Tiểu luận Đồ Án chuyên ngành Đề tài thiết kế hệ thống Điện năng lượng mặt trời cho hộ gia Đình

Lấy năng lượng từ mặttrời và chuyển thành điện năngcung cấp cho các trang thiết bị là mong ước của chúng ta, sẽ không còn hóa đơn tiền điện, không còn phụ thuộc vào công ty điện lực và b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Lê Văn Phú Hứa Đường Quân

6251060008 6251060006 6251060055 6251060049 6251060051

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Giới thiệu hệ thống cung cấp điện

Hệ thống năng lượng là tập hợp các nhà máy điện, lưới điện và lưới nhiệt được nối với nhau liên tục trong quá trình sản xuất, chúng có liên hệ mật thiết với nhau

Hệ thống điện là hệ thống năng lượng không có lưới nhiệt Hay nói cách khác, hệ thống điện là hệ thống bao gồm các khâu sản xuất, truyền tải, phân phối và cung cấp điện đến các hộ tiêu thụ

Điện năng là một dạng năng lượng rất phổ biến và quan trọng đối với

cuộc sống,điện năng được sản xuất từ các nhà máy được truyền tải và

cung cấp cho các hộ tiêu thụ Trong việc truyền tải tới các hộ tiêu thụ

việc thiết kế cung cấp điện là một khâu rất quan trọng Với thời đại hiện

nay, nền kinh tế nước ta đang phát triền mạnh mẽ theo sự hội nhập của

thế giới,đời sống xã hội của người dân được nâng cao nên những tiện

nghi trong cuộc sống đòi hỏi mức tiêu thụ về điện năng tăng cao, do đó

việc thiết kế cung cấp điện không thể thiếu trong xu thế hiện nay

Việc thiết kế cung cấp điện cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

 - Độ tin cậy cấp điện: mức độ tin cậy cung cấp điện phụ thuộc vào

yêu cầu phụ tải với công trình quan trọng cấp quốc gia phải đảm

bảo liên tục câp điện ở mức cao nhất, những đối tượng như nhà

máy, xí nghiệp, tòa nhà cao tầng…tốt nhất là dùng máy phát điện

dự phòng khi mất điện sẽ dùng máy phát

 - Chất lượng điện: được đánh giá qua hai tiêu chí tần số và điện

áp, điện áp trung và hạ chỉ cho phép khoảng ±5% do thiết kế dảm

nhiệm, còn chỉ tiêu tần số do cơ quan điện lực quốc gia điều hành

 - An toàn điện: công trình cấp điện phải có tính an toàn cao cho

người vận hành, người sử dụng thiết bị và cho toàn bộ công trình

 - Kinh tế: trong quá trình thiết kế ta phải đưa ra nhiều phương án

rồi chọn lọc trong các phương án đó có hiệu quả kinh tế cao

1.2 GIỚI THIỆU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Trong thái dương hệ mặt trời có nguồn năng lượng lớn nhất Nó là khối vật chất khổng lồ với hoạt động hạt nhân xảy ra liên tục Mặt trời cung cấp trực tiếp hoạt gián tiếp, cho loài người và mọi dạng sống trên trái đất Mặt trời quyếtđịnh khí hậu và thời tiết không có mặt trời trái đất là vùng đất chết đóng băng vĩnh cửu

Điện năng lượng măt trời là ý tưởng tuyệt vời Lấy năng lượng từ mặttrời và chuyển thành điện năngcung cấp cho các trang thiết bị là mong

ước của chúng ta, sẽ không còn hóa đơn tiền điện, không còn phụ thuộc

vào công ty điện lực và bạn sẽ có nguồn năng lượng tái tạo, xanh sạch vàbảo vệ môi trường Tạo ra năng lượng mặt trời nhờ vào ánh sáng mặt trời

chiếu vào các panel pin mặt trời tạo ra nguồn điện 1 chiều DC qua các bộbiến tần chỉnh thành các nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho các

thiết bị điện

Panel mặt trời tạo ra điện là do hiệu ứng quang điện giữa 2 lớp bán

dẫn, 1 lớp thiếu electron Khi các electron này bị các photon kích thích

lám cho chúng chuyển từ lớp bán dẫn này sang bán dẫn kia, nên tạo ra

điện tích Các panel này thường là Si được cắt thành các tấm mỏng xếp kết hợpvừa song song và nối tiếp Nối tiếp thì tăng hiệu suất của pin,

mắc song song thì tăng áp cung cấp cho phụ tải

Nguồn năng lượng mặt trời ngày nay thường được ứng dụng ích vì

giá thành vẫn còn cao Nên được chỉ ứng ụng ở những nơi chưa có điện

lưới kéo tới hoặc cung cấp cho 1 vài phòng, hay ứng dụng làm bình nước

nóng, thiết bị bán hàng tự động

1.3 SỰ PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Sự phát triển nhanh về công nghệ và liên tục cải tiến của các nhà thiết kế nên giá có giảm đi liên tục từ đầu năm 2009 tạo nên tiến bộ rõ rệt trong lĩnh vực công nghệ năng lượng sạch Trước những năm 2007 thì việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời là điều coi là không thực tế Ngày nay thì nó có tính khả thi cao Thậm chí còn hiệu quả về cả kinh tế và công nghệ Các tấm pin panel ngày càng nhỏ gọn hơn và đa dạng hơn về định mức công suất, chi phí ngày càng thấp hơn Đối nhiều ứng dụng,

năng lượng mặt trời dang trở thành phương cách cung cấp điện năng có

hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều phương pháp khác

Với tiến độ phát triển của nghành công nghệ điện hiện nay thì dự đoán đếnnăm 2020 thì năng lượng mặt trời sẽ thành nguồn điện rẽ nhất, rẽ hơn các năng lượng được sản xuất trong các nhà máy: nhiệt năng, thủy

năng Chúng ta sẽ chứng kiến năng lượng mặt trời tích hợp vào các vật

dụng, máy móc hằng ngày Năng lượng mặt trởi là thiết bị cấp điện dễ sử

dụng, thải cacbon thấp.Năng lượng này sẽ cung cấp được những nơi

như: sa mạc, các vùng sâu vùng xa Dần thay thế các nguồn điện khác và

trở thành nguồn cung cấp điện chính trong tương lại

Chương 2: cơ sở lý thuyết1.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1.4.1 HỆ THỐNG ĐỘC LẬP/ NGOÀI LƯỚI ĐIỆN

Trạm điện mặt trời độc lập là kiểu hệ thống điện mặt trời thông dụngnhất trên phạm vi toàn cầu Mục đích chính là cung cấp điện cho nhữngnơi chưa có lưới điện kéo tới hay không có nguồn năng lượng khác

- Hệ thống điện độc lập thường rất nhỏ, công suất đỉnh không quá 1kw

- Hệ thống điện độc lập muốn có kế hoạch về hệ thống điện lớn hơn vàquan trọng hơn thì người thiết kế cần có kiến thức cơ bản và kinh

nghiệm trong thiết kế nguồn năng lượng mặt trời, nên cần bắt đầu vớithiết kế nhỏ và đơn giản

Nguyên lý hoạt động:

Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điệnnăng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫntới bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chứcnăng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp choacquy (Battery) ở chế độ tối ưu nhất Khi acquy (Battery) đầy thì bộ điềukhiển (charge controller) sẽ ngưng sạc hoạt sạc ở chế độ duy trì Khiacquy (Battery) cạn thì tự động vào chế độ nạp lại Thông qua bộ đổiđiện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz đểchạy các thiết bị trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính,

tủ lạnh, máy bơm

- Ưu điểm:

Hệ thống này sẽ đơn giản, dễ thiết kề và thường dùng trong các khu vựcchưa có lưới điện hoặc nơi thường xuyên bị cắt điện liên tục.

- Nhược điểm:

+Hệ thống này vì không có lưới điện hoặc điện áp dự phòng nên phụ

thuộc rất nhiều vào cường độ chiếu sáng của mặt trời hơn những hệ

thống điện mặt trời khác

+Hệ thống này phải cung cấp điện năng hơn công suất phụ tải mà nó cung cấp để có điện dự trữ xài vào ban đêm khi mà các dãy pannel không thể tạo ra điện năng (chỉ tạo ra 1 ít điện năng khi ánh trăng tròn)

+Mà yếu tố quyết định chính là các photon trong ánh nắng mặt trời, photon

sẽ tăng khi cường độ chiếu sáng tăng

Để khắc phục sự phụ thuộc này ta cần tính toán kỹ lưỡng thiết kế năng lượng mặt trời của hệ thống này Như địa điểm lắp đặt các dãy pannel mặt trời, hướng của các dãy pannel, điểu chỉnh góc đặt dãy pannel, dự đoán tránh bóng che Công suất của dãy pannel cung cấp phải lớn hơn

công suất phụ tải hệ thống, để còn điện năng dư đưa vào bình acquy để

có điện năng sử dụng vào ban đêm

1.4.2 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN

Hệ thống này thường được thông dụng ở châu Âu và Hoa Kỳ, do lợi ích rõ rệt về giảm chi phí lắp đặt và có thêm thu nhập nhờ bán điện lại cho công ty điện lực Hệ thống điện này thường hoạt động ở các khu có hệ thống lưới điện

ổn định Đặc biệt có hiệu quả nhất ở nơi có khí hậu nóng, nhiều ánh nắng, nơi nhu cầu điện năng cao điểm trùng với những giờ nắng nóng

Mô tả hoạt động: chuyển mạch SW ở vị trí OB

- Khi không có mặt trời: (Buổi tối hoặc khi bị mây che) Các Solar

panel sẽ không sản sinh ra điện nên các phụ tải sẽ sử dụng điện từ lưới

một cách bình thường Lúc này chỉ số của W0 sẽ thể hiện đúng chỉ số

tiêu thụ điện năng của phụ tải mà bạn đang sử dụng (W2):

W2 = W0

- Khi trời có nắng: Các solar panel sẽ có địên và lúc này GTSIA sẽ biến

đổi điện năng DC từ các solar panel trên thành điện AC có tần số, pha vàđiện áp trùng với điện lưới Điện năng từ mặt trời sẽ được hòa với điệnlưới qua chỉ số của đồng hồ W1 Như vậy chí số mua điện từ lưới (W0)

sẽ bằng hiệu của mức tiêu thụ của phụ tải (W2) với điện năng do hệthống điện mặt trời tạo ra (W1)

W0 = W2 - W1

Trong trường hợp công suất của phụ tải là nhỏ hơn công suất của điệnmặt trời đưa ra W2 < W1, ta thấy điện năng sẽ được “bơm” và gửi

ngược trở lại lưới và chỉ số trên W0 sẽ mang trị số âm (giảm)

- Khi mất điện lưới, hệ thống GTSIA ngưng họat động đảm bảo sự

an toàn cho lưới điện

Chuyển mạch SW ở vị trí OA: Được sử dụng khi nhà nước chấp nhậnmua điện từ các hộ gia đình có hệ thống điện mặt trời nối lưới

* Ưu điểm:

- Hệ thống nối với lưới điện, bạn có thể sử dụng điện mặt trời vàoban ngày, điện dư thì dẫn vào lưới điện bán cho công ty điện lực

Buổi chiều hoặc tối thì bạn lại sử dụng điện từ công ty điện lực

cung cấp vì vậy hệ thống này thường ít phụ thuộc vào công ty

điện lực, giảm được điện mà nhà máy sản xuất bằng các phương

thức gây ô nhiễm môi trường

- Không sử dụng bình acquy: giảm đáng kể chi phí đầu tư và bảo

dưỡng cho hệ thống acquy

- Khai thác điện năng hiệu quả nhất: từ nguồn năng lượng mặt trời(hoặc gió) do có cơ cấu nổi bật là thu nhận, biến đổi và bổ xung

trực tiếp ngay vào lưới điện không bị tổn hao trên accu dự trữ

- Bền vững, lâu dài: Do máy luôn được vận hành song song với

lưới điện nên mọi đột biến của tải hay điện áp trên đường dây và

nguồn điện đều không thể tác động trực tiếp vào máy Tuổi thọ của

hệ thống là tuổi thọ của các linh kiện điện tử cao cấp có thể lên tới

pannel mặt trời với lưới điện quốc gia thì nó giống như hệ thống máyphát nối với lưới điện Khi đưa công suất điện lên lưới cần phải trunghòa điện và tần sồ để trùng với lưới điện

Hệ thống này có thể áp dụng tại Việt Nam, những vẫn chưa được phổbiến ở Việt Nam và do hệ thống quản lý điện lực nước ta vẫn chưa chấpnhận mua điện từ nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió Còn vềđồng hồ điện năng thì vẫn chưa được cho phép quay ngược nên dù có

đẩy công suất ngược lên lưới thì vẫn là công ‘phí uổng’.

Công nghệ SIPV ưu tiên dùng điện mặt trời, chỉ khi điện mặt trời không đủ,mới cần sự trợ giúp từ điện lưới quốc gia (thiếu bao nhiêu cấp bấy nhiêu, không thiếu không cấp) Ý nghĩa khác của công nghệ là khả năng hỗ trợ phụ tảicho điện lưới quốc gia và hỗ trợ người tiêu dùng có thể mua điện của EVN vào giờ thấp điểm với giá rẻ Tất cả các chức năng

của hệ thống đều được bộ điều khiển thông minh số hóa và điều hành

không cần đến sự can thiệp của con người Buổi sáng khi mặt trời lên, hệ

thống chuyển sang chế độ dùng điện mặt trời và ngắt điện từ EVN Khi

có sự cố đường dây của EVN, lập tức hệ thống chuyển sang dùng mạng

điện mặt trời dự phòng từ giàn ắc-quy Từ 22 giờ đêm, hệ thống điều

khiển thông minh ra lệnh cho bộ sạc lưới mua điện giá rẻ của EVN Khi

điện sản xuất từ giàn pin mặt trời dư không dùng hết, phần điện dư thừa

lập tức được đưa về dự trữ vào hệ thống tồn trữ năng lượng của tòa nhà

1.4.3 HỆ THỐNG NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN VÀ DỰ PHÒNG

Hệ thống mặt trời nối với lưới điện và đề phòng sự cố- còn gọi là hệ

thống tương tác lưới-kết hợp với hệ thống mặt trời nối với lưới điện và

dãy các acquy Cũng như hệ thống nối với lưới điện, bạn sử dụng điện

năng từ các panel mặt trời khi trời nắng và bán điện dư cho công ty điện

lực Nhưng khác với hệ thống nối với lưới điện, dãy các acquy sẽ cung

cấp điện ngay khi lưới điện bị cắt đột ngột, do đó hệ thống của bạn sẽ

- Hệ thống on - grid (hệ thống nối lưới): Sản xuất điện năng từ các

tấm pin mặt trời (Solar Panel) thành điện 220V AC /50Hz để hòa vào

điện lưới

- Hệ thống off - grid (hệ thống độc lập): Lưu trữ điện năng từ các tấm pin mặt trời (Solar Panel) vào Acquy để sẵn sàng biến đổi thành điện

220VAC /50Hz để cung cấp cho tải khi không có điện lưới

- Khi khởi động hệ thống, Acquy (battery) luôn được ưu tiên nạp điện từ Mặttrời cho đến khi đầy Lúc này hệ thống On Grid chưa làm việc

- Khi acquy đầy, hệ thống sẽ tự động biến đổi điện DC từ Sola Panel

thành điện AC 220V để hòa với điện lưới (Điện áp ra của hệ thống có

tần số, pha trùng với điện lưới có thể là 1 pha hoặc 3 pha

- Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ tự động lấy điện DC từ Acquy và Solar để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên

Yêu cầu người lắp phải có kinh nghiệm và trình độ chuyên môn

1.4.4 HỆ THỐNG BỔ SUNG LƯỚI ĐIỆN

tự chuyển sang điện mặt trời,

* Nhược điểm

- Hệ thống này bạn không thể bán điện cho công ty điện lực

- Cấu tạo phức tạp và xây dựng khó khăn

* Ưu điểm:

- Hệ thống bổ sung điện lưới có hầu hết các ưu điểm của hệ thống nối với lướiđiện dự phòng Hệ thống này sử dụng phổ biến ở những nơi chưa

có chính sách trợ cấp hoặc ưu đãi dành cho trạm điện mặt trời hay hầu

như không có lợi khi bán điện cho công ty điện lực

- Nếu hệ thống của bạn có khả năng phát hiện với công suất lớn hơn 1

kW điện trong 1 giờ, thì hệ thống nối với lưới điện sẽ kinh tế hơn Nếu

hệ thống chỉ phát điện với công suất dưới 1 kW điện trong 1 giờ thì hệ

thống bổ sung lưới điện sẽ kinh tế hơn Khi công suất phát điện dưới 1

kW thì việc phát lên lưới điện sẽ có tổn hao trên đường dây nhiều hơn là

ta có thể phát điện lớn hơn 1kW Thay vì để tôn hao trên dây dẫn ta tích

trữ điện vào các dãy acquy Khi ta có hệ thống trên 1kW thì có thể đầu tư

quá nhiều vào các dãy acquy để tích trữ đủ năng lượng nên ta có thể gửi

bán cho công ty điện lực (nếu có chính sách khuyến khích) rồi dùng lúc

các dãy panel cung cấp không đủ ta có thể mua lại từ điện lực

1.5 CÁC BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1.5.1 PANEL MẶT TRỜI

Panel mặt trời là phần là phần cốt lõi của hệ thống điện mặt trời Panel

mặt trời chính xác là panel quang điện mặt trời, nó tạ ra năng lượng từánh sáng mặt trời Năng lượng mặ trời càng mạnh thì công suát nhậnđược càng cao Hầu hết các panel mặt trời đều gồm các tế bào (pin) mặttrời ghép lại với nhau Pin mặt trời thông dụng hiện nay chỉ tạo ra điện

áp khoảng 0.5V, do đó phải mắc ghép chúng lại với nhau bên trong panel

dể tạo ra điện áp hữu dụng Nếu ta dùng đồng hồ đo không tải của panelmặt trời thì ta thấy điện áp lên đến 26V, nhưng khi nối với các phụ tải thì

nó sụt áp xuống còn lại 14-18V

Nối các panel với nhau có thể tạo ra 1 mảng panel mặt trời Nối nhiềupanel như vậy với nhau giúp bạn tạo ra dòng điện cường độ cao hơnhoặc điện áp cao hơn

Mắc nối tiếp các panel cho phép mảng panel tạo ra điện áp lớn

hơn;khoảng 24-28V trong hệ thống độc lập,hoặc vài tram volt

tronh hệ thống nối với điện lưới

Mắc song song các panel cho phép mảng panel cung cấp công suấtlớn trong khi vẫn giư nguyên giá trị điện áp của từng panel

Khi nối tiếp nhiều panel với nhau,công suất của toàn hệ thống sẽ

tăng,bất kể mắc nối tiesp hay song song hoặc kết hợp cả hai

Trong mảng panel mắc nối tiếp,ta cộng điện áp của từng panel với nhau và cộng công suất (watt) của chúng để tính điện áp và công suất cực đại mảng panel đó có thể tạo ra

Trong mảng panel mắc song song,bạn lấy giá trị điện áp trung bình củatất cả các panel và cộng công suất (watt) của từng panel để tính công

suất cực đại của mảng panel điện mặt trời

1.5.2 ACQUY

Các panel mặt trời rất ít khi cung cấp điện năng trực tiếp cho thiết bị

điện Điều này lo do công suất của panel mặt trời biến thiên theo cường

độ ánh nắng, không phù hợp với hấu hết các thiết bị điện Đối với hệ

thống độc lập hoặc hệ thống bổ sung điện lưới,acquy lưu giữ điện năng

và cung cấp nguồn điện với công suất ổn định cho thiết bị

Nói chung, năng lượng này được lưu giữ trong các acquy acid-chì “chu

kỳ sâu”, hình dáng tương tự acquy dùng trên xe hơi nhưng khác về thiết

kế bên trong Thiết kế này cho phép chúng phóng điện và tái nạp điện

cho acquy, acquy có thể bị hỏng Tương tự nếu hệ thống phóng hết điện

lượng từ các acquy, các acquy sẽ bị hư hại một cách nhanh chóng Bộ

điều khiển chính là thiết bị điều khiển các quá trình nạp và phóng điện

acquy Nhưng trong 1 số trường hợp, hệ thống điện mặt trời cỡ nhỏ thì

không yêu cầu bộ điều khiển vì tấm panel mặt trời này quá nhỏ để làm

hư acquy khi acquy đó được nạp đầy