Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái tòa nhà khu a trường đh spkt tp hcm

Vậy nên điện mặt trời áp mái sẽ là giải pháp tốt cho vấn đề năng lượng ở Việt Nam.Sự phát triển của nền kinh tế đã kéo theo tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, hàng loạt các tòa nhà cao tầng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINHKHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI TÒA NHÀ KHU A TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HCM

GVHD: TS NGUYỄN XUÂN VIÊN

MỤC LỤC

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 4

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 6

1.1 Lý do chọn đề tài 6

1.2 Nội dung đề tài 7

1.3 Phương pháp nguyên cứu 7

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT 8

2.1 Giới thiệu về năng lượng mặt trời 8

2.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay 8

2.3 Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời 9

2.4 Pin mặt trời 10

2.4.1 Hiệu ứng quang điện 11

2.4.2 Cấu tạo pin mặt trời 12

2.4.3 Nguyên lý làm việc pin mặt trời 14

2.4.4 Các công nghệ pin năng lượng mặt trời, ưu và nhược điểm 16

2.5 Inverter 18

2.5.1 Các loại inverter và ưu nhược điểm 18

2.5.2 Lựa chọn inverter 22

2.5.3 Điện áp đầu vào và công suất của inverter 23

2.6 Cấu trúc hệ thống hòa lưới 24

2.6.1 Thiết kế hệ thống PV nối lưới 24

2.6.2 Điều kiện để hòa lưới điện năng lượng mặt trời 25

2.6.3 Quy trình đấu nối điện 25

III THIẾT KẾ TIỀN KHẢ THI 29

VI TÍNH TOÁN CHI PHÍ 50

VII SƠ ĐỒ THI CÔNG 51

VIII KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 60

IX KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

9.1 Kết luận 64

9.2 Hướng phát triển 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

3

PHỤ LỤC HÌNH ẢN

Hình 2.1 Hiệu ứng quang điện 12 Hình 2.2 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời 13 Hình 2.3 Hình electron và lỗ trống 15 Hình 2.4 Kết quả nghiên cứu về hiệu quả của tế bào trong bốn thập kỷ 16 Hình 2.5 Inverter chuỗi 19 Hình 2.6 Inverter vi mô 20 Hình 2.7 Inverter trung tâm 21 Hình 3.1 Các vị trí che bóng dù 1 chút cũng làm giảm sản lượng điện 29 Hình 3.2 Khu A trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM 30 Hình 3.3 Cách lắp đặt trên mặt đất 31 Hình 3.4 Cách lắp tấm pin áp sát mái trên mái tole 32 Hình 3.5 Cách lắp đặt tấm pin bằng giàn khung trên mái tôn 33 Hình 3.6 Lắp đặt tấm pin áp sát mái ngói 34 Hình 3.7 Lắp đặt tấm pin bằng giàn khung sắt trên mái ngói 34 Hình 3.8 Mái lắp đặt tấm pin tại khu A 35 Hình 4.1 Đường đặc tính V - A của module quan điện Canadian CS3W-440P 38 Hình 4.2 Đặc tính V-A của module quang điện Canadian CS3W-440P ở điều kiện bức xạ

Hình 4.3 Cấu hình Inverter Huawei Sun2000 33KTL - A - PF 41 Hình 4.4 Phân bố điện áp đầu ra của mảng PV 42 Hình 4.5 Cấu hình tấm PV và Inverter cho mái 1 42 Hình 4.6 Nhiệt độ hoạt động của PV với dãy bức xạ 43 Hình 4.7 Vùng làm việc danh nghĩa của hệ thống PV và biến tần sau khi định cỡ 44 Hình 4.8 hệ số tổn thất nhiệt U 45 Hình 5.1 Hình chiếu cạnh của tòa nhà khu A 47 Hình 5.2 Hình chiếu đứng của tòa nhà khu A 47 Hình 5.3 Hình chiếu bằng của tòa nhà khu A 48 Hình 5.4 Phối cảnh tòa nhà khu A nhìn từ trên xuống 48 Hình 5.5 Sun path diagram 49 Hình 7.1 Sơ đồ hệ thống mái khu A trong CAD 2D 51 Hình 7.2 Độ nghiêng của mái lắp đặt 53 Hình 7.3 Thiết kế rail nhôm và lắp đặt PV 56 Hình 7.4 Sơ đồ kết nối các tấm pin và kết nối các String 56

Hình 8.2 Biểu đồ tỉ số hiệu suất 61 Hình 8.3 Giản đồ tổn thất điện năng trong hệ thống 62 Hình 8.4 Khả năng giảm phát thải CO2 của hệ thống 63

5

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI1.1 Lý do chọn đề tài

Năng lượng là bài toán quan trọng và phức tạp mà mọi quốc gia đều phải đối mặt, điều này càng khó khăn hơn đối với các quốc gia đang phát triển như Việt Nam Từ số liệu phát triển nguồn điện có thể thấy rằng, cơ cấu nguồn điện đã bị mất cân đối Hiện nay, nguồn thủy điện chiếm tỉ trọng lớn (chiếm khoảng 38%) nên trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay đã liên tục gây ra tình trạng thiếu điện vào mùa khô, đặc biệt những năm ít nước dẫn đến các nhà máy nhiệt điện than phải vận hành quá tải dẫn đến giảm tuổi thọ của thiết bị Vấn đề này chưa thể khắc phục trong khoảng 3 đến 5 năm tới.

Với vị trí địa lý của Việt Nam nằm trong giới hạn giữa xích đạo và chí tuyến Bắc, thuộc vùng nội chí tuyến có ánh nắng mặt trời chiếu sáng quanh năm, nhất là khu vực Nam Bộ Với tổng số giờ nắng trong năm dao động trong khoảng 1.400 - 3.000 giờ tăng dần từ Bắc vào Nam Tuy nhiên hiện nay việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này còn hạn chế Vì khi đầu tư dự án điện mặt trời cần quỹ đất lớn và chi phí đầu tư còn cao Vậy nên điện mặt trời áp mái sẽ là giải pháp tốt cho vấn đề năng lượng ở Việt Nam.

Sự phát triển của nền kinh tế đã kéo theo tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, hàng loạt các tòa nhà cao tầng được đầu tư xây dựng cũng là một trong những nguyên nhân cơ bản khiến Việt Nam đang đứng trước nguy cơ mất cân đối nghiêm trọng giữa cung và cầu nguồn năng lượng Trong khi đó tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các cơ quan, trường học hiện nay vẫn chưa được quan tâm nhiều.

Vị trí trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thuộc miền Nam của Việt Nam Vùng này quanh năm dồi dào nắng Trong các tháng 1, 3, 4 thường có nắng từ 7 giờ đến 17 giờ Cường độ bức xạ trung bình thường lớn hơn 3.489 kWh/m2/ngày, trung bình xấp xỉ 5.5 kWh/m2/ngày Được đánh giá là khu vực có tiềm năng về năng lượng mặt trời.

6

Với các lý do trên đề tài “Thiết kế hệ PV áp mái 35kWp nối lưới’’ tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vừa là một giải pháp tiết kiệm, sử dụng hiệu quả năng lượng đồng thời cũng góp phần thực hiện công tác bảo vệ môi trường, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng ảnh hưởng đến tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay.

1.2 Nội dung đề tài

Đề tài sử dụng phần mềm Sketchup, Pvsyst, AutoCad để xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống PV nối lưới sử dụng pin mặt trời Như chúng ta đã biết nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch trữ lượng vô hạn, đang là mục tiêu nghiên cứu nhiều nước trên thế giới nhằm thay thế nguồn năng lượng hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường Trong quá trình làm việc, pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như cường độ ánh sáng, nhiệt độ môi trường, hiện tượng bóng râm,… Mặt khác, công suất sinh ra do tấm pin mặt trời phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ Nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng thực hiện nối lưới, đòi hỏi các giải thuật điều khiển, đảm bảo pin mặt trời làm việc luôn làm việc ở điểm cực đại khi tải thay đổi.

1.3 Phương pháp nguyên cứu

Tìm hiểu xây dựng mô hình, tổng hợp phân tích số liệu, thiết kế dàn pin, sơ đồ điện Tìm hiểu các đề tài liên quan, tính toán chọn phương án phù hợp với thực tế để xây dựng hệ thống điện mặt trời tối ưu.

Dựa trên tính toán xây dựng mô hình mô phỏng sau đó đánh giá và kiểm tra Khảo sát địa hình lắp đặt đưa ra phương pháp lắp đặt pin khác nhau, để đạt hiệu suất tốt nhất Phân tích được các số liệu thực tế khi lắp đặt, để tính toán chi phí đầu tư.

7

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1 Giới thiệu về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn sạch, to lớn, vô tận, có ở khắp nơi mà chúng ta có thể khai thác Nó mang lại nhiều giá trị cho con người Những năm gần đây các nước trên thế giới đang cùng nhau khai thác và đưa nguồn năng lượng sạch này vào sử dụng Quá trình khai thác không gây ảnh hưởng tiêu cực nào đến môi trường Mà ngược lại năng lượng mặt trời mang lại rất nhiều lợi ích khác

Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta.

Điện mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người tận dụng và đưa vào sử dụng được Đặc biệt đây là nguồn năng lượng tái tạo vô cùng sạch, đáng tin cậy và chúng ta có thể khai thác thoải mái mà không bao giờ sợ cạn kiệt Việc khai thác thành công nguồn năng lượng mặt trời không những không ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường mà còn mang lại vô vàn các tác dụng tích cực khác.

Phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu giữ bức xạ nhiệt mặt trời và sử dụng cho hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt Trong hai cách thì khai thác năng lượng mặt trời bằng phương pháp thụ động có lịch sử dài hơn hẳn trong khi phương pháp chủ động mới phát triển từ thế kỷ 2.

2.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay

Năng lượng mặt trời hiện nay được khai thác thành công và ứng dụng theo hai phương pháp chính Đó là nhiệt mặt trời và điện mặt trời Mỗi loại ứng dụng có một cách khai thác cũng như phục vụ cho nhu cầu sử dụng riêng.

8

Nhiệt mặt trời: Nhiệt mặt trời là quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng Nó được sử dụng chủ yếu trong các lò sưởi, đun nóng, tạo hơi nước hay các hệ thống nước nóng hiện nay.

Điện mặt trời: Có thể hiệu điện mặt trời là quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng Hệ thống tạo ra điện mặt trời có thể thay thế nguồn điện lưới để phục vụ cho quá trình sinh hoạt và sản xuất kinh doanh của con người.

2.3 Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới trái đất

Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc các yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển, sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý

Để tính tổng năng lươn ‘ g bức xa ‘ta tính theo các bước sau:

Bước 1: Tính bức xạ trung bình (H ) theo phương nằm ngang ngoài khíquyển 0 Từ lưu đồ trong công thức tính bức xạ trung bình theo phương nằm ngang ngoài khí quyển (H , kW/m2 /ngày) được trình bày như sau0

H0 = I [1.0 + 0,033 cos( 360 /365 )] SC � ����Z

Bước 2: Tính tổng bức xạ trung bình (H) trong khíquyển theo phương nằm ngang Ta có công thức tính hệ số giữa tổng năng lượng bức xạ Mặt trời trong khí quyển và ngoài khí quyển là:

H/H0 = + ( / )� � � Trong đó:

H= tổng bức xạ nhiệt trung bình của một tháng Trong trên bề mặt nằm ngang H0= bức xạ nhiệt trung bình của một tháng ngoài khí quyển trên bề mặt nằm ngang

9

Hình 4.19 Phân bố điện áp đầu ra của mảng PV

Hình 4.20 Cấu hình tấm PV và Inverter cho mái 1

44

Hình 4.21 Nhiệt độ hoạt động của PV với dãy bức xạ

45

Hình 4.22 Vùng làm việc danh nghĩa của hệ thống PV và biến tần sau khi định cỡ

Dãy điện áp đầu ra của string phù hợp với dãy điện áp làm việc của Inverter nên ta có thể chọn được Inverter Huawei SUN2000-33KTL-A PF.

Uv: Yếu tố tỉ lệ với vận tốc gió v: Vận tốc gió tại khu vực thiết kế

Theo PVsyst với cấu hình của hệ thống hiện tại thì giá trị của Uc = 20 (W/m^2K) và Uv = 0 (W/m^2K).

Hình 4.23 hệ số tổn thất nhiệt U

4.3.2.2 Tổn thất điện trở dây điện

Phần trăm mất mát ở điều kiện STC là 1.5%

4.3.2.3 Tổn thất chất lượng, hiệu ứng suy giảm cảm ứng ánh sáng, sự không phù hợp của tấm quang điện

Tổn thất chất lượng module PV (Module quality) Giá trị này quyết định giá trị hiệu suất thực tế của module có sai số so với nhà cung cấp đã công bố hay không Tuy nhiên đối với nhà sản xuất có uy tín trên thị trường thì họ đã kiểm tra sau nhiều lần thử nghiệm

Tổn thất hiệu ứng suy giảm ánh sáng (LID - Light Induced Degradation) Do tạp chất Oxi trong Silic của quá trình Czochralski Dưới tác dụng ánh sáng, những tạp chất này kết hợp với nhau và chiếm các điện tử tự do và lỗ trống của hiệu ứng quang điện Giá trị này không được cung cấp bởi nhà sản xuất nhưng theo PYsyst thì giá trị tổn thất đó nằm trong khoảng từ 1% đến 3% hoặc nhiều hơn

Tổn thất không phù hợp của các pin và tấm pin quang điện ( Array Mismatch Loss)

47

Theo định luật Ôm, các pin nối tiếp hoặc module pin nối tiếp thì dòng điện dòng điện của từng pin hoặc module bằng dòng tổng Mà thường đặc điểm của các module không bao giờ giống nhau hoàn toàn Nó có độ lệch về dòng điện nhỏ Tuy nhiên, trong phần này ta mới chỉ biết số pin trên 1 module nên việc tính toán cho cả hệ thống pin là không thể Phần kết quả tính toán cụ thể được thể hiện sau khi định cỡ hệ thống Để có số liệu tổn thất tương đối ta chỉ chọn giá trị này theo mặc định bởi phần mềm.

4.3.2.4 Tổn thất vết bẩn của hệ thống PV

Tổn thất vết bẩn là do bụi bẩn lâu ngày, nước mưa, sương mù ở địa điểm ta lắp đặt hệ thống pin quang điện, giá trị này phụ thuộc vào môi trường xung quanh

Trong phần này, Vì đã tối ưu mặt này khi thiết kế lắp đặt do đó nhóm em chọn giá trị tổn thất theo tháng với tháng 9,10,11,12,1 giá trị tổn thất là ~ 1%, còn các tháng còn lại giá trị tổn thất là ~ 0%.

4.3.2.5 Tổn thất suy giảm chất lượng module Đây là giá trị được nhà sản xuất cam kết bảo hành 4.3.2.6 Tổn thất phụ

Tổn thất phụ là phần điện năng được dùng để vận hành, giám sát hệ thống, hệ thống làm mát…

48

V MÔ PHỎNG ĐỔ BÓNG5.1 Thiết kế hệ thống bằng SketchUp

Mô hình hóa tòa nhà Khu A trong Sketchup Tòa nhà khu A được bao xung quanh bởi nhiều cây cối, qua phân tích tính toán, nhóm đã đưa ra phương án tối ưu nhất để lắp hệ thống năng lượng mặt trời được mô hình hóa trực quan như các hình dưới đây:

Hình 5.24 Hình chiếu cạnh của tòa nhà khu A

Hình 5.25 Hình chiếu đứng của tòa nhà khu A

49

Hình 5.26 Hình chiếu bằng của tòa nhà khu A

Hình 5.27 Phối cảnh tòa nhà khu A nhìn từ trên xuống

50

5.2 Mô phỏng đổ bóng bằng PVsyst Đưa vào PVsyst mô phỏng đổ bóng.

Hình 5.28 Sun path diagram

Hiện tượng đổ bóng xảy ra ít và không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống Đổ bóng thường xảy ra vào lúc sáng sớm (trước 7h) và lúc chiều tối sau (16h) khi này cường độ ánh sáng đã giảm dần và hiện tượng đổ bóng cũng không gây ra sụt áp, giảm công suất của hệ thống quá nhiều.

51

VI TÍNH TOÁN CHI PHÍ

52

VII SƠ ĐỒ THI CÔNG7.1 Sơ đồ mái

Sơ đồ mái khu A, được đo đạc trên Google Earth ra được các số liệu về kích thước của khu A và vẽ lại bằng phần mềm 3D SKETCHUP Sau đó chuyển qua tệp CAD 2D để dễ dàng thiết kế hơn như hình dưới đây:

53

Hình 7.29 Sơ đồ hệ thống mái khu A trong CAD 2D

Nhóm cũng dựa trên Google Earth, để đo độ nghiêng của mái khu A Trong đó, mái lắp đặt có độ nghiêng là 15 độ, được thể hiện như hình dưới đây :

54

Hình 7.30 Độ nghiêng của mái lắp đặt 55

7.2 Sơ đồ lắp đặt PV

Đầu tiên trong quá trình thiết kế lắp đặt của dự án hệ thống năng lượng mặt trời là thiết kế vị trí của Rail nhôm Dựa theo nhiều bản vẽ thiết kế lớn, thì khoảng cách của Rail nhôm là 530mm tính từ đầu tấm pin Do mái lắp đặt nghiêng 15 độ nên khoảng cách của Rail nhôm nhìn từ trên xuống là 530mm/cos(15)=512mm Từ đó, nhóm đã thiết kế ra bản vẽ lắp đặt Rail nhôm và lắp đặt pin mặt trời.

56

Hình 7.31 Thiết kế rail nhôm và lắp đặt PV

7.3 Sơ đồ kết nối String

Trong đề tài này, tổng số tấm pin là 80 và được chia ra làm 8 Strings nối vào 4 MPPT để phù hợp với inverter được lựa chọn trong đề tài này Cứ mỗi 10 tấm pin sẽ được kết nối lại thành 1 Strings và cứ 2 Strings thì sẽ kết nối vào 1 MPPT

Trong hình dưới đây, là sơ đồ kết nối các tấm pin lại với nhau và sau khi đã kết nối lại thì tạo thành các Strings kết nối với inverter.

Hình 7.32 Sơ đồ kết nối các tấm pin và kết nối các String.

58

7.4 Sơ đồ máng cáp

Hệ thống máng cáp là hệ thống giúp bảo vệ các dây điện tránh khỏi những tác động của môi trường Từ đó, sẽ giúp dây dẫn bền hơn và tránh các sự cố bị chập điện gây hỏng hệ thống năng lượng mặt trời.

Hình 7.33 Máng cáp

Trong một hệ thống điện năng lượng mặt trời, hệ thống máng cáp cũng rất quan trọng Vì giá trị sử dụng của hệ thống lên đến gần 20 năm, nên việc bảo vệ dây dẫn từ các tấm pin đến inverter là cần thiết.

Máng cáp được sử dụng trong đề tài này có kích thước là 50x50mm và 100x50mm Số dây dẫn của 1 một mái sẽ được bảo vệ bởi máng cáp có kích thước là 50x50mm Sau khi gộp các dây dẫn của 2 mái lại với nhau để đưa xuống inverter sẽ được bảo vệ với máng cáp có kích thước là 100x50mm Cụ thể, chiều dài của máng cáp 50x50mm là 41,5 x 2 m + 29,5 m và chiều dài của máng cáp 100x50mm là 2,5m Được thể hiện như hình dưới đây:

59