CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
3.5 Tính to n cho hệ thống điện năng lƣợng mặt trời
3.5.2 Tính to n dung lƣợng Inverter
Hiện nay, phổ biến có h i loại Inverter sine chuẩn t có thể dùng để tính to n:
Inverter sine chuẩn tần số cao (High frequency) và Inverter sine chuẩn tần số thấp (Low frequency – h y người t còn gọi là Inverter dùng tăng phô)
Chọn Inverter có điện p ngõ vào phù hợp với điện p của hệ thống.
43
Bảng 3.7 Chọn điện p hệ thống theo công suất tả
X c định dung lƣợng bộ Inverter:
( )
(3.3) Trong đó:
- Ptotal (W): Tổng công suất tiêu th của tải.
- (%): Hiệu suất của inverter.
3.5.3 Chọn bộ điều hiển sạc (Solar charge controller)
Bộ điều khiển sạc cần có điện thế vào phù hợp với điện thế của SPV (Pin mặt trời) và điện thế r tương ứng với điện thế của B ttery. Vì bộ điều khiển sạc có nhiều loại cho nên cần chọn loại nào phù hợp với hệ pin mặt trời. Đối với c c hệ pin mặt trời lớn, nó đƣợc thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một bộ điều khiển sạc ph tr ch. Công suất củ bộ điều khiển sạc phải đủ lớn để nhận điện năng từ SPV và đủ công suất để nạp Battery.
( )
(3.4) Trong đó:
- Iscc (A): Dòng định mức của bộ điều khiển sạc - Ptotal (W): Tổng công suất tiêu th của tải;
- Vsystem (V): Điện p hệ thống.
3.5.4 Tính tổng dung lƣợng bộ ắc quy
Số lƣợng ắc quy cần dùng cho hệ PV (Photovoltaic) là số lƣợng ắc quy đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng (Autonomy - d y) khi c c tấm pin mặt trời không sinh r điện đƣợc. T tính dung lƣợng bộ ắc quy nhƣ sau:
44
Hiệu suất nạp xả của ắc quy thông thường chỉ khoảng 80% - 90% cho nên chi tổng điện năng tiêu th của tải với hiệu suất của ắc quy ta đƣợc dung lƣợng của bộ ắc quy.
Với DoD (Deep Of Discharge: mức xả sâu) là 0.6 (hoặc thấp hơn là 0.8), t chi Ctotal cho mức DoD sẽ đƣợc dung lƣợng của bộ ắc quy.
( )
(3.5) Trong đó:
- (Wh): Tổng điện năng tiêu th của tải.
- (%): Hiệu suất của ắc quy.
- (V): Điện p của hệ thống.
Kết quả trên cho ta biết dung lƣợng battery tối thiểu cho hệ thống điện mặt trời không có dự phòng. Khi hệ thống điện mặt trời có số ngày dự phòng (Autonomy - day) ta phải nhân dung lƣợng của ắc quy cho số autonomy - d y để có số lƣợng ắc quy cần dùng cho hệ thống:
( )
(3.6) Trong đó:
Autonomy-day: Số ngày dự trữ Số ắc quy mắc song song:
(3.7)
Số ắc quy mắc nối tiếp:
(3.8) Trong đó:
- Ctotal (Ah): Dung lƣợng tổng bộ ắc quy.
- Cbattery (Ah): Dung lƣợng một ắc quy.
- Vbattery (V): Điện p của một ắc quy.
3.5.5 Tính to n công suất pin mặt trời cần sử dụng
Mỗi pin mặt trời mà t sử d ng đều có thông số Wp, lấy tổng số Wp cần sử d ng chia cho số Wp của một tấm pin ta sẽ đƣợc số lƣợng tấm pin mặt trời cần dùng.
45
Bảng 3.8 Số liệu về cường bức xạ mặt trời tại Việt Nam theo thống kê của HCM CityWeb
Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ bức xạ mặt trời
(kWh/m2/ngày)
Đông Bắc 1600 – 1750 3.3 – 4.1
Tây Bắc 1750 – 1800 4.1 - 4.9
Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4.6 -5.2
Tây Nguyên và N m Trung
Bộ 2000 - 2600 4.9 – 5.7
Nam Bộ 2200 – 2500 4.3 – 4.9
Trung bình cả nước 1700 -2500 4.6
Mức hấp thu năng lƣợng tại Việt N m khi tính to n lấy gi trị trung bình cho cả nước là Nsh = 4.6 kWh/m2/ngày.
Kết quả trên chỉ cho ta biết số lƣợng tối thiểu số lƣợng tấm pin mặt trời cần dùng.
Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của ắc quy sẽ c o hơn.
Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm m t, rút cạn ắc quy hơn và nhƣ vậy sẽ làm ắc quy giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thì làm gi thành hệ thống c o, vƣợt qu ngân s ch cho phép, đôi khi không cần thiết. Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. Thí d một hệ sol r có độ dự phòng 4 ngày (Gọi là utonomy - d y, là những ngày không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lƣợng battery phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời. Ngoài r nếu hệ thống có bù lưới thông minh hoặc chuyển lưới thông minh sẽ giải quyết đƣợc vấn đề mất điện hoặc thiếu điện cho những ngày râm m t cho c c khu vực lắp đặt hệ thống điện mặt trời đã có điện lưới.
Điện năng cần thiết cung cấp cho hệ thống điện từ bộ pin mặt trời:
( )
(3.9) Trong đó:
- Etotal (Wh): Tổng điện năng tiêu th của tải - (%): Hiệu suất inverter
46 - (%): Hiệu suất của ắc quy Công suất của bộ pin mặt trời:
( )
(3.10)
Trong đó:
- (Wh): Điện năng cung cấp từ bộ pin mặt trời
- Nsh = 4.6: Số giờ nắng trong ngày lấy gi trị trung bình cho cả nước, hoặc sử d ng theo từng vùng theo gi trị của Bảng 3.13
Số tấm pin mắc song song:
(3.11)
Số tấm pin mắc nối tiếp:
(3.12) Trong đó:
- Pspv (W): Công suất của bộ pin mặt trời;
- Pm (W): Công suất cực đại của một tấm pin - Vsystem (V): Điện p hệ thống
- Vm (V): Điện p cực đại của một tấm pin.
3.5.6 Lựa chọn dây dẫn, cầu ch , CB, hộp nối
1. Dòng điện định mức DC lớn nhất IDC,max, điện p hệ thống Vsystem:
(3.13)
2. Dòng điện xoay chiều lớn nhất IAC,max và điện p xo y chiều V = 220V:
(3.14)
47 3.5.7 Bài tập p dụng
1. Thiết kế hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập cung cấp điện cho c c tải sau:
Bảng 3.9 Bảng số liệu tính to n bài tập p d ng
STT Tên thiết bị Công suất (W) Số lƣợng Số giờ sử d ng
1 Quạt 100 1 6
2 Đèn huỳnh quang 50 2 8
3 Đèn comp ct 18 5 5
4 Tivi LCD 80 1 5
Biết hiệu suất Inverter là 93%, Bình ắc quy 24V – 100Ah, hiệu suất bình ắc quy là 95%, Mức xả sâu (DoD) là 50%, số ngày tự duy trì của hệ thống là 2, số giờ nắng trong một ngày là 5 giờ.
Bài giải:
Bước 1: Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả c c thiết bị mà hệ thống pin mặt trời phải cung cấp. Áp dụng công thức (3.1) và (3.2).
Bảng 3.10 Tính tổng lƣợng điện tiêu th cho tải
STT Tên thiết bị P
(W) Số lƣợng Ptotal (W) (3.1)
Số giờ sử d ng n (h)
Etotal (Wh) (3.2)
1 Quạt 100 1 100 6 600
2 Đèn huỳnh quang 50 2 100 8 800
3 Đèn comp ct 18 5 90 5 450
4 Tivi LCD 80 1 80 5 400
Tổng cộng 370 W 2250 Wh
Bước 2: Tính to n chọn dung lượng Inverter. Áp dụng công thức (3.3)
Bảng 3.11 Tính to n dung lƣợng cho Inverter
Tải Inverter
Ptotal (W)
(%) Output: Pinverter (W) Input: Pinverter (w) (3.3)
48
370 93 370 370 0.93 =398 W
Etotal (Wh)
(%)
Etotal (Wh)
2250 93 2420 Wh
Lựa chọn Inverter có công suất 500W – 12VDC / 230VAC Bước 3: Lựa chọn bộ điều khiển sạc. Áp dụng công thức (3.4)
Bảng 3.12 Tính to n lựa chọn bộ điều khiển sạc
Etotal (Wh)
Ptotal (W)
Vsystem (V)
Iscc (A) (3.4)
2420 370 24 33.15
Với ( )
Bước 4: Lựa chọn ắc quy. Áp dụng công thức (3.5)
Bảng 3.13 Tính to n lựa chọn ắc quy
Etotal (Wh)
Vsystem (V)
DOD (%)
(%)
Số ngày dự trữ
Ctotal (Ah) (3.6)
2420 24 50 93 2 2420 × 2 ÷ (0.93 × 0.5× 24) = 433.7 Ah Số bình ắc quy mắc song song:
Số bình ắc quy mắc nối tiếp: (Vbattery = 12V)
2
Vậy cần mắc nối tiếp 2 ắc quy và mắc song song 5 cặp ắc quy với dung lƣợng mỗi ắc quy là 100Ah để duy trì hệ thống trong 2 ngày.
Bước 5: Tính to n công suất, số pin mặt trời cần sử dụng trong hệ thống. Áp dụng công thức (3.9).
49
Bảng 3.14 Tính to n điện năng cung cấp cho hệ thống từ bộ pin mặt trời
Etotal (Wh)
(%)
(%)
Espv (Ah) (3.9)
2250 95 93 2250 ÷ (0.93 × 0.95) = 2547 Ah
Bảng 3.15 Tính to n công suất của bộ pin mặt trời
Espv
(Ah) Nsh Công suất một tấm pin
(W)
Pspv (W) (3.10)
2547 5 55 2547 ÷ 5= 509 W
Số tấm pin mắc song song:
Số tấm pin mắc nối tiếp: (Vm = 18.4V)
.3
Vậy cần mắc nối tiếp 2 tấm pin và mắc song song 10 cặp pin với công suất mỗi tấm là 55W để đ p ứng nhu cầu sử d ng.
2. Thiết kế hệ thống PV cho mô h nh thực tế:
- Bóng đèn sợi đốt 220V – 40W
- Bóng đèn huỳnh quang 12VDC – 24W
Bước 1: Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả c c thiết bị mà hệ thống pin mặt trời phải cung cấp. Áp dụng công thức (3.1) và (3.2).
Bảng 3.16 Tính tổng lƣợng điện tiêu th cho tải
STT Tên thiết bị P
(W) Số lƣợng Ptotal (W) (3.1)
Số giờ sử d ng n (h)
1 Đèn sợi đốt 40 1 40 2
2 Đèn huỳnh quang 24 1 24 2
Etotal (Wh) = EAC + EDC =
+ PDC*2 = (40*2/0.9) + (24*2) =136.89 (Wh)
50 Ptotal (W) =
+ PDC = (40/0.9) + 24 = 68.44 (W)
Bước 2: Tính to n chọn dung lượng Inverter. Áp dụng công thức (3.3)
Bảng 3.17 Tính to n dung lƣợng cho Inverter
Tải Inverter
PAC (W)
(%) Output: Pinverter (W) Input: Sinverter (VA) (3.3)
40 90 40 40 0.9 = 44.44 VA
EAC (Wh)
(%)
Etotal (Wh)
80 90 88.89 Wh
Lựa chọn Inverter có công suất 200VA – 12VDC / 220VAC Bước 3: Lựa chọn bộ điều khiển sạc. Áp dụng công thức (3.4)
Bảng 3.18 Tính to n lựa chọn bộ điều khiển sạc
Etotal (Wh)
Ptotal (W)
Vsystem (V)
Iscc (A) (3.4)
136.89 68.44 12 5.7
Với ( )
Bước 4: Lựa chọn ắc quy. Áp dụng công thức (3.5)
Bảng 3.19 Tính to n lựa chọn ắc quy
Etotal (Wh)
Vsystem (V)
DOD (%)
Số ngày dự trữ
Ctotal (Ah) (3.6)
51
136.89 12 60 1 136.89 × 1 ÷ (0.6× 12) = 19 Ah
- Số bình ắc quy mắc song song:
- Số bình ắc quy mắc nối tiếp: (Vbattery = 12V)
1
Vậy cần mắc nối tiếp 1 ắc quy và mắc song song 4 cặp ắc quy với dung lƣợng mỗi ắc quy là 6Ah để duy trì hệ thống.
Bước 5: Tính to n công suất, số pin mặt trời cần sử dụng trong hệ thống. Áp dụng công thức (3.9).
Bảng 3.20 Tính to n điện năng cung cấp cho hệ thống từ bộ pin mặt trời
Etotal (Wh)
(%)
(%)
Espv (Ah) (3.9)
136.89 90 90 136.89 ÷ 0.9 = 152.1 Ah
Bảng 3.21 Tính to n công suất của bộ pin mặt trời
Espv
(Ah) Nsh Công suất một tấm pin
(W)
Pspv (W) (3.10)
152.1 4.6 55 152.1 ÷ 4.6= 33.06 W
- Số tấm pin mắc song song:
- Số tấm pin mắc nối tiếp: (Vm = 18.4V)
Vậy cần mắc nối tiếp 1 tấm pin và mắc song song 1 cặp pin với công suất mỗi tấm là 55W để đ p ứng nhu cầu sử d ng.
Bước 6: Lựa chọn dây dẫn, cầu ch , CB:
52
Dòng điện định mức DC lớn nhất IDC,max, điện p hệ thống Vsystem Pm
(W) Vsystem (V) IDC,max
(A)
55 12 55 ÷ 12 = 4.58
Dòng điện xoay chiều lớn nhất IAC,max và điện p xo y chiều V = 220V:
Ptotal (W)
VAC (V)
IAC,max (A)
68.44 220 40 ÷ 220 = 0.31
- Chọn cầu chì bảo vệ cho tấm pin mặt trời (Icc ≥ Isc) Với dòng ngắn mạch của tấm pin mặt trời là Isc = 3.25A
→ Chọn cầu chì có dòng bảo vệ I = 4 A - Chọn cầu chì cho Input Inverter:
( )
→ Chọn cầu chì có dòng bảo vệ I = 4 A
- Chọn cầu chì cho đèn huỳnh quang 12VDC - 24W
( )
→ Chọn cầu chì có dòng bảo vệ I = 3 A - Chọn cầu chì bảo vệ cho ắc quy:
( )
→ Chọn cầu chì có dòng bảo vệ I = 6 A - Chọn CB cho tải AC: (ICB ≥ Itt )
( )
→ Chọn CB ABB có dòng định mức: Iđ = 2 A.
3. Thời gian hoạt động của b nh hi sử dụng tải - Công suất tải AC:
53 - Tổng công suất tiêu th :
- Dung lƣợng củ bình:
- Thời gian sử d ng bình :
=