Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời

Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời

TỔNG QUAN

GIỚI THIỆU VỀ 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 năng lượng Sự liên hệ mật thiết giữa các thành phần này đảm bảo hiệu quả và tính ổn định trong cung cấp năng lượng.

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 nguồn năng lượng quan trọng, được sản xuất từ các nhà máy và được truyền tải đến các hộ gia đình Thiết kế hệ thống cung cấp điện đóng vai trò then chốt trong quá trình này Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ và đời sống xã hội ngày càng được nâng cao, nhu cầu tiêu thụ điện năng cũng tăng cao, làm cho việc thiết kế cung cấp điện trở nên thiết yếu hơn bao giờ hết.

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

Độ tin cậy trong cung cấp điện phụ thuộc vào yêu cầu phụ tải, đặc biệt đối với các công trình quan trọng cấp quốc gia cần đảm bảo nguồn điện liên tục với 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 duy trì hoạt động khi xảy ra mất điện.

Chất lượng điện được đánh giá dựa trên hai tiêu chí chính là tần số và điện áp Đối với điện áp trung và hạ, mức cho phép là khoảng ±5% do thiết kế đảm bảo Tần số điện được quản lý bởi cơ quan điện lực quốc gia.

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 7

➢ 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, nguồn năng lượng lớn nhất trong thái dương hệ, là khối vật chất khổng lồ với hoạt động hạt nhân liên tục, cung cấp năng lượng trực tiếp và gián tiếp cho mọi dạng sống trên trái đất Nó quyết định khí hậu và thời tiết, và nếu không có mặt trời, trái đất sẽ trở thành vùng đất chết Ý tưởng về điện năng lượng mặt trời là một giải pháp tuyệt vời, giúp chúng ta thu thập năng lượng từ mặt trời và chuyển đổi thành điện năng, từ đó giảm thiểu hóa đơn tiền điện và sự phụ thuộc vào công ty điện lực Nguồn năng lượng này là tái tạo, xanh sạch và thân thiện với môi trường Quá trình tạo ra năng lượng mặt trời bắt đầu từ 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.

Panel mặt trời tạo ra điện thông qua hiệu ứng quang điện giữa hai lớp bán dẫn, trong đó một lớp thiếu electron Khi các photon kích thích electron, chúng di chuyển từ lớp này sang lớp khác, tạo ra điện tích Các tấm panel thường được làm từ silicon, được cắt thành các tấm mỏng và sắp xếp kết hợp theo kiểu song song và nối tiếp Kết nối nối tiếp giúp tăng hiệu suất của pin, trong khi kết nối song song nâng cao điện 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

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 8 kéo tới hoặc cung cấp cho 1 vài phòng, hay ứng dụng làm bình nước nóng, thiết bị bán hang tự động.

ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và cải tiến từ các nhà thiết kế đã dẫn đến việc giảm giá liên tục từ đầu năm 2009, tạo ra những tiến bộ rõ rệt trong lĩnh vực công nghệ năng lượng sạch Trước năm 2007, việc ứng dụng năng lượng mặt trời được coi là không thực tế, nhưng hiện nay đã trở nên khả thi và hiệu quả về cả kinh tế lẫn công nghệ Các tấm pin năng lượng mặt trời ngày càng nhỏ gọn, đa dạng về công suất và chi phí ngày càng thấp, giúp năng lượng mặt trời trở thành phương pháp cung cấp điện năng hiệu quả hơn so với nhiều phương pháp khác.

Dự đoán đến năm 2020, năng lượng mặt trời sẽ trở thành nguồn điện rẻ nhất, vượt qua cả nhiệt năng và thủy năng Chúng ta sẽ thấy năng lượng mặt trời được tích hợp vào các thiết bị và máy móc hàng ngày, mang lại sự tiện lợi và giảm thiểu khí thải carbon Năng lượng này có khả năng cung cấp điện cho những khu vực khó khăn như sa mạc và vùng sâu vùng xa, dần dần thay thế các nguồn điện truyền thống và trở thành nguồn cung cấp điện chính trong tương lai.

CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1.4.1 Hệ thống độc lập, ngoài lưới điện

Trạm điện mặt trời độc lập là hệ thống điện mặt trời phổ biến nhất trên toàn cầu, nhằm cung cấp điện cho những khu vực không có lưới điện hoặc thiếu nguồn năng lượng khác.

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 và bền vững, người thiết kế cần nắm vững kiến thức cơ bản cùng kinh nghiệm trong thiết kế nguồn năng lượng mặt trời Việc bắt đầu từ những thiết kế nhỏ và đơn giản sẽ giúp tạo nền tảng vững chắc cho các hệ thống điện lớn hơn và quan trọng hơn sau này.

Giàn pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển (charge controller), thiết bị tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery) ở chế độ tối ưu Khi acquy đầy, bộ điều khiển sẽ ngừng nạp để bảo vệ acquy khỏi tình trạng quá tải.

Bộ điều khiển sạc (charge controller) sẽ ngừng sạc ở chế độ duy trì và tự động chuyển sang chế độ nạp lại khi acquy (Battery) cạn Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter), hệ thống tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz, cung cấp năng lượng cho các thiết bị gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh và máy bơm Ưu điểm của hệ thống này là khả năng tự động điều chỉnh và cung cấp điện ổn định cho các thiết bị trong gia đình.

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 nhiều vào cường độ chiếu sáng của mặt trời, do không có lưới điện hoặc điện áp dự phòng, khác với các hệ thống điện mặt trời khác.

Hệ thống năng lượng mặt trời cần cung cấp điện năng vượt quá công suất phụ tải để đảm bảo có điện dự trữ sử dụng vào ban đêm, khi các tấm pin không sản xuất điện Yếu tố quyết định là số lượng photon trong ánh sáng mặt trời, tăng lên khi cường độ chiếu sáng cao Để giảm thiểu sự phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, cần thiết kế hệ thống một cách tỉ mỉ, bao gồm lựa chọn địa điểm lắp đặt, hướng và góc của các tấm pin, cũng như dự đoán và tránh bóng che Công suất của các tấm pin phải lớn hơn công suất phụ tải để có đủ điện năng dư để nạp vào bình acquy, đảm bảo nguồn điện cho ban đêm.

1.4.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện

Hệ thống điện năng lượng mặt trời đang trở nên phổ biến tại châu Âu và Hoa Kỳ nhờ vào lợi ích tiết kiệm chi phí lắp đặt và khả năng tạo thêm thu nhập từ việc bán điện cho các công ty điện lực Những hệ thống này hoạt động hiệu quả nhất 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 thời gian nắng nóng.

Mô hình và nguyên lý hoạt động:

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

Khi không có ánh sáng mặt trời, như vào buổi tối hoặc khi có mây che, các tấm pin mặt trời sẽ không tạo ra điện, dẫn đến việc các thiết bị sẽ sử dụng điện từ lưới điện như bình thường Trong thời gian này, chỉ số W0 sẽ phản ánh chính xác mức tiêu thụ điện năng của các phụ tải mà bạn đang sử dụng.

Khi trời nắng, các tấm pin mặt trời tạo ra điện năng DC, và GTSIA sẽ chuyển đổi điện này thành điện AC phù hợp với tần số, pha và điện áp của lưới điện Điện năng từ mặt trời được hòa vào lưới qua chỉ số đồng hồ W1, do đó chỉ số mua điện từ lưới (W0) sẽ bằng hiệu giữa mức tiêu thụ của phụ tải (W2) và điện năng do hệ thống điện mặt trời sản xuất (W1).

Khi công suất của phụ tải nhỏ hơn công suất điện mặt trời cung cấp (W2 < W1), điện năng sẽ được "bơm" ngược trở lại lưới điện, dẫn đến chỉ số W0 sẽ 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 cho phép nhà nước mua điện từ các hộ gia đình có hệ thống điện mặt trời nối lưới Ưu điểm của hệ thống này là tạo ra nguồn thu nhập ổn định cho các hộ gia đình và khuyến khích việc sử dụng năng lượng tái tạo.

Hệ thống điện mặt trời kết nối với lưới điện cho phép bạn sử dụng năng lượng mặt trời vào ban ngày, trong khi điện dư sẽ được bán cho công ty điện lực Vào buổi chiều và tối, bạn có thể sử dụng điện từ công ty điện lực Nhờ vậy, hệ thống này giảm thiểu sự phụ thuộc vào điện lưới và góp phần giảm lượng điện sản xuất từ các nguồn 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 nhờ vào cơ cấu nổi bật cho phép thu nhận, biến đổi và bổ sung trực tiếp vào lưới điện, giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng trên accu dự trữ.

Máy được vận hành song song với lưới điện, giúp bảo vệ khỏi các biến động tải và điện áp, đảm bảo độ bền và sự ổn định Tuổi thọ của hệ thống phụ thuộc vào các linh kiện điện tử cao cấp, có thể kéo dài đến 25 năm.

- ứng dụng rộng rãi cho mọi nơi như: các hộ dân, cơ quan, đơn vị đang có điện lưới quốc gia

Lắp đặt và sử dụng dễ dàng, chi phí bảo trì gần như bằng không giúp rút ngắn thời gian thu hồi vốn tối đa và đảm bảo theo dự tính đầu tư ban đầu.

CÁC BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Panel mặt trời, hay còn gọi là panel quang điện mặt trời, là thành phần cốt lõi của hệ thống điện mặt trời, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Công suất thu được từ panel mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng mặt trời; càng nhiều ánh sáng, công suất càng cao Các panel thường được cấu tạo từ nhiều tế bào (pin) mặt trời ghép lại, với mỗi pin tạo ra điện áp khoảng 0.5V Để đạt được điện áp hữu dụng, các pin này cần được mắc ghép trong panel Khi đo điện áp không tải của panel, giá trị có thể lên đến 26V, nhưng khi kết nối với phụ tải, điện áp thường giảm xuống còn 14-18V.

Kết nối các panel mặt trời với nhau tạo thành một mảng lớn, giúp tăng cường cường độ dòng điện hoặc điện áp Việc nối nhiều panel như vậy không chỉ tối ưu hóa hiệu suất năng lượng mà còn nâng cao khả năng sản xuất điện cho nhu cầu sử dụng.

Mắc nối tiếp các panel giúp tăng cường điện áp cho mảng panel, đạt khoảng 24-28V trong hệ thống độc lập hoặc vài trăm volt trong hệ thống kết nối với điện lưới.

• 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

• 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, điện áp và công suất (watt) của từng panel được cộng lại để xác định điện áp và công suất cực đại mà mảng panel có thể tạo ra.

Để tính công suất cực đại của mảng panel điện mặt trời mắc song song, bạn cần lấy giá trị điện áp trung bình của tất cả các panel và cộng công suất (watt) của từng panel.

Các panel mặt trời thường không cung cấp điện năng trực tiếp cho thiết bị điện do công suất biến thiên theo cường độ ánh nắng Điều này không phù hợp với hầu hết các thiết bị điện Để giải quyết 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 thiết bị.

Năng lượng được lưu trữ trong các acquy acid-chì "chu kỳ sâu", có hình dáng giống như acquy xe hơi nhưng với thiết kế bên trong khác biệt Thiết kế này cho phép acquy phóng điện và tái nạp điện hàng nghìn lần.

Năng lượng điện được lưu trữ trong các acquy, và có thể kết nối chúng với nhau để tạo thành dãy acquy Khi nhiều acquy được mắc nối tiếp, điện lượng và điện áp của dãy acquy sẽ tăng lên Ngược lại, khi nhiều acquy được mắc song song, điện lượng sẽ tăng nhưng điện áp vẫn giữ nguyên.

1.5.3 Bộ điều khiển (solar charge controller)

Để bảo vệ acquy trong hệ thống điện mặt trời, cần có bộ điều khiển để quản lý dòng điện vào và ra Việc nạp điện quá mức hoặc xả hết điện từ acquy có thể dẫn đến hư hại nghiêm trọng Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình nạp và phóng điện của acquy Tuy nhiên, trong một số trường hợp, hệ thống điện mặt trời cỡ nhỏ có thể không yêu cầu bộ điều khiển này.

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 20 cầu bộ điều khiển vì tấm panel mặt trời này quá nhỏ để làm hư acquy khi acquy đó được nạp đầy

Hệ thống điện mặt trời cần bộ điều khiển để quản lý quá trình nạp và phóng điện của acquy, giúp duy trì trạng thái tốt cho acquy.

1.5.4 Bộ biến tầng (Inverter) Điện năng do hệ thống điện mặt trời tạo ra là điện một chiều (DC) Điện năng từ lưới điện phân phối là điện xoay chiều (AC) điện áp cao Muốn sử dụng điện mặt trời để vận hành trang thiết bị vốn hoạt động từ nguồn điện lưới phân phối, cần có bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện từ DC sang AC và tăng điện áp đến giá trị 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, nối vào lưới điện hoặc acquy trong hệ thống độc lập Gần đây, bộ vi biến tần đã được phát triển, cho phép kết nối riêng lẻ với từng panel, giúp các panel này cung cấp điện xoay chiều với điện áp cao.

Thành phần cuối cùng trong hệ thống điện mặt trời là các thiết bị tiêu thụ điện Bạn có thể sử dụng năng lượng mặt trời để cấp điện cho mọi thiết bị gia dụng, nhưng cần lưu ý rằng một số thiết bị tiêu thụ công suất lớn, dẫn đến chi phí vận hành từ điện mặt trời có thể tăng cao.

Nếu hệ thống của bạn kết nối với lưới điện, bạn có thể sử dụng các thiết bị điện công suất lớn trong thời gian ngắn mà không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống Tuy nhiên, nếu bạn muốn sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, cần cân nhắc cách vận hành các thiết bị.

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 21 thiết bị điện công suất lớn thì hệ thống của bạn phải đủ lớn để đáp ứng các nhu cầu đỉnh

Thiết bị điện áp thấp thường được sử dụng trong các hệ thống độc lập, với nhiều thiết bị hiện nay có khả năng hoạt động ở điện áp 12V hoặc 24V Nếu không có kế hoạch kết nối với lưới điện, bạn nên cân nhắc việc sử dụng nguồn điện mặt trời DC để cấp điện trực tiếp cho một số thiết bị, vì điều này sẽ mang lại hiệu suất cao hơn so với việc sử dụng bộ biến tần cho toàn bộ hệ thống.

CÁCH KẾT NỐI CÁC BỘ PHẬN VỚI NHAU

1.6.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập

Thiết kế này cung cấp nguồn điện DC với điện áp thấp cho các thiết bị công suất nhỏ như máy tính laptop và hệ thống chiếu sáng, đồng thời cũng cung cấp nguồn điện AC với điện áp cao để vận hành các thiết bị lớn như máy thu hình và các thiết bị trong bếp.

Trong sơ đồ, mũi tên thể hiện chiều dòng điện, với các panel mặt trời cung cấp điện năng cho bộ điều khiển Bộ điều khiển này nạp điện cho acquy và cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện áp thấp, sử dụng panel hoặc acquy làm nguồn năng lượng Đồng thời, bộ biến tần AC nhận điện năng từ acquy và chuyển đổi thành nguồn công suất AC điện áp cao.

1.6.2 Hệ thống nối với điện lưới sử dụng bô biến tần trung tâm

Các panel mặt trời được kết nối với bộ vi biến tần để cung cấp điện cho nguồn chính Năng lượng điện này có thể được sử dụng cho các thiết bị trong tòa nhà hoặc được cấp lên lưới điện tùy thuộc vào 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 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 cung 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, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

1.6.3 Hệ thống nối với lưới sử dụng nhiều bộ vi biến tần

Hệ thống 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 kết nối theo dạng vòng, giúp chuyển đổi điện DC có điện áp thấp từ từng tấm pin thành nguồn điện AC với 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

Từ đồng hồ đeo tay và điện thoại di động đến xe điện mặt trời và robot trên sao Hỏa, pin mặt trời đang tạo ra sự khác biệt cho các thiết bị Công nghệ này không chỉ mang lại tính thẩm mỹ mà còn đảm bảo tính tiện dụng 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 là những khu vực không có điện lưới như vùng sâu, vùng xa, hải đảo và trên biển.

Các ứng dụng của 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 là một vấn đề quan trọng Thay vì chỉ tập trung vào việc tiết kiệm điện trong gia đình, chúng ta có thể xem xét việc tạo ra nguồn điện thay thế.

Nguồn điện cho tòa nhà không chỉ giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng mà còn giảm bớt 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.

Nguồn điện cho tòa nhà hiện nay được phân thành hai loại: 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 mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt khi được nhà nước khuyến khích sử dụng.

Sử dụng năng lượng mặt trời trong gia đình không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn phản ánh lối sống hiện đại trong xã hội ngày nay.

Nhà máy điện mặt trời

Kết nối nhiều nguồn điện mặt trời cho phép tạo ra một hệ thống năng lượng mặt trời mạnh mẽ, có khả năng thay thế cho một nhà máy phát điện truyền thống.

Nhà máy điện mặt trời có khả năng cung cấp điện cho các khu vực như thành phố hoặc hòn đảo Mặc dù hiện nay số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, dự đoán trong tương lai, số lượng này sẽ gia tăng khi giá thành sản xuất pin mặt trời giảm.

TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ

CÁCH TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

• a Tính số Watt-hour của tấm pin mặt trời

• b Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng

• d Tính toán battery o Cách 1 Dựa vào lượng điện sản xuất o Cách 2 là dựa vào tải sử dụng, cụ thể như sau: o Thiết kế solar charge controller

• e Ngoài ra các bạn có thể tham khảo thêm các hệ thống sử dụng điện năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện nay của SolarV Vũ Phong

▪ Điện Mặt Trời Hòa Lưới

▪ Điện Mặt Trời Độc Lập

▪ Đèn Đường Điện Mặt Trời

▪ Bơm Nước Điện Mặt Trời

Để thiết kế một hệ thống điện năng lượng mặt trời hiệu quả, trước tiên cần xác định lượng điện tiêu thụ Các bước thực hiện bao gồm: tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị mà hệ thống năng lượng mặt trời phải cung cấp, sau đó tính tổng số Watt-hour sử dụng hàng ngày của từng thiết bị Cuối cùng, cộng tất cả lại để có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày.

Tính số Watt-hour của tấm pin mặt trời

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong những ngày nắng không tốt, số Watt-hour mà tấm pin mặt trời cung cấp cần phải lớn hơn tổng số Watt-hour của toàn bộ tải.

✅ Số Watt-hour các tấm pin mặt trời = (1.3-1.5)xTổng Watt-hour toàn tải sử dụng

✅ Trong đó 1.3 đến 1.5 là hệ số an toàn

Để tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng, trước tiên cần xác định Watt-peak (Wp) của tấm pin Lượng Wp mà pin mặt trời sản xuất phụ thuộc vào khí hậu từng vùng trên thế giới Cùng một tấm pin mặt trời, hiệu suất hấp thụ năng lượng sẽ khác nhau tùy thuộc vào vị trí lắp đặt Do đó, để thiết kế chính xác, cần khảo sát từng khu vực và đưa ra một hệ số phù hợp.

The "panel generation factor" refers to the solar panel's electricity generation coefficient This factor is calculated by multiplying the collection efficiency by the solar radiation levels during less sunny months in a specific area, with its unit of measurement expressed in kWh/m²/day.

Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Việt Nam trung bình khoảng 4.58 kWh/m2/ngày, do đó để tính tổng công suất (Wp) của các tấm pin mặt trời, ta chia tổng số Watt-hour cần cung cấp cho 4.58 Tuy nhiên, có những khu vực có mức hấp thu năng lượng mặt trời cao hơn hoặc thấp hơn, nên trong các tính toán, có thể sử dụng giá trị trung bình là 4 kWh/m2/ngày.

Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số

Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời cần dùng

Số lượng tấm pin mặt trời tối thiểu cần thiết ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống Nhiều pin mặt trời giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn và kéo dài tuổi thọ của ắc quy, trong khi ít pin sẽ dẫn đến thiếu điện trong những ngày râm mát, làm giảm tuổi thọ của ắc quy Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống với nhiều pin có thể làm tăng chi phí, đôi khi vượt quá ngân sách Số lượng pin cần thiết còn phụ thuộc vào độ dự phòng của hệ thống, ví dụ như một hệ thống có độ dự phòng 4 ngày sẽ yêu cầu tăng số lượng pin và ắc quy SolarV cung cấp hệ thống bù lưới thông minh, giúp giải quyết vấn đề mất điện cho các khu vực đã có lưới điện trong những ngày không có nắng.

Hiện nay phổ biến có 2 loại inverter sine chuẩn ta có thể dùng để tính toán: inverter sine chuẩn tần số cao (high frequency) và

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 30 inverter sine chuẩn tần số thấp (low frequency – hay người ta còn gọi là inverter dùng tăng phô)

Khi chọn bộ inverter sine chuẩn tần số cao, cần đảm bảo công suất của inverter ít nhất bằng 150% công suất tải, tốt nhất là 200% để đáp ứng nhu cầu khởi động thiết bị Đối với các thiết bị như motor, tủ lạnh hay máy lạnh, cần tính toán thêm công suất để phù hợp với thời gian khởi động, vì dòng khởi động của motor thường gấp 5-6 lần dòng chạy ổn định Tuy nhiên, có thể áp dụng phương pháp khởi động mềm để giảm thiểu việc chọn inverter có công suất quá lớn.

Khi lựa chọn inverter sine chuẩn kết hợp với tăng phô, công suất từ 125% đến 150% là phù hợp để sử dụng Tuy nhiên, loại inverter này có nhược điểm là tiêu hao năng lượng lớn.

Khi chọn inverter, cần đảm bảo điện áp vào danh định phù hợp với điện áp của ắc quy Đối với hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới điện, không cần sử dụng ắc quy, do đó điện áp vào danh định của inverter phải tương thích với điện áp của hệ pin mặt trời.

Bình ắc quy sử dụng cho hệ thống năng lượng mặt trời là loại deep-cycle, cho phép xả đến mức rất thấp và nạp đầy nhanh chóng Loại ắc quy này có khả năng nạp xả nhiều lần mà không bị hư hỏng bên trong, do đó rất bền và có tuổi thọ cao Có hai phương pháp tính toán ắc quy để tối ưu hiệu suất sử dụng.

Cách 1 Dựa vào lượng điện sản xuất

Dung lượng ắc quy cần thiết phải gấp 1.5 đến 2 lần lượng điện sản xuất hàng ngày Do hiệu suất xả nạp của ắc quy chỉ đạt khoảng 70 – 80%, nên ta cần chia số Wh do pin mặt trời sản xuất cho 0.7 – 0.8, sau đó nhân với 1.5 đến 2 lần để tính toán Wh của ắc quy Nếu nhu cầu sử dụng chủ yếu diễn ra vào ban ngày, chỉ cần thiết kế ắc quy với dung lượng tương đương lượng điện sản xuất từ pin mặt trời.

Để tăng tuổi thọ của ắc quy trong hệ thống điện mặt trời độc lập gấp 2-3 lần so với thông thường, cần tránh xả sâu ắc quy và giữ mức điện áp trên 11V (đối với ắc quy 12V) Ngoài ra, nên chuyển sang sử dụng điện lưới hoặc bù lưới khi cần thiết.

Cách 2 là dựa vào tải sử dụng, cụ thể như sau:

Số lượng ắc quy cần thiết cho hệ thống năng lượng mặt trời là số ắc quy đủ để cung cấp điện cho những ngày dự phòng (ngày tự chủ) khi các tấm pin mặt trời không hoạt động Để tính dung lượng ắc quy, ta thực hiện các bước cụ thể.

– Hiệu suất xả nạp của battery chỉ khoảng 80% cho nên chia số

Wh của tải tiêu thụ với 0.8 ta có Wh của battery

– Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6 (hoặc thấp hơn là 0.8), ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery

Kết quả cho thấy dung lượng pin tối thiểu cần thiết cho hệ thống năng lượng mặt trời không có dự phòng Để xác định số lượng pin cần thiết cho hệ thống khi có số ngày dự phòng (autonomy day), ta cần nhân dung lượng pin với số ngày dự phòng.

Thiết kế solar charge controller

Solar charge controller là thiết bị điều chỉnh điện thế vào từ pin mặt trời và điện thế ra cho battery Có nhiều loại solar charge controller, do đó bạn cần chọn loại phù hợp với hệ thống năng lượng mặt trời của mình Đối với các hệ thống pin mặt trời lớn, thiết bị này được thiết kế thành nhiều dãy song song, với mỗi dãy được quản lý bởi một solar charge controller riêng Công suất của solar charge controller cần đủ lớn để tiếp nhận điện năng từ hệ thống.

PV và đủ công suất để nạp battery

Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch của PV

TÍNH TOÁN

2.2.1 Công suất tiêu thụ của các thiết bị điện trong gia đình

- 2 điều hòa : Panasonic inverter 1.5HP

Tổng công suất tiêu thụ điện của 2 điều hòa là: 1640W/H sử dụng 9h

- 1 máy giặt Beko Inverter 10 kg công suất tiêu thụ điện 25W/kg ngày giặt 5kg đồ

=> Công suất tiêu thụ: 125W/5kg

- 1 tủ lạnh : Panasonic Inverter 410 lít

Công suất tiêu thụ điện 0.95KW/ngày

* 1 ngày tủ lạnh hoạt động 12h

=> công suất tiêu thụ điện: 950W/12h

Công suất tiêu thụ điện 30W/h ngày sử dụng 9h

=> Công suất tiêu thụ điện: 1500W/5h

 Vậy tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày = 14760 + 125 + 950 +

2.2.2 Tính toán số watt-hour của tấm pin mặt trời

- hệ số oan toàn : 1.3 -> 1.5 số watt-hour các tấm pin mặt trời

- tổng watt-hour toàn tải: 18445 Wh/day

2.2.3 Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng

- Tổng Wp của PV panel:

* Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Đà Nẵng là khoảng 4.89 kWh/m2/ngày

=> chọn loại PV (tấm pin mặt trời) có 330Wp thì số PV cần dùng là:

 Vậy ta chọn 16 tấm pin mặt trời ( Tính dự phòng 1 tấm )

 tham thảo trên thị trường có loại pin thu năng lượng mặt trời Mono MPS – 330W

- Thông số kỹ thuật của PV panel Môn MPS-330W:

- Tổng công suất sử dụng lớn nhất tại 1 thời điểm

* Tuy nhiên trong hệ thống có tủ lạnh với dòng khởi động khoảng gấp 5-

Tổng công suất gồm cả tủ lạnh khởi động khoảng 5-6 lần là:

=> Ta chọn loại inverter lớn hoặc bằng 3500W

 Tham thảo trên thị trường ta chọn bộ nguồn home inverter 3500W apollo KC5000VA

- dựa vào tải sử dụng

- Hiệu suất xả nạp của battery chỉ khoảng 80% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.8 ta có Wh của battery

– Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6 (hoặc thấp hơn là

0.8), ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery

=> Như vậy Battery deep-cycle 12V/1300Ah cho 4 ngày dự phòng, chọn 7 bình acquy loại 12V/200Ah

 Tham thảo trên thị trường ta chọn loại acquy:

- Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch của PV

- Thông số của mỗi PV module

=> Chọn Solar charge controller có dòng 250A/12V

 Tham thảo trên thị trường ta chọn loại:

2.2.7 Tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 37 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)

220 = 84(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

 Vậy tiết diện tối thiểu của dây điện đường trục chính trong gia đình là 14mm² Để dự phòng phát triển phụ tải nên sử dụng cỡ dây 16mm²

2.2.8 Tính toán diện tích lắp điện tấm pin năng lượng mặt trời

- Cách tính Kwh điện được tạo ra của hệ thống pin mặt trời 1kWp:

1kWp * (số giờ nắng/ ngày) = 1kWp * 4.89 = 4.89 kWh như vậy thì một tháng hệ thống pin năng lượng mặt trời 1kWp sẽ tạo được 137.4 kWh điện

• Gói 3 kWp x 4.89 = 14.67 kWp sẽ tạo được 440 Kwh/tháng

• Gói 5 kWp x 4.89 = 24.45 kWp sẽ tạo được 733.5 Kwh/tháng

• Gói 10 kWp x 4.89 = 48.9 kWp sẽ tạo được 1467 Kwh/tháng Tổng lượng điện tiêu thụ mỗi tháng là: 18.45kWh

 Vậy ta chọn gói 5kWp

Để lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời 1kWp, bạn cần khoảng 6m² diện tích, tương ứng với tấm pin có kích thước 1m x 2m (2m²) và công suất 330Wp Đối với hệ thống 5kWp, diện tích mái cần thiết là 30m².

 Tuy nhiên ta chọn Tầm 35m² để dự phòng

THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

KHẢO SÁT KHU VỰC LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

3.1 KHẢO SÁT KHU VỰC LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Khu vực khảo sát là sân thượng toàn nhà với diện tích là 60𝑚 2

Kết quả khảo sát, phân tích và hệ thống lại đồng thời tính toán chi phí tài chính và điểm hoàn vốn

Khi lượng điện tiêu thụ tăng cao, yêu cầu về diện tích lắp đặt các tấm pin năng lượng mặt trời cũng trở nên lớn hơn, điều này tạo ra thách thức 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, tấm pin nên được hướng về phía Nam với góc nghiêng từ 10 đến 15 độ, giúp mặt trời chiếu sáng từ sáng đến chiều.

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 có tuổi thọ lâu dài, đảm bảo tính chắc chắn cho bộ khung.

THI CÔNG LẮP ĐẶT ÁP MÁI

- Tấm pin đặt xoay về hướng Nam, góc nghiêng từ 10 o đến 15 o

- 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 TẦNG

Khi lắp đặt acquy, việc chọn vị trí thích hợp là rất quan trọng, có thể xây một phòng nhỏ trên sân thượng Nên bố trí các phần cứng như panel mặt trời, acquy, bộ điều khiển và bộ biến tần gần nhau để giảm chiều dài dây điện kết nối Đối với acquy, bộ biến tần và bộ điều khiển, cần tìm vị trí đáp ứng các yêu cầu cụ thể.

• 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, acquy acid-chì thường phát sinh khí hydro, một chất khí dễ nổ, vì vậy cần đảm bảo khu vực bảo quản acquy có thông gió tốt để tránh tích tụ khí này Do acquy acid-chì có điện thế cao, nên cần giữ chúng xa trẻ em và thú vật Để giải quyết vấn đề an toàn, nên đặt acquy trên các 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 và có thể gắn trên tường hoặc giá đỡ Đối với các bộ biến tần lớn, cần kiểm tra khả năng chịu lực của tường để đảm bảo an toàn khi lắp đặt.

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 CHỐNG SÉT, NỐI ĐẤT

Với hệ thống sử dụng có quy mô nhỏ nhà ở:

Các hệ thống điện nhỏ thường lắp đặt tấm pin 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, với các mẫu như TerrStat ST-100 hoặc ST-400 phù hợp cho các công trình nhỏ.

Công nghệ phân tán điện tích giúp ngăn chặn hiện tượng sét đánh vào khu vực được bảo vệ, từ đó giảm thiểu sự xuất hiện của các xung quá áp lặp lại và 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 đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật nghiêm ngặt, trong đó giá trị điện trở tiếp đất tối đa không được vượt quá 8 Ohm Đồng thời, các hệ thống tiếp địa cũng phải được liên kết đẳng thế với nhau để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình hoạt động.

Bài viết đề cập đến hai hệ thống nối đất độc lập, bao gồm hệ thống nối đất an toàn với điện trở Rđ ≤ 10Ω và hệ thống nối đất chống sét cũng với Rđ ≤ 10Ω Cả hai hệ thống này được kết nối với nhau để đảm bảo an toàn điện.

Tiêu đề	Thiết Kế Cung Cấp Điện Và Năng Lượng Mặt Trời
Người hướng dẫn	Thầy Trần Duy Chung
Trường học	Trường ĐH SPKT-ĐHĐN
Chuyên ngành	Điện Tử Công Suất
Thể loại	Đồ án

Định dạng
Số trang	45
Dung lượng	1,14 MB