Hình 2 .27 Modun mặt trời ghép song song
Hình 2. 28 Sơ đồ khối hệ nguồn pin mặt trời đơn giản
2.4.2.2.Tính tốn các thành phần trong hệ nguồn
Có một số phương pháp thiết kế, tính tốn dưới đây là phương pháp thống dụng nhất được dung để tính tốn thiết kê dàn pin mặt trời chủ yếu dựa trên sự cân bằng điện năng hàng ngày.
a. Tính điện năng tải yêu cầu
Điện năng của tải tiêu thụ được tính theo ngày hoặc theo tháng và theo năm. Giả sử hệ gồm các thiết bị A, B, C… có các cơng suất tiêu thụ lần lượt là Pa, Pb, Pc…. Và thời gian làm việc trong ngày của chúng là ta, tb, tc…
60
Thì tổng điện năng mà tải yêu cầu trong một ngày cần là:
En = Pa.ta + Pb.tb + Pc.tc +…. (2.18)
Từ đó ta có thể suy ra năng lượng hệ cần trong một tháng hay trong một năm.
b. Tính hiệu suất truyền năng lượng của hệ
Gọi η1: hiệu suất của thành phần thứ nhất η2 : hiệu suất của thành phần thứ 2 η3: hiệu suất nạp phóng của acquy…
Thì hiệu suất của hệ sẽ được tính theo cơng thức: ηS = η1 .η2 .η3…
c. Năng lượng hàng ngày cần phải cấp cho hệ, Eout
Năng lượng hàng ngày dàn pin mặt trời phải cung cấp cho hệ, Eout được tính theo cơng thức: n out s E E =
d. Tính dung lượng dàn pin mặt trời W đỉnh (Peak Watt, Wp)
Trong cơng thức tính tốn dung lượng dàn pin mặt trời thường được tính ra cơng suất đỉnh hay cực đại (peak Watt,Wp), tức là công suất dàn pin mặt trời phát ra ở điều kiện tổng xạ chuẩn E0 = 1000W/m2 và ở nhiệt độ chuẩn T0 = 250C. Ta tính cho trường hợp dàn pin mặt trời phải đảm bảo đủ năng lượng cho tải liên tục cả năm. Khi đó cường độ bức xạ mặt trời dùng để tính phải là cường độ bức xạ hàng ngày trung bình cua tháng thấp nhất trong năm. Nếu gọi Ith - cường độ bức xạ trên mặt phẳng ngang.
IDh – Cường độ bức xạ nhiễu xạ trên mặt phẳng ngang, của tháng có bức xạ thấp nhất, thì tổng cường độ bức xạ trên mặt phẳng nghiêng góc β so với mặt phẳng ngang được tính theo cơng thức:
Th Dh Dh Th h t Tt I I I RI I ) 2 cos 1 ( ) 2 cos 1 ( ) ( cos cos − + + + − =
Ở đây ITt là cường độ tổng xạ (= trực xạ + nhiễu xạ) trên mặt phẳng nghiêng, R là hệ số phản xạ của mặt nền nơi có lắp đặt dàn pin mặt trời. Vì các góc tới θt và θh của tia mặt trời đối với mặt phẳng nghiêng và mặt phẳng ngang phụ thuộc phức tạp van giờ quan sát hàng ngày, vào tháng trong năm, vào vĩ độ đặt hệ năng lượng nên người ta có thể tính
(2.19)
61
gần đúng khi tính tỷ số cos θt /cos θh ở thời gian giữa trưa. Từ cơng thức, ta có thể suy ra đối với mặt dàn pin mặt trời hướng Nam cho các cho các địa phương ở Bắc Bán Cầu và nghiên góc β. Ta có:
- Đối với mặt phẳng ngang: =0,ASZ =900,=0 nên h
os os os +sin sin
c =c c
- Đối với mặt phẳng nghiêng :
ASZ =0 (hướng mặt Nam), =0và (2.21)
t
os ( os os +sin sin ) os +sin (sin os os sin )
c = c c c c −c
Với là vĩ độ địa điểm lắp đặt dàn pin mặt trời, có thể lấy là góc lệch trung bình của tháng đang tính tốn.
Dung lượng dàn Pin mặt trời tính ra Peak watt (Wp) sẽ là:
(2.22)
Trong đó cường độ tổng xạ trên mặt nghiêng ITt tính theo Wh/m2.ngày và ta đã đặt cường độ tổng xạ chuẩn E0=1000W/m2.
Trong thiết kế, việc chọn giá trị tổng xạ trung bình ngày ITh và do đó ITt có ý nghĩa rất quan trọng. Nếu lấy giá trị của các đại lượng đó của ngày bức xạ mặt trời thấp nhất trong năm, như đã nói ở trên, có nghĩa là phải chọn dàn pin mặt trời có dung lượng lớn, thì trong các tháng cịn lại năng lượng hệ nguồn phát ra là dư thừa, hiêu quả đầu tư sẽ thấp. Cịn nếu chọn ngày bức xạ trung bình của cả năm để thiết kế, thì dung lượng dàn pin sẽ nhỏ hơn, chi phí ít hơn, nhưng đó hoặc phải dùng các máy điện phụ (có thể cũng là pin mặt trời hay diezen…) hoặc phải cắt giảm tải tiêu thụ. Tóm lại việc vận dụng cơng thức phụ thuộc rất nhiều vào yêu cầu cụ thể của hộ tiêu thụ, vào kinh nghiệm của người thiết kế.
e. Hiệu chỉnh hiệu ứng nhiệt độ
Dung lượng dàn pin mặt trời theo nói trên chỉ đủ cấp cho tải ở nhiệt độ chuẩn To=250C. Khi làm việc ngoài trời, do nhiệt độ của của các pin mặt t trời cao hơn nhiệt độ chuẩn, nên hiệu suất biến đổi quang điện của pin và modun pin mặt trời bị giảm. Để hệ
2 n E .100 / (Wp)= , Wp . Tt s Wh m E I
62
làm việc bình thường ta phải tăng dung lượng tấm pin lên. Gọi dung lượng của dàn pin có kể đến hiệu ứng nhiệt độ là E(Wp,T) thì:
Trong đó: m ( )T được xác định theo cơng thức: ηM(T) = ηM(TC).(1+PC.(T-TC)) f. Tính số module mắc song song và nối tiếp
- Thế làm việc tối ưu Vmd - Dòng điện làm việc tối ưu Imd - Công suất đỉnh Pmd
Số modun cần phải dung cho hệ được tính từ tỷ số:
(2.23) Số modun nối tiếp thành dãy trong dàn pin được xác định từ điện thế yêu cầu của hệ V:
(2.24)
Còn số dãy modun ghép song song được xác định từ dịng điện tồn phần của hệ I: (2.25) Trong đó N=Nnt.Nss.
Trong tính tốn ở trên, đã bỏ qua điện trờ dây nối, sự hao phí năng lượng do bụi phủ trên dàn pin mặt trời,… Nếu cần phải tính đến các hao phí đó, người ta thường đưa vào một hệ số K và dung lượng dàn pin mặt trời khi đó sẽ là:
K.E(Wp,T) (2.26)
Với K được chọn trong khoảng (1-1.2) tùy theo các điều kiện thực tế, và thường được gọi là các hệ số an toàn của hệ. Dung lượng của bộ acquy tính theo ampe-giờ, Ah. Dung lượng tính ra Ah của bộ acquy phụ thuộc vào thế làm việc của hệ V, số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày khơng có nắng) D, hiệu suất nạp phóng điện của acquy và độ sâu phóng điện thích hợp DOS và được tính theo cơng thức:
. , . OS b out ss x C D N Ah V D = (C cũng có thể tính ra Wh, dùng cơng thức Wh=Ah x V x BF).
Nếu V là hiệu điện thế làm việc của hệ thống nguồn, còn v là hiệu điện thế của mỗi acquy, thì số bình mắc nối tiếp trong bộ là:
(2.27) p (W , ) md E T N P = nt md V N V = ss md I N I =
63 nt V N v = Số dãy bình mắc song song là:
ss b C N C =
Trong đó mỗi bình có dung lượng Cb tính ra Ah. Tổng số bình acquy được xác định như sau: b C n C = (V/v)
Ở đây V là điện thế của bộ acquy, v là điện thế mỗi bình acquy.
Trong cơng thức . , . OS b out ss x C D N V D =
D là số ngày dự phịng khơng có nắng được lựa chọn dựa trên số liệu khí tượng về số ngày khơng có nắng trung bình trong tháng đã nói ở trên và vào u cầu thực tế của tải tiêu thụ. Tuy nhiên khong nên chọn D q lớn, ví dụ >10 ngày, vì khi đó dung lượng acquy sẽ rất lớn, vừa tốn kém về chi phí, lại vừa làm cho acquy khơng khi nào được nạp no, gây hư hỏng cho acquy. Thông thường D được chọn trong khoảng từ 3 đến 10 ngày. Độ sâu phóng điện DOS đối với acquy chì được chọn trong khoảng 0.6 đến 0.7.
Xác định cơng suất tải: Do mơ hình có cơng suất nhỏ nên có thể áp dụng cách thức tính tốn sơ bộ gần đúng như sau: Phần bóng đèn được thiết kế gồm 32 con led siêu sáng mõi con có điện áp định mức là 3.2V. Do đó khi sử dụng acquy 6V (khi đầy là 6.4V) ta phải nối tiếp 2 led lại thành 16 dãy và mắc song song nhau:
- Dịng điện qua mỗi led là 20mA vậy cơng suất P của bóng đèn là : - P=6,4.20.10^-3.16=2W
- Để thấp sáng trong 1 ngày 10 giờ. Vậy mỗi ngày cần một lượng acquy là 2Ah - Ta chọn acquy loại khơ có điện áp định mức là 6V và dung lượng là 4.5 Ah.
Xác định công suất tấm pin: Với acquy 6V, 4.5Ah để nạp được thì yêu cầu đặt ra là:
Về điện áp Unạp= 7,2V-7,7V. để thỏa mãn điều kiện này ta chọn điện áp của tấm pin phát ra là 9V tương đương với 18 cell 0.5V mắc nối tiếp. Về dòng điện nạp theo tiêu chuẩn nạp ắcquy thì dịng nạp tốt nhất là bằng 1/10 ampe giờ tức là Inạp=0.45 A. Từ đây ta tính được cơng suất tấm pin mặt trời cần sử dụng P=0,45.9=4.05W. Do công suất của mõi cell là 1/3W với 18cell sử dụng ta có 6W. Như vậy với tấm pin 6W ta có thể đảm bảo được yêu cầu nạp ắcquy trong một ngày.
(2.28)
(2.29)
64
Thi công thiết kế module: Mỗi cell có 2 mặt mặt trên hướng về phía mặt trời là cực âm, mặt dưới là cực dương, do vậy để nối tiếp các cell ta hàn mặt liên tiếp các contact mặt trên của cell trước với các contact mặt dưới của cell trên rồi cho ra hai đầu cực âm và dương như hình bên dưới. Sau khi hàn xong các cell lại với nhau ta dùng silicon để định vị các cell trên mặt sau của bo đồng. Phần làm khung cho mơ hình ta thiết kế một khung nhơm bằng với kích thướt của bo đồng sau đó cho đậy một tấm kiến lên trên và cho vào khe rãnh ở giữa khung nhơm. Sau đó ta tiến hành trét một lớp silicon xung quanh các khe rãnh của tấm panel để chống thấm nước.