3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.3.4. Phương pháp tính toán và phân tích
Dựa vào các công thức tính toán trong tính toán hệ thống pin mặt trời, sử dụng phần mền Matlab, các thuật toán hỗ trợ như thuật toán di truyền. Chúng tôi đã tính toán và tạo nên hệ thống ĐMT qua đó chúng tôi cũng tối ưa hóa tính kinh tế cho hệ thống ĐMT, tính toán được thời gian hoàn vốn cho hệ thống. Để có thể thuyết phục các hộ gia đình đầu tư.
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Đặc điểm địa bàn nghiên cứu
Thừa Thiên Huế là một tỉnh ven biển nằm ở vùng Bắc Trung Bộ của Việt Nam có tọa độ ở 16-16,8o Bắc và 107,8 - 108,20 Đông. Diện tích của tỉnh là 5.053,990 km², dân số theo kết quả điều tra tính đến năm 2012 là 1.115.523 người [2].
Khí hậu thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa, mang tính chuyển tiếp từ á xích đạo đến nội chí tuyến gió mùa, chịu ảnh hưởng khí hậu chuyển tiếp giữa miền Bắc và miền Nam nước ta.
Chế độ nhiệt: thành phố Huế có mùa khô nóng và mùa mưa ẩm lạnh. Nhiệt độ trung bình hàng năm vùng đồng bằng khoảng 24°C - 25°C.
+ Mùa nóng: từ tháng 5 đến tháng 9, chịu ảnh hưởng của gió Tây Nam nên khô nóng, nhiệt độ cao. Nhiệt độ trung bình các tháng nóng là từ 27°C - 29°C, tháng nóng nhất (tháng 5, 6) nhiệt độ có thể lên đến 38°C - 40°C.
+ Mùa lạnh: từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau, chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông bắc nên mưa nhiều, trời lạnh. Nhiệt độ trung bình về mùa lạnh ở vùng đồng bằng là 20°C - 22°C [9].
- Phân bố lượng mưa
Ở Thừa Thiên Huế, không có sự khác biệt giữa mùa mưa và mùa khô, mà chỉ có mùa mưa và mùa ít mưa, trong nghiên cứu khí hậu có thể dùng các chỉ tiêu sau.
Mùa mưa là các tháng có lượng mưa trên 100mm chiếm tần suất ≥ 75% trong chuỗi quan trắc, những tháng còn lại là mùa ít mưa. Kết quả tính toán mùa mưa cho Thừa Thiên Huế được ghi trong bảng 3.1 [9].
Bảng 3.1. Tần suất (%) xuất hiện lượng mưa tháng ≥ 100mm
Địa điểm I II III IV V VI Tháng VII VIII IX X XI XII
Cổ Bi 50 10 10 20 70 80 30 60 90 100 100 80 Phú Ốc 35 12 0 29 59 41 24 53 100 100 100 88 Huế 30 15 5 10 40 30 15 60 85 100 100 90 Bình Điền 22 0 11 0 50 80 20 80 80 100 100 100 A Lưới 17 0 22 70 100 74 61 87 100 100 100 70 Phú Bài 79 21 21 16 21 31 26 31 95 100 100 89 Lộc Trì 55 22 0 11 67 67 22 55 89 100 100 89 Nam Đông 48 4 13 30 70 83 83 83 100 100 100 83 Thượng Nhật 31 0 6 31 93 87 75 75 87 100 100 69 Kết quả ở Bảng 3.1 cho thấy tồn tại hai vùng chế độ mưa khác nhau: vùng núi Nam Đông, A Lưới và vùng đồng bằng ven biển.
Ở vùng đồng bằng ven biển mùa mưa bắt đầu từ tháng IX, kết thúc vào tháng XII - kéo dài 4 tháng; mùa ít mưa kéo dài khoảng 8 tháng - từ tháng I đến tháng VIII.
Ở vùng núi và gò đồi, mùa mưa bắt đầu từ tháng V hoặc tháng VI, kết thúc vào tháng XII - kéo dài khoảng 7 hoặc 8 tháng; mùa mưa kéo dài từ tháng I đến tháng IV hoặc tháng V.
Thừa Thiên Huế là một trong những tỉnh có lượng mưa nhiều nhất ở nước ta. Lượng mưa trung bình hàng năm trong toàn tỉnh đều trên 2.700mm, có nơi trên 4000mm như Bạch Mã. Thừa Lưu. Do sự tác động giữa địa hình và hoàn lưu khí quyển, nên đã hình thành hai trung tâm mưa lớn:
Trung tâm mưa lớn thứ nhất là khu vực Bạch Mã, Thừa Lưu, Nam Đông, Phú Lộc. Trung tâm thứ hai là chịu ảnh hưởng cảu dãy Trường Sơn với Động Ngại cao 1.774m nằm trong huyện A Lưới.
Vùng ít mưa nhất là vùng đồng bằng phía bắc của Thừa Thiên Huế.
Nhìn chung, lượng mưa năm tăng dần từ Đông sang Tây và từ Bắc vào Nam. Giữa những tâm mưa lớn và vùng ít mưa là vùng chuyển tiếp, bao gồm vùng gò đồi phía Tây và vùng đồng bằng từ Phú Bài đến Truồi.
- Mây:
Lượng mây tổng quan trung bình tháng có trị số lơn nhất vào mùa mưa và nhỏ nhất vào mùa ít mưa. Trong các tháng mưa nhiều, lượng mây tổng quan trung bình có giá trị từ 7,1/10 - 8,7/10 bầu trời, trong đó nhiều nhất là tháng X, tháng XI, tháng ít mây nhất là tháng III và tháng IV: từ 5,9/10 - 6,8/10 bầu trời (Bảng 3.2).
Bảng 3.2. Lượng mây tổng quan trung bình (tính theo 1/10 bầu trời)
Địa điểm
Tháng
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Huế 7,4 7,7 6,8 7,0 6,5 7,2 6,5 7,6 7,2 7,3 7,9 7,8 7,2 Nam
Đông 7,8 7,1 5,9 6,4 6,5 7,1 6,3 7,6 7,2 7,5 8,3 8,2 7,2 A lưới 8,0 7,7 7,0 7,0 7,4 7,5 6,8 8,0 8,1 8,2 8,7 8,6 7,8
Phân bố ngày nhiều mây phù hợp với phân bố lượng mây. Ở Thừa Thiên Huế, mỗi năm có từ 182 đến 187 ngày nhiều mây. Trong mùa mưa chính, mỗi tháng có từ 12 đến 22 ngày nhiều mây, trong đó tháng XI nhiều mây nhất. Trong các tháng có gió tây khô nóng hoạt động mạnh, số ngày nhiều mây giảm đáng kể, chỉ đạt từ 8 - 14 ngày (Bảng 3.3).
Bảng 3.3. Số ngày nhiều mây trung bình
Địa điểm
Tháng
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Huế 16 18 15 12 11 14 12 21 18 15 19 16 197 Nam Đông 16 13 13 11 11 13 12 19 17 19 22 16 185 A lưới 18 14 13 18 10 12 13 19 17 17 22 19 182
- Nắng
Tổng số giờ nắng trung bình năm dao động từ 1.700 đến 2.000 giờ. Số giờ nắng giảm dần từ vùng đồng bằng lên vùng đồi núi.
Thời kì nhiều nắng nhất cũng là thời kì khô hạn nhất, từ tháng V đến tháng VII, mỗi tháng có trên 200 giờ ở vùng đồng bằng, thung lũng thấp và 175 đến 200 giờ ở vùng núi cao (Bảng 3.4).
Từ tháng VIII trở đi số giờ nắng giảm dần và đạt cực tiểu vào tháng VII, với trị số từ 74 - 90 giờ, sau đó lại tăng dần. Số giờ nắng tăng nhanh nhất từ tháng II, III và giảm nhanh nhất từ tháng VIII đến tháng IX. Trong thời kì ít nắng nhất, mỗi ngày trung bình chỉ đạt từ 3 ÷ 5 giờ nắng [11].
Bảng 3.4. Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm
Địa điểm
Tháng
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Huế 119 103 159 175 240 232 252 216 183 133 102 90 2004 Nam
Đông 127 135 170 181 215 206 226 202 171 132 97 74 1936 A lưới 125 126 166 176 191 173 198 167 136 111 78 78 1725
3.2. Hệ thống điện trời độc lập
Hệ thống ĐMT độc lập là hệ thống các tấm pin NL mặt trời cung cấp điện cho các thiết bị sử dụng, hoạt động độc lập với điện lưới quốc gia. Thường sử dụng cho các khu vực không có điện lưới hoặc sử dụng với quy mô nhỏ ở nông thôn, vùng sâu, vùng xa .
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;