Thiết kế hệ thống điện cung cấp điện 60kW bằng ứng dụng HELOSCOPE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ Độc lập Tự do Hạnh phúc MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên: Lê Anh Phong Ngành: CNKT Điện – Điện tử 1. Mục tiêu đồ án: Hoàn thành được đề tài được giao theo đúng yêu cầu và thời gian quy định. Qua đó có thể hiểu biết thêm về các linh kiện cũng như ứng dụng của chúng vài thực tế. 2. Nhiệm vụ: Thiết kế hệ thống điện cung cấp điện 60kW bằng ứng dụng HELOSCOPE 3. Ngày giao đồ án: 12122023 4. Ngày hoàn thành đồ án: 1212024 5. Người hướng dẫn:Ts. Nguyễn Tiến Dũng Nghệ An, ngày 9 tháng 1 năm 2024 NGƯỜI HƯỚNG DẪN LỜI NÓI ĐẦU Em, Lê Anh Phong, sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tại Đại học Vinh , xin được gửi đến quý thầy cô và tất cả các bạn lời chào trân trọng nhất. Đồ án của em được thực hiện với tự hào và tâm huyết, mang trong mình sự đam mê và nỗ lực không ngừng trong việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới, đặc biệt là ứng dụng HELOSCOP trong thiết kế hệ thống điện cung cấp công suất 60kW. Như chúng ta đã biết, năng lượng điện đóng vai trò quan trọng trong đời sống hàng ngày và là động lực đặt nền móng cho sự phát triển của xã hội. Với sự gia tăng không ngừng về nhu cầu năng lượng, việc thiết kế hệ thống điện hiệu quả và bền vững là một thách thức đối với các kỹ sư và nhà nghiên cứu. Trong bối cảnh đó, ứng dụng của HELOSCOP đang trở nên ngày càng quan trọng, mang lại những cơ hội mới trong việc tối ưu hóa hệ thống và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Đồ án của em tập trung vào việc thiết kế hệ thống điện cung cấp công suất 60kW sử dụng ứng dụng HELOSCOP, với hy vọng rằng nó sẽ đóng góp một phần nhỏ vào sự phát triển bền vững của ngành điện. Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện, em đã đối mặt với nhiều thách thức và học hỏi được nhiều từ sự hỗ trợ và hướng dẫn của quý thầy cô, đồng nghiệp và gia đình. MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG I. GIỚI THIỆU PHẦN MỀN HELIOSCOPE 1.1 KHÁI NIỆM HelioScope là một ứng dụng thiết kế chuyên nghiệp dành cho hệ thống điện mặt trời, được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi bởi các chuyên gia thiết kế, nhà thầu, và chủ sở hữu hệ thống điện mặt trời trên toàn cầu. Hình 1. Phần mền helioscope 1.2 TÍNH NĂNG CỦA PHẦN MỀN HELIOSCOPE Phần mềm này không chỉ cung cấp một loạt các tính năng và công cụ, mà còn đưa ra sự đơn giản hóa và tự động hóa đáng kể quá trình thiết kế hệ thống điện mặt trời. Cụ thể: Công cụ Định vị Mặt Trời Chính Xác: Sử dụng HelioScope, chúng ta có thể đảm bảo độ chính xác cao về hướng và góc nghiêng của mặt trời tại bất kỳ vị trí nào trên thế giới bằng cách sử dụng dữ liệu thời tiết địa phương và dữ liệu vệ tinh. Công cụ Mô Phỏng Năng Lượng: Phần mềm sử dụng mô hình năng lượng chính xác để dự đoán sản lượng điện của hệ thống điện mặt trời qua toàn bộ vòng đời của nó. Công cụ Tối Ưu Hóa Thiết Kế: Sử dụng thuật toán tối ưu hóa, HelioScope giúp tìm ra thiết kế hệ thống điện mặt trời tối ưu về mặt hiệu suất và chi phí. Công cụ Tạo Báo Cáo Chuyên Nghiệp: HelioScope không chỉ giúp thiết kế, mà còn tạo ra các báo cáo chuyên nghiệp về thiết kế hệ thống điện mặt trời, phục vụ cho việc trình bày cho khách hàng hoặc cơ quan chức năng. Phần mềm này không chỉ phù hợp cho việc thiết kế hệ thống điện mặt trời cho các tòa nhà thương mại và dân dụng, mà còn hỗ trợ thiết kế cho nhiều loại hệ thống, từ mái nhà, mặt đất đến hệ thống tích hợp với kiến trúc. Ở Việt Nam, HelioScope đã thành công khi được sử dụng bởi nhiều chuyên gia thiết kế, nhà thầu và chủ sở hữu hệ thống điện mặt trời. Đó không chỉ là một công cụ thiết yếu, mà còn là động lực quan trọng thúc đẩy sự phát triển của ngành điện mặt trời tại đất nước này. II. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN Hệ thống năng lượng là một tổ hợp khéo léo giữa các nhà máy điện, lưới điện và lưới nhiệt, mà trong quá trình sản xuất, chúng tạo ra một mạng liên kết chặt chẽ. Trái ngược với đó, hệ thống điện là một phần của hệ thống năng lượng không kết hợp với lưới nhiệt. Nó tập trung vào các bước quan trọng như sản xuất, truyền tải, phân phối và cung cấp điện đến người tiêu dùng, tạo nên một hệ thống linh hoạt và hiệu quả. Hình 2. Hệ thống cung cấp điện Điện năng, một nguồn năng lượng phổ biến và quan trọng đối với cuộc sống, được sản xuất từ những nhà máy và chuyển đến các hộ tiêu thụ. Trong quá trình truyền tải đến người tiêu dùng, việc thiết kế hệ thống cung cấp điện đóng vai trò quan trọng. Trong bối cảnh nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ và xã hội ngày càng nâng cao chất lượng cuộc sống, sự tiêu thụ điện năng ngày càng gia tăng. Do đó, thiết kế cung cấp điện trở nên không thể thiếu trong thời đại hiện nay. Quá trình thiết kế cung cấp điện đặt ra những yêu cầu quan trọng sau đây: 1. Độ tin cậy cấp điện: Mức độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện phụ thuộc vào yêu cầu về tải. Đối với các công trình quan trọng ở cấp quốc gia, việc đảm bảo cung cấp điện liên tục ở mức cao nhất là hết sức quan trọng. Đối với những đối tượng như nhà máy, xí nghiệp, và các tòa nhà cao tầng, việc sử dụng máy phát điện dự phòng khi mất điện là một giải pháp hiệu quả. 2. Chất lượng điện: Chất lượng điện được đánh giá thông qua tần số và điện áp. Điện áp trung bình và hạ chỉ được chấp nhận với mức độ độ méo khoảng 5%, theo các tiêu chuẩn thiết kế, còn tiêu chí tần số phải tuân thủ theo quy định của cơ quan điện lực quốc gia. 3. An toàn điện: Các công trình cấp điện phải đảm bảo mức độ an toàn cao cho người vận hành, người sử dụng thiết bị, và toàn bộ công trình. 4. Khía cạnh kinh tế: Trong quá trình thiết kế, việc đưa ra nhiều phương án và sau đó lựa chọn trong số chúng dựa trên hiệu quả kinh tế là cực kỳ quan trọng. Điều này đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng và lựa chọn những phương án mang lại hiệu suất kinh tế cao nhất. 2.1 TỔNG QUAN VỀ TẤM PIN MẶT TRỜI 2.1.1 Khái niệm Pin năng lượng mặt trời không chỉ là một đỉnh cao của công nghệ, mà còn là một biểu tượng tượng trưng cho sự đổi mới quan trọng trong lĩnh vực năng lượng. Nó không chỉ đại diện cho sự tiến bộ kỹ thuật, mà còn là biểu tượng của sự chuyển đổi toàn diện đối với nguồn năng lượng và cam kết mạnh mẽ đối với sự bền vững. Thay vì xem xét pin năng lượng mặt trời như một thiết bị công nghệ thông thường, chúng ta có thể nhìn thấy nó như một cột mốc quan trọng trong việc kiến tạo một tương lai năng lượng sáng tạo và bền vững. Hình 3. Pin năng lượng mặt trời Với khả năng biến đổi tia sáng mặt trời thành điện năng, pin năng lượng mặt trời mở rộng không gian cho sự đa dạng hóa và tối ưu hóa nguồn cung năng lượng. Các ứng dụng của nó không chỉ giới hạn trong lĩnh vực điện gia dụng mà còn mở ra các lĩnh vực khác như giao thông vận tải, công nghiệp, và thậm chí cả trong không gian. Sức mạnh này không chỉ giúp giảm chi phí liên quan đến năng lượng, mà còn thay đổi cách chúng ta nhìn nhận về nguồn cung và tiêu thụ năng lượng, mở ra triển vọng mới cho sự bền vững và sáng tạo trong ngành công nghiệp năng lượng. 2.1.2 Phân loại Như một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, pin năng lượng mặt trời đã trải qua sự phát triển và đa dạng hóa đáng kể, được phân loại rộng rãi dựa trên nhiều yếu tố quan trọng như cấu trúc và thành phần chính. Dưới đây là một phân loại chi tiết mang lại cái nhìn rõ ràng hơn về các loại pin năng lượng mặt trời phổ biến: 1. Pin Silicon (Crystalline Silicon Solar Cells) 2. Pin Mảng Mảng (ThinFilm Solar Cells) 3. Pin Mạng Lưới (GridTied Solar Cells) 4. Pin Không Kết Nối Với Lưới (OffGrid Solar Cells) 5. Pin Một Chiều (SingleJunction Solar Cells) và Pin Nhiều Chiều (MultiJunction Solar Cells) 2.1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2.1.3.1 Vật liệu làm pin năng lượng mặt trời hiện nay Vật liệu của pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là tấm pin mặt trời, được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện, là các thành phần bán dẫn chủ yếu là silic tinh khiết. Trên bề mặt của chúng, có một lượng lớn cảm biến ánh sáng được gọi là điốt quang. Để bảo vệ những tế bào quang điện này, chúng được phủ bởi một tấm kính trong suốt ở mặt trước và một lớp vật liệu nhựa ở phía sau. Các thuộc tính quan trọng như cường độ dòng điện, hiệu điện thế, hoặc điện trở của pin mặt trời có sự biến đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng mà chúng nhận được. Để tạo ra tấm pin mặt trời, các tế bào quang điện này được kết hợp và gắn lại với nhau thành một khối đồng nhất. Ngày nay, trong lĩnh vực vật liệu pin năng lượng mặt trời, chủ yếu là các silic tinh thể, được phân chia thành ba loại chính: 1. Đơn tinh thể module sản xuất theo phương pháp Czochralski: Được biết đến với hiệu suất lên đến 16%, loại pin này được sản xuất thông qua quá trình Czochralski. 2. Đa tinh thể làm từ thỏi đúc silic nung chảy: Pin này thường có chi phí thấp hơn so với đơn tinh thể. Mặc dù hiệu suất của chúng có thể thấp hơn, nhưng khả năng tạo ra các tấm vuông che phủ bề mặt lớn hơn giúp bù lại điều này. 3. Dải silic tạo từ miếng phim mỏng nóng chảy: Loại pin này được tạo ra từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Thường có hiệu suất thấp nhất nhưng giá rẻ nhất trong các loại vật liệu pin năng lượng mặt trời. 2.1.3.2 Cấu tạo pin nặng lượng mặt trời Tế bào quang điện bên trong tấm pin năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Chúng được tạo thành chủ yếu từ silic tinh khiết, có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể hoặc đa tinh thể, tùy thuộc vào phương pháp sản xuất của từng nhà sản xuất pin. Hiện nay, tế bào đơn tinh thể Mono đang được ưa chuộng với hiệu suất chuyển đổi lên đến 21%, tạo ra các pin mặt trời mạnh mẽ có công suất tiềm năng lên đến 600Wp trong tương lai. Các đặc tính kỹ thuật quan trọng của tế bào bao gồm kích thước, màu sắc, số lượng tế bào, và hiệu suất chuyển đổi. Quá trình liên kết các tế bào được thực hiện thông qua việc sử dụng một dây đồng mỏng được phủ bằng hợp kim thiếc, tạo nên một hệ thống chắc chắn và hiệu quả. • Lớp kính cường lực ở mặt trước của tấm pin không chỉ đảm nhận trách nhiệm bảo vệ mà còn tăng cường độ bền cho tấm pin. Độ dày của lớp kính này thường nằm trong khoảng từ 2mm đến 4mm, tùy thuộc vào loại kính cường lực được sử dụng. Chất lượng của lớp kính này ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng từ mặt trời và giảm thiểu hiện tượng phản xạ ánh sáng. • Mặt sau của tấm pin, thường được làm từ vật liệu nhựa cách điện, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và che chắn tế bào quang điện khỏi ảnh hưởng của thời tiết và độ ẩm. Đối với các loại pin khác nhau, độ dày, màu sắc và độ bền cơ học có thể thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng. • Lớp màng EVA, một polymer đục mờ cuộn trên, đóng vai trò quan trọng trong quá trình kết dính tế bào quang điện với lớp kính cường lực ở phía trên và tấm nền ở phía dưới. Không chỉ giữ cho các thành phần liên kết một cách chặt chẽ mà còn bảo vệ chúng khỏi những điều kiện môi trường khắc nghiệt. Vật liệu EVA này có độ bền cao và có khả năng chịu nhiệt độ đặc biệt trong quá trình vận hành của pin. • Khung nhôm, thường được chế tạo từ hợp kim nhôm, không chỉ đảm bảo độ bền mà còn quan trọng trong việc duy trì kết cấu của tấm pin. Khung nhôm này không chỉ tạo ra một cấu trúc vững chắc để tích hợp các tế bào và linh kiện khác mà còn bảo vệ chúng khỏi tác động của gió mạnh và các lực ngoại lực. • Hộp mối nối mạch điện của pin mặt trời đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình lắp đặt, chịu trách nhiệm đưa các mối nối điện ra khỏi mô đun pin để liên kết vào hệ thống. Chất lượng của hộp nối này ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn và ổn định của hệ thống, vì vậy, sự chọn lựa cẩn thận về chất liệu và kỹ thuật nối là vô cùng quan trọng trong quá trình sản xuất pin mặt trời. • Đường dây điện DC, là loại dây điện được đặc chế đặc biệt cho hệ thống năng lượng mặt trời, không chỉ có khả năng cách điện một chiều DC xuất sắc mà còn chống chịu mọi điều kiện khắc nghiệt của thời tiết như tác động của tia cực tím, bụi bẩn, nước, và độ ẩm. • Jack kết nối MC4, là giao diện điện thông dụng để liên kết các tấm pin mặt trời. Việc viết tắt MC trong MC4 đến từ tên của nhà sản xuất MultiContact, và loại jack này đơn giản hóa quá trình kết nối, cho phép bạn một cách thuận lợi nối các tấm pin và chuỗi pin bằng cách đơn giản gắn jack từ tấm pin này sang tấm pin khác chỉ bằng cử chỉ của đôi tay. 2.1.3.3 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời đựa trên nguyên lý của hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng này xuất hiện khi ánh sáng kích thích và giải phóng electron từ nguyên tử. Hình 4. Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Tấm pin mặt trời được chế tạo bằng các tế bào quang điện, mỗi tế bào quang điện bao gồm hai vùng bán dẫn có điện thế khác nhau, được gọi là vùng p và vùng n. Vùng p chứa nhiều lỗ trống, trong khi vùng n chứa nhiều electron tự do. Khi ánh sáng inciđen chiếu vào tấm pin mặt trời, photon trong ánh sáng tương tác với electron trong cả hai vùng p và n. Nếu năng lượng của photon vượt quá năng lượng liên kết của electron, electron sẽ được giải phóng khỏi nguyên tử và trở thành electron tự do. Những electron tự do này di chuyển từ vùng p sang vùng n, tạo ra dòng điện. Dòng điện tạo ra từ tấm pin mặt trời được biểu diễn dưới dạng dòng điện một chiều. Để có thể áp dụng cho các thiết bị điện gia dụng thông thường, cần phải chuyển đổi dòng điện một chiều này thành dòng điện xoay chiều bằng cách sử dụng bộ biến tần. Hiệu suất của pin mặt trời được đo lường bằng tỷ lệ giữa công suất điện thu được từ pin mặt trời so với tổng công suất của ánh sáng mặt trời chiếu vào pin. Hiệu suất của các pin mặt trời hiện đại thường nằm trong khoảng từ 15% đến 25%. Tuổi thọ của pin mặt trời có thể lên đến 25 năm, đó là thời gian mà pin có khả năng duy trì hiệu suất và hoạt động ổn định trong điều kiện sử dụng thông thường. Năng lượng mặt trời đại diện cho một nguồn điện sạch, tái tạo, có khả năng phục vụ nhu cầu về điện cho cả gia đình, doanh nghiệp và các công trình xây dựng. 2.2 ACDC INVERTER: Đây là một bộ biến điện nghịch lưu tinh tế. Inverter này đưa dòng điện 12V DC từ ắcquy chuyển đổi thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC) một cách hiệu quả. Với thiết kế linh hoạt, nó cung cấp nhiều cấp công suất khác nhau, từ 0.3kVA đến 10kVA, đáp ứng đa dạng nhu cầu sử dụng. Có đa dạng loại inverter, và để phân biệt chúng, ta có thể tập trung vào dạng sóng của điện áp đầu ra. Những dạng sóng phổ biến bao gồm sóng hình sin, giả sin, sóng vuông, và sóng bậc thang. Hình 5. ACDC INVERTER • Nguyên tắc vận hành của ACDC Inverter ACDC Inverter, hay còn gọi là biến đổi điện áp từ nguồn điện xoay chiều (AC) sang điện áp cố định (DC) và ngược lại. Nguyên tắc hoạt động của nó có thể được mô tả như sau: 1. Chuyển đổi từ AC sang DC (Chỉnh lưu): Quá trình đầu tiên là biến đổi điện áp AC thành DC. Điều này thường được thực hiện thông qua một thiết bị chỉnh lưu (rectifier). Bộ chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều bằng cách sử dụng các loại chỉnh lưu như bộ chỉnh lưu cầu, bộ chỉnh lưu cầu đơn (halfwave rectifier) hoặc bộ chỉnh lưu cầu đầy đủ (fullwave rectifier). 2. Chuyển đổi từ DC sang AC (Inversion): Sau khi thu được nguồn điện DC, bước kế tiếp là thực hiện chuyển đổi nó thành nguồn điện AC. Quá trình này được thực hiện thông qua một thiết bị chuyển đổi DCAC, thường được gọi là bộ inverter. Bộ inverter thường sử dụng các công nghệ chuyển đổi như PWM (Pulse Width Modulation) để tạo ra một tín hiệu điện áp AC với dạng sóng xung (square wave, modified sine wave, hoặc pure sine wave), tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. 3. Quản lý và An Sinh (Management and Safeguarding): Thường đi kèm với hệ thống ACDC Inverter là các bộ điều khiển và biện pháp bảo vệ, nhằm đảm bảo sự ổn định trong vận hành của inverter và đề phòng khỏi các tình huống rủi ro như quá tải, ngắn mạch, và biến động áp điện. 4. Tinh chỉnh và Lọc (Filtering and Conditioning): Trong những ứng dụng đòi hỏi chất lượng điện áp cao, chúng ta có thể tích hợp các bộ lọc để làm mượt đường hình dạng sóng và giảm nhiễu trong tín hiệu điện áp đầu ra. Nguyên tắc hoạt động của ACDC Inverter đòi hỏi sự tương tác mạnh mẽ giữa các thành phần điện tử và công nghệ chuyển đổi, nhằm tạo ra một nguồn điện ổn định và chất lượng cho các thiết bị sử dụng điện áp DC trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả nguồn điện dự phòng, năng lượng mặt trời, và các ứng dụng công nghiệp khác. CHƯƠNG 2 : DÙNG HELIOSCOP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN MẶT TRỜI 60kW I. TỔNG QUAN 1.1 KHẢO SÁT KHU VỰC LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI Vị trí đặt pin năng lượng mặt trời là một yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời. Dưới đây là một số yếu tố quan trọng cần xem xét khi xác định vị trí đặt pin năng lượng mặt trời: 1. Hướng và Góc Nghiêng của Bề Mặt Pin: Pin năng lượng mặt trời nên được đặt hướng về phía mặt trời để tối ưu hóa lượng năng lượng nhận được. Ở nơi cận xích độ bắc, hướng tốt nhất là về phía nam, trong khi ở nơi cận xích độ nam, hướng tốt nhất là về phía bắc. Góc nghiêng của bề mặt pin cũng quan trọng để tối ưu hóa thu nhận ánh sáng mặt trời. Góc nghiêng này thường được đặt góc bằng với độ nghiêng của khu vực đó so với đường xích đạo. 2. Che Phủ Bóng Cây và Các Cấu Trúc Khác: Tránh che phủ bởi cây cỏ, cây cối, và các cấu trúc khác có thể giảm hiệu suất của pin năng lượng mặt trời. Đặt pin ở vị trí mà không có che phủ vào thời điểm hoạt động quan trọng nhất trong ngày. 3. Khí Hậu Địa Phương: Khí hậu của khu vực sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời. Nếu khu vực có nhiều mặt trời, đặt pin ở các vị trí có ánh sáng mặt trời nhiều nhất. 4. Độ Động Đất: Kiểm tra độ động đất của khu vực để đảm bảo rằng cơ sở hạ tầng là đủ chắc chắn để hỗ trợ hệ thống năng lượng mặt trời mà không gặp vấn đề về an toàn. 5. Luật Pháp và Quy Định Địa Phương: Kiểm tra luật pháp và quy định địa phương liên quan đến cài đặt pin năng lượng mặt trời để đảm bảo tuân thủ các quy định về xây dựng và môi trường. Trước khi quyết định vị trí cụ thể, bạn cũng nên tham khảo ý kiến của chuyên gia cài đặt hệ thống năng lượng mặt trời để đảm bảo rằng bạn đang tận dụng tối đa tiềm năng năng lượng của khu vực của mình. 1.2. VỊ TRÍ CỦA ĐỐI TƯỢNG THIẾT KẾ Đối tượng thiết kế là toà nhà A3, toàn nhà 5 tầng của Đại học Vinh Cơ sở 1: 182 Lê Duẩn, TP. Vinh, Nghệ An. Hình 6. Tòa nhà A3, Đại Học Vinh • Loại dự án: Thiết kế hệ thống cung điện mặt trời 60kw 1.3. MỤC TIÊU HƯỚNG TỚI CỦA ĐỐI TƯỢNG THIẾT KẾ Tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời đòi hỏi sự chăm chỉ trong việc lựa chọn và thiết kế. Cần phải tận dụng mọi tia sáng mặt trời, chuyển đổi chúng thành năng lượng điện một cách tối ưu. Để đạt được điều này, việc chọn lựa tấm pin mặt trời với hiệu suất cao là chìa khóa, cùng việc điều chỉnh góc nghiêng của chúng để tối đa hóa lượng ánh sáng thu được. Sự sáng tạo còn nằm ở việc sử dụng các bộ biến tần phù hợp, giúp chuyển đổi năng lượng một cách hiệu quả nhất. Để tăng cường độ tin cậy, hệ thống cần được xây dựng với sự ổn định và đáng tin cậy trong suốt nhiều năm. Điều này đòi hỏi sự sáng tạo không chỉ trong lựa chọn linh kiện chất lượng cao mà còn trong cách lắp đặt hệ thống, đảm bảo rằng mọi chi tiết đều hoạt động một cách hiệu quả. Ngoài ra, để giảm chi phí, việc thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời cần phải linh hoạt và thông minh. Sự lựa chọn thông minh về linh kiện với giá cả phải chăng cùng việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống là chìa khóa. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí ban đầu mà còn đảm bảo rằng hệ thống là một đầu tư bền vững với lợi ích kéo dài trong thời gian dài. 1.4. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN Hệ thống được đặt trên mái của Tòa nhà A3 thuộc Đại học Vinh. Từ hình vệ tinh trên Google Map, có thể thấy rõ không có trở ngại đáng kể về mặt địa hình khi triển khai và thi công dự án. Vị trí này không bị che chắn bởi bóng râm từ các tòa nhà lân cận hay cây cối xung quanh, tạo điều kiện lý tưởng cho việc triển khai hiệu quả và ổn định của hệ thống. 1.5. SỐ LIỆU THIẾT KẾ DỰ ÁN Hình 7. Số liệu thiết kế dự án Công suất thiết kế: 60 KW Môđun năng lượng mặt trời: QCELL 285W Số lượng môđun: 188 chiếc Biến tần đầu vào Omnik: 5.0 KW (1 chiếc) Hệ thống giá đỡ: Khung cố định 1.6. THIẾT BỊ CHÍNH CỦA DỰ ÁN 1. Pin năng lượng mặt trời ✓ Q.PLUSG4.3 285W Hình 8. Pin năng lượng mặt trời ✓ Hiệu suất: 17,7% ✓ Bảo hành sản phẩm 10 năm, bảo hành hiệu năng 25 năm ✓ Khả năng chịu áp lực gió 244kgm2 2. INVERTER OMNIK Hình 9. INVERTER OMNIK ✓ Omniksol5kTL2 ✓ Công nghệ Đức, chuyên dùng cho hệ nối lưới 1 pha ✓ Hiệu suất: 97.5 % ✓ Bảo hành sản phẩm 5 năm II. BÁO CÁO SẢN LƯỢNG ĐIỆN VÀ KỸ THUẬT TRONG ỨNG DỤNG HELIOSCOP 2.1 SỐ LIỆU HỆ THỐNG Hình 10. Số liệu hệ thống Bảng dữ liệu bao gồm các thông tin sau: Tên thiết kế: Lê Anh Phong Công suất đầu ra DC: 60,2 kW Công suất đầu ra AC: 72,2 kW Tỷ lệ tải: 0,83 Sản lượng hàng năm: 74,29 MWh Tỷ suất năng suất: 80,9% Lượng điện sản xuất mỗi kWp: 1.234,8 kWh Bộ dữ liệu thời tiết: TMY, Lưới 10km, meteonorm Từ dữ liệu này, chúng ta có thể thấy rằng hệ thống điện mặt trời này có công suất đầu ra DC là 60,2 kW và công suất đầu ra AC là 72,2 kW. Điều này có nghĩa là hệ thống này có thể tạo ra 60,2 kW điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời và 72,2 kW điện xoay chiều từ điện trực tiếp. Tỷ lệ tải của hệ thống là 0,83, có nghĩa là hệ thống này đang hoạt động ở mức 83% công suất tối đa của nó. Điều này là khá cao và cho thấy rằng hệ thống đang được sử dụng hiệu quả. Sản lượng hàng năm của hệ thống là 74,29 MWh. Điều này có nghĩa là hệ thống này có thể tạo ra 74,29 megawatt giờ điện mỗi năm. Sản lượng này đủ để cung cấp điện cho một ngôi nhà trung bình ở Việt Nam. Tỷ suất năng suất của hệ thống là 80,9%. Điều này có nghĩa là hệ thống này đang tạo ra 80,9% điện năng có thể từ ánh sáng mặt trời. Tỷ suất năng suất này là khá cao và cho thấy rằng hệ thống này đang được thiết kế và lắp đặt tốt. Lượng điện sản xuất mỗi kWp của hệ thống là 1.234,8 kWh. Điều này có nghĩa là mỗi watt công suất đầu ra của hệ thống có thể tạo ra 1.234,8 kWh điện mỗi năm. Lượng điện này đủ để cung cấp điện cho một thiết bị điện bình thường trong khoảng 10 giờ. Bộ dữ liệu thời tiết được sử dụng để mô phỏng hiệu suất của hệ thống là TMY, Lưới 10km và meteonorm. TMY là bộ dữ liệu thời tiết tiêu chuẩn cho một khu vực cụ thể. Lưới 10km là bộ dữ liệu thời tiết chi tiết hơn được thu thập từ các trạm thời tiết ở khu vực lân cận. Meteonorm là bộ dữ liệu thời tiết toàn cầu được tạo ra bằng cách sử dụng các mô hình khí hậu. 2.2 SẢN XUẤT ĐIỆN HÀNG THÁNG Hình 11. Sản xuất điện hàng tháng Dữ liệu sản lượng điện của hệ thống năng lượng mặt trời từ tháng 1 đến tháng 12 được cung cấp dưới đây: 1. Tháng 1: 4.113,4 kWh 2. Tháng 2: 4.073,4 kWh 3. Tháng 3: 5.580,9 kWh 4. Tháng 4: 7.069,7 kWh 5. Tháng 5: 8.154,0 kWh 6. Tháng 6: 7.704,5 kWh 7. Tháng 7: 8.286,5 kWh 8. Tháng 8: 7.791,7 kWh 9. Tháng 9: 6.159,7 kWh 10. Tháng 10: 6.504,9 kWh 11. Tháng 11: 4.891,9 kWh 12. Tháng 12: 3.957,7 kWh Một số điểm nhận xét có thể là: 1. Sản lượng điện tăng cao từ tháng 1 đến tháng 5, đạt mức cao nhất vào tháng 7 (8.286,5kWh). 2. Sau tháng 5, sản lượng điện giảm nhẹ và duy trì ở mức cao từ tháng 6 đến tháng 10. 3. Sản lượng điện giảm đột ngột từ tháng 10 đến tháng 12, với mức thấp nhất là 3.957,7 kWh trong tháng 12. Những thay đổi trong sản lượng có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời tiết, mức độ ánh sáng mặt trời, hoặc tình trạng của hệ thống năng lượng mặt trời. 2.3 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY THẤT THOÁT HỆ THỐNG Hình 12. Các nguyên nhân gây thất thoát hệ thống Hệ thống điện mặt trời PV bao gồm các thành phần như tấm pin mặt trời, bộ biến tần, hệ thống dây dẫn và các thiết bị khác. Tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, trong khi bộ biến tần đảm nhận nhiệm vụ chuyển đổi từ dạng DC sang AC để có thể sử dụng trong nhà. Hình tròn biểu diễn nguồn gốc của các tổn thất trong hệ thống, với tổn thất lớn nhất xuất phát từ nhiệt độ (7,6%). Nhiệt độ cao ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin mặt trời. Ngoài ra, các nguồn tổn thất khác bao gồm bóng râm (0,6%), phản xạ (3,4%), không khớp (2,8%), ô nhiễm (2,0%), và hệ thống dây dẫn (0,3%). Tổng tổn thất của hệ thống này đạt khoảng 15,7%, một con số tương đối thấp, đặc trưng cho việc thiết kế và lắp đặt hiệu quả. Dưới đây là một số giải pháp nhằm giảm tổn thất trong hệ thống điện mặt trời PV: 1. Sử dụng tấm pin mặt trời có hiệu suất cao. 2. Đặt tấm pin mặt trời ở vị trí có ánh sáng mặt trời tốt nhất. 3. Giảm bóng râm bằng cách trồng cây hoặc sử dụng các thiết bị che chắn. 4. Lựa chọn bộ biến tần có hiệu suất cao. 5. Thực hiện bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống. Quá trình giảm tổn thất trong hệ thống điện mặt trời PV không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm chi phí liên quan đến vận hành và bảo dưỡng. 2.4 SẢN XUẤT HÀNG NĂM Hình 13. Sản xuất hàng năm Báo cáo này cung cấp một cái nhìn chi tiết về hiệu suất của hệ thống điện mặt trời trong suốt năm qua. Dưới đây là một tóm tắt của các thông tin chính: Irradiance: Irradiance toàn cầu ngang hàng (GHI): 1.504,2 kWhm² Irradiance POA: 1.525,6 kWhm² Irradiance khuất bóng: 1.516,9 kWhm² Irradiance sau phản xạ: 1.464,9 kWhm² Irradiance sau soling: 1.435,6 kWhm² Sản lượng: Công suất định mức: 86.416,1 W Sản lượng ở mức bức xạ: 85.683,5 W Sản lượng ở mức nhiệt độ tế bào giảm: 79.169,8 W Sản lượng sau sự cố ghép nối: 76.950,4 W Sản lượng tối ưu DC: 76.738,0 W Sản lượng DC bị hạn chế: 76.737,6 W Sản lượng biến tần: 74.661,6 W Sản lượng lên lưới: 74.288,3 W Nhiệt độ: Nhiệt độ môi trường xung quanh trung bình: 25,6 °C Nhiệt độ tế bào trung bình: 34,4 °C Thông số mô phỏng: Thời gian hoạt động: 4.653 giờ Giờ giải quyết: 4.653 giờ Kết luận: Hệ thống điện mặt trời đã thể hiện hiệu suất đáng kể trong suốt năm qua, với sản lượng gần bằng công suất định mức. Sự giảm nhẹ trong sản lượng có thể được giải thích bởi nhiệt độ tế bào cao hơn mức trung bình. Với tổng thời gian hoạt động là 4.653 giờ, hệ thống đã đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng cho một tòa nhà nhỏ hoặc một hộ gia đình. Điều này cho thấy tính ổn định và đáng tin cậy của hệ thống trong điều kiện khác nhau, và cung cấp cơ sở cho việc tiếp tục sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng bền vững và hiệu quả. 2.5 KHUNG NỐI DÂY VÀ PHÂN ĐOẠN Hình 14. Khung nối dây và phân đoạn Bảng dữ liệu về kích thước dây và chiến lược dây. Bảng được chia thành hai phần: các vùng dây và các phân đoạn trường. Các vùng dây là các khu vực trong hệ thống điện mặt trời nơi dây được lắp đặt. Bảng liệt kê hai kích thước dây được sử dụng trong hệ thống này: 520 và 735. Chiến lược dây là cách thức mà dây được lắp đặt trong vùng. Trong trường hợp này, dây được lắp đặt dọc theo giá đỡ. Các phân đoạn trường là các khu vực trong hệ thống điện mặt trời nơi các môđun quang điện được lắp đặt. Bảng liệt kê thông tin về một phân đoạn trường duy nhất, được gọi là Field Segment 1. Thông tin về phân đoạn trường bao gồm: • Rack: Loại giá đỡ được sử dụng để lắp đặt môđun. Trong trường hợp này, giá đỡ là loại cố định. • Orientation: Hướng của giá đỡ. Trong trường hợp này, giá đỡ được đặt theo chiều ngang. • Tilt: Góc nghiêng của giá đỡ. Trong trường hợp này, giá đỡ được nghiêng 10 độ. • Azimuth: Hướng của giá đỡ về phía mặt trời. Trong trường hợp này, giá đỡ được đặt hướng 180 độ. • Intrarow Spacing: Khoảng cách giữa các hàng môđun. Trong trường hợp này, khoảng cách là 2 feet. • Frame Size: Kích thước khung của môđun. Trong trường hợp này, kích thước khung là 1x1. • Frames: Số lượng khung trong phân đoạn trường. Trong trường hợp này, có 188 khung. • Modules: Số lượng môđun trong phân đoạn trường. Trong trường hợp này, có 188 môđun. • Power: Công suất của phân đoạn trường. Trong trường hợp này, công suất là 60,2 kW. Tổng cộng, hệ thống điện mặt trời này có 188 khung, mỗi khung có 1 môđun. Điều này mang lại tổng số 188 môđun trong hệ thống. Các môđun được đặt trên giá đỡ cố định, nghiêng 10 độ và hướng 180 độ về phía mặt trời. Khoảng cách giữa các hàng môđun là 2 feet. Công suất của hệ thống là 60,2 kW. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN Dự án thiết kế năng lượng mặt trời 60kW đã được triển khai một cách thành công, nhờ vào sự ứng dụng của ứng dụng Helioscope, một công cụ hiệu quả trong việc lập kế hoạch và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời. Đầu tiên, em đã sử dụng Helioscope để phân tích vị trí và địa hình của dự án, từ đó xác định được các yếu tố như hướng, độ nghiêng và các điều kiện địa lý, đảm bảo rằng hệ thống được đặt ở vị trí lý tưởng nhất. Qua quá trình lựa chọn thiết bị, Helioscope đã hỗ trợ em tìm ra những thành phần phù hợp với điều kiện cụ thể của dự án, bao gồm bảng quang điện, biến tần và hệ thống theo dõi. Điều này đã giúp em tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và giảm thiểu chi phí. Với tính năng ước lượng hiệu suất, Helioscope cung cấp một dự báo chính xác về sản lượng năng lượng dự kiến, giúp em đảm bảo rằng hệ thống đáp ứng tốt nhất với nhu cầu và điều kiện địa phương. Em cũng sử dụng tính năng tối ưu hóa của Helioscope để điều chỉnh kích thước và cấu hình hệ thống, tạo ra một giải pháp có hiệu suất cao và bền vững. Ngoài ra, Helioscope không chỉ hỗ trợ trong quá trình thiết kế mà còn giúp em lập kế hoạch cho bảo dưỡng và quản lý hiệu suất hệ thống trong thời gian dài. Em tin tưởng rằng dự án của em không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn đóng góp tích cực vào bảo vệ môi trường, tạo ra một hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả và bền vững. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Asian Development Bank (2014). Handbook for rooftop solar development in Asia. 2 PVsyst. Gridconnected V7 tutorial. 3 Huawei. Huawei Inverter SUN200033KTLAPF. 4 CanadianSolar. Hiku CS3W 440P. 5 Cục thông tin khoa học công nghệ quốc gia. Kỷ nguyên đang đến của năng lượng tái tạo. 6 Đặng Đình Thống. “Pin Mặt Trời và ứng dụng. NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005. 7 Nguyễn Duy Thiện. “Kỹ thuật sử dụng năng lượng Mặt Trời”. NXB Xây dựng, 2001 8 TCVN 1185512017. IEC62446. Hệ thống quang điện PV 9 “Kỷ yếu EVN năm 2021.

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Điện Cung Cấp Điện 60kW Bằng Ứng Dụng Helioscope
Tác giả	Lê Anh Phong
Người hướng dẫn	Ts. Nguyễn Tiến Dũng
Trường học	Đại học Vinh
Chuyên ngành	CNKT Điện – Điện tử
Thể loại	đồ án môn học
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Nghệ An

Định dạng
Số trang	34
Dung lượng	1,98 MB