Lấy năng lượng từ mặt trời và chuyển thành điện năngcung cấp cho các trang thiết bị là mong ước củachúng ta, sẽ không còn hóa đơn tiền điện, không còn phụ thuộc vào công tyđiện lực và bạ
TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
Hệ thống năng lượng bao gồm các nhà máy điện, lưới điện và lưới nhiệt được kết nối chặt chẽ, tạo thành một mạng lưới liên tục trong quá trình sản xuất điện năng Sự liên hệ mật thiết giữa các thành phần này đảm bảo hiệu quả và ổn định cho toàn bộ hệ thống.
Hệ thống điện là một mạng lưới năng lượng bao gồm sản xuất, truyền tải, phân phối và cung cấp điện đến người tiêu dùng Điện năng, một dạng năng lượng thiết yếu, được sản xuất từ các nhà máy và được truyền tải đến các hộ tiêu thụ Thiết kế cung cấp điện là một yếu tố quan trọng trong quá trình này, đặc biệt trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ và đời sống xã hội ngày càng được nâng cao Sự gia tăng nhu cầu về điện năng trong cuộc sống hiện đại đòi hỏi một hệ thống cung cấp điện hiệu quả và bền vững.
Việc thiết kế cung cấp điện cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
Độ tin cậy cấp điện là yếu tố quan trọng, đặc biệt đối với các công trình cấp quốc gia, nơi yêu cầu cung cấp điện liên tục ở mức cao nhất Đối với các đối tượng như nhà máy, xí nghiệp và tòa nhà cao tầng, việc sử dụng máy phát điện dự phòng là giải pháp tối ưu để đảm bảo hoạt động không bị gián đoạn khi xảy ra mất điện.
Chất lượng điện được xác định qua hai tiêu chí chính là tần số và điện áp Điện áp trung và hạ chỉ cho phép dao động trong khoảng ±5% theo thiết kế, trong khi tần số được quản lý bởi cơ quan điện lực quốc gia.
- 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.
GIỚI THIỆU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất trong hệ mặt trời, cung cấp ánh sáng và nhiệt cho mọi dạng sống trên trái đất, quyết định khí hậu và thời tiết Nếu không có mặt trời, trái đất sẽ trở thành vùng đất chết Điện năng lượng mặt trời là một giải pháp tuyệt vời, cho phép chúng ta chuyển đổi năng lượng từ mặt trời thành điện năng, giúp giảm hóa đơn tiền điện và giảm phụ thuộc vào các công ty điện lực Hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm pin mặt trời, tạo ra điện một chiều DC, sau đó được chuyển đổi thành điện xoay chiều AC để cung cấp cho các thiết bị điện, mang lại nguồn năng lượng tái tạo, sạch và bảo vệ môi trường.
Panel mặt trời tạo ra điện nhờ hiệu ứng quang điện giữa hai lớp bán dẫn, trong đó một lớp thiếu electron Khi các photon kích thích electron, chúng chuyển từ lớp này sang lớp kia, tạo ra điện tích Các panel thường được làm từ silicon, được cắt thành tấm mỏng và xếp kết hợp theo kiểu song song và nối tiếp Việc nối tiếp giúp tăng hiệu suất pin, trong khi mắc song song nâng cao điện áp cung cấp cho phụ tải Mặc dù nguồn năng lượng mặt trời ngày nay vẫn có giá thành cao, nhưng nó thường được ứng dụng ở những khu vực chưa có điện lưới hoặc để cung cấp năng lượng cho một số phòng, cũng như trong các thiết bị như bình nước nóng và máy bán hàng tự động.
SỰ PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và cải tiến từ các nhà thiết kế đã làm giảm giá năng lượng sạch liên tục từ năm 2009, tạo ra những bước tiến rõ rệt trong lĩnh vực năng lượng mặt trời Trước năm 2007, việc ứng dụng năng lượng mặt trời được xem là không khả thi, nhưng hiện nay đã trở nên thực tế và hiệu quả về kinh tế cũng như công nghệ Các tấm pin năng lượng mặt trời ngày càng nhỏ gọn, đa dạng về công suất và chi phí ngày càng giảm Năng lượng mặt trời đang trở thành một phương pháp cung cấp điện hiệu quả hơn so với nhiều nguồn năng lượng khác Dự đoán đến năm 2025, năng lượng mặt trời sẽ trở thành nguồn điện rẻ nhất, rẻ hơn so với năng lượng từ các nhà máy nhiệt và thủy điện Chúng ta sẽ thấy năng lượng mặt trời được tích hợp vào các thiết bị và máy móc hàng ngày, cung cấp điện dễ sử dụng và thải carbon thấp, phục vụ cho những khu vực như sa mạc và vùng sâu vùng xa, dần thay thế các nguồn điện khác để trở thành nguồn cung cấp điện chính trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
2.1.1HỆ THỐNG ĐỘC LẬP/ NGOÀI LƯỚI ĐIỆN
Trạm điện mặt trời độc lập là hệ thống năng lượng mặt trời phổ biến nhất trên toàn cầu, nhằm mục đích cung cấp điện cho những khu vực chưa được kết nối với lưới điện hoặc không có nguồn năng lượng thay thế.
- Hệ thống điện độc lập thường rất nhỏ, công suất đỉnh không quá 1kw.
Để phát triển một hệ thống điện độc lập hiệu quả, người thiết kế cần có kiến thức vững về thiết kế nguồn năng lượng mặt trời Bắt đầu từ những dự án nhỏ và đơn giản sẽ giúp tích lũy kinh nghiệm cần thiết cho việc xây dựng hệ thống điện lớn hơn và phức tạp hơn.
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời độc lập
Giàn pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) dẫn đến bộ điều khiển (charge controller) để tối ưu hóa quá trình sạc cho acquy (Battery) Khi acquy đầy, bộ điều khiển ngưng sạc và duy trì chế độ sạc; khi acquy cạn, nó tự động chuyển sang chế độ nạp lại Dòng điện một chiều này sau đó được biến đổi thành điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) để cung cấp năng lượng cho các thiết bị gia đình như đèn, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh và máy bơm.
Hệ thống này sẽ đơn giản, dễ thiết kề và thường dùng trong các khu vực chưa có lưới điện hoặc nơi thường xuyên bị cắt điện liên tục.
Hệ thống này phụ thuộc chủ yếu vào cường độ chiếu sáng của mặt trời, do không có lưới điện hoặc điện áp dự phòng, điều này làm cho nó khác biệt so với các hệ thống điện mặt trời khác.
Hệ thống điện này cần cung cấp năng lượng vượt quá công suất của tải tiêu thụ để đảm bảo có đủ điện dự trữ sử dụng vào ban đêm, khi các tấm pin mặt trời không thể sản xuất điện (chỉ tạo ra một lượng nhỏ điện trong ánh trăng tròn).
Yếu tố quyết định trong hiệu suất năng lượng mặt trời là số lượng photon từ ánh nắng mặt trời, với số photon tăng lên khi cường độ chiếu sáng cao hơn Để tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời, cần thực hiện các tính toán kỹ lưỡng về thiết kế, bao gồm vị trí lắp đặt các tấm pin mặt trời, hướng và góc nghiêng của chúng, cũng như việc dự đoán và tránh bóng che Đảm bảo công suất của các tấm pin vượt quá nhu cầu tiêu thụ của hệ thống là cần thiết, để có điện năng dư lưu trữ trong bình acquy, phục vụ cho việc sử dụng vào ban đêm.
2.1.2 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN
Hệ thống điện này phổ biến ở châu Âu và Hoa Kỳ nhờ vào việc giảm chi phí lắp đặt và tạo thêm thu nhập từ việc bán điện cho công ty điện lực Nó hoạt động hiệu quả ở những khu vực có lưới điện ổn định, đặc biệt là ở những nơi có khí hậu nóng và nhiều ánh nắng, nơi nhu cầu điện năng cao trùng với giờ nắng nóng.
Hình 2: sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện nối với lưới điện
Mô tả hoạt động: chuyển mạch SW ở vị trí OB
Khi không có ánh sáng mặt trời, như vào buổi tối hoặc khi bị mây che, các tấm pin mặt trời sẽ ngừng sản xuất điện Trong tình huống này, các thiết bị sẽ sử dụng điện từ lưới điện như bình thường Lúc này, chỉ số W0 sẽ phản ánh chính xác mức tiêu thụ điện năng của các phụ tải đang hoạt động, được thể hiện qua công thức W2 = W0.
Khi trời nắng, các tấm pin mặt trời sẽ sản xuất điện, và GTSIA sẽ chuyển đổi điện năng DC từ các tấm pin thành điện AC phù hợp với tần số, pha và điện áp của lưới điện Điện năng từ mặt trời sẽ được hòa vào lưới điện thông qua chỉ số đồng hồ W1 Do đó, chỉ số mua điện từ lưới (W0) sẽ được tính bằng hiệu giữa mức tiêu thụ của phụ tải (W2) và điện năng mà hệ thống điện mặt trời tạo ra (W1), cụ thể là W0 = W2 - W1.
Khi công suất của phụ tải nhỏ hơn công suất điện mặt trời (W2 < W1), điện năng sẽ được "bơm" ngược trở lại lưới điện, dẫn đến chỉ số W0 có giá trị 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 nhận mua điện từ các hộ gia đình có hệ thống điện mặt trời nối lưới.
Hệ thống điện mặt trời kết nối với lưới điện cho phép bạn sử dụng năng lượng mặt trời vào ban ngày Khi sản lượng điện vượt quá nhu cầu, lượng điện dư sẽ được chuyển vào lưới điện và bán lại cho công ty điện lực.
Vào buổi chiều hoặc tối, nguồn điện được sử dụng từ công ty điện lực, nhưng hệ thống này thường ít phụ thuộc vào nhà cung cấp, giúp giảm thiểu lượng điện tiêu thụ và hạn chế ô nhiễm môi trường từ các phương thức sản xuất điện.
- 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, nhờ vào cơ cấu nổi bật cho phép thu nhận, biến đổi và bổ sung trực tiếp vào lưới điện mà không gây tổn hao trên accu dự trữ.
Máy móc hoạt động bền vững và lâu dài nhờ vào việc vận hành song song với lưới điện, giúp bảo vệ hệ thống khỏi các đột biến tải và điện áp Tuổi thọ của hệ thống phụ thuộc vào các linh kiện điện tử cao cấp, có thể kéo dài lên đến 25 năm.
- Ứng dụng rộng rãi cho mọi nơi như: các hộ dân, cơ quan, đơn vị đang có điện lưới quốc gia.
Việc lắp đặt và sử dụng thiết bị rất đơn giản, cùng với chi phí bảo trì gần như bằng không, giúp rút ngắn tối đa thời gian thu hồi vốn và đảm bảo đạt được kế hoạch đầu tư ban đầu.
CÁC BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Hình 4: tấm pin năng lượng mặt trời
Đặc tính làm việc của pin mặt trời chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ, áp suất khí quyển và độ ẩm Trong số đó, nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời là hai yếu tố quan trọng nhất quyết định hiệu suất hoạt động của pin mặt trời Hình 2.2(a) minh họa rõ sự thay đổi của cường độ dòng điện theo chiều thuận với cường độ bức xạ mặt trời.
Hình 5: Ảnh hưởng bức xạ mặt trời (a) và nhiệt độ (b) tới đặc tính của
Khi nhiệt độ thay đổi từ 0°C đến 60°C mà cường độ bức xạ giữ nguyên, điện áp của pin mặt trời sẽ giảm dần, trong khi cường độ dòng điện gần như không thay đổi Hình 2.3 minh họa đường đặc tính P−V trong ba điều kiện thời tiết khác nhau.
Hình 6: Đường đặc tính PV khi thay đổi nhiệt độ và bức xạ mặt trời
Panel mặt trời là thành phần cốt lõi của hệ thống điện mặt trời, hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Các panel này bao gồm nhiều tế bào quang điện được ghép lại, mỗi tế bào chỉ tạo ra điện áp khoảng 0.5V, do đó cần kết nối chúng để đạt được điện áp hữu dụng Khi đo điện áp không tải, panel mặt trời có thể đạt tới 26V, nhưng khi kết nối với tải, điện áp giảm xuống còn 14-18V Việc nối nhiều panel lại với nhau tạo thành một mảng panel mặt trời, giúp tăng cường độ dòng điện hoặc điện áp Kết nối các panel theo kiểu nối tiếp cho phép mảng panel tạo ra điện áp lớn hơn, khoảng 24-28V trong hệ thống độc lập hoặc vài trăm volt trong hệ thống nối lưới.
Hình 7: nối các tấm panel lại theo kiểu mắc nối tiếp
Mắc song song các panel cho phép mảng panel cung cấp công suất lớn trong khi vẫn giư nguyên giá trị điện áp của từng panel.
Hình 8: nối các tấm panel lại theo kiểu mắc nối song song
Khi nối tiếp nhiều panel với nhau,công suất của toàn hệ thống sẽ tăng,bất kể mắc nối tiếp hay song song hoặc kết hợp cả hai
Trong hệ thống panel mắc nối tiếp, điện áp của từng panel được cộng lại, đồng thời công suất (watt) của chúng cũng được cộng để xác định điện áp và công suất cực đại mà mảng panel có thể tạo ra.
Trong hệ thống panel điện mặt trời mắc song song, để tính công suất cực đại, bạn cần lấy giá trị điện áp trung bình của tất cả các panel và cộng dồn công suất (watt) của từng panel.
Hiện nay, vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là silic tinh thể, được chia thành hai loại chính: đơn tinh thể và đa tinh thể Pin đơn tinh thể, sản xuất qua quá trình Czochralski, có hiệu suất lên tới 16% nhưng giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, với các mặt trống ở góc nối Ngược lại, pin đa tinh thể được làm từ silic nung chảy, có giá rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn Tuy nhiên, pin đa tinh thể có thể tạo thành các tấm vuông, che phủ bề mặt nhiều hơn, giúp bù đắp cho hiệu suất kém của nó.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy có cấu trúc đa tinh thể, thường có hiệu suất thấp nhất và giá thành rẻ nhất do không cần cắt từ thỏi silicon Công nghệ sản xuất này tạo ra các tấm silic có độ dày 300 μm, được xếp lại để hình thành các module.
Hình 9: Đơn tinh thể, đa tinh thể và màng phim mỏng
Hình 10: cấu tạo của bình ắc quy
Bình ắc quy thường có 6 ngăn, mỗi ngăn cung cấp điện áp 2V, tạo ra tổng điện áp danh định là 12V Vỏ bình được làm từ vật liệu cứng, chịu axit và nhiệt, thường là nhựa cứng hoặc ebonite Bên trong, các vách ngăn tạo thành các ắc quy đơn, với bản cực làm từ hợp kim chì và antimon, có thiết kế gia tăng độ cứng và tạo ô cho chất hoạt tính Nắp bình giúp bảo vệ các bộ phận bên trong, ngăn bụi và giữ dung dịch điện phân không tràn ra ngoài Dung dịch điện phân là axit sulfuric H2SO4, được pha chế từ axit nguyên chất và nước cất, với nồng độ thay đổi tùy theo thời tiết và điều kiện khí hậu.
Các panel mặt trời thường không cung cấp điện năng trực tiếp cho thiết bị điện do công suất của chúng thay đổi theo cường độ ánh sáng Điều này khiến cho nguồn điện không ổn định và không phù hợp với hầu hết các thiết bị điện Để khắc phục vấn đề này, hệ thống độc lập hoặc hệ thống bổ sung điện lưới sử dụng acquy để lưu trữ điện năng, đảm bảo nguồn điện ổn định cho các thiết bị.
Năng lượng được lưu trữ trong acquy acid-chì “chu kỳ sâu” có thiết kế khác biệt so với acquy ô tô, cho phép phóng điện và tái nạp hàng ngàn lần Các acquy này có thể được kết nối với nhau để tạo thành dãy acquy; khi mắc nối tiếp, điện lượng và điện áp sẽ tăng lên, trong khi mắc song song sẽ tăng điện lượng mà vẫn giữ điện áp ổn định.
Hình 11: Bộ điều khiển sạc
Hệ thống điện mặt trời sử dụng acquy cần có bộ điều khiển để quản lý dòng điện vào và ra, nhằm tránh tình trạng nạp điện quá mức hoặc phóng hết điện, điều này có thể gây hư hại cho acquy Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình nạp và phóng điện Tuy nhiên, đối với các hệ thống điện mặt trời cỡ nhỏ, việc sử dụng bộ điều khiển có thể không cần thiết, vì tấm panel mặt trời nhỏ không đủ khả năng làm hỏng acquy khi được nạp đầy.
Hệ thống điện mặt trời cần bộ điều khiển để quản lý quá trình nạp và phóng điện của acquy, nhằm đảm bảo acquy luôn ở trạng thái tối ưu.
Điện năng do hệ thống điện mặt trời sản xuất là điện một chiều (DC), trong khi điện từ lưới điện phân phối là điện xoay chiều (AC) với điện áp cao Để sử dụng điện mặt trời cho các thiết bị hoạt động từ nguồn điện lưới, cần thiết phải có bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện từ DC sang AC và điều chỉnh điện áp lên mức tương ứng với điện áp lưới.
Theo truyền thống, hệ thống điện mặt trời thường sử dụng một bộ biến tần trung tâm kết nối trực tiếp với mảng panel và lưới điện hoặc acquy trong hệ thống độc lập Gần đây, bộ vi biến tần đã được phát minh, cho phép kết nối từng panel riêng lẻ và cung cấp điện xoay chiều với điện áp cao.
Trong hệ thống điện mặt trời, thành phần cuối cùng là các thiết bị cần được cấp điện Về lý thuyết, mọi thiết bị điện gia dụng đều có thể sử dụng năng lượng mặt trời Tuy nhiên, nhiều thiết bị tiêu thụ công suất lớn, dẫn đến chi phí vận hành từ điện mặt trời có thể tăng cao.
CÁCH KẾT NỐI CÁC BỘ PHẬN VỚI NHAU
2.3.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập
Thiết kế này cung cấp nguồn điện DC với điện áp thấp, phù hợp cho các thiết bị điện công suất nhỏ như máy tính laptop và hệ thống chiếu sáng Đồng thời, nó cũng cung cấp nguồn AC với điện áp cao để vận hành các thiết bị lớn như máy thu hình và các thiết bị trong bếp.
Hình 13: chiều chuyển động của hệ thống
Trong sơ đồ, mũi tên biểu thị chiều dòng điện, với các panel mặt trời cung cấp điện năng cho bộ điều khiển Bộ điều khiển này nạp điện cho các acquy và cung cấp điện cho các thiết bị điện áp thấp, sử dụng panel hoặc acquy làm nguồn năng lượng Bộ biến tần AC nhận điện năng từ acquy và chuyển đổi thành nguồn công suất AC điện áp cao.
2.3.2 Hệ thống nối với điện lưới sử dụng bô biến tần trung tâm
Các tấm pin mặt trời được kết nối với bộ vi biến tần, cung cấp điện cho nguồn chính Năng lượng điện này có thể được sử dụng cho các thiết bị trong tòa nhà hoặc được truyền lên lưới điện tùy theo nhu cầu sử dụng.
Bộ biến tần trong hệ thống giám sát công suất từ lưới phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn điện Khi phát hiện sự cố mất điện, bộ biến tần sẽ tự động ngắt kết nối điện từ các panel mặt trời, ngăn chặn việc cấp điện lên lưới Đồng hồ kết nối với lưới điện sẽ theo dõi lượng điện năng tiêu thụ từ lưới và lượng điện được cung cấp từ hệ thống điện mặt trời, giúp quản lý hiệu quả nguồn năng lượng.
Hình 14: hệ thống diện mặt trời hòa lưới 2.3.3 Hệ thống nối với lưới sử dụng nhiều bộ vi biến tần
Hệ thống nối với điện lưới sử dụng nhiều bộ vi biến tần, trong đó mỗi tấm pin mặt trời được kết nối với một bộ vi biến tần riêng biệt Các bộ vi biến tần này được liên kết với nhau, chuyển đổi điện DC có điện áp thấp từ từng tấm pin thành nguồn điện AC có điện áp cao.
ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Dưới đây là một số ứng dụng rất thiết thực từ năng lượng mặt trời để phục vụ cuộc sống hàng ngày của con người:
Tích hợp vào thiết bị:
Hình 15: tích hợp hệ thống vào thiết bị
Pin Mặt Trời đã tạo ra sự khác biệt cho nhiều thiết bị từ đồng hồ đeo tay, điện thoại di động đến xe điện mặt trời và robot trên sao Hỏa, mang lại tính thẩm mỹ, tiện ích và thân thiện với môi trường.
Pin mặt trời được tích hợp vào nhiều thiết bị như máy tính bỏ túi, laptop, đồng hồ đeo tay, điện thoại di động, đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu, đèn đường, các loại xe, máy bay, robot tự hành và vệ tinh nhân tạo.
Nguồn điện này cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện ở mọi địa điểm, đặc biệt hữu ích cho những khu vực không có điện lưới như vùng sâu, vùng xa, hải đảo và trên biển.
Hình 16: ứng dụng của hệ thống điện mặt trời
Các ứng dụng nguồn điện di động bao gồm bộ sạc năng lượng mặt trời, cặp năng lượng mặt trời, áo năng lượng mặt trời và trạm điện mặt trời di động.
Nguồn điện cho tòa nhà
Nguồn điện cho tòa nhà không chỉ giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng mà còn góp phần giảm thiểu chi phí đầu tư cho các nhà máy điện lớn Bằng cách kết hợp sức mạnh của cộng đồng trong việc sản xuất điện, chúng ta có thể nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng phục vụ cho đời sống và sản xuất.
Hình 17: tích hợp hệ thống điện ănng lượng mặt trời cho tòa nhà
Nguồn điện cho tòa nhà hiện nay được phân loại thành hai loại chính: Nguồn điện mặt trời cục bộ và Nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia Trong đó, Nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia nổi bật với nhiều ưu điểm và khả năng mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt khi nhận được sự khuyến khích từ chính phủ.
Sử dụng năng lượng mặt trời cho hộ gia đình không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn thể hiện lối sống hiện đại, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong xã hội ngày nay.
Nhà máy điện mặt trời
Kết nối nhiều nguồn điện mặt trời lại với nhau cho phép tạo ra một tổ hợp điện mặt trời mạnh mẽ, có khả năng thay thế cho một nhà máy phát điện truyền thống.
Hình 18: cánh đồng điện năng lượng mặt trời
Nhà máy điện mặt trời có khả năng cung cấp điện cho các khu vực như thành phố hoặc hòn đảo Mặc dù hiện tại số lượng nhà máy điện mặt trời trên toàn cầu còn hạn chế, dự báo trong tương lai, số lượng này sẽ gia tăng khi chi phí sản xuất pin mặt trời giảm.
TÍNH TOÁN PHỤ TẢI VÀ LỰA
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Hình 20: sơ đồ số giờ nắng trung bình trong năm của TP.HCM
Hình 21: số giờ nắng trung bình trong năm của các miền
STT Thiết bị Số Công suất Thời gian Tổng điện điện lượng
(W) trung bình (giờ/ngày) năng tiêu thụ (KWh)
Hình 22: danh sách các thiết bị tiêu thụ trong một ngày
Hình 23: danh sách công suất của các tải ưu tiên tiêu thụ
Tổng điện năng tiêu thụ của 1 hộ trong 1 ngày là:
Tổng nhu cầu điện năng thực tế là:
Lựa chọn ksd theo bảng 4 trang 16 TCVN 9206-2012 [5]
Tổng số kWh sử dụng mỗi ngày của các thiết bị kWh = 0,879 (kWh/ngày)
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, năng lượng cung cấp từ hệ thống pin mặt trời phải cao hơn tổng nhu cầu sử dụng, với tỷ lệ khoảng 1,3 lần.
Số kWh của các tấm pin mặt trời PV modules = 1,3 x tổng số kWh toàn tải sử dụng:
KWh tấm pin =0,879 x 1.3 = 1,143 (kWh/ngày)
Tại TP.HCM hệ số hấp thụ bức xạ của pin mặt trời là: 5 (kWh/m 2 /ngày)
Cường độ bức xạ tại một số địa phương( trích quy chuẩn xây dựng 02-2009) [6]
Chọn loại pin mặt trời có 20 wp Như vậy thì số tấm pin cần dùng là: n = 228,6 : 20 = 11,43=> Lấy 11 tấm pin
Hình 24: tấm pin năng lượng mặt trời 18V-20W
Công suất lớn nhất (Pmax) 20W Điện áp định mức (Vmp) 18.5V
Dòng điện định mức (Imp) 1.08A Điện áp hở mạch (Vos) 22.14V
Dòng điện ngắn mạch (Isc) 1.16A Điều kiện kiểm tra 1000W/M 2 AM1 5.25+/-2 0 C
Nhiệt độ vận hành -45 0 C to + 85 0 C
Hình 25: thông số của tấm pin 18V-20W 3.2 Lựa chọn ác quy
Dung lượng Battery (Ah) ¿ Tổng Wh tiêu thụ ưu tiên cho tải trong một ngày
Hiệu suất battery X mức DOD X điện thế battery
Với mức deep of discharge DOD mức xả sâu là 0,6; ta chia số Wh của Battery cho 0,6 sẽ có dung lượng Battery:
Dung lượng Battery (Ah) = 0 , 8 x 640 0 ,6 x 12 = 111,1 (Ah)
Như vậy ta chọn 2 ẮC QUY GSGLOBE 12V- 60Ah
3.3 Tính toán lựa chọn biến tần
Chúng ta lựa chọn inverter theo điều kiện sau:
Au: Điện năng tiêu thụ đỉnh = 1,143 kW
1,2 : là hệ số an toàn
Như vậy công suất inverter được lựa chọn là:
Như vậy cần inverter có công suất khoảng 1 kW Lựa chọn biến tần loại Inverter Hybrid 1kW
Hình 26: biến tần INVERTER 1000W 3.4 Tính toán lựa chon solar changer controller
- Thông thường ta chọn Solar changer controller có dòng:
Imax =1,3 x dòng ngắn mạch của PV
- Thông số của mỗi PV module:
Công suất lớn nhất (Pmax) 20W Điện áp định mức (Vmp) 18.5V
Dòng điện định mức (Imp) 1.08A Điện áp hở mạch (Vos) 22.14V
Dòng điện ngắn mạch (Isc) 1.16A Điều kiện kiểm tra 1000W/M 2 AM1 5.25+/-2 0 C
Nhiệt độ vận hành -45 0 C to + 85 0 C
Hình 25: thông số của tấm pin 18V-20W
=> Chọn Solar changer controller có dòng 20A/12V
3.5 Tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn a xác định nguồn điện
- Nguồn điện sử dụng trong hệ thông điện là nguồn 1 pha b Tính công suất
Trong đó: I là cường độ dòng điện (A)
I=879 220 = 4 A d Tính tiết diện dây dẫn
J: là mật độ dòng điện cho phép (A/mm2)
S: là tiết diện dây dẫn (mm²)
+ Đối với dây đồng: Mật độ dòng điện cho phép Jđ = 6 A/mm² + Đối với dây nhôm: Mật độ dòng điện cho phép Jn = 4,5 A/mm²
Hình 26: một số loại tiết diện dây dẫn
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN BIẾN TẦN
Chúng ta lựa chọn inverter theo điều kiện sau:
Au: Điện năng tiêu thụ đỉnh = 1,143 kW
1,2 : là hệ số an toàn
Như vậy công suất inverter được lựa chọn là:
Như vậy cần inverter có công suất khoảng 1 kW Lựa chọn biến tần loại Inverter Hybrid 1kW
Hình 26: biến tần INVERTER 1000W 3.4 Tính toán lựa chon solar changer controller
- Thông thường ta chọn Solar changer controller có dòng:
Imax =1,3 x dòng ngắn mạch của PV
- Thông số của mỗi PV module:
Công suất lớn nhất (Pmax) 20W Điện áp định mức (Vmp) 18.5V
Dòng điện định mức (Imp) 1.08A Điện áp hở mạch (Vos) 22.14V
Dòng điện ngắn mạch (Isc) 1.16A Điều kiện kiểm tra 1000W/M 2 AM1 5.25+/-2 0 C
Nhiệt độ vận hành -45 0 C to + 85 0 C
Hình 25: thông số của tấm pin 18V-20W
=> Chọn Solar changer controller có dòng 20A/12V
3.5 Tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn a xác định nguồn điện
- Nguồn điện sử dụng trong hệ thông điện là nguồn 1 pha b Tính công suất
Trong đó: I là cường độ dòng điện (A)
I=879 220 = 4 A d Tính tiết diện dây dẫn
J: là mật độ dòng điện cho phép (A/mm2)
S: là tiết diện dây dẫn (mm²)
+ Đối với dây đồng: Mật độ dòng điện cho phép Jđ = 6 A/mm² + Đối với dây nhôm: Mật độ dòng điện cho phép Jn = 4,5 A/mm²
Hình 26: một số loại tiết diện dây dẫn
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN TIẾT DIỆN DÂY DẪN
- Nguồn điện sử dụng trong hệ thông điện là nguồn 1 pha b Tính công suất
Trong đó: I là cường độ dòng điện (A)
I=879 220 = 4 A d Tính tiết diện dây dẫn
J: là mật độ dòng điện cho phép (A/mm2)
S: là tiết diện dây dẫn (mm²)
+ Đối với dây đồng: Mật độ dòng điện cho phép Jđ = 6 A/mm² + Đối với dây nhôm: Mật độ dòng điện cho phép Jn = 4,5 A/mm²
Hình 26: một số loại tiết diện dây dẫn
THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
KHẢO SÁT KHU VỰC LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Khi lượng điện tiêu thụ tăng cao, diện tích cần thiết để lắp đặt các tấm pin năng lượng mặt trời cũng sẽ lớn hơn, điều này gây ra khó khăn cho nhiều công trình trong quá trình triển khai.
- Tối ưu lượng điện năng tiêu thụ với việc thiết kế hệ thống qua các phần mềm.
- Đáp ứng hiệu suất cao và thời gian thu hồi vốn nhanh.
- Dễ dàng bảo dưỡng và về sinh các tấm pin sau này.
- Đảm bảo an toàn khi mưa, gió, bão.
- Tăng thẩm mĩ cho công trình ngồi nhà.
- Đáp ứng tiêu chuẩn của kĩ thuật điện EVN
LỰA CHỌN HƯỚNG VÀ GÓC PHÙ HỢP ĐỂ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời, các tấm pin nên được lắp đặt theo hướng Nam với góc nghiêng từ 10 đến 15 độ Điều này giúp mặt trời chiếu sáng tấm pin từ sáng tới chiều, đảm bảo hiệu quả hoạt động cao nhất cho hệ thống.
Khi lựa chọn giá đỡ cho hệ thống năng lượng mặt trời, nên ưu tiên sử dụng chất liệu inox hoặc nhôm anodize Những vật liệu này không chỉ bền bỉ mà còn đảm bảo tuổi thọ lâu dài, mang lại sự chắc chắn cho bộ khung.
Hình 27: vị trí lắp đặt dàn năng lượng mặt trời
THI CÔNG LẮP ĐẶT ÁP MÁI
Hình 28: hướng dẫn thi công lắp đặt
Tấm pin đặt xoay về hướng Nam, góc nghiêng từ 10° đến 15°.
Khoảng cách tối thiểu từ tấm pin đến mái 115mm.
Khoảng cách các tấm module cách nhau ít nhất là 10mm.
Nên dùng vật liệu inox cho tất cả cấu kiện để đảm bảo độ bền.
Siết chặt các module bằng bulong M8.
Dùng ít nhất 4 kẹp có độ dày từ 7 – 10 mm để cố định tấm pin với khung.
BỐ TRÍ ACQUY BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ BIẾN TẦN
Để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời, cần chọn vị trí lắp đặt acquy hợp lý, chẳng hạn như xây dựng một phòng nhỏ trên sân thượng Việc bố trí các thiết bị như pannel mặt trời, acquy, bộ điều khiển và bộ biến tần gần nhau sẽ giúp giảm chiều dài dây điện kết nối, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động Khi lựa chọn vị trí cho acquy, bộ biến tần và bộ điều khiển, cần đảm bảo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.
- Kín nước và chiệu được thời tiết
- Không bị tác động từ ánh nắng trực tiếp
- Cách nhiệt, tránh nhiệt độ quá cao
- Các phương tiện thông khí, cho phép xử lý các chất khí thoát ra ngoài
- Tránh các nguồn phát sinh tia lửa điện
- Cách xa trẻ em, thú cưng, chuột, bọ
Khi nạp điện cho acquy acid-chì, khí hydro dễ nổ có thể thoát ra, vì vậy cần đảm bảo khu vực bảo quản acquy có thông gió tốt để tránh tích tụ khí Acquy acid-chì có dòng điện cao, do đó cần giữ xa trẻ em và thú vật Để đảm bảo an toàn, nên đặt acquy trên giá đỡ và bao quanh bằng lưới Ngoài ra, có thể mua hộp chuyên dụng cho acquy từ các nhà cung cấp acquy hoặc điện mặt trời.
Bộ biến tần nên được lắp đặt gần các acquy, có thể gắn trên tường hoặc giá đỡ Đối với các bộ biến tần cỡ lớn, cần kiểm tra độ bền của tường để đảm bảo có thể chịu được trọng lượng nặng của thiết bị.
Còn dây dẫn ta nên thiết kế bố trí làm sao càng ngắn càng tốt, tránh tổn thất công suất trên đường dây quá nhiều.
BẢO VỆ CHÓNG SÉT, Nối ĐẤT
Với hệ thống sử dụng có quy mô nhỏ nhà ở:
Các hệ thống điện diện tích nhỏ, với tấm pin thường lắp đặt trên mái nhà, không cần sử dụng kim thu sét ESE mà có thể bảo vệ bằng kim thu lôi truyền thống Việc sử dụng kim phân tán sét trên mái nhà sẽ mang lại hiệu quả cao hơn Các mẫu kim thu sét phù hợp cho công trình nhỏ như TerrStat ST-100 hoặc ST-400.
Công nghệ phân tán điện tích có khả năng ngăn chặn hiện tượng sét đánh vào khu vực bảo vệ, từ đó giảm thiểu sự xuất hiện của các xung quá áp lặp lại và hiện tượng sét lan truyền trên các đường dây của hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Việc thi công và lắp đặt hệ thống tiếp đất cho các cột thu lôi cần tuân thủ các tiêu chí kỹ thuật, trong đó giá trị điện trở tiếp đất tối đa phải đạt 8 Ohm Đồng thời, các hệ thống tiếp địa cũng cần phải được liên kết đẳng thế với nhau để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Bao gồm 2 hệ thống nối đất độc lập: nối đất an toàn vỏ thiết bị R ≤
102 và hệ thống nối đất chống sét R ≤ 102 Hai hệ thống được kết nối đẳng thế.
Hình 29: mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời trên MATLAB
