TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI

Đồ án điện công nghiệp: "TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI". Trong đó tìm hiểu các hệ thống điện mặt trời, các tấm pin, bộ tăng áp, bộ nghịch lưu, thuật toán tìm điểm công suất cực đại MPPT.

Trang 1

TS Quách Ngọc Thịnh Trần Hữu Lợi (MSSV:CD22T5Q501)

Ngành: Kỹ thuật điện - Khóa:2022

Tháng 06/2024

Trang 2

□ LVTN □ TLTN 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: Trần Hữu Lợi MSSV: CD22T5Q501 Ngành: Kỹ thuật điện Khóa: 2022

Email: tranhuuloi@msn.com ĐT: 0797217799 2 Tên đề tài: Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hoà lưới, 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: Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới

6 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài: Đề tài tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô hình toán học của các thành phần trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới như: Tấm pin mặt trời, bộ tăng áp, bộ nghịch lưu, và tìm hiểu các thuật toán bám điểm công suất cực đại của tấm pin là P&O và INC

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

(Ký tên và ghi rõ họ tên) (Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 3

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, 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

Trang 4

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, 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

Trang 5

1.2 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam 2

1.3 Ứng dụng năng lượng mặt trời 6

1.3.1 Năng lượng mặt trời 6

1.3.2 Điện mặt trời PV 7

1.3.3 Nhiệt mặt trời – Hệ thống điện mặt trời tập trung 7

1.4 Nội dung đề tài 9

Chương 2 11

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI 11

2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời PV 11

2.1.1 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện 11

2.1.2 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện 13

2.1.3 Hệ thống lai: hòa lưới có lưu trữ 14

2.2 Giới thiệu hế thống điện mặt trời hòa lưới 17

2.3 Pin mặt trời 18

2.3.1 Khái niệm về pin mặt trời 18

2.3.2 Hiệu ứng quang điện 19

2.3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 19

2.5 Nghịch lưu nguồn áp 3 pha 29

2.6 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 39

Trang 6

2.6.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observer) 42

2.6.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 45

Trang 7

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Năng lượng mặt trời 1

Hình 1.2 Biểu đồ bức xạ mặt trời theo tỉnh 3

Hình 1.3 Bức xạ mặt trời theo từng khu vực tại Việt Nam 4

Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời Trung Nam Thuận Bắc 450 MW lớn nhất Việt Nam 5

Hình 1.5 Cụm nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng DT1 và DT2 – 420 MW 5

Hình 1.6 Nhà máy điện mặt trời Phú Mỹ – 330 MW 6

Hình 1.7 Tế bào quang điện 7

Hình 1.8 Điện năng lượng mặt trời tập trung 8

Hình 1.9 Các công nghệ CSP 8

Hình 1.10 Phân bổ các loại hình công nghệ CSP trên thế giới 9

Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện 11

Hình 2.2 Hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện 12

Hình 2.3 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện 13

Hình 2.4 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện 13

Hình 2.5 Hệ thống nối với lưới điện dự phòng 15

Hình 2.6 Hệ thống nối với lưới điện dự phòng 15

Hình 2.7 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có dự trữ 16

Hình 2.8 Điện mặt trời hoà lưới 17

Hình 2.9 Cấu trúc điện mặt trời hoà lưới với bộ nghịch lưu nguồn áp và bộ tăng áp 18

Hình 2.10 Pin quang điện 19

Hình 2.11 Hiệu ứng quang điện 19

Hình 2.12 Cấu tạo pin măt trời 20

Hình 2.13 Các bộ phận của pin mặt trời 20

Hình 2.14 Hộp đấu dây 22

Hình 2.15 Jack kết nối 23

Hình 2.16 Hoạt động của pin mặt trời 23

Hình 2.17 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 25

Hình 2.18 Đặc tính V-A và đặc tính P-V của pin mặt trời 26

Hình 2.19 Đặc tính V-A ở các nhiệt độ khác nhau 26

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý mạch boost 27

Hình 2.21 Dạng sóng 28

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước 29

Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 1 30

Hình 2.24 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 1 30

Hình 2.35 Bộ so sánh ra tín hiệu điều khiển PWM 38

Trang 8

Hình 2.36 Điều chế độ rộng xung sin cho bộ nghịch lưu ba pha 39

Hình 2.37 Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 40

Hình 2.38 Đặc tính I – V khi bức xạ thay đổi và vị trí các điểm MPP 40

Hình 2.39 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 41

Hình 2.40 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 42

Hình 2.41 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O 43

Hình 2.42 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref 44

Hình 2.43 Đường đặc tính P-V và thuật toán INC 45

Hình 2.44 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref 47

Trang 9

MỤC LỤC BẢNG

Trang 10

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

MPPT Maximum Power Tracking Point

Tìm điểm công suất cực đại

DC Direct Current Điện một chiều AC Alternating Current Điện xoay chiều PV Photovoltaic Pin quang điện

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

Trang 11

Hình 1.1 Năng lượng mặt trời

Vai trò của năng lượng mặt trời rất quan trọng trong việc đảm bảo nguồn điện bền vững có thể được tóm tắt như sau:

* Tái tạo và không tận dụng: Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng

tái tạo, điều này có nghĩa là nó không cạn kiệt và luôn có sẵn mỗi ngày Ánh sáng mặt trời chiếu sáng lên Trái Đất trong suốt thời gian 24 giờ, tạo ra tiềm năng lớn để khai thác năng lượng mặt trời

* Không gây ô nhiễm môi trường: Năng lượng mặt trời không gây ra khí

thải hoặc chất thải độc hại trong quá trình sản xuất điện Điều này giúp giảm thiểu tác động tiêu cực lên môi trường, bảo vệ sức khỏe con người và duy trì sự cân bằng sinh thái

Trang 12

* Khả năng phân phối rộng rãi: Mặt trời là một nguồn năng lượng phân tán

toàn cầu và có thể được tận dụng ở khắp mọi nơi trên Trái Đất Việc cài đặt các hệ thống năng lượng mặt trời nhỏ, chẳng hạn như trên mái nhà hoặc công trình, cho phép mỗi gia đình hoặc doanh nghiệp tạo ra và sử dụng nguồn điện riêng biệt

1.2 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam được xem là một trong những quốc gia có tiềm năng lớn để khai thác năng lượng mặt trời

Trang 13

Hình 1.2 Biểu đồ bức xạ mặt trời theo tỉnh

Vị trí địa lý và khí hậu thuận lợi: Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á, được thiên nhiên ban tặng với vị trí địa lý thuận lợi Với diện tích rộng lớn và việc tiếp nhận ánh sáng mặt trời suốt năm, Việt Nam có tiềm năng lớn để khai thác năng lượng mặt trời

Lượng ánh sáng Mặt trời dồi dào: Với cường độ ánh sáng cao và lượng giờ nắng hàng ngày, tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam ở mức đáng kể Theo các

Trang 14

nghiên cứu, mỗi mét vuông của lãnh thổ Việt Nam nhận được khoảng 4-5 kWh ánh sáng Mặt trời mỗi ngày, tương đương với hơn 1.500 kWh ánh sáng Mặt trời mỗi năm Phân bố đồng đều và phong cách sống dân cư phù hợp: Việt Nam có một phân bố đồng đều về ánh sáng Mặt trời trên toàn quốc, từ miền Bắc đến miền Nam Điều này tạo ra cơ hội để khai thác năng lượng mặt trời ở các khu vực đô thị, nông thôn, khu công nghiệp và các khu du lịch

Hình 1.3 Bức xạ mặt trời theo từng khu vực tại Việt Nam

Nhu cầu nguồn điện tăng cao và sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch: Với tăng trưởng kinh tế và gia tăng dân số, nhu cầu về điện của Việt Nam đang tăng nhanh chóng Hiện nay, đa số nguồn điện được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, gây ô nhiễm môi trường và không đảm bảo đủ cung cấp điện cho quốc gia Việc khai thác năng lượng mặt trời sẽ giúp giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch và đảm bảo nguồn điện bền vững

Chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư: Chính phủ Việt Nam đã áp dụng nhiều chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư vào năng lượng mặt trời Điều này bao gồm ưu đãi thuế, giảm giá đất, cơ chế mua lại điện, và các quy định liên quan để thúc đẩy phát triển các dự án năng lượng mặt trời

Trong phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2050 (gọi tắt là Quy hoạch điện VIII) có ghi: Tiềm năng điện mặt trời của Việt Nam khoảng 963.000 MW (mặt đất khoảng 837.400 MW, mặt nước khoảng 77.400 MW và mái nhà khoảng 48.200 MW) Từ nay đến năm 2030, tổng

Trang 15

công suất các nguồn điện mặt trời dự kiến tăng thêm 4.100 MW; định hướng đến năm 2050, tổng công suất 168.594 - 189.294 MW, sản xuất 252,1-291,5 tỷ kWh

Tổng hợp các nhà máy điện mặt trời Việt Nam tiêu biểu:

Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời Trung Nam Thuận Bắc 450 MW lớn nhất Việt Nam

Hình 1.5 Cụm nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng DT1 và DT2 – 420 MW

Trang 16

Hình 1.6 Nhà máy điện mặt trời Phú Mỹ – 330 MW

Tóm lại, tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam là rất lớn Sử dụng hiệu quả tiềm năng này sẽ giúp Việt Nam đảm bảo nguồn điện bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đóng góp góp vào các mục tiêu bảo vệ môi trường và giảm khí nhà kính

1.3 Ứng dụng năng lượng mặt trời 1.3.1 Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi sao Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa

Về biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện Hiện nay có hai phương thức sản xuất điện từ năng lượng mặt trời:

• Chuyển đổi trực tiếp ánh sang mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời (Photovoltaic (PV)) Phương pháp này được sử dụng nhiều trong việc sản xuất điện quy mô lớn nhỏ khác nhau, cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoặc chiếu sáng công cộng …vv

Trang 17

Hình 1.7 Tế bào quang điện

• Chuyển đổi gián tiếp bằng cách tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ ánh sáng để gia nhiệt cho môi chất truyền động cho máy phát điện Phương pháp này ứng dụng để sản xuất quy mô lớn

1.3.2 Điện mặt trời PV

Về cấu trúc có 03 loại hệ thống điện mặt trời chính:

- 1 On-grid – còn được gọi là hệ thống nối lưới hoặc hòa lưới : hệ thống được kết nối với lưới điện và không có tích trữ

- 2 Off-grid – còn được gọi là hệ thống điện độc lập: hệ thống không kết nối với lưới điện, hoạt động dựa trên bộ lưu trữ accquy

- 3 Hybrid – Hệ thống hỗn hợp: là hệ thống kết nối lưới điện với bộ lưu trữ accquy

1.3.3 Nhiệt mặt trời – Hệ thống điện mặt trời tập trung

Trong những năm gần đây, các nhà máy điện mặt trời trên lãnh thổ Việt Nam sử dụng tấm pin quang điện (PV- Photovoltaic Panels) được đẩy mạnh phát triển ở miền Nam và Nam Trung Bộ Do tốc độ phát triển các nhà máy điện này quá nhanh dẫn đến hệ thống truyền tải chưa kịp đáp ứng, gây ra tình trạng quá tải hệ thống truyền tải và công suất nhà máy bị cắt giảm nếu không có thiết bị tích trữ năng lượng Trên thế giới, một loại hình tận dụng năng lượng mặt trời khác đã được nghiên cứu và phát

Trang 18

triển đó là Điện mặt trời tập trung (CSP – Concentrated Solar Power) với ưu thế có khả năng tích trữ năng lượng

Hình 1.8 Điện năng lượng mặt trời tập trung

Công nghệ CSP đến thời điểm hiện nay có 4 loại công nghệ CSP được nghiên cứu và áp dụng trên thế giới:

Hình 1.9 Các công nghệ CSP Công nghệ kiểu máng Parabol (Trough):

Công nghệ kiểu tháp (Tower)

Công nghệ kiểu hệ thống Fresnel tuyến tính (Linear Fresnel) Công nghệ kiểu đĩa (Dish Stirling)

Trang 19

Trong đó, công nghệ kiểu đĩa, tuy có hiệu suất cao hơn các hệ thống khác nhưng có nhược điểm là không có bộ lưu trữ nhiệt

Phân bổ các loại hình công nghệ CSP được ghi nhận và đánh giá như hình bên dưới đây:

Hình 1.10 Phân bổ các loại hình công nghệ CSP trên thế giới

1.4 Nội dung đề tài

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

Đặc biệt, việc chuyển điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời vào nguồn điện lưới sẽ làm giảm chỉ số tiêu thụ điện từ lưới cho mỗi đơn vị sử dụng Công nghệ này cho ta khả năng khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời đóng góp trực tiếp vào các nguồn cung cấp năng lượng cho lưới điện quốc gia 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 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới chiếm đa số ở Việt Nam Đặc biệt có hiệu quả nhất ở nơi có khí hậu

Trang 20

nóng, nhiều ánh nắng, nơi nhu cầu điện năng cao điểm trùng với những giờ nắng nóng

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 Để đạt được điều đó, pin mặt trời cần được lắp đặt tại các vị trí thuận lợi ví dụ như hướng nam, thậm chí được điều khiển xoay theo hướng mặt trời để thu được nguồn năng lượng cực đại Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời tồn tại một điểm công suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng Có nhiều phương pháp dò tìm điểm cực đại ví dụ như dùng sensor hay thuật toán… Do ở đề tài này chúng ta không dùng sensor mà dùng thuật toán Có nhiều thuật toán để tìm ra điểm công suất cực đại của tấm pin năng lượng mặt trời, trong đề tài này chọn thuật toán P&O vì thuật toán P&O được sử dụng rất phổ biến nhất trong thực tế bởi tính đơn giản của thuật toán và dễ dàng thực hiện song song với đó đề tài tìm hiểu thêm thuật toán INC để so sánh hiệu quả của 2 thuật toán

Chương 1: Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời Chương 2: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Chương 3: Kết luận và kiến nghị

Trang 21

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI

2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời PV

2.1.1 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện

Hệ thống này thường được thông dụng ở Việt Nam, 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 Hệ thống điện này thường hoạt có hiệu quả nhất ở nơi có khí hậu nóng, nhiều ánh nắng, nơi nhu cầu điện năng cao điểm trùng với những giờ nắng nóng

Mô hình và nguyên lý hoạt động:

Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện Mô tả hoạt động:

Lượng điện cung cấp trực tiếp vào hệ thống điện trong nhà và cấp ngược ra tải điện lưới quốc gia, khi lượng điện từ Pin NLMT phát ra dư dùng

Ngược lại, nếu hệ thống phát không đủ dùng thì sẽ lấy điện lưới bù vào và hệ thống sẽ ngắt điện khi điện lưới bị mất Tránh sự cố khi hệ thống Pin NLMT phát ngược lên lưới gây nguy hiểm cho người bảo trì hệ thống điện lưới

Trang 22

Hình 2.2 Hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện

• Ưu điểm:

Hệ thống nối với lưới điện, chúng ta có thể sử dụng điện mặt trời vào ban ngày, điện dư thì dẫn vào lưới điện bán cho công ty điện lực Buổi chiều hoặc tối thì chúng ta lại sử dụng điện từ công ty điện lực cung cấp

Không sử dụng bình acquy: giảm đáng kể chi phí đầu tư và bảo dưỡng cho hệ thống acquy

Bền vững, lâu dài: Do máy luôn được vận hành song song với lưới điện nên

mọi đột biến của tải hay điện áp trên đường dây và nguồn điện đều không thể tác động trực tiếp vào máy Tuổi thọ của hệ thống là tuổi thọ của các linh kiện điện tử cao cấp có thể lên tới 25 năm.ứng dụng rộng rãi cho mọi nơi như: các hộ dân, cơ quan, đơn vị đang có điện lưới quốc gia

Việc lắp đặt và sử dụng đơn giản, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp, gần như bằng không, nên thời gian thu hồi vốn được rút ngắn tối đa và chắc chắn theo dự tính đầu tư ban đầu

• Nhược điểm:

Hệ thống này nếu điện lưới bị cắt thì điện năng từ các panel mặt trời cũng bị cắt, để đảm bảo an toàn cho lưới điện Vì hệ thống này giống như hệ thống máy phát nối với lưới điện

Trang 23

2.1.2 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện

Trạm điện mặt trời độc lập cung cấp điện cho những nơi chưa có lưới điện kéo tới hay không có nguồn năng lượng khác

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.3 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện

Hình 2.4 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện

Trang 24

Nguyên lý hoạt động:

Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo

ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery) ở chế độ tối ưu nhất Khi acquy (Battery) đầy thì bộ điều khiển (charge controller) sẽ ngưng sạc hoạt sạc ở chế độ duy trì Khi acquy (Battery) cạn thì tự động vào chế độ nạp lại Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết bị trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm

Để khắc phục sự phụ thuộc này ta cần tính toán kỹ lưỡng thiết kế năng lượng mặt trời của hệ thống này Như địa điểm lắp đặt các dãy pannel mặt trời, hướng của các dãy pannel, điểu chỉnh góc đặt dãy pannel, dự đoán tránh bóng che Công suất của dãy pannel cung cấp phải lớn hơn công suất phụ tải hệ thống, để còn điện năng dư đưa vào bình acquy để có điện năng sử dụng vào ban đêm

2.1.3 Hệ thống lai: hòa lưới có lưu trữ

Hệ thống mặt trời nối với lưới điện và đề phòng sự cố còn gọi là hệ thống tương tác lưới kết hợp với hệ thống mặt trời nối với lưới điện và dãy các acquy Cũng như hệ thống nối với lưới điện, chúng ta sử dụng điện năng từ các panel mặt trời khi trời nắng và bán điện dư cho công ty điện lực Nhưng khác với hệ thống nối với lưới điện, dãy các acquy sẽ cung cấp điện ngay khi lưới điện bị cắt đột ngột, do đó hệ thống của chúng ta sẽ liên tục có điện

Trang 25

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.5 Hệ thống nối với lưới điện dự phòng

Hình 2.6 Hệ thống nối với lưới điện dự phòng

• Nguyên lý hoạt động:

Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm: Hệ thống on - grid (hệ thống nối lưới): Sản xuất điện năng từ các tấm pin mặt trời (Solar Panel) thành điện 220V AC /50Hz để hòa vào điện lưới

Trang 26

Hệ thống off - grid (hệ thống độc lập): Lưu trữ điện năng từ các tấm pin mặt trời (Solar Panel) vào acquy để sẵn sàng biến đổi thành điện 220VAC /50Hz để cung cấp cho tải khi không có điện lưới

Khi khởi động hệ thống, Acquy (battery) luôn được ưu tiên nạp điện từ Mặt trời cho đến khi đầy Lúc này hệ thống On Grid chưa làm việc

Khi acquy đầy, hệ thống sẽ tự động biến đổi điện DC từ Sola Panel thành điện AC 220V để hòa với điện lưới (Điện áp ra của hệ thống có tần số, pha trùng với điện lưới có thể là 1 pha hoặc 3 pha)

Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ tự động lấy điện DC từ Acquy và Solar để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên

Hình 2.7 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có dự trữ

Trang 27

2.2 Giới thiệu hế thống điện mặt trời hòa lưới

Điện mặt trời nối lưới hay còn gọi là điện mặt trời hòa lưới là hệ thống được sử dụng rộng rãi ở các hộ gia đình, văn phòng, toàn nhà, nhà xưởng, nhà máy, các trường học, bệnh viện, trung tâm thương mại, siêu thị, nhà ga, sân bay và các nhà máy sản xuất điện mặt trời

Hình 2.8 Điện mặt trời hoà lưới

Cấu trúc của điện mặt trời hoà lưới gồm 4 thành phần: - Pin mặt trời

- Bộ tăng áp DC-DC (DC booster) - Bộ chỉnh lưu DC-AC (inverter) - Bộ điều khiển MPPT

Trang 28

Hình 2.9 Cấu trúc điện mặt trời hoà lưới với bộ nghịch lưu nguồn áp và bộ tăng áp

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI

♦ Các tấm pin mặt trời hấp thụ bức xạ từ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều (DC)

♦ Inverter chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC)

♦ Điện xoay chiều (AC) từ Hệ thống điện mặt trời và từ lưới điện sẽ đồng thời cung cấp điện cho các tải tiêu thụ trong gia đình, tòa nhà văn phòng, nhà xưởng v.v ♦ Khi lượng điện phát ra từ hệ thống điện mặt trời lớn hơn lượng điện tiêu thụ của các thiết bị tiêu thụ điện, phần điện dư sẽ được phát lên lưới điện quốc gia để bán lại cho EVN , đồng hồ 2 chiều sẽ ghi nhận lượng điện phát lên lưới

♦ Khi lượng điện phát ra từ hệ thống điện mặt trời nhỏ hơn lượng điện tiêu thụ của các thiết bị tiêu thụ điện, thiết bị sẽ tự động lấy thêm điện từ lưới điện của EVN, và hàng tháng khách hàng phải thanh toán tiền điện này cho EVN

Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ bị tắt

2.3 Pin mặt trời

2.3.1 Khái niệm về pin mặt trời

Pin quang điện (hay còn gọi là pin mặt trời, như hình) là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện

Trang 29

Hình 2.10 Pin quang điện

2.3.2 Hiệu ứng quang điện

Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect), như hình

Hình 2.11 Hiệu ứng quang điện

2.3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ➢ Cấu tạo

Pin mặt trời có cấu tạo tương tự như một diode bán dẫn gồm có 2 lớp bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, nhưng có diện tích bề mặt rộng Mặt trên là lớp bán dẫn loại N (Chất bán dẫn Si pha tạp chất P) cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua, lớp bán dẫn này tiếp xúc với lớp bán dẫn loại P (Chất bán dẫn Si pha tạp chất B), hình 1.4 Ngoài ra, một pin mặt trời còn có một số thành phần khác như các điện cực, lớp phủ chống phản xạ và đế cách điện Hình bên dưới cho thấy cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời:

Trang 30

Hình 2.12 Cấu tạo pin măt trời

Pin năng lượng mặt trời được chia làm 8 bộ phận gồm: khung nhôm, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin (phía sau), hộp đấu dây (junction box), cáp điện, Jack kết nối MC4

Hình 2.13 Các bộ phận của pin mặt trời

1 Khung nhôm: có chức năng tạo ra một kết cấu đủ cứng cáp để tích hợp solar cell và các bộ phận khác lên Với thiết kế cứng cáp nhưng vẫn đảm bảo trọng lượng đủ nhẹ, khung nhôm có thể bảo vệ và cố định các thành phần bên trong trước tải trọng