HE THONG DIEN MAT TROI CHO CAN HO GIA DINH

Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .6 1.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1.1Tình hình sử dụng lƣợng mặt trời giới .6 1.1.2 Tình hình sử dụng lƣợng mặt trời Việt Nam .8 1.2 Tiềm năng lƣợng Mặt Trời 10 1.3 Xu chi phí phát điện từ lƣợng tái tạo .10 1.4 Triển vọng cho sản xuất điện từ lƣợng tái tạo .11 1.5 Kết luận 12 CHƢƠNG NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO PV CELLS 13 2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC TẤM PIN MẶT TRỜI .13 2.1.1 Giới thiệu bán dẫn .13 2.1.2 Nguyên lý làm việc pin Mặt trời 17 2.2 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT TẤM PIN MẶT TRỜI[2] 18 2.2.1 Cấu tạo phân loại Pin Mặt trời 18 2.2.2 Các thông số thuật 19 2.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính Pin 20 CHƢƠNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .23 3.1 CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 23 3.1.1 Hệ thống độc lập 23 3.1.2 Hệ thống hòa lƣới 23 3.1.3 Hệ thống kết hợp 24 3.2 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH .26 3.2.1 Sơ đồ kết nối 26 3.2.2 Các phận 27 3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 35 Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình 3.3.1 Thiết kế hệ thống Pin NLMT 37 3.3.2 Thiết kế hệ thống Ắc quy 39 3.3.3 Bộ điều khiển sạc ắc quy .41 3.3.4 Thiết kế hệ thống Inverter DC/AC 42 3.3.5 Thiết kế hệ thống định hƣớng mặt trời 44 3.3.6 Thiết kế hệ thống chuyển đổi nguồn .46 CHƢƠNG LẮP ĐẶT VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT 48 4.1 SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI THIẾT BỊ .48 4.2 THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT 49 4.2.1 Giới thiệu Matlab Guide 49 4.2.2Thiết kế giao diện Guide 51 4.3 ĐÁNH GIÁ 52 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 CÁC BẢN VẼ 57 Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình MỞ ĐẦU Nhiên liệu hóa thạch phổ biến nhƣng gây tác đông không nhỏ đến môi trƣờng[1], nhƣ lƣợng khí thải CO2 tăng lên làm nóng bầu khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính, Trong năm gần đây, vấn đề tìm nguồn lƣợng mới, lƣợng xanh để thay cho nguồn nhiên liệu hóa thạch vừa nhu cầu thiết vừa chìa khóa cho tƣơng lai Dù sang kỷ 21 nhƣng nhiều ngƣời khơng thể tiếp cận đến thứ vơ bình thƣờng nhƣ điện chẳng hạn Theo quan Năng lƣợng Quốc tế cho biết năm 2013, khoảng 1.2 tỷ ngƣời giới khơng có điện để dùng, chiếm khoảng 17% dân số giới Sử dụng nguồn lƣợng từ nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt vô phức tạp tốn Mặt khác, lƣợng gió hay mặt trời cung cấp nguồn lƣợng sơ cấp để phục vụ sản xuất điện lại có khắp nơi giới Năng lƣợng mặt trời nguồn lƣợng tái tạo, khơng giống nhƣ nhiên liệu hóa thạch (khơng thể phục hồi) nhƣ than, dầu mỏ, khí đốt Theo tính tốn NASA, mặt trời cung cấp lƣợng cho khoảng 6,5 tỉ năm nữa.Tiềm năng lƣợng mặt trời lớn - ngày, bề mặt trái đất đƣợc hƣởng 120.000 terawatts (TW) ánh sáng mặt trời, cao gấp 20.000 lần so với nhu cầu ngƣời toàn giới (1TW = 1.000 tỉ W) Hiện nay, lƣợng tái tạo nhƣ gió, mặt trời, song, địa nhiệt, phần quan trọng việc phát triển ngành điện ký 21.Tuy nhiên lƣợng từ Mặt Trời liên tục coi vô hạn luôn phát sáng, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Trái Đất Nhƣng ngƣời lại sinh sống Trái Đất, nơi có nhiều yếu tố tự nhiên ảnh hƣởng đến việc thu nhập lƣợng Mặt Trời nhƣ ngày - đêm, mây mƣa, gió, nhiệt độ, thời gian, Chúng ta dễ dàng nhận vấn đề nhƣ sau: - Vào ban ngày, nắng tạo điện; vào ban đêm, ngày mƣa khơng tạo đƣợc điện nhiều; nhƣng việc cung cấp điện cho nhu cầu ngƣời ln cần thiết kể ngày lần đêm, mƣa hay nắng - Năng lƣợng Mặt Trời lại khơng thể tích trữ đƣợc vào bình chứa nhƣ nƣớc, khơng khí hay việc tích trữ điện vào bình ắc quy Do đó, để đảm bảo cho hộ phụ tải điện đảm bảo tính cung cấp điện liên tục thiết phải có hệ thống ắc Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình quy Battery tích trữ điện mà hệ thống Pin Mặt Trời (PV- Cells) tạo vào ban ngày, ngày nắng; sau sử dụng vào vào ban đêm ngày khơng có nắng - Việc chuyển đổi đổi điện chiều DC ắc quy thành dòng điện xoay chiều AC cho thiết bị dùng điện thông dụng lại cần nghịch lƣu Inverter - Hiệu suất làm việc pin Mặt Trời lại ảnh hƣởng lớn xạ Mặt Trời nhiệt độ mơi trƣờng[2], để đảm bảo hiệu suất cao cho Pin Mặt Trời (PhotoVoltaic Cells- PV Cells) cần có hệ thống định hƣớng Pin Mặt Trời - Ngoài để việc tích trữ lƣợng ắc quy (battery) hay chuyển đổi DC/DC nghịch lƣu (inverter) cần có hệ thống điều khiển riêng Cũng giống nhƣ tất nƣớc giới, Việt Nam tỉnh trạng cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch mức báo động, nguồn lƣợng gió, mặt trời đƣợc sử dụng vào việc sản xuất điện phục vụ nhu cầu sống đƣợc ứng dụng lớn để đảm bảo nguồn lƣợng phục vụ đời sống sản xuất Đặc biệt, hộ gia đình sử dụng pin để tự tạo nguồn lƣợng phụ vụ nhu cầu ngày lớn Xuất phát từ nhu cầu thực tế thực tế đó, đồ án nghiên cứu lƣợng điện Mặt Trời, hệ thống điện Mặt Trờicủa hộ gia đình Nội dung đồ án bao gồm nội dung nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan lượng Mặt Trời tình hình sử dụng nguồn lượng tái tạo Gió, Mặt Trời, Và tình hình sử dụng nguồn lượng Mặt Trời để phát điện Việt Nam Chương 2: Nguyên lý làm việc Pin Mặt Trời, thông số kỹ thuật Pin Mặt Trời Chương 3: Giới thiệu chung hệ thống điện Mặt Trời Thiết kế Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình từ Pin, điều khiển sạc, nghịch lưu tới phụ tải Ngồi ra, thiết kế giàn đỡ Pin định hướng Mặt Trời Trong h,ộ sử dụng nguồn điện từ hệ thống Pin Mặt Trời nguồn điện lưới Giữa hai nguồn điện chuyển đổi linh hoạt Chương 4: Liên kết, đấu nối mơ hình hệ thống điện cho hộ gia đình Đồn thời, sử dụng phần mềm Matlab/Guide để lập trình giao diện điều khiển, giám sát hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình Sau thời gian, tìm hiểu, nghiên cứu thực hiện, chúng em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu thầy cô trƣờng, đặc biệt thầy cô khoa Điện – Điện Tử Trƣờng Đại Học Đông Á TP.Đà Nẵng, tận tình dạy, truyền đạt kiến thức nhƣ tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em suốt trình học tập vừa qua Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy ThS ĐỖ CÔNG NGƠN dành nhiều thời gian cơng sức, quan tâm theo dõi, tận tình hƣớng dẫn, động viên nhắc nhở chúng em hoàn thành tốt đồ án Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm2019 NGƢỜI THỰC HIỆN (Ký viết rõ họ tên) ĐẶNG CƠNG DŨNG Đại học Đơng Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1.1Tình hình sử dụng lƣợng mặt trời giới Theo Cơ quan Năng lƣợng quốc tế (IEA), lƣợng tái tạo chiếm đến 2/3 nguồn lƣợng giới năm vừa rồi, đầu lƣợng mặt trời[3] Hình 1.1 Các pin mặt trời thành phố New York, Mỹ Cụ thể, công suất lƣợng mặt trời tăng 50% năm ngoái, phát triển nhanh số nguồn lƣợng Điều khiến cho nhà khoa học đánh giá kỷ nguyên giới Dẫn đầu Trung Quốc, IEA dự đoán lƣợng mặt trời thống trị tăng trƣởng tƣơng lai, với cơng suất tồn cầu năm tới nhiều so với công suất điện Ấn Độ Nhật Bản cộng lại Đến năm 2022, công suất lƣợng mặt trời dự báo chiếm tới nửa so với công suất lƣợng từ than, đồng thời trở thành nguồn lƣợng lớn nguồn lƣợng tái tạo Thay đổi tích cực đƣợc thúc đẩy nhờ vào việc giảm giá nhƣ sách hỗ trợ phủ, đặc biệt Trung Quốc Hiện nay, đất nƣớc chiếm tới phân nửa số pin lƣợng mặt trời toàn giới "Điều mà chứng kiến đời kỷ nguyên lƣợng mới", Giáo sƣ Fatih Birol, giám đốc điều hành IEA, nói Theo đó, dự đốn cơng suất lƣợng tái tạo vào năm 2022 tăng thêm so với báo cáo vào năm ngoái, mức tăng thêm khoảng 1/3 Trung Quốc Ấn Độ Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình Ngồi ra, Ấn Độ đƣợc dự đốn "bom" lƣợng mặt trời năm tới, nút thắt sở hạ tầng thiết bị kĩ thuật đƣợc khắc phục Khi đó, cơng suất lƣợng tái tạo Ấn Độ đƣợc tăng gấp đôi, vƣợt qua mức tăng trƣởng liên minh châu Âu (EU) Hình 1.2Hệ thống pin mặt trời kết hợp với điện gió Diêm Thành, thuộc tỉnh Giang Tô, Trung Quốc Theo báo cáo, Mỹ thị trƣờng lƣợng tái tạo tăng trƣởng nhanh thứ hai Tổng thống Donald Trump tuyên bố làm sống lại ngành công nghiệp than đá đất nƣớc Paolo Frankl, ngƣời đứng đầu lĩnh vực lƣợng tái tạo IEA, cho biết khoản trợ cấp cho nguồn lƣợng mặt trời lƣợng gió Mỹ trƣớc làm cho tác động từ sách Tổng thống Trump với nguồn lƣợng xanh hạn chế Tuy nhiên, điều thay đổi có tính tốn lại việc phân chia khoản tiền trợ cấp Ủy ban thƣơng mại quốc tế Mỹ định tăng thuế nhập với pin lƣợng mặt trời có nguồn gốc từ Trung Quốc "Còn Vƣơng quốc Anh, tranh lƣợng mặt trời phức tạp", Frankl cho biết Theo đó, IEA dự đốn sở lƣợng xanh đƣợc xây dựng đất nƣớc giai đoạn 2017-2022 1/5 số lƣợng thiết lập suốt năm qua Mặc dù số cánh đồng lƣợng mặt trời xuất nhiều Anh, động lực cho tăng trƣởng ngành lƣợng nƣớc lại bãi điện gió ngồi khơi Rẻ lƣợng hóa thạch năm tới Báo cáo cho nguồn lƣợng tái tạo ngày có khả cạnh tranh cao giá với nguồn hóa thạch Điển hình, dự án điện mặt trời điện gió liên tục lập kỉ lục giá rẻ đợt đấu thầu nhiều quốc gia Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình "Những nguồn lƣợng rẻ nguồn lƣợng hóa thạch năm tới Tuy nhiên, đầu tƣ vào lĩnh vực này, nhà kinh doanh gặp nhiều rủi ro lợi nhuận", Frankl nói Tăng trƣởng lƣợng tái tạo gấp lần khí gas than đá cộng lại năm tới, IEA nói Ngồi ra, dù đóng góp lƣợng tái tạo sản lƣợng điện tăng từ 24% năm 2016 lên 30% năm 2022, than đá nguồn lớn cung cấp cho phát điện Cũng theo IEA, quốc gia phải tiếp tục ban hành sách linh hoạt để thúc đẩy nguồn lƣợng xanh toàn cầu Đây hƣớng đắn cho phát triển bền vững nhƣ bảo tồn nguồn tài nguyên có hạn cho hệ tiếp theo[4] 1.1.2 Tình hình sử dụng lƣợng mặt trời Việt Nam Việt Nam nƣớc phát triển Đơng Nam Á có mức độ gia tăng nhu cầu sử dụng điện cao, đồng thời tỷ trọng lƣợng hóa thạch sử dụng phát điện lớn Bên cạnh nguy thiếu hụt nguồn lƣợng hóa thạch trữ lƣợng dần cạn kiệt việc sử dụng lƣợng hóa thạch gây ô nhiễm, ảnh hƣởng lớn đến môi trƣờng thực trạng mà Việt Nam phải đối mặt Trong đó, Việt Nam đƣợc biết đến nƣớc có tiềm lớn lƣợng tái tạo (NLTT) nhƣng khai thác sử dụng tỷ lệ nhỏ Cho đến số dự án có tầm cỡ quy mơ nƣớc ta ít, tỷ trọng cơng suất lắp đặt nhà máy điện từ NLTT tổng công suất đặt hệ thống khiêm tốn Mặc dù có nhiều nỗ lực thúc đẩy phát triển NLTT nguồn điện từ NLTT Quy hoạch phát triển điện lực gần đây, đặc biệt Quy hoạch điện VII, nhƣng việc phát triển NLTT Việt Nam chƣa tƣơng xứng với tiềm Bên cạnh đó, Việt Nam chƣa đáp ứng đƣợc mục tiêu phát triển Chiến lƣợc phát triển NLTT Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 đƣợc phê duyệt, nhƣ Chiến lƣợc quốc gia tăng trƣởng xanh, đồng thời chƣa đảm bảo cam kết Việt Nam Hội nghị Thƣợng đỉnh Liên Hợp quốc Biến đổi khí hậu (Thỏa thuận Paris) Đẩy mạnh sử dụng NLTT xu nƣớc giới vai trò quan trọng tính ƣu việt chúng, đặc biệt bối cảnh công nghệ sản xuất điện từ NLTT phát triển nhanh, dần đảm bảo khả cạnh tranh với nguồn lƣợng Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình truyền thống Chính vậy, việc gia tăng tỷ lệ điện sản xuất từ NLTT đòi hỏi tất yếu cho phát triển hệ thống điện, cần đƣợc đƣa vào cụ thể Quy hoạch nguồn điện Việt Nam Theo Quy hoạch điện VII (điều chỉnh), năm 2020 nhu cầu điện Việt Nam đạt 265 tỷ kWh đến năm 2030 đạt 572 tỷ kWh Tổng công suất lắp đặt năm 2020 60.000 MW tăng lên 129.500 MW vào năm 2030, nhiệt điện than chiếm tỷ trọng ngày cao năm 2030 Cụ thể, nhƣ năm 2015-2016 nhiệt điện than chiếm 34% đến năm 2020 lên đến 49,3%, năm 2025 lên 55% đến năm 2030 mức 53,2% Đối với điện từ lƣợng tái tạo (bao gồm thủy điện nhỏ) mức tăng hạn chế Cụ thể năm 2020 khoảng 6,4%, năm 2025 khoảng 6,9% đến năm 2030 10,7% Xét cấu nguồn lƣợng cho phát điện, theo báo cáo Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia năm 2015, nhiệt điện chiếm 54,15% công suất nguồn theo loại nhiên liệu (trong nhiệt điện than 28,88%, nhiệt điện khí 21,85% nhiệt điện dầu 3,42%); thủy điện 39,96% 5,9% NLTT chủ yếu thủy điện nhỏ, điện gió điện mặt trời chiếm tỷ lệ nhỏ Hình 1.3 Cơ cấu công suất nguồn điện 2014 Hiện nay, ba nguồn phát điện thủy điện, nhiệt điện khí nhiệt điện than, chiếm tới 94% tổng công suất nguồn điện hệ thống điện nƣớc ta NLTT chƣa đƣợc sử dụng nhiều cho phát điện, có đến 88,6% điện sản xuất từ NLTT nƣớc ta từ nhà máy thủy điện nhỏ (Nguyễn Ngọc Hồng, 2015) Trong đó, điện gió điện mặt trời đóng góp nhỏ cấu sản xuất điện nƣớc Theo báo cáo tổng kết hàng năm Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia, công suất lắp đặt nguồn điện sản xuất từ NLTT đến năm 2014 2.009 MW Cụ thể, thủy điện nhỏ 1.938 MW, sinh khối 24 MW, gió 46 MW, điện mặt trời 1MWp (Trung tâm Điều độ Hệ thống Điện Quốc gia, 2015) Đại học Đông Á Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình 10 1.2 Tiềm năng lƣợng Mặt Trời Tiềm năng lƣợng mặt trời khai thác đƣợc vào xạ mặt trời Việt Nam khu vực có xạ mặt trời hàng năm tƣơng đối lớn ổn định, đặc biệt khu vực Cao nguyên miền Trung, duyên hải miền Trung miền Nam, Đồng sơng Cửu Long Tính trung bình tồn quốc lƣợng xạ mặt trời 4-5kWh/m2 ngày Theo đánh giá, vùng có số nắng từ 1.800 giờ/năm trở lên đƣợc coi có tiềm để khai thác sử dụng Đối với Việt Nam, tiêu chí phù hợp với nhiều vùng, tỉnh phía Nam Tiềm lý thuyết điện mặt trời Việt Nam đƣợc dự tính nhƣ bảng sau: Bảng 1.1 Tiềm lý thuyết Điện Mặt Trời[5] TT Khu vực Đồng Bắc Bộ Sông Hồng Tây Bắc Bộ Bắc Trung Bộ Nam Trung Bộ Tây Nguyên Đồng Nam Bộ Sông Cửu Long Tổng Tổng xạ trung bình (kWh/m2/ngày Diện tích (106 m2) Công suất pin mặt trời (106MWp) Điện năng/ngày (106MWh) 3,95 65637 8,204 21,065 4,8 4,9 50648 51459 6,355 6,432 19,766 20,487 5,3 99018 12,377 42,639 5,15 64153 8,019 26,844 300951 41,368 130,802 Khu vực Nam Trung Tây Nguyên có tiềm điện mặt trời cao có diện tích đất tổng xạ mặt trời cao nƣớc Theo GreenID, tiềm khai thác cho sản xuất điện từ lƣợng mặt trời Việt Nam ƣớc tính khoảng 13.000 MW Trong đó, tổng công suất lắp đặt pin mặt trời để sản xuất điện khoảng MW vào năm 2015, chủ yếu cho mục đích nghiên cứu điện khí hóa nơng thơn 1.3 Xu chi phí phát điện từ lƣợng tái tạo Với phát triển nhanh khoa học cơng nghệ, chi phí phát điện từ nguồn lƣợng tái tạo giảm nhanh ngày cạnh tranh Theo đánh giá IRENA, chi phí phát điện từ lƣợng mặt trời giảm 59% lƣợng gió giảm 26% khoảng thời gian từ năm 2015 đến năm 2025 Cụ thể chi phí phát điện trung bình điện gió bờ giảm 26% lên đến 35% với điện gió ngồi khơi Đối với Công nghệ hội tụ lƣợng mặt trời CSP (concentrated solar power) có Đại học Đơng Á 43 Solar Power System for Home Nếu chọn inverter sine chuẩn dùng tăng phơ chọn cơng suất từ 125 – 150% sử dụng đƣợc, nhiên nhƣợc điểm loại inverter tiêu hao lớn Chọn inverter có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định battery Đối với hệ solar kết nối vào lƣới điện, ta không cần battery, điện áp vào danh định inverter phải phù hợp với điện áp danh hệ pin mặt trời Kích thƣớc nghịch lƣu DC/AC: Tổng công suất cực đại phụ tải là: Công suất cực đại hộ gia đình sử dụng có tính thêm hệ số dự phòng là: n Pmax   Pi  60.1  122.1  140.1  750.1  36.2  50.2  1244W i 1 Bộ nghịch lƣu có hệ số dự trữ thƣờng từ 30% Vậy kích thƣớc nghịch lƣu 24VDC/220VAC là: Pinv  k dt Pmax  1,3.1244  1617,2W Vậy ta chọn nghịch lƣu 24VDC/220VAC cơng suất lớn 2000W, có thơng số cụ thể nhƣ sau: Loại nghịch lƣu Pure Sine Wave Converter Bảng 3.8 Thông số nghịch lƣu Số Điện áp Điện áp Công lƣợng vào suất V V W 01 24 100 3000 Đơn giá VNĐ 800.000 Bảng 3.9 Thông số nghịch lƣu nhà sản xuất[12] Version: Color: Material: Peak power: Continuous power: Output voltage: Minimum protection voltage: Maximum protection voltage: 12V to 220V 12 to 220V 24V to 220V 24V to 220V Blue Aluminum Alloy 3000W/ 4000W 1500W/ 2000W AC 220V 50/60Hz 9.5V 15.5V 3000W 4000W 3000W 4000W Thành tiền VNĐ 800.000 Đại học Đơng Á 44 Solar Power System for Home Hình 3.20 Solar Power Inverter 3000W LED 24VDC to 220VAC Pure Sine Wave Converter 3.3.5 Thiết kế hệ thống định hƣớng mặt trời Hệ thống định hƣớng PV-Cells đƣợc phát triển từ lâu, để nhằm thu đƣợc xạ ánh sáng mặt trời vào Pin lớn Hệ thống định hƣớng mặt trời đơn giản xoay theo hƣớng Đông- Tây Nhƣng phƣơng pháp chƣa thật đạt hiệu cao nhất, vị trí trái đất góc ánh sáng mặt trời chiếu vào khác nhau; ngồi phụ thuộc vào vị trí tƣơng đối Trái Đất- Mặt Trời theo mùa Do đó, hệ thống định hƣớng Mặt Trời (Solar Tracking System) đầy đủ xoay theo trục khác nhau, tức luôn định hƣớng đƣợc hệ thống Pin theo hƣớng Mặt trời Hình 3.21 Hệ thống định hƣớng trục Hình 3.22 Hệ thống định hƣớng trục Hệ thống định hƣớng Mặt trời (Solar Tracking System) đƣợc hoạt động sở nhận tín hiệu ánh sáng cảm biến ánh sáng (quang trở), sau thơng qua arduino để chuyển đổi giá trị điện trở thành điện áp, qua từ chênh lệch điện áp hai cảm biến mà điều khiển động quay Pin theo hƣớng Mặt Trời Nguyên lý làm việc quang điện trở ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh điện tử tự do, tức dẫn điện tăng lên làm giảm điện trở chất bán dẫn Các Đại học Đông Á 45 Solar Power System for Home đặc tính điện độ nhạy quang điện trở tùy thuộc vào vật liệu dùng chế tạo Hình 3.23Quang trở Hình 3.24 Cảm biến ánh sáng Sơ đồ đấu nối cảm biến ánh sáng với Arduino Matlab nhƣ hình 3.25 phía dƣới Hình 3.25Sơ đồ đấu nối quang trở với Arduino Sơ đồ nguyên lý điều khiển định hƣớng mặt trời nhƣ sau: Tín hiệu ánh sáng vào quang trở (Cảm biến ánh sáng) Chuyển đổi sang tín hiệu điện Arduino sang Matlab Kiểm tra điện áp CB1 CB2 So sánh điện áp 04 cảm biến Kiểm tra điện áp CB3 CB4 Kiểm tra ΔU12=U1-U2 Xoay hƣớng Đông Kiểm tra ΔU34=U3-U4 Xoay hƣớng Tây Xoay hƣớng Nam Xoay hƣớng Bắc Hình 3.26 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Solar Tracking System Hệ thống giàn đỡ định hƣớng mặt trời nhƣ sau: Đại học Đông Á 46 Solar Power System for Home Hình 3.27 Hệ thống Solar Tracking System 3.3.6 Thiết kế hệ thống chuyển đổi nguồn Trong tình hình kinh tế thị trƣờng phát triển vƣợt bậc nhà máy, xí nghiệp phải tự hoạch toán kinh doanh cạnh tranh giá sản phẩm Điện đóng vai trò to lớn quan trọng hoạt động sản xuất nhà máy xí nghiệp Nếu hệ thống cung cấp điện xảy cố ảnh hƣởng đến hoạt động sản xuất kinh doanh doanh nghiệp gây nhiều thiệt hại kinh tế Do đảm bảo độ tin cậy nguồn điện nâng cao chất lƣợng mối quan tâm hàng đầu nhà máy xí nghiệp Hệ thống chuyển đổi nguồn điện đáp ứng đƣợc yêu cầu cung cấp điện liên tục cho phụ tải, hạn chế thời gian điện, đảm bảo việc cung cấp điện liên tục ổn định cho phụ tải Với yêu cầu cấp điện cho phụ tải phải liên tục, phụ tải đƣợc cấp điện từ nguồn độc lập, nguồn điện mặt trời nguồn điện lƣới Khi phụ tải làm việc yêu tiên đƣa nguồn điện mặt trời vào làm việc trƣớc, có cố xảy mạch tự động chuyển nguồn đƣa nguồn điện lƣới vào làm việc có nguồn điện mặt trời trở lại hệ thống điều khiển lệnh khóa nguồn điện lƣới lại đƣa nguồn điện mặt trời vào làm việc Đại học Đông Á 47 Solar Power System for Home Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi nguồn Hình 3.29 Sơ đồ nối dây điều khiển chuyển đổi nguồn Nguyên lý hoạt động chuyển đổi nguồn nhƣ sau: Giả sử S1 nguồn điện mặt trời, S2 nguồn điện lƣới, nguồn điện mặt trời có điện cơng tắc cực rơ le1 đóng vào S2 (nguồn điện lƣới) mở Khi cấp nguồn 220v từ nguồn pin mặt trời cho mạch đèn báo hiệu màu đỏ sáng báo hiệu hệ thống hoạt động nguồn điện mặt trời (S1) Khi nguồn S1 bị cố điện hệ thống điều khiển lệnh đóng nguồn điện mặt trời bật nguồn điện lƣới (S2) đèn tín hiệu màu xanh sáng ngƣợc lại Đại học Đông Á 48 Solar Power System for Home CHƢƠNG LẮP ĐẶT VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT 4.1 SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI THIẾT BỊ Tổng hợp thiết bị hệ thống điện mặt trời cho hộ đƣợc tính tốn phía nhƣ sau: TT Bảng 4.1 Tổng hợp thiết bị hệ thống điện mặt trời Tên thiết bị Mã sản phẩm Số lƣợng Đơn giá Tấm pin Mặt Trời 10 5.000.000 CST300M6-20 Ắc quy 14 5.000.000 GMLB24V Bộ điều khiển sạc 300.000 DEMUDA YJSS Pure Sine Wave Bộ nghịch lƣu 800.000 Converter Hệ thống giàn đỡ định 2.000.000 hƣớng Mặt trời Dây đấu nối, hộp boxe 5.000.000 đấu nối, thiết bị phụ kiện Tổng tiền Hình 4.1Sơ đồ nối dây thiết bị Thành tiền 50.000.000 70.000.000 300.000 800.000 2.000.000 5.000.000 128.100.000 Đại học Đơng Á 49 Solar Power System for Home Hình 4.2 Hình ảnh thực tế 4.2 THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT 4.2.1 Giới thiệu Matlab Guide Matlab ngôn ngữ lập trình đƣợc phát triển MathWorks để lập trình tính tốn số Matlab viết tắt "matrix laboratory" (phòng thí nghiệm ma trận), ngơn ngữ lập trình cao cấp hệ thứ Mathworks Matlab cung cấp môi trƣờng tƣơng tác để thực tính tốn lập trình, cho phép ngƣời dùng xây dựng ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ liệu, thực phép toán, tạo giao diện ngƣời dùng, liên kết chƣơng trình máy tính đƣợc viết nhiều ngơn ngữ khác nhau, bao gồm C, C++, Java, Fortran, phân tích liệu, phát triển thuật tốn, tạo mơ hình ứng dụng Matlab đƣợc tích hợp nhiều lệnh hàm toán học, giúp ngƣời dùng thực tính tốn số, vẽ đồ thị thực phƣơng pháp số Matlab đƣợc sử dụng rộng rãi khía cạnh tính tốn Dƣới số phép tính tốn Matlab đƣợc sử dụng phổ biến nhất: - Vấn đề ma trận mảng - Đồ thị 2-D 3-D Đại học Đông Á 50 Solar Power System for Home - Đại số tuyến tính - Phƣơng trình đại số - Các hàm phi tuyến tính - Số liệu thống kê - Phân tích liệu - Giải tích phƣơng trình vi phân - Tính tốn số - Tích phân - Chuyển đổi - Hồi quy - Các hàm đặc biệt khác Dƣới tính Matlab: - MATLAB ngơn ngữ lập trình cao cấp, cho phép tính tốn số, hình dung phát triển ứng dụng - Cung cấp môi trƣờng tƣơng tác để khảo sát, thiết kế giải vấn đề - Cung cấp thƣ viện lớn hàm tốn học cho đại số tuyến tín, thống kê, phân tích Fourier, lọc, tối ƣu hóa, tích phân giải phƣơng trình vi phân bình thƣờng - MATLAB cung cấp đồ thị đƣợc tích hợp sẵn để hiển thị hình ảnh liệu cơng cụ để tạo đồ thị tùy chỉnh - Giao diện lập trình MATLAB cung cấp cơng cụ phát triển để nâng cao khả bảo trì chất lƣợng mã tối đa hóa hiệu suất - Cung cấp công cụ để xây dựng ứng dụng với giao diện đồ họa tùy chỉnh - Cung cấp hàm để tích hợp thuật tốn dựa MATLAB với ứng dụng bên ngồi ngơn ngữ khác nhƣ C, Java, NET Microsoft Excel Ngoài ra, phần mềm Maltab có GUI (Graphical User Interface) hay gọi Giao diện ngƣời dùng đồ họa đƣợc lập trình sẵn tích hợp vào phần mềm Matlab Nó cho phép tƣơng tác giao diện chƣơng trình cách khách quan nhất, nhanh giảm thời gian viết chƣơng trình giao diện Để thực với Guide cần cửa sổ Command Window Matlab gõ dòng lệnh: Đại học Đơng Á 51 Solar Power System for Home >>guide Trong Matlab GUI hỗ trợ đầy đủ chƣơng trình tính tốn với phép tốn,logic, lập trình khơng gian 2D, 3D, đọc liệu từ Excel, xử lý hình ảnh,… Guide đƣợc thực thông qua hàm xây dựng sẵn Callback 4.2.2Thiết kế giao diện Guide Để đo điện áp, dòng điện thơng qua Arduino module ACS712 ta sử dụng câu lệnh readVoltage, để hiển thị lên giao diện Guide giá trị điện áp ta sử dụng lệnh set(handles.tag, „kieubien‟,bien) nhƣ sau: V1 = readVoltage(a,'A1'); V2 = readVoltage(a,'A2'); V3 = readVoltage(a,'A3'); V4 = readVoltage(a,'A4'); set(handles.tag,'string',bien); Để lựa chọn chức ta sử dụng checkbox cho chế độ hoạt động tay Manual tự động Auto Để điều khiển động qua chân Digital, có điều chỉnh tốc độ cho động cơ, ta sử dụng lệnh nhƣ sau: writePWMVoltage(a,'D4',0.0); writePWMVoltage(a,'D5',3.5); Để thực gọi giá trị button ta sử dụng lệnh get(handles.tag, „kieubien‟) để lấy giá trị tƣơng ứng Ví dụ chế độ tự động (auto), tay (manual) lấy biến để chuyển nguồn pin Mặt trời (Solar) nguồn từ lƣới (Grid) sol=get(handles.solar,'value'); gri=get(handles.grid,'value'); Để cài đặt khả làm việc nút nhấn (button) để tạo logic, tránh làm việc sai ta sử dụng hàm enable để cài đặt cho button checkbox Trong „on‟ lên, cho đối tƣợng làm việc; ngƣợc lại „off‟ ẩn không cho đối tƣợng làm việc set(handles.auto,'enable','on'); set(handles.manual,'enable','on'); set(handles.dong,'enable','on'); set(handles.tay,'enable','on'); set(handles.nam,'enable','on'); set(handles.bac,'enable','on'); set(handles.push_run,'enable','on'); set(handles.solar,'enable','on'); set(handles.grid,'enable','on'); set(handles.solar,'value',0); set(handles.grid,'value',0); Đại học Đông Á 52 Solar Power System for Home Hình 4.3 Giao diện Matlab/Guide 4.3 ĐÁNH GIÁ Trong chƣơng này, thực lắp đặt hệ thống điện mặt trời cho hộ đồng thời tạo giao diện điều khiển giám sát hệ thống phần mềm Matlab/Guide Với chi phí vốn đầu tƣ ban đầu V=128.100.000VNĐ Đại học Đông Á 53 Solar Power System for Home Số chữ điện tiết kiệm đƣợc năm A= 10.03x365=3661.68kWh Với giá tiền 1kWh điện vo=2.500VNĐ Lƣợng tiền tiết kiệm đƣợc năm là: T=A.vo= 9.154.000 VNĐ Thời gian thu hồi vốn dự án là: N=V/T=13.99 năm (khoảng 14 năm) Nhƣ với tuổi thọ hệ thống pin mặt trời khoảng 20-30 năm, phƣơng án khả thi Nhƣng thời gian thu hồi vốn nhƣ lâu TT Tên thiết bị Tấm pin Mặt Trời Ắc quy Bộ điều khiển sạc Bộ nghịch lƣu Hệ thống giàn đỡ định hƣớng Mặt trời Dây đấu nối, hộp boxe đấu nối, thiết bị phụ kiện Tổng tiền Mã sản phẩm CST300M6-20 GMLB24V DEMUDA YJSS Pure Sine Wave Converter SL 10 14 Đơn giá 5.000.000 5.000.000 300.000 Thành tiền 50.000.000 70.000.000 300.000 800.000 2.000.000 2.000.000 5.000.000 5.000.000 128.100.000 800.000 Nhƣng thiết kế hệ thống Ắc quy dự trữ lớn phí vốn đầu tƣ lớn Nếu thiết kế hệ thống ắc quy dự phòng ngày chi phí vốn đầu tƣ giảm khoảng 1/4, thời gian hồn vốn giảm lại khoảng năm TT Tên thiết bị Tấm pin Mặt Trời Ắc quy Bộ điều khiển sạc Bộ nghịch lƣu Hệ thống giàn đỡ định hƣớng Mặt trời Dây đấu nối, hộp boxe đấu nối, thiết bị phụ kiện Tổng tiền Mã sản phẩm CST300M6-20 GMLB24V DEMUDA YJSS Pure Sine Wave Converter Số lƣợng 10 Đơn giá 5.000.000 5.000.000 300.000 800.000 2.000.000 2.000.000 5.000.000 5.000.000 83.100.000 Thành tiền 50.000.000 25.000.000 300.000 800.000 Đại học Đông Á 54 Solar Power System for Home KẾT LUẬN Sau thời gian thực đồ án, tìm hiểu nguồn lƣợng mặt trời, nhƣ lợi ích tính cấp thiết phải sử dụng nguồn lƣợng tái tạo Từ tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý làm việc pin mặt trời Từ đặc tính pin mặt trời, tiếp tục vào tìm hiểu hệ thống điện mặt trời, ƣu, nhƣợc điểm hệ thống Sau lựa chọn hệ thống điện mặt trời cung cấp cho hộ gia đình để làm đề tài Trong đề tài thiết kế phần hệ thống điện mặt trời nhƣ hệ thống pin mặt trời, hệ thống ắc quy, điều khiên sạc, nghịch lƣu, hệ thống định hƣớng mặt trời cho pin Có chuyển đổi nguồn điện lƣới điện Mặt Trời linh hoạt, tiện lợi cho trình sử dụng vận hành Sau hồn thành mơ hình, thấy rằng: thiết kế tính toán phù hợp cho nhu cầu sử dụng hộ đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, làm việc an toàn tin cậy Hệ thống đƣợc giám sát giao diện hình Matlab/Guide giúp cho trình vận hành thuận tiện Tuy nhiên, đồ án nhƣợc điểm nhƣ sau: - Chƣa có tính tốn thiết kế tìm điểm cơng suất cực đại MPPT cho hệ thống điện mặt trời - Mơ hình mơ nhỏ, áp dụng cần vốn đầu tƣ lớn theo nhƣ tính tốn, ngồi chi phí cho kWh cao Đại học Đông Á 55 Solar Power System for Home TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Năng lƣợng xanh” thay đổi giới nhờ lợi ích này.VietTimes Thu Hằng,13/7/2018 https://viettimes.vn/nang-luong-xanh-dang-thay-doi-ca-the-gioinho-8-loi-ich-nay-298036.html [2] Hệ thống kỹ thuật lƣợng Mặt Trời Hồ Phạm Huy Ánh NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2013 [3] Năng lƣợng tái tạo, Nguyễn Thanh Hào, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2012 [4] Năng lƣợng tái tạo, Nguyễn Thế Bảo, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2012 [5] Trung tâm số liệu khí tƣợng thủy văn, 2014 [6] International Renewable Energy Agency (IRENA), 2016 [7] Quyết định số 428/QĐ-TTg, 2016 [9] Alibaba.com Consort 60 CELL 290W 295W 300W 305W 310W 315W watt 20V monocrystalline solar panel https://www.alibaba.com/product-detail/60CELLS-290W-295W-300W305W_62063167705.html?spm=a2700.7724857.normalList.2.5911689bsM1OdJ&s =p [10] Alibaba.com, OEM design deep cycle solar lithium battery 24v 200ah https://www.alibaba.com/product-detail/OEM-design-deep-cycle-solarlithium_60862036803.html?spm=a2700.7724857.normalList.26.2d145d572NML6 B&s=p [11] Alibaba.com, solar battery charge controller for offgrid solar system https://www.alibaba.com/product-detail/DEMUDA-YJSS-Series-12V-24V48V_60777715037.html?spm=a2700.7724857.normalList.53.72816883EnyQN8 [12] Tập đoàn điện lực Việt Nam EVN Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí mặt trời nằm nâng cao hiệu sử dụng thiết bị lƣợng mặt trời, 02/07/2013.https://www.evn.com.vn/d6/news/Nghien-cuu-thiet-ke-hethong-tu-dong-thich-ung-voi-vi-tri-mat-troi-nam-nang-cao-hieu-qua-su-dung-cacthiet-bi-nang-luong-mat-troi-6-8-8245.aspx [13] Các trang webcủa công ty nhƣ sau: Đại học Đông Á 56 Solar Power System for Home - https://nangluongtieudiem.com/he-thong-dien-mat-troi-doc-lap-hoat-dong-ra-sao/ - https://nangluongtieudiem.com/he-thong-dien-mat-troi-hoa-luoi-hoat-dong-ra-sao/ - https://congnghexanhvn.com/lap-dat-he-thong-dien-gio-ket-hop-dien-mat-troi-giare/ - https://givasolar.com/te-bao-quang-dien-solar-cell-la-gi/ - http://www.xedien.info/cong-nghe/ac-quy-va-ung-dung.html - https://kythuatacquy.blogspot.com/2015/08/tong-quan-ve-ky-thuat-ac-quychuyen.html - http://giaongay247.com/controller-solar-charger-pwm-40a-12v-24v-hen-gio766727.html - http://kocher.vn/inverter-la-gi-tim-hieu-cong-nghe-inverter.htm - http://vtsolar.vn/tin-tuc/3-cach-ban-co-bo-chuyen-doi-dien-dc-sang-ac-invertertot-nhat-369 - https://www.dienmayxanh.com/tu-lanh/panasonic-nr-bl267pkv1 - http://pinsolar.net/tinh-toan-cong-suat-he-thong-dien-tu-pin-nang-luong-mat-troi - https://solarpower.vn/phuong-phap-thiet-ke-he-thong-dien-nang-luong-mat-troi/ Đại học Đông Á 57 CÁC BẢN VẼ Solar Power System for Home ... NLTT gia tăng suất đầu tƣ cho điện gió điện mặt trời giảm mạnh theo xu tỷ lệ cơng suất nguồn điện từ NLTT ho n toàn khả Đại học Đông Á 12 Hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia đình thi theo nhƣ quy ho ch... cấp cho phát điện Cũng theo IEA, quốc gia phải tiếp tục ban hành sách linh ho t để thúc đẩy nguồn lƣợng xanh toàn cầu Đây hƣớng đắn cho phát triển bền vững nhƣ bảo tồn nguồn tài nguyên có hạn cho. .. linh ho t Chương 4: Liên kết, đấu nối mơ hình hệ thống điện cho hộ gia đình Đồn thời, sử dụng phần mềm Matlab/Guide để lập trình giao diện điều khiển, giám sát hệ thống điện Mặt Trời cho hộ gia