nhỏ
2.1.2.1 Các dữ liệu tính toán đầu vào
Khi tính toán, thiết kế một hệ thống điện mặt trời độc lập, trước hết cần xác định các số liệu đầu vào chính như sau:
- Số liệu đánh giá nhu cầu phụ tải: trên cơ sở khảo sát nhu cầu tiêu thụ điện của các phụ tải địa phương, xây dựng biểu đồ công suất và điện năng tiêu thụ theo thời gian bao gồm: Đồ thị phụ tải ngày; Đồ thị công suất tiêu thụ theo
tháng và theo năm để xác định công suất phụ tải cực đại và năng lượng tiêu thụ trong ngày và trong năm.
- Công suất đặt của dàn PV phải lớn hơn công suất cực đại của phụ tải: PđPV>Pmaxpt
Hình 2 2 Sơ đồ đ u nối c một hệ thống điện mặt trời độc lập
- Loại mô-đun PV có các thông số kỹ thuật đặc trưng phù hợp bao gồm: đặc tính điện, đặc tính cơ, đặc tính nhiệt;
- Loại inverter có thông số đầu vào một chiều và thông số đầu ra xoay chiều phù hợp; Loại acqui: kiểu acqui, điện áp danh định, dung lượng acqui, kích thước, trọng lượng;
- Loại máy đảo điện và bộ điều khiển nạp cho acqui: công suất, điện áp, tần số, hiệu suất;
- Loại máy phát điện dự phòng cho trường hợp nguồn acqui không đảm bảo đủ dung lượng để cung cấp điện liên tục: tần số, công suất, điện áp, nhiên liệu, kích thước, trọng lượng.
2.1.2.2 Các thông số cần xác định
- Mô-đun PV: Chủng loại, các thông số kỹ thuật chính, tổng số lượng mô-đun, số mô-đun ghép nối tiếp trong một dãy và số dãy mô-đun nối song song trong một dàn pin.
- Inverter: Chủng loại, các thông số kỹ thuật chính, tổng số inverter cần sử dụng, sơ đồ đấu nối inverter với các mô-đun PV, sơ đồ đấu nối inverter với lưới.
- Bộ acqui: Chủng loại, các thông số kỹ thuật chính, tổng dung lượng acqui cần đặt, tổng số lượng bình acqui cần sử dụng, sơ đồ đấu nối các bình acqui, bộ điều khiển nạp cho acqui.
- Máy phát điện dự phòng: loại máy, số pha, công suất và điện áp, dòng điện danh định, tiêu thụ nhiên liệu.
- Các thiết bị khác: thiết bị đóng cắt DC và AC, hộp nối dây, loại và tiết diện dây dẫn đấu nối.
2.1.3 Ví dụ tính toán minh họa cho HT T độc lập - Phương pháp tính toán cho một hệ thống điện mặt trời độc lập được minh họa cho lưới điện của xã An Bình, huyện đảo ý Sơn Tỉnh Quảng Ngãi.
2.1.3.1 Hiện trạng v nhu cầu năng lượng xã An nh (đảo é Lý Sơn) - Quảng Ngãi
Đảo Lý Sơn nằm cách bờ biển Quảng Ngãi 24km về phía Đông Bắc, có tọa độ địa lý từ 15032’ đến 15058’ vĩ độ Bắc và 10905’ đến 109014’ kinh độ Đông. Huyện đảo Lý Sơn gồm hai phần: đảo Lớn và đảo Bé. Xã An Bình (đảo Bé) có diện tích 69 hecta nhưng chỉ có 16 hecta đất có thể trồng trọt dựa vào nước trời, còn lại là đồi núi đá không thể sản xuất được. Mùa khô hạn, đất nông nghiệp ở đảo Bé thường bị bỏ hoang vì không có nước. Đảo Bé Lý Sơn có khoảng 106 hộ dân.
H nh 2 3 Sơ đồ đị lý huyện đảo Lý Sơn (Tỉnh Quảng Ngãi)
Trong thời gian khảo sát (4/2018) tại huyện đảo Lý Sơn, Viện Năng lượng đo đạc trực tiếp bức xạ mặt trời bằng thiết bị đo bức xạ cầm tay GLOBAL RADIOMETER - PMA2140 đã thu được giá trị bức xạ mặt trời trung bình ngày được thể hiện trong bảng 2.1 và 2.2.
ảng 2 1 ức xạ trung b nh tháng tại Lý Sơn
Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm Số giờ nắng 163,7 175 ,3 221 ,7 23 5,0 278 ,2 266 ,8 270 ,9 258 ,8 191 ,5 159 ,8 13 2,5 10 2.5 245 6,7 Tổng xạ (kWh/m2 .tháng) 114 ,59 122 ,71 155 ,19 16 4,5 194 ,74 186 ,76 189 ,63 181 ,16 134 ,05 111 ,86 92, 75 71, 75 171 9,69
ảng 2 2 Cường độ bức xạ trung b nh ng y tại xã An nh ( đảo é Lý Sơn)
Giờ 6h 7h 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h
Giá trị (W/m2)
62,2 278 461 542 753 809 806 774 723 542 481 335
Từ các số liệu thu thập được nhận thấy rằng đảo Lý Sơn thuộc khu vực có năng lượng mặt trời cao với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4,71kWh/m2. ngày. Như vậy, tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời trên đảo rất phù hợp cho việc xây dựng hệ thống phát điện mặt trời đạt hiệu quả cao.
Khi tính toán xây dựng hệ thống điện mặt trời độc lập cho một khu dân cư, trước hết cần xác định điện năng tiêu thụ hàng năm (kWh/năm) và đặc trưng công suất theo ngày của phụ tải khu vực. Đối với một xã đảo xa xôi biệt lập như xã An Bình chưa thể phát triển sản xuất thì tiêu thụ điện cho sinh hoạt chiếm phần chính. Phụ tải cao điểm trong ngày thường xảy ra vào khoảng 18:21. Xã An Bình có 106 hộ (8 hộ dùng điện mặt trời hệ gia đình). Nhu cầuđiện cho công cộng và dịch vụ bao gồm tiêu thụ điện cho trường học, UBND xã, trạm y tế, các đơn vị quân đội còn lại sử dụng cho hộ gia đình, không có nhu cầu cho sản xuất vì trên đảo không có nguồn nước. Để dự báo nhu cầu cho sinh hoạt, sử dụng phương pháp “Hộ tiêu thụ điển hình” ở nông thôn với thống kê tổng hợp tất cả các thiết bị dùng điện và ước lượng thời gian sử dụng trong ngày hay trong tháng của các “Hộ tiêu thụ điển hình” trong toàn xã. Tổng hợp tổng nhu cầu điện năng sử dụng cho xã An Bình trong 1 năm được thể hiện trong bảng 2.3.
ảng 2 3 Tổng nhu cầu điện năng c các loại phụ tải tại xã An nh
TT Hộ phụ tải
Điện năng tiêu thụ (kWh)
Thời gian sử dụng Điện năng tiêu thụ trong tháng (kWh/tháng) Điện năng tiêu thụ trong năm (kWh/năm)
1 Sinh hoạt 2772 33264 Cao điểm từ 18:21
2 Trường học 155,25 1863 Chủ yếu vào ban ngày
3 Trạm y tế 20,16 241,92 Phụ thuộc vào có bệnh
nhân hay không
4 UBND xã 84,75 1017 Trong giờ làm việc hành
chính
5 Các đơn vị quân đội 70,74 848,88 Chủ yếu sinh hoạt buổi tối
Dự báo khi xây dựng hệ thống điện mặt trời tại đảo thì nhu cầu dùng điện của người dân sẽ tăng lên do điện được cung cấp liên tục. Đồ thị phụ tải ngày của các hộ tiêu thụ theo mùa được giới thiệu trên hình 2.4 (theo Trung tâm NLTT và cơ chế phát triển sạch – Viện Năng Lượng – Tập đoàn Điện Lực Việt Nam).
Hình 2 4 Đồ thị phụ tải ng y c các hộ tiêu thụ theo mù
Đồ thị phụ tải ngày của cả hai mùa có dạng gần giống nhau, chênh lệch ít và tương ứng có hai đỉnh: buổi sáng từ 10h - 12h, công suất lớn nhất : 10kW; buổi chiều tối từ 18h - 22h, công suất lớn nhất :14 kW; như vậy công suất đỉnh cả ngày là 14 kW.
Vì tiêu thụ điện sinh hoạt chiếm phần lớn nên độ tăng trưởng nhu cầu sử dụng điện trong dự báo dài hạn phụ thuộc chủ yếu vào độ tăng trưởng dân số và kinh tế. Dự báo trong 3 năm đầu (giai đoạn từ năm 2016 - 2019) tốc độ tăng 2%, còn các năm tiếp theo sẽ tăng 1,5%, do đó tốc độ tăng nhu cầu điện trung bình cho sinh hoạt sẽ là 1,6%/năm. Nhu cầu điện đối với các lĩnh vực công cộng, dịch vụ và sản xuất có tốc độ tăng không cao, dự báo khoảng 1%/năm. Độ tăng trưởng trung bình của công suất PV lắp đặt thêm của trạm phát điện mặt trời cũng như dự báo tốc độ tăng trưởng nhu cầu điện năng tổng
của các hộ tiêu thụ tại xã An Bình (đảo Bé Lý Sơn) - Quảng Ngãi trong suốt vòng đời dự án (25 năm) tương ứng là khoảng 1,4%/năm, 1,8%/năm .
Từ số liệu về bức xạ mặt trời cũng như số liệu về nhu cầu điện năng của các hộ tiêu thụ điện ở đảo Bé Lý Sơn, sau đây sẽ tiến hành lựa chọn các thành phần của hệ thống điện mặt trời địa phương này.
2.1.3.2 Lự chọn các thành phần c hệ thống điện mặt trời tại xã An Bình
Khi lựa chọn các thành phần chính và thông số kỹ thuật của từng phần tử của hệ thống ĐMT độc lập cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật - kinh tế cơ bản như: đáp ứng đầy đủ các nhu cầu công suất và điện năng cho các hộ tiêu thụ, điện áp sử dụng của phụ tải, tính linh hoạt và độ tin cậy trong vận hành, hiệu suất của thiết bị, giá thành của công trình…
+ Pin mặt trời
Bỏ qua ảnh hưởng của góc nghiêng dàn pin mặt trời và hiệu ứng nhiệt độ, công suất đỉnh của dàn pin mặt trời được xác định theo công thức sau:
0 T I E P I (2.1) Trong đó:
E là nhu cầu điện năng trung bình ngày của phụ tải (kWh); I0 = 1kW/m2 là bức xạ mặt trời ở điều kiện tiêu chuẩn;
IT = 4,71kWh/m2.ngày là bức xạ mặt trời trung bình ngày ở khu vực Lý Sơn; là hiệu suất tổng thể của hệ thống bao gồm: hiệu suất của mô-đun PV, bộ điểu khiển, inverter, hiệu suất phóng nạp điện của acqui, = 0,77.
Từ nhu cầu điện năng trung bình năm được thể hiện ở bảng 2.3, tính toán được sản lượng điện năng trung bình ngày của hệ thống điện mặt trời cần cung cấp: E ≈102,01 (kWh/ngày)
Từ công thức (2.1), công suất đỉnh của dàn pin mặt trời trong hệ thống cấp điện cho xã An Bình là: PPV ≈ 28,13 kWp
Loại mô-đun quang điện được lựa chọn có công suất 28,13 kWp, nhãn hiệu BP 3160S có các thông số kỹ thuật như sau:
-Công suất lớn nhất Pmax
-Điện áp làm việc lớn nhất Vmp
-Dòng điện làm việc lớn nhất Imp
-Dòng ngắn mạch Isc : 160W : 35,1V : 4,55A : 4,8A - Điện áp hở mạch Voc : 44,2V - Trọng lượng : 15,4kg
- Kích thước hình học của dàn pin : 1593 x 790 x 40 (mm)
Số mô-đun quang điện cần sử dụng cho hệ thống điện mặt trời là:
max 28.130 180 160 PV P N P (mô - đun)
180 mô-đun PV công suất 160Wp/mô-đun tổ hợp thành 12 dãy đấu nối song song, mỗi dãy gồm 15 mô-đun đấu nối tiếp tạo thành một hệ thống có công suất 28,13kWp.
Từ số liệu mật độ bức xạ trung bình tháng (bảng 2.1) xác định được sản lượng điện năng do hệ thống pin mặt trời phát ra theo tháng ở bảng 2.4.
ảng 2 4 Sản lượng điện năng theo tháng trong năm c hệ thống điện mặt trời lắp đặt tại xã đảo An nh (Lý Sơn - Quảng Ngãi)
Tháng Tổng xạ (kWh/m2.tháng) Sản lượng điện PV phát (kWh) 1 114,59 2482,03 2 122,71 2657,91 3 155,19 3361,43
4 164,5 3563,09 5 194,74 4218,09 6 186,76 4045,24 7 189,63 4107,4 8 181,16 3923,94 9 134,05 2903,54 10 111,85 2422,68 11 92,75 2008,97 12 71,75 1554,11 Cả năm 1719,68 37248,43
Theo bảng 2.4 nhận thấy tháng 11 và tháng 12 có sản lượng thấp nhất; các tháng 5, 6, 7, 8 có sản lượng cao nhất, hơn gấp 2 lần các tháng thấp; các tháng còn lại cho sản lượng trung bình.
+ Acqui
Dung lượng bộ acqui (Ah) được xác định theo công thức sau: . . .b N E C V D (2.2) Trong đó:
N = số ngày dự trữ điện của bộ acqui, N = 1,5;
E = nhu cầu điện năng trung bình ngày của phụ tải (Wh/ngày); V = 48V là điện áp bộ acqui; ηb = 0,85 là hiệu suất phóng nạp của bộ acqui; D = 0,7 là độ sâu phóng điện.
Từ công thức (2.2) tính được dung lượng hệ thống acqui:
3
1,5.102,01.10
5358 Ah 48.0,85.0,7
Lựa chọn loại acqui chì-axit đóng kín, nhãn hiệu GM1000, dung lượng 1000Ah/2V. Acqui GM1000 được thiết kế đặc biệt có tính năng tối ưu khả năng phóng điện và độ tin cậy trong các môi trường khác nhau với các thông số kỹ thuật được giới thiệu trong bảng 2.5.
Với dung lượng hệ acqui C = 5358 Ah và loại acqui lựa chọn có tuổi thọ cao > 15 năm, thông số của acqui được chọn (bảng 2.5), tính được:
ảng 2 5 Các thông số kỹ thuật c cqui GM1000
Kiểu acqui Điện áp định mức (V) Dung lượng định mức (Ah) Kích thước (mm) Trọng lượng (kg) 10 giờ 1,8V/cell 1 giờ
1,6V/cell Dài Rộng Cao/Tổng
chiều cao
GM1000 2 1000 650 176 478 335/345 60
Số bình acquy mắc nối tiếp trong một dãy là: 48 24 2 nt b V n bình
Số dãy bình acqui mắc song song: s 5358 5,358 6 1000 s b C n C dãy Trong đó:
V là điện áp làm việc của hệ thống nguồn; vb là điện áp định mức của mỗi bình acqui; C là dung lượng của bộ tích điện; Cb là dung lượng của mỗi bình acqui
Vậy tổng số lượng bình acqui được sử dụng là: n = nnt.nss = 24 x 6 = 144 (bình). Ngoài ra acqui GM1000 còn có các tính năng kỹ thuật như sau:
Tuổi thọ cao và acqui phóng sâu: với cấu trúc bản cực sử dụng hợp kim đặc biệt, bản cực dày và kỹ thuật làm cứng bản cực nên cải thiện tuổi thọ thiết kế của acqui trong các điều kiện phóng sâu; Kỹ thuật van an toàn: với 2 lớp chống nổ và van lọc chất axit làm cải thiện cơ chế tái hợp khí và ngăn ngừa mọi nguy hiểm xảy ra; Kỹ thuật làm kín đầu cực: với kỹ thuật làm kín khí bởi các hợp chất tại các đầu cực trong suốt thời gian hoạt động của bình acqui; Đặc tính phóng điện tối ưu: bản cực lưới dạng đối xứng cung cấp đặc tính
phóng điện tối ưu; Đặc điểm tự phóng điện thấp: cấu trúc hợp kim chuẩn, vật liệu chất lượng cao và môi trường chế tạo sạch cho phép tuổi thọ hoạt động cao, tự phóng điện thấp và dễ lắp đặt; Vật liệu vỏ nhựa ABS; Điện áp sạc nổi (tại 200C): 2,27 V/bình; Sự bù điện áp nổi theo nhiệt độ:
-2,5mV/0C; Tự phóng điện tại 200C:<2%/tháng.
+ Inverter
Hệ thống pin mặt trời biến đổi năng lượng mặt trời thành điện một chiều, vì vậy cần phải có các bộ inverter biến đổi điện một chiều từ pin mặt trời thành điện xoay chiều 220V để nối vào đường trục tải điện chính 220VAC. Lựa chọn inverter loại SMC5000A có các thông số kỹ thuật được giới thiệu ở bảng 2.6.
ảng 2.6. Các thông số kỹ thuật c inverter SMC5000A
Các thông số kỹ thuật Giá trị
Thông số điện một chiều
Pmax 5750W
Vmax 600V
Imax 26A
Dải điện áp đạt công suất cực đại (MPPT) 246 - 480V
Dải điện áp vận hành 211 - 600V
Thông số điện xo y chiều
Pđm (230V, 50Hz) 5000W
Smax 5500VA
Vì công suất dàn pin mặt trời là 28,13kW và bộ biến đổi điện DC/AC có công suất 5,5kW, (dòng điện làm việc là 26A ở nhiệt độ 500C) do đó cần sử dụng 6 bộ SMC 5000A.
+ ộ điều khiển acqui
Hệ thống acqui được đấu nối với hệ thống điện thông qua bộ điều khiển hoạt động hai chiều, nó có thể biến nguồn điện một chiều từ acqui thành điện xoay chiều 220VAC/50Hz để hòa mạng đồng bộ, đồng thời nó có thể là bộ nạp điện cho acqui từ nguồn pin mặt trời dư thừa khi dung lượng acqui bị cạn dưới mức cho phép. Đối với các bộ điều khiển phóng/nạp cho acqui khi tính toán, lựa chọn công suất lắp đặt cần phải xác định các thông số kỹ thuật như: ngưỡng điện áp cắt trên Vmax, ngưỡng cắt dưới Vmin.
Công suất P của bộ acqui lắp đặt yêu cầu: 1,3PL ≤ P ≤ 2PL và hiệu suất của BĐK phải đạt giá trị 𝜂 % ≥ 85%. Với PL là tổng công suất của các phụ tải trong hệ (PL = ΣPi, i = 1,n).
Do đó bộ biến đổi điện được lựa chọn là loại Sunny Island SI 5048 (hay loại có tính năng tương đương) có các thông số kỹ thuật được thể hiện ở bảng 2.7.
ảng 2 7 Các thông số kỹ thuật c bộ điều khiển cqui SI5048
Thông số kỹ thuật Giá trị
Thông số đầu v o
Điện áp đầu vào 172 -
250V
Tần số 40 - 70Hz
Imax 56A
Pmax 12,8kW
Điện áp danh định 202 - 253V
Tần số 45 - 65Hz
Công suất 5000W
Iđm 21A
Hiệu suất 𝜂 % 93%
Đối với một hệ thống pin mặt trời có công suất là 28,9kW và bộ đảo