Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời độc lập

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời độc lập

3.2.1.1.Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời độc lập

Một hệ thống ĐMT độc lập bao gồm các thành phần sau: 1. Dàn pin mặt trời

2. Bộ điều khiển sạc cho pin mặt trời 3. Bộ kích điện DC-AC

4. Ắc quy

5. ATS - Chuyển mạch tự động 6. Thiết bị sử dụng tải trong nhà

3.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời độc lập

Từ hệ thống pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này được truyền dẫn tới bộ điều khiển sạc NLMT đây là một thiết bị điện tử có chức năng điều khiển tự động quá trình nạp điện vào ắc quy và phóng điện từ ắc quy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất hệ thống pin mặt trời và điện được tích trữ trong các ắc quy đủ lớn, trong hệ thống sẽ có thêm bộ kích điện để biến đổi dòng điện một chiều (DC)12V thành dòng điện xoay chiều (AC) 220V/50Hz, có thể sử dụng cho hầu hết các thiết bị điện gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm …[6].

3.2.2. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời độc lập

Hệ thống ĐMT độc lập bao gồm dàn pin mặt trời (PV), các bình ắc quy, bộ biến đổi điện một chiều – xoay chiều (DC/AC), bộ điều khiển nạp cho ắc quy và các thành phần của quá trình NL. Dàn pin mặt trời được tạo thành gồm nhiều mô đun PV liên kết lại với nhau sẽ nhận bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC). Nguồn điện DC này sẽ được nạp vào bình ắc quy (để lưu trữ điện) thông qua bộ điều khiển nạp (có chức năng bảo vệ ắc quy và tấm pin). Sau đó điện lưu trong ắc quy nhờ bộ biến đổi nguồn điện DC-AC được kích lên điện áp xoay chiều 220 V tiêu chuẩn để sử dụng cho các thiết bị xoay chiều (AC) trong sinh hoạt. Sơ đồ của hệ thống ĐMT độc lập được biểu diễn trên hình 3.1 [1, 8].

Hình 3.1. Sơ đồ của hệ thống điện mặt trời độc lập

Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập cho ngôi nhà

Ắc quy Dòng DC Dòng AC Dòng DC Bộ điều khiển sạc Bộ chuyển đổi

3.2.2.1. Dàn pin mặt trời

Pin mặt trời hay pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi NL ánh sáng thành NL điện. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện.

Các mô đun pin mặt trời có công suất và hiệu điện thế đã được nhà sản xuất thiết kế trước. Để có một công suất và hiệu điện thế yêu cầu cho một hệ thống ĐMT cụ thể nào đó (phù hợp với yêu cầu của các tải) có thể phải ghép nối nhiều tấm pin lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản là ghép nối tiếp và ghép song song. Để có một hiệu điện thế lớn người ta ghép nối tiếp các tấm pin với nhau; còn để có một dòng điện lớn người ta thường ghép song song các tấm pin.

Dàn pin mặt trời là thành phần chính của một hệ nguồn điện mặt trời và chiếm đến khoảng 60% tổng chi phí đầu tư. Dàn pin mặt trời nhận NL ánh sáng mặt trời và biến đổi trực tiếp thành điện năng một chiều cung cấp cho các tải tiêu thụ điện.

Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây).Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời lại với nhau.

Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…

Pin mặt trời có dạng đơn tinh thể (monocrystalline - hiệu suất cao nhất) hoặc đa tinh thể (polycrystalline - hiệu suất trung bình) hoặc màng mỏng (thin film - hiệu suất thấp nhất). Tuỳ loại, các tấm pin có thể có hiệu suất từ 15% đến 18%, công suất từ 3Wp đến 200Wp và có tuổi thọ trung bình khoảng 25 ÷ 30 năm. Các thông số kỹ thuật của mô đun pin mặt trời cho trong Bảng 3.5.

Bảng 3.5. Các thông số kỹ thuật của mô đun pin mặt trời

TT Các thông số Ký hiệu Đơn vị

1 Công suất làm việc cực đại Pmax Wp

2 Dòng điện ngắn mạch ISC A

3 Thế hở mạch VDC V

4 Dòng điện làm việc tối ưu IOPT A

5 Thế làm việc tối ưu VOPT V

6 Hiệu suất cực đại ɳ %

7 Vùng nhiệt độ làm việc cho phép 0C

3.2.2.2. Ắc quy

Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng. Ắc quy có nhiều loại như ắc quy nước axít, ắc quy miễn bảo dưỡng MF, ắc quy kín khí VRLA, ắc quy khô (gel, cadimi, niken) với kích thước và dung lượng (tính bằng Ah) hoàn toàn khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ắc quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc quy kết nối lại với nhau.

Hình 3.3. Ắc quy

Các ắc quy dùng cho điện mặt trời phải là các ắc quy chuyên dụng có khả năng nạp xả sâu, độ bền cao. Những ắc quy này thường xuyên phải được kiểm tra và bảo dưỡng theo đúng quy trình kỹ thuật thì mới đảm bảo được tuổi thọ và chất lượng.

Thành phần ắc quy đóng góp một tỷ trọng khá lớn về chi phí từ các lần thay thế trong suốt vòng đời hoạt động của hệ thống ĐMT độc lập. Vì vậy, cần phải có một số hiểu biết tối thiểu về ắc quy và công tác bảo quản, chăm sóc nó như sau.

- Cách tháo và lắp

+ Tắt máy để đảm bảo an toàn khi tháo/lắp bình ắc quy; + Khi tháo bình, tháo dây cáp ở đầu cực âm trước; + Khi lắp bình, kết nối đầu cực dương trước.

- Cảnh báo

+ Chỉ thêm nước cất, tuyệt đối không thêm axít;

+ Không được sử dụng bình ắc quy có mức điện dịch thấp (mức thấp), bởi vì nó có thể gây ra cháy nổ;

+ Không được châm qua mức (mức cao), dung dịch có thể tràn ra ngoài và gây hư hỏng hoặc cháy;

+ Nếu dung dịch axít bắn vào mắt hay tiếp xúc với da thì rửa với nước sạch rồi chuyển đến bác sĩ chuyên môn để điều trị ;

+ Bảo quản ắc quy nơi thoáng mát, khô ráo và tránh để bình trực tiếp dưới nắng, mưa; + Để bình xa tầm tay của trẻ em.

- Lắp đặt đầu nối

+ Kiểm tra bao gói trước khi mở. Tiến hành mở bao gói tại nơi sử dụng, lắp đặt. Không nhấc ắc quy ra khỏi hộp bàng cách cầm vào đầu cọc dẫn điện. Cầm vào đáy và thành bình để nhấc ắc quy ra. Sau khi lấy ắc quy rạ khỏi hộp, kiểm tra tình trạng bên ngoài.

+ Nếu thấy ắc quy còn nguyên vẹn thì mới tiến hành lắp đặt.

+ Nên lắp đặt bộ nguồn ắc quy ở vị trí thấp nhất có thể trong thiết bị máy móc. + Không nên lắp đặt bộ nguồn ắc quy gần các nguồn phát sinh nhiệt như biến thế, lò sưởi.

+ Do có một ít khí cháy nổ có thể thoát ra trong quá trình ắc quy làm việc, tránh lắp đặt ắc quy gần các vị trí có thể phát sinh tia lửa như cầu dao, công tắc. Trước khi đầu nối, lau sạch bề mặt đầu cực dẫn điện, phủ lên chúng một lớp keo dẫn điện mỏng, bắt chặt đầu nối, ốc, đầu cực (lực vặn xiết ốc = 150 - 200 kg/cm2). Không vặn quá và dùng mỏ hàn vào đầu cực .

+ Nếu sử dụng bộ nguồn, trước tiên hãy đấu nối các bộ nguồn, tháo một đầu dẫn điện ra để tránh chập mạch.

Cách thứ 1: Đấu nối bộ nguồn ắc quy vào máy nạp. Cực (+) của ắc quy đấu

vào đầu (+) của máy nạp hoặc tải. Cực (-) của ắc quy đấu vào đầu của máy nạp hoặc tải. Cuối cùng đấu lại đầu nối cho hai ắc quy.

Trong hệ thống ĐMT độc lập sử dụng hàng ngày, để tuổi thọ ắc quy tăng lên (gấp 2,3 lần thông thường) thì không nên cho ắc quy xả sâu, nên bảo vệ ắc quy ở ngưỡng trên 11(V), (đối với ắc quy 12V) và chuyển sang sử dụng điện lưới hoặt bù lưới.

Cách thứ 2: là dựa vào tải sử dụng, cụ thể như sau:

Số lượng ắc quy cần dùng cho hệ thống ĐMT 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.

- Chú ý khi sử dụng ắc quy:

+ Sử dụng đúng theo thông số kỹ thuật của máy;

+ Dung lượng bình ắc quy đủ sử dụng cho máy từ 75Ah trở lên và luôn được nạp đầy; + Để tránh gây sụt áp đầu vào, nên dùng dây nối của nhà sản xuất được đóng gói kèm theo máy;

+ Trước khi khởi động máy phải kiểm tra và bảo đảm: + Dung lượng ắc quy phải đầy;

+ Kết nối ắc quy vào máy đúng cực dương, cực âm và phải siết thật chặt dây nối. Nếu nối ngược cực, cầu chì DC sẽ đứt để bảo vệ máy. Cần phải nối lại đúng cực và thay cầu chì mới;

+ Trường hợp đèn báo lỗi sáng lên, kiểm tra ắc quy quá thấp hoặc máy bị quá tải, phải sạc lại ắc quy, giảm tải sử dụng và khởi động lại máy bằng công tắc;

+ Đặt máy nơi khô ráo, thoáng mát.

3.2.2.3. Bộ điều khiển sạc cho pin mặt trời

Đây là thiết bị có chức năng điều khiển việc sạc điện từ tấm pin mặt trời cho ắc quy, ổn áp cho dòng điện nạp, bảo vệ cho ắc quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc quy và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài.

Hình 3.4. Bộ điều khiển sạc cho pin mặt trời

Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của tấm pin mặt trời vào ắc quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải. Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế ( > 13,8V) hoặc điện thế thấp (< 10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc quy đã được nạp đầy hoặc điện áp của tấm pin mặt trời quá thấp.

3.2.2.4. Bộ kích điện DC-AC

Bộ kích điện là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình ắc quy (12V – 24V - 48V hoặc lên đến 240V) thành điện áp xoay chiều (AC) có tần số phù hợp với điện lưới Việt Nam đang sử dụng là 220V, 50Hz. Bộ kích điện được thiết kế với nhiều loại công suất từ 300VA – 10kVA tuỳ yêu cầu sử dụng

Hình 3.5. Bộ kích điện DC-AC

Bộ kích điện có hai dạng: sóng điện hình sin mô phỏng và hình sin thực. Loại đầu có ưu điểm là giá rẻ, nhỏ gọn, thường dùng cho máy vi tính, đèn compact, tivi, đầu máy,… Loại sau sử dụng tốt với các thiết bị điện dân dụng, nhưng có giá cao hơn.

3.2.2.5. Chuyển mạch tự động (ATS)

Thiết bị này dùng để chuyển mạch từ điện lưới và điện từ NLMT tùy trạng thái khi dùng phối hợp giữa hệ thống ĐMT với điện lưới. Những hệ thống ĐMT thông minh có thể vừa cấp điện cho lưới sau khi đã nạp đầy ắc quy hoặc chuyển sang sử dụng điện lưới khi ĐMT không đủ cung cấp.

Hình 3.6. Chuyển mạch tự động

3.2.2.6. Thiết bị sử dụng tải trong nhà

Là các thiết bị điện mà ta dùng hàng ngày như đèn, quạt, ti vi, tủ lạnh, máy vi tính, điều hòa,...

- NLMT không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn miễn phí và thiết thực;

- Tạo ra một nguồn điện độc lập, xanh sạch và không gây ô nhiểm môi trường, tận dụng được nguồn tài nguyên vô tận của thiên nhiên;

- Hệ thống đơn giản, dễ vận hành và sử dụng, không phụ thuộc vào điện lưới; - Góp phần tiết kiệm điện cho gia đình;

- Cung cấp nguồn điện liên tục và ổn định, giảm tải nhu cầu ngày càng tăng lên về NL cho đất nước.

Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống ĐMT độc lập là chi phí đầu tư ban đầu cao, nguồn NL phụ thuộc thiên nhiên, không ổn định, chi phí thay thế cho ắc quy trong suốt thời gian hoạt động của hệ còn lớn. Vì vây, việc tính toán thiết kế và phân tích chi phí trong suốt vòng đời hoạt động của hệ thống là cần thiết để các nhà chuyên môn và người sử dụng thuận lợi trong đánh giá, lựa chọn hệ thống ĐMT mình sẽ xây dựng.

3.2.4. Tình hình phát triển điện mặt trời ở Thừa Thiên Huế

Thừa Thiên Huế là một tỉnh ven biển nằm ở vùng Bắc Trung Bộ. Với khí hậu thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa. Nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 24 ÷ 25 0C. Với tổng số giờ nắng cao lên đến trên 2.000 giờ/năm, bức xạ trung bình tự 4,33 ÷ 4,37 kWh/m2 rất thích hợp cho khai thác NLMT. Với điều kiện bức xạ và số giờ nắng trên, từ tháng 4 đến tháng 10 hàng năm đạt các tiêu chí về bức xạ và số giờ nắng sử dụng các dàn pin mặt trời cho hiệu quả tốt [11].

Hình 3.7. Nhiệt độ trung bình của Thừa Thiên Huế năm 2013

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 19,8523,1324,00 26,2928,8828,5627,9428,4626,75 24,7523,62 18,36 0 C Tháng 2013

Hình 3.8. Nhiệt độ trung bình của Thừa Thiên Huế năm 2014

Tháng

Hình 3.9. Nhiệt độ trung bình của Thừa Thiên Huế năm 2015.

(Nguồn: Trung tâm khí tượng thủy văn Thừa Thiên Huế)

Ở Thừa Thiên Huế, các cơ quan quản lý, doanh nghiệp và các hộ gia đình đã tiếp cận với việc khai thác NLMT những năm vừa qua. Tuy nhiên, tổng công suất khai thác NLMT còn khiêm tốn, khai thác pin mặt trời chủ yếu là các dự án thí điểm hoặc tài trợ cấp điện cho các khu vực vùng xa, hải đảo; khai thác nhiệt mặt trời chủ yếu ứng dụng để cấp nước nóng bằng bình đun NLMT từ một số hộ gia đình tự đầu tư, các khách sạn, khu nghỉ dưỡng. Hiện nay, chủ yếu ứng dụng để phục vụ chiếu sáng sinh hoạt và cấp nước nóng bằng bình đun NLMT, chiếu sáng công cộng, tín hiệu đèn giao thông,…Trong những năm vừa qua đã có một số công trình dự án phát triển NLMT trên địa bàn tỉnh như sau:

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 18,9220,50 22,22 27,3629,38 30,49 29,06 28,70 28,07 25,42 24,85 19,73 0 C Tháng 2014 0 C

3.2.4.1. Ứng dụng pin mặt trời để chiếu sáng, sinh hoạt

Vào cuối năm 2013, dự án cung cấp điện cho đảo Sơn Chà bằng hệ thống NLMT có công suất 8.200Wp (gồm 40 tấm pin NLMT IREX công suất 205Wp/tấm, 16 bình ắc quy 12V-200Ah, 1 bộ điều khiển 4.600VA và các vật tư phụ kiện khác đi kèm) và 05 trụ đèn chiếu sáng bằng NLMT (cao 6m với 5 tấm pin NLMT IREX công suất 205Wp/tấm; 10 bình ắc quy 12V-100Ah; 5 Bộ điều khiển 12/24V-20A.) với tổng mức đầu tư 1,6 tỷ đồng, do Bộ Chỉ huy Bộ đội biên phòng tỉnh Thừa Thiên Huế làm chủ đầu.Với mục tiêu cấp điện phục vụ sinh hoạt cho Bộ đội biên phòng và các hoạt động khác trên đảo [10].

Hình 3.10. Hệ thống điện mặt trời ở bán đảo Sơn Chà, huyện Phú Lộc,

tỉnh Thừa Thiên Huế

Hình 3.11. Đèn NLMT thắp sáng bán đảo Sơn Chà, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế

Đồn biên phòng Nhâm cách trung tâm thị trấn A Lưới (huyện A Lưới) chưa tới 20km nhưng được xem là nơi khó đến nhất trong các đồn biên phòng nằm trên địa bàn huyện. Giờ đây với nguồn điện được tạo ra từ NLMT có công suất 4kW sẽ tiếp thêm sức mạnh cho họ hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao và phần nào đó cải thiện cuộc sống của các chiến sĩ ở đây.

Hình 3.12. Hệ thống năng lượng điện mặt trời tại Đồn Biên Phòng Hồng Thái

huyện A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế

Vào năm năm 2013 sạn Riverside Resort, đường Bùi thị Xuân, Huế đã lắp đặt