DATN thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng nhà chờ xe buyt

Thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng tại nhà chờ xe buýt Thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng tại nhà chờ xe buýt Thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng tại nhà chờ xe buýt

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH

MỤC LỤC BẢNG

LỜI MỞ ĐẦU

Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn đến Thầy Nguyễn Văn Đoài đã

tận tình hường dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô trong khoa Điện đãtận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiên thức sâu rộng và những kinh nghiệmquý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thờigian học tập cũng như thực hiện đồ án

Và cuối cùng chúng em xin cảm ơn đến gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ và tạo điềukiện cho chúng em thực hiện hoàn thành đồ án

Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian

có hạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án, chúng emkính mong thầy quý cô chỉ dẫn để chúng em có thể hoàn thiện kiên thức để tự tin bướcvào cuộc sống với vốn kiến thức đã học được

Nhóm sinh viên thực hiện

Trần Văn TriềuMạc Đức Quảng

Đỗ Văn TámNgô Hồng Thắng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 4

Chương 1: PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG1.1. Mở đầu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong cácnguồn năng lượng mà chúng ta được biết Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dướidạng các chùm tia do mặt trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình Bức xạ mặt trờichứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiêntrên trái đất Năng lượng của mặt trời dù rất rồi dào nhưng việc khai thác hiệu quảnguồn năng lượng này thì vẫn còn là một câu chuyện dài

Năng lượng mặt trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng.Các tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyểnhóa trực tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sửdụng sau đó Các tấm tế bào quang điện hay còn gọi là pin mặt trời hiện đang được sửdụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấutrúc khác Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là mộtnguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính Tại các vùng chưa có điện lưới như cáccộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp, pin mặt trời cóthể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy Điều bất cập duy nhất là giá thành của Pinmặt trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng chưa thật sự cao (13-15%).Trái lại sức nóng của mặt trời có hiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất củaquang điện và do vậy đơn giá của một đơn vị năng lượng được tạo ra rẻ hơn rất nhiều

Nhiệt năng có thể được sử dụng để sưởi nóng các tòa nhà một cách thụ độngthông quan việc sử dụng một số vật liệu hoặc thiết kế kiến trúc hoặc được sử dụng trựctiếp để đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thếgiới thiết bị đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời (bình nước nóng năng lượng mặttrời) hiện đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự lựa thay thế cho các thiết bịcung cấp nước nóng thông thường dùng điện hoặc gaz

1.2. Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời

1.2.1 Pin năng lượng mặt trời là gì? Làm sao có thể tạo ra điện.

Pin mặt trời (solar cell) được cấu tạo bởi những chất bán dẫn (semiconductor),thông thường là Silicon (Si) Trước tiên các lớp bán dẫn này được làm nhiễm thừađiện tích dương (gọi là p-conducting semiconductor layer) có thưa các lỗ và làmnhiễm thiếu điện tích dương (gọi là n-conducting semiconductor layer) có thừa cácelectron Nếu ta kẹp một lớp p có dư điện tích dương có thừa lỗ với một lớp n bị thiếuđiện tích dương có nhiều electron thì rõ ràng các electron ở lớp n sẽ chực chờ muốnnhảy sang lớp p để chiếm các lỗ Electron từ lớp n di chuyển đến gần lớp tiếp giáp n-pfunction để nhảy sang lớp p Biên giới này bị mất thăng bằng điện tích nên phản ứnglại bằng cách tạo ra 1 điện trường dọc theo nó, đẩy các electron sang tận mép bên kiacủa lớp n và đẩy các lỗ sang tận mép bên kia của lớp p Ngăn cách xảy ra Cácelectron từ lớp n không còn qua được các lỗ bên lớp p được nữa

Bây giờ nếu ta bắt cầu nối dây dẫn từ lớp n sang lớp p để các electron từ lớp n

có thể nhảy sang lớp p? Chúng quá yếu để di chuyển Dưới bức xạ của ánh nắng mặttrời, các photon chạm vào lớp silicon và mang năng lượng đến cho chúng: các photoncung cấp năng lượng để các electron thoát ra khỏi nhân tạo thành các electron dichuyển tự do, từ mặt ngoài của lớp n, chúng theo dây dẫn chạy sang lớp p bên kia đểgặp các lỗ, tạo thành dòng điện Và khi ánh nắng mặt trời còn mang photon đến thìquá trình này lại xảy ra, tạo ra dòng điện liên tục để ta sử dụng

Hình 1.1: Cấu tạo bên trong của các lớp pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 6

1.2.2 Cấu tạo pin mặt trời

Hiện nay nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời

từ các tinh thể silic chia thành 3 loại:

Hình 1.2: Hình ảnh một tế bào quang điện

• Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Crochralski Đơn tinh thểloại này có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt

từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có mặt trống ở góc nối cácmodule.

• Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làmnguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các pin đơn tinh thể, tuy nhiênhiệu suất kém hơn Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ

bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

• Dãy silic tạo từ các tấm phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinhthể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong cácloại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạnăng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trờiđược sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệutinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4 Tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể

bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối

với Pin mặt trời từ tinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch

giữa 2 cực khoảng 0.55V và dòng ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ1000W/m2 vào khoảng 25-30mA/cm2.

Hiện nay người ta đã chế tạo Pin mặt trời bằng Si vô định hình (a-Si) So với Pinmặt trời tinh thể Si thì Pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn vàkém ổn định

Công nghệ chế tạo Pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạoPin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 1.3 cuối cùng ta đượcmodule

Hình 1.3: Quá trình tạo Module

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 8

Hình 1.4: Cấu tạo Module

1.2.3 Tấm pin mặt trời

Hình 1.5: Tấm pin mặt trời

Các tấm pin mặt trời được ghép từ các cell pin có công suất khác nhau, phổ biến là 3w; 6w, 10w, 15w, 30w, 50w, 80w, 100w, 150w, 200w có khi tới 300w Điện áp ra có thể là 12V; 24V; 48V hay 60V một chiều Tùy vào nhu cầu sử dụng

có thể ghép song song hoặc nối tiếp các tấm pin với nhau tạo thành hệ thống pin

có công suất ra và điện áp theo nhu cầu người sử dụng.

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặttrời thành điện năng nhờ biến đổi quang điện

 Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý PhápAlexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mớiđược tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏngvàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo rapin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có cácphương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Xét một hệ 2 mức năng lượng điện tử (hình 1.6) E1 < E2, bình thường điện tửchiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon

có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck,v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ

và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+ Lỗ trống này có thể di chuyển

và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 1.7: Các vùng năng lượng

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:

Ev +hv  e- + h+Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lênvùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/λ >= Ec – Ev Từ đó có thể tính đượcbước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+:

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trìnhphục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng nănglượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, quátrình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - 10-1giây và gây ra daođộng mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ nănglượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra các hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức

là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

 Hiệu suất biến đổi năng lượng

Hiệu suất biến đổi năng lượng (conversion efficiency) của pin mặt trời., là

tỉ số giữa lượng điện năng nó sản xuất ra với lượng năng lượng nó nhận được từánh sáng mặt trời Khi hiệu suất biến đổi càng cao, pin mặt trời sản xuất ra nhiềunăng lượng hơn Hiệu suất biến đổi của pin mặt trời là do cấu tạo của nó

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 12

Bảng 1.1 Bảng thống kê hiệu suất pin năng lượng mặt trời

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết η của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống 2 mức sau:

(1.4) Trong đó:

là mật độ photon có bước λ.

là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ:λ+dλ

là năng lượng của photon

là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện,

là tổng năng lượng của các photon tới hệ

Hình 1.9: Quan hệ

Như vậy hiệu suất η là một hàm của E g ( hình 1.9)

Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất η≤ 0.44

1.2.5 Ứng dụng của pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắpbất cứ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMTdưới dạng này được phát triển với tốc dộ rất

nhanh, đặc biệt là các nước phát triển Ngày nay

con người đã ứng dụng pin mặt trời trong rất

nhiều cụng cụ cá nhân như: máy tính, đồng hồ và

các đồ dùng hàng ngày

- Pin mặt trời còn dùng dể chay xe ô tô

thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.

Hình 1.12: Đèn giao thông sửa dụng pin mặt trời

- Cung cấp điên cho các tòa nhà

Hình 1.13: Pin mặt trời được nắp đặt trên các mái nhà

- Nhà máy điện sửa dụng pin mặt trời

B ng cách k t n i v i nhi u ngu n đi n năng lằ ế ố ớ ề ồ ệ ượng m t tr i v i nhau cóặ ờ ớ

th t o ra để ạ ược m t t h p ngu n đi n m t tr i có đ kh năng thay th m t nhàộ ổ ợ ồ ệ ặ ờ ủ ả ế ộmáy phát đi n.ệ

Nhà máy đi n năng lệ ượng m t tr i có th dùng đ c p đi n cho m t thànhặ ờ ể ể ấ ệ ộ

ph , m t hòn đ o,… Hi n t i s lố ộ ả ệ ạ ố ượng nhà máy đi n năng lệ ượng m t tr i trên thặ ờ ế

gi i còn h n ch , tuy nhiên trong tớ ạ ế ương lai s lố ượng này sẽ tăng lên khi giá thành

s n xu t Pin năng lả ấ ượng m t tr i gi m xu ng.ặ ờ ả ố

Ngoài nh ng ng d ng c b n trên thìữ ứ ụ ơ ả ở h th ng pin năng l ệ ố ượ ng m t ặ

tr i ờ còn đượ ức ng d ng vào nhi u lĩnh v c khác nh m nâng cao ch t lụ ề ự ằ ấ ượng cu cộ

s ng cho ngố ười dân.

Hình 1.14: Nhà máy điện mặt trời tại Việt Nam

-Ứng dụng pin mặt trời chiếu sáng trạm buýt

Ý tưởng này bắt đầu được đưa ra thực hiện tại Florence - Italia Vào ban đêm, những trạm xe buýt này trở thành những công trình chiếu sáng công cộng hết sức thu hút và sang trọng Ngoài ra, trong trạm xe buýt, còn cài đặt thêm

hệ thống cho phép người đợi xe kết nối wifi và sử dụng điện thoại truy cập Internet miễn phí trong lúc chờ đợi.

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 16

Hình 1.15: Trạm xe bus sử dụng pin mặt trời chiếu sáng tự động

- Hiện nay giá thành thiết bị pin mặt trời còn giá cao, nên ở những nước đangphát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sửdụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có

- Ở Việt nam với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện công việc xây

dựng các trạm điện dùng pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt

và văn hóa của các đại phương vùng sâu, xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và TâyNguyên.Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là mặt hàng xa xỉ đối với các nướcnghèo như chúng ta

- Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông Cáctrạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóngcủa các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh Ở ngành bảo đảmhàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bịchiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trờiphát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp

500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia.Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện

sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến Trong ngành giao thông đường bộ, cáctrạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đườngchiếu sáng

CÔNG TRÌNH ỨNG DỤNG

Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn Pin mặt trời (PMT) phục vụ thắp sáng vàsinh hoạt văn hoá tại một số vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời có côngsuất từ 500 - 1.000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ giađình sử dụng Các dàn PMT có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho cácbệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn PMT đãđược lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5 - 70 Wp Khuvực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứngdụng PMT Hiện tại ở khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với PMT có công suấtlớn nhất Việt Nam, đó là:

Dự án phát điện ghép giữa PMT và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặttại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống PMT là

100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW Dự án được đưa vào vận hành từcuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý

và vận hành

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 18

Sơ đồ hệ thống điện gia đình

- Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với công suất là 9

kW, trong đó PMT là 7 kW Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà,tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào sử dụng từtháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình Hệthống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành

- Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định,Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp Các dàn đã lắp đặt ứngdụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800 Wp Hệthống điện sử dụng chủ yếu để thắp và truyền thông; đối tượng phục vụ là người dân, dodân quản lý và vận hành

- Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn PMT phát triển với tốc độ khánhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên phòng.Công suất của dàn pin dùng cho hộ gia đình từ 40 - 75 Wp Các dàn dùng cho các trạmbiên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp Các dàn dùng cho trạm xá và cáccụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp

- Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc,tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002 Tổng công suất dự án là 3.000 Wp,cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, chủ yếu để thắp sáng và truyềnthông; đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 20

Hình 1.16: Pin mặt trời cho hệ thống chiếu sáng cầu đi bộ Cần Thơ

Chương 2 TÍNH TOÁN CUNG CẤP ĐIỆN 2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar

phải cung cấp mỗi ngày.

Tính tổng số W/h sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị Cộng tất cả lại chúng ta cótổng số W/h toàn tải sử dụng mỗi ngày

P1= p1 + p2 + p3 + … + pn-Trong đó: P1: Tổng lượng tiêu thụ điện

Pn:Công suất của từng bóng đènThí dụ: Tải là đèn có công suất tiêu thụ là 40W, sử dụng trung bình 8h mỗi ngày thì sốwatt-hour sử dụng mỗi ngày là 40 x 8 = 320wh Cứ tính cho mỗi thiết bị như thế rồicộng tất cả lại sẽ có tổng watt-hour của tất cả thiết bị mà hệ pin cung cấp Tính số W/hcác tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày Do tổn hao trong hệ thống, sốWatt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số W/h của toàn tải Thựcnghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần Số W/h các tấm pin mặt trời (PV modules) =1.3 x tổng số W/h toàn tải sử dụng

Thí dụ ở trên thì W/h các tấm pin mặt trời là 320 x 1.3 = 416 W/h

2.1.2 Tính toán công suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng.

Để tính toán kích cỡ các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta tính Watt-peak (Wp)cần có của tấm pin mặt trời Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậucủa từng vùng trên thế giới Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độhấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác Để thiết kế chính xác, người ta phải

đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng vùng các tháng trong năm và đưa ra

một hệ số trung bình gọi là "panel generation factor", tạm dịch là hệ số hấp thu bức xạ của pin mặt trời Hệ số "panel generation factor" này là tích số của hiệu suất hấp thu

(collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation), đơn vị tínhcủa nó là (kWh/m2/ngày)

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 22

Thí dụ mức hấp thu năng lượng mặt trời tại 1 địa điểm của nước Việt Nam ta là 5kWh/m2/ngày, ta lấy tổng số W/h các tấm pin mặt trời chia cho 5 ta sẽ có tổng số Wpcủa tấm pin mặt trời.

Thí dụ ở trên thì W/p các tấm pin mặt trời là: 832 / 5 = 166 Wp

Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có củatấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trờicần dùng

Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời cầndùng Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽcao hơn Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rútcạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ Nếu thiết kế nhiều pin mặt trờithì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết.Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống

Thí dụ một hệ solar có độ dự phòng 4 ngày, (gọi là autonomy day, là những ngàykhông có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lượng ac quy phải tăng hơn

và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, làthích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau Tất cả đòi hỏi thiết kế phải docác chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ solar trong vùng

Khi ta đã có tổng số tấm pin mặt trời thì không nhất thiết phải ghép nối tiếp tất cảcác tấm này lại với nhau mà có thể ghép chúng thành các tổ hợp kết hợp nối tiếp vàsong song, do một hay nhiều solar controller đảm trách các việc này có tương tác lẫnnhau đến cách thiết kế hệ battery(ac quy) và hệ solar charger dưới đây

2.1.3 Thiết kế hệ thống bình ac-quy (battery) cho hệ thống năng lượng mặt trời có dùng ac-quy

Battery dùng cho hệ pin là loại deep-cycle Loại này cho phép xả đến mức bìnhrất thấp và cho phép nạp đầy nhanh Nó có khả năng nạp xả rất nhiều lần (rất nhiềucycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao

Trước tiên ta tính dung lượng của hệ bình ac-quy cho toàn hệ thống Dunglượng battery cần dùng cho hệ solar là dung lượng ac quy đủ cung cấp điện chonhững ngày dự phòng khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được.

Ta tính dung lượng ac quy như sau:

Hiệu suất của ac quy chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với0.85 ta có Wh của ac quy

Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6, ta chia số Wh của batterycho 0.6 sẽ có dung lượng battery

Dung lượng Battery(Ah)=

Dung lượng Battery(Ah)=

Kết quả trên cho ta dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng.Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượng battery cho

số autonomy-day để có số lượng battery cần cho hệ thống

Dung lượng Battery(Ah)=x số autonomy day

Khi đã có điện thế V và dung lượng Ah của bình acquy, ta có thể lựa chọn acquy

và tính toán cách ghép chúng lại với nhau sao cho tối ưu, nhất là phải để ý đến tính dựphòng Thí dụ 1 hệ ac-quy 12V/1000AH ghép 5 dãy 12V/200AH song song sẽ có độ antoàn cao hơn 1 dãy 12V/1000AH, nếu 1 vài ac-quy bị hỏng thì ta vẫn còn các dãy kháclàm việc tốt trong thời gian chờ sửa chữa

2.1.4 Chọn bộ điều khiển sạc pin mặt trời ( solar charge controller)

Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời vàđiện thế ra tương ứng với điện thế của battery Vì solar charge controller có nhiều loạicho nên cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar của bạn Đối vớicác hệ pin mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ domột solar charge controller phụ trách Công suất của solar charge controller phải đủ lớn

để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp cho hệ thống bình ac-quy

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 24

Để chọn Solar charge controller, ta phải tính ra các thông số Wp, Vpm, Voc, Ipm,Isc của hệ thống pin mặt trời kết nối với nó Các trị số dòng và áp của bộ solar chargecontroller phải chấp nhận được các trị số dòng áp trên của hệ thống pin mặt trời.

Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắnmạch Isc của hệ pin mặt trời

Đối với các Solar charge controller có MPPT thì cách chọn có khác Trước tiêntìm hiểu MPPT charge controller, sau đó tham khảo chi tiết thiết kế MPPT ChargeController sau đây

Hệ thống bám điểm cực đại của tấm pin (MPPT solar charge controlle)

Từ điện áp danh định của hệ thống ac-quy đã biết, ta chọn ra 1 loại MPPT solarcharge controller đáp ứng cho điện áp danh định acquy này Leonics MPPT solar chargecontroller với các model thường đặt tên gợi nhớ SPT-XXYY với XX là điện áp danhđịnh của acquy, YY là dòng charge max Thí dụ model SPT-2412 dùng cho điện áp danhđịnh bình là 24VDC và dòng nạp max là 12A

Thí dụ điện áp danh định của hệ acquy là 24VDC ta chọn solar chargecontroller SPT-24YY

Từ Wp của hệ pin mặt trời ta tính ra dòng nạp có được: Ic = Wp/XX

Tính ra YY bằng cách cách nhân Ic với hệ số an toàn, thí dụ 1,2: YY = 1,2 x Ic Nhưvậy ta chọn ra được charge controller là Leonics Solarcon SPT-XXYY Các điềucần lưu ý: điện áp và dòng của pin mặt trời là điện áp và dòng của module pin mặt trờikết nối với charge controller chứ không phải của 1 tấm pin mặt trời Module pin mặttrời có thể là các tấm pin mặt trời ghép nối tiếp hoặc song song hay ghép kết hợp cả 2cách với nhau

Voc của hệ pin mặt trời không được lớn hơn Vmax của charge controller XXYY

Vpm của hệ pin mặt trời phải nằm trong phạm vi điều khiển của chargecontroller SPT-XXYY

2.1.5 Thiết kế solar inverter.

Có nhiều loại inverter có thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng riêng biệt: inverterdùng cho hệ solar độc lập có battery, inverter dùng cho hệ solar nối lưới, inverter dùngcho các hệ solar tích hợp năng lượng mặt trời, gió, máy diesel , inverter dùng cho tur-

bin gió nối lưới Tùy theo hệ solar của ta thuộc loại nào mà chọn loại inverter nào chophù hợp.

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 26

2.1.5.1 Đ i v i h solar ố ớ ệ stand-alone:

Thiết kế bộ inverter phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả tải đều bật lên,thường thì nó phải có công suất bằng 125% công suất tổng tải Công suất tổng tải làtổng số công suất của tất cả các tải mà hệ solar cung cấp

P1 = p1 + p2 + p3 + … + pn

Trong đó: P1: tổng lượng tiêu thụ điện

p1,2,3,n: Công suất của từng phụ tải Như vậy bộ inverter có công suất

2.1.5.3 Tính toán Battery

Với 3 ngày dự phòng, dung lượng bình = 178 x 3 = 534 Ah Như vậy chọn batterydeep-cycle 12V/600Ah cho 3 ngày dự phòng Ta thiết kế 3 bình 12VDC/200AH nốisong song

2.1.5.4 Tính solar charge controller

Thông số của pin mặt trời:

Pm = 110 Wp, Vpm = 16.7 Vdc, Ipm = 6.6 A, Voc = 20.7 A, Isc = 7.5 A

Thiết kế hệ acquy là 12VDC, ta chọn SPT-12YY

Với 310Wp thì dòng charge là Ic = Wp/XX = 310/12 = 25.83A

Với hệ số an toàn là 1.2 thì YY = 1.2 x 10.67 = 31A, chọn YY=30

Vậy ta chọn charge controller là Leonics SPT-1230 Ba tấm pin mặt trời được ghépnối tiếp nên

Vpm của các tấm pin mặt trời là Vpm = 16.7 x 3 = 50.1 VDC

Voc của các tấm pin mặt trời là Voc = 20.7 x 3 = 62.1 V

Tất cả đều nằm trong điều kiện cho phép của SPT-1230, có dải MPPT từ 26 –

P 2 = 153 x 125% = 190 (W)Chọn inverter 200W trở lên Điện áp vào danh định inverter = 12VDC

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 28

2.2 Bài toán thực tế

Bài toán: Tính toán cung cấp điện cho nhà chờ buýt Nguyễn Tuân, với 12 bóng đèn công suất 24W

Hình 2.1: Nhà chờ bus Nguyễn Tuân

2.2.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h)

Tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị là: Tải có 12 bóng đèncompact 24 W sử dụng trong 5h/ngày tổng lượng tiêu thụ điên= 24x12x5=1440

Wh/day Do tổn hao trong hệ thống lên số W/h của pin năng lượng sẽ lớn hơn tổ sốW/h của toàn tải 1,3 lần Vậy cống suất tấm pin là:

P(PV) = 1.3 x 1440 = 1872 (Wh/day)

2.2.4 Tính toán công suất tấm pin cần sử dụng.

Tra cứu panel generation factor tại địa điểm nắp đặt k = 4.58 ta

có: Tổng Wh của PV panel

Vậy chọn PV 110W/h thì số PV là =4 tấm

2.2.5 Tính toán dung lượng bình ac quy

Với 2 ngày dự phòng thì dung lượng bình = =405Ah Nhưng vì điều kiện kinh tế nên ta chọn 2 bình 12VDC/200Ah nối song song cho cả 2 ngày dự phòng

2.3.4 Tính solar charge controller

Bảng 1.2 Thông số của pin

Dựa vào bảng thông số của pin ta có

Pm=110 Wp, Vpm=18,2 Vdc, Ipm=6.04A, Voc=22.2V, Isc=6.53 A

Thiết kế hệ ac quy là 12VDC

Với 409Wh thì dòng charge là Ic=409/12=409/12=34A

GVHD: Th s.Nguy n Văn Đoài ễ Trang 30