Số lƣợng ắc quy cần dùng cho hệ PV (Photovoltaic) là số lƣợng ắc quy đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng (Autonomy - d y) khi c c tấm pin mặt trời không sinh r điện đƣợc. T tính dung lƣợng bộ ắc quy nhƣ sau:
44
Hiệu suất nạp xả của ắc quy thông thƣờng chỉ khoảng 80% - 90% cho nên chi tổng điện năng tiêu th của tải với hiệu suất của ắc quy ta đƣợc dung lƣợng của bộ ắc quy. Với DoD (Deep Of Discharge: mức xả sâu) là 0.6 (hoặc thấp hơn là 0.8), t chi Ctotal cho mức DoD sẽ đƣợc dung lƣợng của bộ ắc quy.
( )
(3.5)
Trong đó:
- (Wh): Tổng điện năng tiêu th của tải. - (%): Hiệu suất của ắc quy.
- (V): Điện p của hệ thống.
Kết quả trên cho ta biết dung lƣợng battery tối thiểu cho hệ thống điện mặt trời không có dự phòng. Khi hệ thống điện mặt trời có số ngày dự phòng (Autonomy - day) ta phải nhân dung lƣợng của ắc quy cho số autonomy - d y để có số lƣợng ắc quy cần dùng cho hệ thống:
( )
(3.6)
Trong đó:
Autonomy-day: Số ngày dự trữ Số ắc quy mắc song song:
(3.7) Số ắc quy mắc nối tiếp:
(3.8)
Trong đó:
- Ctotal (Ah): Dung lƣợng tổng bộ ắc quy. - Cbattery (Ah): Dung lƣợng một ắc quy. - Vbattery (V): Điện p của một ắc quy.
3.5.5 Tính to n công suất pin mặt trời cần sử dụng
Mỗi pin mặt trời mà t sử d ng đều có thông số Wp, lấy tổng số Wp cần sử d ng chia cho số Wp của một tấm pin ta sẽ đƣợc số lƣợng tấm pin mặt trời cần dùng.
45
Bảng 3.8 Số liệu về cƣờng bức xạ mặt trời tại Việt Nam theo thống kê của HCM CityWeb
Vùng Giờ nắng trong năm Cƣờng độ bức xạ mặt trời
(kWh/m2/ngày)
Đông Bắc 1600 – 1750 3.3 – 4.1
Tây Bắc 1750 – 1800 4.1 - 4.9
Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4.6 -5.2
Tây Nguyên và N m Trung
Bộ 2000 - 2600 4.9 – 5.7
Nam Bộ 2200 – 2500 4.3 – 4.9
Trung bình cả nƣớc 1700 -2500 4.6
Mức hấp thu năng lƣợng tại Việt N m khi tính to n lấy gi trị trung bình cho cả nƣớc là Nsh = 4.6 kWh/m2/ngày.
Kết quả trên chỉ cho ta biết số lƣợng tối thiểu số lƣợng tấm pin mặt trời cần dùng. Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của ắc quy sẽ c o hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm m t, rút cạn ắc quy hơn và nhƣ vậy sẽ làm ắc quy giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thì làm gi thành hệ thống c o, vƣợt qu ngân s ch cho phép, đôi khi không cần thiết. Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. Thí d một hệ sol r có độ dự phòng 4 ngày (Gọi là utonomy - d y, là những ngày không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lƣợng battery phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lƣợng pin mặt trời. Ngoài r nếu hệ thống có bù lƣới thông minh hoặc chuyển lƣới thông minh sẽ giải quyết đƣợc vấn đề mất điện hoặc thiếu điện cho những ngày râm m t cho c c khu vực lắp đặt hệ thống điện mặt trời đã có điện lƣới.
Điện năng cần thiết cung cấp cho hệ thống điện từ bộ pin mặt trời:
( )
(3.9) Trong đó:
- Etotal (Wh): Tổng điện năng tiêu th của tải - (%): Hiệu suất inverter
46 - (%): Hiệu suất của ắc quy Công suất của bộ pin mặt trời:
( )
(3.10)
Trong đó:
- (Wh): Điện năng cung cấp từ bộ pin mặt trời
- Nsh = 4.6: Số giờ nắng trong ngày lấy gi trị trung bình cho cả nƣớc, hoặc sử d ng theo từng vùng theo gi trị của Bảng 3.13
Số tấm pin mắc song song:
(3.11)
Số tấm pin mắc nối tiếp:
(3.12)
Trong đó:
- Pspv (W): Công suất của bộ pin mặt trời; - Pm (W): Công suất cực đại của một tấm pin - Vsystem (V): Điện p hệ thống
- Vm (V): Điện p cực đại của một tấm pin.
3.5.6 Lựa chọn dây dẫn, cầu ch , CB, hộp nối
1. Dòng điện định mức DC lớn nhất IDC,max, điện p hệ thống Vsystem:
(3.13)
2. Dòng điện xoay chiều lớn nhất IAC,max và điện p xo y chiều V = 220V:
47
3.5.7 Bài tập p dụng
1. Thiết kế hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập cung cấp điện cho c c tải sau:
Bảng 3.9 Bảng số liệu tính to n bài tập p d ng
STT Tên thiết bị Công suất (W) Số lƣợng Số giờ sử d ng
1 Quạt 100 1 6
2 Đèn huỳnh quang 50 2 8
3 Đèn comp ct 18 5 5
4 Tivi LCD 80 1 5
Biết hiệu suất Inverter là 93%, Bình ắc quy 24V – 100Ah, hiệu suất bình ắc quy là 95%, Mức xả sâu (DoD) là 50%, số ngày tự duy trì của hệ thống là 2, số giờ nắng trong một ngày là 5 giờ.
Bài giải:
Bƣớc 1: Tính tổng lƣợng tiêu thụ điện của tất cả c c thiết bị mà hệ thống pin mặt trời phải cung cấp. Áp dụng công thức (3.1) và (3.2).
Bảng 3.10 Tính tổng lƣợng điện tiêu th cho tải
STT Tên thiết bị P (W) Số lƣợng Ptotal (W) (3.1) Số giờ sử d ng n (h) Etotal (Wh) (3.2) 1 Quạt 100 1 100 6 600 2 Đèn huỳnh quang 50 2 100 8 800 3 Đèn comp ct 18 5 90 5 450 4 Tivi LCD 80 1 80 5 400 Tổng cộng 370 W 2250 Wh
Bƣớc 2: Tính to n chọn dung lƣợng Inverter. Áp dụng công thức (3.3)
Bảng 3.11 Tính to n dung lƣợng cho Inverter
Tải Inverter Ptotal (W) (%) Output: Pinverter (W) Input: Pinverter (w) (3.3)
48 370 93 370 370 0.93 =398 W Etotal (Wh) (%) Etotal (Wh) 2250 93 2420 Wh
Lựa chọn Inverter có công suất 500W – 12VDC / 230VAC
Bƣớc 3: Lựa chọn bộ điều khiển sạc. Áp dụng công thức (3.4)
Bảng 3.12 Tính to n lựa chọn bộ điều khiển sạc
Etotal (Wh) Ptotal (W) Vsystem (V) Iscc (A) (3.4) 2420 370 24 33.15 Với ( )
Bƣớc 4: Lựa chọn ắc quy. Áp dụng công thức (3.5)
Bảng 3.13 Tính to n lựa chọn ắc quy Etotal (Wh) Vsystem (V) DOD (%) (%) Số ngày dự trữ Ctotal (Ah) (3.6) 2420 24 50 93 2 2420 × 2 ÷ (0.93 × 0.5× 24) = 433.7 Ah Số bình ắc quy mắc song song:
Số bình ắc quy mắc nối tiếp: (Vbattery = 12V)
2
Vậy cần mắc nối tiếp 2 ắc quy và mắc song song 5 cặp ắc quy với dung lƣợng mỗi ắc quy là 100Ah để duy trì hệ thống trong 2 ngày.
Bƣớc 5: Tính to n công suất, số pin mặt trời cần sử dụng trong hệ thống. Áp dụng công thức (3.9).
49
Bảng 3.14 Tính to n điện năng cung cấp cho hệ thống từ bộ pin mặt trời
Etotal (Wh) (%) (%) Espv (Ah) (3.9) 2250 95 93 2250 ÷ (0.93 × 0.95) = 2547 Ah
Bảng 3.15 Tính to n công suất của bộ pin mặt trời
Espv
(Ah) Nsh
Công suất một tấm pin (W)
Pspv (W) (3.10)
2547 5 55 2547 ÷ 5= 509 W
Số tấm pin mắc song song:
Số tấm pin mắc nối tiếp: (Vm = 18.4V)
.3
Vậy cần mắc nối tiếp 2 tấm pin và mắc song song 10 cặp pin với công suất mỗi tấm là 55W để đ p ứng nhu cầu sử d ng.
2. Thiết kế hệ thống PV cho mô h nh thực tế:
- Bóng đèn sợi đốt 220V – 40W
- Bóng đèn huỳnh quang 12VDC – 24W
Bƣớc 1: Tính tổng lƣợng tiêu thụ điện của tất cả c c thiết bị mà hệ thống pin mặt trời phải cung cấp. Áp dụng công thức (3.1) và (3.2).
Bảng 3.16 Tính tổng lƣợng điện tiêu th cho tải
STT Tên thiết bị P (W) Số lƣợng Ptotal (W) (3.1) Số giờ sử d ng n (h) 1 Đèn sợi đốt 40 1 40 2 2 Đèn huỳnh quang 24 1 24 2 Etotal (Wh) = EAC + EDC = + PDC*2 = (40*2/0.9) + (24*2) =136.89 (Wh)
50 Ptotal (W) =
+ PDC = (40/0.9) + 24 = 68.44 (W)
Bƣớc 2: Tính to n chọn dung lƣợng Inverter. Áp dụng công thức (3.3)
Bảng 3.17 Tính to n dung lƣợng cho Inverter
Tải Inverter
PAC (W)
(%) Output: Pinverter (W)
Input: Sinverter (VA) (3.3) 40 90 40 40 0.9 = 44.44 VA EAC (Wh) (%) Etotal (Wh) 80 90 88.89 Wh
Lựa chọn Inverter có công suất 200VA – 12VDC / 220VAC
Bƣớc 3: Lựa chọn bộ điều khiển sạc. Áp dụng công thức (3.4)
Bảng 3.18 Tính to n lựa chọn bộ điều khiển sạc
Etotal (Wh) Ptotal (W) Vsystem (V) Iscc (A) (3.4) 136.89 68.44 12 5.7 Với ( )
Bƣớc 4: Lựa chọn ắc quy. Áp dụng công thức (3.5)
Bảng 3.19 Tính to n lựa chọn ắc quy Etotal (Wh) Vsystem (V) DOD (%) Số ngày dự trữ Ctotal (Ah) (3.6)
51
136.89 12 60 1 136.89 × 1 ÷ (0.6× 12) = 19 Ah
- Số bình ắc quy mắc song song:
- Số bình ắc quy mắc nối tiếp: (Vbattery = 12V)
1
Vậy cần mắc nối tiếp 1 ắc quy và mắc song song 4 cặp ắc quy với dung lƣợng mỗi ắc quy là 6Ah để duy trì hệ thống.
Bƣớc 5: Tính to n công suất, số pin mặt trời cần sử dụng trong hệ thống. Áp dụng công thức (3.9).
Bảng 3.20 Tính to n điện năng cung cấp cho hệ thống từ bộ pin mặt trời
Etotal (Wh) (%) (%) Espv (Ah) (3.9) 136.89 90 90 136.89 ÷ 0.9 = 152.1 Ah
Bảng 3.21 Tính to n công suất của bộ pin mặt trời
Espv
(Ah) Nsh
Công suất một tấm pin (W)
Pspv (W) (3.10)
152.1 4.6 55 152.1 ÷ 4.6= 33.06 W
- Số tấm pin mắc song song:
- Số tấm pin mắc nối tiếp: (Vm = 18.4V)
Vậy cần mắc nối tiếp 1 tấm pin và mắc song song 1 cặp pin với công suất mỗi tấm là 55W để đ p ứng nhu cầu sử d ng.
52
Dòng điện định mức DC lớn nhất IDC,max, điện p hệ thống Vsystem Pm
(W) Vsystem (V)
IDC,max (A)
55 12 55 ÷ 12 = 4.58
Dòng điện xoay chiều lớn nhất IAC,max và điện p xo y chiều V = 220V: Ptotal (W) VAC (V) IAC,max (A) 68.44 220 40 ÷ 220 = 0.31
- Chọn cầu chì bảo vệ cho tấm pin mặt trời (Icc ≥ Isc) Với dòng ngắn mạch của tấm pin mặt trời là Isc = 3.25A
→ Chọn cầu chì có dòng bảo vệ I = 4 A
- Chọn cầu chì cho Input Inverter:
( )
→ Chọn cầu chì có dòng bảo vệ I = 4 A
- Chọn cầu chì cho đèn huỳnh quang 12VDC - 24W
( )
→ Chọn cầu chì có dòng bảo vệ I = 3 A - Chọn cầu chì bảo vệ cho ắc quy:
( ) → Chọn cầu chì có dòng bảo vệ I = 6 A - Chọn CB cho tải AC: (ICB ≥ Itt )
( )
→ Chọn CB ABB có dòng định mức: Iđ = 2 A.
3. Thời gian hoạt động của b nh hi sử dụng tải
53 - Tổng công suất tiêu th :
- Dung lƣợng củ bình:
- Thời gian sử d ng bình :
54
CHƢƠNG 4: THỰC HÀNH MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 4.1 Dụng cụ thực hành Bảng 4.1: D nh s ch d ng c thực hành STT Tên d ng c Hình ảnh 1 Kềm, kìm 2 Tu vít 3 Đông hồ VOM
55
4.2 Nội dung thực hành
Bƣớc 1: Chuẩn bị, kiểm tr c c thiết bị thực hành.
Bƣớc 2: Thƣc hiện đấu nối c c thiết bị trong mô hình theo sơ đồ đi dây. Bƣớc 3: Dùng VOM kiểm tra kết quả đấu nối.
Bƣớc 4: Vận hành mô hình và lấy số liệu
- Bật bộ đèn giả lập mặt trời, mở CB pin mặt trời. Đo điện p pin mặt trời khi không tải.
- Mở CB bình ắc quy để pin mặt trời sạc vào bình. Đo điện p, dòng điện, công suất sạc của pin mặt trời và bình ắc quy.
- Mở CB inverter, khởi động inverter. Đo dòng điện, dòng điện và công suất inverter khi không tải.
- Mở CB, công tắc tải AC. Điều khiển tải AC và lấy số liệu. - Mở CB, công tắc tải DC. Điều khiển tải DC và lấy số liệu. Bƣớc 5: xử lý số liệu
- X c định hiệu suất thực tế của bộ điều khiển sạc. - X c định hiệu suất pin mặt trời.
- X c định đƣợc dòng điện sạc vào bình (thời gian binh nạp đây). - X c định hiệu suất thực tế inverter.
4.3 Kết quả thực hành
Điện p pin mặt trời không tải Điện p pin mặt trời lúc có tải
56 - Đo dòng sạc và p sạc của ắc quy:
- Điện p, dòng điện và công suất của tải AC:
57
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH
5.1 Kết luận
- Qua nhiều lần chỉnh sử và huớng dẫn tận tình của thầy Vũ Hoàng Hải cùng với sự cố gắng của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp củ mình đúng theo thời gi n quy định.
- S u khi hoàn thành đề tài này, chúng em cũng đã tìm hiểu và nắm vững hơn kiến thức về Năng lƣợng t i tạo và ứng d ng thực tế củ chúng, ngoài r nhóm em học thêm đƣợc về c ch thi công và lắp rắp tủ.
- Đây là lần đầu thực hiện thi công về mô hình hệ thống, kinh nghiệm còn hạn hẹp nên không tr nh khỏi những thiếu sót trong qu trình thi công mô hình và hoàn tất đề tài. Chúng em mong rằng sau này đề tài này của sẽ đƣợc ứng d ng rộng rãi hơn vào trong thực tế, vì nó là nguồn năng lƣợng sạch dồi dào cần đƣợc thai khac tối đ .
Ƣu điểm củ mô hình:
- Dễ dàng gi m s t: mỗi thiết bị đều có đồng hồ đo (AC, DC) giúp việc gi m s t đƣợc c c thông số nhƣ dòng, p, công suất, điện năng tiêu th và xử lý số liệu một c ch dễ dàng.
- Giúp mọi ngƣời hiểu thêm về điện năng lƣợng mặt trời cũng nhƣ bảo vệ môi trƣờng.
- Mô hình có ý nghĩ thực tế rất cao: tất cả đầu ra của thiết bị đƣợc đƣ vào domino để thuận tiện thao t c, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động cũng nhƣ cấu trúc của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời ph c v việc nghiên cứu và học tập của sinh viên. Dễ dàng th y đổi cấu trúc củ mô hình hệ thống điện mặt trời theo ý muốn, nâng c o khả năng s ng tạo củ sinh viên.
- Áp d ng cho môn học: mô hình hệ thống điện năng lƣợng mặt trời sẽ giúp ích rất nhiều cho bộ môn mới nhƣ môn Năng lƣợng t i tạo , phần nào sẽ giải quyết trực tiếp một số thắc mắc củ sinh viên trong cơ sở thực tế.
58
5.2 Đề xuất ph t triển mô h nh
Với cuộc c ch mạng công nghiệp lần thứ IV vạn vật kết nối với nhau bằng thiết bị thông minh, Internet thì mô hình cần tích hợp với một số thiết bị phần mềm thông minh để gi m s t cũng nhƣ điều khiền từ xa nhằm tr nh xẩy ra sự cố cho hệ thống và khắc ph c nhanh khi xẩy ra sự cố.Để thực sự đi đến t y ngƣời tiêu dùng một c ch rộng rải hơn t cần thêm tính năng hò điện lƣới Quốc gia.
Khuyến khích c c căn hộ, nhà xây dựng hệ thống vì đây là những đối tƣợng sử d ng hiệu quả, cũng nhƣ dự phòng điện cho những trƣờng hợp điện lƣới bị sự cố.
Khuyến khích, đầu tƣ vào c c trƣờng học, trạm y tế vì đây là những nơi có nhu cầu sử d ng điện c o, đặc biệt là đối với c c trạm y tế, để đảm bảo nhu cầu ph c v chăm sóc chữa bệnh thì hiện tƣợng mất điện do sự cố về điện lƣới là không đƣợc phép xẩy r , vì vậy cần một hệ thống điện dự trữ chuyển mạch tốt nhƣ hệ thống năng lƣợng mặt trời.
59
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng. Khí c điện. NXB KHKT, 2001.
2 PhD. Chet n Singh Sol nki, s ch Sol r Photovoltaic Tecnology and Systems. 3 Slide bài giảng Năng Lƣợng T i Tạo thầy Lê Hoàng Chƣơng, trƣờng đại học Công Nghiệp TP.HCM.
4 TS. Dƣơng Th nh Long. Sử D ng Thiết Bị FACTS Để Nâng C o Ổn Định Động Ràng Buộc Trong Bài To n Phân Bố Công Suất Tối Ƣu. Tạp Chí Đại Học Công Nghiệp