3. Mô hình độ tin cậy
3.5.3.Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT độc lập
3.5.3. 1. Tính tổng lượng điện năng tiêu thụ của tất cả các thiết bị trong ngày
Tính tổng lượng tiêu thụ điện (Etngày) của tất cả các thiết bị mà hệ thống ĐMT cung cấp. Tính tổng số Wh sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Wh toàn tải sử dụng mỗi ngày.
Etngày = p1 .t1 + p2.t2 + p3. t3...+ pn.tn (Wh) (3.17) Trong đó : Etngày : Tổng Wh toàn tải;
Pn : Công suất từng phụ tải;
tn : Thời gian sử dụng tải trong ngày.
3.5.3. 2. Tính số Wh các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày
Do tổn hao trong hệ thống, cũng như xét đến tính an toàn khi những ngày nắng không tốt, số Wh của các tấm pin mặt trời cung cấp (EPV) phải cao hơn tổng số Wh của toàn tải (Etngày), theo công thức sau:
EPV = 1.3 × Etngày (Wh) (3.18)
Với hệ số an toàn đã được chứng minh bằng thực nghiệm là cao hơn khoảng 1,3.
3.5.3.3. Tính toán công suất tấm pin mặt trời cần sử dụng
- Diện tích các tấm pin NLMT [4].
Diện tích PV = EPV
Gtbn × ɳPV× TCF × ɳra (𝑚
2) (3.19) Trong đó:
Gtbn : bức xạ mặt trời trung bình mỗi ngày (kWh/m2/ngày); TCF: yếu tố điều chỉnh nhiệt độ;
ɳPV: hiệu suất pin mặt trời;
ɳra: hiệu suất ắc quy (ɳAQ) × hiệu suất bộ chuyển đổi nguồn điện (ɳInv).
-Dung lượng dàn pin mặt trời cần sử dụng là:
PVcông suất cực đại = diện tích PV × PSI× ɳPV (Wp) (3.20)
Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời cần dùng. Càng có nhiều tấm pin mặt trời thì hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của ắc quy sẽ cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn ắc quy hơn và như vậy sẽ làm cạn nguồn NL dự trữ ở trong ắc quy hơn, dẫn đến làm cho ắc quy giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều tấm pin mặt trời thì giá thành hệ thống cao, vượt qua ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết. Thiết kế bao nhiêu tấm pin mặt trời còn phụ thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. Thí dụ một hệ ĐMT có độ dự phòng là 4 ngày (là những ngày không có nắng để pin mặt trời sản sinh ra điện), thì bắt buột lượng ắc quy phải tăng hơn và phải kéo theo tăng lượng pin mặt trời .
3.5.3.4. Tính toán dung lượng ắc quy
Số lượng ắc quy cần dùng cho hệ mặt trời là số lượng ắc quy đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được. Công suất tính toán dung lượng (PAQ)của ắc quy có thể tính toán theo quan hệ dưới đây [3, 4]:
Dung lượng ắc quy = D. EPV
DOD. ɳra. VAQ (Ah) (3.21)
Trong đó:
D: Số ngày dự phòng khi khu vực xét không có nắng (ngày); DOD : Mức xả sâu tối đa cho phép của ắc quy;
VAQ: Điện áp của ắc quy.
Chọn số ngày liên tục không có nắng ở huyện A Lưới là 3, độ xả sâu tối đa cho phép của ắc quy DOD = 0,8.
Dung lượng của ắc quy là:
𝑃𝐴𝑄 = 𝐶ô𝑛𝑔 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑡í𝑐ℎ 𝑙ũ𝑦
12 (𝑊ℎ) (3.22)
Tính được tổng dung lượng của ắc quy. Ta chọn loại ắc quy khô kín khí Đồng Nai. Ta ghép các bình song song để có độ an toàn cao, nếu có 1 ắc quy bị hỏng thì vẫn còn các bình khác làm việc tốt trong thời gian chờ sửa chữa.
3.5.3.5. Tính toán bộ điều khiển nạp ắc quy
Bộ điều khiển nạp ắc quy là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình ắc quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển việc nạp bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời. Cụ thể là các nhiệm vụ bảo vệ bình ắc quy và bảo vệ các tấm pin mặt trời.
Bộ điều khiển có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của ắc quy. Vì bộ điều khiển có nhiều loại cho nên bạn cần chọn loại bộ điều khiển nào phù hợp với hệ thống ĐMT đã thiết kế. Đối với các hệ pin mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một bộ điều khiển phụ trách. Công suất của bộ điều khiển phải đủ lớn để nhận điện năng từ hệ thống và đủ công suất để nạp cho ắc quy.
Từ thông số của mô đun PV đã lựa chọn, ta có thể lựa chọn được bộ điều khiển nạp có dòng lơn hơn dòng điện của bộ điều khiển nạp tính toán như sau:
Dòng điện của bộ điều khiển nạp ắc quy = 1,3 x (số tấm pin PV x Isc ) (A) (3.23)
3.5.3.5. Tính toán bộ đổi nguồn điện
Bộ đổi điện có chức năng biến đổi dòng điện một chiều từ dàn pin mặt trời hoặc từ bộ ắc quy thành dòng điện xoay chiều. Vì vậy, nó phải có khả năng biến đổi công suất lớn nhất của phụ tải xoay chiều. Nghĩa là công suất của bộ đổi điện (Pbđđ) phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả tải đều bật lên, như vậy nó phải có công suất ít nhất bằng 120% công suất tải, vì khi sử dụng có những lúc cần khởi động các thiết bị.
3.5.3.6. Phân tích kinh tế hệ thống ĐMT độc lập
Trong phần này, chi phí vòng đời (CPVĐ) được dùng để đánh giá trong thiết kế hệ thống ĐMT độc lập. Chi phí của hệ thống bao gồm chi phí đầu tư công suất ban đầu, chi phí xây dựng, chi phí thay thế và chi phí hoạt động và bảo dưỡng hàng năm. Trong các thành phần chi phí trên thì chi phí đầu tư công suất ban đầu là lớn nhất, chi phí thay thế là thấp chủ yếu để thay thế ắc quy, chi phí bảo dưỡng là thấp và hệ thống không có chi phí nhiên liệu.
Chi phí vòng đời của hệ thống ĐMT bao gồm tổng của tất cả giá trị hiện tại như chi phí của các tấm pin mặt trời, ắc quy tích lũy, bộ nạp ắc quy, bộ chuyển đổi điện,
chi phí hoạt động và bảo dưỡng của hệ thống. Chi tiết giá các thành phần của hệ thống cho trên bảng sau.
Bảng 3.8. Chi phí của các thành phần trong hệ thống ĐMT độc lập
TT Thành phần Giá cả
1 Tấm pin Mặt Trời (PV) 29 000 đồng/Wp
2 Ắc quy ( AQ) 20 000 đồng/ Ah
3 Điều khiển sạc (ĐKS) 10 000 đồng /A
4 Bộ chuyển đổi (BCĐ) 10 000 đồng/ W
5 Xây dựng (XD) 10 % của chi phí PV
6 Bảo dưỡng và sửa chữa (BD&SC) 2% của chi phí PV
Giá trị hiện tại của chi phí thay thế các thành phần hệ thống là giá trị hiện tại của tất cả chi phí thay thế trong suốt thời gian hoạt động của hệ. Trong nghiên cứu này, chỉ có ắc quy cần được thay thế trong suốt thời gian hoạt động.
Thời gian hoạt động của hệ thống điện ĐMT được tính toán là F = 18 năm, ắc quy sẽ thay thế 5 lần và đầu tư được thực hiện trong các năm (T) như sau: năm thứ 3, 6 , 9, 12, 15 năm thứ 18. Xét cho năm 2015, tỷ lệ lạm phát: d = 0,63%, tỷ lệ chiết khấu hoặc tỷ lệ lãi suất: i = 6 %. Như vậy, giá trị hiện tại của tất cả các thành phần được tính toán như sau:
Chi phí đầu tư các tấm pin mặt trời là:
CPV = (29 000 đồng/Wp) × PVcông suất cực đại (VNĐ) (3.24) Chi phí đầu tư ắc quy ban đầu là:
CAQ = (20 000 đồng/Ah) × tổng dung lượng của ắc quy (VNĐ) (3.25) Giá trị hiện tại của các bình ắc quy đầu tư để thay thế sau T năm:
CAQT = CAQ. (1 + i 1 + d)
T
(VNĐ) (3.26) Chi phí đầu tư bộ nạp:
CN = (10 000 đồng /A) × ISC (VNĐ) (3.27) Chi phí đầu tư bộ chuyển đổi điện:
Chi phí xây dựng hệ thống:
CXD= 10 % × CPV (VNĐ) (3.29)
Giá trị hiện tại của chi phí bảo dưỡng trong F = 18 năm với M/năm = 2%× CPV
được tính theo như sau:
CBD = (M/năm). (1 + i 1 + d) . [1 − ( 1 + i 1 + d) F 1 − (1 + d1 + i) ] (𝑉𝑁Đ) (3.30)
Chi phí vòng đời của hệ thống bằng tổng của tất cả các chi phí được tính theo biểu thức sau:
CPVĐ = CPV + CAQ + CAQ5 + CAQ10 + CAQ15 + CN + CBCĐ + CXD + CBD (VNĐ) (8) Chí phí vòng đời hàng năm của hệ thống NLMT được tính theo biểu thức sau:
CPVĐN = CPVĐ. [1 − (1 + 𝑖) (1 + 𝑑)] [1 − (1 + 𝑑1 + 𝑖) 𝐹 ] (𝑉𝑁Đ) (3.31) Chi phí cho 1 kWh điện được tính theo biểu thức sau:
C1kWh = CPVĐN
365 EL (VNĐ) (3.32)