THIẾT kế hệ THỐNG điện mặt TRỜI hòa lưới 1MWP

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Việt Nam sở hữu tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời đáng kể, đặc biệt là tại miền Trung và miền Nam Khu vực phía Bắc có số giờ nắng trung bình khoảng 1.500 giờ mỗi năm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác năng lượng tái tạo này.

- 1.700 giờ nắng mỗi năm Khu vực miền Trung và miền Nam có số giờ nắng trung bình hằng năm cao hơn, từ 2.000 - 2.600 giờ/năm

Bảng 1: Bức xạ tại các vùng của Việt Nam

So với các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió hay năng lượng sinh khối, nhà máy điện mặt trời nổi bật với công nghệ và trang thiết bị đơn giản, dễ lắp đặt Điều này giúp nó phù hợp với cơ sở vật chất và hạ tầng hiện có, đồng thời thích ứng với nhiều vùng lãnh thổ trên toàn cầu Chính những ưu điểm này đã khiến năng lượng mặt trời trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu, phát triển nhanh chóng và rộng rãi.

Số liệu thực tế PV trên toàn thế giới:

Báo cáo tính đến cuối năm 2013 trên toàn cầu, tổng công suất lắp đặt 129.000MWp.

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHÚC

Báo cáo tính đến cuối năm 2015 trên toàn cầu, tổng công suất đạt 227.000MWp.

Hình 1: Công suất lắp đặt tấm pin đến cuối năm 2015

Nguồn : Báo cáo toàn cầu tổ chức REN21 năm 2016

Nhận xét: Lắp đặt điện mặt trời cho nhà xưởng phù hợp với đề án lắp đặt sử dụng công nghệ Pin quang điện PhotoVoltaic (PV), góp phần:

 Tận dụng mái nhà xưởng bỏ trống

 Tăng doanh thu cho chủ nhà xưởng

 Giải quyết được nhu cầu sử dụng điện rất lớn của nhà xưởng

 Giảm nhiệt độ bên dưới nhà xưởng từ 4 - 6 độ C

 Tăng tuổi thọ của mái tôn.

SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI

Nhà máy đện mặt trời hòa lưới bao gồm những phần:

 Tấm Pin quang điện (PV module).

 Mounting system (Hệ thống giá đỡ)

 Cơ sở hạ tầng đấu nối lưới điện: TBA, các thiết bị bảo vệ, đo đạc thông số, giám sát, điều khiển.

1.2.1 Tấm Pin quang điện (PV module).

Tấm pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện, với thành phần bán dẫn trên bề mặt chứa các cảm biến ánh sáng, cụ thể là diode quang Các tế bào này hoạt động dựa trên cơ chế hiệu ứng quang điện, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.

Cho tới nay vật liệu để chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chia thành ba loại sau:

- Đơn tinh thể: có hiệu suất cao và loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống.

Đa tinh thể được sản xuất từ thỏi đúc silic nóng chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù loại này có chi phí thấp hơn so với đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của nó lại không cao bằng.

Dải Silic được sản xuất từ các miếng phim mỏng của silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó cũng là loại rẻ nhất trong số các loại silic vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Hình 2: Pin mặt trời đơn tinh thể (mono) và đa tinh thể (poly)

Hình 3: Thị phần các loại công nghệ pin quang điện thế giới năm 2016

Dự báo đến năm 2017, tỉ trọng pin quang điện như sau :

Hiệu suất của tấm pin mặt trời phụ thuộc vào từng loại công nghệ pin, với mỗi loại cho ra mức hiệu suất chuyển đổi quang điện khác nhau Tấm pin có hiệu suất cao thường có công suất lớn trên mỗi đơn vị diện tích, dẫn đến giá thành cao hơn.

Bảng 2: Hiệu suất của các loại pin quang điện hiện nay

 Đặc tính làm việc của Pin mặt trời: a) Sơ đồ tương đương của pin mặt trời:

Hình 4: Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời

Khi ánh sáng chiếu vào, pin mặt trời sinh ra dòng quang điện Iph, cho thấy pin mặt trời hoạt động như một nguồn dòng năng lượng.

Lớp tiếp xúc p-n hoạt động như một diode D với tính chất chỉnh lưu, nhưng khi bị phân cực ngược, điện trở tiếp xúc giới hạn dẫn đến sự xuất hiện dòng điện rò Dòng điện rò này được đặc trưng bởi điện trở shunt Rsh, như thể hiện trong hình 1.4.

Dòng quang điện trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực cùng với các lớp tiếp xúc Tổng điện trở của các lớp này được biểu thị bằng một điện trở RS mắc nối tiếp trong mạch Điều này giúp xây dựng sơ đồ tương đương tổng quát của pin mặt trời.

Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng điện:

(1.2) Theo định luật Kirchhoff về điện thế:

- – Dòng điện bão hòa của diode (A)

- - dòng điện ngõ ra của PV (A)

- - điện áp ngõ ra của PV (V)

Từ các phương trình (1.1), (1.2), (1.3), suy ra phương trình đặc tính I-V của một tế bào pin mặt trời:

Để đạt được công suất, điện áp và dòng điện theo yêu cầu, các tế bào pin mặt trời cần được ghép lại thành một module Cụ thể, khi ghép nối tiếp Ns tế bào pin mặt trời và ghép song song Np các dãy tế bào nối tiếp, ta có thể xây dựng phương trình đặc tính I – V tổng quát.

(1.5) b) Đặc tính của pin mặt trời:

− Đặc tính I-V lý tưởng của pin mặt trời:

Mô hình lý tưởng của pin mặt trời, như được thể hiện trong hình bên dưới, không tính đến ảnh hưởng của điện trở Rsh và Rs, với giả định Rsh = ∞ và Rs = 0.

Hình 5: Mô hình lý tưởng của tế bào pin mặt trời

Phương trình đặc tính I – V thu được của pin dựa vào phương trình (6):

Đặc tính I-V của diode cho thấy nguồn dòng có giá trị không đổi dưới điều kiện thời tiết nhất định Dựa vào phương trình (1.6), ta có thể suy ra đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời khi bức xạ đạt 1000W/m², như được minh họa trong hình dưới đây.

Hình 6 : Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp I(V) cùng với công suất và điện áp P(V) = I.V là phi tuyến và thay đổi theo điều kiện thời tiết Mỗi điều kiện khí hậu cụ thể sẽ tạo ra một điểm công suất tối đa gọi là MPP (maximum power point), tại đó hiệu suất của pin mặt trời đạt mức cao nhất Để làm rõ hơn về vị trí và sự di chuyển của điểm MPP, cần phân tích ảnh hưởng của các yếu tố bên trong và bên ngoài đối với đặc tính của pin mặt trời.

− Ảnh hưởng của Rs và lên đặc tính I-V của pin năng lượng mặt trời

+ Ảnh hưởng của điện trở Rsh tới đặc tính I-V của pin

Hình 7 : Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của Rsh

Khi có điện trở Rsh, dòng điện do pin mặt trời cung cấp sẽ giảm so với giá trị lý tưởng, dẫn đến sự thay đổi trong đặc tính I-V của pin mặt trời.

Hình 8 : Đặc tính I-V khi có điện trở Rsh

+ Ảnh hưởng của điện trở Rs tới đặc tính I-V của pin

Hình 9 : Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của điện trở Rs

Hình 10 : Đặc tính I-V khi có điện trở Rs

Khi xem xét ảnh hưởng của Rs, đường đặc tính của pin mặt trời sẽ bị dịch chuyển về phía gốc tọa độ với một lượng ΔV = I.Rs Các yếu tố bên ngoài như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm cũng có tác động đáng kể đến hiệu suất của pin mặt trời.

Khí hậu và thời tiết có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của pin mặt trời, với nhiệt độ và cường độ ánh sáng là hai yếu tố chính tác động mạnh mẽ đến đặc tính của chúng Sự thay đổi của những yếu tố này dẫn đến sự biến động trong điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP) của pin mặt trời.

+ Ảnh hưởng của cường độ sáng:

Khi thay đổi điều kiện của cường độ ánh sáng mặt trời từ 600W/ tới 1000W/ ta thu được đặc tính I-V và P-V như hình sau:

Hình 11 : Đặc tính I-V và P-V khi cường độ chiếu sáng thay đổi

Từ đó có một số kết luận như sau:

- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Cường độ bức xạ càng lớn thì dòng Isc càng lớn và ngược lại.

Khi dòng điện tăng, công suất hoạt động của pin cũng tăng theo, dẫn đến điểm MPP với công suất lớn nhất di chuyển lên cao hơn khi cường độ chiếu sáng của mặt trời gia tăng.

+ Ảnh hưởng của cường độ nhiệt độ :

Thay đổi điều kiện nhiệt độ của pin mặt trời thay từ đến , ta thu được đường đặc tính I-

Hình 12 : Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi

Từ hình 13 rút ra kết luận:

- Khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của pin mặt trời giảm mạnh, còn dòng điện thì tăng ít.

- Công suất của pin mặt trời giảm khi nhiệt độ tăng.

Một số thông số của pin quang điện

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI 1MWP

Vị trí địa lý và dữ liệu khí tượng

Vị trí địa lý : Công Ty Cổ Phần Kho Vận Petec - Kho Ngoại Quan, Phường

Khánh Bình, Thị Xã Tân Uyên, Tỉnh Bình Dương ( vĩ Bắc, kinh Đông).

Hình 23: Mặt bằng mái nhà xưởng

Dữ liệu khí tượng được thu thập từ phần mềm Meteonorm, một công cụ tính toán chuyên dụng của METEOTEST, được công nhận bởi các viện nghiên cứu và hội đồng khoa học uy tín toàn cầu vì độ chính xác cao trong việc hỗ trợ các dự án điện mặt trời Số liệu này được tổng hợp và nội suy từ các trạm đo bức xạ kết hợp với dữ liệu vệ tinh trên toàn thế giới.

GHI : Tổng xạ theo phương ngang (Wh/m2)

DHI : Tán xạ theo phương ngang (Wh/m2)

TEMP : Nhiệt độ không khí (oC)

Bảng 3: Bảng tổng hợp thông số dữ liệu Meteonorm

Nhận xét : từ bảng số liệu cho ta thấy lượng bức xạ nhận được tại vị trí thiết kế là phù hợp để lắp đặt hệ thống.

Thiết kế hệ thống

Ý nghĩa một vài thông số cơ bản của tấm pin:

Pmpp, hay còn gọi là điểm công suất cực đại, là điểm mà tấm pin mặt trời sản sinh ra công suất lớn nhất Điều này xảy ra tại điểm cong nhất của đồ thị đặc tuyến I-V, nơi hiệu suất hoạt động của tấm pin đạt tối đa.

Điện áp hở mạch (Voc) là điện áp tối đa mà tấm pin năng lượng mặt trời có thể tạo ra khi không tải, và đây là một thông số quan trọng trong việc xác định khả năng sản xuất điện của tấm pin trong điều kiện tiêu chuẩn Thông qua Voc, người dùng có thể lựa chọn phương án kết nối các tấm pin trong một dãy để phù hợp với Inverter.

 Isc: còn gọi là dòng điện ngắn mạch (Short Circuit Current) đây là dòng điện lớn nhất mà tấm pin sinh ra ở điều kiện tiêu chuẩn

Vmpp, hay còn gọi là điện áp làm việc tại công suất cực đại, là điện áp mà tại đó công suất đầu ra đạt hiệu suất tối ưu trong các điều kiện tiêu chuẩn.

 Impp: còn gọi là dòng điện tại công suất cực đại (Maximum Power Point

Current) Immp là dòng điện khi công suất đầu ra đạt tốt nhất

 Hiệu suất quang năng (Module efficiency): là khả năng chuyển đổi từ bức xạ mặt trời thành điện năng

Trên thị trường hiện nay, có nhiều hãng pin với đa dạng công suất và chất lượng Tuy nhiên, trong thực tế, nhà đầu tư thường tập trung vào việc chọn các thiết bị chính, bao gồm cả tấm pin Trong bài viết này, tôi xin giới thiệu tấm pin S-energy 440W, sản xuất tại Hàn Quốc.

Hình 24 : Thông số tấm pin

Bảng 4: Thông số tấm pin

Thông số kỹ thuật Giá trị

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHÚC Đặc tính điện

Pmax 440 (Wp) Điện áp tại MPPT Ump 41.1 (V )

Dòng điện tại MPPT Imp 10.71 ( A) Điện áp hở mạch UOC 48.9 (V )

Hiệu suất chuyển đổi quang điện 20.2(%)

Dải nhiệt độ vận hành -40 ÷ +85 (0 C) Điện áp tối đa của hệ thống (tiêu chuẩn IEC)

Dòng điện định mức tối đa của cầu chì chuỗi 20(A)

Sai số công suất 0 ÷ +5(W) Đặc tính nhiệt độ

Hệ số nhiệt độ của Pmax 0.35(%/ 0 C )

Tcell: nhiệt độ vận hành của tấm pin (oC)

Tamb: nhiệt độ trung bình của môi trường (oC)

TNOCT : nhiệt độ vận hành của tấm pin đo ở C, cường độ nắng 800W/m2, AM1.5

Nhiệt độ tấm pin: nhiệt độ trung bình là , NOCT là C

 Công suất DC thực tế của tấm pin:

= *(1 + (hệ số nhiệt độ theo P)%*(Tcell-25))

 Điện áp hở mạch thực tế của tấm pin:

= *(1 + (hệ số nhiệt độ theo U)%*(Tcell-25)).

 Điện áp tại thời điểm công suất cực đại trong thực tế của tấm pin:

= *(1 + (hệ số nhiệt độ theo U)%*(Tcell-25)).

 Dòng điện ngắn mạch thực tế của tấm pin:

= *(1 + (hệ số nhiệt độ theo I)%*(Tcell-25)).

2.2.2 Tính toán sơ bộ công suất toàn bộ hệ thống:

Dựa vào điều kiện phân chia mặt bằng và tổng diện tích khả dụng để lắp đặt, cùng với thông số và kích thước của module PV đã chọn, ta có thể tính toán sơ bộ tổng công suất của hệ thống.

Diện tích dự kiến lắp đặt là 23328 m2

Ta có: Kích thước của tấm pin là: 2094×1038×35 mm.

Số module tối đa có thể lắp đặt:

- Với số module nêu trên, tổng công suất DC tối đa của hệ thống có thể tiến hành lắp đặt :

∑Pdc = Npin * Pmpp = 10730*440 = 4721200 (Wp) = 4.7 (MWp)

Khi lắp đặt hệ thống điện mặt trời, cần tính đến diện tích lối đi và không gian giữa các hàng module để đảm bảo việc lắp đặt, vệ sinh, bảo trì và sửa chữa Do đó, không thể lắp đặt tối đa số module với tổng công suất DC như dự kiến Để thuận tiện cho việc xin giấy phép đấu nối, nên chia mái nhà thành 4 phần tương ứng với 4 hệ thống điện mặt trời.

Hệ thống điện mặt trời được thiết kế với công suất 1MWp cho diện tích mái nhà, cho phép bố trí và phân chia số module PV một cách hợp lý hơn Việc lựa chọn công suất này giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, đồng thời đảm bảo tính khả thi trong việc lắp đặt trên các mái nhà.

Hình 25 : Mặt bằng mái nhà xưởng

Số lượng tấm pin được tính toán theo lý thuyết có thể thay đổi trong thực tế do cần phải để lại không gian cho đường đi của máng cáp, vệ sinh tấm pin và các khu vực bị bóng che Do đó, số tấm pin thực tế cần được điều chỉnh dựa trên mặt bằng bố trí cụ thể.

Công suất DC của hệ thống:

Các phương án đề xuất:

Phương án 1: Sử dụng Central Inverter.

Phương án 2: Sử dụng String Inverter.

Phương án 3: Sử dụng Mini Central Inverter.

Để giảm thiểu rủi ro hệ thống trong quá trình vận hành, đề xuất sử dụng nhiều inverter công suất nhỏ nhằm đảm bảo tính khả thi và ổn định của hệ thống.

Hình 26 : Hình chiếu đứng của nhà xưởng

Dựa vào mặt bằng thực tế ta thấy:

- Mặt bằng bố trí Pin nằm trên cùng một mặt phẳng.

Với diện tích lắp đặt rộng và địa hình bằng phẳng, việc sắp xếp các chuỗi pin nối tiếp giống nhau trở nên dễ dàng hơn, cho phép tối ưu hóa số lượng pin nối tiếp trong mỗi chuỗi.

 Thông số điện áp và dòng điện của các string pin là giống nhau

 Đề xuất sử dụng Mini Central Inverter kèm theo Combiner box để giảm chi phí thiết bị đồng thời tận dụng đặc điểm của hệ thống trên thực tế

Các loại mini central inverter trên thị thường có các dãi công suất như sau:

60 KW, 75 KW, 100 KW, 110 KW, 125 KW,…

Ta chọn công suất Inverter sao cho tối ưu nhất với hệ thống.

Bảng 5: Các phương án chọn công suất inverter

Dựa vào bảng, có thể lựa chọn giữa inverter 60kW và 125kW Sử dụng 14 inverter 60kW có thể dẫn đến việc cắt đỉnh công suất dư, trong khi 7 inverter 125kW có nguy cơ non tải vào giữa trưa khi nhiệt độ cao Tuy nhiên, inverter 125kW sẽ tối ưu hóa công suất hệ thống vào buổi sáng, khi công suất chưa giảm nhiều do nhiệt độ Do đó, ưu tiên sử dụng inverter 125kW là lựa chọn hợp lý.

 Ta chọn inverter DASS 125i công suất 125Kw có thông số như sau:

Bảng 6: Thông số inverter DASS 125i

Dải điện áp đầu vào cho phép : 580VDC - 980VDC

Dải điện áp MPP: 580VDC - 800VDC

Số PV trên 1 string dựa vào 2 điều kiện sau: Điều kiện 1: Npin

Từ (1) và (2) ta chọn Npin = 18 (tấm) trên 1 string

Tổng số tấm pin : N6*18"68 (PV)

Công suất sau khi hiệu chỉnh : = 2268*440= 997920 (Wp).

Như tính toán ở trên ta dùng 7 inverter 125Kw.

Công suất pin sử dụng cho mỗi inverter là:

Tương ứng số string pin nối tiếp đấu nối vào inverter là :

Theo tính toán trên mỗi inverter sẽ sử dụng 18 string đấu song song, nên đề xuất sử dụng Combiner box có >= 18 đầu vào

Ta có điện áp trên 1 string pin là : (1)

Dòng điện tổng trên busbar của tủ Combiner box là :

Từ (1) và (4) , đề xuất sử dụng cầu chì có thông số :

Từ (1) và (3), đề xuất sử dụng tủ DC Combiner box có DC Switch có thông số:

Ngoài ra, tủ DC Combiner box đề xuất sử dụng chống sét lan truyền có thông số:

 Tóm lại tủ DC Combiner box cần đáp ứng các thông số như sau:

- Số đầu vào input từ 18-20.

- Sử dụng cầu chì 1000VDC, 20A kèm HOLDER phù hợp.

- Sử dụng DC Switch 1000VDC 250A

- Sử dụng chống sét lan truyền 1000VDC, 40KA

Từ các thông số trên, ta có sơ đồ nguyên lý của Combiner Box như sau:

Hình 27: Sơ đồ nguyên lý của Combiner Box

2.2.5 Cách bố trí các tấm pin:

Dựa theo mặt bằng mái, ta bố trí như sau:

Mỗi String sẽ được bố trí 2 hàng , mỗi hàng 9 PV ( như hình bên dưới):

Hình 28: Sơ đồ bố trí các PV

Mỗi tấm pin sẽ được đặt cạnh nhau, khoảng hở giữa 2 tấm pin sẽ là 20mm để dùng kẹp giữa cố định

Mép ngoài của các tấm pin ngoài cùng ta sẽ được cố định bằng kẹp mép

Chúng tôi đã để lại khoảng cách 400mm giữa các dây cáp để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt, vệ sinh và bảo trì sau này.

Khi xem xét vấn đề bóng che, do mái nhà hướng bắc nam, hiện tượng bóng che các tấm pin năng lượng mặt trời (PV) sẽ không xảy ra Vì vậy, không cần thiết phải chừa khoảng cách giữa các tấm PV và nóc gió.

Vậy dựa theo mặt bằng mái được xét ta có thể bố trí PV như sau (như hình bên dưới):

Hình 29: Mặt bằng bố trí các tấm pin

Với cách bố trí các tấm pin như đã nêu, tôi đề xuất phương án đi dây nội bộ bằng cách mắc nối tiếp các tấm pin theo sơ đồ dưới đây, nhằm thuận tiện hơn trong quá trình thi công.

Hình 30: Sơ đồ đấu dây trong 1 string

2.2.6 Mặt bằng chia string, inverter:

Việc chia string pin theo mặt bằng thực tế cần phải tuân theo các nguyên tắc sau :

+ Các String đấu nối chung vào một MPPT cần phải có số lượng tấm pin giống nhau.

+ Các String đấu nối chung vào một MPPT cần phải nằm trên cùng một mặt phẳng, cùng hướng.

Hình 31: Mặt bằng chia inverter theo string

Ta chọn vị trí đặt nhà inverter và combiner box gần trạm biến áp hiện hữu để tiết kiệm dây dẫn

AC trong quá trình thi công:

Hình 32: Vị trí đặt nhà inverter

 Mặt bằng bố trí máng cáp:

Khi lựa chọn máng cáp DC, cần chú ý rằng độ lấp đầy của dây dẫn trong máng không được vượt quá 30% Điều này có nghĩa là tổng tiết diện của các dây dẫn đi trong máng phải nhỏ hơn hoặc bằng 30% tiết diện của máng.

Định dạng
Số trang	78
Dung lượng	7,48 MB