1.3.1. Phõn loại hệ thống điện Mặt Trời
Hệ thống điện Mặt Trời đa dạng được chia theo mục đớch sử dụng, một số hệ thống điện Mặt Trời cơ bản:
1.3.1.1. Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (off grid solar system)
Hỡnh 1.16: Hệ thống điện Mặt Trời độc lập
Nguyờn lý hoạt động: Hệ thống pin năng lượng Mặt Trời sẽ nhận bức xạ Mặt Trời và chuyển húa thành nguồn điện một chiều (DC). Nguồn điện DC này sẽ được nạp vào bỡnh ắc quy (để lưu trữ điện) thụng qua bộ điều khiển sạc (cú chức năng bảo vệ ắc quy là tấm pin). Sau đú điện từ ắc quy sẽ được nghịc lưu lờn điện xoay chiều (AC) thụng qua bộ kớch điện cung cấp cho cỏc thiết bị tiờu thụ điện.
Ưu điểm:
+ Phự hợp với những vựng chưa cú điện lưới.
+ Hiệu suất chuyển điện đổi thấp. Ứng dụng:
+ Sử dụng cho vựng khụng cú điện lưới hoặc cú điện lưới nhưng khụng ổn định.
1.3.1.2. Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới (on grid solar system)
Hỡnh 1.17: Hệ thống điện Mặt Trời hũa lưới
Nguyờn lý hoạt động: Điện (DC) từ pin Mặt Trời sẽ được chuyển đổi nhờ bộ kớch điện hũa lưới, cựng pha cựng tần số với điện lưới rồi được hũa vào điện lưới. Khi năng lượng Mặt Trời đủ lớn thỡ tải sẽ được ưu tiờn cung cỏp điện năng từ pin, khi điện từ cỏc tấm khụng đủ thỡ một phần năng lượng từ điện lưới sẽ được bự vào.
Ưu điểm:
+ Phự hợp với vựng cú điện lưới khụng ổn định.
+ Hiệu suất chuyển đổi cao hơn so với hệ thống điện Mặt Trời độc lập. Nhược điểm:
+ Chỉ hoạt động khi cú điện lưới, nếu mất điện lưới hệ thống sẽ ngừng hoạt động.
Ứng dụng:
+ Sử dụng ở những vựng cú điện lưới khụng ổn định.
1.3.1.3. Hệ thống điện Mặt Trời hũa lưới cú lưu trữ
Nguyờn lý hoạt động:
+ Điện (DC) từ pin sẽ được đưa qua bộ kớch điện hũa lưới để hũa vào lưới đồng thời nạp vào ắc quy. Nếu mất điện lưới và điện từ tấm pin cung cấp khụng đủ thỡ điện từ bỡnh ắc quy sẽ qua bộ kớch điện thành điện xoay chiều cung cấp cho tải. Đõy là hệ thống kết hợp từ hai hệ thống trờn nờn kết hợp ưu nhược điểm của hai hệ thống kể trờn.
Ứng dụng:
+ Dựng cho cỏc đối tượng đũi hỏi được cung cấp điện liờn tục như: phũng họp, phũng hội nghị,…
1.3.2. Một số hệ thống điện Mặt Trời đó đưa vào hoạt động trờn thế giới
1.3.2.1. Hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đỡnh hũa lưới tại Nhật
Dự luật trợ giỏ (FiT) cho ngành năng lượng tại Nhật
Sau sự kiện nổ lũ phản ứng hạt nhõn, Nhật Bản quyết định hoàn toàn khụng sử dụng điện từ năng lượng hạt nhõn nữa.
Năm 2011, quốc hội Nhật Bản đó lờn kế hoạch xõy dựng FiT cho ngành Mặt Trời tại quốc gia này. FiT cho ngành năng lượng Mặt Trời cho phộp chớnh phủ hỗ trợ giỏ điện sản xuất từ năng lượng Mặt Trời khi cỏc doanh nghiệp tư nhõn muốn đầu tư vào ngành năng lượng Mặt Trời trong nước.
Nội dung của FiT cho ngành năng lượng Mặt Trời là, chớnh phủ Nhật Bản sẽ mua mức giỏ điện sản xuất từ năng lượng Mặt Trời cao hơn so với giỏ thị trường, khoảng 40 Yen/kWh (0,50 USD/kWh) cho cỏc dự ỏn xõy dựng cỏc trung tõm điện năng lượng Mặt Trời cú cụng suất trờn 10kW (cho dự ỏn xõy dựng cỏc trung tõm chuyờn dụng tỏch biệt với khu dõn cư) và khoảng 42 Yen/kWh (0.53 USD/kWh) cho cỏc dự ỏn cú cụng suất <10kW (cho dự ỏn xõy dựng cỏc cụng trỡnh dõn cư, văn phũng, cú cụng năng sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời).
Hỡnh 1.18: Mụ hỡnh điện Mặt Trời hộ gia đỡnh tại Nhật Bản
Đõy là một thành cụng khụng nhỏ trong lộ trỡnh chuyển đổi ngành năng của Nhật Bản từ phụ thuộc chớnh vào năng lượng húa thạch và năng lượng hạt nhõn sang đỏp ứng đến 20 -35% nhu cầu năng lượng trong nước bằng năng lượng tỏi tạo.
1.3.2.2. Hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đỡnh tại Đức
Chớnh phủ Đức cũng cú nhiều chớnh sỏch khuyến khớch phỏt triển điện Mặt Trời hộ gia đỡnh.
Điện năng lượng Mặt Trời sẽ trở nờn đặc biệt hấp dẫn đối với người tiờu dựng trực tiếp. Ngày nay, người dõn Đức phải trả trung bỡnh 25 cent Euro/kWh từ điện lưới, nhưng họ chỉ phải trả trung bỡnh 10 cent Euro/kWh nếu sử dụng điện Mặt Trời trờn mỏi nhà. Nếu giỏ điện sẽ tiếp tục tăng trung bỡnh hàng năm thỡ tới năm 2025 người dõn Đức phải trả 40 cent Euro cho mỗi kWh sử dụng điện từ điện lưới quốc gia. Theo tớnh toỏn một cỏch bỡnh thường, thỡ khi đú giỏ thành mỗi Kwh của điện Mặt Trời chỉ cũn là 7-8 cent Euro.
Hỡnh 1.19: Điện Mặt Trời hộ gia đỡnh tại Đức
1.3.2.3. Mụ hỡnh điện Mặt Trời tại Việt Nam
Việt Nam cú tiềm năng phỏt triển năng lượng Mặt Trời vụ cựng to lớn, Cỏc dự ỏn điện mặt trời phỏt triển vụ cựng đa dạng:
Từ những năm 1990, khi nhiều thụn xúm ngoại thành chưa cú lưới điện quốc gia, Phõn viện Vật lý TP Hồ Chớ Minh đó triển khai cỏc sản phẩm từ điện mặt trời. Tại một số huyện như: Bỡnh Chỏnh, Cần Giờ, Củ Chi, điện mặt trời được sử dụng khỏ nhiều trong một số nhà văn hoỏ, bệnh viện… Đặc biệt, cụng trỡnh điện mặt trời trờn đảo Thiềng Liềng, xó Cỏn Gỏo, huyện Cần Giờ cung cấp điện cho 50% số hộ dõn
sống trờn đảo.
Năm 1995, hơn 180 nhà dõn và một số cụng trỡnh cụng cộng tại buụn Chăm, xó Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đó sử dụng điện mặt trời. Gần đõy, dự ỏn phỏt điện ghộp giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, cụng suất 125 kW được lắp đặt tại xó Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự ỏn phỏt điện lai ghộp giữa pin mặt trời và động cơ giú với cụng suất 9 kW đặt tại làng Kongu 2, huyện Đăk Hà, tỉnh Kon
Từ thành cụng của Dự ỏn này, Viện Năng lượng (EVN) và Trung tõm Năng lượng mới (Trường Đại học Bỏch khoa Hà Nội) tiếp tục triển khai ứng dụng giàn pin mặt trời nhằm cung cấp điện cho một số hộ gia đỡnh và cỏc trạm biờn phũng ở đảo Cụ Tụ (Quảng Ninh), đồng thời thực hiện Dự ỏn “Ứng dụng thớ điểm điện mặt trời cho vựng sõu, vựng xa” tại xó Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn. Dự ỏn được hoàn thành vào thỏng11/2002.
Tuy vậy nhưng vẫn cũn nhiều rào cản:
Theo ụng Nguyễn Đức Cường – Phụ trỏch Trung tõm Năng lượng tỏi tạo và CDM - Viện Năng lượng (EVN), “rào cản” lớn nhất của vấn đề này bắt nguồn từ kinh phớ. Dự năng lượng mặt trời ở dạng “nguyờn liệu thụ”, nhưng chi phớ đầu tư để khai thỏc, sử dụng lại rất cao do cụng nghệ, thiết bị sản xuất đều nhập từ nước ngoài. Phần lớn những dự ỏn điện mặt trời đó và đang triển khai đều sử dụng nguồn vốn tài trợ hoặc vốn vay nước ngoài. Do đú, mới chỉ cú một vài tổ chức, viện nghiờn cứu và cỏc trường đại học tham gia, cũn phớa doanh nghiệp, cỏ nhõn vẫn chưa đầu tư vào việc ứng dụng, sản xuất cũng như sử dụng cỏc thiết bị năng lượng mặt trời.
Nhà nước nờn cú chớnh sỏch hỗ trợ cỏc doanh nghiệp tham gia đầu tư, phỏt triển ngành năng lượng mới này lờn quy mụ cụng nghiệp. Cần sớm ban hành Nghị định phỏt triển năng lượng tỏi tạo, quy định rừ vấn đề, phạm vi cần hỗ trợ, chỉ tiờu định lượng… Phớa cỏc nhà sản xuất, nờn quan tõm thường xuyờn đến cỏc dịch vụ sau bỏn hàng, bảo trỡ, bảo dưỡng, cú giải phỏp thuận lợi trong việc lắp đặt thiết bị tại cỏc ngụi nhà đó hoàn thiện, để sản phẩm cú tớnh cạnh tranh cao hơn và mở rộng được thị trường tiờu thụ.
a) b)
Hỡnh 1.20: Phỏt triển điện Mặt Trời tại Việt Nam a) Hệ thống điện mặt trời tại đảo Hoàng Sa.
CHƯƠNG 2
ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CUNG CẤP CHO PHềNG MÁY CHỦ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
2.1. Cơ sở lý thuyết thiết kế hệ thống
Hệ thống điện Mặt Trời là hệ thống bao gồm cỏc thành phần như: tấm PNLMT, cỏc tải tiờu thụ điện, cỏc thiết bị tớch trữ năng lượng, thiết bị điều tiết năng lượng…Thiết kế một hệ thống điện Mặt Trời là xõy dựng mối quan hệ tương thớch giữa cỏc thành phần trong hệ thống nhằm đảm bảo một sự truyền tải năng lượng hiệu quả từ mỏy phỏt - PNLMT đến cỏc tải tiờu thụ.
Khụng như cỏc hệ năng lượng khỏc, nhiờn liệu của hệ thống là bức xạ Mặt Trời luụn thay đổi phức tạp theo thời gian, vị trớ, và phụ thuộc điều kiện khớ hậu, thời tiết… Vỡ vậy với cựng một tải điện yờu cầu, cú thể cú một số thay đổi khỏc nhau tựy theo thụng số riờng của hệ.
Thiết kế một hệ thống điện Mặt Trời gồm nhiều cụng đoạn, từ việc lựa chọn sơ đồ khối, tớnh toỏn dung lượng dàn pin, dung lượng accu, thiết kế bộ điều tiết năng lượng… đến việc tớnh toỏn lắp đặt hệ thống giỏ đỡ pin, tủ điều khiển.
2.1.1. Lựa chọn sơ đồ khối
Để chọn sơ đồ khối thớch hợp, ta cần phõn tớch cỏc thụng số của phụ tải. Đối với phụ tải, cần phải biết cỏc thụng số sau:
Phụ tải gồm bao nhiờu thiết bị, cỏc đặc trưng điện của thiết bị: Cụng suất, điện ỏp, dũng điện…
Thời gian làm việc của thiết bị.
Thứ tự ưu tiờn của thiết bị, yờu cầu về độ ổn định.
Cỏc thụng số trờn trước hết cần thiết cho việc lựa chọn sơ đồ khối. Vớ dụ nếu tải phải làm việc về đờm thỡ cần phải cú thành phần tớch trữ năng lượng, tải xoay chiều thỡ cần phải cú bộ chuyển đổi DC-AC. Ngoài ra cỏc thụng số trờn cũng là cơ sở để tớnh toỏn định lượng dung lượng của hệ thống.
Từ những yờu cầu hoạt động thực tế trờn Phũng Mỏy chủ, ta lựa chọn hệ thống điện Mặt Trời hũa lưới cú lưu trữ cung cấp điện cho Phũng Mỏy chủ.
2.1.2. Tớnh toỏn phụ tải điện yờu cầu
Phụ tải điện cú thể tớnh theo hằng ngày và sau đú cú thể tớnh theo thỏng hoặc năm. Giả sử hệ cần cấp điện cho cỏc tải T1, T2, T3,… cú cỏc cụng suất tiờu thụ tương
ứng P1, P2, P3,…Pn và thời gian làm việc hàng ngày của chỳng là t1, t2, t3,…tn
Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho cỏc tải:
En = P1t1+P2t2+P3t3+…= i n i it P 1 . (2.1)
Từ Ennếu nhõn với số ngày trong thỏng hoặc trong năm ta sẽ tớnh được nhu cầu điện năng trong cỏc thỏng hoặc cả năm.
2.1.3. Tớnh toỏn lựa chọn PNLMT
Một số thụng tin cơ bản về tấm pin Mặt Trời sử dụng trong hệ thống điện Mặt Trời:
* Hiệu suất: từ 15% - 18%
* Cụng suất: từ 25Wp đến 250 Wp
* Số lượng cells trờn mỗi tấm pin: 72 cells * Kớch thước cells: 5" – 6"
* Loại cells: monocrystalline và polycrystalline * Chất liệu của khung: nhụm
* Tuổi thọ trung bỡnh của tấm pin: 25-30 năm
Trong một ngày nắng, Mặt Trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi Mặt Trời đứng búng và quang mõy).Cụng suất và điện ỏp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cỏch chỳng ta nối ghộp cỏc tấm pin Mặt Trời lại với nhau.
Cỏc tấm pin Mặt Trời được lắp đặt ở ngoài trời để cú thể hứng được ỏnh nắng tốt nhất từ Mặt Trời nờn được thiết kế với những tớnh năng và chất liệu đặc biệt, cú thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khớ hậu, nhiệt độ…
Tớnh lượng điện Mặt Trời cần thiết Ec:
n
c
E
E (2.2) Trong đú η là hiệu suất của cả hệ thống.
Cụng suất của dàn pin Mặt Trời :
Cụng suất của dàn pin Mặt Trời thường được tớnh ra cụng suất đỉnh hay cực đại (Peak Watt, Wp), là cụng suất của dàn pin trong điều kiện chuẩn:
E E E E m c W . . 0 (2.3) Trong đú : EW: cụng suất PNLMT (Wp) Eo = 1000W/m² và ở nhiệt độ chuẩn To = 25°C
Eβ là cường độ bức xạ trờn mặt phẳng đặt nghiờng một gúc β so với mặt phẳng ngang.
m là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T.
Ta tớnh cho trường hợp giàn pin Mặt Trời phải đảm bảo đủ năng lượng cho tải liờn tục cả năm. Khi đú cường độ bức xạ Mặt Trời dựng để tớnh phải là cường độ bức xạ hằng ngày trung bỡnh của thỏng thấp nhất trong năm.
Trong thực tế để thiết kế giàn pin Mặt Trời cú cụng suất phự hợp với phụ tải cũn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố cụ thể. Do vậy ngoài E(p) được tớnh theo cụng thức trờn cũn phải dựa nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế.
Tớnh số modun mắc song song và nối tiếp
Trước hết cần phải chọn loại modun thớch hợp cú cỏc đặc trung cơ bản là: - Thế làm việc tối ưu Vmd
- Dũng điện làm việc tối ưu Lmd - Cụng suất đỉnh Pmd
md T WP P E N . ( 2.4) với NNnt.Nss
Nnt là số modun mắc nối tiếp trong mỗi dóy được xỏc định từ điện thế yờu cầu
của hệ V: md nt V V N (2.5)
Nss là số dóy modun ghộp song song được xỏc định từ dũng điện toàn phần của
hệ I: md ss I I N (2.6)
Trong tớnh toỏn ở trờn, ta đó bỏ qua điện trở dõy nối, sự hao phớ năng lượng do bụi phủ trờn dàn pin Mặt Trời ,… nếu cần phải tớnh đến cỏc hao phớ ấy, người ta thường đưa một hệ số K và dung lượng dàn pin Mặt Trời khi đú sẽ là :
K.EW
Với K được chọn trong khoảng (1ữ1,2) tựy theo cỏc điều kiện thực tế, và thường được gọi là cỏc hệ số an toàn của hệ.
2.1.4. Tớnh toỏn lựa chọn Inverter
Bộ inverter phải đủ lớn để cú thể đỏp ứng được khi tất cả tải đều bật lờn, như vậy nú phải cú cụng suất bằng 125% cụng suất tải. Nếu tải là motor thỡ phải tớnh toỏn thờm cụng suất để đỏp ứng thời gian khởi động của motor.
Chọn inverter cú điện ỏp vào danh định phự hợp với điện ỏp danh định của battery. Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện, ta khụng cần battery, điện ỏp vào danh định của inverter phải phự hợp với điện ỏp danh của hệ pin Mặt Trời.
Bộ biến đổi điện cú chức năng biến đổi dũng điện một chiều (DC) từ dàn pin Mặt Trời hoặc từ bộ accu thành dũng điện xoay chiều AC. Cỏc thụng số kỹ thuật chớnh cần quan tõm bao gồm:
- Điện thế vào một chiều Vin - Điện thế ra xoay chiều Vout - Tần số và dạng dao động điện
Cụng suất yờu cầu cũng được xỏc định như đối với bộ điều khiển, nhưng ở đõy chỉ tớnh cỏc tải của riờng bộ biến đổi điện.
Hiệu suất biến đổi phải đạt yờu cầu ≥ 85% đối với trường hợp súng điện xoay chiều cú dạng vuụng gúc hay biến điệu và ≥ 75% đối với bộ biến đổi cú súng điện ra hỡnh sin. Việc dựng bộ biến đổi điện cú tớn hiệu ra dạng xung vuụng, biến điệu hay hỡnh sin lại phụ thuộc vào tải tiờu thụ. Nếu tải chỉ là tivi, radio, tăng õm,… thỡ chỉ cần dựng loại súng ra dạng xung vuụng hay biến điệu. Nhưng nếu tải là cỏc động cơ điện, quạt điện,… tức là những thiết bị cú cuộn cảm thỡ phải dựng cỏc bộ biến đổi cú súng ra dạng sin.
Loại cho súng vuụng (khụng tốt)
Đõy là loại ớt tốn kộm và ớt mong muốn nhất. Súng vuụng do nú tạo ra khụng hiệu quả và khú hoạt động trờn với nhiều loại thiết bị. Bộ chuyển đổi DC-AC loại sine mụ phỏng thỡ rẻ tiền nhưng cú nhiều hạn chế khi sử dụng tải. Loại này cú hiệu quả khụng cao bởi vỡ chỳng tiờu thụ điện nhiều và sinh ra nhiễu hài cao, làm cho một