Đề tài nghiên cứu ứng dụng pin năng lương mặt trời chi tiết thuộc môn chuyên đề thực tế về một vấn đề kỹ thuật
LỜI NĨI ĐẦU Trong tiến trình phát triển lồi người, việc sử dụng lượng mặt trời đánh dấu cột mốc quan trọng Từ đến nay, loài 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 (biogas…) lượng mặt trời, lượng gió chiếm phần khiêm tốn Xã hội lồi người phát triển khơng có lượng Ngày nay, lượng tàn dư sinh học, lượng không tái sinh, ngày cạn kiệt, giá dầu mỏ ngày tăng, ảnh hưởng xấu đến phát triển kinh tế xã hội môi trường sống Tìm kiếm nguồn lượng thay nhiệm vụ cấp bách lượng thay phải sạch, thân thiện với mơi trường, chi phí thấp, khơng cạn kiệt (tái sinh), dễ sử dụng Từ lâu, loài người mơ ước sử dụng lượng mặt trời, nguồn lượng vô tận, đáp ứng hầu hết tiêu chí nêu Nhiều cơng trình nghiên cứu thực hiện, lượng mặt trời khơng lượng tương lai mà lượng Hiện lượng mặt trời khai thác đưa vào ứng dụng sống công nghiệp nhiều dạng hình thức khác nhau, thơng thường để cấp nhiệt điện Một hệ pin mặt trời sử dụng lượng mặt trời gồm loại: hệ pin mặt trời làm việc độc lập hệ pin mặt trời làm việc với lưới Chuyên đề thực tế trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập hệ pin mặt trời làm việc với lưới với đầy đủ thành phần cần thiết hệ thống MỤC LỤC Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài Trong thời đại ngày lượng vấn đề cấp thiết tất quốc gia tồn giới Bên cạnh việc nghiên cứu tìm kiếm nguồn lượng việc sử dụng tiết kiệm hiệu lượng mối quan tâm hang đầu 1.1.1 Lý chọn đề tài Năng lượng yếu tố cần thiết cho tồn phát triển xã hội, đồng thời yếu tố trì sống trái đất Trong tương lai không sử dụng hợp lý nguồn lượng có sẵn tự nhiên chúng bị cạn kiệt Vì nên nghiên cứu tìm hiểu nguồn lượng sử dụng chúng cách có hiệu để góp phần bảo vệ phần lượng trái đất Tìm hiểu nguồn lượng sử dụng chúng cách hiệu góp phần cải thiện ô nhiễm môi trường, thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội 1.1.2 Mục đích nghiên cứu Mục đích đề tài: • Thiết kế hệ thống lượng mặt trời theo công suất định trước • Lựa chọn phương pháp điều khiển MPPT 1.2 Nội dung đề tài Như biết, nguồn lượng mặt trời nguồn lượng có trữ lượng lớn, muc tiêu nghiên cứu nhiều nước giới nhằm thay dần nguồn lượng hóa thạch có nguy cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường Trong trình làm việc, pin mặt trời phụ thuộc nhiều vào yếu tố ảnh hưởng cường độ ánh sáng, nhiệt độ môi trường tượng bóng râm … mặt khác, cơng suất sinh pin mặt trời phụ thuộc vào xạ mặt trời nhiệt độ Nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng thực nối lưới, đòi hỏi phải có giải thuật điều khiển Ở sử dụng giải thuật hệ bám điểm công suất cực đại nhằm đảm bảo pin mặt trời luôn làm việc điểm cực đại tải thay đổi 1.3 Phương pháp nghiên cứu Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh • Tìm hiều lý thuyết để xậy dựng mơ hình mạch động lực • Tìm hiểu đề tài liên quan, tính tốn chọn phương pháp ứng dụng phù hợp với thực tế đất nước để tạo sản phẩm 1.4 Bố cục chuyên đề Bố cục gồm chương: • Chương 1: Giới thiệu đề tài • Chương 2: Cơ sở lý thuyết • Chương 3: Tính tốn thiết kế hệ thống pin mặt trời • Chương 4: Đề xuất ý kiến cải tiến • Chương 5: Kết luận Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung hệ thống điện lượng mặt trời 2.1.1 Giới thiệu chung Một tế bào quang điện (cell) Tấm Pin lượng mặt trời (solar cells panel) Pin mặt trời, hay pin quang điện, ký hiệu PV, hệ thống vật liệu đặc biệt có khả chuyển đổi quang ánh sáng mặt trời thành điện Pin mặt trời cấu tạo tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp đến 240Wp có tuổi thọ trung bình 30 năm 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống lượng mặt trời Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng biến đổi thành điện năng, tạo dòng điện chiều (DC) Dòng điện dẫn tới điều khiển thiết bị điện tử có chức điều hồ tự động q trình nạp điện vào ắc-quy phóng điện từ ắc-quy thiết bị điện chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, mạch điện lắp thêm đổi điện để chuyển dòng chiều (DC) thành dòng xoay chiều (AC), chạy thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV…) 2.1.3 Cấu hình tiêu biểu hệ thống điện lượng mặt trời đơn tinh thể ) Polycrytalline (đa tinh thể) điện công suất hệ thống p Wave Sine Wave khơng cần bảo dưỡng hệ thống hệ thống (ngồi trời nhà) ng khác Panel mặt trời: Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh Tấm pin Panel mặt trời (solar cells panel) biến đổi quang hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện Một số thông tin pin mặt trời Hiệu suất: từ 15% - 18% Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp Số lượng cells pin : 72 cells Kích thước cells: – inchs Loại cells: monocrystalline polycrystalline Chất liệu khung nhơm Tuổi thọ trung bình pin : 30 năm Có khả kết nối thành trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, hòa lưới (grid), hoạt động độc lập hệ thống back-up điện Trong ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng quang mây, mực nước biển) Công suất điện áp hệ thống phụ thuộc cách nối ghép pin Panel mặt trời lại với nhau.Các pin Panel mặt trời lắp đặt trời để hứng ánh nắng tốt từ mặt trời nên thiết kế với tính chất liệu đặc biệt, chịu đựng khắc nghiệt thời tiết, khí hậu, nhiệt độ… Bộ điều khiển sạc: - Là 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 ắc-quy, giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu lâu dài - Bộ điều khiển cho biết tình trạng nạp điện Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát phụ tải - Bộ điều khiển thực việc bảo vệ nạp điện (>13,8V) điện thấp ( Bước 3: Tính tốn Battery Dung lượng battery = x = 182A Với ngày dự phòng, dung lượng bình = 182 x = 546 Ah Như chọn battery 12V/600Ah cho ngày dự phòng Bước 4: Tính inverter Tổng công suất sử dụng = 18 + 60 + 75 = 153 W Công suất inverter = 153 x 150% = 230W Chọn inverter 230W trở lên Bước 5: Tính solar charge controller Thơng số PV module: Pm = 110 Wp, Vm = 16.7 Vdc, Im = 6.6 A, Voc = 20.7 A, Isc = 7.5 A Như solar charge controller = (3 PV x 7.5 A) x 1.3 = 29.25 A Chọn solar charge controller có dòng 30A/12 V hay lớn 3.2 Thiết kế hệ thống pin mặt trời hệ PV nối lưới Các bước thiết kế hệ thống pin quang điện mặt trời nối lưới: Bước 1: Chọn diện tích đạt panel PV, công nghệ công suất - Với hệ thống qui mơ hộ gia đình: Cơng suất hệ thống thông thường từ kWp đến 10 kWp Hệ thống module pin quang điện với diện tích phổ biến từ đến - Với hệ thống qui mô thương mại: Diện tích đặt panel phổ biến từ vài trăm đến vài ngàn Tương ứng, công suất hệ thống panel PV khoảng vài trăm kWp đến MWp - Với hệ thống qui mơ nhà máy điện: thường có cơng suất 10MWp, đặt 18 Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh mặt đất mặt nước qua hệ thống phao nâng Diện tích lắp đặt khoảng 0.7 MWp công suất panel Bước 2: Lựa chọn cấu trúc inverter - Khái niệm hệ thống PV xác định thành phần hệ thống inverter Điều dẫn tới khái niệm hệ thống tập trung phân tán Sự kết nối module để tạo thành chuỗi kết nối song song chuỗi cần phối hợp tới ưu với inverter - Inverter tập trung: thường chọn dùng cho hệ thống công suất lớn 30kWp (công trình thương mại nhà máy điện PV), với inverter pha - Inverter dạng phân tán: thường chọn dùng cho hệ thống công suất 30 kWp (hệ thống hộ gia đình – 10 kWp, tòa nhà thương mại 10-30 kWp ) Bước 3: Tính chọn thông số kỹ thuật inverter - Chọn số lượng công suất định mức inverter: Số lượng công suất định mức inverter xác định công suất tổng hệ thống PV sựu lựa chọn dạng hệ thống inverter (tập trung hay phân tán) Dãy PV inverter cần phối hợp tối ưu giá trị output lẫn Công suất định mức inverter 20% coong suất ngĩ dãy PV Tổng quát lựa chọn công suất inverter theo phạm vi sau: 0,8PPV < PINV.DC < 1,2PPV Tỷ số công suất PV (Wp) công suất AC định mức inverter gọi hệ số công suất inverter CINV = Hệ số thường nằm khoảng 0,83 < CINV < 1,25 - Chọn điện áp inverter Điện áp inverter tổng điện áp module mắc nối tiếp chuỗi Bởi điện áp module điện áp toàn dãy PV phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ ban ngày thấp cao năm cần xem xét - Số lượng module tối đa chuỗi Số lượng tối đa module mắc nối tiếp chuỗi tính trường hợp ngày nắng, hệ thống PV bị ngắt khỏi lưới bị cố (PV hở mạch) Trong đó: 19 Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh số lượng module tối đa chuỗi [module/chuỗi] : điện áp tối đa inverter [V] : điện áp hở mạch module nhiệt độ ban ngày thấp năm [V] - Số lượng tối thiểu module chuỗi: Với việc tiếp cận ngày nắng, nóng năm, nhiệt độ panel PV lên tới 70, VMPP chuỗi PV phải lớn VMPP inverter Ta có: - Số lượng chuỗi: Số lượng chuỗi (số mạch song song) dãy PV có liên quan trực tiếp đến giá trị dòng dãy PV inverter Dòng tối đa dãy PV khơng vượt qua dòng input tối đa inverter Như vậy, số lượng tối đa chuỗi cho: Narray.max = Bước 4: Tính chọn tiết diện dây dẫn (cable) Việc chọn tiết diện cáp dẫn điện cho dãy PV quan trọng, chọn tiết diện nhỏ khơng an tồn gây tổn thất điện áp công suất lớn cho dãy PV – khơng cao - Dòng tải dây dẫn: Theo tiêu chuẩn IEC 60512 Phần 3, dòng tối đa cho phép qua dây nối module hay chuỗi dòng ngắn mạch dãy PV trừ dòng ngẵn mạch chuỗi Imax = Isc PV – Isc chuỗi Imax < Iz Iz: giá trị dòng dây cáp dẫn điện thiết bị bảo vệ - Giảm tổn thất điện áp Tiết diện dây dẫn phải chọn cho tổn thất điện áp tối đa phía DC AC hệ thống PV phía 1% giá trị điện áp định mức điều kiện STC Bước 5: Bảo vệ chống sét, nối đất - Bảo vệ chống sét Bảo vệ chống sét cho hệ thống PV nối lưới bao gồm chống sét trực tiếp chống sét lan truyền/cảm ứng (quá điện áp thiên nhiên) - Nối đất Bao gồm hệ thống nối đất độc lập: nối đất an toàn vỏ thiết bị R đ 10Ω hệ thống nối đất chống sét Rđ 10Ω Hai hệ thống kết nối đẳng 20 Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh Ví dụ cụ thể Tính tốn thơng số kỹ thuật hệ thống PV qui mơ hộ gia đình có cơng suất 5kWp Đặt sân thượng hộ gia định TPHCM Bước 1: Chọn diện tích đặt panel PV, cơng nghệ, cơng suất - Công nghệ: module đa tinh thể, hiệu suất hệ thống - Công suất hệ thống: PPV.DC = 5kWp Bước 2: Chọn cấu trúc inverter - Hệ thống qui mơ hộ gia đình với cơng suất nhỏ, chọn cấu trúc inverter dạng phân tán, sử dụng inverter pha Bước 3: Tính tốn chọn thơng số kỹ thuất inverter - Công suất ngõ vào DC inverter: PPV.DC = 1,1PPV = 1,1 x = 5,5 kWp - Hệ số công suất inverter: CINV = 1,15 - Công suất ngõ AC inverter: PINV.AC = - = 5/1,15 = 4,35 [Kw] Chọn sơ hiệu suất inverter , thực tế nên chọn inverter có hiệu suất cao để giảm tổn thất cho toàn hệ thống - Chọn module pin quang điện hãng Kyocera, mã hiệu KC85T có đặc tuyến điện áp sau: 21 Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh Hình 3.1: Đặc tuyến điện áp – dòng điện module pin quang điện Kyocera mã hiệu KC85T - Thông số kỹ thuật module pin quang điện sau: Hình 3.2: Thống số kỹ thuật module pin quang điện Kyocera, mã hiệu KC85T - Theo đặc tuyến, điện áp hở mạch module nhiệt độ ban ngày thấp nhất: - Chọn inverter pha có điện áp ngõ vào Vin.INV = 48V Vout.INV = 220V - Khi đó, số module tối đa chuỗi tính bằng: 22 Chuyên đề thực tế - GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh Số lượng chuỗi ( số mạch song song) hệ thống tính bằng: Narray.max = = = 16,62 - Trong đó: Imax.INV = = = 98,5 Các module pin quang điện mắc nối tiếp với chuỗi nên = = 5,02 [A] (theo thông số module pin) - Vậy để đáp ứng yêu cầu đề bài, hệ thống thiết kế cần có 20 chuỗi module, - chuỗi ghép nối tiếp module Diện tích cần lắp đặt cho hệ thống bằng: Ssys = 20 23 Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT Ý KIẾN CẢI TIẾN 4.1 Thay điều sạc PWM thành MPPT Điều khiển sạc PWM giống switch chuyển đổi kết nối dãy pin mặt trời vào ắc quy Kết điện áp dãy pin kéo xuống gần điện áp ắc quy Điều khiển sạc MPPT (Maximum Power Point Tracking) có phương thức làm việc phức tạp (và đương nhiên đắt hơn) Nó hiệu chỉnh điện áp đầu vào để thu công suất lớn từ dãy pin sau cơng suất cung cấp với yêu cầu điện áp khác nhau, kể ắc quy tải Do đó, giúp tách biệt điện áp pin mặt trời ắc quy Ví dụ, ắc quy có đện áp 12 V sạc qua điều khiển sạc từ pin có điện áp 36V mà đảm bảo tận dụng tối đa công suất tạo từ pin mặt trời Điểm mạnh điều khiển khiển sạc MPPT so với PWM Cơng nghệ tìm điểm cơng suất tối ưu Điều khiển sạc MPPT giúp ta thu nhiều lượng từ dãy pin mặt trời, vượt trội khoảng từ 10% đến 40% pin có nhiệt độ thấp (dưới 45 độ C), cao nhiệt độ 75 độ C, cường độ xạ thấp Ở điều kiện nhiệt độ cao cường độ xạ thấp, điện áp đầu dãy pin giảm đáng kể Thêm nhiều cell cần kết nối vào dãy pin để đảm bảo điện áp đầu dãy pin phải cao điện áp ắc quy Đây điểm yếu sử dụng điều khiển sạc PWM - Chi phí dây cáp điện thấp hơn, tổn thất điện thấp Với việc sử dụng điều khiển sạc MPPT, nối tiếp nhiều cell pin với điện áp cao hơn, giảm cường độ dòng điện Điều giúp ta giảm chi phí cần thiết để mua cáp điện, với điện thất hệ thống thấp Kết luận: PWM: Điều khiển sạc PWM giải pháp có giá thành thấp cho hệ thống nhỏ nhiệt độ pin khoảng trung bình đến cao (45 độ C đến 75 độ C) MPPT: Để tận dụng lợi ích điều khiển sạc MPPT, điện áp dãy pin cần cao điện áp ắc quy, điều khiển sạc MPPT lựa chọn cho hệ thống có cơng suất lớn (do làm giảm giá thành hệ thống giảm chi phí với cáp điện) Nó tăng lượng điện thu 24 Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh từ pin mặt trời điều kiện pin làm việc nhiệt độ nhỏ 45 độ, cao 75 độ C cường độ xạ thấp 4.2 Bộ điều hướng pin mặt trời (solar tracking) - Tăng khả hấp thụ lượng pin ln vng góc với hướng mặt trời - Có thể xoay đa chiều nhờ cảm biến ánh sáng, đảm bảo cho pin ln vng góc - với hướng ánh sáng mạnh để pin đạt hiệu suất cao Cũng nhờ chế tự động nhận biết tự động xoay hướng ánh sáng lớn nên người sử dụng không cần phải xoay pin theo hướng mặt trời ngày theo mùa 25 Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Đối với nước phát triển Châu Á Trung Quốc, Thái Lan, Lào, Việt Nam, việc thiết lập đập thủy điện để giải nhu cầu điện cho quốc gia việc làm thiếu tầm nhìn nghiêm chỉnh cho tương lai Họ không rút kinh nghiệm quốc gia Tây phương đà phá vỡ đập xây dựng để tái tạo lại hệ sinh thái vùng, đồng thời không học hỏi kinh nghiệm tác hại môi trường khơng nghiên cứu tác động mơi trường q trình thiết lập đập Đối với nguồn lượng nguyên tử, mức an toàn vận hành, việc giải phế thải hạt nhân dấu hỏi lớn tác hại đến nhân môi trường trường hợp tai nạn xảy làm cho nhiều quốc gia dự định xây dựng thêm nhà máy Thêm lượng nyà thải hồi nhiều khí CO ảnh hưởng đến tầng ozone bầu khí phế thái nguyên tử mơn nan đề chưa giải cho nhân loại Do đó, lượng mặt trời thiết nghĩ lượng tương đối tối ưu cho điều kiện Việt Nam đứng phương diện địa dư nhu cầu phát triển kinh tế cho tương lai Theo tính tốn thành phố Hồ Chí Minh, trung bình st 12 tháng diện tích , ánh sáng mặt trời mang lại 5Kw cho ngày Và nguồn lượng khơi mào hứng thú góp phần vào: - Việc hạn chế hiệu ứng nhà kính, hâm nóng toàn cầu theo tinh thần Nghị định - thư Kyoto 1997; Giải ô nhiễm môi trường việc gia tăng dân số phát triển xã hội quốc - gia giới; Và để bổ túc vào thiếu hụt lượng giới tương lai nguồn lượng thiên nhiên bị cạn kiệt Tóm lại, lượng mặt trời xem nguồn lượng ưu việt tương lại, nguồn lượng sẵn có, siêu miễn phí Do vậy, lượng mặt trời ngày sử dụng rộng rãi giới Đối với Việt Nam, đánh giá có nguồn tài nguyên lượng mặt trời vào loại tốt giới Nguồn lượng tiềm lớn hồn tồn tham gia đóng góp vào cân lượng quốc gia 26 Chuyên đề thực tế GVHD: PGS.TS Trương Việt Anh TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Võ Viết Cường (Chủ biên) & ThS Nguyễn Lê Duy Luân Năng lượng mặt trời – Thiết kế lắp đặt Nhà xuất Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh TS Hồng Dương Hùng Năng lượng mặt trời lý thuyết & Ứng dụng https://solarvietnam.org/2017/10/03/tu-van-lua-chon-dieu-khien-sac-loai-nao-pwm-haymppt/ https://prezi.com/ehbj1hy30a8t/he-thong-tu-ieu-khien-pin-xoay-theo-huong-mat-troi/ 27