tư vấn đầu tư xây dựng và chi phí khác 52 4.4 Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống hệ thống pin mặt trời 53 4.5 Bảng tổng kết các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị 54 4.6 Bảng tổng kết cho việc lắp đặt hệ thống pin mặt trời 55

C & 73,5% 16 2.3 Nhiệt độ & độ ẩm bên ngoài cửa chính: 30,8oC & 78,5% 16 2.4 Ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào cửa sổ kính 16 2.5 Mái che không ngăn hết ánh sáng mặt trời 16 2.6 Cửa sổ không mái che ánh sáng mặt trời 16 2.7 Mái che ngăn hơn 90% ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào 17 3.2 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển 21 3.3 Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm 22 3.4 Cấu tạo của pin mặt trời cơ bản 22

3.17 Sơ đồ điển hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

điện cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi

44

3.26 Dàn thép để lắp đặt tấm Pin mặt trời 44 3.27 Lắp diod r nhánh bảo vệ hệ thống 45 3.28 Sơ đồ ghép nối các tấm Pin với bộ biến đổi điện DC-AC 45 3.29 Các chi tiết lắp đặt hệ thống pin 46 3.30 Quá trình mô phỏng thông số kỹ thuật của pin và inverter 47 3.31 Sản lượng điện năng tạo ra của hệ thống 48 3.32 Hiệu suất của hệ thống 49

M Đ U 1.ăLỦădoăch năđ ătƠi

Hiện nay, nước ta đang thiếu hụt nguồn điện Do vậy việc sử dụng điện tiết kiệm,

hiệu quả và tìm các nguồn năng lượng mới là vấn đề cực kỳ quan trọng đối với toàn xã

hội Chúng ta điều biết tại các nhà máy, các khu thương mại dịch vụ chi phí điện năng chiếm một tỷ lệ rất lớn Vì thế, việc tìm ra các giải pháp tiết kiệm điện và sử dụng năng lượng tái tạo là điều quan tâm của các nhà sản xuất nhằm giảm chi phí, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao được tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường Đồng

thời, việc này cũng giúp giảm được sự tiêu tốn tài nguyên thiên nhiên, góp phần tích

cực vào việc bảo vệ môi trường

Ngành công nghiệp điện chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt điện và thủy điện, đư mang đến cho nhân loại nền văn minh điện, nhưng cũng đư bộc lộ mặt trái của nó đối

với môi trường, và dần cạn kiệt Công nghệ điện hạt nhân lại không an toàn và gây ra

những hiểm họa phóng xạ để lại tác hại lâu dài cho môi trường Vì vậy, việc sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo trong tự nhiên đang là hướng đi mới trong ngành công nghiệp năng lượng, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, nó có khả năng thay

thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác hại tới môi trường, đặc biệt là năng lượng mặt trời

Việt Nam là một trong những nước có nguồn năng lượng mặt trời rất dồi dào, với

số giờ nắng trung bình 2200 giờ/năm và cường độ bức xạ cao nhất có thể đến 5,7kWh/m2/ngày Thế nhưng các nguồn sản xuất điện nước ta hiện nay chủ yếu là từ nhiệt điện và thủy điện Nhiều chuyên gia nhận định, nhu cầu điện năng s thiếu hụt trầm trọng với mức tăng tiêu thụ từ 15% ậ 20% m i năm

Có những năm thời gian hạn hán kéo dài gây ảnh hư ng đến hoạt động của các nhà máy thủy điện, do nhu cầu tiêu thụ điện tăng trong khi sản lượng điện tại các nhà máy thủy điện giảm d n đến tình trạng cắt điện luân phiên thường xảy ra, những lúc

sửa chữa đường dây hay Điện lực tạm ngừng cung cấp điện cũng làm ảnh hư ng đến

việc kinh doanh của siêu thị

Ngày 11/4/2017 Thủ tướng Chính phủ đư ban hành quyết định số TTg ắVề cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam” áp dụng cho các tổ chức, cá nhân tham gia phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam

11/2017/QĐ-Đứng trước những khó khăn và thử thách đặt ra, tính thiết yếu của đề tài ắCác giải

pháp tiết kiệm điện và thiết kế hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng

Ngãi” là rất cần thiết, ứng dụng thực tế trong điều kiện hiện nay không ch riêng cho

siêu thị Co.opmart Quảng Ngưi mà còn có thể ứng dụng cho toàn bộ các siêu thị và khu thương mại khác trên địa bàn t nh Đề tài sau khi thực hiện s giúp chủ động trong

việc thiết kế, cải tiến hệ thống điện của siêu thị nhằm nâng cao chất lượng phục vụ cho

khách hàng, đảm bảo nguồn điện của siêu thị s hoạt động liên tục, không gián đoạn

2.ăĐ iăt ngănghiênăcứu

Nghiên cứu được tiến hành cho hệ thống điện của siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi

3.ăPh măviănghiênăcứu

- Khảo sát, đo đạc, tính toán đề xuất các giải pháp tiết kiệm điện

- Thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới cung cấp điện cho cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi

4 M cătiêuăvƠănhi măv ăc aăđ ătƠi

Tính toán ắCác giải pháp tiết kiệm điện và thiết kế hệ thống pin mặt trời cho siêu

Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng, địa ch ứng dụng được xác định rõ Những kết

quả nghiên cứu và ứng dụng của đề tài s được thực hiện trên thực tế iải pháp này khi đưa vào vận hành s đạt được các ch tiêu:

- Đề ra các giải pháp tiết kiệm điện giảm chi phí hóa đơn tiền điện, giảm giá thành

và nâng cao được tính cạnh tranh cho siêu thị;

- Đảm bảo hệ thống điện của siêu thị hoạt động xuyên suốt, luôn s n sàng có nguồn thay thế khi mất điệnν

- Nâng cao chất lượng phục vụ cho khách hàng;

- Tăng hiệu suất cho các thiết bị điện;

- Giảm chi phí tiêu thụ điện khi sử dụng năng lượng mặt trời

5.ăPh ngăphápănghiênăcứu

- Khảo sát, đo đạc, thu thập số liệu phân tích và đưa ra các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị

- Khảo sát điều kiện thực tế, phân tích các yếu tố liên quan của khu triển khai ứng

dụng Xem xét lại toàn bộ cơ s lý thuyết về pin mặt trời để thành lập hệ thống pin

năng lượng mặt trời từ đó đưa vào ứng dụng

- Tính toán thiết kế trên cơ s chung

- Khảo sát thực hiện trên hệ thống điện của siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi

- Tham khảo các ý kiến khoa học từ thực ti n của các chuyên gia để nghe phân tích

và nhận định

6.ăụănghƿaăkhoaăh căvƠăthựcăti năc aăđ tài

Nghiên cứu và áp dụng các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị để thực hiện chương trình mục tiêu quốc gia và để giảm chi phí hóa đơn tiền điện giảm giá thành

sản phẩm nâng cao tính cạnh tranh

Biên cạnh đó, chúng ta cần phải đi tìm và khai thác các nguồn năng lượng mới -

nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường và một trong số đó chính là nguồn năng lượng mặt trời rất dồi dào tại miền Trung

Nội dung luận văn muốn nghiên cứu tìm ra các giải pháp tiết kiệm điện và xây

dựng một hệ thống pin mặt trời nối lưới không dự trữ nhằm khai thác thế mạnh về tiềm năng mặt trời để đảm bảo cung cấp điện liên tục không gián đoạn cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi, đồng thời có thể triển khai nhân rộng cho toàn bộ các siêu thị

và khu thương mại trên địa bàn t nh

7.ăB ăc călu năvĕn

Luận văn bao gồm phần m đầu, kết luận và 4 chương Nội dung chính của

từng chương như sau μ

Ch ngă1: Điều tra phụ tải và nhận định tiềm năng tiết kiệm điện tại siêu thị

Co.opmart Quảng Ngãi

Ch ngă2: Tính toán các giải pháp tiết kiệm điện

Ch ngă3: Tính toán ậ Thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời cho siêu thị

Co.opmart Quảng Ngãi

Ch ngă4: Tính toán ậ Hiệu quả kinh tế của các giải pháp tiết kiệm điện và hệ

thống pin năng lượng mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi

K T LU N VÀ KI N NGH

TÀI LI U KHAM KH O

QUY T Đ NH IAO Đ TÀI

PH L C

CH NG 1

ĐI U TRA PH TẢI VÀ NH NăĐỊNH TI MăNĔNGăTIẾT

KI ỆMăĐIỆN T I SIÊU THI CO.OPMART QUẢNG NGÃI

1.1 Gi iăthi uăv ăsiêuăth ăCo.opmartăQu ngăNgƣi

Siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi là một chi nhánh của Liên hiệp Hợp tác xã (HTX) Thương mại TP.HCM (Sài Gòn Co.op)

Hệ thống siêu thị được s hữu b i tập đoàn Liên hiệp HTX Thương mại TP.HCM (Sài Gòn Co.op) là nhà bán lẻ hàng đầu Việt Nam với hệ thống gồm có 77 siêu thị thành viên trải dài khắp đất nước Với mục tiêu ắHàng hóa đa dạng, giá cả phải chăng, phục vụ ân cần chu đáo, luôn mang lại giá trị tăng thêm cho khách hàng”, Sài

òn Co.op đư xuất sắt hoàn thành vai trò của mình trong công tác phục vụ hàng hóa bán lẻ cho người tiêu d ngν được minh chứng cho các giải thư ng lớn trong nước và

Quốc tế

Hình 1.1: Siêu thị Co.opMart Quảng Ngãi

Siêu thị Co.opmart Sài Gòn ậ Quảng Ngãi là siêu thị thứ 45 trong chu i siêu thị Co.opmart được thành lập vào ngày 9/7/2010 với diện tích kinh doanh gần 7.000 m2 bao gồm tầng hầm, tầng 1, tầng 2 và hệ thống thang máy, thang cuốn hiện đại, hệ

thống chiếu sáng tiện nghi Siêu thi đang kinh doanh gần 20.000 mặt hàng, trong đó hơn 90% là hàng sản xuất tại Việt Nam gồm các nhóm hàng: Thực phẩm công nghiệp;

thực phẩm tươi sống ậ chế biến ậ nấu chín; Hóa mỹ phẩm ậ sản phẩm vệ sinh; May

mặcν đồ d ng gia đình… ngoài ra có khu nhà sách, khu quầy hàng, khu nhà ăn và các

dịch vụ tiện ích khác [12]

1.2.ăKh ănĕngăcungăc păvƠătiêuăth ăđi năt iăsiêuăth ă

Nhu cầu năng lượng hiện tại của siêu thị được cung cấp b i nguồn điện lưới từ EVN, thông qua 1 trạm biến áp 1.000 kVA cấp điện áp 22/0,4 kV Ngoài ra, cũng lắp đặt 1 máy phát dự phòng có công suất là 410 kVA Hệ số công suất của siêu thị được duy trì mức trên 0,95 b i hệ thống tụ bù Các phụ tải sử dụng điện được thể hiện như hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống sử dụng điện c a siêu thị

Hiện nay, siêu thị đư lắp đặt một hệ thống công tơ thu thập dữ liệu điện năng tiêu thụ của các phụ tải quan trọng Từ các số liệu này, có thể theo dõi tốt hơn mức tiêu

thụ điện tại các khu vực

Tình hình tiêu thụ điện và chi phí tiền điện từng tháng của siêu thị (năm 2017) được trình bày như bảng 1.1

Bảng 1.1: Tiêu thụ điện hàng tháng và chi phí tiền điện theo hoá đơn

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000

Hình 1.4: Biểu đồ phụ tải tiền điện hàng tháng trong năm 2017

Qua số liệu khảo sát, thống kê ta có t lệ tiêu thụ điện năng của các khu vực trong siêu thị được thể hiện trong hình 1.5

HT kho đông, kho mát, tủ mát, tủ đông

HT điều hòa không khí Các HT khác

Hình 1.5 Tỉ lệ tiêu thụ điện năng tại các khu vực trong siêu thị

Hình 1.5 ch ra tiêu thụ điện cho hệ thống điều hòa không khí chiếm t trọng nhiều nhất, khoảng 44,9% của tổng tiêu thụ điện năng trong siêu thị Sau đó là tiêu thụ

của hệ thống chiếu sáng chiếm 26,2% tổng điện năng tiêu thụ, bên cạnh đó, hệ thống kho đông, kho mát, tủ đông, tủ mát chiếm 11,7% tổng điện năng tiêu thụ Các hệ thống khác chiếm 17,2% bao gồm nước cấp, xử lý nước thải, văn phòng, nhà kho, chiếu sáng bãi xe

Có thể nhận thấy rằng khu vực tiêu thụ điện năng lớn trong siêu thị là hệ thống điều hòa không khí và thông gió, chiếu sáng Vì vậy, các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị s tập trung vào việc phân tích cơ hội tiết kiệm năng lượng của các hệ thống này

Đồ thị phụ tải của trạm biến áp 1000kVA của siêu thị trong ngày bình thường như hình 1.6

Hình 1.6: Đồ thị phụ tải trong ngày bình thường

Giờ m cửa của siêu thị là từ 7h ậ 22h00 Trong khoảng thời gian từ 9h30 đến 22h, ta thấy công suất hoạt động trung bình vào khoảng 270 kW (trong đó, công suất

hoạt động nhỏ nhất là 230 kW, công suất hoạt động lớn nhất là 300 kW) Thời gian

buổi tối sau 22h00, công suất hoạt động trung bình giảm còn 50 kW, tương đương với khoảng 19% công suất hoạt động trung bình vào giờ m cửa Điều này là do một vài

phụ tải v n hoạt động vào ban đêm như kho lạnh, kho mát, tủ mát, tủ đông, chiếu sáng ngoài, chiếu sáng an ninh

1.3 ăKh oăsát,ăđoăđ căcácăh ăth ngăsửăd ngăđi năt iăsiêuăth

1.3.1 Hệ thống chiếu sáng

Hệ thống điện chiếu sáng của Siêu thị sử dụng các loại đèn và điện năng tiêu thụ như bảng 1.2

Bảng 1.2: Bảng thống kê số lượng đứn và điện năng tiêu thụ c a các loại đứn

Lo iăđèn l ngă S ă

(bóng)

Công

su t/bóngă (W)

T ngă công

su tă (kW)

Gi ăsửă

d ngă (gi /ngƠy) N iăsửăd ng

Huỳnh quang 694 40 27,76 16 Tầng 1, 2, tầng hầm,

văn phòng Đèn T5 815 26 21,19 16 Tầng 1, 2, nhà sách Đèn Compact 793 18 14,27 16 Tầng 1, 2, văn phòng Đèn cao áp 54 400 21,6 12 Hành lang, đường

nội bộ

Nhận xét: Qua bảng thống kê và quá trình khảo sát cho thấy siêu thị có quan tâm đến việc tiết kiệm năng lượng cho hệ thống điện chiếu sáng, cụ thể: sử dụng đèn

huỳnh quang T5, tắt xen kẻ lúc siêu thị ít khách Tuy nhiên v n còn một số vấn đề tồn

tại trong hệ thống chiếu sáng của siêu thị:

- V n còn sử dụng đèn huỳnh quang và đèn cao áp công suất lớn nên tiêu thụ điện năng còn cao

- Việc tắt điện xen kẻ phụ thuộc phần lớn vào ý thức người vận hành chưa có giám sát chặt ch

1.3.2 Hệ thống điều hòa không khí và thông gió

Hệ thống điều hòa không khí và hệ thống thông gió của siêu thị được thống kê

su tă (kW)

G ăsửă

d ngă (gi /ngƠy) N iălắpăđ t

Điều hòa không khí

của York 12 23 276 16 Tầng 1, 2, nhà sách, khu game

Bảng 1.4: Bảng thống kê quạt hút c a hệ thống thông gió

su t (kW)

G ăsửă

d ngă (gi /ngƠy) N iălắpăđ t

Quạt hút 0,75 10 7,5 16 Tầng 1, 2, tầng

hầm

Nhận xét: Qua bảng thống kê và quá trình khảo sát cho thấy siêu thị có quan tâm đến việc tiết kiệm năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí, cụ thểμ Thường xuyên bảo trì, vệ sinh sạch s Tuy nhiên v n còn một số vấn đề tồn tại trong hệ thống điều hòa không khí và hệ thống thông gió của siêu thị:

- Việc cửa sổ cửa kính thường xuyên m , bức xạ mặt trười chiếu trực tiếp vào các cửa kính làm tăng điện năng tiêu thụ cho hệ thống điều hòa không khí

- Chưa điều khiển tốc độ quạt hút theo các tốc độ khác nhau vào các thời điểm trong ngày, t y theo lượng khách đang mua sắm trong siêu thị

1.3.3 Hệ thống tủ đông, tủ mát trưng bày sản phẩm

Hệ thống tủ đông, tủ mát d ng để cấp đông và trưng bày sản phẩm đông lạnh được thống kê cụ thể như bảng 1.5

Bảng 1.5: Bảng thống kê hệ thống t đông, t mát trưng bày sản phẩm

su tă (kW)

G ăsửă

d ngăđi nă (gi /ngƠy) N iălắpăđ t

1.3.4 Các thiết bị khác

Các thiết bị khác nhưμ Động cơ thang cuốn, Bơm thoát nước, bơm cấp nước, thiết bị nấu ăn … tiêu thụ điện trong siêu thị

Nhận xét: Qua khảo sát cho thấy các thiết bị nhưμ Động cơ thang cuốn, thang tải

đư được lắp biến tần để tiết kiệm điệnν các máy bơm thoát nước, cấp nước có số lượng

1.4.ăCácăti mănĕngăti tăki măđi n

Qua quá trình khảo sát, thống kê, đánh giá tình hình sử dụng và tiêu thụ năng lượng như trên ta đề ra các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị cụ thể trong bảng 1.6

Bảng 1.6: Bảng đề xuất các giải pháp tiết kiệm điện

STT Cácăgi iăphápăti tăki măđi n

1 Thay đèn huỳnh quang 40W bằng đèn LED Tuýp 18W

2 Thay đèn cao áp 400W bằng đèn LED 150W

3 Sử dụng biến tần để điều khiển lưu lượng quạt hút

4 Tránh xâm nhập nhiệt nóng từ bên ngoài vào

5 Đầu tư hệ thống pin mặt trời cho siêu thị

1.5 K tălu n

Qua việc khảo sát, đo đạc các hệ thống sử dụng điện của siêu thị giúp ta đánh

giá tổng thể hiện trạng các hệ thống sử dụng điện trong siêu thị, từ đó đưa ra các giải pháp tiết kiệm điện cũng như quy trình quản lý vận hành ph hợp để tiết kiệm chi phí

để tăng khả năng cạnh tranh cho siêu thị

Trong chương 1, tác giả đư thể hiện được hiện trạng sử dụng điện của siêu thị nhưμ điện năng tiêu thụ hàng tháng, chí phí tiền điện hàng tháng Đồng thời cũng nắm được các số liệu tiêu thụ điện năng của các thiết bị d ng điện, để từ đó đánh giá những mặt tích cực, tồn tại và nguyên nhân làm cơ s đề xuất các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị

CH NGă2

2.1 Gi iăphápăti tăki măđi năchoăh ăth ngăchi uăsángăc aăsiêuăth

Siêu thị hiện đang dùng 694 bóng đèn huỳnh quang 40W để phục vụ chiếu sáng cho một số khu vực tầng 1, tầng 2, tầng hầm và khu văn phòng

Chiếu sáng khu hành lang và chiếu sáng an ninh khu vực quanh siêu thị hiện nay sử dụng đèn cao áp 400W với số lượng 54 bóng Qua khảo sát tại gần siêu thị có

hệ thống chiếu sáng giao thông vận hành từ 18 giờ đến 05 giờ m i ngày Do đó, tại các khu vực chiếu sáng an ninh quang siêu thị có thể tận dụng lượng ánh sáng này

Việc sử dụng số lượng nhiều đèn huỳnh quang 40W và đèn cao áp 400W s gây nên hao tổn một khoảng kWh điện lớn so với các thiết bị sử dụng công nghệ khác có công suất tiêu thụ điện nhỏ hơn nhưng độ sáng tương đương hoặc hơn, tuổi thọ dài hơn

Dựa vào hiện trạng của hệ thống chiếu sáng hiện tại nên ta đề xuất giải pháp cho hệ thống điện chiếu sáng như sauμ Thay thế đèn huỳnh quang 40W bằng đèn LED Tuýp 18W, thay thế đèn cao áp 400W bằng đèn LED 150W có cùng quang thông, tuổi

thọ cao hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn, an toàn cho người sử dụng, thân thiện môi trường Thông số kỹ thuật của đèn LED Tuýp 18W và đèn LED 150W như bảng 2.1

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật c a đứn LED Tuýp 18W và đứn LED 150W

Model

Công

su tă (W)

Quang thông (lm)

Nhi tă

đ ă màu (K)

Hi uă

su tă phát quang (lm/W)

H ăs ă

tr ă màu

Với giải pháp trên, có thể tiết kiệm điện năng tiêu thụ như sauμ

- Thay thế đèn huỳnh quang 40W bằng đèn LED Tuýp 18W

+ Tổng công suất tiết kiệm điện tiêu thụ trong 01 năm khi thay đèn huỳnh quang 40W bằng đèn LED Tuýp 18W là:

ΔA = [(40W-18W)/1000] x 16giờ x 360ngày x 694bóng = 87.944 kWh/năm

+ Tổng chi phí tiết kiệm điện năng trong một năm làμ

ΔC = ΔA x 1892đồng/kWh = 87.944 x 1892 = 166.390.048 đồng

Với C = 1892 đồng/kWh là tiền điện trung bình trả cho 01 kWh [5]

+ Chi phí đầu tư khi thay đèn huỳnh quang 40W bằng đèn LED 18W:

Chi phí mua đèn LED Tuýp 18W:

- Thay thế đứn cao áp 400W bằng đứn LED 150W

+ Tổng công suất tiết kiệm điện tiêu thụ trong 01 năm khi thay đèn cao áp 400W bằng đèn LED 150W là:

ΔA = [(400W-150W)/1000] x 12giờ x 365ngày x 54bóng = 59.130 kWh/năm

+ Tổng chi phí tiết kiệm điện năng trong một năm làμ

ΔC = ΔA x 1892đồng/kWh = 59.130 x 1892 = 111.873.960 đồng

Với C = 1892 đồng/kWh là tiền điện trung bình trả cho 01 kWh [5]

+ Chi phí đầu tư ban đầu khi thay đèn cao áp 400W bằng đèn LED 150W: Chi phí mua đèn LED 150W:

MCO2 = 59.130 x 0,625.10-3 = 37 tấn

Từ các tính toán trên ta có kết quả tổng hợp như bảng 2.2

Bảng 2.2: Bảng tổng hợp chi phí tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng

TT Gi iăpháp

Chi phí

ti tăki mă (10 3 đ ng/

nĕm)

Đi nănĕngă

ti tăki mă (kWh/nĕm)

Chi phí

đ uăt ă(10 3

đ ng)

Th iă gian hoàn

v nă (nĕm)

Gi mă khí

th iă

CO 2 (t n)

2.2 Gi iăphápăti tăki măđi năchoăh ăth ngăthôngăgióă

Hiện nay hệ thống quạt hút của siêu thị được vận hành liên tục trong suốt thời gian m cửa siêu thị Quạt hút này vận hành với lưu lượng không đổi và hút một lượng khí ắmát” (đư được điều hòa) từ siêu thị thải ra ngoài môi trường Lưu lượng thiết kế

của quạt hút là 6000m3/giờ Việc này s làm tăng sự xâm nhập nhiệt từ môi trường bên ngoài vào siêu thị, vì đồng thời với lượng khí ắmát” được thải ra ngoài thì s có một lượng khí nóng tương đương từ môi trường bên ngoài đi vào trong siêu thị, gây tăng điện năng tiêu thụ cho hệ thống điều hòa không khí

Vì vậy, đề xuất giải pháp lắp đặt biến tần điều khiển tốc độ quạt hút Tốc độ

quạt hút được điều khiển theo các tốc độ khác nhau vào các thời điểm trong ngày, tùy theo lượng khách đang mua sắm trong siêu thị Ngoài ra có thể kết hợp với cảm biến

CO2để điều khiển tự động quạt hút này

Với giải pháp trên, có thể tiết kiệm điện năng tiêu thụ như sauμ

+ Nhiệt độ trung bình trong siêu thị 280C, độ ẩm 57%

+ Tra bảng ta có Enthalpy của không khí trong siêu thị là i28 = 62,7 kJ/kg

+ Khối lượng riêng của không khí 280C, độ ẩm 57% là ρ28 = 1,16 kg/m3

+ Nhiệt độ trung bình ngoài trời trong thời gian hoạt động là 320C, độ ẩm 70% + Tra bảng ta có Enthalpy của không khí ngoài siêu thị là i32 = 86,3 kJ/kg + Khối lượng riêng của không khí 320C, độ ẩm 70% là ρ32 = 1,14 kg/m3

+ Lưu lượng không khí của quạt hút theo thiết kế là Q = 6000 m3/h

+ Ta tính được công suất xâm nhật nhiệt do vận hành quạt hút là

P = Q/3600 x ρ32 x (i32 - i28) = 6000/3600 x 1,14 x (86,3 ậ 62,7) = 45kW

+ COP trung bình của hệ thống điều hòa không khí là 3,25

+ ớc tính lưu lượng giảm được của quạt hút sau điều khiển là 30%

+ Tiết kiệm điện từ giảm xâm nhập nhiệt là:

ΔA1 = P/COP x 16giờ x 360ngày x 35% = 45/3,25 x 16 x 360 x 30%

= 23.926 kWh/năm

+ Tiết kiệm điện từ vận hành quạt hút là:

ΔA2 = Pq x 16giờ x 360ngày x 30% = 2,2 x 16 x 360 x 30% = 3.801 kWh/năm + Tổng điện năng tiết kiệm được trong 1 năm khi lắp đặt biến tần cho quạt hút:

ΔA = ΔA1 + ΔA2 = 23.926 + 3.801 = 27.727 kWh/năm

+ Tổng chi phí tiết kiệm điện năng trong một năm làμ

ΔC = ΔA x 1892đồng/kWh = 27.727 x 1.892 = 52.459.484 đồng

Với C = 1892 đồng/kWh là tiền điện trung bình trả cho 01 kWh [5]

Chọn biến tần tiêu chuẩn ACS 550-01-05A4-4 do ABB sản xuất có dãy công

2.3 Gi iăphápătránhăxơmănh pănhi tănóngătừăbênăngoƠiăvƠo

Hiện nay không gian điều hòa không khí bên trong siêu thị đang bị nhiệt nóng bên ngoài xâm nhập khá nhiều qua các của sổ, cửa kính, lối vào ra… như hình 2.1

Hình 2.1: Lối đi cầu thang bộ bị xâm nhập nhiệt qua lớp kính

Tại lối đi cầu thang bộ có nhiệt độ không khí khá cao tương đương nhiệt độ ngoài trời vào những thời điểm nắng nóng trong ngày, do diện tích bề mặt vách hầu như toàn bộ là kính 1 lớp, ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp vào Lối đi này được sử

dụng làm lối đi bộ chính giữa tầng hầm, tầng 1 và tầng 2

Sử dụng máy của hưng Extech để đo nhiệt độ, độ ẩm như hình 2.2, 2.3 cho thấy nhiệt độ bên trong và bên ngoài cửa chính của siêu thị chênh lệch nhau không nhiều,

chứng tỏ cửa chính bị xâm nhập nhiệt nóng bên ngoài vào:

Hình 2.2: Nhiệt độ & độ ẩm bên trong

Hình2.4: Ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào cửa sổ kính

Các ô cửa sổ bên trong không được che kín và ô cửa sổ bên ngoài có hoặc không có mái che, tuy nhiên không hiệu quả do thiết kế mái che không che hết ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào như hình 2.4, 2.5, 2.6

Hình 2.5: Mái che không ngăn hết ánh

sáng mặt trời

Hình 2.6: Cửa sổ không mái che ánh

sáng mặt trời

Vì vậy, với hiện trạng như trên đề xuất 1 số giải pháp sau:

Lắp phim cách nhiệt, Decal hay các bảng quảng cáo cho các cửa kính nhằm ngăn bức xạ mặt trời chiếu vào và đồng thời tạo mỹ quan cho siêu thị

Có thể cải tạo lại các mái che cửa sổ nhằm ngăn hoàn toàn ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào như hình 2.7

Hình 2.7: Mái che ngăn hơn 90% ánh sáng mặt trời

Hệ thống điều hòa không khí là tải tiêu thụ điện năng lớn của siêu thị, nếu siêu

thị áp dụng tốt các biện pháp tránh xâm nhập nhiệt này, theo kinh nghiệm có thể tiết

kiệm 3 ậ 5% điện năng tiêu thụ cho toàn hệ thống:

Với giải pháp trên, có thể tiết kiệm điện năng tiêu thụ như sauμ

+ Công suất hoạt động trung bình của hệ thống điều hòa không khí là 276 kW + ớc tính hàng năm tiết kiệm được 3% điện năng tiêu thụ của hệ thống điều hòa không khí

+ Tổng công suất tiết kiệm điện tiêu thụ trong 01 năm khi lắp phim cách nhiệt, Decal hay các bảng quảng cáo cho các cửa kính và cải tạo lại các mái che cửa sổ nhằm ngăn hoàn toàn ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào là:

ΔA = 276kW x 16giờ x 360ngày x 3% = 47.693 kWh/năm

+ Tổng chi phí tiết kiệm điện năng trong một năm làμ

ΔC = ΔA x 1892đồng/kWh = 47.693 x 1.892 = 90.235.156 đồng

Với C = 1892 đồng/kWh là tiền điện trung bình trả cho 01 kWh [5]

+ Chi phí mua phim cách nhiệt và cải tạo lại mái che ánh sáng mặt trời chiếu

trực tiếp (bao gồm chi phí lắp đặt):

MCO2 = 47.693 x 0,625.10-3 = 30 tấn

2.4.ăT ngăh păcácăgi iăphápăti tăki măđi năchoăsiêuăth

Từ các tính toán trên ta có bảng tổng kết các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu

thị Co.opmart Quảng Ngưi như bảng 2.3

Bảng 2.3: Bảng tổng kết các giải pháp tiết kiệm điện cho siêu thị

T

T Gi iăpháp

Chi phí

ti tăki mă (10 3 đ ng/

nĕm)

Đi nănĕngă

ti tăki mă (kWh/nĕm)

Chi phí

đ uăt ă(10 3

đ ng)

Th iă gian hoàn

v nă (nĕm)

Gi mă khí

th iă

CO 2 (t n)

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày đang dần cạn kiệt, góp phần

bảo vệ môi trường, nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng, việc nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời rất được nhiều tổ chức đơn vị

và doanh nghiệp quan tâm nghiên cứu và lắp đặt tại đơn vị mình với mục đích góp

phần đảm bảo nhu cầu điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đảm bảo tính cấp điện liên tục, ổn định cho phụ tải của siêu thị cũng như giảm chi phí hóa đơn tiền điện

để tăng tính cạnh tranh cho siêu thị

Với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ thì hiện nay giá các tấm pin năng lượng mặt trời đư liên tục giảm trong vài năm tr lại đây, nên đảm bảo thời gian thu hồi vốn nhanh cho doanh nghiệp Thời gian thu hồi vốn có thể trước 10 năm, trong khi đó tuổi thọ của các tấm pin có thể trên 25 năm

Hiện nay mặt bằng tầng thượng của siêu thị ch lắp đặt một ít thiết bị còn lại đa

số bỏ trống rất lãng phí, gây nóng sàn bê tông gây ra tổn thất nhiệt của hệ thống điều

hòa không khí Do đó để tận dụng mặt bằng bỏ trống để lắp đặt hệ thống pin mặt trời

sản xuất điện được ban lưnh đạo siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi đặc biệt quan tâm xem xét và lắp đặt trong thời gian gần nhất

2.6 K tălu n

Trong chương 2, tác giả đư tập trung tính toán và đánh giá hiệu quả kinh tế khi

áp dụng các giải pháp

Với việc đầu tư các giải pháp chính như trên siêu thi Co.opmart Quảng Ngưi đư

tiết kiệm được 222.494 kWh/năm, chi phí tiết kiệm 420.958.000 đồng, với chi phí đầu

tư 557.335.000 đồng, thời gian thu hồi vốn 4,9 năm và giảm được lượng phát thải CO2

là 139 tấn góp phần thắng lợi Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng

tiết kiệm và hiệu quả đồng thời góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

Qua bảng 2.3 ta thấy khi đầu tư các giải pháp thay đèn huỳnh quang bằng đèn Led, lắp biến tần cho động cơ quạt hút, tránh xâm nhập nhiệt nóng từ bên ngoài vào có chi phí đầu tư thấp thời gian thu hồi vốn nhanh, dưới 1 năm Do đó siêu thị sớm đầu tư

thực hiện các giải pháp trên

Giải pháp thay đèn chiếu sáng cao áp bằng đèn led có chi phí đầu tư cao thời gian thu hồi vốn chậm Do đó siêu thị nên đầu tư trong thời gian hợp lý

Ngoài ra, để tăng cường việc tiết kiệm điện, sử dụng nguồn năng lượng sạch thân thiện với môi trường, việc sử dụng năng lượng mặt trời đang được triển khai rộng rãi trong thời gian qua Chính vì vậy chương 3 học viên s thực hiện việc tính toán thiết kế hệ thống pin mặt trời cho siêu thị Co.opmart Quảng Ngãi

CH NGă3

3.1 T ngăquanăv ăh ăth ngăpinăm tătr i

3.1.1 Cơ sở lý tuyết năng lượng mặt trời

3.1.1.1 Khái niệm năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất

mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sinh khối… Năng lượng mặt trời có thể nói là năng lượng vô tận

3.1.1.2 Vai trò và lợi ích c a năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có thể thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng

lượng nguyên tử

Việc sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời s mang lại nhiều lợi ích về môi trường sinh thái cũng như là lợi ích cho kinh tế So với các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả

có hại đến môi trường sinh thái

3.1.1.3 B c xạ mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng

hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ ban đầu khi đi qua 5.105

km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức

xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau bước sóng

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là

một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải (10-1 ÷ 10) m và

hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng (0,38 ÷ 0,78) m đó là v ng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực

xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển, tính đối

với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức (1.1):

4

2 D-T 0

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của

phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay tr lại không gian vũ trụ

Hình 3.2: Quá trình truyền năng lượng b c xạ mặt trời qua lớp khí quyển

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đưng (không có nhiều mây) thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2 Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời một điểm nào đó trên Trái đất là quưng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quưng đường đó

gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm xem hình 3.3

Hình 3.3 Vị trí c a Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm

3.1.2 Pin mặt trời cấu tạo và nguyên lý

Pin năng lượng mặt trời là thiết bị bán d n chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự

hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Vì thế, năng lượng mặt trời đặc biệt thích hợp cho các v ng mà lưới điện chưa vươn tới được

3.1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời có cấu tạo gồm một lớp tiếp xúc bán d n p-n có khả năng biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong xem hình 3.4, 3.5

Hình 3.4: Cấu tạo c a pin mặt trời cơ bản Hình 3.5: Tế bào PMT cơ bản

Hiện tại, vật liệu chủ yếu để chế tạo Pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt

trời chế tạo từ tinh thể silic chia làm 3 loại xem hình 3.6

+ Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochraski Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Loại này giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống góc nối các module

+ Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ 8% - 11% Tuy nhiên, chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn

loại đơn tinh thể, bù lại cho hiệu suất thấp của nó

+ Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh

thể Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các

loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 3.6: Các loại cấu trúc pin mặt trời

3.1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ

thống, lượng tử ánh sáng mang năng lượng h (h là hằng số Plank và là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2 xem hình 3.7, 3.8

Phương trình cần bằng năng lượng: h = E1-E2

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động c a pin mặt trời

Hình 3.8: Hệ thống 2 m c năng lượng (E1<E2)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và

tạo thành v ng năng lượng V ng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi trạng thái cần bằng gọi là vùng hóa trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev V ng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc ch bị chiếm một phần gọi là vùng d n, bên dưới của v ng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng d n đó gọi

là vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có v ng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng

d n để tr thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị s có một l trống có thể di chuyển như ắhạtắ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) L trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình d n điện như hình 3.9

Hình 3.9: Các vùng năng lượng

Phương trình hiệu ứng lượng tử : eV + hv → e- + h+

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng d n, tạo ra căp điện tử -l trống là:

hv > Eg = Ec - Ev (3.3) Suy ra bước sóng tới hạnλcủa ánh sáng để có thể tạo ra cặp e' - h+ là:

 = hc/( Ec - Ev) (3.4)

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng d n tạo ra cặp hạt d n điện tử - l trống e’- h+, tức là

tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên

lớp tiếp xúc p-n

Hình 3.10: Hiện tượng quang điện trên lớp bán dẫn

Khi photon chạm vào mảnh silic thì s truyền xuyên qua mảnh silic (thường xảy

ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn) hoặc năng lượng của photon được hấp thu b i silic (thường xảy

ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn)

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài c ng, và thường được

kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, tr thành d n điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán d n Khi đó nguyên tử s thiếu 1 electron và đó gọi là l trống L trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào l trống, và điều này

tạo ra l trống cho nguyên tử lân cận có "l trống" Cứ tiếp tục như vậy lồ trống di chuyên xuyên suốt mạch bán d n

Một photon ch cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron

lớp ngoài cùng d n điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K,

vì thế năng lượng đều được hấp thu b i silic Tuy nhiên, hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành nhiệt năng hơn là điện năng

Một tế bào mặt trời sản sinh lượng điện năng rất ít Vì thế để đáp ứng được nhu

cầu sử dụng điện năng lớn người ta thường liên kết các tế bào mặt trời lại với nhau thành từng nhóm gọi là mudule mặt trời Một module mặt trời có một giàn khung để

giừ các tế bào và thông thường thì chúng có thể tạo ra tới vài trăm watt điện năng Nếu

cần công suất lớn hơn nữa, thì có thể ghép các module lại thành ma trận mặt trời

3.1.2.3 ng dụng

Pin mặt trời đư được ứng dụng nhiều nơi trên thế giới Chúng đặc biệt thích

hợp cho các v ng lưới điện không đến được Pin mặt trời được sử dụng nhiều trong

sản xuất cũng như trong đời sống Một ứng dụng đơn giản của pin mặt trời trong cuộc

sống hàng ngày như đồng hồ, máy tính … Ngoài ra pin mặt trời còn được ứng dụng trong các thiết bị vận chuyển như ô tô, máy tính cầm tay, điện thoại di động, thiết bị bơm nước Ngày nay, những ngôi nhà có gắn những tấm năng lượng mặt trời trên nóc

đư tr thành phổ biến và có xu hướng tăng dần trong tương lai

3.1.2.4 Cách ghỨp nối các tấm năng lượng mặt trời

Như ta đư biết các tấm pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm pin đó lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:

- Ghép nối tiếp các tấm pin lại s cho điện áp ra lớn hơn

- Ghép song song các tấm pin lại s cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế phương pháp ghép h n hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện

a. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm năng lượng mặt trời

Hình 3.11: Ghép nối tiếp hai tấm pin mặt trời (a)

Giả sử các tấm pin đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế h mạch VOC bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau như hình 3.11 Khi ghép nối tiếp các tấm tấm pin này ta s có:

I = I1 = I2= … = Ii (3.5)



 n

1 i i

1 i

i PIV

I.V

n

1 i opti opt

iopt opt I , V V , P P

Trong đóμ

I, P, V μ là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

Ii, Vi, Pi μ là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của tấm pin thứ i trong hệ

Iopi, Vopi, Popi μ là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các môđun thứ i trong hệ

Iop, Vop, Pop μ là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ

Khi tải có giá trị 0 < R < , Các tấm pin làm việc như các máy phát tương đương Đường đặc tính vôn - ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng

của m i tấm pin

b. Ghép song song các môđun mặt trời

Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau như hình 3.12

(a) (b) Hình 3.12: Ghép song song hai tấm pin mặt trời (a)

và đường đặc trưng VA c a các tấm pin và c a cả hệ (b)

cách ghép này, ta cũng giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc, thế h mạch Voc bằng nhau Khi đó ta có:

U = U1 = U2=…= Ui (3.9)



 n

1 i i

1 i

i PVI

I.V

n

1 i opti opt

iopt

Đường đặc tính VA của hệ cũng được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng điện

I ứng với các giá trị điện thế V không đổi Trong trường hợp này, các pin cũng làm

việc như các máy phát điện khi tải có giá trị 0 < R < 

c. Hiện tượng điểm nóng

Xảy ra khi ta ghép nối các tấm pin không giống nhau, tức là khi các thông số ISC,

VOC, POPT của các tấm pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn v n được chiếu sáng) s hấp thụ hoàn toàn công suất điện do các tấm pin khoẻ hơn phát ra và làm cho công suất điện mạch ngoài bằng 0 Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khoẻ hơn s biến thành nhiệt, làm nóng

tấm pin này lên và có thể d n tới hư hỏng Hiện tượng điểm nóng này ch xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, d n tới sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể

hiệu suất biến đổi quang điện của hệ

Để tránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời cùng loại, có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời Vị trí đặt dàn

phải tránh các bóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày có

nắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một v ng nào đấy của tấm pin và có

thể sử dụng các điốt bảo vệ như hình 3.13

Hình 3.13: Điốt nối song song với tấm pin để bảo vệ

Nhìn trên hình v 3.13 ta th ấy giả sử pin Ci là pin y ếu nhất được bảo vệ

trường hợp hệ làm việc bình thường, các pin mặt trời hoạt động điều kiện như

nhau thì dòng trong m ạch không qua điốt nên không có tổn hao năng lượng Khi

3.1.3 Mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

3.1.3.1 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời cấp điện độc lập

Hình 3.14: Sơ đồ điển hình c a hệ thống NLMT độc lập

Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là:

- Thành phần lưu giữ năng lượng

- Các bộ biến đổi bán d n

a. Thành phần lưu giữ năng lượng

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể

phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất v n là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng c quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy

b. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV

Các bộ bán d n trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC/DC và bộ biến đổi DC/AC

Bộ DC/DC được d ng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin

và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy

Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy Có nhiều loại bộ biến đổi DC/DC được sử dụng nhưng

phổ biến nhất v n là 3 loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ h n hợp tăng

giảm Boost ậ Buck Cả 3 loại DC/DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng m khóa điện

tử theo một chu kỳ được tính toán s n để đạt được mục đích sử dụng Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC/DC được lựa chọn cho thích hợp

Khóa điện tử trong mạch DC/DC được điều khiển đóng cắt từng chu kỳ Mạch điều khiển khóa điện tử này được kết hợp với thuật toán xác định điểm làm việc tối ưu (MPPT ậ maximum power point tracking) để đảm bảo cho hệ quang điện được làm

việc hiệu quả nhất

Bộ DC/AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang xoay chiều (110 hoặc

220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60 Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay chiều Có nhiều

kiểu bộ biến đổi DC/AC, chúng có thể làm việc cả hai chế độ là từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một chiều Nhìn chung, bộ biến đổi DC/

AC trong hệ PV độc lập có thể làm việc mức điện áp một chiều là 12, 24, 48, 96,

nạp dự trữ vào hệ ắc quy, sau đó chuyển thành điện AC để cấp cho tải sử dụng Nếu nguồn điện năng lượng sạch không đảm bảo do yếu tố thời tiết, thì đư có máy phát điện Diesel dự phòng h trợ Vì thế, nguồn cung cấp cho tải đảm bảo không bị gián đoạn

Khi máy phát điện hoạt động, s cho máy phát hoạt động đầy tải, tức là vừa cấp điện Diesel dự phòng h trợ vừa sạc vào hệ bình ắc quy cùng với nguồn năng lượng

sạch Khi ắc quy đư đầy thì cho dừng máy phát điện, năng lượng dự trữ từ bình ắc quy

s chuyển đổi thành điện năng để cung cấp cho tải Thời gian dừng máy phát phụ thuộc vào tải và dung tích bình dự trữ

Quy trình lặp lại nếu nguồn điện dự trữ hay nguồn năng lượng sạch không cấp

đủ điện cho tải và máy phát lại kích hoạt

Hình 3.15: Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa

năng lượng mặt trời - Diesel