THIẾT kế CHIẾU SÁNG đèn ĐƯỜNG tự ĐỘNG DÙNG hệ PIN mặt TRỜI có dự TRỮ

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN VÀ BDCN ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CAO ĐẲNG NGHỀ Đề tài: THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG TỰ ĐỘNG DÙNG HỆ PIN MẶT TRỜI CÓ DỰ TRỮ Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Việt Hiếu Sinh viên thực : Ngơ Hữu Thắng Hà Bùi Thành Hồng Văn Thắng Lớp : Điện 4- K5 Hà Nội, 06-2016 BỘ LAO ĐỘNG TB & XÃ HỘI CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG CĐN BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: …………….………….…… Mã số sinh viên: ……… Khoá:…………………….Khoa: ………………………Nghề: …………… Tên đồ án: ……………………………………………… ……………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………… …………………………………………………… Các số liệu liệu ban đầu: …………………………………… ………………………………………… … …… ……………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… …………………………………………….… ……………………… ………………………………………………………………………………… ……… Nội dung phần thuyết minh tính tốn: ………………………………………………………………………………… …………………………… ….……………………………………………… ………………………………………………………………………………… … … ………………………………………………………………………………… …………………………………………………… … TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ BÁCH KHOA ………………………………………………………………………………… ……………… Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): ………………………………………………………………………………… …………………………………… … ………………………………………………………………………………… ………………………………………… ……… ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Họ tên giảng viên hướng dẫn: …………………………………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………….… Ngày Chủ nhiệm khoa TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ BÁCH KHOA tháng năm Giảng viên hướng dẫn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn đến Ths Nguyễn Việt Hiếu – Cục Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng – Bộ Quốc Phòng tận tình hường dẫn giúp đỡ chúng em suốt trình thực đồ án Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể thầy khoa Điện tận tình giảng dạy, bảo, truyền đạt nguồn kiên thức sâu rộng kinh nghiệm quý báu cho chúng em suốt trình học tập trường Xin cảm ơn đến tất bạn bè, người giúp đỡ suốt thời gian học tập thực đồ án Và cuối chúng em xin cảm ơn đến gia đình giúp đỡ, ủng hộ tạo điều kiện cho chúng em thực hoàn thành đồ án Mặc dù cố gắng nỗ lực hết mình, khả năng, kiến thức thời gian có hạn nên khơng thể tránh sai sót lúc thực đồ án, chúng em kính mong thầy q dẫn để chúng em hoàn thiện kiên thức để tự tin bước vào sống với vốn kiến thức học Nhóm Sinh Viện Thực Hiện MỤC LỤC …………………………… LỜI NÓI ĐẦU Trong q trình phát triển lồi người , việc sử dụng lượng đánh dấu cột mốc quan trọng Từ đến nay, lồi người sử dụng lượng ngày nhiều, vài kỷ gần Trong cấu lượng nay, chiếm phần chủ yếu lượng tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Kế lượng nước thủy điện, lượng hạt nhân, lượng sinh khối ( bio gas…), lượng mặt trời , lượng gió chiếm phần nhỏ khiêm tốn Xã hội lồi người khơng phát triển khơng có lượng Ngày nay, lượng tàn dư sinh học, luọng không tái sinh ngày cạn kiệt, giá dầu mỏ tăng ngày, ảnh hưởng xấu đên phát triển kinh tế xã hội mơi trường sống Tìm kiếm nguồn lượng thay nhiệm vụ cấp bách nhà khoa học, kinh tế, trị gia… người Nguồn lượng thay phải sạch, thân thiện với mơi trường, chi phí thấp, khơng cạn kiệt mà cịn lượng đại Vì lẽ đó, lượng mặt trời nguồn lượng đặc biệt quan tâm nghiên cứu Chính vậy, chúng em chọn đề tài : “Thiết kế chiếu sáng đèn đường tự động dùng pin mặt trời” làm đề tài tốt nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI OFF – GRID 1.1 Năng lượng mặt trời Mặt trời cầu lửa khổng lồ, lịng diễn phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ cao lên tới hàng trăm triệu 0C Năng lượng mặt trời gần vô tận, xạ không gian xung quanh với mật độ công suất 1353 W/m nguồn gốc sống trái đất Khi xuyên qua lớp khí phần lượng mặt trời bị khơng khí hấp thụ Kết lượng mặt trời phân bố bề mặt trái đất với mật độ lượng trung bình mét vuông hàng năm nhận lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu 1.2 Tiềm lượng mặt trời giới Tiềm lượng mặt trời nước giới khơng đều, mạnh vùng xích đạo khu vực khơ hạn, giảm dần phía địa cực Tiềm kinh tế việc sử dụng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể vùng miền Theo số liệu thống kê, xạ trung bình địa điểm giới vào khoảng 2000kWh/m2/năm 1.3 Tiềm lượng mặt trời Việt Nam Năng lượng mặt trời phân bố khơng tồn lãnh thổ Việt Nam đặc điểm địa hình, khí hậu khác hai miền từ vĩ tuyến 17 trở Bắc trở vào Nam Bảng 1.1 Dữ liệu xạ lượng mặt trời Việt Nam Nguồn Tổng cục Khí tượng thủy văn Vùng Giờ nắng Bức xạ Khả ứng dụng năm kcal/cm2/năm Đông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình nước 1700-2500 100-175 Tốt 1.4 Cơng nghệ sử dụng lượng mặt trời Việc sử dụng lượng mặt trời chia thành hai nhóm chính: • Biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện cách sử dụng hiệu ứng quang điện pin mặt trời (pin quang điện, PhotoVoltaics - PV) • Sử dụng nhiệt mặt trời thơng qua bình đun nước nóng, lị sấy sưởi, bếp mặt trời 1.5 Pin mặt trời (PV) Hiện tượng biến đổi trực tiếp ánh sáng thành điện nhà khoa học Pháp Alexandre Edmond Becquerel phát minh từ năm 1831, nhiên ứng dụng thực tế bắt đầu linh kiện bán dẫn silic sản xuất hàng loạt vào năm 1954 Ứng dụng pin mặt trời lĩnh vực vệ tinh nhân tạo Dàn pin mặt trời lắp vệ tinh, tầu vũ trụ đảm bảo lượng cho hoạt động chúng Từ năm 1970 Hoa Kỳ, Châu Âu Nhật Bản nghiên cứu, triển khai ứng dụng thương mại pin mặt trời lĩnh vực Ngày nay, Pin mặt trời khai thác ứng dụng nhiều nước giới Ngồi ứng dụng khoa học vũ trụ, thơng tin liên lạc, đảm bảo tín hiệu hàng hải, pin mặt trời đặc biệt thích hợp việc cung cấp điện cho khu vực dân cư miền sâu, miền xa, hải đảo, vùng xa lưới điện có yêu cầu điện tiêu thụ 100 kWh/ tháng Bên cạnh đó, dàn pin mặt trời cịn sử dụng lắp cột đèn đường nạp cho ăcquy để chiếu sáng cho tuyến đường không yêu cầu cao chiếu sáng Năm 2007 tổng công suất dàn pin mặt trời toàn giới 12.400 MW, nước ứng dụng nhiều là: Nhật Bản Đức Hoa Kỳ Ấn Độ Australia Hà Lan Tây Nha 1.132 MW 794 MW 365 MW 56 MW 52 MW 49 MW 37 MW Ban Italia 30 MW Trạm pin mặt trời lớn giới hoàn thành vào tháng 8-2004 Leipzig, CHLB Đức Trạm lắp ghép từ 33.500 pin mặt trời có tổng cơng suất MW đủ phục vụ nhu cầu dùng điện cho 1800 hộ Khó khăn chủ yếu cho việc ứng dụng dàn pin mặt trời giá thành đầu tư cao, đòi hỏi mặt lắp đặt lớn Silic vật liệu để chế tạo pin mặt trời Hai loại công nghệ để chế tạo pin mặt trời silic tinh thể (Crystalline silicon) cắt mỏng từ thỏi silic kết tinh màng mỏng (Thin film) cách lắng đọng màng mỏng nguyên tố hóa học lớp đế cách điện Cơng nghệ màng mỏng có giá thành thấp hơn, dễ tự động hóa nên ngày môđun dàn pin mặt trời chế tạo theo công nghệ màng mỏng Cấu tạo pin mặt trời hai lớp bán dẫn: lớp silic kích tạp Phốt (bán dẫn loại n) lớp bán dẫn silic kích tạp Bo (bán dẫn loại p) ghép với tạo nên lớp chuyển tiếp p-n với chiều dày khoảng 0,2-0,3 mm Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt lớp chuyển tiếp p-n tạo nên điện tử bị kích thích ánh sáng, vượt qua hàng rào chuyển tiếp tạo nên dịng điện chạy qua tải hình 1.1 Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Dịng quang điện tỷ lệ thn với quang thơng chiếu vào pin mặt trời vào chất vật liệu bán dẫn, diện tích bề mặt nhiệt độ trường có giá trị từ (20-40) mA cm2 cực Điện áp chiều chuyển tiếp bán dẫn silic p-n tạo nên mô đun nguyên tố vào khoảng 0,5-0,6 V hở mạch Để tạo nên điện áp lớn cần mắc nối tiếp nhiều pin nguyên tố Để tăng dòng điện cần nối song song môđun pin nguyên tố tạo thành dàn pin mặt trời (hình 1.2) Hình 1.2 Dàn pin mặt trời Công suất dàn pin mặt trời phụ thuộc vào số lượng môđun nguyên tố Công nghệ pin mặt trời ngày trung bình diện tích pin quang điện 120 cm tạo nên công suất cực đại 2W Khi cường độ ánh sáng vào khoảng 40% cường độ cực đại tạo nên công suất khoảng 0,8W Dàn pin mặt trời hình 1.2 gồm nhiều mô đun ghép nối tiếp song song Dàn pin phủ lớp chống ẩm suốt, hoạt 10 - Hệ thống on - grid (hệ thống nối lưới): Sản xuất điện từ pin mặt trời (Solar Panel) thành điện 220V AC /50Hz để hòa vào điện lưới - Hệ thống off - grid (hệ thống độc lập): Lưu trữ điện từ pin mặt trời (Solar Panel) vào Acquy để sẵn sàng biến đổi thành điện 220VAC /50Hz để cung cấp cho tải khơng có điện lưới - Khi khởi động hệ thống, Acquy (battery) ưu tiên nạp điện từ Mặt trời đầy Lúc hệ thống On Grid chưa làm việc - Khi acquy đầy, hệ thống tự động biến đổi điện DC từ Sola Panel thành điện AC 220V để hòa với điện lưới (Điện áp hệ thống có tần số, pha trùng với điện lưới pha pha) - Khi điện lưới, hệ thống tự động lấy điện DC từ Acquy Solar để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên 1.7 Những khó khăn q trình triển khai ứng dụng: 1.7.1 Về kỹ thuật - Người sử dụng khơng tn theo qui trình vận hành Đấu tắt không qua điều khiển ắc qui yếu, làm ắc qui cạn kiệt, dẫn đến mau hỏng - Trong 100 dàn cho hộ gia đình lắp tỉnh Tiền Giang Trà Vinh, cơng suất dàn nhỏ (22,5 Wp), nhu cầu dùng lại lớn nên ắc qui luôn trạng thái cạn kiệt dẫn đến hỏng hàng loạt ắc qui 1.7.2 Về kinh tế Trước mắt, PMT ứng dụng vùng sâu, vùng cao hải đảo, nơi đưa lưới điện quốc gia đến Song phần lớn thu nhập người dân vùng thấp, giá thành đầu tư ban đầu pin mặt trời cao Giá thành lắp đặt dàn pin mặt trời bình quân chung nước vào khoảng 12 - 14 USD/Wp (áp dụng cho hộ gia đình dàn tập thể) Giá thành khơng bao gồm chi phí vận chuyển Chi phí vận chuyển vào khoảng - 7% giá trị thiết bị 16 1.8 Kinh nghiệm triển khai ứng dụng: Để việc triển khai ứng dụng đạt hiệu tốt, cần tiến hành bước sau: - Các sở khoa học công nghệ sở công nghiệp tỉnh nên mở lớp tập huấn tuyên truyền, quảng cáo phương pháp lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng sửa chữa nhỏ - Sau lắp đặt, cần hướng dẫn cặn kẽ cho hộ sử dụng qui định vận hành, bảo quản bảo dưỡng thiết bị - Trên sở kết ứng dụng thí điểm, nghiên cứu thiết kế kỹ thuật lắp đặt phù hợp với trình độ dân trí hợp lý qui mô công suất để đáp ứng nhu cầu khả kinh tế dân địa phương Kết luận: Sau phân tích lý thuyết liên quan đến hệ thống pin lượng mặt trời nhận thấy phương án thích hợp sử dụng cho đề tài sử dụng Pin mặt trời sạc bình ắc quy để chiếu sang đèn đường Với giải pháp này, lượng dự trữ bình ắc quy biến đổi thành điện AC nhờ vào Inverter để cung cấp cho tải sử dụng - Công suất thiết kế tùy theo nhu cầu cụ thể Chất lượng điện áp ngõ sin chuẩn, 220VAC, pha, 50Hz (Có thể tùy chọn thông số khác) Thiết kế theo dạng module, nên dễ dàng nâng cấp cơng suất sau - Cấu hình điện áp hệ ắc quy là: 12V, 24V, 36V, 48V hay 60V 17 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CĨ DỰ TRỮ 2.1 Cấu trúc hệ thống điện lượng mặt trời có dự trữ Hình 2.1.Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện lượng mặt trời có dự trữ Trong : • : Tấm pin mặt trời (Solar Panel) • 2: Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller) • : Bộ biến đổi điện DC-AC (Solar Inverter) • : Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter) • : Ắc quy (Battery) • Khung, gá 18 Bảng 2.1 Bảng thống kê thiết bị sử dụng Stt Tên thiết bị Solar Cells Panel Solar Regulator Ghi Monocrystalline (đơn tinh thể ) Polycrytalline (đa tinh thể) Lựa chọn tùy mức điện công suất hệ thống DC-AC Inverter Dạng sóng : Step Wave Sine Wave Battery (ắc-quy) Bình khơ, kín khí, khơng cần bảo dưỡng Khung, gá Chuyên dụng cho hệ thống Dây cáp Chuyên dụng cho hệ thống (ngoài trời nhà) Phụ kiện lắp đặt Linh, phụ kiện đồng khác 2.1.1 Tấm pin mặt trời Hình 2.2 Tấm pin mặt trời Các pin mặt trời ghép từ cell pin có cơng suất khác nhau, phổ biến 3w; 6w, 10w, 15w, 30w,50w, 80w, 100w, 150w, 200w có tới 300w Điện áp 12V; 24V; 48V hay 60V chiều Tùy vào nhu cầu sử dụng 19 ghép song song nối tiếp pin với tạo thành hệ thống pin có cơng suất điện áp theo nhu cầu người sử dụng 2.1 Bộ điều khiển sạc Bộ điều khiển sạc thiết bị thực chức điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp tải xả sâu nhằm nâng cao tuổi thọ bình ắcquy giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu lâu dài Bộ điều khiển cịn cho biết tình trạng nạp điện Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm sốt phụ tải Ngồi ra, Bộ điều khiển thực việc bảo vệ nạp điện Mạch bảo vệ điều khiển thực việc ngắt mạch điều khiển xác nhận bình ắc-quy nạp đầy điện áp bình thấp a Bộ điều khiển sạc b Bộ điều khiển sạc năng Solar 12V/20AH c Bộ điều khiển sạc lượng mặt trời 24V/20AH lượng mặt trời 48V/30AH Hình 2.3 Một số điều khiển sạc thông dụng Dựa sở so sánh điện áp IC khuếch đại thuật toán đối chiếu với lưu lượng điện bình mà mạch có khả nạp tự động điều chỉnh lượng điện áp nạp cho bình (Mạch đâu) Hình 2.4 Mạch sạc ắc quy 20 Nguyên lý hoạt động sau : Điotzen tạo điện áp tham chiếu sử dụng điotzen 6V Nhờ điot mà điện áp tham chiếu vào chân giữ cố định dù bình vơi điện Biến trở điện trở phân áp vào chân số lấy điện áp thực tế bình so sánh với điện áp tham chiếu chân số Khi điện áp bình chứa đầy điện áp chân số nhỏ điện áp chân đầu khuếch đại thuật tốn mức 0, rơle chưa có điện áp kích mở , dịng điện nạp bình nhờ cầu điot Khi bình đầy chân số điện áp lớn điện áp so sánh , lúc chân cấp dịng kích mở transitor đóng điện cho rơle, cách ly bình với dịng nạp, đèn led báo sáng, ta ngắt bình Chú ý: Loại bình ắc quy 12V đầy điện áp tầm 13,7V sử dụng biến trở điều chỉnh điện áp cho rơle tự ngắt điện áp này, khơng có điotzen 6v dùng điotzen 3v cần phân áp lại, IC Lm741 thay loại khác Lm358, 324 Cần xác định chân trước dùng Dòng nạp nhỏ 1/10 dung lượng ắc quy kéo dài tuổi thọ bình , với loại bình 25A biến áp chọn loại 3A hợp lý 2.1.3 Bộ biến đổi AC-DC (AC-DC Inverter) Là biến điện nghịch lưu Inverter chuyển đổi dòng điện 12V; 24V; 48V, 60V chiều( DC ) từ ăc-quy thành dòng điện xoay chiều ( AC ) (110VAC, 220VAC) Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA – 10kVA Inverter có nhiều loại cách phân biệt chúng dạng sóng điện áp đầu : dạng sóng hình sin, giả sin, sóng vng, sóng bậc thang… 2.1.4 Ắc quy (BATTERY) Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm lúc trời khơng cịn ánh nắng Ắc-quy có nhiều loại, kích thước dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất đặc điểm hệ thống pin panel mặt trời Hệ thống có cơng suất lớn cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với 21 Hình 2.5 Một số loại bình ắc quy thơng dụng Các tính ắc-quy: - Sức điện động lớn, thay đổi phóng điện nạp Sự tự phóng điện bé Năng lượng nạp vào bé lượng điện mà ắc-quy phóng Điện trở ắc-quy nhỏ Nó bao gồm điện trở cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến ngăn cách ngăn cực Thường trị số điện trở ắc-quy nạp điện đầy 0,001 ơm -0.0015 ơm ắc-quy phóng điện hồn tồn 0.02-0.025 Các loại ắc quy có lẽ có nhiều cách gọi như: ắc quy nước, ắc quy axít, ắc quy axít kiểu hở, ắc quy kín khí, ắc quy không cần bảo dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL, ắc quy kiềm Trên thực tế thường phân biệt thành hai loại ắc quy thông dụng ắc quy sử dụng điện môi a xít (gọi tắt ắc quy a xít ắc quy Chì-Axít) ắc quy sử dụng điện mơi kiềm (gọi tắt ắc quy kiềm) Tuy có hai loại ắc quy kiềm gặp nên đa số ắc quy gặp thị trường ắc quy a xít Trong loại ắc quy axít phân chia thành hai loại chính: ắc quy axít kiểu hở thơng thường ắc quy axít kiểu kín khí Hai loại bị gọi nhầm cách thông dụng là: ắc quy nước ắc quy khơ (đúng ắc quy điện môi dạng keo gọi ắc quy khô) Khi hiểu nguyên lý hoạt động ắc quy axít dễ dàng phân biệt chúng đặc tính riêng loại ắc quy 22 Hình 2.6 Cấu tạo bình ắc quy 1.2.5 Khung gá dây cáp Để đảm bảo cho hệ thống pin Panel mặt trời đặt vị trí tốt (nắng nhiều lâu nhất) hiệu suất sử dụng hệ thống ổn định lâu dài, cần dùng đến khung gá dây cáp chuyên dụng Để tối đa hóa hiệu suất hệ thống, pin Panel mặt trời cần lắp đặt theo góc nghiêng hướng định (tùy thuộc vị trí lắp đặt cụ thể) Lưu ý lắp đặt tránh vùng có khả bị che, khuất nắng, nên lựa chọn vị trí hứng nắng tốt cho ngày Các phụ kiện đồng kèm theo : ống, cơng tắc, bảng điện, ổ cắm… để lắp hồn chỉnh hệ thống điện mặt trời 2.2 Hướng đặt 23 Điều khiển pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) vấn đề với mùa khác nhau, địa điểm đinh, mặt trời có góc chiếu khác Quan niệm phổ biến hướng pin mặt trời phía nam để chúng tiếp xúc nhiều với ánh nắng ban ngày Các kiến trúc sư kỹ thuật viên tuân thủ nguyên tắc này, đặc biệt việc lắp đặt thiết bị cho hộ gia đình Tuy nhiên, nghiên cứu Viện Pecan Street (Mỹ) cho rằng, pin mặt trời hướng phía tây thực thu nhận nhiều lượng từ mặt trời Các nhà nghiên cứu phát hiện, hộ gia đình Austin, Texas (Mỹ) cho lắp đặt pin mặt trời hướng phía tây sản sinh nhiều điện ngày Họ thu nhiều lượng nhờ thiết bị vào buổi chiều, mạng lưới điện phải đáp ứng nhu cầu tăng đến đỉnh điểm Hình 2.7 Hướng đặt pin mặt trời 24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG TỰ ĐỘNG DÙNG HỆ PIN MẶT TRỜI CÓ DỰ TRỮ 3.1 Nguyên lý chiếu sáng đèn đường tự động dùng pin mặt trời Hình 3.1: Thu Năng Lượng Vào Ban Ngày Nhờ vào pin mặt trời thu lượng từ ánh nắng mặt trời vào ban ngày chuyển hóa thành điện năng, qua điều khiển sạc lưu trữ điện vào bình ắc quy 25 Phát Sáng V Phát Sáng V Hình 3.2: Phát ánh sáng vào ban đêm Lấy điện từ ắc quy lưu trữ ngày, cung cấp nguồn điện cho đèn led phát sáng vào ban đêm, hệ thống tự động bật sáng trời tối 3.2 Phương pháp tính tốn hệ pin mặt trời Để thiết kế hệ solar, thưc bước sau: 3.2.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện tất thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp Tính tổng số Watt-hour sử dụng ngày thiết bị Cộng tất lại có tổng số Watt-hour tồn tải sử dụng ngày 3.2.2 Tính số Watt-hour pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải ngày Do tổn hao hệ thống, số Watt-hour pin trời cung cấp phải cao tổng số Watt-hour toàn tải Số Watt-hour pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour tồn tải sử dụng 3.2.3 Tính tốn kích cở pin mặt trời cần sử dụng Để tính tốn kích cở pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính Watt-peak (Wp) cần có pin mặt trời Lượng Wp mà pin mặt trời tạo lại tùy thuộc vào khí hậu vùng giới Cùng pin mặt trời đặt nơi mức độ hấp thu lượng khác với đặt nơi khác Để thiết kế xác, người ta phải khảo sát vùng đưa hệ số gọi "panel generation factor", tạm dịch hệ số phát điện pin mặt trời Hệ số "panel generation factor" tích số hiệu suất hấp thu (collection efficiency) độ xạ lượng mặt trời (solar radiation) tháng nắng vùng, đơn vị tính (kWh/m2/ngày) 26 Mức hấp thu lượng mặt trời Việt Nam khoảng 4.58 kWh/m2/ngày lấy tổng số Watt-hour pin mặt trời chia cho 4.58 ta có tổng số Wp pin mặt trời Mỗi pin mặt trời mà ta sử dụng có thơng số Wp nó, lấy tổng số Wp cần có pin mặt trời chia cho thơng số Wp ta có số lượng pin mặt trời cần dùng Kết cho ta biết số lượng tối thiểu pin mặt trời cần dùng Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống làm việc tốt hơn, tuổi thọ battery cao Nếu có pin mặt trời, hệ thống thiếu điện ngày râm mát, rút cạn kiệt battery làm battery giảm tuổi thọ Tuy nhiên, thiết kế nhiều pin mặt trời làm giá thành hệ thống cao, vượt ngân sách cho phép, không cần thiết Thiết kế pin mặt trời tùy thuộc vào độ dự phịng hệ thống Thí dụ hệ solar có độ dự phịng ngày ( gọi autonomy day, ngày khơng có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện) bắt buộc lượng battery phải tăng kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời Ngoài ra, vấn đề sử dụng pin loại tối ưu, thích hợp vùng địa lý có thời tiết khác 3.2.4 Tính tốn biến đổi điện Đối với hệ lượng mặt trời độc lập, inverter phải đủ lớn để đáp ứng tất tải bật lên, phải có công suất 125% công suất tải Nếu tải động phải tính tốn thêm cơng suất để đáp ứng thời gian khởi động động Chọn biến đổi có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định ắc quy Đối với hệ lượng mặt trời kết nối vào lưới điện, không cần ắc quy, điện áp vào danh định biến đổi phải phù hợp với điện áp danh hệ pin mặt trời 3.2.5 Tính tốn ắc quy (battery) Ắc quy dùng cho hệ thống điện lượng mặt trời loại chu kỳ sâu (deepcycle) Loại cho phép xả đến mức bình thấp cho phép nạp đầy nhanh 27 Loại có khả nạp xả nhiều lần mà không bị hỏng bên trong, bền, tuổi thọ cao Số lượng ắc quy cần dùng cho hệ thống điện lượng mặt trời số lượng ắc quy đủ cung cấp điện cho ngày dự phòng (autonomy day) pin mặt trời không sản sinh điện Ta tính dung lượng ắc quy sau: - Hiệu suất ắc quy khoảng 85% chia số Wh tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh ắc quy - Với mức xả sâu DOD 0.6, ta chia số Wh ắc quy cho 0.6 có dung lượng ắc quy Kết cho ta biết dung lượng ắc quy tối thiểu cho hệ thống điện lượng mặt trời khơng có dự phòng Khi hệ thống điện lượng mặt trời có số ngày dự phịng (autonomy day) ta phải nhân dung lượng battery cho số ngày dự phịng để có số lượng ắc quy cần cho hệ thống 3.2.6 Thiết kế điều khiển sạc(solar charge controller) Bộ điều khiển sạc có điện vào phù hợp với điện pin mặt trời điện tương ứng với điện ắc quy Vì Bộ điều khiển sạc có nhiều loại cần chọn loại phù hợp với hệ thống điện lượng mặt trời thiết kế Đối với hệ pin mặt trời lớn, thiết kế thành nhiều dãy song song dãy điều khiển sạc phụ trách Công suất điều khiển sạc phải đủ lớn để nhận điện từ pin lượng mặt trời đủ công suất để nạp ắc quy Thông thường ta chọn điều khiển sạc có dịng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch pin mặt trời 28 3.3 Tính tốn cho hệ thống điện mặt trời cho hệ thống đèn đường tự động có dự trữ 3.3.1 Bài toán Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hệ thống đèn đường tự động có dự trữ bao gồm : bóng đèn 48 Watt sử dụng từ 6h tối đến 6h sáng ( 12 ngày ), dự trữ ngày khơng có ánh sáng 3.3.2 Tính tốn chi tiết Bước 1: Xác định tổng lượng điện tiêu thụ ngày Tổng lượng điện tiêu thụ ngày = (48 W x2 x 12) = 1152 Wh/day Bước 2: Tính pin mặt trời (PV panel) PV panel = 1152 x 1,3 = 1497,6 Wh/day Tổng Wp PV panel = 1497,6 / 4,58 = 327 Wp → Chọn loại pin mặt trời có 110Wp số pin mặt trời cần dùng 327 / 110 = ( gần ) Bước 3: Tính biến đổi Tổng công suất sử dụng 48 W x2 = 96W Công suất biến đổi = 96 x 125% = 120W → Chọn biến đổi 150W trở lên Bước 4: Tính tốn ắc quy 1497, = 244, 0,85x0, 6x12 Dung lượng ắc quy = (Ah) Với ngày dự phịng, dung lượng bình = 244,7 x = 489,4 Ah Như chọn ắc quy loại chu kỳ sâu 12V/ 500Ah cho ngày dự phịng 29 Bước 5: Tính điều khiển sạc Thơng số modul pin mặt trời: - Pm = 110 Wp Vm = 16.7 Vdc Im = 6.6 A Voc = 20.7 A Isc = 7.5 A Như điều khiển sạc = (2 PV x 7.5 A) x 1.3 = 19,5 A → Chọn điều khiển sạc có dịng 20A/12 V hay lớn Bước 6: Chọn cảm biến sáng tối: tự động sáng trời tối, điều khiển đóng cắt rơle trung gian ( rơ le trung gian đóng điện cho đèn sáng trời tối) 30