CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
2.1.1 Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (Off-grid)
Là chuyển hó điện năng từ năng lƣợng mặt trời thông qu tấm pin qu ng điện và điện năng được lưu trữ trực tiếp trên ắc quy hoạt động độc lập mà không cần thông qu lưới điện công cộng.
Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập
Ƣu điểm:
+ Phù hợp với những nơi chư có điện lưới, điện lưới không ổn định hoặc có gi thành c o (nhƣ huyện đảo Phú Quốc hơn 9500đ/kWh).
+ Không ph thuộc lưới điện.
+ Đƣợc thết kế dạng module, dễ dàng nâng cấp công suất s u này.
+ Cấu hình điện p hệ ắc quy linh động: 12V, 24V, 36V, 48V hay 60V.
+ Có c c chức năng bảo vệ: qu dòng, qu p, qu tải, ngƣợc cực
+ Chế độ làm việc của inverter hoàn toàn tự động, có màn hình theo dõi kiểm so t hệ thống và có c c cảnh b o lỗi kịp thời khi có sự cố.
Nhƣợc điểm:
11
+ Chi phí lắp đặt b n đầu và chi phí bảo dƣỡng cao (cho ắc-quy).
+ Tuổi thọ bình ắc-quy thấp (từ 3-4 năm phải thay mới).
+ Tổn thất hệ thống nhiều (tổn thất của ắc-quy, inverter, pin Mặt Trời, dây dẫn, bộ điều khiển sạc, )
Nguyên lý hoạt động: Từ giàn pin mặt trời, nh s ng đƣợc biến đổi thành điện năng (theo hiệu ứng qu ng điện), tạo r dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này đƣợc dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử (bộ điều khiển sạc) có chức năng điều hoà tự động c c qu trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy r c c thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện(Inverter) để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy đƣợc thêm nhiều thiết bị điện gia d ng (đèn, quạt, r dio, TV )...
2.1.2 Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới (On-grid hoặc Grid-tied)
Hình 2.2 Hệ thống điện mặt trời hò lưới
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện NLMT hò lưới (On-grid)
Ƣu điểm: gi thành rẻ, phù hợp với những nơi sử d ng điện kinh do nh (trên 2500đ/kWh), c c nhà hàng, kh ch sạn, văn phòng cho thuê, c c nhà m y hoạt động chủ yếu vào b n ngày,
Nhược điểm: không hoạt động được khi mất điện lưới.
12
Nguyên lý hoạt động: khi có nh nắng Mặt Trời, c c tấm pin Mặt Trời sẽ hấp th bức xạ rồi chuyển đổi thành điện năng, thông qu on-grid/grid-tied inverter để chuyển đổi điện p DC thành AC cung cấp cho c c tải tiêu th mà không cần dùng đến điện lưới. Nếu công suất điện Mặt Trời dư (W1>W2) thì lượng công suất dư sẽ ph t ngược lên lưới điện.
Nếu vào những lúc trời râm, công suất điện Mặt Trời bị giảm không cung cấp đủ cho tải (W1<W2) thì hệ thống sẽ tự động lấy điện lưới bù vào. Khi không còn nắng, hệ thống sẽ dùng hẳn điện lưới.
Hệ thống điện Mặt Trời hò lưới có dự trữ (Hybrid)
Hình 2.3 Hệ thống điện mặt trời hò lưới có dự trữ
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện NLMT hò lưới có dự trữ (Hybrid) Ƣu điểm:
+ Phù hợp với những nơi thường xuyên mất điện.
+ Phù hợp với những hệ thống chạy 24/24 nhƣ trạm viễn thông, bệnh viện, m y chủ dữ liệu,
+ Khi mất điện lưới, c c thiết bị vẫn hoạt động bình thường.
13
Nguyên lý hoạt động: khi có nh nắng Mặt Trời, c c tấm pin Mặt Trời sẽ hấp th bức xạ rồi chuyển đổi thành điện năng, s u đó vừa sạc vào bình ắc-quy thông qu bộ điều khiển sạc, vừ hò lưới thông qu on-grid/grid-tied inverter theo tỉ lệ cài đặt. Nếu công suất điện Mặt Trời dư (W1>W2) thì lượng công suất dư sẽ ph t ngược lên lưới điện. Nếu vào những lúc trời râm, công suất điện Mặt Trời bị giảm không cung cấp đủ cho tải (W1<W2) thì hệ thống sẽ tự động lấy điện lưới bù vào. Khi không còn nắng, hệ thống sẽ dùng hẳn điện lưới. Khi mất điện lưới, grid-tied inverter ngừng hoạt động, hệ thống chuyển qu dùng nguồn từ pin Mặt Trời, nếu công suất từ pin Mặt Trời cung cấp không đủ, hệ thống sẽ lấy thêm điện từ hệ thống ắc-quy thông qu off-grid inverter rồi cung cấp cho tải.
Hệ thống điện mặt trời hò lưới không có dự trữ
Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời này phù hợp với những vùng có tỷ lệ mất điện thấp. Chi phí xây dựng hệ thống kh phù hợp cho c c hộ gi đình, cơ qu n, xí nghiệp nhỏ.
Nguyên lý hoạt động:
Hình 2.4 Hệ thống điện mặt trời hò lưới không dự trữ
Điện thu được từ tấm pin là điện 1 chiều. Qua bộ hò lưới sẽ đổi từ DC – AC cùng ph cùng tần số với điện lưới. S u đó hệ thống sẽ hò chung với điện lưới:
+ Khi công suất hò lưới bằng công suất tải thì tải tiêu th điện hoàn toàn từ pin mặt trời.
14
+ Khi công suất tải tiêu th lớn hơn công suất hò lưới thì tải sẽ lấy thêm lưới bù vào.
+ Khi công suất tải tiêu th nhỏ hơn công suất hò lưới thì điện từ bộ hò lưới sẽ trả r lưới.
Hình 2.5 Hệ thống hò lưới không lưu trữ
- Ƣu điểm:
+ S u khi đầu tƣ b n đầu đã đƣợc thu hồi, năng lƣợng từ mặt trời là thiết thực miễn phí
+ Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lƣợng nhiều hơn bạn sử d ng, chính phủ của bạn có thể mu điện từ bạn
+ Thân thiện với môi trường
+ Hoạt động âm thầm, không có bộ phận chuyển động, không có mùi khó chịu ph t ra và không yêu cầu bạn phải thêm bất kỳ nhiên liệu.
- Nhƣợc điểm:
+ C c chi phí b n đầu là bất lợi chính của việc cài đặt một hệ thống năng lƣợng mặt trời, phần lớn là vì chi phí c o củ c c vật liệu b n dẫn đƣợc sử d ng trong việc xây dựng một.
+ Chi phí năng lƣợng mặt trời cũng là c o so với tiện ích cung cấp điện không t i tạo. Nhƣ tình trạng thiếu năng lƣợng đ ng trở nên phổ biến hơn, năng lƣợng mặt trời ngày càng trở nên gi cạnh tranh.
15
+ Tấm năng lƣợng mặt trời đòi hỏi kh một vùng rộng lớn để cài đặt để đạt đƣợc một mức độ tốt hiệu quả.
+ Hiệu quả của hệ thống cũng ph thuộc vào vị trí của mặt trời, mặc dù vấn đề này có thể đƣợc khắc ph c với việc cài đặt c c thành phần nhất định.
2.2 Chi tiết c c thiết bị cần thiết của hệ thống năng lƣợng mặt trời 2.2.1 Tấm pin Panel mặt trời (solar cells panel)
Hình 2.6 Pin mặt trời
Pin năng lƣợng mặt trời (pin mặt trời/pin qu ng điện) là thiết bị giúp chuyển hó trực tiếp năng lƣợng nh s ng mặt trời (qu ng năng) thành năng lƣợng điện (điện năng) dự trên hiệu ứng qu ng điện. Hiệu ứng qu ng điện là khả năng ph t r điện tử (electron) khi đƣợc nh s ng chiếu vào của vật chất.
Vật liệu xuất ph t để làm pin Mặt trời silic phải là b n dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là b n dẫn ròng số hạt tải (hạt m ng điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) nhƣ nh u.
Để làm pin Mặt trời từ b n dẫn tinh khiết phải làm r b n dẫn loại n và b n dẫn loại p rồi ghép lại với nh u cho nó có đƣợc tiếp xúc p - n
16
Nguyên lí hoạt động:
Ánh s ng mặt trời đƣợc cấu tạo gồm c c hạt photon rất nhỏ. Khi c c hạt photon siêu nhỏ chạm trực tiếp vào c c tinh thể silic thì có 2 trường hợp xảy ra:
C c hạt photon trực tiếp truyền qu c c tinh thể silic trên bề mặt pin mặt trời.
Trường hợp này xảy r khi năng lượng của photong nhỏ hơn năng lượng đủ để đư c c hạt điện tử (electron) lên một mức năng lƣợng c o hơn.
Tinh thể silic trực tiếp hấp th năng lƣợng từ c c hạt photon. Khi này c c năng lƣợng photon lớn hơn mức năng lƣợng để đƣ c c electron lên mức c o hơn.
2.2.2 Bộ điều khiển sạc (solar charge controller)
Hình 2.7 Bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc là một thiết bị trung gian giữa hệ c c tấm pin mặt trời và hệ c c bình ắc-quy lưu trữ. Nhiệm v chính của bộ điều khiển sạc là điều khiển việc sạc bình ắc- quy từ nguồn điện sinh ra từ pin Mặt Trời.
17
Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp qu điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển x c nhận bình ắc-quy đã đƣợc nạp đầy hoặc điện p bình qu thấp.
Bảo vệ tấm pin mặt trời: nguyên lý củ dòng điện là chảy tƣ nơi điện p c o đến nơi điện p thấp. B n ngày trời nắng thì điện p tấm pin c o hơn điện p ắc quy nên dòng điện sẽ đi tƣ pin xuống ắc quy. Nhƣng b n đêm khi không có nắng, điện p pin sẽ thấp hơn điện p ắc quy và dòng điện sẽ đi ngƣợc từ ắc-quy lên tấm pin. Làm giảm hiệu suất tấm pin và gây hƣ hỏng tấm pin vậy nên bộ điều khiển sạc ngăn không để cho dòng đi ngƣợc lên tấm pin gây hƣ hỏng.
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp qu tải và xả qu sâu nhằm nâng c o tuổi thọ củ bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử d ng hiệu quả và lâu dài. Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử d ng kiểm so t được c c ph tải.
2.2.3 Battery (Ăc quy)
Là thiết bi lưu trữ điện để sử d ng vào b n đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn nh nắng. Ăc quy có nhiều loại, kich thước và dung lượng kh c nh u, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống tấm pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dung ắc quy có dung lƣợng lớn hoặc dung nhiều bình ắc quy kết nối lại với nhau.
Hình 2.8 Ac quy
Bình ắc-quy được chi làm nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn. Mỗi ngăn ắc-quy có điện p đầu r là 2V. Nhƣ vậy nếu nối tiếp tất cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộ ắc-quy là 12V.
18
Vỏ bình ắc-quy đƣợc chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó người t đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite. Phí trong vỏ bình có c c v ch ngăn để tạo c c ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng gọi là một ắc-quy đơn. Dưới đ y bình t làm 2 yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực. M c đính để c c bản cực tì lên đó, tr nh bị ngắn mạch khi đ y bình có lắng đọng cặn bẩn.
Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng kh c nh u, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin panel mặt trời . Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử d ng ăc-quy có dung lƣợng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau.
Có nhiều loại c-quy: Ắc quy khô, ắc quy nước, ắc quy kiểu hở, ắc quy kiềm...
2.2.4 Bộ ích điện (inverter)
Hình 2.9 Inverter
Bộ kích điện là một thiết bị biến đổi điện p một chiều (DC) củ bình ắc-quy (12V – 24V – 48V hoặc lên đến 240V) thành điện p xo y chiều (AC) có tần số phù hợp với lưới điện Việt N m đ ng sử d ng là 220V, 50Hz. Bộ kích điện được thiết kế với nhiều loại công suất từ 300VA – 10kVA tuỳ yêu cầu sử d ng.
Bộ kích điện có h i dạng: sóng điện hình sin mô phỏng và hình sin thực. Loại đầu có ưu điểm là gi rẻ, nhỏ gọn, thường dùng cho m y vi tính, đèn comp ct, tivi, nhưng gây hại cho c c thiết bị sử d ng. Loại s u sử d ng n toàn hơn với c c thiết bị điện dân d ng, nhƣng có gi c o hơn .
19 2.2.5 Bộ hòa lưới
Hình 2.10 Bộ hò lưới
Thiết bị hò lưới cho hệ thống điện năng lượng mặt trời là thiết bị có chức năng chuyển đổi năng lượng mặt trời hò chung vào mạng lưới điện quốc gi . Vào b n ngày khi mà năng lƣợng mặt trời chuyển hó thành điện năng nhiều nhƣng chúng t lại không dùng đến hoặc không dùng hết điện. Thiết bị hò lưới sẽ giúp đẩy lượng điện dư thừ vào lưới điện quốc gi khi đó chỉ số trên công tơ điện sẽ đếm lùi (ngược).
Vào b n đêm khi hệ thống pin năng lƣợng mặt trời không sản sinh r điện nữ mà trong khi nhu cầu sử d ng điện lại tăng, khi đó thiết bị hò lưới sẽ giúp bù điện lưới vào mạng điện gi đình để sử d ng c c thiết bị, khi đó chỉ số công tơ sẽ đếm tăng. Điều đó có nghĩ là khi bạn tiêu th lƣợng điện bằng năng lƣợng điện của hệ thống pin mặt trời tạo ra thì bạn không phải trả bất cứ chi phí tiền điện nào cho điện lực. Nếu lƣợng điện do hệ thống điện mặt trời của bạn tạo ra lớn hơn nhu cầu sử d ng điện của bạn thì khi đó điện lực sẽ phải mu điện của bạn để b n cho c c kh ch hàng kh c. Chỉ khi nhu cầu sử d ng của bạn lớn hơn lƣợng điện do hệ thống pin mặt trời tạo ra, bạn sẽ phải trả phần chi phí đối trừ ph t sinh tăng cho điện lực.
Thiết bị hò lưới cho hệ thống điện năng lượng mặt trời mang lại lợi ích như: nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng điện tr nh hiện tƣợng dƣ thừ năng lƣợng vô ích: nếu ta nạp vào acquy thì acquy cũng sẽ đầy, c c thiết bị điện có
20
lúc dùng lúc không Những lúc như vậy việc xảy r dư thừ năng lương vô ích. Khi hò vào lưới điện thì khi thừ năng lượng sẽ chia sẻ cho nơi kh c h y đư vào sản xuất, đư vào phương tiện vận chuyển( xe điện, tàu điện ngầm ) khi t cần lại có điện sử d ng.
2.2.6 Khung gi , dây c p và phu iện lăp đặt
Để đảm bảo cho hệ thống tấm pin mặt trời đặt đung vi trí tốt nhất (Ánh nắng nhiều nhất và lâu nhất) và hiệu suất sử dung hệ thống luôn đƣợc ôn đinh lâu dài, chúng ta cần dùng đến bộ khung g và dây c p chuyên d ng.
Để tối đ ho hiệu suất của hệ thống, c c tấm pin mặt trời cần đƣợc đặt theo một góc nghiêng và một hướng nhất đinh (Tùy thuộc tưng vi trí lắp đặt cu thể).
C c phu kiện đông bộ kèm theo: ống, công tắc, bảng điện, domino, ô cắm để lắp hoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời.
Hình 2.11 hệ thống gi đỡ pin năng lương măt trời