Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới có hệ thống tích trữ năng lượng

ĐỒ ÁN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP: Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới có hệ thống tích trữ năng lượng, tìm hiểu các tấm pin PV, bộ tăng áp, bộ nghịch lưu, bộ sạc, thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

(MSSV:CD22T5P519)

Ngành: Kỹ thuật điện - Khóa:2022

Tháng 06/2024

□ LVTN □ TLTN

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2024

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN

HỌC KỲ 2, NĂM HỌC: 2023– 2024

1 Họ và tên sinh viên: Nguyễn Đăng Khoa MSSV: CD22T5P519

Email: Phuhung002@gmail.com ĐT: (+84)338225810 2 Tên đề tài: Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hoà lưới có tích trữ, mô phỏng điều khiển

3 Địa điểm thực hiện: Khoa Kỹ thuật điện trường Bách Khoa, Đại học Cần Thơ 4 Họ và tên người hướng dẫn: TS Quách Ngọc Thịnh

5 Mục tiêu của đề tài: Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới có tích trữ, mô phỏng điều khiển

6 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:

Chương 1: Giới thiệu chung

1.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam và Thế giới 1.2 Phân loại hệ thống điện mặt trời hòa lưới

1.3 Nội dung của đề tài

Chương 2: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có tích trữ năng lượng

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống pin mặt trời hòa lưới có tích trữ 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

1 Pin mặt trời 2 Bộ điều khiển sạc 3 Inverter

4 Battery

5 Khung, giá đỡ & dây cáp

Chương 3: Kết luận và kiến nghị

3.1 Kết luận 3.2 Kiến nghị

7 Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài: ……… 8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: ………

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ NGƯỜI HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Điện, Trường Bách Khoa, Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài “tìm hiểu hệ thống năng lượng mặt trời hoà lưới có tích trữ, hướng tới mô phỏng điều khiển”

Em xin chân thành cảm ơn thầy Quách Ngọc Thịnh đã tận tình quan tâm hướng dẫn em trong suốt thời gian qua Do còn việc hạn chế về chuyên môn và thiếu kinh nghiệm làm bài nên đồ án của em còn nhiều khiếm khuyết, sai sót Em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp cũng như những lời khuyên hữu ích từ thầy để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn và tạo tiền đề cho em sau này hoàn thiện luận văn tốt hơn

Cuối cùng, em kính chúc quý Thầy/Cô thật nhiều sức khỏe và tràn đầy nhiệt huyết để tiếp tục dẫn dắt nhiều thế hệ sinh viên theo ngành học cao quý và thiêng liêng này

Trân trọng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng lượng càng thể hiện vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Các nguồn năng lượng đang được sử dụng như nguồn nguyên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá ) cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp khác đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, cạn kiệt nguồn nước tại nhiều nơi do không có mưa Trước tình hình đó, vấn đề phát triển nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng là cần thiết, đòi hỏi sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu

Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt

Do lợi ích rõ rệt về giảm chi phí lắp đặt và có thêm thu nhập nhờ bán điện lại cho công ty điện lực Nên hệ thống điện mặt trời hòa lưới chiếm đa số ở Việt Nam

Hiện tại, pin mặt trời vẫn được xem là nguồn năng lượng đắt đỏ Vì vậy, cần phải khai thác công suất lớn nhất có thể từ pin mặt trời Có nhiều phương pháp dò tìm điểm cực đại của tấm pin mặt trời ví dụ như dùng sensor hay thuật toán… Do đó

tác giả chọn đề tài “tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới có tích trữ, mô phỏng

điều khiển” Nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của hệ thống điện mặt trời hoà

lưới và thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại của tấm pin

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu chi tiết sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động các thành phần bên trong hệ thống điện mặt trời hoà lưới và các thuật toán tìm điểm công suất cực đại của tấm pin, hướng tới mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của các tấm pin năng lượng mặt trời

Equation Chapter 1 Section 1 1

GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam và Thế giới 1

1.2 Phân loại hệ thống điện mặt trời hòa lưới 5

1.2.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-grid) 6

1.2.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-grid): 7

1.2.3 Hệ thống điện mặt trời hỗn hợp (Hybrid): 8

1.3 Nội dung của đề tài 9

Equation Chapter (Next) Section 1 10

TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 10

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống pin mặt trời hòa lưới có tích trữ 10

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 11

2.3 Bộ điều khiển sạc 15

2.4 Bộ tăng áp DC-DC 16

2.5 Nghịch lưu nguồn áp 3 pha 20

2.6 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 30

2.6.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observer) 33

2.6.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 36

2.7 BATTERY (Ắc-quy) 39

2.8 Giới thiệu chung về pin Lithium Ion 41

2.9 Khung, giá đỡ và dây cáp 44

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 6

Hình 1.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập 7

Hình 1.3 Hệ thống điện mặt trời hỗn hợp 8

Hình 2.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời hòa lưới có tích trữ 10

Hình 2.2 Sơ đồ đấu nối hệ thống hoà lưới 11

Hình 2.3 Hướng quay của Trái Đất theo năm 12

Hình 2.4 Thành phần của pin năng lượng mặt trời 12

Hình 2.5 Tấm pin đơn tinh thể 13

Hình 2.6 Tấm pin đa tinh thể 14

Hình 2.7 Tấm pin màng mỏng 14

Hình 2.8 Ccác bộ điều khiển sạc cơ bản 15

Hình 2.9 Sơ đồ mạch bộ điều khiển sạc 15

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch boost 17

Hình 2.11 Mạch bắt đầu làm việc khi Mosfet đóng 17

Hình 2.12 Tụ điện được nạp và dòng qua tải là dòng qua diode 18

Hình 2.13 Dòng qua tải được duy trì nhờ tụ điện 18

Hình 2.14 dạng sóng 18

Hình 2.15 Dạng sóng 18

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước 20

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 1 21

Hình 2.18 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 1 21

Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 2 22

Hình 2.20 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 2 22

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 3 23

Hình 2.22 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 3 23

Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 4 24

Hình 2.24 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 4 24

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 5 25

Hình 2.26 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 5 25

Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 6 26

Hình 2.28 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 6 26

Hình 2.29 Bộ so sánh ra tín hiệu điều khiển PWM 29

Hình 2.30 Điều chế độ rộng xung sin cho bộ nghịch lưu ba pha 30

Hình 2.31 Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 31

Hình 2.32 Đặc tính I – V khi bức xạ thay đổi và vị trí các điểm MPP 31

Hình 2.33 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 32

Hình 2.34 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 33

Hình 2.35 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O 34

Hình 2.36 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref 35

Hình 2.37 Đường đặc tính P-V và thuật toán INC 36

Hình 2.38 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref 38

Hình 2.39 acquy 39

Hình 2.40 nguyên lý hoạt động của pin 40

Hình 2.41 Quá trình sạc của pin 41

Hình 2.42 Pin lithium cơ bản 42

Hình 2.43 Quá trình sạc - xả của pin 44Hình 2.44 cấu trúc giá đỡ cơ bản 45

MỤC LỤC BẢNG

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

MPPT Maximum Power Tracking Point

Tìm điểm công suất cực đại

AC Alternating Current Điện xoay chiều

P&O Perturb and Observer Nhiễu loạn và quan sát INC Incremental Conductance Điện dẫn gia tăng

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam và Thế giới Đối với Thế Giới:

• Trung Quốc: Hiện được xem là quốc gia có khả năng sản xuất điện năng lượng mặt trời (điện mặt trời) lớn nhất trên thế giới với khả năng sản xuất lên đến 1330 Gigawatts (GW) mỗi năm Đây cũng là nước sở hữu dự án Điện mặt trời lớn nhất thế giới với công suất lên đến 1,547-MW ở sa mạc Tengger Cơ quan Năng lượng Quốc tế cho biết, vào năm 2018, Trung Quốc lắp đặt một nửa tổng công suất lượng năng lượng mặt trời mới trên toàn thế giới Đây cũng là đất nước đầu tiên lắp đặt hơn 100 Gigawatt công suất năng lượng mặt trời, tương đương với lượng điện được sản xuất từ 75 nhà máy năng lượng hạt nhân Tính đến đầu năm 2019, Trung Quốc sở hữu 6 trong 10 công ty sản xuất mô-đun năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới Việc phát triển thành công những dự ánđiện mặt trời này một phần là nhờ Trung Quốc là nhà sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới Mức sản xuất pin mặt trời tại quốc gia này hiện đã vượt qua mục tiêu của chính phủ về lắp đặt năng lượng mặt trời

• Nhật Bản: Với lợi thế là một cường quốc về khoa học - công nghệ phát triển bậc nhất trên thế giới, Nhật Bản cũng đã sớm nhận thức vai trò và tầm quan trọng của nguồn năng lượng sạch đối với phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Ngay từ năm 2008, Chính phủ Nhật Bản đã thực hiện chính sách hỗ trợ cho vay mua nhà sử dụng năng lượng tái tạo với thời gian trả nợ tối đa là 10 năm Trong đó, đối với những gia đình cải tạo nhà, chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời được vay số tiền tối đa lên đến 5 triệu yen, tương đương gần 5.000 USD Ngoài ra, Chính phủ Nhật Bản còn mua điện sản xuất từ năng lượng mặt trời với giá cao hơn giá thị trường và giảm giá bán các tấm pin năng lượng mặt trời

Để tiếp tục thúc đẩy phát triển điện mặt trời, tháng 8/2011, Nhật Bản đã ban hành Luật Trợ giá (FiT) mua năng lượng tái tạo, khuyến khích người dân tự sản xuất điện mặt trời tại nhà và từ đó xây dựng các trung tâm điện mặt trời lớn và tập trung Luật FiT cho phép hỗ trợ giá điện sản xuất từ năng lượng mặt trời khi các doanh nghiệp tư nhân muốn đầu tư Giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2014, công suất lắp đặt điện mặt trời tại Nhật Bản tăng mạnh từ 5.000 MW lên 25.000 MW Đến nay, đã có

khoảng 2,4 triệu khách hàng (bao gồm hộ gia đình, doanh nghiệp…) lắp đặt điện mặt trời áp mái ở Nhật Bản

• Mỹ: Là quốc gia dẫn đầu thế về phát triển năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng mặt trời cũng đã được quốc gia này quan tâm đầu tư phát triển từ khá sớm Năm 1982, tại bang California đã xây dựng nhà máy quang điện công suất 1 MW đầu tiên trên thế giới, nhờ việc tận dụng điều kiện lý tưởng về tự nhiên khi tại đây có khoảng 102,7 nghìn km2 là sa mạc nắng nóng - điều kiện lý tưởng để phát triển điện mặt trời

Đến giai đoạn 2011-2014, cũng tại California đã xây dựng 2 nhà máy điện mặt trời lớn Đó là Trang trại quang điện Topaz (công suất 550 MW), với tổng mức đầu tư khoảng 2,5 tỷ USD Topaz được hoàn thành và đi vào hoạt động tháng 11/2014 Tại đây có khoảng 9 triệu tấm pin mặt trời được lắp đặt trên diện tích gần 25 km2 Cùng với đó là Nhà máy điện mặt trời Ivanpah (công suất 392 MW) có tổng vốn đầu tư khoảng 2,2 tỷ USD, được xây dựng trên diện tích khoảng 13 km2, tại sa mạc Mojave, bang California Nhà máy được khởi công xây dựng từ tháng 10/2010, đi vào vận hành từ tháng 2/2014 Khi vận hành hết công suất, hệ thống Ivanpah sẽ cấp điện đủ cho 140 nghìn hộ gia đình

• Thái Lan: Tại khu vực ASEAN, hiện nay Thái Lan được đánh giá là quốc gia dẫn đầu khu vực trong sử dụng điện mặt trời Theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế, Thái Lan xếp thứ 15 trong Top toàn cầu năm 2016, với công suất hơn 3.000 MW, cao hơn tất cả các nước ASEAN khác cộng lại Dự kiến, công suất lắp đặt điện mặt trời tại Thái Lan đến năm 2036 là 6.000 MW

Thái Lan là nước đầu tiên áp dụng biểu giá FiT (trợ giá) cho năng lượng tái tạo; trong đó các dự án năng lượng mặt trời nhận được FiT cao nhất, với mức 23 cent/kWh cho 10 năm Sau đó, chương trình này được thay thế bằng chương trình FiT 25 năm với giá 17 đến 20 cent/kWh tùy thuộc vào loại máy phát điện

• Singapore: Là một quốc gia điển hình trong phát triển năng lượng sạch, trong đó điện mặt trời và điện gió là những ưu tiên hàng đầu

Năm 2016, Singapore đã công bố tài trợ hơn 700 triệu USD cho các hoạt động Nghiên cứu và Phát triển ở khu vực công trong 5 năm nhằm tìm ra giải pháp cho phát triển bền vững đô thị Hiện Singapore đang thử nghiệm xây dựng các nhà máy năng lượng mặt trời trong đô thị và các trạm điện mặt trời nổi trên các hồ chứa

Để thúc đẩy các dự án điện mặt trời, Singapore cung cấp các mức thuế cạnh tranh và ưu tiên phát triển thị trường buôn bán điện cạnh tranh Theo đó, tất cả người tiêu dùng, trong đó có các hộ gia đình sẽ có quyền lựa chọn nhà cung cấp điện cho mình

• Indonesia: Đầu năm 2017 quốc gia này đã thông qua luật về năng lượng tái tạo, trong đó thay đổi mức thuế suất đối với các dự án năng lượng tái tạo Theo luật mới, mức hỗ trợ FiT sẽ dựa trên chi phí cung cấp điện trung bình của khu vực, nơi dự án điện năng lượng mới được xây dựng Mức hỗ trợ theo chương trình mới là từ 6,5 đến 11,6 cent/kWh Luật mới của Indonesia cũng cho phép điện mặt trời cạnh tranh trực tiếp với các nhà máy nhiệt điện đốt than - hình thức sản xuất điện năng phổ biến ở Indonesia

• Malaysia: Chính sách về năng lượng mặt trời đã được quy định trong Đạo luật Năng lượng tái tạo năm 2011 và được sửa đổi năm 2014 nhằm phù hợp với sự thay đổi của thị trường cũng như việc giảm giá các tấm pin năng lượng Ngoài ra, cơ chế thanh toán bù trừ cũng được quốc gia này áp dụng vào năm 2016 với mục tiêu đạt 500 MW điện mặt trời vào năm 2020 tại bán đảo Malaysia và Sabah Theo đó, người tiêu dùng chỉ tốn 1m2 lắp đặt là có thể tạo ra điện năng cho gia đình và bán năng lượng dư thừa cho điện lưới quốc gia Nhờ các chính sách hỗ trợ về giá, công suất lắp đặt pin mặt trời tại Malaysia năm 2019 đạt 338 MW

* Tại Việt Nam:

• Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời rất lớn Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam do 3 viện nghiên cứu hàng đầu của Tây Ban Nha là CIEMAT, CENER, IDEA lập dựa trên cơ sở số liệu của 171 trạm đo khí tượng thủy văn của Việt Nam đo số giờ nắng trong 30 năm, cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh trong 5 năm và dữ liệu của 12 trạm đo khí tượng thủy văn tự động trong 2 năm

• Theo bản đồ bức xạ do Ngân hàng Thế giới (WB) phát triển, tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam về mặt lý thuyết là rất lớn Cường độ bức xạ mặt trời dao động từ 897 - 2108 kWh/m2/năm, tương đương 2,46 và 5,77 kWh/m2/ngày (MOIT & AECID, 2015) Cường độ bức xạ cao nhất tập trung ở các tỉnh Tây Nguyên và Nam bộ như Đắk Lắk, Gia Lai, Nha Trang, Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây Ninh và Bình Phước

3 dạng tiềm năng điện mặt trời

Tiềm năng điện mặt trời có thể được chia ra làm 3 dạng: Tiềm năng lý thuyết, tiềm năng kỹ thuật, tiềm năng kinh tế

Hình 1.1 Bản đồ bức xạ tại Việt Nam

Tiềm năng lý thuyết: Dựa vào các số liệu về dữ liệu bức xạ mặt trời, số ngày nắng trung bình thu thập từ các cơ quan đo đạc, quan trắc khí hậu để xác định sơ bộ tiềm năng năng lượng mặt trời lý thuyết của Việt Nam

Tiềm năng kỹ thuật: Từ bản đồ địa hình, địa chất, bản đồ quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch khu kinh tế, cụm công nghiệp kết hợp bản đồ tiềm năng điện mặt trời lý thuyết xây dựng bản đồ tiềm năng điện mặt trời kỹ thuật sơ bộ (các vùng có tiềm năng điện mặt trời có thể triển khai xây dựng và vận hành dự án điện mặt trời với điều kiện kỹ thuật)

Qua phân tích kết quả tính toán tiềm năng kỹ thuật, tổng diện tích khả dụng là rất lớn, chiếm gần 14% tổng diện tích toàn quốc, với tiềm năng kỹ thuật khả dụng đến 1,677,461MW

Tiềm năng kinh tế: Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tính cạnh tranh về chi phí không đồng đều giữa các khu vực; xác định diện tích và quy mô công suất các vùng dự án điện mặt trời kinh tế

Tiềm năng kinh tế sẽ được chia ra 2 kịch bản thấp và cao với chi phí tránh được quy dẫn được sử dụng để tính toán tiềm năng tương ứng với 02 kịch bản này

Việt Nam có một tiềm năng năng lượng mặt trời to lớn (xem bảng dưới đây), được phân bổ tương đối đồng đều tại miền Trung và miền Nam, một phần tại các tỉnh Tây Bắc của miền Bắc

Xác định rõ được tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời trên toàn quốc sẽ góp phần cụ thể hóa việc thực hiện chiến lược phát triển năng lượng tái tạo quốc gia, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, góp phần giảm ô nhiễm môi trường, bảo đảm mục tiêu và vai trò phát triển kinh tế vùng.

1.2 Phân loại hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Tất cả các loại hệ thống điện mặt trời đều hoạt động dựa trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau Các tấm pin đầu tiên chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện một chiều bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện (PV) Sau đó, nguồn điện một chiều có thể được lưu trữ trong pin hoặc được biến đổi bằng bộ biến tần năng lượng mặt trời thành điện xoay chiều có thể được sử dụng để chạy các thiết bị gia dụng Tùy thuộc vào từng loại hệ thống, lượng điện mặt trời dư thừa có thể được đưa vào lưới điện để bán điện, hoặc được lưu trữ trong hệ thống pin lưu trữ

Có 3 loại hệ thống điện mặt trời chính:

1 On-grid – còn được gọi là hệ thống nối lưới hoặc hòa lưới 2 Off-grid – còn được gọi là hệ thống điện độc lập

3 Hybrid – Hệ thống kết nối lưới điện với bộ lưu trữ pin

1.2.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-grid)

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới là hệ thống sử dụng phổ biến nhất hiện nay, nguồn điện mặt trời tạo ra được ưu tiên dùng cho các thiết bị điện Khi nhu cầu sử dụng điện lớn hơn lượng điện từ hệ thống điện năng lượng mặt trời tạo ra, hệ thống sẽ lấy điện lưới quốc gia để sử dụng Khác biệt so với hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập, hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới không có bộ ắc quy lưu trữ và được đấu nối hòa chung với mạng điện lưới của EVN

Hình 1.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới ▪ Ưu điểm

• Chi phí đầu tư ban đầu thấp • Hệ thống lắp đặt đơn giản

• Có thể bán điện dư thừa cho điện lưới Quốc gia • Vận hành tự động, ít phải bảo trì

• Giảm tải cho điện lưới quốc gia ▪ Nhược điểm

• Khi điện lưới mất thì hệ thống điện mặt trời cũng tự ngắt để đảm bảo an toàn

• Khó lắp đặt đối với những nơi đang không mua điện trực tiếp từ điện lực nhà nước (EVN)

▪ Ứng dụng

• Nơi có điện lưới ổn định

• Muốn giảm chi phí tiền điện bằng cách vừa giảm lượng điện lưới sử dụng, đồng thời vừa bán lại điện dư thừa cho điện lực

1.2.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-grid):

Với hệ thống điện mặt trời độc lập, hệ thống sẽ sản xuất ra điện sau đó dẫn điện đến các bình ắc quy để lưu trữ điện Hệ thống này hoạt động độc lập, hoàn toàn không phụ thuộc vào nguồn điện lưới Quốc gia

Hình 1.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập ▪ Ưu điểm:

• Điện vẫn hoạt động trong trường hợp điện lưới mất

• Không phụ thuộc vào hệ thống điện lưới nên thường sử dụng cho các thiết bị điện lưu động

▪ Nhược điểm:

• Chi phí đầu tư hệ thống cao vì phải có thêm các thiết bị lưu trữ năng lượng như ắc quy, bộ điều khiển sạc, biến tần độc lập

• Do bộ ắc quy hoạt động liên tục nên sẽ bị giảm tuổi thọ sử dụng, nên phải thay thường xuyên

• Hiệu suất thấp do hao hụt điện năng lớn vì qua nhiều thiết bị chuyển đổi

• Hệ thống phức tạp dẫn đến có thể phát sinh về hư hỏng trong quá trình vận hành

▪ Ứng dụng:

• Hệ thống điện mặt trời độc lập phù hợp với địa điểm không có điện lưới Quốc gia hoặc nơi có nguồn điện lưới không ổn định như miền núi • Các thiết bị lưu động sử dụng điện hoặc các đèn giao thông công cộng

1.2.3 Hệ thống điện mặt trời hỗn hợp (Hybrid):

Đây chính là sự kết hợp giữa 2 hệ thống điện mặt trời độc lập và hòa lưới Hệ thống điện mặt trời hybrid vừa có thể hoà lưới điện quốc gia, vừa có ắc quy để lưu trữ điện phục vụ cho các nhu cầu cần thiết

Hệ thống điện mặt trời Hybrid có khả năng phục vụ nhu cầu sử dụng điện của khách hàng một cách tốt nhất Hệ thống này vừa có khả năng lưu trữ điện năng để dự phòng cho trường hợp bị ngắt điện lưới và vừa có khả năng bán lại điện dư thừa cho EVN nhờ được hòa vào điện lưới

Hình 1.3 Hệ thống điện mặt trời hỗn hợp ▪ Ưu điểm

• Luôn đảm bảo nguồn điện để tiêu thụ • Có thể sử dụng ở mọi địa điểm lắp đặt

▪ Nhược điểm

• Chi phí đầu tư khá cao do có nhiều thiết bị tổ hợp cùng nhau

• Nguyên lý hoạt động khá phức tạp khiến công tác lắp đặt, cài đặt khó khăn

• Phải thay ắc-quy liên tục vì tuổi thọ của ắc-quy ngắn, chỉ khoảng 2-3 năm

• Hiệu suất thấp do hao hụt điện năng lớn do qua nhiều thiết bị chuyển đổi

• Hệ thống phức tạp, dẫn đến có thể phát sinh hư hỏng trong quá trình vận hành

▪ Ứng dụng

• Nơi hoặc khu vực đặc biệt, cần duy trì nguồn điện liên tục

• Được lắp đặt ở cả các địa điểm có điện lưới hoặc không có điện lưới

1.3 Nội dung của đề tài

Tôi đã chọn đề tài tìm hiểu về điện năng lượng mặt trời hòa lưới có tích trữ vì nó đại diện cho một hướng phát triển quan trọng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo Sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và hệ thống lưu trữ mang lại nhiều lợi ích đáng kể, từ việc tối ưu hóa sử dụng nguồn năng lượng đến việc cung cấp nguồn điện ổn định và liên tục Bên cạnh đó, đề tài này còn mở ra cơ hội khám phá về công nghệ, quản lý hệ thống, khía cạnh kinh tế và pháp lý, cũng như tích hợp vào hạ tầng điện hiện có Tôi tin rằng việc nghiên cứu sâu hơn về điện năng lượng mặt trời hòa lưới có tích trữ không chỉ mang lại kiến thức mới mà còn đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng và xã hội

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điện mặt trời hòa lưới Chương 3: Kết luận và kiến nghị

TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống pin mặt trời hòa lưới có tích trữ

Nhiên liệu hóa thạch theo tính toán của các nhà khoa học và môi trường học sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa nếu cứ sử dụng với tốc độ hiện nay Việc tìm năng

lượng thay thế là bài toán cấp bách của toàn nhân loại

Hình 2.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời hòa lưới có tích trữ

Stt Tên thiết bị Ghi chú

1 Solar Cells Panel Monocrystalline (đơn tinh thể ) Polycrytalline (đa tinh thể)

2 Solar Regulator Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ thống

3 DC-AC Inverter Dạng sóng ra : Step Wave hoặc Sine Wave 4 Battery (ắc-quy) Bình khô, kín khí, không cần bảo dưỡng

Hình 2.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời hòa lưới có tích trữ

5 Khung, gá Chuyên dụng cho hệ thống

6 Dây cáp Chuyên dụng cho hệ thống (ngoài trời và trong nhà)

7 Phụ kiện lắp đặt Linh, phụ kiện đồng bộ khác

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động * Sơ đồ hệ thống

Hình 2.2 Sơ đồ đấu nối hệ thống hoà lưới

Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hoà tự động các quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV…)

* Tấm pin mặt trời (Solar Panel) - Hướng đặt

Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) cũng là 1 vấn đề chúng ta đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại 1 địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu khác nhau

- Cấu tạo pin:

Hình 2.3 Hướng quay của Trái Đất theo năm

Hình 2.4 Thành phần của pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều tế bào quang điện (gọi là solar cells) Tế bào quang điện này là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là đi ốt quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện

Các chỉ số cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm pin thay đổi phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện này được ghép lại thành một khối để trở thành pin mặt trời (thông thường sẽ từ 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin)

Pin mặt trời Solar panel được chia làm ba loại:

Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Hình 2.5 Tấm pin đơn tinh thể

Đa tinh thể: làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau đó được làm nguội và làm rắn Các loại pin này có giá rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Hình 2.6 Tấm pin đa tinh thể

Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể: Loại này thường có hiệu suất thấp nhất và có giá rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module

Hình 2.7 Tấm pin màng mỏng

Hình 2.8 Ccác bộ điều khiển sạc cơ bản

Hình 2.9 Sơ đồ mạch bộ điều khiển sạc

Nguyên lý hoạt động rất đơn giản như sau :

Điotzen tạo điện áp tham chiếu ở đây sử dụng điotzen 6V Nhờ điot này mà điện áp tham chiếu vào chân 2 luôn được giữ cố định dù bình đã vơi điện

Biến trở và các điện trở phân áp vào chân số 3 lấy điện áp thực tế của bình so sánh với điện áp tham chiếu ở chân số 2 Khi điện áp của bình chứa đầy điện áp ở chân số 3 nhỏ hơn điện áp chân 2 đầu ra khuếch đại thuật toán ở mức 0 , rơle chưa có điện áp kích mở , dòng điện được nạp ở bình nhờ cầu điot Khi bình đầy chân số 3 điện áp lớn hơn điện áp so sánh , lúc này chân 6 cấp dòng kích mở transitor đóng điện cho rơle, khi đó sẽ cách ly bình với dòng nạp , đèn led báo sáng , khi đó ta có thể ngắt bình ra được

Chú ý: bình ắc quy đầy ở điện áp tầm 13,7V sử dụng biến trở điều chỉnh

đúng điện áp sao cho rơle tự ngắt ở điện áp này, nếu không có điotzen 6v thì dùng điotzen 3v vẫn được nhưng cần phân áp lại, IC ở đây là Lm741 có thể thay thế bằng các loại khác như Lm358, 324 Cần xác định đúng chân trước khi dùng

Dòng nạp nhỏ hơn 1/10 dung lượng ắc quy sẽ kéo dài tuổi thọ của bình , với loại bình 25A thì biến áp chọn loại 3A là hợp lý

Rơle sẽ không đóng ngay lập tức mà từ từ do đó sẽ điều chỉnh được dòng nạp hợp lý ta không cần băn khoăn về điều này

2.4 Bộ tăng áp DC-DC

➢ Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý

Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC (hay DC-DC converter) là bộ chuyển đổi nguồn DC sang DC có chức năng tăng điện áp (trong khi giảm dòng điện) từ đầu vào (nguồn cung cấp) đến đầu ra tải

Mạch này gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản đó là cuộn dây L, khóa chuyển mạch Mosfet, diode D và tụ điện C

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch boost

Nguồn cho mạch tăng áp có thể đến từ bất kỳ nguồn DC phù hợp nào, chẳng hạn như pin lion, pin mặt trời, bộ chỉnh lưu và máy phát điện một chiều

➢ Nguyên lý hoạt động

Khi Mosfet dẫn (kích vào chân G) lúc này điện áp trên L bằng V, lúc này diode D ngắt do bị phân cực ngược và nó sẽ cắt mạch tải ra khỏi nguồn đồng thời dòng trong cuộn dây L sẽ xuất hiện và tăng dân từ giá trị ban đầu là I, lúc này dòng qua tài được duy trì nhờ tụ C đóng vai trò là nguồn (Tụ C xả)

Đến thời điểm ta cho Mosfet ngắt lúc này trên cuộn dây L xuất hiện một điện áp tự cảm chống lại sự giảm dòng I, Diện áp tự cảm này cộng với nguồn V có chiều dương đặt vào chân Anot của diode làm diode dẫn ngay lập tức và nó nạp bổ xung cho tụ C

Quá trình như vậy cứ lập đi lập và và có điện áp cấp cho tải

Hình 2.11 Mạch bắt đầu làm việc khi Mosfet đóng