Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới có lưu trữ sử dụng lithium battery

15 Khả năng cải tiến và phát triển 15 Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5 Trang 8 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC X

TỔNG QUAN

Tổng quan ngành điện mặt trời

1.1.1 Lịch sử phát triển tấm pin năng lượng mặt trời và ngành điện mặt trời

Mặc dù tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên được phát minh vào năm 1883 bởi Charle Fritts, nhưng con người đã biết sử dụng năng lượng mặt trời từ rất sớm, bắt đầu từ thế kỷ VII trước Công nguyên khi họ dùng ánh sáng mặt trời để đốt lửa bằng vật liệu thủy tinh phóng đại Đến thế kỷ III trước Công nguyên, người Hy Lạp và La Mã đã khai thác năng lượng mặt trời bằng gương để thắp sáng đuốc trong các nghi lễ tôn giáo Vào cuối thế kỷ XVI - XVII, các nhà nghiên cứu và nhà khoa học đã thành công trong việc sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho lò nướng trong những chuyến đi dài.

Nhiều người cho rằng nhà khoa học người Pháp Edmond Becquerel là người phát minh ra pin mặt trời nhờ vào việc phát hiện hiện tượng quang điện, được biết đến với tên gọi "hiệu ứng Becquerel" Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện tiềm năng quang dẫn của Selenium, và đến năm 1876, William Grylls Adams và Richard Evans Day chứng minh rằng Selenium có khả năng tạo ra điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời Năm 1883, Charles Fritts sản xuất pin mặt trời đầu tiên từ tấm Selenium với hiệu suất chỉ 1% Tuy nhiên, pin mặt trời hiện đại chủ yếu được làm bằng Silicon Do đó, Daryl Chapin, Calvin Fuller và Gerald Pearson tại Bell Labs được coi là những người phát minh ra tế bào quang điện Silicon (PV) vào năm 1954, đánh dấu sự ra đời của công nghệ năng lượng mặt trời có khả năng cung cấp điện cho thiết bị trong vài giờ mỗi ngày với hiệu suất 4%.

Công nghệ năng lượng mặt trời đã được ứng dụng đầu tiên trong không gian, cung cấp năng lượng cho các vệ tinh Năm 1958, vệ tinh Vanguard I sử dụng tấm pin mặt trời 1 Watt để cấp năng lượng cho bộ đàm Cuối năm đó, các vệ tinh Vanguard II, Explorer III và Sputnik-3 cũng được ra mắt với công nghệ PV Đến năm 1964, NASA đã phóng tàu vũ trụ Nimbus, vệ tinh đầu tiên hoạt động hoàn toàn nhờ vào dải pin năng lượng mặt trời 470 Watt.

Từ năm 1957 đến 1960, Hoffman Electronics đã đạt được những bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực hiệu suất quang điện, nâng kỷ lục từ 8% lên 14% Đến năm 1985, Đại học South Wales đã thiết lập một thành tựu lớn với hiệu suất 20% cho các tế bào Silicon.

Vào năm 1999, phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia đã hợp tác với SpectroLab Inc để phát triển pin mặt trời với hiệu suất 33,3% Đến năm 2016, Đại học South Wales đã thiết lập kỷ lục mới với hiệu suất 34,5%.

Giá tấm pin mặt trời đã giảm mạnh trong những thập kỷ qua, thúc đẩy nhu cầu tiêu dùng tăng cao Kết quả là, vào đầu năm, đã có hơn một triệu tấm pin mặt trời được lắp đặt tại Mỹ.

Vào năm 1956, giá tấm pin mặt trời là khoảng 300 USD/Watt, nhưng đến năm 1975, giá đã giảm xuống hơn 100 USD/Watt Hiện nay, giá tấm pin mặt trời chỉ còn 0,4 USD/Watt Năm 1982, nhà máy điện mặt trời đầu tiên với công suất 1MW được xây dựng tại Mỹ Đến năm 1999, tổng công suất lắp đặt pin mặt trời toàn cầu đạt 1GW, và vào năm 2010, con số này ước tính đạt 37,4GW, với Đức dẫn đầu về công suất lắp đặt với 7,6GW.

1.1.2 Thực trạng hiện tại của ngành điện mặt trời

Hình 1.1: Công suất điện mặt trời thế giới giai đoạn 2008-2018 [2]

Hoa Kỳ dẫn đầu thế giới về phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, với những bước đầu tư từ sớm Năm 1982, bang California đã xây dựng nhà máy quang điện đầu tiên trên thế giới với công suất 1 MW, nhờ vào điều kiện tự nhiên lý tưởng của khoảng 102,7 nghìn km² sa mạc nắng nóng Từ 2011 đến 2014, California tiếp tục phát triển với hai nhà máy điện mặt trời lớn: Trang trại quang điện Topaz công suất 550 MW, đầu tư khoảng 2,5 tỷ USD, và Nhà máy điện mặt trời Ivanpah công suất 392 MW với vốn đầu tư khoảng 2,2 tỷ USD.

Bộ Nội vụ Mỹ đã phê duyệt dự án năng lượng mặt trời lớn nhất tại Nevada, với tổng giá trị lên tới 1 tỷ USD, có khả năng cung cấp điện cho khoảng 260 nghìn hộ gia đình, đủ đáp ứng nhu cầu của cư dân Las Vegas Dự án này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường, tạo ra hàng nghìn việc làm trong lĩnh vực xây dựng và sản xuất năng lượng sạch, giúp bù đắp lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính tương đương với 83 nghìn chiếc xe hơi.

Từ năm 2006, Trung Quốc đã khởi xướng Luật Năng lượng tái tạo, đánh dấu bước ngoặt trong phát triển năng lượng sạch Hiện nay, Trung Quốc dẫn đầu thế giới về sản xuất điện năng lượng mặt trời với công suất lên tới 1330 GW mỗi năm Năm 2018, quốc gia này lắp đặt một nửa tổng công suất năng lượng mặt trời mới toàn cầu và sở hữu dự án điện mặt trời lớn nhất thế giới tại sa mạc Tengger với công suất 1.547 MW Trung Quốc cũng là quốc gia đầu tiên lắp đặt hơn 100 GW năng lượng mặt trời, tương đương với sản lượng điện của 75 nhà máy hạt nhân Đến đầu năm 2019, nước này có 6 trong 10 công ty sản xuất module năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, và sản lượng pin mặt trời đã vượt qua mục tiêu lắp đặt của chính phủ.

Nhật Bản, với vị thế là một cường quốc về khoa học - công nghệ, đã nhận thức rõ tầm quan trọng của năng lượng sạch trong phát triển kinh tế - xã hội Từ năm 2008, Chính phủ Nhật Bản đã triển khai chính sách hỗ trợ vay mua nhà sử dụng năng lượng tái tạo, cho phép các gia đình cải tạo nhà để sử dụng năng lượng mặt trời vay tối đa 5 triệu yên (khoảng 5.000 USD) với thời gian trả nợ lên đến 10 năm Bên cạnh đó, Chính phủ còn mua điện từ năng lượng mặt trời với giá cao hơn thị trường và giảm giá bán pin mặt trời Để thúc đẩy điện mặt trời, tháng 8/2011, Nhật Bản đã ban hành Luật Trợ giá (FiT) khuyến khích sản xuất điện mặt trời tại nhà, dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ công suất lắp đặt từ 5.000 MW lên 25.000 MW trong giai đoạn 2011-2014 Đến cuối năm 2020, khoảng 2,4 triệu khách hàng, bao gồm hộ gia đình và doanh nghiệp, đã lắp đặt điện mặt trời áp mái tại Nhật Bản.

Đến năm 2019, tổng công suất điện mặt trời tại Việt Nam đạt khoảng 5 GWp, bao gồm 4,5 GWp từ các nhà máy điện mặt trời nối lưới và gần 0,4 GWp từ hệ thống điện mặt trời áp mái Đến cuối năm 2020, công suất điện mặt trời nối lưới đã được đưa vào vận hành đạt 9 GWp.

Việt Nam đã ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, với quy mô công suất các dự án được bổ sung quy hoạch lên đến trên 13 GW, trong khi khoảng 50 GW dự án khác vẫn đang chờ được phê duyệt Theo báo cáo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), trong nửa đầu năm 2020, năng lượng tái tạo đã cung cấp 5,41 tỷ kWh, trong đó điện mặt trời đạt 4,71 tỷ kWh, tăng 5,35 lần so với cùng kỳ năm 2019 Cả nước đã lắp đặt 13.784 dự án điện mặt trời mái nhà, với tổng công suất 379,9 MWp, giúp Việt Nam vượt qua Malaysia và Thái Lan để trở thành quốc gia có công suất lắp đặt pin mặt trời lớn nhất Đông Nam Á Dự thảo quy hoạch điện VIII dự kiến công suất lắp đặt điện mặt trời sẽ tăng từ 17 GW trong giai đoạn 2020-2025 lên khoảng 20 GW.

Viện Năng lượng dự báo tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời mái nhà có thể đạt gần 50 GW vào năm 2030 Dự kiến, tỷ trọng điện mặt trời sẽ chiếm 17% vào năm 2025 và 14% vào năm 2030 trong tổng cơ cấu nguồn điện.

Hình 1.2: Tổng công suất lắp đặt điện mặt trời áp mái ở Việt Nam từ 2018-9/2020

1.1.3 Tiềm năng phát triển của ngành điện mặt trời trong tương lai Ứng dụng quan trọng nhất của năng lượng mặt trời hiện nay và trong tương lai vẫn là sản xuất điện năng Hai loại công nghệ sản xuất điện mặt trời được phát triển rộng rãi là: công nghệ quang điện và công nghệ điện mặt trời hội tụ Công nghệ quang điện phổ biến nhất hiện nay bao gồm: pin mặt trời tinh thể (chiếm khoảng 90% thị phần) và pin mặt trời màng mỏng (thị phần khoảng 10%)

Tổng quan các công nghệ lưu trữ năng lượng

1.2.1 Thủy điện tích năng Đây là một trong những dạng lưu trữ điện năng lớn nhất hiện nay, đang chiếm đến hơn 90% tổng lượng điện lưu trữ trên toàn cầu Thủy điện tích năng lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng của nước Vào giờ thấp điểm (phụ tải thừa), điện được dùng để bơm nước từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao hơn để lưu trữ Đến giờ cao điểm, nước sẽ được xả từ hồ chứa cao xuống hồ chứa thấp thông qua một đường ống áp lực đặt ngầm trong núi Nước sẽ làm quay tua-bin trong đường ống và tạo ra điện

Nhà máy thủy điện tích năng Bác Ái đang trong quá trình thi công và mang lại nhiều ưu điểm như khả năng lưu trữ điện công suất lớn, thời gian khai thác lâu dài từ 70 đến 80 năm, cùng với tính kinh tế cao Tuy nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế lớn là yêu cầu địa hình phù hợp, lý tưởng nhất là các ngọn núi có đỉnh rộng bên cạnh các con sông, suối lớn, nên không phải nơi nào cũng có thể áp dụng Nhật Bản, Mỹ và Trung Quốc là những quốc gia dẫn đầu thế giới về sản lượng điện từ thủy điện tích năng Tại Việt Nam, có ít nhất 10 dự án thủy điện tích năng được khảo sát là khả thi, trong đó Nhà máy Thủy điện Tích năng Bác Ái ở Ninh Thuận là dự án đầu tiên đang được xây dựng, với Giai đoạn 1 đã hoàn thành vào tháng 3/2021.

1.2.2 Hệ thống bánh đà và siêu tụ điện

Hệ thống bánh đà và siêu tụ điện là công nghệ lưu trữ năng lượng hiệu quả, cho phép phản hồi nhanh và thời gian nạp/xả điện ngắn Trong hệ thống bánh đà, năng lượng được lưu trữ dưới dạng động năng của khối quay, với tốc độ có thể đạt tới 100.000 vòng/phút Khi cần thiết, bánh đà xả năng lượng bằng cách áp mô-men xoắn lên tải cơ khí, làm giảm tốc độ quay và chuyển đổi động năng thành điện Trong các hệ thống điện gió và điện mặt trời, bánh đà hoạt động như ắc-quy để lưu trữ năng lượng dư thừa và như máy phát điện dự phòng cung cấp năng lượng khi cần thiết.

Hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng khác với siêu tụ điện, vì siêu tụ điện lưu giữ năng lượng dưới dạng thế năng mà không có phản ứng hóa học như pin Siêu tụ điện có khả năng chứa nhiều điện năng, độ bền cao và thời gian sử dụng lên đến hàng chục năm, đồng thời nạp và xả điện rất nhanh Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm như sụt thế nhanh và tích điện không lâu do rò điện nội bộ Vì vậy, trong ứng dụng năng lượng tái tạo, thường kết hợp siêu tụ điện và ắc-quy Năng lượng từ các nguồn tái tạo như điện mặt trời và điện gió được lưu trữ trong siêu tụ điện, sau đó từ từ nạp cho ắc-quy, giúp ắc-quy luôn đầy và kéo dài tuổi thọ.

1.2.3 Các loại pin lưu trữ năng lượng và pin Lithium

Nhiều công nghệ pin hiện nay được sử dụng phổ biến để lưu trữ năng lượng, trong đó có pin axit chì, pin Lithium-ion, pin thể rắn và pin oxy hóa – khử Vanadium Pin axit chì, được phát minh từ năm 1859, vẫn được ứng dụng rộng rãi nhờ chi phí sản xuất thấp, thường được sử dụng trong xe hơi do khả năng cung cấp dòng điện cao cần thiết cho việc khởi động động cơ Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là sử dụng hóa chất độc hại và tuổi thọ ngắn (300-500 chu kỳ nạp, xả), khiến pin axit chì chủ yếu được dùng để lưu trữ điện ở quy mô nhỏ và ngày càng khó cạnh tranh với các công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến hơn như pin Lithium-ion, vốn có thời gian sạc nhanh, dung lượng lớn và trọng lượng nhẹ hơn.

Vào năm 1970, nhà hóa học M Stanley Whittingham đã nghiên cứu pin sạc Lithium tại Exxon, sử dụng Titan (IV) Sulfua và kim loại Lithium làm điện cực Tuy nhiên, sản phẩm từ thí nghiệm này không thể áp dụng thực tế do Titan Disulfua cần được tổng hợp trong điều kiện chân không, gây tốn kém chi phí.

Vào những năm 1970, Titan Disulfua có giá khoảng 1000 USD/kg và có khả năng phản ứng để tạo ra các hợp chất Hidro Sunfua có mùi khó chịu khi tiếp xúc với không khí Chính vì lý do này, Exxon đã quyết định ngưng sản xuất pin Lithium của Whittingham.

Vào năm 1980, giáo sư vật lý John Goodenough đã phát minh ra một loại pin Lithium mới bằng cách kết hợp Lithium Cobalt Oxit, cho phép ion Li+ di chuyển giữa các điện cực Đến năm 1983, Akira Yoshino từ Đại học Meijo, Nhật Bản, đã phát triển một pin nguyên mẫu có thể sạc, sử dụng Lithium Cobalt Oxit làm cực âm và Polyacetylene làm cực dương, với vật liệu cực dương không chứa Liti Trong quá trình sạc, các ion Liti di chuyển từ cực âm sang cực dương, tạo nền tảng cho pin Lithium-ion hiện đại.

Pin Lithium-ion, được thương mại hóa lần đầu bởi Sony Energytec vào năm 1991, đã trở thành loại pin chủ đạo cho thiết bị di động, ô tô điện và giải pháp lưu trữ năng lượng cho hệ thống điện mặt trời Với khả năng lưu trữ năng lượng lớn và tỷ lệ tự xả thấp, công nghệ pin Lithium-ion ngày càng phổ biến trong các thiết bị điện gia dụng, xe điện, thiết bị an ninh và lưu trữ điện cho mạng lưới điện khu vực và quốc gia Pin Lithium-ion được coi là cốt lõi của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, đóng vai trò quan trọng trong việc hướng tới tương lai không sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Giá pin Lithium lưu trữ năng lượng đã giảm hơn 80% trong thập kỷ qua và dự kiến sẽ tiếp tục giảm hơn 40% theo phân tích từ Guide House Insights Báo cáo của IHS Market cho thấy chi phí trung bình của pin Lithium-ion sẽ giảm xuống còn $100/kWh vào năm 2023, giúp pin Lithium trở nên cạnh tranh hơn so với các thiết bị lưu trữ năng lượng khác.

Tính cấp thiết của đề tài

Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã thông báo ngừng tiếp nhận yêu cầu đấu nối và ký hợp đồng mua bán điện từ các hệ thống điện mặt trời mái nhà phát triển sau ngày 31-12-2020 Đầu tư vào hệ thống điện mặt trời áp mái mang lại lợi ích tài chính cho doanh nghiệp và người dân, giúp tiết kiệm chi phí điện và có thể bán điện dư thừa cho EVN Nhiều doanh nghiệp và cá nhân đã bị ảnh hưởng tiêu cực bởi quyết định này, khiến việc tìm kiếm giải pháp mới cho điện mặt trời áp mái trở nên cấp bách Đồng thời, giá thiết bị lưu trữ, đặc biệt là pin Lithium, đang giảm, tạo động lực cho việc nghiên cứu “Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới có lưu trữ sử dụng Lithium Battery”, mở ra hướng đi mới cho ngành điện mặt trời.

Mục tiêu đề tài

Đề tài này nhằm làm rõ tính khả thi kỹ thuật của việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái kết hợp với hệ thống lưu trữ cho nhà máy Bên cạnh đó, bài viết cũng đánh giá khía cạnh kinh tế của dự án để xác định mức độ khả thi đầu tư hiện tại và trong tương lai, từ đó tìm ra thời điểm đầu tư tối ưu Qua những đánh giá này, chúng ta có thể thiết lập một khung tài chính cho phép, giúp xác định thời điểm mà các dự án điện mặt trời áp mái kết hợp hệ thống lưu trữ có thể mang lại lợi nhuận phù hợp với nhu cầu của các nhà đầu tư, từ đó thuyết phục khách hàng triển khai các dự án này.

Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu về giá thành và các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời có lưu trữ được thực hiện qua phần mềm Homer Pro nhằm tối ưu hóa kinh tế và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Phần mềm này cho phép so sánh các đề xuất để chọn lựa hệ thống hiệu quả nhất Để có cái nhìn trực quan và kiểm tra hiện tượng bóng che, phần mềm SketchUp được sử dụng để mô phỏng 3D dự án, từ đó tối ưu hiệu suất hệ thống điện mặt trời áp mái Để nâng cao hiệu quả, cần tối ưu hóa các thuật toán điều khiển và tính toán trong thiết kế, đảm bảo các thiết bị hoạt động ở hiệu suất tối đa khi tải thay đổi Phần mềm PVsyst sẽ phân tích các yếu tố như cường độ ánh sáng, nhiệt độ và bóng che, cung cấp kết quả rõ ràng để tối ưu kỹ thuật cho dự án Tổng hợp kết quả từ các phần mềm giúp đánh giá khả năng sinh lời và tính khả thi của các dự án trong tương lai khi giá điện và thiết bị thay đổi.

Giới hạn đề tài

Đề tài chỉ tập trung vào đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật thiết kế dự án và tối ưu hiệu suất hệ thống, mà không phân tích sâu về các kỹ thuật đấu nối hay kết cấu chịu lực của phấn mái Về khía cạnh kinh tế, đề tài chỉ đánh giá giá cả của dự án và khả năng thu hồi vốn, mà không đi sâu vào phân tích thị trường.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các hệ thống điện mặt trời

Có 3 hình thức lắp điện năng lượng mặt trời phổ biến ở Việt Nam hiện nay gồm: hệ thống điện mặt trời độc lập, hệ thống điện mặt trời hòa lưới và hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ

2.1.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập Đây là hệ thống điện năng lượng mặt trời không nối lưới điện quốc gia Do đặc tính độc lập nên hệ thống này hoạt động tốt nơi chưa có điện lưới cũng như đảo xa, vùng sâu, vùng xa…

Hệ thống điện mặt trời độc lập hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng Khi có ánh nắng, các tấm pin mặt trời sản xuất dòng điện một chiều (DC) và dòng điện này được điều khiển bởi bộ điều khiển sạc để cung cấp cho các thiết bị sử dụng điện DC Đồng thời, dòng điện DC cũng được chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) thông qua Inverter, phục vụ cho các thiết bị sử dụng điện AC Nếu có dư điện DC, nó sẽ được lưu trữ trong hệ thống lưu trữ Trong trường hợp lượng điện từ tấm pin không đủ, bộ điều khiển sạc sẽ lấy điện từ hệ thống lưu trữ để cung cấp cho các thiết bị DC và hỗ trợ Inverter trong việc tạo ra điện AC.

Hệ thống điện mặt trời độc lập cần bổ sung hệ thống lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm và trong những ngày không có nắng hoặc mưa kéo dài Quy mô lưu trữ cần đủ lớn để đáp ứng nhu cầu sử dụng, dẫn đến chi phí lắp đặt cao hơn so với hệ thống hòa lưới Do đó, chi phí lắp đặt hệ thống điện mặt trời độc lập thường gấp đôi so với hệ thống hòa lưới.

2.1.2 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới Điện mặt trời hòa lưới là một sự kết hợp giữa điện mặt trời và điện lưới của quốc gia Các thiết bị điện hoạt động sẽ ưu tiên sử dụng điện từ hệ thống pin mặt trời tạo ra Nếu không đủ điện cho các thiết bị điện trong gia đình thì có thể lấy điện từ lưới bổ sung vào Ngược lại nếu điện từ hệ thống sản xuất còn dư thì có thể chuyển ngược lại lên lưới Đây là hệ thống điện mặt trời được lựa chọn phổ biến nhất vì:

 Chi phí đầu tư rẻ vì tiết kiệm được chi phí cho việc đầu tư hệ thống lưu trữ

 Đấu nối dễ dàng, thuận tiện cho việc kết nối cũng như hòa lưới để tiết kiệm và có thêm thu nhập từ việc bán điện

 Góp phần giảm ô nhiễm môi trường do ít phát phải hơn các dạng phát điện truyền thống

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng Khi có ánh nắng, các tấm pin mặt trời sản xuất dòng điện một chiều (DC), sau đó dòng điện này được chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) thông qua Inverter, cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng.

Khi lượng điện sản xuất từ các tấm pin mặt trời không được sử dụng hết, phần điện dư sẽ được chuyển vào công tơ điện hai chiều và đẩy lên lưới điện quốc gia Ngược lại, nếu lượng điện tạo ra không đủ cung cấp cho các thiết bị, hệ thống sẽ tự động lấy điện từ lưới điện quốc gia để đảm bảo nhu cầu sử dụng.

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới tự ngưng hoạt động khi mất điện lưới để đảm bảo an toàn, ngăn chặn nguy cơ điện được chuyển vào lưới Tuy nhiên, vẫn có giải pháp để sử dụng điện liên tục ngay cả khi điện lưới bị ngắt Điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ giúp giữ lại năng lượng đã tạo ra và tái sử dụng trong trường hợp mất điện.

2.1.3 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ

Hệ thống này tương tự như hệ thống hòa lưới nhưng có thêm chức năng lưu trữ điện Nhờ vào sự giảm chi phí lưu trữ pin, các hệ thống kết nối với lưới điện giờ đây có thể lưu trữ năng lượng Điều này cho phép năng lượng sản xuất vào ban ngày được sử dụng vào ban đêm Khi năng lượng dự trữ cạn kiệt, hệ thống sẽ chuyển sang sử dụng nguồn điện dự phòng từ lưới điện.

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ hoạt động bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời để tạo ra dòng điện một chiều (DC) khi có nắng Dòng điện này được chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) thông qua Inverter, cung cấp cho các thiết bị sử dụng Nếu lượng điện sản xuất vượt quá nhu cầu, Inverter sẽ sạc cho hệ thống lưu trữ, và khi hệ thống lưu trữ đầy, phần điện AC dư thừa sẽ được đẩy lên lưới điện quốc gia Khi điện từ tấm pin không đủ, hệ thống sẽ lấy điện từ lưu trữ, và nếu vẫn không đủ, điện sẽ được lấy từ lưới điện quốc gia Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tiết kiệm điện và giảm thiểu chi phí năng lượng.

 Cho phép lưu trữ năng lượng dư thừa

 Sử dụng điện dự trữ trong thời gian cao điểm buổi tối hoặc khi cần thiết

 Giảm tiêu thụ điện năng từ lưới điện

 Dùng được điện cả khi mất điện.

Tấm quang điện

Điện mặt trời được sản xuất từ các tấm quang điện, chuyển đổi quang năng thành điện năng Hai loại pin mặt trời phổ biến hiện nay là pin mặt trời đơn tinh thể (Mono) và pin mặt trời đa tinh thể (Poly) Pin Mono có màu đen và thường có hiệu suất chuyển đổi trên 20%, trong khi pin Poly có màu xanh lốm đốm với hiệu suất từ 15 đến 19% Hiệu suất của tấm pin mặt trời càng cao thì khả năng sản xuất điện năng càng lớn trên cùng một diện tích Pin Mono thường có công suất cao hơn so với pin Poly.

Hình 2.4: Sự khác nhau giữa tấm pin Mono và Poly

2.2.1 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời

Tấm pin năng lượng mặt trời bao gồm 8 bộ phận chính: khung nhôm, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin, hộp đấu dây, cáp điện và Jack kết nối MC4.

Khung nhôm đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra một cấu trúc vững chắc để tích hợp các tấm pin mặt trời và các bộ phận khác Với thiết kế cứng cáp nhưng nhẹ, khung nhôm không chỉ bảo vệ mà còn cố định các thành phần bên trong khỏi tác động của gió lớn và ngoại lực bên ngoài.

Kính cường lực là giải pháp hiệu quả để bảo vệ tấm pin mặt trời khỏi các yếu tố thời tiết như nhiệt độ, mưa, tuyết, bụi và mưa đá (đường kính 2,5cm trở xuống) Với độ dày từ 2-4mm, kính cường lực không chỉ đảm bảo khả năng bảo vệ tối ưu mà còn duy trì độ trong suốt, giúp ánh sáng ít bị phản xạ và tăng cường khả năng hấp thụ năng lượng.

Lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate) là chất kết dính quan trọng, bao gồm hai lớp polymer trong suốt, giúp gắn kết solar cell với kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới Lớp màng này không chỉ bảo vệ solar cell khỏi rung động, bụi bẩn và độ ẩm mà còn có khả năng chịu nhiệt độ khắc nghiệt và độ bền cao.

Pin mặt trời, hay còn gọi là tế bào quang điện, được cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ gọi là solar cell Các loại pin năng lượng mặt trời phổ biến như Mono và Poly được chế tạo từ silic Trong mỗi tế bào, tinh thể silic được kẹp giữa hai lớp dẫn điện và sử dụng hai loại silic khác nhau, bao gồm loại N và loại P.

Tấm nền pin đóng vai trò quan trọng trong việc cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm Các vật liệu thường được sử dụng cho tấm nền bao gồm polymer, nhựa PP, PVF và PET Độ dày của tấm nền có thể khác nhau tùy thuộc vào từng hãng sản xuất, nhưng phần lớn tấm nền sẽ có màu trắng.

Hộp đấu dây, nằm ở phía sau tấm pin năng lượng mặt trời, đóng vai trò quan trọng trong việc tập hợp và chuyển năng lượng điện ra ngoài Với vai trò là điểm trung tâm, hộp đấu dây được thiết kế bảo vệ chắc chắn để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình hoạt động.

Cáp điện DC là loại cáp điện chuyên dụng được thiết kế dành riêng cho hệ thống điện năng lượng mặt trời, nổi bật với khả năng cách điện một chiều DC cực tốt Ngoài ra, cáp điện DC còn sở hữu khả năng chống chịu ấn tượng trước những điều kiện thời tiết khắc nghiệt như tia cực tím, bụi, nước và ẩm, cũng như các tác động cơ học khác, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và an toàn cho hệ thống điện mặt trời.

 Jack kết nối MC4: là đầu nối điện thường được dùng để kết nối các tấm pin mặt trời

Jack "MC" trong MC4, viết tắt của Multi-Contact, cho phép kết nối dễ dàng giữa các tấm pin mặt trời Việc gắn kết các jack từ các tấm pin liền kề với nhau có thể thực hiện một cách thuận tiện bằng tay.

Hình 2.5: Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời Để giải thích nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời phải giải thích nguyên lý hoạt động của một đơn vị nhỏ hơn là solar cell Như đã đề cập ở phần cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời, một tế bào quang điện sử dụng hai lớp Silic khác nhau, loại

Trong cấu trúc bán dẫn, loại N chứa các electron dư thừa, trong khi loại P có các khoảng trống cho electron, được gọi là lỗ trống Khi hai loại silic P và N tiếp xúc, electron có khả năng di chuyển qua tiếp diện P/N, dẫn đến việc tạo ra điện tích dương ở một mặt và điện tích âm ở mặt còn lại.

Ánh sáng có thể được hình dung như một dòng các hạt photon nhỏ Khi một photon va chạm với solar cell và có đủ năng lượng, nó có thể đánh bật một electron khỏi liên kết, tạo ra một lỗ trống Electron mang điện tích âm, trong khi lỗ trống mang điện tích dương, cho phép chúng di chuyển tự do nhưng chỉ theo một hướng nhờ vào trường điện từ tại tiếp diện P/N Electron bị hút về mặt N, trong khi lỗ trống bị hút về mặt P Các electron di động được thu thập ở các lá kim loại trên đỉnh solar cell và sau đó đi vào mạch tiêu thụ để thực hiện chức năng điện trước khi trở về lá nhôm ở mặt sau.

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của solar cell

Electron trong tấm pin năng lượng mặt trời di chuyển và quay trở lại vị trí xuất phát, giúp solar cell có tuổi thọ lên tới hàng chục năm mà không bị hao mòn hay cạn kiệt Điện được tạo ra từ solar cell là điện một chiều (DC), và để sử dụng cho các thiết bị thông thường, cần chuyển đổi sang điện xoay chiều (AC) thông qua chức năng của Inverter (biến tần).

Biến tần

Biến tần (Inverter) là bộ não thiết yếu trong hệ thống năng lượng mặt trời, có chức năng chính là chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC) Sau tấm pin, biến tần là thiết bị quan trọng nhất, cung cấp thông tin phân tích hỗ trợ việc xác định hoạt động và bảo trì, giúp khắc phục các sự cố của hệ thống điện mặt trời.

Biến tần năng lượng mặt trời sử dụng bộ vi điều khiển lập trình sẵn để thực thi các thuật toán chính xác, nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra từ giàn pin năng lượng mặt trời Thuật toán MPPT (theo dõi điểm công suất tối đa) đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu suất năng lượng của hệ thống.

Theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) là thuật toán quan trọng trong các bộ Inverter, giúp điều chỉnh trở kháng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời Thuật toán này hoạt động liên tục để duy trì hệ thống ở gần điểm công suất cực đại, bất chấp các thay đổi về bức xạ mặt trời, nhiệt độ và tải Hiện nay, ba thuật toán MPPT phổ biến nhất bao gồm P&O (Perturbation and Observation), tăng độ dẫn (Incremental Conductance), và tỷ lệ điện áp hở mạch (Fractional Open-Circuit Voltage).

 P&O (Perturbation and observation): thuật toán này làm thay đổi điện áp hoạt động để đảm bảo công suất tối đa

Thuật toán Tăng độ dẫn (Incremental conductance) so sánh độ dẫn tăng dần với độ dẫn tức thời trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Dựa trên kết quả so sánh, thuật toán điều chỉnh điện áp để đạt được điểm công suất tối đa (MPP) Khác với thuật toán P&O, điện áp sẽ không giữ cố định sau khi đạt MPP.

Tỷ lệ điện áp hở mạch là một thuật toán dựa trên nguyên tắc rằng điện áp tại điểm công suất cực đại luôn là một tỷ lệ cố định của điện áp hở mạch Điện áp hở mạch của các cell trong tấm pin mặt trời được đo và sử dụng làm thông số đầu vào cho bộ điều khiển, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

Pin Lithium

Cấu tạo pin Lithium-ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện

Hình 2.8: Cấu tạo pin Lithium

Điện cực dương (Cathode) được chế tạo từ các vật liệu như LicoO2 và LiMnO4, trong đó cấu trúc phân tử bao gồm Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium Khi dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium sẽ nhanh chóng tách ra khỏi cấu trúc, tạo thành ion dương Lithium (Li+).

 Điện cực âm (Anode): được cấu tạo từ Than chì (Graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể

 Bộ phân tách: hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP

Bộ phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ giúp ngăn cách hai cực Tuy nhiên, nó vẫn cho phép các ion Li+ đi qua.

Chất điện phân là dung dịch lấp đầy giữa hai cực và màng ngăn, thường chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ, có vai trò quan trọng trong việc dẫn truyền ion Li+ trong pin lithium Nó tạo ra môi trường cho quá trình sạc và xả pin, với yêu cầu cơ bản là độ dẫn ion tốt Độ dẫn ion Liti đạt khoảng 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng, có thể tăng từ 30-40% khi nhiệt độ lên đến 40 độ C, nhưng sẽ giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C.

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

Cực âm và cực dương là nguyên liệu chính trong phản ứng điện hóa của pin lithium-ion Dung dịch điện phân tạo ra môi trường cho ion lithium di chuyển giữa hai điện cực âm và dương Khi pin hoạt động, dòng điện chạy qua mạch ngoài, thể hiện rõ trong quá trình sạc và xả của pin.

Quy trình xả của pin lithium-ion diễn ra khi ion Liti mang điện dương di chuyển từ cực âm, thường là Graphite, qua dung dịch điện ly đến cực dương, nơi xảy ra phản ứng với ion Liti Trong khi mỗi ion Li di chuyển từ cực âm sang cực dương, một electron cũng di chuyển từ cực âm sang cực dương qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện chạy từ cực dương về cực âm, giúp duy trì sự cân bằng điện tích giữa hai cực.

Quy trình sạc pin diễn ra ngược lại với quá trình xả, khi đó electron di chuyển từ điện cực dương (trở thành cực âm) dưới điện áp sạc Ion lithium (Li) tách khỏi cực dương và di chuyển về điện cực âm, đóng vai trò là cực dương trong quá trình này Sạc và xả pin sẽ đảo chiều liên tục.

Trong quá trình sạc pin Lithium, các nguyên tử Liti ở cực dương bị ion hóa và tách ra khỏi điện tử Các ion Liti sau đó di chuyển qua chất điện phân đến cực âm, nơi chúng tái kết hợp với điện tử và trở về trạng thái trung hòa điện.

Tính toán thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hệ thống pin năng lượng mặt trời thường được thiết kế theo các bước sau:

 Bước 1: Thu thập các dữ liệu ban đầu

Các thông tin cần có:

Nhu cầu và đặc trưng của phụ tải bao gồm số lượng thiết bị, thông số kỹ thuật của từng thiết bị, chế độ làm việc và thời gian ngắt điện cho phép Những thông tin này sẽ giúp xây dựng đồ thị phụ tải một cách chính xác và hiệu quả.

 Vị trí lắp đặt hệ thống:

Bức xạ mặt trời thay đổi tùy thuộc vào vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên của từng khu vực Để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế, cần thu thập dữ liệu từ các trạm khí tượng đã hoạt động ít nhất mười năm.

Để cung cấp đủ điện năng cho phụ tải trong năm, nên chọn giá trị cường độ tổng xạ thấp nhất trong tháng làm cơ sở Vị trí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời cũng giúp xác định góc nghiêng tối ưu của dàn pin, đảm bảo hệ thống nhận được lượng tổng xạ lớn nhất khi cố định.

Để tối ưu hóa hiệu suất của dàn pin năng lượng mặt trời, góc nghiêng của dàn pin nên trùng với góc nghiêng của Mặt Trời tại vị trí lắp đặt, giúp bề mặt dàn pin luôn thẳng góc với các tia nắng và nhận được bức xạ mặt trời tốt nhất Hơn nữa, việc đặt dàn pin ở góc nghiêng còn tăng khả năng tự làm sạch, vì khi trời mưa, nước sẽ rửa sạch bụi bẩn bám trên bề mặt pin, từ đó nâng cao khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời.

 Bước 2: Tính toán phụ tải điện Điện năng tiêu thụ trong một ngày (Ang) của tải được xác định:

Công suất và thời gian tiêu thụ của phụ tải thứ i được ký hiệu lần lượt là Pi và ti Điện năng tiêu thụ trong tháng hoặc trong cả năm có thể được suy ra từ các thông số này.

An = Ang.Nn = Ath.12 Với:

- Ath; An: điện năng tiêu thụ hàng tháng, hàng năm;

- Nth; Nn: số ngày tiêu thụ điện năng hàng tháng, hàng năm

 Bước 3: Lựa chọn hệ thống

Dựa trên nhu cầu tiêu thụ điện, khả năng đầu tư và tình hình sử dụng điện năng của khu vực, việc lựa chọn giữa hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập và hệ thống nối lưới là rất quan trọng.

 Bước 4: Tính toán số module pin năng lượng mặt trời

Số lượng module pin năng lượng mặt trời được xác định theo công thức:

- NPV: số lượng module pin năng lượng mặt trời;

- Anam: nhu cầu điện năng tiêu thụ trong một năm, [kWh];

- Popt.PV: công suất đỉnh của một module pin năng lượng mặt trời, [kWp];

- kt.PV: hệ số nhiệt độ của pin năng lượng mặt trời, [%] Thường lấy giá trị gần đúng 90%;

Hệ số an toàn của pin năng lượng mặt trời, được gọi là kat.PV, phản ánh tổn hao năng lượng do các yếu tố như điện trở dây nối, diode bảo vệ và bụi bẩn Giá trị thường được sử dụng là khoảng 80%, cho thấy mức độ hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời trong điều kiện thực tế.

- : hiệu suất của toàn hệ thống, là tích số của các thành phần sau:

-  bat: hiệu suất của bộ battery, [%] Thường lấy giá trị gần đúng 80%;

-  con : hiệu suất của bộ điều khiển phóng-nạp cho battery, [%] Thường lấy giá trị gần đúng 85%;

-  inv: hiệu suất của bộ biến đổi điện DC-AC, [%] Thường lấy giá trị gần đúng 85%;

- hn: số giờ nắng trung bình của ngày trong năm tại địa điểm lắp đặt, [giờ]

 Bước 5: Xác định cách ghép nối các module pin năng lượng mặt trời

Các module pin năng lượng mặt trời phải được ghép nối lại sao cho hệ thống đáp ứng được về công suất cũng như điện áp của phụ tải

Số module pin năng lượng mặt trời trong 1 dãy mắc nối tiếp:

Số dãy module pin năng lượng mặt trời mắc song song nhau:

- Vlv.sys: điện áp làm việc của hệ thống [V];

Điện áp làm việc của một module pin năng lượng mặt trời, ký hiệu là Vlv.PV, được đo bằng đơn vị volt [V] Cần lưu ý rằng giá trị này nên được chọn thấp hơn Vopt, điện áp đỉnh mà nhà sản xuất cung cấp cho module pin năng lượng mặt trời.

- Nnt.PV: số module pin năng lượng mặt trời cần thiết mắc nối tiếp trong 1 dãy;

- Nss.PV: số dãy pin năng lượng mặt trời mắc song song nhau

Về điện áp và dòng điện của hệ thống khi ghép nối nhiều module pin năng lượng mặt trời lại với nhau, cần lưu ý:

 Khi các module pin năng lượng mặt trời chỉ ghép nối tiếp:

 Khi các module pin năng lượng mặt trời chỉ ghép song song:

 Bước 6: Tính toán bộ battery lưu trữ năng lượng

Bộ battery đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống, và chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động Đối với hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập, dung lượng bộ battery cần đủ lớn để cung cấp năng lượng cho phụ tải ít nhất 3 ngày mà không cần nạp bổ sung, hay còn gọi là khả năng tự quản trong 3 ngày.

Dung lượng của bộ battery (theo đơn vị kWh) được tính như sau:

𝐷. 𝑖𝑛𝑣 Khi đổi ra đơn vị Ah:

- Cbat[kWh]; Cbat[Ah]: lần lượt là dung lượng của bộ battery, [kWh; Ah];

- Ang: nhu cầu điện năng của các tải tiêu thụ trong một ngày, [kWh];

- Nd: số ngày tự quản của bộ battery, [ngày] Thường chọn Nd ≥ 3 ngày;

- D: độ sâu phóng điện lớn nhất của bộ battery, [%];

-  inv ≈ 85%: hiệu suất của bộ biến đổi điện DC-AC, [%]

Bước 7: Tính toán bộ điều khiển phóng-nạp cho battery Để lựa chọn bộ điều khiển phóng-nạp, cần xác định điện áp làm việc và công suất phù hợp Điện áp của bộ điều khiển là yếu tố quan trọng cần xem xét.

Công suất của bộ điều khiển:

- Pcon: công suất của bộ điều khiển phóng-nạp cho battery, [kW];

- Pload: tổng công suất của toàn bộ phụ tải trong hệ thống, [kW]

 Bước 8: Tính toán bộ biến đổi điện DC-AC

Bộ biến đổi điện DC-AC yêu cầu lựa chọn điện áp làm việc và công suất phù hợp, tương tự như bộ phóng-nạp Điện áp của bộ điều khiển là yếu tố quan trọng cần được xác định chính xác để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Công suất của bộ điều khiển:

1,3Pload.inv ≤ Pcon ≤ 2Pload.inv

- Pinv: công suất của bộ biến đổi DC-AC, [kW];

- Pmax.load: công suất phụ tải đỉnh theo đồ thị phụ tải trong ngày, [kW];

-  sys: hiệu suất của toàn bộ hệ thống, [%];

- ndp: hệ số dự phòng, thường chọn là 1,3;

- Pload.inv: công suất của các phụ tải mà sử dụng điện AC phát ra từ bộ biến đổi điện, [kW]

Ngoài việc tính toán các thiết bị như dây dẫn và thiết bị đóng cắt, cần phải thực hiện các phép tính tương tự như trong việc cung cấp điện thông thường.

Các chỉ số kinh tế quan trọng đánh giá dự án

Lạm phát là hiện tượng mức giá chung trong nền kinh tế tăng liên tục trong một khoảng thời gian nhất định Để đo lường sự biến động của giá cả, người ta sử dụng tỷ lệ lạm phát, phản ánh sự thay đổi mức giá tại thời điểm hiện tại so với thời điểm trước đó.

Tỷ lệ chiết khấu, hay còn gọi là discount rate, là lãi suất dùng để chiết khấu các dòng tiền mặt liên quan đến dự án đầu tư Trong quá trình đánh giá dự án, tỷ lệ này giúp tính toán tỉ suất hoàn vốn nội bộ và giá trị hiện tại thuần, từ đó quy đổi giá trị các luồng tiền tương lai về hiện tại, với các yếu tố như lãi suất và lạm phát đã được xem xét Việc lựa chọn tỷ lệ chiết khấu phù hợp là rất quan trọng trong phân tích tài chính, và một phương pháp hiệu quả là sử dụng tỷ lệ chiết khấu bằng tỉ suất lợi nhuận của dự án đầu tư thay thế khi so sánh các phương án đầu tư.

Tỷ lệ chiết khấu thực là công cụ quan trọng để chuyển đổi chi phí một lần thành chi phí hàng năm Phần mềm chuyên dụng giúp tính toán tỷ lệ chiết khấu thực hàng năm, hay còn gọi là lãi suất thực, giúp người dùng dễ dàng quản lý tài chính và đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả.

Tỷ lệ chiết khấu danh nghĩa và tỷ lệ lạm phát kỳ vọng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tỷ lệ chiết khấu thực Tỷ lệ chiết khấu thực được sử dụng để tính toán các hệ số chiết khấu và chi phí hàng năm từ chi phí hiện tại ròng Để tính lãi suất chiết khấu thực, bạn có thể áp dụng phương trình phù hợp.

- i = tỷ lệ chiết khấu thực;

- i' = tỷ lệ chiết khấu danh nghĩa;

2.6.3 Thời gian tồn tại của dự án

Thời gian tồn tại của dự án là khoảng thời gian mà chi phí hệ thống phát sinh Chúng ta sử dụng thời gian này để tính toán chi phí hàng năm từ chi phí hiện tại ròng, với giả định rằng các giá trị còn lại sẽ được xác định vào cuối thời gian tồn tại của dự án.

Các tài sản đầu tư như nhà xưởng, thiết bị và phương tiện vận chuyển thường giảm giá trị theo thời gian do hao mòn hữu hình và vô hình Hao mòn hữu hình xảy ra khi tài sản bị hao mòn và già cỗi, trong khi hao mòn vô hình liên quan đến việc tài sản trở nên lỗi thời về mặt kinh tế Khấu hao giúp thu hồi phần giá trị bị giảm của tài sản, xác định giá trị chưa được khấu hao, hay còn gọi là giá trị bút toán SV (Salvage value).

Công thức tính khấu hao D:

- P: giá trị của tài sản;

- SV: giá trị còn lại (Salvage value);

2.6.5 Giá trị thu hồi thuần (Net present Value – NPV):

Giá trị thu hồi thuần (NPV) là hiệu số giữa tổng hiện giá thu hồi trong suốt thời gian đầu tư và tổng chi phí vốn đầu tư Nói cách khác, nó thể hiện tổng hiện giá lợi nhuận sau khi đã hoàn vốn Công thức tính giá trị thu hồi thuần sẽ giúp nhà đầu tư đánh giá hiệu quả của dự án.

- 𝑛: thời hạn đầu tư, [năm];

- 𝑖: lãi suất chiết khấu, [%/năm];

- 𝐵 𝑡 : khoản thu hồi ròng năm thứ t;

- 𝐶 𝑡 : khoản chi phí ròng năm thứ t

Việc tính toán chỉ tiêu thu hồi thuần cho ta biết được tổng hiện giá của tiền lời sau khi đã hoàn đủ vốn Cụ thể là:

 Nếu 𝑁𝑃𝑉 > 0 thì dự án có lời;

 Nếu 𝑁𝑃𝑉 < 0 thì dự án bị thua lỗ;

 Nếu 𝑁𝑃𝑉 = 0 thì dự án chỉ thu hồi đủ vốn

Mặc dù phương pháp này cho thấy lợi nhuận hoặc thua lỗ của dự án với số tiền cụ thể, nhưng nó không phản ánh mức độ sinh lãi của dự án Để khắc phục hạn chế này, người ta thường áp dụng phương pháp tính suất thu hồi nội bộ IRR nhằm đánh giá hiệu quả tài chính của dự án một cách chính xác hơn.

2.6.6 Xuất thu hồi nội bộ (Internal Rate of Return - IRR)

Suất thu hồi nội bộ (IRR) của một dự án phản ánh tỷ lệ sinh lời mà dự án đó tạo ra, giúp đánh giá khả năng sinh lời và khả năng thu hồi vốn Để xác định suất thu hồi nội bộ, chúng ta có thể dựa vào lãi suất vay và các yếu tố tài chính khác của dự án.

- Rt: giá trị thu hồi tại năm thứ t;

- T: thời gian thực hiện dự án, [năm];

- R0: chi phí đầu tư ban đầu;

- NPV: giá trị hiện tại

 Nếu IRR < i tức là dự án bị lỗ và không đủ tiền trả nợ;

 Nếu IRR > i tức là dự án có lời;

 Nếu IRR = i thì dự án sẽ hòa vốn

Chi phí sử dụng vốn bình quân gia quyền (WACC) là chỉ số thể hiện chi phí vốn sau thuế trung bình của một công ty, bao gồm tất cả các nguồn vốn như cổ phiếu phổ thông, cổ phiếu ưu đãi, trái phiếu và các hình thức nợ khác.

Chi phí sử dụng vốn bình quân WACC được xác định bởi công thức:

WACC = (E/V) x KE + (D/V) x KD Trong đó:

- KE: Chi phí sử dụng vốn cổ phần;

- KD: Chi phí sử dụng nợ vay;

- E: Giá trị thị trường của vốn cổ phần;

- D: Giá trị thị trường của nợ vay;

- V: Tổng vốn dài hạn của doanh nghiệp (V = E + D);

- Tax: Thuế thu nhập doanh nghiệp

Chỉ số sinh lời (Profitability Index - PI) là công cụ quan trọng trong lập ngân sách vốn, giúp đánh giá khả năng sinh lời tiềm năng của một khoản đầu tư hoặc dự án Công thức tính chỉ số này hỗ trợ nhà đầu tư đưa ra quyết định chính xác hơn về việc đầu tư.

- T𝑅 𝑖 : Thu nhập hàng năm của dự án;

- 𝐶 𝑖 : Chi phí hàng năm của dự án;

- r: lãi suất chiết khấu của dự án, [%];

- i: các năm của dự án

Thời gian hoàn vốn (Payback Period – T) là khoảng thời gian cần thiết để thu hồi đủ số vốn đầu tư ban đầu, tức là thời gian mà tổng giá trị hiện tại của các khoản thu hồi đạt bằng tổng giá trị hiện tại của khoản đầu tư.

Các phần mềm sử dụng cho dự án này

SketchUp là phần mềm tạo mô hình 3D lý tưởng cho kỹ sư, kiến trúc sư, nhà phát triển game và làm phim, cũng như cho những người mới bắt đầu Phần mềm này phù hợp với nhiều mục đích sử dụng, từ thiết kế kiến trúc và cảnh quan đến phát triển phim và game Nó cung cấp khả năng mô phỏng và điều chỉnh góc chiếu của mặt trời trong suốt năm, giúp người dùng dễ dàng bao quát các góc nhìn với hiệu quả gần như tức thì.

PVsyst là phần mềm nghiên cứu và mô phỏng hệ thống điện mặt trời, được thiết kế cho kỹ sư, kiến trúc sư và nhà nghiên cứu Phần mềm cung cấp nhiều công cụ hữu ích cho việc giảng dạy và tích hợp cơ sở dữ liệu về pin mặt trời, ắc quy, bộ biến đổi điện và bức xạ mặt trời Đặc biệt, PVsyst có công cụ thiết kế giao diện 3D, cho phép phân tích các tình huống kiến trúc khác nhau Phần mềm hỗ trợ thiết kế cả hệ thống điện mặt trời độc lập và nối lưới.

Phần mềm HOMER Pro giúp tối ưu hóa hệ thống cung cấp năng lượng hỗn hợp, sử dụng các công nghệ như tuabin gió, pin mặt trời, máy phát Diesel, thủy điện, pin nhiên liệu và ắc quy HOMER không chỉ tập trung vào tối ưu kinh tế và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mà còn xem xét tỷ lệ năng lượng tái tạo tối đa Việc khuyến nghị hệ thống Hybrid có tỷ lệ cao hơn là cần thiết do giá công nghệ năng lượng tái tạo giảm, trong khi chi phí cho an ninh nhiên liệu hóa thạch tăng HOMER cung cấp khả năng mô hình hóa, tối ưu hóa và phân tích tính nhạy, giúp người dùng lựa chọn hệ thống năng lượng hiệu quả nhất thông qua việc so sánh các lựa chọn khác nhau.

ĐÁNH GIÁ KHẢ THI VỀ MẶT KỸ THUẬT

Khảo sát dự án

Khu công nghiệp Rạch Bắp, nằm tại thị xã Bến Cát, Bình Dương, có tổng diện tích quy hoạch khoảng 638,6 ha, được xem là một trong những khu công nghiệp lớn của tỉnh Với nguồn nguyên vật liệu dồi dào từ vùng Đông Nam Bộ và vị trí thuận lợi cho vận chuyển hàng hóa, khu công nghiệp này hứa hẹn mang lại nhiều cơ hội phát triển Hệ thống cơ sở hạ tầng tại đây đã được đầu tư hoàn chỉnh, đặc biệt là nguồn điện từ mạng lưới điện quốc gia thông qua tuyến dây trung thế 22 kV, cung cấp điện 3 pha cho từng nhà máy.

Dự án khảo sát lần này tập trung vào nhà máy dệt JDT Bình Dương, tọa lạc trong Khu công nghiệp Rạch Bắp với diện tích tổng thể khoảng 17.000 m², trong đó diện tích nhà máy chiếm 9.375 m² Nhà máy dự kiến tiêu thụ khoảng 1.800 kWh mỗi ngày và 650.000 kWh mỗi năm, với công suất hoạt động đạt đỉnh ấn tượng.

Nhà máy tiêu thụ lượng điện năng lớn 370 kW và nằm trong khu vực có bức xạ mặt trời tốt, do đó việc lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời là cần thiết Hệ thống này không chỉ cung cấp năng lượng sạch và bảo vệ môi trường mà còn giúp tiết kiệm chi phí điện năng, giảm nhiệt độ trong nhà máy và kéo dài tuổi thọ mái Hơn nữa, khi kết hợp với hệ thống lưu trữ, năng lượng mặt trời tăng cường tính ổn định, giảm thất thoát điện năng và duy trì hoạt động của các tải quan trọng trong nhà máy.

Hình 3.1: Hình ảnh chụp từ vệ tinh Google

Bảng 3.1: Các thông số liên quan đến dự án

Tọa độ 11°8.2 ′ 𝐵 106°32.6′Đ Góc Azimuth Lệch so với hướng Bắc

16 𝑜 về phía Tây Góc nghiêng mái nhà 8.56 𝑜 Diện tích mái nhà xưởng 9.299,015 𝑚 2

Nhà máy JDT nằm trong vùng Đông Nam Bộ, nơi có mức bức xạ trung bình từ 4,8 đến 5,2 kWh/m²/ngày và số giờ nắng hàng năm dao động từ 1.600 đến 1.750 giờ.

Bảng 3.2: Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ bức xạ mặt trời (kWh/m 2 / ngày) Ứng dụng điện mặt trời Đông Bắc 1.600 – 1.750 3,3 – 4,1 Trung bình

Trung bình cả nước 1.700 – 2.500 4,6 Tốt

Theo mục 6 của Công văn Số 6242/BXD-KHCN, việc đánh giá an toàn chịu lực của kết cấu mái và công trình hiện hữu là rất quan trọng Cần tiến hành khảo sát và phân tích kết cấu đỡ mái cũng như liên kết giữa hệ kết cấu đỡ và mái hiện tại để đảm bảo an toàn chịu lực Điều này bao gồm việc xem xét khả năng chịu tải trọng tăng thêm do hệ thống điện mặt trời và kết cấu đỡ gây ra, bên cạnh các tải trọng ban đầu của mái và công trình Ngoài ra, việc kiểm tra khả năng chịu lực của mái và công trình dưới tác động của tải trọng gió cũng cần được thực hiện.

Theo Công văn Số: 3288/CP07-P4, tại khoản b, điểm 3.3, việc lắp đặt tấm pin mặt trời và các thiết bị của hệ thống điện mặt trời mái nhà cần phải xem xét tải trọng ảnh hưởng đến kết cấu mái, cả trong điều kiện bình thường và trong trường hợp xảy ra cháy.

Theo Nghị định Số: 06/2021/NĐ-CP, kiểm định xây dựng và thử nghiệm khả năng chịu lực của kết cấu công trình cần được thực hiện trong các trường hợp như sau: khi công trình có dấu hiệu không đảm bảo chất lượng theo thiết kế hoặc thiếu căn cứ đánh giá chất lượng; và theo yêu cầu của các cơ quan có thẩm quyền kiểm tra công tác nghiệm thu.

Theo Nghị định Số: 06/2021/NĐ-CP, việc kiểm định xây dựng và thử nghiệm khả năng chịu lực của kết cấu công trình được thực hiện trong các trường hợp như sau: khi công trình có dấu hiệu không đảm bảo chất lượng theo thiết kế hoặc không đủ căn cứ để đánh giá chất lượng và nghiệm thu, cũng như theo yêu cầu của các cơ quan có thẩm quyền kiểm tra công tác nghiệm thu.

Hình 3.3: Mặt bằng mái xưởng Hình 3.3 là mặt bằng mái xưởng được vẽ với tỉ lệ 1:200, có diện tích mái là 9.299,015

𝑚 2 Với diện tích trên chúng ta có một số phương án thiết kế và phân tích từng phương án như sau:

Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời theo diện tích mái là một giải pháp hiệu quả, giúp kỹ sư tối ưu hóa không gian lắp đặt để đạt công suất tối đa Phương án này đặc biệt phù hợp cho những nơi có khả năng bán điện ngược lên lưới, mang lại lợi ích kinh tế cho người sử dụng.

Thiết kế hệ thống theo công suất là phương án tối ưu, giúp đảm bảo hoạt động hiệu quả với mức đầu tư hạn chế Phương pháp này tập trung vào việc đáp ứng đúng công suất đã đề ra, phù hợp với nhu cầu và khả năng tài chính của dự án.

Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT) theo nhu cầu tải là phương án tối ưu công suất, đảm bảo hiệu quả sử dụng khi không thể bán điện ngược lên lưới Phương án này giúp đáp ứng tốt nhất nhu cầu năng lượng của người dùng.

Xét về tình hình hiện tại yêu cầu để tính toán đã được đặt ra cho dự án này:

Việc hết hạn chương trình FiT dẫn đến tình trạng lãng phí điện dư thừa, kéo dài thời gian thu hồi vốn Do đó, việc tính toán khả năng thu hồi vốn cho dự án trong bối cảnh hiện tại là vô cùng cần thiết.

Để tối ưu hóa khả năng thu hồi vốn, cần cải thiện kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả cho dự án Do đó, việc tính toán tính khả thi về mặt kỹ thuật cho dự án là rất quan trọng.

Các bước tiến hành

Quy trình thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT) bắt đầu bằng việc tìm kiếm thông tin và phân tích dữ liệu, đây là bước quan trọng trong bất kỳ dự án nào Dữ liệu tải tiêu thụ điện là yếu tố thiết yếu giúp phân tích nhu cầu sử dụng, công suất hệ thống và các thông số liên quan Bên cạnh đó, chi phí lắp đặt đóng vai trò quan trọng trong việc ước tính chi phí đầu tư ban đầu và tính toán chi phí dự trù cho toàn bộ vòng đời dự án Ngoài hai loại dữ liệu này, cần tìm hiểu thêm thông tin về vị trí địa lý và giá bán điện tại khu vực, địa phương hoặc quốc gia.

Dữ liệu đầu vào sau khi thu thập sẽ được nhập vào phần mềm HOMER Pro, nơi các thuật toán và dữ liệu Machine Learning sẽ phân tích và tối ưu hóa công suất phù hợp với điều kiện dự án Sau khi xác định công suất tối ưu, chúng ta sẽ lựa chọn các thiết bị chính như tấm quang năng, biến tần và pin lưu trữ Phần mềm cũng cung cấp thông số kinh tế cho dự án, giúp đánh giá tiềm năng của nó Tiếp theo, việc vẽ 3D mô phỏng đổ bóng là rất quan trọng để tính toán tổn thất do bóng che, từ đó xác định chính xác công suất đầu ra Ngoài ra, phần mềm Sketchup sẽ hỗ trợ trong việc vẽ sơ đồ bố trí lắp đặt các tấm quang điện Khi hoàn thành các bước này, chúng ta sẽ có đủ dữ liệu đầu vào cho PVsyst để thực hiện mô phỏng cuối cùng Cuối cùng, chúng ta sẽ so sánh kết quả của hai phần mềm và điều chỉnh các thông số để đồng bộ dữ liệu Sơ đồ mô tả quy trình thiết kế trong đồ án này một cách đầy đủ và trực quan.

Thiết kế dự án với HOMER Pro

3.3.1 Cài đặt dữ liệu địa lý Để có được tọa độ của dự án, cách đơn giản nhất là dùng Google Map và tìm vị trí nơi dự án được định vị

Bước tiếp theo là chọn dữ liệu bức xạ từ phần mềm bằng cách nhấn vào nút

Để chọn nguồn dữ liệu bức xạ, hãy nhấp vào mục "Resources" ở góc trên bên phải Sau đó, một bảng Resources sẽ hiện ra; hãy chọn 3 loại dữ liệu về bức xạ, gió và nhiệt độ Đặc biệt, với dữ liệu bức xạ, khuyến khích bạn chọn nguồn dữ liệu từ NASA để đảm bảo kết quả đồng bộ và chính xác hơn.

Hình 3.6: Bảng chọn gói dữ liệu thời tiết Sau cùng là điền các thông số như tỉ suất chiết khấu, tỉ lệ lạm phát và vòng đời dự án:

Hình 3.7: Thông số tài chính cho dự án

3.3.2 Phân tích dữ liệu tải

Ngày nay, các ngành công nghiệp sử dụng nhiều loại máy móc và quy trình công nghệ khác nhau, dẫn đến công suất vận hành thực tế của thiết bị điện thường không trùng khớp với công suất định mức Phụ tải điện là một hàm biến đổi theo thời gian và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, do đó không biến thiên theo một quy luật nhất định Việc xác định chính xác phụ tải điện là rất khó khăn nhưng lại vô cùng quan trọng cho hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Phụ tải điện là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị điện cho hệ thống cung cấp điện Nếu phụ tải tính toán thấp hơn công suất năng lượng mặt trời lắp đặt, sẽ gây lãng phí do công suất vượt quá nhu cầu Ngược lại, nếu phụ tải tính toán cao hơn công suất năng lượng mặt trời, sẽ dẫn đến thiếu hụt nguồn năng lượng tái, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả kinh tế.

Hình 3.8 thể hiện dữ liệu tải điện tiêu thụ của nhà máy, được trích xuất mỗi 60 phút trong suốt 12 tháng Tuy nhiên, nếu có thể thu thập dữ liệu mỗi phút, thông tin sẽ phản ánh chính xác hơn về công suất hoạt động của nhà máy.

Dữ liệu hoàn chỉnh được tích hợp vào phần mềm sẽ hiển thị công suất tiêu thụ của nhà máy một cách trực quan qua biểu đồ Biểu đồ này không chỉ minh họa rõ ràng các giờ cao điểm và thấp điểm của nhà máy, mà còn cho thấy những ngày tiêu thụ điện thấp, như vào cuối tuần, điều mà rất khó nhận biết chỉ bằng dữ liệu số.

Hình 3.9: Đồ thị biểu thị nhu cầu tải trong một tuần đại diện

Biểu đồ trong Hình 3.10 thể hiện nhu cầu tải của nhà xưởng trong suốt một ngày, cho thấy rằng nhu cầu tải của nhà máy đạt đỉnh từ 7h30 đến 17h.

Hình 3.11 trình bày kết quả phân tích tải từ phần mềm HOMER Pro, cho thấy các thông số tổng quát về công suất tiêu thụ của nhà máy.

 Lượng điện trung bình tiêu thụ trong ngày: 1767.84 kWh/ngày

 Công suất trung bình của nhà máy: 73.66 kW

 Công suất đỉnh của nhà máy: 363.84 kW

3.3.3 Biểu giá điện Việt Nam

 Giờ bình thường: Gồm ngày Chủ nhật từ 04 giờ 00 đến 22 giờ 00 (18 tiếng) và các ngày từ thứ Hai đến thứ Bảy cụ thể như sau:

- Từ 04 giờ 00 đến 9 giờ 30 (05 tiếng 30 phút);

- Từ 11 giờ 30 đến 17 giờ 00 (05 tiếng30 phút);

- Từ 20 giờ 00 đến 22 giờ 00 (02 tiếng)

 Giờ cao điểm: Gồm các ngày từ thứ Hai đến thứ Bảy cụ thể như sau:

- Từ 09 giờ 30 đến 11 giờ 30 (02 giờ);

- Từ 17 giờ 00 đến 20 giờ 00 (03 giờ)

 Giờ thấp điểm: Tất cả các ngày trong tuần từ 22 giờ 00 đến 04 giờ 00 sáng ngày hôm sau (06 giờ) Đối tượng mua điện theo hình thức ba giá:

Khách hàng có nhu cầu sản xuất, kinh doanh hoặc cung cấp dịch vụ sẽ được cấp điện thông qua máy biến áp chuyên dụng có công suất từ 25 kVA trở lên, hoặc nếu có sản lượng điện tiêu thụ trung bình trong ba tháng liên tiếp đạt từ 2.000 kWh/tháng trở lên.

 Đơn vị bán lẻ điện tại khu công nghiệp

 Đơn vị mua điện để bán lẻ điện ngoài mục đích sinh hoạt tại tổ hợp thương mại - dịch vụ - sinh hoạt

Bảng 3.3: Biểu giá bán điện

TT Nhóm đối tượng khách hàng Giá bán điện

1.1 Cấp điện áp từ 110 kV trở lên a) Giờ bình thường 1.536 b) Giờ thấp điểm 970 c) Giờ cao điểm 2.759

1.2 Cấp điện áp từ 22 kV đến dưới 110 kV a) Giờ bình thường 1.555 b) Giờ thấp điểm 1.007 c) Giờ cao điểm 2.871

1.3 Cấp điện áp từ 6 kV đến dưới 22 kV a) Giờ bình thường 1.611 b) Giờ thấp điểm 1.044 c) Giờ cao điểm 2.964

1.4 Cấp điện áp dưới 6 kV a) Giờ bình thường 1.685 b) Giờ thấp điểm 1.100 c) Giờ cao điểm 3.076

Biểu đồ giá bán điện theo giờ được hiển thị trong hình 3.12, với các giờ cao điểm được đánh dấu bằng màu vàng, giờ bình thường là màu xanh biển, và giờ thấp điểm là màu xanh đậm Giá điện trong các khung giờ này lần lượt là $0,124/kWh cho giờ cao điểm, $0,067/kWh cho giờ bình thường, và $0,043/kWh cho giờ thấp điểm.

3.3.4.1 Hệ năng lượng mặt trời

Theo báo cáo của IRENA, tổng chi phí lắp đặt trung bình toàn cầu cho các dự án điện mặt trời quy mô lớn vào năm 2020 là $883/kW, giảm 13% so với năm 2019 và 81% so với năm 2010 Sự giảm chi phí này liên quan đến nhiều yếu tố, trong đó tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí lao động và nâng cao hiệu quả module là những yếu tố chính Ngoài ra, kinh nghiệm của các nhà phát triển dự án và sự phát triển của chuỗi cung ứng cũng góp phần giảm chi phí vận chuyển Kết quả là, các thị trường như Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Hoa Kỳ và Đức đã chứng kiến sự giảm đáng kể trong tổng chi phí lắp đặt vào năm 2020.

Từ năm 2010 đến 2020, chi phí lắp đặt điện mặt trời đã giảm 13% toàn cầu, với 61% mức giảm đến từ chi phí của các module và bộ biến tần Mặc dù công nghệ điện mặt trời đã hoàn thiện, sự khác biệt về chi phí giữa các khu vực vẫn tồn tại, không chỉ ở module và biến tần mà còn ở các thiết bị phụ trợ khác Chi phí lắp đặt giảm chủ yếu nhờ vào áp lực cạnh tranh và kinh nghiệm tăng lên của người lắp đặt, dẫn đến cải tiến quy trình lắp đặt và giảm chi phí phát triển Bên cạnh đó, hiệu suất module tăng cũng góp phần làm giảm chi phí thiết bị tương ứng với diện tích lắp đặt.

Hình 3.14: Bảng giá biểu thị chi phí lắp đặt theo từng năm [5]

Chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT) tại Việt Nam chủ yếu phụ thuộc vào giá cả từ Trung Quốc, nơi cung cấp hầu hết các thiết bị cần thiết Theo thống kê, chi phí lắp đặt giảm trung bình 10% mỗi năm, nhưng giai đoạn 2018-2020 chứng kiến sự bùng nổ của điện mặt trời, khiến giá không còn giảm mạnh như trước Đặc biệt, năm 2020, đại dịch COVID-19 đã làm gián đoạn chuỗi cung ứng, dẫn đến tình trạng khan hiếm thiết bị lắp đặt.

Chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT) ước tính khoảng 620 USD/kWp, trong đó chi phí cho module và biến tần được tách biệt do vòng đời hoạt động của hai thiết bị này khác nhau, dẫn đến chi phí thay thế cũng khác.

Tính toán bóng che và phân bố vị trí lắp đặt

Mục tiêu của việc vẽ mô phỏng 3D là xác định vị trí lắp đặt pin mặt trời và tính toán bóng che cho hệ thống, nhằm đưa ra hệ số tổn thất chính xác nhất với thực tế.

Hình 3.25 minh họa sự phân bố của các tấm quang năng, với đường vòng cung màu xanh thể hiện hướng di chuyển của mặt trời Mỗi đường tương ứng với một tháng trong năm, và các điểm giao tại các nút biểu thị vị trí của mặt trời trong ngày từ 6 giờ sáng đến 18 giờ chiều.

Với tổng diện tích mái xưởng là 9.299 m² và công suất cần lắp đặt chỉ 256 kW, chúng ta có hai phương án lựa chọn cho vị trí đặt các tấm pin mặt trời (PV).

 Phương án thứ nhất là bố trí toàn bộ tấm PV bên mái hướng Đông

 Phương án thứ hai là bố trí toàn bộ tấm PV bên mái hướng Tây

Hệ mặt trời sẽ chỉ được lắp đặt trên một bên mái để tránh tổn thất biến tần do không đồng bộ hướng và vị trí lắp đặt Có hai trường hợp xảy ra: một là hệ thống quay về hướng Đông và hai là quay về hướng Tây Việc phân chia này giúp chúng ta tính toán trường hợp tối ưu hơn, với ít bóng che và khả năng

Hình 3.27: Hệ hướng về phía Đông Bắc và phía Tây Nam

Chạy dự án với PVsyst

Góc nghiêng của tấm PV được xác định là 8.6°, trong khi góc azimuth là 74°, phù hợp với hướng Tây Nam, theo các thông số khảo sát dự án ban đầu.

3.5.1.1 Lựa chọn tấm quang năng: Để có thể tính toán tối ưu hơn về mặt kỹ thuật, chọn lựa tấm PV phù hợp là rất cần thiết, việc chọn lựa tấm PV có ảnh hưởng đến rất nhiều mặt như thiết kế mặt bằng lắp đặt, lựa chọn công suất, phương án đấu nối,

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại pin mặt trời (PV) từ hàng trăm nhà sản xuất khác nhau, với sự đa dạng về chất lượng và giá cả Bài báo cáo này sẽ phân tích và lựa chọn một loại pin mặt trời đại diện để thực hiện các phép tính.

Trong khu vực Đông Nam Bộ, việc sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời (PV) loại mono được khuyến nghị hơn so với loại poly, vì nó mang lại hiệu suất cao hơn trong điều kiện bức xạ thấp Hiện nay, hầu hết các loại pin PV đều đạt hiệu suất khoảng 20% Ngoài ra, công suất phổ biến của các tấm pin PV hiện nay dao động từ 400 đến 500W.

Trong dự án này, chúng tôi đề xuất sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời Longi LR4-66 HPH 400 Tấm pin này có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi quang năng thành điện năng, cung cấp dòng điện một chiều (DC).

Ngoài ra hiệu suất chuẩn đổi của tấn PV cũng đáp ứng tiêu chuẩn theo thông tư mới nhất của chính phủ Việt Nam

Là tấm quang điện phổ thông được nhiều nhà đầu tư lựa chọn hiện nay và cũng là một trong những hãng sản xuất PV hàng đầu thế giới

Giá thành ở mức trung bình khoảng 7.600VNĐ/Wp và hiệu suất cao lên đến 20,8% thì đây là loại PV khá phù hợp cho dự án này

Hình 3.29: Tấm quang năng của hãng Longi 400W [6]

Hình 3.30: Biểu đồ biểu thị mức suy giảm hiệu suất của tấm PV [6]

Công suất của tấm pin năng lượng mặt trời (PV) được nhà sản xuất đảm bảo đạt trên 98% trong năm đầu tiên, với mức giảm hiệu suất chỉ 0,55% mỗi năm sau đó Đặc biệt, hiệu suất của tấm pin sẽ được đảm bảo ở mức 84,8% sau 25 năm sử dụng.

Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của tấm pin LR4-66 HPH 400 [6]

Số tế bào quang điện 132 (6x22)

Hộp đấu nối IP68, 3 Diode

Dây cáp 4𝑚 2 , 1200mm chiều dài có thể tùy chỉnh

Kính Kính cường lực đơn dày 3.2mm

Sai số Voc và Isc ±3%

Ngưỡng điện áp cực đại 1500VDC (IEC)

Nhiệt độ vận hành danh định 45±2℃

Mã module LR4-66 HPH 400 Điều kiện kiểm tra STC NOCT

Công suất cực đại (Pmax/W) 400 298.7 Điện áp tại điểm công suất đỉnh (Vmp/V) 37.6 35.01 Dòng điện tại công suất đỉnh (Imp) 10.64 8.53 Điện áp hở mạch (Voc/V) 44.8 42.0

Dòng điện ngắn mạch (Isc/A) 11.42 9.23

Hiệu suất quang năng mô-dun(%) 20 STC (Standard Testing Condition): Bức xạ 1000W/𝑚 2 , Nhiệt độ 25℃

NOCT(Nominal Operating Cell Temperature): Bức xạ 800 W/𝑚 2 , Nhiệt độ 20℃

Hệ số suy giảm công suất -0.35%/℃

Hệ số suy giảm điện áp -0.27%/℃

Hệ số suy giảm dòng điện +0.048%/℃

Để tối ưu hóa công suất điện năng thu được, các hệ thống lớn thường sử dụng inverter công suất lớn Việc lựa chọn loại inverter phù hợp phụ thuộc vào quy mô dự án, với nhiều mức công suất khác nhau Các bộ inverter hòa lưới hàng đầu từ các hãng uy tín thường đạt hiệu suất từ 98% cho loại 3 pha và 96% trở lên cho loại 1 pha Với công suất lắp đặt là 256kWp, cần xem xét kỹ lưỡng để chọn inverter phù hợp nhất.

Hình 3.32: Biến tần SunGrow SG110-CX [7]

Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật biến tần SunGrow SG110-CX [7]

Thông số kỹ thuật Chi tiết

Kích thước (Ngang x Cao x Dày) 1,051 × 660 x 362.5 mm

Phương thức cách ly Không biến áp

Công suất tiêu thụ về đêm ≤2 W

Dải nhiệt độ hoạt động -30 –> 60 °C Độ ẩm cho phép (không ngưng tụ) 0 – 100 %

Phương pháp làm mát thông minh bằng quạt gió có khả năng hoạt động hiệu quả ở độ cao tối đa 4000 mét so với mực nước biển, tuy nhiên công suất sẽ giảm khi hoạt động ở độ cao 3000 mét.

Hiển thị LED, Bluetooth+APP

Giao tiếp RS485, Wifi, Ethernet

IEC 62109, IEC 61727, IEC 62116, IEC 60068, IEC 61683, VDE-AR-N 4110:2018, VDE-AR-N 4120:2018, IEC 61000-6-3, EN 50438, AS/NZS 4777.2:2015, CEI 0-21, VDE 0126-1- 1/A1 VFR 2014, UTE C15-712-

Vào ban đêm, việc phát công suất phản kháng Q là cần thiết, đồng thời cần chú ý đến LVRT và HVRT trong điều khiển công suất tác dụng và phản tác dụng Chuẩn kết nối DC MC4 cho phép tiết diện tối đa 6 mm², trong khi chuẩn kết nối AC OT terminal có thể đạt tiết diện tối đa 240 mm².

Thông số ngõ vào (DC) Chi tiết Điện áp ngõ vào cực đại 1100 V Điện áp ngõ vào cực tiểu/Khởi động 200 V / 250 V Điện áp ngõ vào điện mức 585 V

Dải điện áp MPP cho công suất định mức 550 – 850 V

Số lượng ngõ vào MPP độc lập 9

Số lượng string tối đa của mỗi MPPT 2

Dòng cực đại cho mỗi ngõ vào 30 A

Dòng điện ngõ vào cực đại 26 A * 9

Dòng điện cực đại cho kết nối ngõ vào 30 A

Dòng ngắn mạch DC cực đại 40 A * 9

Thông số ngõ ra (AC) Chi tiết

Công suất ngõ ra cực đại 110 kVA @ 45 °C / 100 kVA @ 50 °C

Dòng điện ngõ ra cực đại 158.8 A Điện áp AC định mức 3 / N / PE, 230 / 400 V

Dải tần số lưới điện định mức 50 Hz / 45 – 55 Hz, 60 Hz / 55 – 65 Hz Tổng công suất sóng hài < 3 % (ở công suất định mức)

Hệ số công suất/Dải hệ số công suất > 0.99/0.8 sớm pha -> 0.8 trễ pha

Chống ngược cực DC Có

Bảo vệ dòng rò Có

Giám sát thông số lưới điện Có

Giám sát tiếp địa Có

Công tắc DC/Công tắc AC Có/Không

Giám sát dòng DC cho từng chuỗi Có

Phát công suất phản kháng về đêm Có

Chức năng phục hồi PID Lựa chọn

Bảo vệ quá áp DC Type II/AC Type II

MPPT được áp dụng để tối ưu hóa công suất từ mảng PV trong các điều kiện đầu vào khác nhau Mạch nghịch đảo chuyển đổi nguồn DC thành AC, cung cấp điện cho lưới thông qua đầu nối AC Ngoài ra, mạch bảo vệ được trang bị nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị và người sử dụng.

Hình 3.33: Sơ đồ đấu nối Inverter Sungrow SG110CX [7]

Sau khi đã chọn được các thiết bị chính chúng ta nhập vào phần System trong PVsyst như trong ảnh sau:

Bước tiếp theo trong quá trình phân tích hệ thống là sử dụng công cụ đổ bóng để tính toán tổn thất do bóng che, giúp đánh giá hiệu quả hoạt động của các thiết bị chính trong hệ thống.

Hình 3.35: Biểu đồ miêu tả bóng che

3.5.1.3 Lựa chọn hệ thống lưu trữ

Với công suất lưu trữ được chọn ở trên, dự án được đề xuất sử dụng các thiết bị thành phần trong hệ thống lưu trữ như sau:

Hệ thống pin Lithium sử dụng tế bào pin LFP 3.2V 50Ah, giúp giảm thiểu hư hỏng do tác động cơ học và nâng cao hiệu suất an toàn sản phẩm Van chống cháy nổ ở phía trên cho phép xả khí tích tụ trong cell trong các tình huống khắc nghiệt như đoản mạch, quá tải và xả quá mức, từ đó cải thiện độ an toàn của pin.

Hình 3.36: Thông số kĩ thuật của cell pin

Module pin bao gồm nhiều tế bào 3,2V, được thiết kế để thu thập điện áp và nhiệt độ của từng tế bào Hệ thống này giúp quản lý sự cân bằng của các tế bào, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả cho toàn bộ module.

Bộ chuyển đổi hai chiều đa chức năng cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa DC và AC, có khả năng sạc pin từ AC và cung cấp điện cho tải từ DC Hệ thống sử dụng công nghệ điều khiển kỹ thuật số tiên tiến, tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao độ tin cậy Nó hỗ trợ chuyển đổi liền mạch giữa các chế độ phóng điện nối lưới, sạc điện kết nối lưới và vận hành ngoài lưới điện.

Hình 3.38: Bộ chuyển đổi hai chiều đa chức năng

3.5.2 Kết quả mô phỏng PVsyst

Hình 3.39: Kết quả mô phỏng PVsyst trường hợp hệ hướng Đông

Kết quả mô phỏng PVsyst cho thấy hệ thống năng lượng mặt trời hướng Tây có sản lượng điện cao hơn so với hệ hướng Đông Cụ thể, sản lượng điện năng của hệ phía Tây đạt 400 MWh/năm, trong khi hệ phía Đông chỉ đạt 398,9 MWh/năm.

ĐÁNH GIÁ KHẢ THI VỀ MẶT KINH TẾ

Chi phí đầu tư dự án

Tổng chi phí đầu tư cho dự án đạt 4,229,777,625 VND, trong đó chi phí cho hệ thống điện mặt trời là 3,612,371,200 VND và chi phí cho hệ thống lưu trữ là 617,406,425 VND.

VND) được thể hiện cụ thể trong bảng 4.1

Bảng 4.1: Chi phí đầu tư dự án

Hệ thống đề xuất - Năng lượng mặt trời kết hợp lưu trữ Đơn vị Giá trị

Hệ năng lượng mặt trời Giá trị Tuổi thọ thiết bị

Công suất lắp đặt (DC) kWp

Công suất biến tần(AC) kW

Giá thành tấm PV USD/kWp

Giá thành biến tần USD/kW

Chi phí lắp đặt VND

Hệ lưu trữ Giá trị Tuổi thọ thiết bị

Loại pin lưu trữ Lithium Ion

Công suất pin định mức kWh

Công suất biến tần định mức kW

Giá thành lưu trữ USD/kWh

Giá thành biến tần USD/kW

Chi phí lắp đặt VND

Tổng chi phí lắp đặt VND 4,229,777,625

Tính toán lãi suất cho dự án

4.2.1 Tính toán sản lượng điện năng của hệ thống

Bảng 4.2: Sản lượng điện năng của hệ thống từ năm 1 đến năm 5

Tổng nhu cầu tải kWh 645,262 645,262 645,262 645,262 645,262

Tổng điện năng tiêu thụ từ lưới kWh 329,906 332,188 334,457 336,726 339,002

Bậc 3 kWh 98,448 99,287 100,110 100,939 101,780 Điện năng tải tiêu thụ từ PV kWh 315,356 313,074 310,805 308,536 306,260 Điện năng sạc cho lưu trữ từ PV kWh 9,324 9,110 8,880 8,648 8,417 Điện năng dư thừa từ PV kWh 65,023 64,106 63,182 62,259 61,349

Tổng nhu cầu tải kWh 645,262 645,262 645,262 645,262 645,262 Tổng điện năng tiêu thụ từ lưới kWh 341,280 343,556 345,836 348,137 350,449

4.2.2 Dòng tiền của dự án

Dự án có tổng số tiền đầu tư ban đầu là 4,229,777,625 VND, trong đó 30% là vốn chủ sở hữu và 70% là vốn vay từ ngân hàng với lãi suất 8% mỗi năm.

Bảng 4.6: Cơ cấu nguồn vốn của dự án

Chi phí đầu tư ban đầu VND 4,229,777,625

Với số tiền vay được từ ngân hàng, dự án được lập kế hoạch trả nợ như Hình 4.1.

Hình 4.1: Kế hoạch trả nợ ngân hàng của dự án

Biểu đồ Hình 4.2 cho thấy dư nợ của dự án và thời gian hoàn tất việc trả lãi ngân hàng là 6 năm, cho thấy tiềm năng sinh lời lớn của dự án Ngoài ra, thu

Lãi ròng của dự án được xác định bằng cách trừ đi các chi phí như vay gốc, lãi suất hàng năm, thuế thu nhập, chi phí khấu hao và bảo trì hệ thống Dòng tiền thu nhập của dự án được trình bày chi tiết từ Bảng 15 đến Bảng 18.

Bảng 4.7: Dòng tiền thu nhập của dự án từ năm 1 đến năm 5

Dự báo dòng tiền Năm 1 2 3 4 5

Thu nhập VND 145,023,005 192,490,706 240,835,824 290,051,146 340,151,621 Cộng lại khấu hao VND 211,488,881 211,488,881 211,488,881 211,488,881 211,488,881

Cộng lại khấu hao VND 127,875,352 127,875,352 127,875,352 127,875,352 127,875,352

Đánh giá tính khả thi của dự án

Trong quá trình lập dự án, việc tính toán và so sánh các phương án đầu tư là cần thiết để lựa chọn phương án tối ưu Phân tích này chỉ tập trung vào khía cạnh kinh tế, không đề cập đến các vấn đề kỹ thuật Các tiêu chí đánh giá dự án phụ thuộc vào quan điểm của nhà đầu tư, bao gồm lợi nhuận cao nhất, chi phí thấp nhất, thu nhập ổn định, và thời gian hoàn vốn ngắn nhất.

Tính toán hiệu quả kinh tế của dự án là yếu tố then chốt để thuyết phục nhà đầu tư và nhà tài trợ quyết định đầu tư Để đánh giá tính khả thi của dự án, cần dựa vào các chỉ số kinh tế quan trọng như thời gian hoàn vốn (T), giá trị lợi nhuận ròng (NPV), suất thu hồi nội bộ (IRR), chi phí vốn (WACC) và chỉ số lợi nhuận (PI).

Sau khi tính toán được dòng tiền của dự án thì sẽ được quy đổi về các chỉ số nằm ở Bảng 19 bên dưới

Bảng 1: Các chỉ số kinh tế của dự án

Thời gian hoàn vốn danh định years 7.2

Thời gian hoàn vốn được chiết khấu years 12.0

Chỉ số lợi nhuận (PI) Tỉ số 1.3

Kết quả phân tích cho thấy chỉ số IRR% vượt qua WACC, điều này cho thấy dự án có khả năng sinh lời cao hơn mong đợi Bên cạnh đó, NPV dương cho thấy tiềm năng sinh lời của dự án là rất lớn.

TỔNG KẾT

Dựa trên kết quả khảo sát và phân tích dữ liệu, nhóm chúng em đã đánh giá tính khả thi về kỹ thuật và kinh tế của dự án điện mặt trời áp mái kết hợp với hệ thống lưu trữ Lithium Giải pháp này đáp ứng các tiêu chí về năng lượng xanh, sạch và tiết kiệm chi phí Nhờ đó, nhà đầu tư có thể hình dung rõ ràng sự phát triển của mô hình trong tương lai, các chi phí cần thiết và lợi nhuận, từ đó xây dựng kế hoạch đầu tư và lắp đặt hệ thống hiệu quả.

Với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ, các thiết bị như module quang năng và biến tần ngày càng có công suất cao hơn và giá thành giảm đáng kể, từ đó giúp hệ thống năng lượng mặt trời trở thành lựa chọn ưu tiên so với các giải pháp năng lượng khác.

Hệ thống điện mặt trời phát thải lượng CO2 rất thấp, ít tác động đến môi trường so với các nguồn năng lượng khác, đặc biệt là năng lượng hóa thạch Do đó, năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp hiệu quả trong việc bảo vệ môi trường.

Tỷ lệ hoàn vốn nội bộ (IRR) đạt 14% cho thấy lợi nhuận từ dự án đủ hấp dẫn để thu hút nguồn đầu tư, tạo điều kiện cho sự phát triển và mở rộng các dự án quy mô lớn hơn trong tương lai.

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Hòa Lưới Có Lưu Trữ Sử Dụng Lithium Battery
Tác giả	Tăng Thuận Phát, Nguyễn Hứa Nhật Tân
Người hướng dẫn	TS. Phạm Thanh Tuân, TS. Trần Tiến Dũng
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Năng Lượng Tái Tạo
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	12,11 MB