Trang 10 TÓM TẮT Trong quá trình làm đồ án chúng ta sẽ nguyên cứu để giải quyết các vấn đề sau: • Tìm hiểu về hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới sử dụng bám tải và ứng dụng của nó tro
Trang 1THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2023
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
GVHD: ThS NGUYỄN THÀNH CÔNG SVTH : NGUYỄN BÌNH NGUYÊN NGUYỄN LÊ ĐỨC LỢI
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI Ở CÔNG TY TUNTEX SÓC TRĂNG
S K L 0 1 1 6 1 0
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI Ở CÔNG TY TUNTEX SÓC TRĂNG
TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023
GVHD: THS NGUYỄN THÀNH CÔNG SVTH: NGUYỄN BÌNH NGUYÊN MSSV: 19154045 NGUYỄN LÊ ĐỨC LỢI MSSV: 19154040
Trang 9LỜI CẢM ƠN
Trong suốt 4 năm rèn luyện và học tập ở Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM được nhiều người giúp đỡ và quan tâm Trong quá trình học tập, do kiến thức và kinh nghiệm còn thiếu, nên em đã gặp phải những trở ngại trong công việc, do sự giúp
đỡ và quan tâm của các vị thầy cô mà em đã có được những thông tin và kiến thức cần thiết để hoàn thành bản đồ án của mình
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban quản lý trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh và các vị thầy cô của mình trong khoa Cơ khí động lực đã có một sự tận tình lớn để dạy và truyền đạt cho các em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thành Công, người đã tận tình chỉ dẫn và giúp đỡ chúng em, đồng thời, thầy luôn sẵn sàng hỗ trợ và giải đáp các vấn đề của chúng em trong thời gian ngắn nhất
Trong khi làm đồ án, chúng em đã cố gắng hết khả năng của mình, song đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Nên chúng em mong muốn nhận được những đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và các bạn sinh viên để đồ án của chúng em đạt được kết quả tốt hơn
Chúng em chân thành cảm ơn!
Trang 10TÓM TẮT
Trong quá trình làm đồ án chúng ta sẽ nguyên cứu để giải quyết các vấn đề sau:
• Tìm hiểu về hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới sử dụng bám tải và ứng dụng của nó trong đời sống hiện nay
• Thiết kế hệ thống tiếp địa, thiết bị bảo vệ của hệ thống hòa lưới bám tải
• Thực hiện mô phỏng hệ thống và đánh giá, nhận xét ảnh hưởng của bóng che lên hệ thống thông qua các phần mềm: AutoCAD, SketchUp, Pvsyst
Qua quá trình học hỏi, tìm hiểu và thực hiện đồ án thông qua các tiêu chuẩn về điện, sách tham khảo, tài liệu tham khảo trên internet và được thầy cô truyền đạt kiến thức chuyên môn quan trọng, giúp nhóm em có được nhiều kiến thức bổ ích và hữu hiệu trong thời gian thực hiện đồ án
Những điều mà nhóm em làm được trong đồ án:
• Giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời
• Làm rõ hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới bám tải
Trang 11MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 9
TÓM TẮT 10
MỤC LỤC 11
DANH MỤC HÌNH ẢNH 15
DANH MỤC BẢNG 18
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI BÁM TẢI 20
1.1 Lý do chọn đề tài 20
1.2 Mục tiêu nghiên cứu 21
1.3 Phương pháp nghiên cứu 21
1.4 Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 21
1.5 Bố cục báo cáo đồ án 21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23
2.1 Tấm pin năng lượng mặt trời 23
2.1.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời 23
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 24
2.1.3 Phân loại pin năng lượng mặt trời 25
2.2 Bộ chuyển đổi Inverter 27
2.2.1 Khái niệm Inverter 27
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Inverter 27
2.3 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới 27
2.3.1 Khái niệm chung 27
2.3.2 Cấu tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới 28
2.3.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới 28
2.3.4 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới bám tải (Zero Export) 29
2.4 Tính toán hệ thống pin năng lượng mặt trời 31
2.4.1 Thu thập dữ liệu ban đầu 31
2.4.2 Tính toán số lượng tấm pin năng lượng mặt trời 31
2.4.3 Tính công suất hệ thống pin năng lượng mặt trời 32
Trang 122.4.4 Tính toán lựa chọn Inverter 32
2.4.5 Các phương pháp đấu nối các tấm pin năng lượng mặt trời 33
2.5 Một số phần mềm ứng dụng trong dự án 35
2.5.1 Phần mềm PVsyst 35
2.5.2 Phần mềm AutoCAD 37
2.5.3 Phần mềm SketchUp 37
2.5.4 Phần mềm Google Earth 38
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI BÁM TẢI 39
3.1 Khảo sát sơ bộ để thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời 39
3.1.1 Vị trí địa lý 39
3.1.2 Khảo sát mặt bằng 40
3.2 Tính toán và lựa chọn thiết bị chính của hệ thống 42
3.2.1 Lựu chọn tấm Pin 42
3.2.2 Tính toán, lựa chọn bộ chuyển đổi Inverter 45
3.3 Thiết kế phần cơ khí, khung đỡ pin 50
3.3.1 Xà gồ 50
3.3.2 Ty giằng xà gồ (Ty xà gồ mái) 51
3.3.3 Bu lông 8.8 51
3.3.4 Kẹp cuối ( End Clamp) 52
3.3.5 Kẹp giữa (Middle Clamp) 52
3.4 Thiết kế gia cố lại phần mái 53
3.4.1 Hiện trạng mái ban đầu 53
3.4.2 Mô phỏng tổng quan nhà máy trên phần mềm Sketchup 55
3.5 Thiết kế phần DC 55
3.5.1 Dây dẫn DC 55
3.5.2 Kiểm tra sụt áp dây dẫn DC 58
3.6 Thiết kế phần AC 64
3.6.1 Lựa chọn dây cáp AC 64
3.6.2 Thiết kế tủ AC 68
3.7 Lựa chọn các thiết bị đóng cắt và bảo vệ hệ thống 70
Trang 133.7.1 Lựa chọn cầu chì 70
3.7.2 Lựa chọn MCCB 71
3.8 Lựa chọn máy biến áp 72
3.8.1 Tổng quan 72
3.8.2 Các loại máy biến áp 73
3.8.3 Tính toán lựa chọn máy biến áp 73
3.9 Công suất hệ thống bám tải 74
3.9.1 Nguyên lý hệ thống bám tải và biểu đồ công suất 74
3.9.2 Khảo sát công suất của hệ thống bám tải trong một ngày 75
3.10 Thiết kế hệ thống tiếp địa 76
3.10.1 Vai trò của hệ thống tiếp địa 76
3.10.2 Ảnh hưởng của sét đến hệ thống điện mặt trời 77
3.10.3 Sơ đồ hệ thống tiếp địa của từng khu 78
3.11 Hệ thống chống phát ngược 80
3.11.1 RS485 là gì? 80
3.11.2 Nguyên lý hệ thống chống phát ngược 84
3.11.3 Các sơ đồ của hệ thống 84
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÁI CHE LÊN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 87
4.1 Thực hiện mô phỏng 87
4.1.1 Khai báo các thông số của hệ thống 87
4.1.2 Thực hiện chạy mô phỏng 91
4.2 Ảnh hưởng của bóng che lên hệ thống 96
4.3 Nhận xét 99
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 101
5.1 Kết luận 101
5.1.1 Ưu điểm của hệ thống 101
5.1.2 Nhược điểm của hệ thống 101
5.2 Hướng phát triển của hệ thống 101
5.2.1 Chuyển sang hệ thống điện NLMT hòa lưới trong tương lai 101
5.2.2 Sử dụng công nghệ lưu trữ năng lượng 102
Trang 145.2.3 Đưa trí tuệ nhân tạo và tự động hóa vào hệ thống 102 5.2.4 Cho thuê hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới bám tải 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103
Trang 15DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Cấu tạo tấm pin mặt trời 23
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 24
Hình 2.3 Tấm pin Mono 25
Hình 2.4 Tấm pin Poly 26
Hình 2.5 Tấm pin phim mỏng 26
Hình 2.6 Mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới 27
Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới 28
Hình 2.8 Sơ đồ kết nối Zero Export 29
Hình 2.9 Hiện tượng bám tải của Inverter 30
Hình 2.10 Phương pháp mắc nối tiếp 33
Hình 2.11 Phương pháp mắc song song 34
Hình 2.12 Phương pháp mắc hỗn hợp 34
Hình 2.13 Giao diện làm việc chính của phần mềm PVsyst 35
Hình 2.14 Giao diện làm việc của Grid-Connected 36
Hình 2.15 Giao diện Databases của PVsyst 36
Hình 2.16 Giao diện làm việc chính của AutoCAD 37
Hình 2.17 Giao diện làm việc chính của SketchUp 38
Hình 2.18 Giao diện làm việc chính của Google Earth 38
Hình 3.1 Mặt bằng tổng quát nhà máy TunTex 39
Hình 3.2 Nhà máy TunTex chụp từ trên cao qua Google Map 39
Hình 3.3 Dữ liệu tại vị trí từ phần mềm PVsyst 40
Hình 3.4 Mặt bằng nhà máy 41
Hình 3.5 Mặt bằng nhà máy trên CAD 41
Hình 3.6 Khảo sát hướng dự án 42
Hình 3.7 Tấm pin JAM72S20 MBB Half-cell Module 450W 43
Hình 3.8 Bố trí mặt bằng tấm Pin 44
Hình 3.9 Biến tần Huawei 100kW SUN2000 - 100KTL - M1 45
Hình 3.10 Mặt bằng bố trí bao quát inverter 47
Hình 3.11 Mặt bằng bố trí chi tiết inverter 48
Hình 3.12 Bố trí chi tiết pin 48
Trang 16Hình 3.13 Chi tiết đấu nối String 16 tấm pin 50
Hình 3.14 Chi tiết đấu nối String 18 tấm pin 50
Hình 3.15 Xà gồ C 50
Hình 3.16 Bu lông loại 8.8 52
Hình 3.17 Cấu tạo của kẹp cuối 52
Hình 3.18 Vị trí lắp đặt kẹp cuối 52
Hình 3.19 Cấu tạo kẹp giữa 53
Hình 3.20 Vị trí lắp đặt kẹp giữa 53
Hình 3.21 Hiện trạng thực tế mái của nhà máy 53
Hình 3.22 Kết cấu nhà máy trước khi gia cố 54
Hình 3.23 Kết cấu nhà máy sau khi đã tiến hành gia cố 54
Hình 3.24 Hình ảnh mô phỏng tổng quan nhà máy trên phần mềm Sketchup 55
Hình 3.25 Hình ảnh mô phỏng tổng quan nhà máy trên phần mềm Sketchup 55
Hình 3.26 Dây dẫn CADIVI 57
Hình 3.27 Dây dẫn Cadivi CVV 66
Hình 3.28 Thiết kế mặt trước tủ và trong của trong tủ 68
Hình 3.29 Mặt bố trí phía mặt bên và mặt sau của tủ 69
Hình 3.30 Cầu chì FCHFE 1000VDC - 25A 71
Hình 3.31 MCCB Schneider 4P 250A 36kA 72
Hình 3.32 Máy biến áp THIBIDI 1250KVA THIBIDI 74
Hình 3.33 Biểu đồ công suất của phụ tải trong một ngày 76
Hình 3.34 Sơ đồ hệ thống tiếp địa – Khu C 78
Hình 3.35 Sơ đồ hệ thống tiếp địa – Khu D 79
Hình 3.36 Sơ đồ hệ thống tiếp địa – Khu E 79
Hình 3.37 Sơ đồ hệ thống tiếp địa inverter 80
Hình 3.38 Sơ đồ hệ thống tiếp địa 80
Hình 3.39 Sơ đồ vị trí các chân đấu nối của Logger COM100 81
Hình 3.40 Chân nối dây của cáp RS485 81
Hình 3.41 Các kiểu đấu nối cáp RS485 82
Hình 3.42 Đồng hồ thông minh DTSD 1352 83
Hình 3.43 Sơ đồ kết nối hệ thống chống phát ngược 83
Trang 17Hình 3.44 Sơ đồ đấu nối chi tiết Inverter 01 85
Hình 3.45 Sơ đồ đơn tuyến của hệ thống 85
Hình 3.46 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 86
Hình 4.1 Tọa độ dự án 87
Hình 4.2 Các góc nghiêng của dàn pin 87
Hình 4.3 Lựa chọn thông số của tấm pin và Inverter 89
Hình 4.4 Tổn thất do nhiệt độ 89
Hình 4.5 Tổn thất DC và AC của hệ thống 90
Hình 4.6 Các loại tổn thất trên tấm pin 90
Hình 4.7 Tổn thất do bụi 91
Hình 4.8 Thực hiện mô phỏng 91
Hình 4.9 Kết quả báo cáo chính 93
Hình 4.10 Biểu đồ sản lượng đầu vào/đầu ra hằng ngày 94
Hình 4.11 Biểu đồ phân phối điện đầu ra hệ thống 95
Hình 4.12 Các tổn thất trên hệ thống 95
Hình 4.13 Nhập thông số tấm pin 96
Hình 4.14 Bố trí tấm pin bằng Skellion 97
Hình 4.15 Xuất file 3ds 97
Hình 4.16 Import file 3ds vào PVsyst 98
Hình 4.17 Kết quả xuất file 3ds 98
Hình 4.18 Tổn thất sau khi tiến hành đổ bóng 99
Hình 4.19 Sơ đồ phân phối xác suất hệ thống 100
Trang 18DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Đặt tính cơ khí của tấm pin JAM72S20 450W 43
Bảng 3.2 Đặt tính về điện của tấm pin JAM72S20 450W 43
Bảng 3.3 Đặt tính kỹ thuật Inverter Huawei 100kW SUN2000 – 100KTL – M1 46
Bảng 3.4 Bảng phân bố công suất inverter 49
Bảng 3.5 Bảng lựa chọn dây DC 56
Bảng 3.6 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 1 58
Bảng 3.7 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 2 58
Bảng 3.8 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 3 59
Bảng 3.9 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 4 60
Bảng 3.10 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 5 60
Bảng 3.11 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 6 61
Bảng 3.12 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 7 61
Bảng 3.13 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 8 62
Bảng 3.14 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 9 63
Bảng 3.15 Chiều dài dây DC với mỗi string ở Inverter 10 63
Bảng 3.16 Bảng lựa chọn dây dẫn DC 67
Bảng 3.17 Bảng Thông số dây Cadivi CVV 66
Bảng 3.18 Công thức tính sụt áp 67
Bảng 3.19 Bảng thiết bị trong tủ điện AC 69
Bảng 3.20 Bảng Thông số cầu chì 71
Bảng 3.21 Bảng thông số MCCB 4P 250A 36kA 72
Bảng 3.22 Bảng thông số MBA 1250kVA THIBIDI 74
Bảng 3.23 Tiêu thụ tải trong một ngày 75
Bảng 3.24 Chọn tiết diện dây PE 78
Bảng 3.25 Loại màu của sợi dây trong cáp RS485 81
Bảng 3.26 Chú thích các bộ phận Smart meter DTSD 1352 82
Bảng 3.27 Bảng liệt kê các đấu nối Inverter MPPT 1 - MPPT 5 84
Bảng 3.28 Bảng liệt kê các đấu nối Inverter MPPT 6 - MPPT 10 84
Bảng 4.1 Thông số tấm pin 88
Bảng 4.2 Thông số Inverter 88
Bảng 4.3 Báo cáo công suất các tháng trong năm 92
Trang 19DANH MỤC VIẾT TẮT
ENN: Tập đoàn điện lực Việt Nam
IEC: Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
NLMT: Năng lượng mặt trời
NEC: Tiêu chuẩn điện Hoa Kỳ
AC: Điện xoay chiều
DC: Điện một chiều
EVA: Ethylene Vinyl acetate
MPPT: Maximum Power Point Tracker (Điểm theo dõi công suất cực đại)
Trang 20CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI HÒA LƯỚI BÁM TẢI
1.1 Lý do chọn đề tài
Với việc kinh tế đang phát triển mạnh mẽ như hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao Nhưng kéo theo đó là vấn đề cạn kiệt do lạm dụng nguồn nhiên liệu, đồng thời gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống của chúng ta Nên việc tìm hiểu và nghiên cứu phát triển của năng lượng xanh sạch, sử dụng tối ưu để góp phần bảo vệ môi trường sinh thái là rất cần thiết Năng lượng mặt trời hiện đang lấn át các nguồn năng lượng khác vẫn được sử dụng như gió, hạt nhân, sinh khối,… bởi năng nguồn năng lượng vô tận là năng lượng mặt trời, không cạn kiệt, không cạn kiệt, rẻ và sạch Năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng không tác động xấu đến môi trường sống, đã và đang thu hút hầu hết các nhà nghiên cứu, khoa học và được
kỳ vọng là một trong những hướng năng lượng thịnh hành trong thời gian tới.Với đặc điểm thuận lợi khi là một đất nước toạ lạc tại vùng cận xích đạo, nước ta được xem là một địa điểm tiềm năng khi có thể khai thác được nguồn năng lượng mặt trời khá lý tưởng với tổng lượng giờ nắng đạt mức trên 2.500 giờ/năm
Để giải quyết vấn đề này, người đầu luôn muốn sử dụng hệ thống điện mặt trời, nên lựa chọn tốt nhất sẽ là hệ thống hòa lưới bám tải Đây được xem là cách tối ưu nhất hiện nay
Hệ thống điện mặt trời bám tải là một trong những giải pháp của điện mặt trời Là một mô hình kế thừa từ giải pháp điện mặt trời hoà lưới, khi mà giá điện FIT3 vẫn chưa được thông qua Nói đơn giản là hệ thống điện mặt trời bám tải khác điện mặt trời hoà lưới ở chỗ có thêm chức năng Zero Export, ngăn không cho điện thừa đẩy lên lưới điện quốc gia Đợi cho đến khi mà nhà nước có chính sách thu mua điện mới - giá điện FIT3 được thông qua, thì chỉ cần bỏ chức năng Zero Export là hệ thống lại trở về mô hình hoà lưới, bán được điện cho EVN
Công ty Tuntex Sóc Trăng toạ lạc tại vùng Tây Nam Bộ nước ta, đây là nơi có lượng bức xạ mặt trời lớn và dàn đều trên khắp khu vực suốt năm Thời gian nắng của vùng ở mức từ 2200 - 2500 giờ/năm cùng với đó bức xạ mặt trời trong ngày từ 4.8 - 4.8 kWh/m2 tạo điều kiện thuận lợi để sử dụng điện năng lượng mặt trời
Trang 21Để làm rõ vấn đề hơn về hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới bám tải, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới bám tải tại Cty Tuntex Sóc Trăng”
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu nhằm thúc đẩy sử dụng nguồn năng lượng vô tận này, đặc biệt là chuyển hóa năng lượng từ mặt trời thành điện năng để cấp điện cho các bệnh viện, giảm
sự phụ thuộc vào điện lưới Thiết kế hệ thống phát điện mặt trời nối lưới để ngăn không cho nguồn điện do hệ thống tạo ra được truyền trở lại lưới điện
1.3 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu định lượng: Mô phỏng, tính toán sau đó chọn từng thiết
bị phù hợp cho hệ thống hòa lưới bám tải
Phương pháp phân tích tổng hợp: Phân tích từ những yếu tố đơn giản sau đó từng bước bóc tách từng bộ phận để dễ dàng nghiên cứu hệ thống Tổng hợp các kết quả phân tích từ những phần, bộ phận để có cái nhìn tổng quan
Phương pháp phân tích logic: Đi sâu phân tích từng thiết bị của hệ thống, sắp xếp quá trình thiết kế theo trình tự
1.4 Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
a Nội dung nghiên cứu
Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới bám tải Đề tài sử dụng các công cụ như: Google Earth, AutoCAD, Pvsyst, SketchUp để tính toán chọn các thiết bị cho hệ thống và đánh giá về tính khả thi thông qua thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời hoà lưới bám tải Tối ưu hiệu suất và công suất hệ thống tuỳ thuộc theo tải sử dụng Sử dụng thiết bị ngăn hệ thống phát ngược trở lại lưới điện và tính toán trong thiết kế để tấm pin luôn ở trạng thái tối ưu nhất khi tải thay đổi
Đồ án gồm năm chương như sau:
• Chương 1: Tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới bám tải
Trang 22• Chương 2: Cơ sở lý thuyết
• Chương 3: Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời
• Chương 4: Mô phỏng và ảnh hưởng của bóng che lên hệ thống điện năng lượng mặt trời
• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Trang 23CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tấm pin năng lượng mặt trời
Tấm pin mặt trời là những tấm có bề mặt lớn để nhận được bức xạ mặt trời và biến nó thành điện DC(một chiều), chuyển đổi quang năng thành điện năng
2.1.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời
Các tấm pin PV bao gồm tám thành phần chính như sau:
Hình 2.1 Cấu tạo tấm pin mặt trời
a Khung nhôm
Khung nhôm đóng một thành phần đóng nhiệm vụ quan trọng vì nhiệm vụ bảo vệ các góc cạnh của tấm pin Khung nhôm thiết kế rất nhẹ, chắc chắn và có khả năng chịu được trọng tải lớn và áp lực cực cao từ gió lớn và ngoại lực
b Kính cường lực
Bảo vệ lớp tế bào PV khỏi thời tiết và các ảnh hưởng từ các mảnh nhỏ hoặc mưa
đá trong không khí Kính thường là kính cường lực có độ bền cao và được tạo ra để chống tải trọng cơ học và giãn nở vì nhiệt độ
c Lớp màng EVA
EVA (Ethylene Vinyl acetate) là một loại nhựa polyme đặc biệt được thiết kế để bao bọc các tế bào của các linh kiện điện tử Các vật liệu EVA phải có khả năng chịu đựng sự nóng lên và độ ẩm cao, nó có một tác động lớn đến tuổi thọ của chúng bằng cách ngăn chặn sự vào cuộc của hơi nước và các hạt giống
Trang 24d Tấm nền
Tấm nền là tấm dưới cùng của tấm pin, hoạt động như một rào cản độ ẩm, bảo vệ cách điện và cơ học Vật liệu tấm nền được làm từ nhiều loại polyme với tác bảo vệ chống tia cực tím, ổn định nhiệt
Các tấm PV được liên kết với nhau bằng cách bịt các lỗ của chúng và sử dụng các
bộ phận khác nhau của MC4 để bịt các lỗ của chúng Thuật ngữ MC4 được hiểu là 4mm,
và nó được sử dụng để chỉ các đầu mối của các loại hình học khác nhau Do tác động của thời tiết khắc nghiệt, các liên kết phải có khả năng chịu đựng được, an toàn, chống tia cực tím và duy trì liên kết mạnh mẽ với một điện trở nhất định ở cả áp lực thấp và cao đến 1000V
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
Khi các tia sáng mặt trời mang những hạt photon tác động lên bề mặt tấm pin Khi
đó sẽ tạo ra dòng electron tự do mang điện tích âm vào các ô trống tích dương Hợp nhất
từ trường của lớp mang điện bán dẫn P và N di chuyển thành dòng, gọi là điện một chiều
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Trang 252.1.3 Phân loại pin năng lượng mặt trời
a Pin năng lượng mặt trời Mono
Tấm pin Mono, còn được gọi là tấm pin mặt trời đa tinh thể, có các tế bào quang điện màu đen với các cạnh tròn Chúng có hiệu suất biến đổi cao hơn so với các tấm Poly, và chúng được làm từ các thanh silicon và được cắt thành các lát mỏng Nó được gọi là "đơn tinh thể" để chỉ ra rằng tế bào silicon được sử dụng là silicon đơn tinh thể Bởi vì pin được làm từ các tinh thể đơn lẻ nên electron di chuyển tự do hơn Do đó, các tấm đơn tinh thể thường hiệu quả hơn các tấm đa tinh thể
Hình 2.3 Tấm pin Mono
b Pin năng lượng mặt trời Poly
Tấm pin Poly còn được gọi là tấm pin mặt trời đa tinh thể Các tấm pin mặt trời đa tinh thể có các tế bào quang điện màu xanh lam và các mặt thẳng Chúng kém hiệu quả hơn so với các tế bào đơn tinh thể, được làm bằng silicon, nhưng do các nhà sản xuất nấu chảy nhiều lát silicon lại với nhau nên có nhiều tinh thể hơn trong mỗi tế bào, do đó các electron ít tự do di chuyển hơn
Trang 26Hình 2.4 Tấm pin Poly
c Pin mặt trời dạng phim mỏng (Thin – Film)
Pin mặt trời dạng phim mỏng được tạo ra từ vật liệu chính như CdTe , a - Si hoặc
CGIS, các tấm pin mặt trời màng mỏng là các tế bào thế hệ thứ hai rất nhẹ và linh hoạt Các tấm pin mặt trời có thành phần hóa học khác nhau và số lượng tinh thể khác nhau, dẫn đến khả năng hoạt động khác nhau và phạm vi hiệu quả khác nhau Hiệu quả của hệ thống Màng thay đổi phụ thuộc vào loại polymeric material trong các tế bào, tuy nhiên, chúng thường có xu hướng đi đến hiệu suất khoảng 7% và tối đa 18%, tấm pin
có tuổi thọ ngắn nhất từ 10 đến 20 năm
Hình 2.5 Tấm pin phim mỏng
Trang 272.2 Bộ chuyển đổi Inverter
2.2.1 Khái niệm Inverter
Nhiệm vụ của điện tử công suất là biến dòng DC (một chiều) thành dòng AC (xoay chiều)
Hiện tại, inverter có các chức năng là: giám sát mảng năng lượng mặt trời thông qua thuật toán phát hiện điểm công suất cực đại MPPT để có được công suất tối đa, kết nối lưới trực tiếp
Có 3 loại inverter phổ biến, đó là: Bộ nguồn tối ưu hóa DC, bộ biến tần chuỗi và
bộ biến tần vi mô
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Inverter
Nhờ các tế bào quang điện, điện năng được chuyển thành điện DC từ bức xạ mặt trời Inverter biến dòng DC (một chiều) thành dòng AC (xoay chiều)
2.3 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới
2.3.1 Khái niệm chung
Hệ thống hòa lưới là một hệ thống vận hành thu năng lượng từ bức xạ mặt trời thông qua các tấm pin PV, chuyển đổi thành điện năng, sau đó kết nối trực tiếp với hệ thống lưới điện hiện có Hệ thống PV lắp đặt trên mái nhà hay nhà xưởng hay còn gọi
là điện mặt trời áp mái
Hình 2.6 Mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới
Trang 282.3.2 Cấu tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới
Hệ thống PV hoàn chỉnh bao gồm: Các tấm pin năng lượng mặt trời, bộ chuyển đổi năng lượng (inverter), đồng hồ điện hai chiều và các thiết bị ngắt kết nối Các bộ phận đều đóng một vai trò khác nhau và đều có chức năng riêng để giúp hệ thống PV hoạt động một cách hiệu quả nhất
2.3.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới
Các tấm pin PVsẽ hấp thụ bức xạ năng lượng mặt trời để biến dòng DC (một chiều) thành dòng AC (xoay chiều) sau đó thông qua bộ Inverter với công nghệ MPPT nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi
Tiếp đó nguồn điện AC từ inverter sẽ được hòa đồng bộ vào lưới điện của tòa nhà, cung cấp điện năng song song với nguồn điện từ lưới EVN, hệ thống sẽ ưu tiên sử dụng nguồn điện năng lượng mặt trời trước
Khi vào ban ngày khi có bức xạ mặt trời tốt nhất, điện năng tạo ra từ pin ≥ tải tiêu thụ thì điện năng từ pin mặt trời sẽ ưu tiên sử dụng toàn bộ cho tòa nhà và không sử dụng điện từ điện lưới
Vào buổi chiều tối khi lượng bức xạ thấp đi, điện năng tạo ra từ tấm pin < tải tiêu thụ thì điện năng sẽ được lấy bổ sung từ điện lưới để bù vào lượng thiếu hụt
Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới
Trang 292.3.4 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới bám tải (Zero Export)
a Zero Export là gì?
Zero Export (Không xuất lên lưới) là cách để ngăn chặn việc nguồn điện từ tấm pin dư thừa xuất lên lưới điện, giúp ta nâng cao tối ưu và tiêu thụ, chỉ cung cấp đủ nhu cầu của người sử dụng Zero export không chỉ giúp ích cho hộ gia đình mà còn thích hợp cho các cơ quan, xí nghiệp muốn bớt hóa đơn tiền điện từ EVN
Hình 2.8 Sơ đồ kết nối Zero Export
b Cấu tạo hệ thống điện mặt trời hòa lưới bám tải
Một hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới bám tải hoàn chỉnh bao gồm:
• Hệ thống PV
• Inverter(Biến tần)
• Đồng hồ thông minh
• Công tơ
• Dây AC, DC, giá đỡ,…
c Nguyên lý hoạt động của Zero Export
Xuất lên lưới điện = Năng lượng từ tấm pin sản xuất > Tải tiêu thụ
Zero export là giải pháp ngăn chặn lượng điện năng dư thừa xuất lên lưới, giúp ta tối ưu hóa điện năng Giải pháp này không chỉ giúp ích cho các gia đình mà còn phù hợp với các cơ sở sản xuất muốn giảm tiền điện của EVN
d Phân tích hiện tượng bám tải trong inverter
Hiện tượng bám tải (load sticking) trong inverter xảy ra khi một nguồn tải không
Trang 30hoạt động một cách bình thường và gây ra các vấn đề hoạt động cho inverter Đây là một vấn đề phổ biến trong hệ thống điện mặt trời và các hệ thống inverter khác
Nguyên nhân chính của hiện tượng bám tải trong inverter có thể bao gồm:
Tải không đủ hoặc không hoạt động: Khi một tải không hoạt động đúng cách, inverter có thể gặp khó khăn trong việc điều chỉnh công suất và tần số đầu ra
Sự mất cân bằng giữa công suất đầu vào và đầu ra: Nếu công suất đầu vào của inverter không tương ứng với công suất đầu ra được yêu cầu, inverter có thể gặp khó khăn trong việc duy trì điện áp và tần số đầu ra ổn định
Thiết kế không phù hợp: Một thiết kế inverter không phù hợp hoặc không đáp ứng yêu cầu của tải có thể dẫn đến hiện tượng bám tải Các vấn đề về kích thước, công suất, kiểm soát và bảo vệ có thể ảnh hưởng đến khả năng của inverter để xử lý các tình huống bám tải
Hình 2.9 Hiện tượng bám tải của Inverter
Hiện tượng bám tải trong inverter có thể gây ra các vấn đề như tăng cường hao mòn của linh kiện, gia tăng nhiệt độ làm việc của inverter, giảm tuổi thọ của hệ thống
và thậm chí gây hỏng hoặc hỏng hóc inverter Để giảm hiện tượng bám tải trong inverter,
ta có thể thực hiện các biện pháp sau:
Trang 31• Đảm bảo rằng tải hoạt động đúng cách và đáp ứng yêu cầu công suất của inverter
• Lựa chọn invertercó công suất và khả năng đáp ứng tải phù hợp
• Đảm bảo rằng cài đặt inverter được thiết lập đúng để đảm bảo hoạt động ổn định
và điều chỉnh công suất đầu ra một cách chính xác
• Sử dụng bộ điều khiển và kiểm soát phù hợp
* Đối tượng nên sử dụng giải pháp hoà lưới bám tải:
Hiện nay EVN chưa có chính xác mua lại điện thì việc giới hạn công suất để đáp ứng nhu cầu theo phụ tải là cần thiết và giải pháp hoà lưới bám tải phù hợp cho:
• Hộ gia đình có nhu cầu sử dụng điện năng lượng mặt trời để giảm tiền điện hàng tháng
• Nhà máy đã lắp đặt hệ thống PV nhưng không làm hợp đồng mua bán điện với EVN
2.4 Tính toán hệ thống pin năng lượng mặt trời
2.4.1 Thu thập dữ liệu ban đầu
Xác định sao cho tấm pin luôn vuông góc với tia nắng để nhận được lượng bức xạ mặt trời lớn nhất Ngoài ra, nghiêng các tấm pin mặt trời cũng cho pin có khả năng tự làm sạch Cách tính phụ tải điện
Tính điện tiêu thụ (Ang) của tải được xác định:
𝐴𝑛𝑔 = ∑ 𝑃𝑖𝑡𝑖
𝑛
𝑖=1
Với Pi là công suất, ti là thời gian tiêu thụ của phụ tải thứ i
Từ đó điện năng tiêu thụ trong tháng:
Atℎ = Ang × Ntℎ (kWℎ) Trong đó:
Ang: Điện sử dụng hàng ngày
Atℎ: Điện sử dụng hàng tháng
Ntℎ: Số ngày dùng điện trong tháng
2.4.2 Tính toán số lượng tấm pin năng lượng mặt trời
Số lượng module pin NLMT được xác định bởi công thức:
Trang 32𝑁𝑃𝑉 = 𝐴𝑛
𝑃𝑜𝑝𝑡.𝑃𝑉× 𝐾𝑡.𝑃𝑉 × 𝐾𝑎𝑡.𝑃𝑉 × ƞ × 365 × ℎ𝑛Trong đó:
NPV: Số lượng module tấm pin NLMT
Poet.PV: Công suất đỉnh của tấm pin
kt.PV: Hệ số nhiệt độ của pin NLMT Thường lấy giá trị gần đúng 90%
kat.PV: Hệ số an toàn của pin NLMT bao gồm tổn hao năng lượng do dân dẫn, do bụi bẩn Thường lấy giá trị gần đúng 80%
ƞ: Hiệu suất của toàn hệ thống PV, thường lấy giá trị gần đúng 80%
ℎn: Giờ nắng trung bình hàng ngày
2.4.3 Tính công suất hệ thống pin năng lượng mặt trời
Để tính cho ra nhu cầu sử dụng của hệ thống PV, ta sẽ có công thức
Số lượng tấm pin x số Wp của 1 tấm pin = Tổng công suất của hệ thống
2.4.4 Tính toán lựa chọn Inverter
➢ Tối ưu công suất dàn pin và inverter:
PPV ≤ 1.2 x Pinv
Trong đó:
PPV: Tổng công suất của hệ thống
Pinv: Công suất của Inverter
Hệ số 1.2: Hệ số chuyển đổi DC/AC
➢ Công thức kiểm tra dãy MPPT
Umpptinv-min < Umpp-pv < Umpptinv-max
Trong đó:
• Umpptinv-min: Điện áp thấp nhất mà MPPT hoạt động
• Umpp-pv: Điện áp hoạt động của string
• Umpptinv-max: Điện áp cao nhất mà MPPT hoạt động
➢ Kiểm tra điện áp tối đa của hệ thống
Uoc-pv < Udcmax-inv
Trong đó:
Uoc - pv: Điện áp hở mạch tối đa của dàn pin
Trang 33Udcmax - inv: Điện áp DC ngõ vào tối đa cho phép của inverter
Việc quá áp từ dàn pin vào inverter sẽ gây ra hỏng các linh kiện nên cần thoả mãn điều kiện trên để đảm bảo tuổi thọ cho pin cũng như inverter và dây dẫn
➢ Kiểm tra dòng điện tối đa cho phép ngõ vào
Impp < Imax-input-inv
Trong đó:
Impp: Dòng điện làm việc ở điểm công suất cực đại của dàn pin
Imax-input-inv: Dòng điện đầu vào tối đa từ dàn pin
Việc tính toán như trên sẽ giúp tối ưu hóa công suất đầu ra của biến tần Để đạt được công suất đầu ra mong muốn khi lắp biến tần Tối đa hóa hiệu suất năng lượng trong ngày và đơn giản hơn trong việc chọn cấu hình biến tần cho pin trong một số trường hợp cần một biến tần mới
2.4.5 Các phương pháp đấu nối các tấm pin năng lượng mặt trời
Ba cách cơ bản để liên kết các tấm pin mặt trờ, và mỗi cách đều có một mục đích riêng tùy thuộc vào hộ gia đình, doanh nghiệp
Các tấm pin mặt trời có thể được kết hợp, song song hoặc liên tiếp, để tạo thành một hệ thống có khả năng hoạt động với cường độ dòng điện hoặc điện áp tương ứng
Phương pháp đấu nối pin mặt trời nối tiếp
Các tấm PV được mắc nối tiếp bằng cách nối cực dương của một bảng với cực âm của mỗi bảng tiếp theo cho đến khi chỉ còn lại một cực dương và cực âm Cách tiếp cận này giúp tăng điện áp tổng thể của hệ thống
Hình 2.10 Phương pháp mắc nối tiếp
Trang 34a Phương pháp đấu nối pin mặt trời song song
Phương pháp nối song song các tấm PV là phương pháp kết nối song song giữa các tấm pin mặt trời, kết nối dương (dương với dương), kết nối âm (âm với âm), và còn lại đầu dương và âm Cách này giúp tăng tổng dòng điện hệ thống PV
Hình 2.11 Phương pháp mắc song song
b Phương pháp đấu nối pin hỗn hợp
Phương pháp nối tấm PV hỗn hợp là sự kết hợp giữa kết nối nối tiếp và song song của pin, phổ biến trong các hệ thống dung lượng trung bình và cao
Hình 2.12 Phương pháp mắc hỗn hợp
Trang 352.5 Một số phần mềm ứng dụng trong dự án
2.5.1 Phần mềm PVsyst
PVsyst phát triển vào năm 1994 bởi Michel Villoz và André Mermoud PVsyst là một phần mềm để mô phỏngm nghiên cứu và giải nghĩa các hệ thống PV phổ biến trong các công ty có liên quan đến năng lượng tái tạo
Hình 2.13 Giao diện làm việc chính của phần mềm PVsyst
Thiết kế giao diện và mô phỏng (Thiết kế và mô phỏng dự án) là giao diện chính
để tiến hành nghiên cứu, tính toán mô phỏng bao gồm hệ thống nghiên cứu khí tượng, xác định tổn thất, đánh giá kinh tế,…
• Grid-Connected (Hệ thống Kết nối lưới)
• Stand alone (Hệ thống Độc lập)
• Pumping (Hệ thống bơm)
Trang 36Hình 2.14 Giao diện làm việc của Grid-Connected
Dữ liệu của PVsyst đã tích lũy được khá nhiều module pin, biến tần và các thông
số khác của các hãng: Huawei, JinkoSolar, JASolar Pvsyst còn có các dữ liệu nghiên cứu về khí tượng như Meteonorm, NASA- SSE ,
Hình 2.15 Giao diện Databases của PVsyst
Trang 37• Geographical sites: Thiết kế thông số vị trí địa lý
• Synthetic Data generation
• Meteo tables and graphs.: tổng hợp dữ liệu
• Compare meteo data: dữ liệu khí tượng
• Components database: Cơ sở dữ liệu Pin, Inverter, …
2.5.2 Phần mềm AutoCAD
Phần mềm AutoCAD là phần mềm vẽ CAD được phát triển bởi Autodesk Corporation để tạo các bản vẽ của thiết kế 3D hoặc 2D Phần mềm lần đầu tiên được giới thiệu tại triển lãm COMDEX vào tháng 11 năm 1982 và phiên bản đầu tiên được phát hành vào tháng 12 năm 1982
Hình 2.16 Giao diện làm việc chính của AutoCAD
2.5.3 Phần mềm SketchUp
SketchUp được bắt đầu vào năm 1999 và phát triển bởi Last Software, một công
ty của Boulder, Colorado, Hoa Kỳ Do Brad Schell và Joe Esch sáng lập, nó được phân phối rộng rãi cho các lập trình viên Ngày 14 tháng 3 năm 2006, Google mua lại Last Software, và ngày 1 tháng 6 năm 2012, SketchUp được mua bởi Trimble Navigation và phát triển nó cho đến ngày nay
Trang 38Hình 2.17 Giao diện làm việc chính của SketchUp
SketchUp là một phần mềm thiết kế để tạo ra các hình ảnh trực quan thông qua mô hình 3D Các thiết kế có thể được chia sẻ thông qua tính năng 3D Warehouse, giúp cho SketchUp trở nên vô cùng đầy đủ và phong phú
Trang 39CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA
LƯỚI BÁM TẢI 3.1 Khảo sát sơ bộ để thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời
Công ty Tuntex Sóc Trăng là một doanh nghiệp ở vùng Tây Nam Bộ nằm tại Sóc Trăng Với thời gian nắng của vùng ở mức từ 2300 - 2600 giờ/năm, bức xạ mặt trời trong ngày từ 4.6 - 4.8 kWh/m2 tạo điều kiện thuận lợi để phát triển hệ thống PV trên mặt bằng mái của công ty để cung cấp điện cho hoạt động sản xuất trong nhà máy bằng
hệ thống PV
Địa chỉ ở lô H, Khu công nghiệp An Nghiệp, Xã An Hiệp, Huyện Châu Thành, Sóc Trăng Có tọa độ địa lý 9°38'23.1"N 105°57'27.5"E
3.1.1 Vị trí địa lý
Hình 3.1 Mặt bằng tổng quát nhà máy TunTex
Hình 3.2 Nhà máy TunTex chụp từ trên cao qua Google Map
Trang 40Dữ liệu khí tượng: sử dụng dữ liệu Meteonorm thuộc phần mềmPVsyst, dữ liệu này được giới khoa học và các nhà nghiên cứu nổi tiếng trên thế giới đánh giá cao trong việc thiết kế mô phỏng hệ thống PV Ta có các thông số sau từ PVsyst:
Hình 3.3 Dữ liệu tại vị trí từ phần mềm PVsyst
Trong đó:
GHI: Tổng xạ dựa trênphương ngang (kWh/m2)
HDI: Tán xạ dựa trên phươn ngang(kWh/m2)
TEMP: Nhiệt độ không khí (0C)
Giờ nắng trung bình hàng ngày tại Công Ty Tuntex (Sóc Trăng):