Hệ thống pin năng lượng mặt trời là một giải pháp bền vững để khai thác năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng cho các nhu cầu sử dụng.. Bộ biến tần Inverter: Biến tần chuyển
Trang 1CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG PIN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI
1 Giới thiệu hệ thống
Hệ thống pin năng lượng mặt trời là một giải pháp bền vững để khai thác năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng cho các nhu cầu sử dụng
2 Cấu tạo
Tấm pin mặt trời (Solar Panels): Chức năng của chúng là hấp thụ ánh sáng mặt trời
và chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC) Tấm pin được tạo từ các tế bào quang điện làm từ silicon hoặc các vật liệu bán dẫn khác
Bộ điều khiển sạc (Charge Controller): Bộ điều khiển sạc giúp kiểm soát dòng điện
đi từ tấm pin vào pin lưu trữ (hoặc acquy) để tránh tình trạng sạc quá mức hoặc xả quá mức, giúp bảo vệ tuổi thọ của pin
Bộ biến tần (Inverter): Biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ tấm pin hoặc pin lưu trữ thành dòng điện xoay chiều (AC) để sử dụng cho các thiết bị điện trong gia đình hoặc công ty
Pin lưu trữ (Battery): Pin lưu trữ là nơi tích trữ năng lượng dư thừa từ các tấm pin đểsử dụng khi không có ánh sáng mặt trời, như ban đêm hoặc trong các ngày ít nắng
Hệ thống khung đỡ và dây dẫn: Đảm bảo các tấm pin được lắp đặt đúng hướng và
an toàn Dây dẫn chất lượng cao cũng giúp truyền tải điện hiệu quả hơn
Hệ thống giám sát (Monitoring System): Một số hệ thống năng lượng mặt trời có tích hợp hệ thống giám sát để theo dõi hiệu suất và tình trạng hoạt động, giúp dễ dàng phát hiện và khắc phục sự cố
3 Nguyên lý hoạt động
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin, năng lượng từ ánh sáng này sẽ được chuyển hóa thành dòng điện một chiều Dòng điện này sau đó sẽ đi qua bộ điều khiển sạc và được chuyển thành dòng điện xoay chiều thông qua biến tần để phục
vụ cho các thiết bị điện
4 Các cách tính toán hệ thống
4.1 Hệ thống On-grid
Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới (On-grid) là một loại hệ thống phổ biến,
được kết nối trực tiếp với lưới điện quốc gia Đây là một giải pháp giúp tiết kiệm điện năng cho người sử dụng và có khả năng bán lại điện dư thừa cho các công ty điện lực
Trang 2a Thành phần hệ thống On-grid.
Tấm pin năng lượng mặt trời (Solar Panels): Các tấm pin này hấp thụ ánh sáng mặt
trời và chuyển đổi nó thành dòng điện một chiều (DC)
Bộ biến tần (Inverter) nối lưới: Biến tần là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống
on-grid Nó chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ các tấm pin thành dòng điện xoay chiều (AC) phù hợp với điện lưới và đồng bộ pha để có thể sử dụng và đưa vào lưới điện quốc gia
Công tơ hai chiều (Net Meter): Công tơ này đo lượng điện năng tiêu thụ từ lưới và
lượng điện năng phát từ hệ thống lên lưới Đây là công cụ giúp ghi nhận lượng điện dư thừa được bán lại và tính toán lượng điện còn thiếu phải mua từ lưới
Hệ thống giám sát: Giúp theo dõi sản lượng điện của hệ thống on-grid theo thời
gian thực, kiểm tra hiệu suất và báo cáo các vấn đề có thể xảy ra
b Nguyên lý hoạt động hệ thống On-grid
Ban ngày, các tấm pin sẽ thu nhận ánh sáng mặt trời và chuyển thành dòng điện
một chiều (DC) Dòng điện này sẽ đi qua bộ biến tần để chuyển thành dòng điện xoay chiều (AC) phù hợp với điện lưới và nhu cầu sử dụng của gia đình
Điện năng dư thừa: Nếu năng lượng tạo ra từ hệ thống vượt quá nhu cầu tiêu thụ
của ngôi nhà, lượng điện dư này sẽ được đưa vào lưới điện quốc gia thông qua công tơ hai chiều Lượng điện này sẽ được ghi lại và thanh toán dựa trên cơ chế
“đồng hồ điện hai chiều” (net metering)
Thiếu điện: Khi nhu cầu tiêu thụ điện lớn hơn công suất phát của hệ thống (ví dụ,
vào ban đêm hoặc ngày mưa), hệ thống sẽ tự động lấy điện từ lưới điện quốc gia để
bù vào
c Ưu điểm hệ thống On-grid
Tiết kiệm chi phí: Hệ thống on-grid giúp giảm hóa đơn tiền điện do người dùng chỉ phải trả phần điện sử dụng mà hệ thống chưa cung cấp đủ
Khả năng bán điện dư thừa: Với công tơ hai chiều, người dùng có thể bán lại lượng điện dư thừa cho công ty điện lực, tạo thêm nguồn thu nhập
Không cần pin lưu trữ: Hệ thống on-grid không cần sử dụng pin lưu trữ, giảm chi phí đầu tư ban đầu và chi phí bảo trì Điều này cũng giảm thiểu vấn đề ô nhiễm từ pin sau khi sử dụng
Tính ổn định cao: Khi nhu cầu sử dụng điện tăng lên hoặc giảm xuống, hệ thống vẫn có thể duy trì hoạt động ổn định nhờ vào sự kết nối với lưới điện
d Nhược điểm hệ thống On-grid
Phụ thuộc vào điện lưới: Hệ thống on-grid không hoạt động khi có sự cố mất điện lưới, do bộ biến tần ngừng hoạt động để đảm bảo an toàn cho các nhân viên sửa chữa trên lưới
Trang 3Không phù hợp cho khu vực thiếu điện lưới: Hệ thống này không hoạt động độc lập nên không phù hợp cho các vùng xa xôi không có lưới điện
e Lợi ích kinh tế hệ thống On-grid
Giảm chi phí điện năng lâu dài: Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống on-grid có thể cao, nhưng thời gian hoàn vốn thường từ 5-7 năm Sau đó, người dùng
sẽ tiết kiệm được chi phí tiền điện trong suốt vòng đời còn lại của hệ thống (thường
là 25-30 năm)
Thân thiện với môi trường: Hệ thống giúp giảm phát thải CO₂, góp phần bảo vệ môi trường và chống lại biến đổi khí hậu
f Ứng dụng hệ thống On-grid
Hộ gia đình: Giảm hóa đơn tiền điện, cung cấp nguồn điện bền vững và thân thiện với môi trường cho các hộ gia đình
Doanh nghiệp và nhà máy: Các công ty, nhà máy có nhu cầu sử dụng điện lớn có thể sử dụng hệ thống on-grid để tiết kiệm chi phí và nâng cao hình ảnh doanh nghiệp xanh
Công trình công cộng: Các tòa nhà công cộng, trường học, bệnh viện cũng có thể
sử dụng hệ thống on-grid để giảm phụ thuộc vào điện lưới và tận dụng tối đa năng lượng mặt trời
4.2 Hệ thống Off-grid.
a Thành phần hệ thống Off-grid
Tấm pin mặt trời (Solar Panels): Thu nhận ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC)
Bộ điều khiển sạc (Charge Controller): Bảo vệ pin lưu trữ khỏi tình trạng sạc quá mức hoặc xả quá mức, kéo dài tuổi thọ của pin
Pin lưu trữ (Battery): Tích trữ năng lượng để cung cấp cho các thiết bị điện khi không có ánh sáng mặt trời, đặc biệt vào ban đêm hoặc những ngày ít nắng
Bộ biến tần (Inverter): Chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ pin lưu trữ hoặc tấm pin thành dòng điện xoay chiều (AC) để sử dụng cho các thiết bị điện
Hệ thống giám sát: Giúp kiểm tra hiệu suất của hệ thống và báo cáo tình trạng hoạt động để có thể kịp thời bảo trì
b Nguyên lý hoạt động hệ thống Off-grid
Ban ngày, các tấm pin mặt trời hấp thụ ánh sáng và chuyển thành dòng điện một chiều Dòng điện này đi qua bộ điều khiển sạc và được sạc vào pin lưu trữ Bộ điều khiển sạc giúp đảm bảo quá trình sạc diễn ra an toàn và hiệu quả
Lưu trữ năng lượng: Pin lưu trữ tích trữ lượng điện từ các tấm pin để sử dụng khi không có ánh sáng mặt trời, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các thiết bị
Trang 4Cung cấp điện qua biến tần: Khi có nhu cầu sử dụng điện, năng lượng từ pin sẽ được đưa qua bộ biến tần để chuyển thành dòng điện xoay chiều, phù hợp cho các thiết bị trong gia đình hoặc khu vực sử dụng
c Ưu điểm hệ thống Off-grid
Hoạt động độc lập hoàn toàn: Hệ thống Off-grid không phụ thuộc vào điện lưới quốc gia, cung cấp nguồn điện liên tục ngay cả khi mất điện
Phù hợp cho vùng xa xôi, hải đảo: Đối với những khu vực không có điện lưới, hệ thống này là giải pháp duy nhất giúp đảm bảo nguồn điện
Tự chủ về điện năng: Người sử dụng không cần lo lắng về biến động giá điện hay các vấn đề về sự cố mất điện từ lưới quốc gia
Khả năng mở rộng linh hoạt: Có thể tăng thêm tấm pin hoặc dung lượng pin lưu trữ khi nhu cầu năng lượng tăng lên
d Nhược điểm hệ thống Off-grid
Chi phí đầu tư ban đầu cao: Hệ thống Off-grid yêu cầu nhiều tấm pin và pin lưu trữ, khiến chi phí ban đầu khá cao
Bảo trì phức tạp hơn: Pin lưu trữ cần được kiểm tra và bảo trì định kỳ, do đó cần chi phí và kỹ thuật bảo trì thường xuyên
Thời gian sử dụng pin hạn chế: Pin lưu trữ có tuổi thọ giới hạn (thường từ 5-15 năm), nên cần thay thế định kỳ
Giới hạn khả năng lưu trữ điện: Công suất của hệ thống phụ thuộc vào dung lượng pin, và khi pin đầy, hệ thống sẽ không thể tích trữ thêm điện
e Lợi ích kinh tế hệ thống Off-grid
Đầu tư dài hạn: Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu lớn, hệ thống Off-grid có khả năng hoàn vốn trong 5-10 năm tùy theo công suất và nhu cầu sử dụng
Bảo vệ môi trường: Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, giảm phát thải khí CO₂ và bảo vệ môi trường
f Ứng dụng hệ thống Of-grid
Hộ gia đình ở vùng xa xôi: Đối với các hộ gia đình ở vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa, nơi không có điện lưới, hệ thống Off-grid là giải pháp lý tưởng để cung cấp điện
Nhà nghỉ sinh thái và khu du lịch hẻo lánh: Các khu du lịch sinh thái xa khu dân cư thường sử dụng hệ thống này để cung cấp điện cho các hoạt động dịch vụ
Trang trại và nông trại: Các trang trại quy mô lớn, đặc biệt ở vùng ngoại ô hoặc nơi
xa trung tâm, có thể sử dụng hệ thống Off-grid để duy trì hoạt động sản xuất mà không cần phụ thuộc vào điện lưới
Trang 5CHƯƠNG II:THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI CHO HỘ GIA ĐÌNH
1 Khảo sát vi trí thiết kế
Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới không có lưu trữ cho hộ gia đình: Gia đình ông:Đinh Văn Thế
Địa chỉ: Nhân Lập-Đoàn Lập-Tiên Lãng-Hải Phòng
Số điện thoại: 0363430677
Hướng nhà: Đông Nam
Diện tích: 4mx18m=72m2
Diện tích ước tính lắp đặt: 50m2
Khảo sát thực tế vị trí lắp đặt:
a Toàn cảnh buổi sang
Hình 1: Ảnh toàn cảnh vị trí lắp đặt
Trang 6Hình 2: Ảnh bên trái vị trí lắp đặt.
Hình 3: Ảnh bên phải vị trí lắp đặt
Trang 7b Khi trời buổi chiều:
Hình 4:Ảnh toàn cảnh buổi chiều vị trí lắp đặt
Hình 5:Ảnh bên phải buổi chiều vị trí lắp đặt
Nhận xét:
Mái nhà là một mặt phẳng thuận tiện lắp đặt pin năng lượng mặt trời.Nhà quay về hướng Đông Nam do vậy buổi sáng pin không bị che bởi bóng che của téc trữ nước
Buổi chiều chiều dài mái bị che khuất tối đa của cả bóng và téc trữ nước là 4m
Trang 82 Tổng quan thiết bị.
Tên Số lượng Công suất Thời gian sử
dụng
Công suất sử dụng/ngày
Bảng 1: Các thiết bị
Dự tính chọn pin
Sử dụng tấm pin mặt trời AE550MD-144BD:
Hình 6:Ảnh tấm pin AE550MD-144BD
Trang 9Công suất: 550 Wp
Điện áp công suất tối đa (Vmpp) : 42,5 V
Điện áp hở mạch (Voc): 51.4 V
Dòng điện công suất cực đại (Impp): 12,92 A
Dòng ngắn mạch (Isc): 13,67 A
Hiệu suất module: Hiệu suất lên đến 23.06%, giúp tối ưu hóa sản lượng năng
lượng
Kích thước: Tấm pin có kích thước 2278x1133x35 mm và nặng 33 kg
Hệ số an toàn: 1,3
Hệ số Wp của Hải Phòng: 4
Hình 8:Modul trên hệ thống Pvsys
Trang 10Hình 9:Khảo sát pin trên Pvsys
3 Tính toán chọn pin
3.1 Tính toán dựa trên công suất tiêu thụ
Công suất tiêu thụ của thiết bị trong 1 ngày:
Hệ số an toàn:
Tổng số Wp của panel:
Chọn loại pin có công suất 550W
Số tấm pin cần dùng:
Vậy cần dùng 12 tấm pin
Trang 113.2 Tính toán dựa trên lượng điện tiêu thụ một tháng (lấy giá tiền điện trung bình là 2.000vnd/KWh)
Lượng điện tiêu thụ trong 1 tháng:
Lượng điện tiêu thụ trong 1 ngày:
Hệ số Wp ở Hải Phòng:
Số tấm pin :
Vậy cần dùng 10 tấm pin
3.3 Tính toán dựa trên diện tích lắp đặt: 50m2
Diện tích tấm pin:
1 KWp cần diện tích :
“Làm tròn lên 7.”
Công suất giàn pin:
Số tấm pin:
(Tấm) Vậy cần dùng 13 tấm pin
Vậy xét theo diện tích lắp đặt ta có thể nắp 12 tấm pin để tối ưu lượng điện tiêu thụ cũng như diện tích lắp đặt Với công suất giàn pin là 6,6 kWp ( 12 X 0,55 )
Trang 124 Tính chọn Inverter.
Theo phương pháp Oversized, ta có công suất tối thiểu của inverter là:
Vậy ta chọn inverter 5,8kW dòng ABB
MAX DC Input Voltage: 950 V
MPPT Operating Range: 300 – 800 V
MAX DC Input Current: 18,9 A
No of MPP Trackers: 2
Hình 10:Inverter trên Pvsys
Trang 13Hình 11:Khảo sát Inverter trên Pvsys
5 Cách đấu nối Inverter
Số tấm pin nhiều nhất có thể trên một string:
Số tấm pin ít nhất có thể trên một string:
Số lượng string:
Chọn Nstring = 1 vậy ta nối nối tiếp 12 tấm pin vào nhau và nối vào inverter
Trang 146 Kiểm nghiệm
+ Dòng điện :
Dòng ngắn mạch pin: Isc = 13,67
Dòng tối đa ngõ vào của inverter: Iinv = 18,9
Isc < Iinv ( Thoả mãn )
+ Điện áp:
Điện áp hở mạch tối đa của hệ thống: 51,4 x 12 = 616,8 V Điện áp ngõ vào tối đa của inverter: 950 V
V oc-pv < V max-inv ( Thoả mãn )
+ Điện áp dải Vmppt:
Thoả mãn