Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, đồng thời cũng là yếu tố duy trì sự sống trên trái đất. Trong tương lai nếu chúng ta không sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên thì chúng sẽ bị cạn kiệt. Vì thế, chúng ta nên nghiên cứu tìm hiểu về các nguồn năng lượng mới và sử dụng chúng một cách có hiệu quả đề góp phần bảo vệ các phần năng lượng mới của trái đất.
Tính cấp thiết của đề tài
Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng đã trở thành một cột mốc quan trọng Trong vài thế kỷ gần đây, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao, với chủ yếu là năng lượng từ than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên Các nguồn năng lượng tái tạo như thủy điện, hạt nhân, sinh khối, năng lượng mặt trời và gió vẫn chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng cơ cấu năng lượng Sự phát triển của xã hội loài người không thể tách rời khỏi nguồn năng lượng.
Trong thời đại hiện nay, năng lượng trở thành vấn đề quan trọng hàng đầu của các quốc gia trên toàn cầu Việc nghiên cứu và tìm kiếm các nguồn năng lượng mới là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xã hội.
Hiện nay, năng lượng sinh học và năng lượng không tái sinh đang cạn kiệt, trong khi giá dầu mỏ tăng cao, ảnh hưởng tiêu cực đến phát triển kinh tế và môi trường Việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế trở thành nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học, kinh tế và chính trị gia, cũng như mỗi cá nhân Nguồn năng lượng thay thế cần phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, có khả năng tái sinh và dễ sử dụng.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu về năng lượng mặt trời
Nghiên cứu về năng lượng mặt trời biến nhiệt năng thành điện năng
Tìm hiểu và thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời áp mái nhà 3kwp
Phương pháp nghiên cứu
Bài viết này phân tích lý thuyết và mô hình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, đồng thời sử dụng các công cụ phần mềm để tính toán và triển khai hiệu quả.
Tham khảo sự hướng dẫn từ thầy cô, và bạn bè
Tham khảo sách vở tài liệu về năng lượng mặt trời
Ý nghĩa thực tiễn và khoa học
Nghiên cứu triển khai ứng dụng nguồn năng lượng mặt như một bước đi tiên phong trong công tác ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo tại tỉnh nhà
Điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn là giải pháp cho ba trụ cột của phát triển bền vững: kinh tế, xã hội và môi trường, nhờ vào nguồn năng lượng mặt trời phong phú và gần như vô tận.
Cấu trúc đồ án
Đồ án được trình bày thành 5 chương :
Chương 1: cơ sở lí thuyết về năng lượng mặt trời
Chương 2: các mô hình sử dụng năng lượng mặt trời
Chương 3: áp dụng tính toán, thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời áp mái nhà 3kwh
Chương 4: kết luận và kiến nghị. ix SVTH:
CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG
Giới thiệu về năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng vô tận từ bức xạ của mặt trời, cung cấp sự sống thiết yếu cho con người Nếu được khai thác và sử dụng đúng cách, năng lượng này có thể được sử dụng lâu dài Hiện nay, năng lượng mặt trời chủ yếu được sử dụng dưới dạng nhiệt năng cho các thiết bị như máy nước nóng và máy sấy, cũng như dưới dạng quang năng, khi ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi các tấm pin năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng.
Năng lượng mặt trời, được thu nhận từ bức xạ mặt trời, có khả năng chuyển đổi thành điện hoặc nhiệt Đây là nguồn năng lượng miễn phí và dồi dào, nhờ vào những tiến bộ công nghệ, chúng ta hiện có thể khai thác năng lượng mặt trời một cách hiệu quả hơn, tận dụng nguồn tài nguyên này mà không tốn chi phí.
Công nghệ năng lượng mặt trời với sự đơn giản của nó rất lý tưởng cho việc sử dụng ở các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa, nơi có địa hình khó khăn và không thể lắp đặt mạng lưới điện Năng lượng mặt trời không chỉ phù hợp cho việc tạo ra điện trên quy mô lớn mà còn dễ dàng tích hợp vào lưới điện, đặc biệt là ở những khu vực có nhiều giờ nắng mỗi ngày.
Năng lượng mặt trời mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc giúp các địa phương tiết kiệm chi phí năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nước ngoài Dù năng lượng mặt trời và năng lượng gió đều phụ thuộc vào thời tiết và chu kỳ tự nhiên, nhưng những tiến bộ trong công nghệ lưu trữ điện đã giảm thiểu sự phụ thuộc này, góp phần vào sự gia tăng nhanh chóng của năng lượng mặt trời trong hệ thống năng lượng.
Hình 1.1 Những tấm pin năng lượng mặt trời
Mặt trời phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ, trong đó một phần được truyền đến trái đất qua bức xạ Mối quan hệ giữa trái đất và Mặt trời là rất chặt chẽ, vì chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta.
Hình 1.2 Cấu trúc của mặt trời
Bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu từ Mặt Trời, cung cấp vật chất và năng lượng cần thiết cho các quá trình phong hóa, bóc mòn, vận chuyển và bồi tụ trên Trái Đất Ngoài ra, nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chiếu sáng và sưởi ấm các hành tinh trong hệ Mặt Trời.
Bức xạ mặt trời bao gồm:
Bức xạ hạt, hay còn gọi là gió Mặt Trời, chủ yếu bao gồm các proton và electron Mặc dù đa phần chúng có thể gây hại cho sinh vật, nhưng tầng ozone của Trái Đất đã tạo ra một lớp bảo vệ, giúp giảm thiểu những tác động tiêu cực này.
Năng lượng bức xạ hạt từ Mặt Trời có mức độ thấp hơn năng lượng bức xạ nhiệt đến 107 lần và chỉ thâm nhập vào khí quyển với độ cao tối đa 90 km Khi tiếp cận Trái Đất, năng lượng này di chuyển với vận tốc từ 300 đến 1.525 km/s và có mật độ khoảng 5-80 ion/cm³.
Bức xạ điện từ là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc, lan truyền như sóng trong không gian Sóng điện từ cũng bị lượng tử hóa thành những "đợt sóng" có tính chất giống như các hạt chuyển động, được gọi là photon.
Hình 1.3 Bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ được chia thành hai loại: bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tán, với bước sóng trải dài từ bức xạ gamma đến sóng vô tuyến, và năng lượng tối đa nằm trong vùng quang phổ khả kiến Đây là nguồn năng lượng chính để chiếu sáng và duy trì các hoạt động sinh hóa trên Trái Đất Khi đi qua khí quyển, các bức xạ sóng ngắn có hại cho sự sống gần như hoàn toàn bị tầng ozone hấp thụ Tuy nhiên, sự phát triển công nghiệp và việc thải các chất CFC vào khí quyển đang dần huỷ hoại tầng ozone, làm gia tăng nguy cơ bức xạ sóng ngắn có thể tiêu diệt sự sống trên hành tinh của chúng ta.
Năng lượng bức xạ mặt trời
Năng lượng bức xạ Mặt trời thường biểu diễn bằng cal/cm².phút
Năng lượng bức xạ Mặt Trời gần Trái Đất đạt khoảng 2 cal/cm².phút, được gọi là hằng số mặt trời Phổ bức xạ này nằm trong dải bước sóng từ 0,17 đến 4 μm, với đỉnh cực đại ở khoảng 0,475 μm.
Toàn bộ Trái Đất nhận được 2,4 x 10^18 cal/phút từ Mặt Trời, trong đó 48% năng lượng thuộc dải phổ ánh sáng khả kiến (λ = 0,4-0,76 μm, cực đại ở khoảng 0,55 μm), 7% là tia cực tím (λ < 0,4 μm, cực đại ở khoảng 0,28 μm) và 45% thuộc dải phổ hồng ngoại và sóng vô tuyến (λ > 0,76 μm, cực đại ở khoảng 10 μm).
Năng lượng bức xạ mặt trời đạt cường độ tối đa khoảng 1.000W/m2 vào những ngày quang đãng Cường độ bức xạ mặt trời tại một điểm trên Trái đất phụ thuộc vào quãng đường mà nó đi qua Sự mất mát năng lượng trong quá trình này liên quan đến các yếu tố như tán xạ và hấp thụ bức xạ, cũng như thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý.
Hình 1.4 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất
Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và Việt Nam
1.3.1 Tình hình trên thế giới
Ngành năng lượng toàn cầu đang trải qua một cuộc chuyển mình lịch sử với sự chuyển dịch mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo, nguồn năng lượng sạch và bền vững Việc xếp hạng 10 quốc gia có sản lượng điện mặt trời lớn nhất không chỉ mang lại cái nhìn tổng quan về sự phát triển của năng lượng tái tạo hiện nay, mà còn giúp các quốc gia đánh giá vị thế của mình và xem xét kế hoạch phát triển trong tương lai.
Tổng công suất điện mặt trời trên toàn thế giới ước tính đạt 177,003 MW, đủ để cung cấp điện cho 29 triệu hộ gia đình.
10 quốc gia dẫn đầu về sử dụng điện năng lượng mặt trời: Đức: 38,250
Megawatts, Trung Quốc: 28, 330 Megawatts, Nhật Bản: 23,409 Megawatts, Italy: 18,622 Megawatt, Mỹ: 18, 317 Megawatts, Pháp: 5,678 Megawatts, Australia: 4,130 Megawatts, Australia: 4,130 Megawatts, Bỉ: 3,156 Megawatts, và Nam Triều Tiên: 2,398 Megawatts.
1.3.2 Tình hình tại Việt Nam xiv SVTH:
Bộ Công thương Việt Nam đã quyết định tăng giá điện lên 6,08% nhằm bình ổn giá điện và khuyến khích phát triển kinh doanh Mặc dù giá điện hiện tại vẫn thấp hơn so với nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các nước trong khu vực G7, nhưng điều này lại gây khó khăn trong việc thu hút đầu tư nước ngoài vào ngành điện, tạo áp lực lớn cho EVN.
Hình 1.5 Nhà máy điện mặt trời tại Việt Nam
Việc tăng giá đang làm cho các doanh nghiệp gặp khó khăn trong việc điều phối chi phí, nhất là trong những tháng cuối năm khi hoạt động sản xuất và dịch vụ gia tăng Trong bối cảnh này, điện mặt trời đã trở thành một giải pháp hiệu quả giúp nhiều doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể chi phí điện năng hàng tháng.
Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về bức xạ mặt trời nhờ vào đặc điểm địa hình, khí hậu và thời tiết đa dạng Ước tính, khả năng phát triển điện mặt trời tại nước ta có thể đạt gần 340.000 MWp.
Nhà nước đang khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo, dẫn đến sự bùng nổ của nhiều dự án điện mặt trời được đầu tư và xây dựng Sự chuyển mình này hứa hẹn sẽ mang lại nguồn năng lượng bền vững cho tương lai.
Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, với khảo sát cho thấy các tỉnh miền Bắc có trung bình từ 1.800 đến 2.100 giờ nắng mỗi năm, trong khi các tỉnh miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, đạt trung bình 2.000 đến 2.600 giờ nắng hàng năm.
Việc lắp đặt đồng bộ công tơ điện 2 chiều gặp nhiều khó khăn do EVN hoạt động độc lập, khiến việc phân bổ xuống các EVN địa phương phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian và kỹ thuật triển khai Do đó, việc yêu cầu các bên thực hiện đồng bộ với một chính sách chưa có tiền lệ sẽ cần nhiều thời gian để hoàn thành.
Thị trường điện mặt trời hiện đang thiếu thông tin, khiến nhiều người quan tâm cảm thấy lo ngại về thời gian khấu hao dài từ 25-30 năm của hệ thống.
Hình 1.6 các dự án năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Hình 1.7 bản đồ cường độ bức xạ mặt trời tại VN
Các tỉnh phía Bắc Việt Nam, bao gồm vùng Tây Bắc với Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và vùng Bắc Trung Bộ với Thanh Hóa, Nghệ An, mang đến sự đa dạng về văn hóa và phong cảnh thiên nhiên.
An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều.
Các tỉnh phía Nam, từ Đà Nẵng trở vào Nam Bộ, nhận được từ 2.000 đến 2.600 giờ nắng mỗi năm, với lượng bức xạ mặt trời cao hơn khoảng 20% so với các tỉnh phía Bắc Mặt trời chiếu sáng gần như suốt cả năm, bao gồm cả những tháng mùa mưa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời.
CÁC MÔ HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng
2.1.1 Mô hình biến đổi độc lập không kết lưới a) Mô hình 1:
Hình 2.1 Mô hình sử dụng hệ thống PV độc lập DC
Không dùng được khi bức xạ yếu, trời tối
Chỉ dùng cho thiết bị nguồn DC
Các thiết bị di động, điện thoại, máy tính,… b) Mô hình 2
Hình 2.2 Hệ thống PV độc lập DC & AC
Dùng được cho tải AC và DC
Không dùng được khi bức xạ yếu, trời tối
Cho các thiết bị yêu cầu nguồn AC và DC xix SVTH: c) Mô hình 3
Hình 2.3 Hệ thống PV có lưu trữ năng lượng
Có khả năng lưu trữ năng lượng dư thừa
Chỉ dùng cho thiết bị cần nguồn DC (a) Giá thành cao (a)& (b) do phải đầu tư hệ thống Acquy nhiều (dự phòng)
Áp dụng rộng rãi cho các trang trại chưa có điện lưới d) Mô hình 4 xx SVTH:
Hình 2.4: Mô hình hệ thống PV độc lập kết hợp với nguồn dự phòng
Có khả năng lưu trữ năng lượng dư thừa Duy trì cấp điện khi thời tiết xấu.
Giá thành cao do phải đầu tư thêm nguồn dự phòng và dung lượng Acquy lớn
Áp dụng rộng rãi cho các tòa nhà, trang trại, căn hộ chưa có điện lưới Thường công suất hệ thống PV không lớn e) Mô hình 5 xxi SVTH:
Hình 2.5.Mô hình hệ thống PV độc lập kết hợp với điện lưới
Có khả năng lưu trữ năng lượng dư thừa Vận hành linh hoạt khi mất điện lưới
Giá thành cao, phải xác định nhóm phụ tải dùng điện của HT PV
Sơ đồ cung cấp điện phức tạp
Áp dụng rộng rãi cho các tòa nhà, trang trại, căn hộ có điện lưới.
2.1.2 Mô hình biến đổi có kết lưới a) Mô hình 6
Hình 2.6 Mô hình hệ thống PV có lưới
Có khả năng lưu trữ năng lượng dư thừa Vận hành rất linh hoạt, giảm tối đa lượng điện năng tiêu thụ từ lưới
Giảm hóa đơn tiền điện xxii SVTH:
Áp dụng rộng rãi cho các tòa nhà, trang trại, căn hộ tiêu thụ điện năng nhiều và có điện lưới.
Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất phụ thuộc chủ yếu vào góc nghiêng của tia sáng và độ dài đường đi của chúng trong khí quyển, hay còn gọi là độ cao của mặt trời Góc giữa phương từ điểm quan sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang tại điểm đó là yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ Sự mất mát năng lượng trong quá trình này liên quan đến sự tán xạ và chịu ảnh hưởng bởi thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau:
E ng = E 0(1 + 0,033 cos 360 365 n ), W/m 2 Trong đó: Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm
2.2.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ a) Hệ số khối không khí m
Tỉ số m giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng cho biết độ dày của khí quyển ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời Khi mặt trời ở thiên đỉnh, m=1; khi góc thiên đỉnh θz là 60 độ, m=2 Đối với các góc thiên đỉnh từ 0 đến 70 độ, có thể ước lượng gần đúng m bằng công thức m=1/cosθz.
Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ ngoài khí quyển m=0 b) Trực xạ
Bức xạ mặt trời là năng lượng nhận được trực tiếp từ ánh sáng mặt trời mà không bị ảnh hưởng bởi sự tán xạ của bầu khí quyển Đây là loại bức xạ có hướng, có thể được thu thập hiệu quả thông qua các bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tập trung.
Tổng xạ là bức xạ mặt trời mà chúng ta nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự tán xạ trong bầu khí quyển Trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ còn được gọi là bức xạ của bầu trời, và cần phân biệt giữa tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại mà bầu khí quyển phát ra.
Cường độ bức xạ, thường được đo bằng đơn vị W/m², là tổng của trực xạ và tán xạ trên bề mặt, phổ biến nhất là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang, được gọi là bức xạ cầu trên bề mặt.
Cường độ năng lượng bức xạ mặt trời là lượng năng lượng bức xạ đến một bề mặt trên mỗi đơn vị diện tích Nó bao gồm cường độ bức xạ trực xạ (Etrx), cường độ bức xạ tán xạ (Etx) và cường độ bức xạ quang phổ (Eqp) Năng lượng bức xạ được đo bằng đơn vị J/m².
Năng lượng bức xạ mặt trời là lượng năng lượng mà mặt trời truyền đến một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian nhất định, thường được đo trong khoảng thời gian 1 giờ hoặc 1 ngày Giờ mặt trời là khái niệm liên quan đến việc xác định thời gian dựa trên sự bức xạ của mặt trời.
Giờ mặt trời được xác định dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với thời điểm chính ngọ là khi mặt trời đạt đến thiên đỉnh của người quan sát Đây là thời gian được sử dụng để tính toán các mối quan hệ về góc của mặt trời, khác với giờ theo đồng hồ.
Mối quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bất kỳ trên mặt đất và bức xạ mặt trời có thể được xác định qua các góc đặc trưng, phản ánh vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó.
Góc vĩ độ φ là vị trí góc tương ứng với vĩ độ ở phía bắc hoặc phía nam của đường xích đạo trái đất, trong đó hướng bắc được xác định là hướng dương.
Hình 2.7 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang
0 ≤ β ≤ 180 0 (β > 90 0 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới)
Góc phương vị của bề mặt γ là góc lệch giữa hình chiếu pháp tuyến của bề mặt trên mặt phẳng ngang và đường kinh tuyến Cụ thể, nếu bề mặt hướng về phía nam thì γ = 0, góc γ sẽ có dấu (+) khi bề mặt quay về phía tây và dấu (-) khi bề mặt quay về phía đông.
Góc giờ ω là góc thể hiện sự chuyển động của mặt trời về phía đông hoặc tây so với kinh tuyến địa phương, được xác định bởi quá trình quay của trái đất Trong đó, vào buổi chiều, góc này được ghi nhận với dấu (+).
Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
Góc thiên đỉnh θz là góc giữa phương thẳng đứng và tia bức xạ tới Đối với bề mặt nằm ngang, góc thiên đỉnh này tương đương với góc tới θ.
Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của góc thiên đỉnh.
Góc phương vị mặt trời γs là góc lệch của tia bức xạ mặt trời so với phương nam trên mặt phẳng ngang Nếu hình chiếu tia bức xạ lệch về phía đông, góc này được ký hiệu bằng dấu âm (-), trong khi nếu lệch về phía tây, góc sẽ có dấu dương (+).
Góc lệch δ là vị trí góc của mặt trời tại thời điểm 12 giờ trưa, khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương, so với mặt phẳng xích đạo của trái đất, với hướng bắc là hướng dương.
-23,45 0 ≤ δ ≤ 23,45 0 Góc lệch δ có thể tính toán theo phương trình của Cooper: δ = 23,45.sin(360284+n 365 ) trong đó: n là thứ tự ngày của 1 năm.
2.2.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được xác định theo phương trình:
Thay giá trị cosθz vào phương trình trên ta có E0.ng tại thời điểm bất kì từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn: xxvi SVTH:
Các bước tính toán thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng
2.3.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời xxix SVTH:
Dòng điện ngắn mạch – Short Circuit Current (Isc)
Điểm công suất cực đại – Maximum Power Point (Pmax)
Điện áp làm việc tại công suất cực đại - Maximum Power Point Voltage (Vmpp)
Dòng điện tại công suất cực đại - Maximum Power Point Current (Impp)
Điện áp tối đa khi kết nối hệ thống – Maximum System Voltage
Hệ số nhiệt độ - Temperature Coefficient
Hiệu suất của tấm pin – Module Efficiency
2.3.2 Cấu tạo pin mặt trời
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic được chia ra làm 3 loại:
Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski là phương pháp sản xuất đơn tinh thể có hiệu suất đạt 16% Những đơn tinh thể này thường có giá thành cao vì chúng được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể này có các mặt trống tại góc nối của các module.
Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi silic nung chảy cẩn thận, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù các pin đa tinh thể thường có giá thành thấp hơn so với pin đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của chúng lại không cao bằng.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng làm từ silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại silic này có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó lại là lựa chọn tiết kiệm nhất vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
2.3.3 Ý nghĩa thông số tấm pin năng lượng mặt trời
Theo các chuyên gia, thông số của tấm pin năng lượng mặt trời có thể khác nhau tùy vào từng dòng sản phẩm, nhưng thường thấy nhất là 37.6V - 330W Trong đó, 37.6V là mức điện thế hiệu chuẩn 220V dưới bộ hòa lưới, còn 330W là công suất tối đa của một tấm pin Thông qua các thông số này, bạn có thể xác định số lượng tấm pin năng lượng cần thiết cho hệ thống điện lắp đặt của mình.
Để lắp đặt hệ thống điện năng lượng 1000W, bạn cần từ 3 đến 4 tấm pin năng lượng 330W Nếu yêu cầu công suất cao hơn, chỉ cần lấy tổng công suất và chia cho 330W để tính số tấm pin cần thiết Đối với các tấm pin năng lượng có công suất lớn hoặc nhỏ hơn, bạn cũng có thể áp dụng công thức tương tự để tính toán.
Đối với hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, bộ inverter cần có công suất lớn hơn 125% tổng công suất tải để đảm bảo hoạt động hiệu quả khi tất cả thiết bị được bật Đặc biệt, nếu tải là động cơ, cần tính toán thêm công suất để đáp ứng yêu cầu khởi động của động cơ.
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 với lưới điện, không cần sử dụng ắc quy, nhưng điện áp vào danh định của inverter vẫn phải tương thích với điện áp của hệ pin mặt trời.
Pin sử dụng cho hệ thống năng lượng mặt trời là loại pin sâu (deep-cycle) Loại pin này cho phép xả điện đến mức rất thấp và có khả năng nạp lại nhanh chóng Với khả năng nạp-xả nhiều lần mà không bị hư hỏng bên trong, pin sâu rất bền và có tuổi thọ cao.
Số lượng pin cần thiết cho hệ thống năng lượng mặt trời phải đủ để cung cấp điện trong những ngày dự phòng (ngày tự chủ) khi các tấm pin mặt trời không sản xuất điện Để tính toán dung lượng pin, ta cần xem xét nhu cầu sử dụng điện hàng ngày và số ngày dự phòng mong muốn.
+ Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của battery xxxi SVTH: cho 0.6 sẽ có dung lượng battery
Dung lượng Battery(Ah) = tổng wh tiêuthụ mỗi ngày hiệu suất Battery x mức D0D x điệnthế Battery
Dung lượng Battery(Ah) = tổng whtiêu thụ mỗi ngày
Kết quả cho thấy dung lượng pin tối thiểu cho hệ thống năng lượng mặt trời không có dự phòng Để xác định dung lượng pin cần thiết cho hệ solar có số ngày dự phòng (ngày tự chủ), ta cần nhân dung lượng pin với số ngày tự chủ để có số lượng pin cần thiết cho hệ thống.
Dung lượng Battery(Ah) = tổng whtiêu thụmỗi n gày
Thiết kế solar charge controller
Solar charge controller phải có điện thế vào phù hợp với pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với battery Có nhiều loại solar charge controller, vì vậy bạn cần chọn loại phù hợp với hệ thống năng lượng mặt trời của mình Đối với các hệ thống pin mặt trời lớn, chúng thường được thiết kế thành nhiều dãy song song, mỗi dãy sẽ do một solar charge controller quản lý Công suất của solar charge controller cần đủ lớn để nhận điện năng từ PV và nạp battery hiệu quả.
- Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch của PV
2.3.4 Thiết kế hệ thống Đầu tiên cần có các số liệu sau:
- Cường độ bức xạ nơi lắp đặt : R ( KWh/m2)
- Tổng lượng nước nóng cần thiết : G ( Lít,kg)
- Nhiệt độ nước nóng yêu cầu: tnn ( o C ) xxxii SVTH:
- Nhiệt độ của nước lạnh cung cấp: tnl ( o C )
- Hiệu suất của mẫu hệ thống mà mình định chế tạo, lắp đặt
Từ các thông số trên ta tính được lượng nhiệt cần thiết: Q
Hiệu suất η (%) của hệ thống có thể tính: η = π a G C p
Diện tích bề mặt Collector cần thiết F:
ÁP DỤNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ÁP MÁI NHÀ 3KWH
Các thông số cần thiết để thiết kế điện mặt trời
Để thiết kế, tính toán một hệ thống điện mặt trời trước hết cần một số thông số sau:
+ Các yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải
+ Vị trí lắp đặt hệ thống
3.1.1 Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải Đối với các phụ tải cần biết các thông số sau:
Bài viết này sẽ đề cập đến số lượng thiết bị điện, cùng với các đặc trưng điện quan trọng của từng thiết bị như công suất tiêu thụ, hiệu điện thế và tần số làm việc, cũng như hiệu suất hoạt động của chúng.
Thời gian hoạt động của thiết bị bao gồm lịch làm việc và thời gian sử dụng trong ngày, tuần và tháng Đối với sinh viên thực hành, yêu cầu về sự ổn định rất cao, vì vậy cần lựa chọn thiết bị có khả năng tạm dừng hoạt động mà không ảnh hưởng đến tiến độ công việc.
Các thông số cần thiết để lựa chọn sơ đồ khối cho hệ thống, ví dụ như khi tải làm việc vào ban đêm, cần có thành phần tích trữ năng lượng Nếu tải sử dụng điện xoay chiều với hiệu điện thế cao, các bộ đổi điện sẽ cần thiết Những thông số này cũng là cơ sở để tính toán dung lượng của hệ thống.
3.1.2 Vị trí lắp đặt hệ thống
Yêu cầu thu thập số liệu về bức xạ mặt trời và các điều kiện khí hậu khác xuất phát từ sự phụ thuộc của bức xạ mặt trời vào từng địa điểm và điều kiện tự nhiên cụ thể Các trạm khí tượng ghi lại và xử lý dữ liệu này trong thời gian dài, có thể lên đến hàng trăm năm Do sự biến đổi phức tạp của các thông số này, việc thiết kế hệ thống điện mặt trời yêu cầu dữ liệu từ các trạm khí tượng hoạt động ít nhất mười năm Điều này giúp đảm bảo độ chính xác trong việc xác định cường độ bức xạ mặt trời tại bất kỳ thời điểm nào trên trái đất.
Khi thiết kế hệ thống điện mặt trời, cần chọn cường độ tổng xạ thấp nhất trong năm để đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho tải Mặc dù vào mùa hè hệ thống có thể dư thừa năng lượng, việc sử dụng các tải phụ là cần thiết để tránh lãng phí Việc lưu trữ năng lượng bằng acquy không khả thi cho mùa đông, do đó, cần sử dụng nguồn điện dự phòng như máy phát diezen hoặc công nghệ nguồn tổ hợp Ngoài ra, việc tính toán dựa trên cường độ bức xạ trung bình trong năm có thể giúp giảm dung lượng giàn pin mặt trời.
Các bước thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời
3.2.1 Lựa chọn sơ đồ khối
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời
Trong hệ thống điện, các khối đưa vào đều gây tổn hao năng lượng, do đó cần lựa chọn sơ đồ khối với số lượng khối hoặc thành phần tối thiểu Chẳng hạn, khi sử dụng các thiết bị 12 VDC như đèn 12 VDC, radio và TV đen trắng có ổ cắm điện 12 VDC, việc giảm thiểu số lượng khối sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
… thì không nên dùng bộ biến đổi điện)
3.2.2 Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời
Có nhiều phương pháp để tính toán và thiết kế hệ thống nguồn điện từ pin mặt trời, nhưng phương pháp phổ biến nhất là dựa trên sự cân bằng điện năng trung bình hàng ngày Theo phương pháp này, quá trình tính toán hệ thống nguồn sẽ được thực hiện qua nhiều bước theo một thứ tự nhất định.
3.2.2.1 Tính phụ tải điện theo yêu cầu
Phụ tải điện có thể tính theo hàng ngày và sau đó có thể tính theo tháng hoặc năm.
Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương ứng P1, P2, P3,…và thời gian làm việc hàng ngày τ1, τ2, τ3,…
Tổng điện năng phải cấp hàng ngày cho các tải bằng tổng tất cả điện năng của các tải:
Nguồn điện pin mặt trời Phụ tải
Bộ đổi điện DC-AC
Acquy cầu điện năng trong các tháng hoặc cả năm.
3.2.2.2 Tính công suất dàn pin mặt trời W p (Peak Watt)
Công suất của hệ thống pin mặt trời thường được đo bằng công suất đỉnh (Peak Watt, ký hiệu là Wp), tức là mức công suất mà hệ thống có thể sản sinh trong các điều kiện tiêu chuẩn.
Để đảm bảo giàn pin mặt trời cung cấp đủ năng lượng cho tải liên tục trong suốt cả năm, cần tính toán dựa trên cường độ bức xạ mặt trời Cường độ bức xạ được sử dụng trong tính toán phải là cường độ bức xạ hàng ngày trung bình của tháng có bức xạ thấp nhất trong năm.
Công suất tối đa của hệ thống pin mặt trời, được tính bằng Peak Watt (Wp), phụ thuộc vào tổng cường độ bức xạ EΣβ trên mặt phẳng nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang.
E βΣ [WP] Trong đó ηM(T) là hiệu suất của module ở nhiệt độ T
3.2.2.3 Tính số module mắc song song và nối tiếp
Trước hết cần lựa chọn loại module thích hợp có tác dụng đặc trưng cơ bản là: + Thế làm việc tối ưu Vmd
+ Dòng điện làm việc tối ưu Imd
Số module cần phải dùng cho hệ thống được tính từ tỷ số:
Nnt là số module mắc nối tiếp trong mỗi dãy được xác định từ điện thế yêu cầu của hệ V:
Tính toán và thiết kế hệ thống điện áp mái 3kwp
Với công suất 3kwp thì ta cần dùng những tấm pin có công suất 535W của Jinko
Ta cần dùng: 6 tấm pin loại lớn loại Mono
3.3.1 Pin năng lượng mặt trời
Hãng sản xuất: JA Solar
Thời gian bảo hành: 12 năm
3.3.2 Lựa chọn công suất bộ hòa lưới
Công suất sử dụng điện là 3kwp Hoạt động liên tục 6 giờ mỗi ngày Vậy lượng tiêu thụ là: 3 x 6 giờ nắng = 18kwh
Công suất tiêu thụ: 3kwp x 80% = 2,4kwh
=> Chọn bộ inverter có công suất 3 kw
Điện áp ngõ ra: 1 Pha 220V
Hỗ trợ nhiều kết nối: RF, WiFi, RJ45 xxxvii SVTH:
3.3.3 Lắp đặt công tơ điện 2 chiều
Công tơ điện 2 chiều là thiết bị quan trọng dùng để đo đếm các thông số điện năng như công suất, dòng điện, điện áp, tần số và hệ số công suất Thiết bị này bao gồm nhiều loại công tơ và đồng hồ đo điện cùng với các phụ kiện đi kèm Hiện nay, có hai loại công tơ điện chính: công tơ điện 1 chiều và công tơ điện xoay chiều, trong đó công tơ điện xoay chiều thường được lắp đặt trong các hệ thống năng lượng mặt trời.
Hệ thống hòa lưới yêu cầu sử dụng đồng hồ 2 chiều để đo lường lượng điện mặt trời sản xuất và lượng điện bán cho EVN Đồng hồ này sẽ tính toán lượng điện mặt trời phát ra từ hệ thống Nếu lượng điện mặt trời sản xuất vượt quá nhu cầu sử dụng, phần điện thừa sẽ được EVN mua lại với giá 2.086 đ/kWh sau khi bù trừ vào lượng điện tiêu thụ hàng tháng.
Hình 3.3 Công tơ điện 2 chiều
3.3.4 Lắp đặt giàn khung đỡ
Khung và giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời được chế tạo từ nhôm AL6005-T5, có bề mặt được xử lý anodized giúp chống ăn mòn hiệu quả Sản phẩm này có khả năng chịu được sức gió lên đến 60m/s và được làm từ nhôm gia cố AL6005-T5 cùng với thép không gỉ SS 304 Bộ sản phẩm bao gồm các thành phần chất lượng cao, đảm bảo độ bền và hiệu suất tối ưu cho hệ thống năng lượng mặt trời.
Dùng cho nhà mái tôn, mái ngói
Chịu được sức gió 60m/s, lực tác động 1,4KN/m 2
Hình 3.4 giàn khung đỡ xxxix SVTH:
Để tránh tổn thất điện áp và lỗi trong hệ thống năng lượng mặt trời, việc chọn cáp AC đúng là rất quan trọng Cáp AC kết nối đầu ra của biến tần với lưới điện và cần có đặc tính bảo vệ tương tự như cáp DC do được lắp đặt ngoài trời Sự đa dạng trong dòng điện đầu ra của các biến tần làm cho việc lựa chọn cáp AC trở nên phức tạp Hiện nay, mối quan hệ giữa tiết diện cáp và dòng điện làm việc là cơ sở chính để lựa chọn cáp AC.
=> Chọn tiết diện dây là 3mm 2 và dòng tải 20A
Dây cáp năng lượng mặt trời là loại cáp điện chuyên dụng, giúp kết nối dòng điện từ các tấm pin quang điện đến bộ chuyển đổi từ dòng điện một chiều sang dòng điện xoay chiều Dây cáp DC đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các tấm pin với tủ Combiner Box và bộ Inverter.
Với dòng chịu đựng là 10A => chọn tiết diện dây 2mm 2
3.3.6 Chi phí lắp đặt và thời gian hoàn vốn
Thiết bị Đơn giá (VNĐ) Số lượng Thành tiền
Bộ dây dẫn AC DC (dự tính) 3.000.000 1 3.000.000
Thuê người lắp đặt 1.000.000 xl SVTH:
Tổng chi phí lắp đặt 39.050.000
Bảng 3.1 chi phí lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái nhà
Lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời áp mái hộ gia đình 3kwp Tiền điện hàng tháng 1 hộ gia đình trung bình khoảng 1.200.000 VNĐ
=> Thời gian hoàn vốn dự kiến là 3 năm.
