Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời ứng dụng trong chiếu sáng công cộng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG 621 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG Sinh viên thực hiện: Lớp: NGUYỄN THỊ PHÚC 51K ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA NGHỆ AN - 2015 i LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ thầy cơ, anh chị bạn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu trường Đại Học Vinh, Khoa Điện tử Viễn Thông thầy cô giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, em xin gửi lời chân thành sâu sắc cảm ơn đến TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cuối cùng, em xin cảm ơn chân thành đến người thân toàn thể bạn bè giúp đỡ, động viên em suốt thời gian học tập thực đồ án tốt nghiệp Cuối em kính chúc quý Thầy Cô dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Trân trọng kính chào ! Nghệ an, 26 tháng năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Thị Phúc ii LỜI NĨI ĐẦU Ngày với tình hình dân số cơng nghiệp phát triển khơng ngừng, lượng thể vai trò quan trọng trở thành yếu tố thiếu sống Tuy nhiên nhu cầu sử dụng ngày gia tăng nguồn lượng truyền thống khai thác sử dụng ngày dần cạn kiệt trở nên khan Một số nguồn lượng sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá…) cho thấy tác động xấu đến môi trường, gấy ô nhiễm bầu khí gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozon, nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Các khí thải từ việc đốt nguyên liệu gây mưa axit gây hại cho mơi trường sống người Cịn nguồn lượng thủy điện (vốn coi loại nguồn lượng sạch) khơng đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện tình trạng mức nước hồ chứa thường xuyên xuống mực nước chết Trước tình hình đó, vấn đề phải tìm nguồn lượng để đáp ứng nhu cầu sử dụng lượng lớn mạnh hàng ngày, thay nguồn lượng có hại cho môi trường cạn kiệt trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều quan tâm So với nguồn lượng khai thác sử dụng lượng gió, lượng hạt nhân…Năng lượng mặt trời coi nguồn lượng rẻ, vô tận, nguồn lượng không gây hại cho môi trường thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu trở thành nguồn lượng tốt tương lai Hệ thống quang điện sử dụng lượng mặt trời (hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, phải bào dưỡng, không gây tiếng ồn…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 Năng lượng mặt trời nhiều nguồn lượng khác lượng gió, lượng thủy triều…tuy khơng cịn đề tài Việt Nam vấn đề gần quan tâm Chính vậy, lựa chọn đề iii tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điện lượng mặt trời ứng dụng chiếu sáng công cộng” làm đồ án tốt nghiệp Mục tiêu đồ án nghiên cứu thiết kế ứng dụng hệ thống điện lượng mặt trời chiếu sáng công cộng Phạm vi đối tượng nghiên cứu đề tài: Thiết kế hệ thống chiếu sáng cơng cộng cho tịa nhà A0-Đại học Vinh Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp tính tốn lý thuyết khảo sát thực tế Cấu trúc đồ án gồm có chương Chương trình bày tổng quan hệ thống điện lượng mặt trời Chương sâu tìm hiểu thành phần hệ thống điện lượng mặt trời Phần thiết kế tính tốn hệ thống lượng điện mặt trời ứng dụng vào thực tế triển khai hệ thống chiếu sáng cơng cộng cho tịa nhà A0 - Đại học Vinh giới thiệu chương Cuối số kết đạt đồ án iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đồ án trình bày tổng quan hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với điện lưới thành phần hệ thống pin mặt trời, ắc quy, điều khiển sạc đổi điện Sau đồ án tập trung nghiên cứu phương pháp thiết kế tính tốn hệ thống điện mặt trời Cuối cùng, thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng dùng lượng mặt trời cho tòa nhà A0-Đại học Vinh đánh giá hiệu kinh tế hệ thống ABSTRACT The thesis presents a solar power system to work with off grid electric power system and its components needed in the system such as solar panel, battery, solar charge controller, and inverter Then the thesis focuses on design and calculation method of the solar power system Finally, we will design a solar power system for public lighting system at A0 building in vinh university v MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii TÓM TẮT ĐỀ TÀI iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG x CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Mở đầu 1.2 Lịch sử phát triển pin mặt trời 1.3 Tiềm năng lượng mặt trời Việt Nam 1.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống lượng mặt trời 1.5 Cấu hình tiêu biểu hệ thống điện lượng mặt trời 1.5.1 Panel Mặt Trời 1.5.2 Bộ điều khiển sạc 1.5.3 AC-DC Inverter 1.5.4 Battery (ắc-quy) 1.5.5 Khung gá dây cáp 1.6 Ưu lượng mặt trời 1.6.1 Năng lượng 1.6.2 Lý chọn lượng Mặt Trời 1.6.3 Năng lượng 1.7 Ưu nhược điểm lượng mặt trời 1.7.1 Ưu điểm 1.7.2 Nhược điểm 1.8 Ứng dụng lượng Mặt Trời 10 CHƯƠNG CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 16 2.1 Tấm pin Mặt Trời 16 2.1.1 Hiệu ứng quang điện 17 vi 2.1.2 Hiệu suất trình biến đổi quang điện 19 2.1.3 Cấu tạo 20 2.1.4 Các công nghệ chế tạo pin lượng mặt trời 21 2.1.5 Tấm dãy lượng Mặt Trời 23 2.1.6 Đặc điểm pin mặt trời 25 2.1.7 Điểm công suất cực đại MPP 28 2.1.8 Hệ số lấp đầy hiệu suất pin lượng Mặt Trời 30 2.2 Bộ điều khiển sạc 30 2.2.1 Khái niệm 30 2.2.2 Sơ lược điều khiển sạc 31 2.2.3 Nguyên lý hoạt động 32 2.2.4 Bộ solar charger controller PWM solar charger controller MPPT 33 2.2.5 Thiết kế điều khiển sạc 35 2.3 Bộ lưu trữ lượng (Battery) 35 2.3.1 Giới thiệu chung Ắc quy 35 2.3.2 Cấu tạo Ắc quy 36 2.3.3 Phân loại nguyên lý hoạt động Ắc quy 37 2.3.4 Một số đặc tính Ắc quy 40 2.3.5 So sánh hao loại Ắc quy thông dụng 44 2.3.6 Các tiêu chí lưac chọn Ắc quy 46 2.4 Đèn LED chiếu sáng 46 2.4.1 Nguyên lý hoạt động LED chiếu sáng 47 2.4.2 Tính chất đèn LED chiếu sáng 48 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ, TÍNH TỐN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 50 3.1 Hệ thống điện Mặt Trời 50 3.2 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện Mặt Trời 51 3.2.1 Yêu cầu đặc trưng phụ tải 51 3.2.2 Vị trí lắp đặt hệ thống 51 3.3 Các bước thiết kế hệ thống điện Mặt Trời 53 vii 3.3.1 Lựa chọn sơ đồ khối 53 3.3.2 Thiết kế hệ thống pin lượng Mặt Trời 54 3.4 Các điều phối lượng 57 3.4.1 Bộ điều khiển nạp-phóng điện 57 3.4.2 Bộ biến đổi điện DC-AC 58 3.4.3 Hộp nối dây nối điện 60 3.5 Thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng lượng Mặt Trời cho tòa nhà A0 trường Đại Học Vinh 60 3.5.1 Khảo sát địa điểm lắp đặt phụ tải tiêu thụ điện 60 3.5.2 Tính tốn lắp đặt hệ thống điện mặt trời 62 3.5.3 Dự trù kinh phí lắp đặt hệ thống 65 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Các thành phần hệ thống điện lượng mặt trời .6 Hình 1.2 Các thành phần hệ thống điện lượng mặt trời hịa lưới có dự trữ Hình 1.3 Nhà máy điện mặt trời 11 Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống điện gia đình 12 Hình 2.1 Một tế bào quang điện 17 Hình 2.2 Hệ mức lượng 17 Hình 2.3 Các vùng lượng 18 Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 18 Hình 2.5 Quan hệ Ƞ(Eg) 19 Hình 2.6 Cấu tạo pin mặt trời 20 Hình 2.7 Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời 21 Hình 2.8 Quá trình tạo Module 23 Hình 2.9 Cấu tạo Module 23 Hình 2.10 Sự kết hợp tế bào quang điện thành lượng mặt trời dãy lượng mặt trời 24 Hình 2.11 Đồ thị V - A pin mặt trời 24 Hình 2.12 Mắc nối tiếp pin mặt trời 25 Hình 2.13 Khi mắc song song pin mặt trời 25 Hình 2.14 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 26 Hình 2.15 Sơ đồ tương đương đơn giản pin mặt trời gồm nguồn dòng mắc 27 Hình 2.16 Dịng ngắn mạch ISC 27 Hình 2.17 Điện áp hở mạch VOC 28 Hình 2.18 Đồ thị V-A pin mặt trời 28 Hình 2.19 Các giá trị chuẩn pin mặt trời điều kiện chuẩn 28 Hình 2.20 Đồ thị V – A đồ thị công suất pin mặt trời 29 Hình 2.21 Xác định điểm MPP 29 Hình 2.22 Một số điều khiển sạc 30 ix Hình 2.23 Chu kỳ sạc điều khiển sạc 32 Hình 2.24 Một số loại ắc quy 36 Hình 2.25 Cấu tạo ắc quy 37 Hình 2.26 Mơ cực ắc quy axít 38 Hình 2.27 Các trạng thái hóa học q trình phóng - nạp 39 Hình 2.28 Các cực ắc quy gắn song song 40 Hình 2.29 Bố trí ngắn ắc quy 40 Hình 2.30 Sự phụ thuộc dung lượng vào mức điện áp 41 Hình 2.31 Các loại đèn LED 49 Hình 3.1 Hệ thống lượng mặt Trời 50 Hình 3.2 Dàn pin mặt trời 53 Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời 53 Hình 3.4 Sơ đồ nhà A0 61 Hình 3.5 Vị trí lắp bóng đèn chiếu sáng công cộng 61 Hình 3.6 Mono pin mặt trời 100W 62 Hình 3.7 Vị trí lắp đặt dàn pin lượng mặt trời 64 Hình 3.8 Sơ đồ mắc song song ắc quy 64 Hình 3.9 Sơ đồ kết nối hệ thống dây dẫn 65 Hình 3.10 Sơ đồ kết nối hệ thống 65 x Dung lượng Battery (Ah) = Dung lượng Battery (Ah) = 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑊ℎ 𝑡𝑖ê𝑢 𝑡ℎụ 𝑚ỗ𝑖 𝑛𝑔à𝑦 ℎ𝑖ệ𝑢 𝑠𝑢ấ𝑡 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 ×𝑚ứ𝑐 𝐷𝑂𝐷 ×đ𝑖ệ𝑛 𝑡ℎế 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑊ℎ 𝑡𝑖ê𝑢 𝑡ℎụ 𝑚ỗ𝑖 𝑛𝑔à𝑦 0.85 ×0.6 ×đ𝑖ệ𝑛 𝑡ℎế 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 Kết cho ta dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar khơng có dự phịng Khi hệ solar có số ngày dự phịng (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) = 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑊ℎ 𝑡𝑖ê𝑢 𝑡ℎụ 𝑚ỗ𝑖 𝑛𝑔à𝑦 0,85 ×0,6 ×đ𝑖ệ𝑛 𝑡ℎế 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 × số autonomyday Khi có điện V dung lượng Ah bình acquy, ta lựa chọn ắc quy tính tốn cách ghép chúng lại với cho tối ưu, phải để ý đến tính dự phịng Thí dụ hệ ắc quy 12V/1000Ah ghép dãy 12V/200Ah song song có độ an tồn cao dãy 12V/1000Ah, vài ắc quy bị hỏng ta cịn dãy khác làm việc tốt thời gian chờ sửa chữa d Chọn điều khiển sạc Bộ điều khiển sạc có điện vào phù hợp với điện pin mặt trời điện tương ứng với điện battery Vì solar charge controller có nhiều loại cần chọn loại solar charge controller phù hợp với hệ solar bạn Đối với hệ pin mặt trời lớn, thiết kế thành nhiều dãy song song dãy solar charge controller phụ trách Công suất solar charge controller phải đủ lớn để nhận điện từ PV đủ công suất để nạp cho hệ thống bình ắc quy Để chọn Solar charge controller, ta phải tính thơng số Wp, Vpm, Voc, Ipm, Isc hệ thống pin Mặt trời kết nối với Các trị số dịng áp solar charge controller phải chấp nhận trị số dòng áp hệ thống pin Mặt trời Thông thường ta chọn Solar charge controller có dịng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch Isc hệ pin mặt trời e Thiết kế solar inverter Có nhiều loại inverter có thiết kế phù hợp cho ứng dụng riêng biệt: inverter dùng cho hệ solar độc lập có battery, inverter dùng cho hệ solar nối lưới, inverter dùng cho hệ solar tích hợp lượng mặt trời, gió, máy diesel , 56 inverter dùng cho tur-bin gió nối lưới Tùy theo hệ solar ta thuộc loại mà chọn loại inverter cho phù hợp  Đối với hệ solar stand-alone Thiết kế inverter phải đủ lớn để đáp ứng tất tải bật lên, thường phải có cơng suất 125% công suất tổng tải Công suất tổng tải tổng số công suất tất tải mà hệ solar cung cấp P1 = p1 + p2 +….+ pn (3.4) Trong đó: P1: Tổng lượng tiêu thụ điện p1,2…n : Công suất phụ tải Nếu tải có motor điện phải tính thêm cơng suất để chịu dòng khởi động motor Chọn inverter có điện áp vào phù hợp với điện áp battery  Hệ solar kết nối vào lưới điện Hệ solar khơng có battery, ta chọn điện áp vào inverter phải phù hợp với điện áp hệ pin mặt trời 3.4 Các điều phối lượng Các điều phối lượng gồm điều khiển qáu trình nạp, phóng điện cho ắc quy biến đổi DC/AC Để thiết kế, chế tạo lắp đặt điều phối cần xác định số thông số đây: 3.4.1 Bộ điều khiển nạp - phóng điện Bộ điều khiển thiết bị có chức kiểm sốt tự động q trình nạp phóng điện ắc quy Bộ điều khiển theo dõi trạng thái ắc quy thông qua hiệu điện cá điện cực Các thơng số kĩ thuật cần phải quan tâm: - Ngưỡng điện cắt Vmax Ngưỡng điện cắt Vmax giá trị hiệu điện hai cực ắc quy nạp điện đầy, dung lượng đạt 100%, tiếp tục nạp điện cho ắc quy ắc quy bị đầy, dung dịch ắc quy bị sôi lên dẫn đến bay nước làm hỏng cực Vì có dấu hiệu ắc quy nạp đầy, hiệu điện cực ắc quy đến ngưỡng V=V max điều khiển tự 57 động cắt dòng nạp hạn chế dòng nạp điện từ dàn pin mặt trời Sau đó, hiệu điện ắc quy giảm xuống giá trị ngưỡng, điều khiển lại tự động tự đóng mạch lại - Ngưỡng cắt Vmin Ngưỡng cắt Vmin giá trị hiệu điện hai cực ắc quy ắc quy phóng điện đến giá trị cận dung lượng ắc quy (ví dụ ắc quy chì-axit, ắc quy lại 30% dung lượng) Nếu tiếp tục sử dụng ắc quy bị phóng điện q kiệt, dẫn đến hư hỏng ắc quy Vì điều khiển nhận thất hiệu điện ắc quy V≤Vmin tự động cắt mạch tải tiêu thụ Sau hiệu điện ắc quy tăng lên đến giá trị ngưỡng, điều khiển lại tự đóng mạch nạp lại Đối với ắc quy chì - axit, hiệu điện chuẩn cực bình V=12V, thơng thường người ta chọn Vmax=(14.0÷14.5) cịn Vmin= (10,5÷11,0)V - Điện trễ ∆𝑈 Là hiệu số giá trị điện cắt hay cắt điện đóng mạch điều khiển, tức là: ∆U = Vmax – Vđ hay ∆U = Vmin – Vđ (3.5) Với Vđ hiệu điện đóng mạch điều khiển Thơng thường ∆U khoảng 1÷2V - Cơng suất P điều khiển Thông thường nằm dải: 1.3 PL ≤P ≤ PL (3.6) Trong PL tổng cơng suất taircos hệ nguồn PL = ∑ 𝑃𝑖 , i=1,2,… (3.7) - Hiệu suất điều khiển: Càng cao tốt, đạt giá trị lớn 85% 3.4.2 Bộ biến đổi điện DC – AC Bộ biến đổi điện có chức biến đổi dịng điện chiều (DC) từ dàn pin mặt trời từ ắc quy thành dòng điện xoay chiều (AC) Các thơng số kĩ thuật cần quan tâm bao gồm: - Thế vào Vin chiều; 58 - Thế Vout xoay chiều; - Tần số dao động điện; - Công suất yêu cầu xác định điều khiển, tính tải riêng biến đổi điện - Hiệu suất biến đổi điện ƞ phải đạt yêu cầu ƞ ≥85% trường hợp sóng điện xoay chiều có dạng vng góc hay biến điện ƞ ≥75% biến đổi có sóng điện hình sin Việc dùng biến đổi điện có tín hiệu dạng xung vng, biến điện hay hình sin lại phụ thuộc Nếu tivi, radio, tăng âm,…thì cần sóng dạng xung vng hay biến điệu Nhưng tải động điện, quạt điện,…tức thiết bị có cuộn cảm phải dùng biến đổi có sóng dạng sin - Vì hiệu điện hệ nguồn điện pin mặt trời thay đổi theo cường độ xạ trạng thái nạp ắc quy, nên hiệu điện vào điều khiển biến đổi điện phải thiết kế khoảng dao động rộng Ví dụ hệ nguồn làm việc với hiệu điện 12V điều khiển đổi điện phải làm việc giải điện từ Vmin=10V, đến Vmax=15V - Để dễ dàng kiểm tra, theo dõi trình hoạt động hệ nói chung phần nói riêng cần phải lắp đặt thêm thị như: + Chỉ thị điện áp ra, dòng pin mặt trời + Chỉ dịng điện nạp ắc quy + Chỉ dịng điện cấp cho tải + Chỉ thị mức độ nạp phóng điện cho ắc quy + Chỉ thị nhiệt độ pin mặt trời, acquy thành phần khác hệ thống Nhờ có thị mà ta nhanh chóng xác định trạng thái làm việc hệ, giúp tìm hư hỏng hệ cách dễ dàng Không thiết phải lắp đặt tất thị mà cần số thị quan tùy thuộc vào đặc điểm hệ nguồn 59 Để bảo vệ dàn pin mặt trời khỏi hư hỏng trường hợp mọt vài pin hay module dàn pin bị hư hỏng, bị bóng che, bị bụi bẩn bao phủ,… người ta dùng diot bảo vệ Cần phải lựa chọn diot thích hợp, tức chịu dòng điện hiệu điện cực đại mạch diot Sự đưa vào diot mạch gây tổn hao lượng hệ sụt mạch Vì phải tính đến tổn hao thiết kế, tính toán hệ lượng 3.4.3 Hộp nối dây nối điện Khi lắp đặt module hay dàn pin mặt trời, ắc quy, điều phối hệ với người ta dùng hộp nối có đầu nối riêng, tháo lắp dễ dàng Khi cần kiểm tra sữa chữa, nhờ đầu nối hộp nối ta tách riêng phần phần khác thành phần Các hộp nối đầu nối module pin mặt trời cần bảo vệ cẩn thận làm việc lâu dài trời Các hệ thống pin mặt trời có phần hay tồn hệ làm việc với hiệu điện thấp (vd: hiệu điện pin mặt trời ắc quy thường 12V, 18V, 24V, 48V) nên dòng điện mạch lớn Vì dây nối hệ phải dùng loại tiết diện cao để giảm tổn hao lượng dây Bảng 3.1 Quan hệ cường độ dòng điện tiết diện dây dẫn Cường độ dòng điện (A) đối STT Tiết diện dây với vật liệu dẫn (mm2) Cu Al Fe 1.0 11 1.5 14 11 2.5 20 16 4.0 25 20 10 6.0 31 24 12 10 43 34 17 16.0 75 60 30 25.0 100 80 35 60 3.5 Thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng lượng mặt trời cho tòa nhà A0 trường Đại Học Vinh 3.5.1 Khảo sát địa điểm lắp đặt phụ tải tiêu thụ điện a Địa điểm lắp đặt Trường Đại Học Vinh nằm vị trí 182 Lê Duẩn - Thành Phố Vinh - Tỉnh Nghệ An Hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng lượng mặt trời lắp đặt tòa nhà A0 trường Đại Học Vinh Tịa nhà A0 có chiều cao 20 m, chiều rộng m, chiều dài 96 m Theo tính tốn tổng diện tích mái tịa nhà 864 m2 minh họa hình vẽ hình 3.4 Hình 3.4 Sơ đồ nhà A0 Quá trình khảo sát thực tế tòa nhà A0 cho thấy: tòa nhà tầng với dãy cầu thang cầu thang trái, cầu thang phải cầu thang Việc bố trí lắp đặt bóng đèn chiếu sáng cơng cộng cho tồn tịa nhà A0 thể hình 3.5 đây: Cầu thang Cầu thang Cầu thang 6.4 m Đèn Hình 3.5 Vị trí lắp đặt đèn chiếu sáng công cộng Tổng số đèn chiếu sáng: 55 đèn Lựa chọn đèn LED tiết kiệm điện 61 Việc lắp đặt bóng đèn nhằm mục đích để chiếu sáng ban đêm chủ yếu nên ta tính thời gian sử dụng điện bóng đèn Như ta thấy, tầng tịa nhà tầng hay sử dụng nên việc chiếu sáng thường xuyên bật sáng suốt thời gian buổi tối sáng ta ước tính tầng sử dụng điện khoảng giờ/ngày Còn tầng từ tầng tầng bật tắt tùy vào nhu cầu sử sụng nên ta ước tính thời gian sử dụng khoảng giờ/ngày b Các phụ tải tiêu thụ điện Do thiết kế hệ thống chiếu sáng đường hành lang cho tồn tịa nhà A0 nên ta chọn thiết bị tiêu thụ điện bảng 3.2 sau: Bảng 3.2 Bảng thiết bị tiêu thụ điện tòa nhà A0 STT Tên thiết bị Số lượng (cái) Công suất (W) Thời gian (giờ) Hiệu điện (V) Đèn LED Luxeon 55 20 12 3.5.2 Tính tốn lắp đặt hệ thống điện mặt trời a Tính tổng lượng tiêu thụ điện (watt-hour) thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp ngày Eng = ∑𝑛𝑖=1 𝑃𝑖 𝑇𝑖 = (11×20W×8 giờ) +(44 ×20W×2giờ) = 3520 Wh/ngày b Tính số Watt-hour pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải ngày Do tổn hao hệ thống, số Watt-hour pin mặt trời cung cấp phải cao tổng số Watt-hour tồn tải 1.3 lần Ecấp =1.3 × Eng = 1.3 × 3520 = 4576 (Wh) c Tính tốn kích cở pin mặt trời cần sử dụng Tổng số Wp pin mặt trời: Wp = 4576 4.58 = 999.13 (Wp) Chọn loại PV có 100Wp số lượng panel pin mặt trời cần sử dụng: N= 𝑊𝑝 𝑃𝑉 = 999.13 100 Thông số pin 100W 62 = 10 (tấm) Hình 3.6 Mono pin mặt trời 100W Thông số kỹ thuật STT Công suất (Pmax) (W) 100 Dung sai (%) ±3 Hở mạch điện áp (Voc) (V) 22.5 Ngắn mạch (Isc) (A) 5.50 Điện áp tối đa (Vmp) (V) 18.0 Cường độ dòng điện tối đa (Imp) (A) 5.56 Điện áp tối đa hệ thống (VDC) 800 Loại tế bào Số lượng Cell tế bào 36 (4×9) 10 Nhiệt độ hoạt động - 40°C~+85°C 11 Tiêu chuẩn 12 Độ kháng gió 13 Cơng suất tối đa bề mặt tải 14 Chiều dài 1210 mm 15 Chiều rộng 540 mm 16 Chiều cao 30 mm 17 Khối lượng 8.5 kg 18 Bảo hành năm Monocrystalline 125×125( 5inch) IP65 2400Pa 60m/s (200kg /sq.m) Kích thức pin với chiều dài 1210 mm chiều rộng 540 mm S = 10 ×1.210 × 0.540 = 6.530 m2 Với diện tích 10 pin 6.530 m2 thừa đủ để lắp đặt tồn pin mặt trời với công suất 100 Wp lên mái nhà với diện tích mái 864 m2 d Tính tốn Battery 63 Dung lượng Battery (Ah) = Dung lượng Battery (Ah) = 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑊ℎ 𝑡𝑖ê𝑢 𝑡ℎụ 𝑚ỗ𝑖 𝑛𝑔à𝑦 ℎ𝑖ệ𝑢 𝑠𝑢ấ𝑡 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 ×𝑚ứ𝑐 𝐷𝑂𝐷 ×đ𝑖ệ𝑛 𝑡ℎế 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 3520 0.85 ×0.6 ×12 = 575.16 Ah Với ngày dự phịng, dung lượng bình = 575.16 × = 1725.49 Ah Như để có dung lượng 1725.49Ah chọn 10 bình acquy loại deep-cycle 12V/200Ah ghép song song cho ngày dự phịng e Tính chọn solar charge controller Thông số PV module: Pm = 100 Wp, Vm = 18 Vdc, Im = 5.56 A, Voc = 22.5 V, Isc = 5.50 A Im = Eng/Vm = 3520/18 = 195.5 (A)  Chọn nạp ắc quy có dịng cực đại: 40A  Số nạp ắc quy cần dùng: (bộ) Như để có dịng điện 195.5 A ta chọn solar charge controller 12V/40A ghép song song với f Sơ đồ lắp đặt thiết bị cho hệ thống  Vị trí lắp đặt pin mặt trời Vị trí pin mặt trời lắp đặt diện tích mái tịa nhà (hình 3.8) Với 10 modul lượng mặt trời đặt mái nhà với có cơng suất 100 Wp Hình 3.7 Vị trí lắp đặt dàn pin lượng mặt trời  Mắc ắc quy Ắquy dung lượng 1725.49Ah mắc theo sơ đồ hình 3.9 sau: 64 Ấc quy Ắc quy 10 + 12 V - Ắc quy Ắc quy Ắc quy Hình 3.8 Sơ đồ mắc song song ắc quy  Sơ đồ kết nối hệ thống dây dẫn Cầu thang 20 m Cầu thang Hệ thống điện mặt trời Dây điện 96 m Hình 3.9 Sơ đồ kết nối hệ thống dây dẫn Theo sơ đồ kết nối ta tính số đoạn dây dẫn cần dùng cho hệ thống là: (96×5) + (20×3)×1.2 = 648 (m)  Sơ đồ kết nối hệ thống điện lượng mặt trời + Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm 10 IN + - Bộ Điều khiển Sạc + Bộ Điều khiển Sạc Bộ Điều khiển Sạc Bộ Điều khiển Sạc Bộ Điều khiển Sạc - OUT Tải + 12 V - Ac qui Ac qui Ac qui Ac qui Ac qui Ac qui 10 Ac qui Ac qui Ac qui Ac qui Hình 3.11 Sơ đồ kết nối hệ thống 3.5.3 Dự trù kinh phí lắp đặt hệ thống Bảng 3.3 Thống kê kinh phí lắp đặt cho hệ thống điện mặt trời Đơn vị: 1000 đồng 65 STT Tên thiết bị Đơn Số vị lượng Tấm Đơn giá Thành tiền Sau 25 năm 10 2,700,000 27,000,000 27,000,000 Bộ 2,599,000 12,995,000 64,975,000 Cái 10 3,600,000 36,000,000 360,000,000 m 648 8,100,000 26,294,000 32,867,500 Tấm pin mặt trời 100W Bộ Solar controller charger 40A/12V Ac quy deep- cycle 200Ah/12V Dây dẫn (2×1.5 mm2) Tổng 102,289,000 484,842,500  So sánh hệ thống điện dân dụng với hệ thống điện mặt trời Dựa vào kết tính ta thấy ngày cơng suất tiêu thụ trung bình nhà A0 là: P1=3520 (W/h), tháng tòa nhà tiêu thụ hết 3520×30=105600=105.6KW/h tương đương với 106 (số điện) Để tính số tiền nhà A0 phải trả tháng ta phải dựa vào bảng giá điện nhà nước năm 2014 tính số tiền tòa nhà phải trả Bảng 3.4 Bảng giá điện năm 2014 STT Mức sử dụng nhà tháng Giá bán điện (đồng/kWh) Cho 0-50 kWh 1,360 Cho kWh từ 51-100 1,404 Cho kWh từ 101- 200 1,627 Cho kWh từ 201- 300 2,040 Cho kWh từ 301- 400 2,278 Cho kWh từ 401 trở lên 2,351 66 Ở mức điện 106 (số điện) giá tiền tịa nhà chia làm cấp giá khác nhau:  Cấp thứ cho kWh từ 0-50 Ở cấp giá điện 1,360đ  Cấp thứ hai cho kWh từ 51-100 Ở cấp giá điện 1,404đ  Cấp thứ ba cho kWh từ 101-200 Ở cấp giá điện 1,627đ Vậy số tiền tòa nhà phải trả tổng tháng chưa tính đến GTGT là: A1 = (50 x 1,360) + (50 x 1,404) + (100 x 1,627) = 300,900 đ Như thực tế số tiền tòa nhà phải trả là: A2 = A1 + (A1 x 10%) = 300,900 + (300,900 x 10%) = 330,990 đ Vậy sau 25 năm với phụ tải không đổi tổng số tiền tịa nhà phải trả A3 = A2 x số năm x số tháng năm là: A3 = 330,990 x 25 x 12 = 99,297,000 đ Như sau 25 năm với tải tiêu thụ không đổi bảng giá điện cố định số tiền nhà A0 phải trả là: 99,297,000 đ mức chi phí dùng điện dân dụng Trong chi phí cho hệ thống điện lượng mặt trời 25năm có tính đến bảo dưỡng sửa chữa thay là: A4 = 484,842,500 đ Ta đem so sánh A3 A4 ta thấy sử dụng hệ thống điện lượng mặt trời thiệt kinh tế Nhưng tương lai lợi giá điện ngày tăng mà giá pin có xu hướng ngày giảm Bên cạnh yếu tố kinh tế việc sử dụng hệ thống điện lượng mặt trời góp phần bảo vệ mơi trường phát triển bền vững 67 KẾT LUẬN Năng lượng đóng vai trị quan trọng sống đại Do vậy, mức độ phát triển văn minh quốc gia gắn liền phương thức sản lượng sử dụng lượng Với bùng nổ dân số, mức độ thị hóa cơng nghiệp hóa, nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng vọt Các nguồn cung cấp lượng hóa thạch giới than, dầu mỏ khí đốt ngày trở nên khan dự báo đủ dùng khoảng trăm năm tới Ngoài ra, chất thải từ nhiên liệu hoá thạch gây ô nhiễm môi trường, làm cân sinh thái tăng nhiệt độ khí hiệu ứng nhà kính Vì vậy, giới đối mặt với khủng hoảng lượng khơng tìm nguồn lượng thay thích hợp Gần lượng mặt trời xem nguồn thay hứa hẹn lượng mặt trời có cơng suất vơ lớn Các hệ thống điện lượng mặt trời xây dựng theo phương án hoạt động độc lập, bán độc lập trực tiếp nối lưới Trong đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống điện lượng mặt trời ứng dụng chiếu sáng công cộng độc lập với nguồn điện lưới Các kết đạt đề tài bao gồm:  Nghiên cứu khái quát hệ thống điện lượng mặt trời bao gồm lịch sử phát triển, tiềm năng lượng mặt trời Việt Nam, nguyên tắc hoạt động ứng dụng  Nghiên cứu thành phần hệ thống điện lượng mặt trời bao gồm pin mặt trời, điều khiển sạc, ắc quy đổi điện  Thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng lượng mặt trời cho tòa nhà A0 – Trường Đại Học Vinh 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bính, Giáo trình điện tử cơng suất, nhà xuất đại học Quốc Gia, 2007 [2] Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời - Lý thuyết Ứng dụng, nhà xuất Khoa Học Kỹ thuât, 2005 [3] Nguyễn Duy Thiện, Kỹ thuật sử dụng lượng mặt trời, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 2001 [4] Trần Văn Thịnh, Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử cơng suất, Nhà xuất Giáo dục, 2005 [5] http://denledhanoi.com/den-led-co-the-thay-the-den-compact-va-den-huynh quang.html/22, truy nhập cuối ngày 1/1/2015 69 70 ... ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điện lượng mặt trời ứng dụng chiếu sáng công cộng? ?? làm đồ án tốt nghiệp Mục tiêu đồ án nghiên cứu thiết kế ứng dụng hệ thống điện lượng mặt trời chiếu sáng công cộng. .. quan hệ thống điện lượng mặt trời Chương sâu tìm hiểu thành phần hệ thống điện lượng mặt trời Phần thiết kế tính tốn hệ thống lượng điện mặt trời ứng dụng vào thực tế triển khai hệ thống chiếu sáng. .. CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ, TÍNH TỐN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 50 3.1 Hệ thống điện Mặt Trời 50 3.2 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện Mặt Trời 51 3.2.1