5. Kết cấu của luận văn
3.4. Tính tốn, thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới cấp điện cho
cho Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2
Phần này, tác giả sẽ dùng phần mềm Sketchup mơ phỏng 3D Trung tâm lại, từ đó xác định đổ bóng của tịa nhà 7 tầng, loại bỏ các khu vực bị che bóng. Lựa chọn chủng loại tấm pin mặt trời lắp bao phủ diện tích có tỉ lệ nắng cao và chọn Inverter , ắc quy sẽ lắp đặt tại Trung tâm sao cho phù hợp với tính kinh tế và kỹ thuật, lựa chọn cáp điện và bố trí sơ đồ đấu nối tồn hệ thống. Từ đó, sử dụng phần mềm PVsyst để tính toán lượng điện năng do hệ thống pin mặt trời tạo ra được. Qua kết quả mô phỏng sẽ thấy được lợi ích do hệ thống điện mặt trời mang lại cho Trung tâm.
3.4.1. Xác định định khu vực bị che bóng thơng qua phần mềm mô phỏng Sketchup
Trong chương này, tác giả dùng phần mềm Sketchup để thực hiện mô phỏng lại cấu trúc của các tịa nhà 7 tầng. Từ đó thực hiện quan sát hiện tự đổ bóng theo các giờ, các mùa trong năm và tìm ra các khu vực bị che nóng.
Đầu tiên, tác giả sẽ nhập tọa độ và hướng của Trung tâm vào phần mềm Sketchup để có được sự mơ phỏng chính xác nhất.
Hình 3.4: Hình ảnh chọn tọa độ của Trung tâm
Tiếp theo sẽ xây dựng cấu trúc các tịa nhà.
Hình 3.5: Hình ảnh xây dụng cấu trúc các tịa nhà của Trung tâm
Quan sát, loại bỏ các khu vực bị che nắng. Sau đó, tiến hành thiết kế trên phần mềm AutoCad, bố trí các tấm pin và mơ phỏng lại vào phần mềm Sketchup để có cái nhìn tổng quan nhất về hệ thống lắp đặt.
Hình 3.6: Mơ phỏng tồ nhà 7 tầng sau khi lắp đặt các tấm pin
3.4.2. Chọn và thiết kế bố trí các tấm pin trên phần mềm AutoCad
a) Chọn tấm pin mặt trời có cơng suất cao và giá thành tốt:
Ta cần lựa chọn chủng loại tấm pin mặt trời phù hợp về kỹ thuật và chi phí. Việc lựa chọn các tấm pin có cơng suất lớn, điện áp cao sẽ giảm được diện tích lắp đặt mà vẫn cho cơng suất cao. Ngồi ra, việc lựa chọn này còn dựa vào hiệu suất và giá thành, loại tấm pin đã được sử dụng nhiều trong thực tế.
Trong luận văn này, tác giả chọn Pin Longi, loại LR5-72HPH-540M của công ty LONGi Solar, được sản xuất ở Trung Quốc để xây dựng hệ thống pin mặt trời tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2. Tấm pin được cấu tạo bằng các tế bào năng lượng mặt trời được làm bằng monocrystalline silicon (Mono-Si), có cơng suất là 540Wp, hiệu suất cao, sau 25 năm vẫn cịn trên 80% (hình 3.7, 3.8; bảng 3.2).
Bảng 3.2: Bảng thông số kỹ thuật Pin mặt trời LR5-72HPH-540M
Chi tiết Thông số
Số lượng Cell/tấm pin 6x24=144
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) 2256 x 1133 x 35 mm
Trọng lượng 32.3 kg
Bảo hành 15 năm
Tuổi thọ sản phẩm 30 năm, sau 25 năm chỉ suy giảm tối đa 20% công suất
Công suất tối đa (Pm) 540 Wp
Điện áp hở mạch 49,50 V
Dòng điện ngắn mạch 13,85A
Điện áp tại điểm công suất đỉnh (Vm) 41,65 V Dịng điện tại điểm cơng suất đỉnh (Im) 12,97 A
Hiệu suất quang điện mô đun 21,1 %
Ngưỡng nhiệt độ vận hành -40°C đến 85°C
Hình 3.8: Hiệu suất Pin mặt trời LR5-72HPH-540M theo thời gian
- Một số đặc điểm nổi bật của pin:
+ Các module được thiết kế với hiệu suất cao, khả năng hấp thụ bức xạ tốt.
+ Được thiết kế độc đáo với 9 busbar trên mỗi cell nhằm tăng hiệu suất.
+ Có cấu tạo 5 lớp, trong đó có một lớp kính và một lớp phản quang nhằm gia tăng khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời.
+ Tất cả các công đoạn sản xuất đều được tự động hóa, giúp cho các module đều đạt hiệu suất cao và ổn định.
trường khắc nghiệt ngoài trời. Thiết kế dạng module lắp ráp nhanh chóng và dễ dàng với mọi điều kiện địa hình, bên cạnh đó trọng lượng nhẹ và các tính năng an tồn mới nhất.
+ Thân thiện với mơi trường: Q trình sản xuất áp dụng các tiêu chuẩn bảo vệ mơi trường, giảm hiệu ứng nhà kính.
Tùy thuộc vào cấu trúc mái, tác giả sẽ bố trí các String sao cho mỗi MPPT có chung số lượng tấm pin và cùng nằm trên một hướng mái.
b) Thiết kế bố trí tấm pin trên cấu trúc mái của Trung tâm
Sau khi mơ phỏng bóng che trên phần mềm 3D Sketchup, tác giả sẽ loại bỏ các khu vực bị bóng che nặng và tiến hành bố trí các tấm pin sao cho phủ đầy diện tích mái.
Xây dựng diện tích mái của tịa nhà 7 tầng trên phần mềm AutoCad
Hình 3.9: Diện tích mái tịa nhà 7 tầng của Trung tâm
Cấu trúc mái tòa nhà 7 tầng được chia làm 4 hướng, nên ta sẽ tiến hành bố trí các tấm pin năng lượng mặt trời theo 4 hướng khác nhau để có được thời gian nhận ánh sáng nhiều nhất trong ngày. Với diện tích mái hiện tại là 456 m2, tác giả đã bố trí 118 tấm pin LR5-72HPH-540M, chia thành 7 chuỗi pin với tổng công suất DC là 63.720 Wp. Chuỗi 1, 2, 3, 4 với số tấm pin là 17 tấm, công suất của 1 chuỗi là 9.180 Wp. Chuỗi 5, 6 có 16 tấm pin, cơng suất 1 chuỗi là 8640 Wp, chuỗi 7 có 18 tấm pin, cơng suất của chuỗi là 9720 Wp. Và chuỗi 7 có 18r tấm pin với công suất là 9.720 Wp.
Hình 3.10: Bố trí các tâm pin trên tịa nhà 7 tầng
Tịa nhà 7 tầng có 2 loại mái là mái tơn kẽm và mái bê tơng, vì vậy khung đỡ tấm pin sẽ là 2 loại khác nhau. Đối với mái tôn kẽm, sẽ sử dụng thanh rail nhôm và chân L làm khung đỡ tấm pin. Chân L sẽ được thi công trước, bắn chặt xuống xà gồ của mái tơn bằng vít đi cá. Để chống thấm cho mái tơn, tác giả sử dụng keo silicon trít vào các vị trí bắn vít. Sau đó sẽ tiến hành gá thanh rail nhơm lên các chân L đã lắp đặt trước đó.
Đối với mái bê tông, tác giả sẽ sử dụng khung sắt để làm khung đỡ tấm pin. Sử dụng sắt hộp 40 x 40 mm để làm khung đỡ, các thanh sắt sẽ đc hàn lại với nhau. Sau đó, tiến thành sơn chống gỉ để thời gian sử dụng khung sắt được lâu hơn.
Hình 3.12: Khung sắt đỡ tấm pin mặt trời
Hình 3.13: Bố trí khung đỡ tấm pin trên tịa nhà 7 tầng
Ngoài hệ thống khung đỡ, thì hệ thống máng cáp đóng vai trị rất quan trọng trong hệ thống. Nó bảo vệ dây DC khỏi các tác động của thời tiết và tránh bị chuột cắn. Nếu dây DC bị chạm hở và chạm vào mái tơn, thì đây là một sự cố lớn đối với hệ
thống. Hệ thống máng cáp phải được làm từ sắt mạ kẽm, các chi tiết nối phải khớp với nhau hạn chế việc cắt nối các chi tiết của máng cáp. Các dây DC đi từ tấm pin vào máng cáp sẽ được đi luồn qua ống ruột gà lõi thép.
Hình 3.14: Hệ thống máng cáp trên mái tòa nhà 7 tầng
3.4.3. Lựa chọn bộ biến đổi điện DC-AC (Inverter)
Hệ thống Pin mặt trời biến đổi năng lượng mặt trời thành điện một chiều, vì thế cần bộ biến đổi điện DC-AC có chức năng biến đổi dịng điện một chiều (DC) từ dàn Pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều (AC) để cấp cho phụ tải. Các thơng số kỹ thuật chính cần quan tâm bao gồm:
- Điện áp vào Vin một chiều. - Điện áp ra Vout xoay chiều. - Tần số và dạng dao động điện.
Vì hiệu điện thế hệ thống pin mặt trời thay đổi theo cường độ bức xạ nên các điện thế vào và ra của bộ biến đổi điện phải được thiết kế trong một khoảng dao động rộng để phù hợp các điều kiện trên.
Trong luận văn này, tác giả đề xuất lựa chọn Bộ biến đổi điện có lưu trữ Sungrow SH10RT có cơng suất 10 kW của Cơng ty SUNGROW – Trung Quốc. Đây là một trong những công ty hàng đầu thế giới về công nghệ quang điện, với 24 năm kinh nghiệm có đại lý bán hàng và dịch vụ tại 20 nước và đặc biệt phổ biến tại Việt Nam .Bộ Inverter Sungrow SH10RT có nhiều tính năng, áp dụng cơng nghệ tiên tiến, là dòng sản phẩm mới dẫn đầu ngành công nghiệp năng lượng mặt trời, phù hợp với các dự án điện mặt trời có lưu trữ cho doanh nghiệp (hình 3.15, 3.16, 3.17, 3.18; bảng 3.3):
+ Khả năng tối ưu năng lượng mặt trời với 2 MPPT ( 2 chuỗi/MPPT); + Cho phép công suất đỉnh DC đầu vào lên đến 150%;
+ Thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm được khơng gian và có thể tự đứng, khơng cần gắn tường;
+ Bảo vệ quá áp DC, AC. Bảo vệ chạm đất, ngắn mạch AC;
+ Tích hợp sẵn thiết bị hịa lưới, giám sát và tự điều chỉnh để đảm bảo lượng công suất phát của hệ thống pin mặt trời là tối đa, nhận/phát công suất từ lưới để cung cấp đủ cho phụ tải;
+ Cho phép giám sát hoạt động của Inverter từ xa qua mạng Wifi từ các thiết bị thông minh; khả năng kết nối giám sát dữ liệu qua giao thức Modbus (kết nối SCADA với hệ thống điện), truy xuất dữ liệu vận hành qua cổng RS485…
Hình 3.15: Inverter Sungrow SH10RT
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của INVERTER Sungrow SH10RT
Thông số Giá trị
Đầu vào (DC)
Công suất đầu vào tối đa 15000 W
Điện áp vào cực đại 1100 V
Dãi điện áp tối ưu của MPPT/điện áp tối ưu nhất 280 V đến 850V Điện áp vào nhỏ nhất/Điện áp để inverter bắt đầu
làm việc
250 V
Số cổng vào độc lập/số nhóm 2/3
Dòng điện vào tối đa/dòng điện vào mỗi MPPT 48 A / 16 A
Thông số Giá trị
Công suất định mức (230V, 50Hz) 10000 W
Công suất đầu vào tối đa từ lưới 20600 W
Cơng suất AC tồn phần tối đa 10000 VA
Điện áp định mức 3 / N / PE, 400 V Dãi điện áp AC 270 – 480 V Tần số lưới/Dãi tần số 50 Hz / 45 – 55 Hz, 60 Hz / 55 – 65 Hz Dòng điện cực đại ngõ ra AC 14.5 A Hệ số công suất ở định mức 1 Độ méo do sóng hài (THD) <3% Bảo vệ thiết bị
Ngắt kết nối đầu vào ●
Bảo vệ phân cực ngược DC/Bảo vệ ngắn mạch AC ●/●
Bảo vệ chạm đất/Chạm đất nhạy ●/●
Bảo vệ quá áp (theo IEC 62109-1) AC; DC
Bảo vệ chống sét DC/AC ●/●
Hiệu suất lớn nhất 98,1%
Các dữ liệu chung
Kích thước (Rộng/Cao/Dày) 460 × 540 × 170 mm
Cấp bảo vệ (theo IEC 60529) IP66
Trọng lượng 27 kg
Công suất tiêu thụ ban đêm ≤ 2 W
Dãi nhiệt độ vận hành -30 to 60 ℃
Độ ồn <65 dB(A)
Các tính năng, phụ kiện
Đấu nối DC/Đấu nối AC Đầu nối, Đinh ốc chuyên dụng
Giá đỡ ●
Màn hình LED (trạng thái/sự cố/truyền thông) ●
Ethernet/WLAN/RS485 ● (2 cổng)/●/●
Kết nối dữ liệu: SMA Modbus /SunSpec Modbus / Speedwire, Webconnect
●/●/●
Khe cắm đa chức năng/khe cắm mở rộng ●/●
Hình 3.16: Đặc tính hiệu suất của INVERTER Sungrow SH10RT
Ta thấy rằng Inverter hoạt động với hiệu suất cao (đường đen đậm hình 3.16) ứng với điện áp vào là 550V – 850V.
Hình 3.17: Sơ đồ đấu nối của INVERTER Sungrow SH10RT
Đấu nối dàn Pin mặt trời vào Inverter:
• Tịa nhà 7 tầng có cơng suất lắp đặt DC là 63.720 wp. Lựa chọn 7 Inverter Sungrow SH10RT.
Ta có sơ đồ nguyên lý đấu nối:
Chọn MCB 20A cho inverter Sungrow SH10RT và MCCB tổng 140A cho tủ điện của hệ thống. Toàn bộ dây DC là dây 4mm2 được kéo trực tiếp từ các chuỗi pin về biến tần. Loại dây sử dụng cần liền mạch, không được nối ở bất kỳ điểm nào. Khi thi công kéo dây cáp DC, cần lưu ý không để cáp bị xước. Chuỗi pin được nối với biến tần thông qua đầu cosse MC4. Dây AC đi cho mỗi inverter là dây Cu/XLPE 3 x 6 mm2. Chọn dây AC tổng là Cu/XLPE 3 x 25 mm2, các dây AC đều được đi trong máng cáp nhựa.
Bộ Zero Export (chống phát ngược) là giải pháp giúp đảm bảo khơng có lượng
điện năng dư thừa nào từ các tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra sẽ phát ngược trở lại lưới điện. Giải pháp này sẽ đảm bảo rằng biến tần chỉ cung cấp đủ năng lượng để đáp ứng nhu cầu sử dụng tải tiêu thụ của khách hàng (bám tải). Còn tất cả điện năng sản sinh dư thừa của tấm pin đều sẽ được tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Hình 3.19: Bộ Zero export DTSD3152 của Sungrow
Khi sử dụng giải pháp Zero Export thì đồng hồ đo smart metter DTSD3152 sẽ được lắp đặt ở phía đầu tải của khách hàng, nơi giao nhau giữa lưới điện quốc gia - Tải tiêu thụ - điện mặt trời, hoạt động với điểm đặt tối đa và tối thiểu và được cấu hình điều khiển thơng qua phần mềm. Metter kết nối tín hiệu điều khiển với Inverter thông qua cáp RS485. Giải pháp này sẽ giúp theo dõi các dòng đo và inverter qua giao thức mạng cục bộ (MODBUS) để xác định được hiện tại chúng ta có sử dụng năng lượng mặt trời theo đúng tải u cầu khơng.
Hình 3.20: Sơ đồ đấu nối bộ Zero export DTSD3152
Khi sử dụng giải pháp này sẽ giúp giới hạn khả năng phát công suất cực đại của inverter, năng lượng mặt trời theo tải của tịa nhà và khơng xuất điện ra điện lưới quốc gia nữa. Nhìn chung, sẽ có một khoảng dãy cơng suất từ lưới điện bơm vào và một thiết bị tham chiếu công suất điện lưới đưa vào để điều chỉnh công suất inverter phù hợp. Zero Export sẽ lấy công suất từ tải trong thời gian T1. Sau đó Zero Export tính tốn và so sánh công suất tải và phát điện từ hệ thống Solar trong khoảng thời gian T2. Zero Export sẽ gửi lệnh điều khiển tới các Inverter để tăng/giảm công suất phát so với tải.
Hình 3.21: Sơ đồ đấu nối hệ thống ĐMT có bộ Zero export
3.4.4. Lựa chọn hệ thống ắc quy lưu trữ
Hiện nay, trên thị trường phổ biến hai loại ắc quy chính là axit chì và lithium. Pin axit chì được phân làm hai loại là AGM (Hấp thụ thủy tinh Mat) và Gel, chúng có nhiều đặc tính tương tự nhau và khơng địi hỏi phải thường xun hoặc có thể khơng cần bảo trì. Những hóa chất tốt nhất được ứng dụng trong pin lithium của hệ thống điện mặt trời là Lithium Iron Phosphate viết tắt là LiFePO4 hoặc LFP. Công nghệ mới
này có tuổi thọ lâu hơn và cũng khơng u cầu bảo trì hoặc thơng khí như loại pin axit chì. Rõ ràng là pin lithium hiệu quả hơn bằng việc bạn có thể lưu trữ và sử dụng được nhiều năng lượng mặt trời hơn.
Những bình ắc quy axit chì chỉ có hiệu suất từ 80-85%. Tức là với việc các tấm pin mặt trời hấp thụ được 1000W thì khi đi vào acquy lưu trữ và sử dụng chỉ cịn 800 – 850W. Cịn ở pin lithium thì hiệu suất lên đến 95%, cũng lượng điện hấp thụ như vậy đối với pin lithium sẽ lưu trữ lên đến 950W. Với hiệu suất cao hơn nên pin lithium cũng sở hữu tốc độ sạc nhanh hơn. Chúng có thể xử lý cường độ dịng điện cao hơn từ bộ sạc, điều đó có nghĩa là chúng có thể được nạp lại nhanh hơn nhiều so với axit chì. Pin chì-axit bị giới hạn ở mức độ sạc mà chúng có thể xử lý, ngun nhân chính là do chúng sẽ quá nhiệt nếu bạn sạc quá nhanh. Ngoài ra, tốc độ sạc sẽ chậm hơn đáng kể khi bạn sử dụng tối đa dung lượng. Vì vậy, trong luận văn này tác giả sử dụng pin lithium làm hệ thống ắc quy lưu trữ.
Lựa chọn ắc quy lithium LFP48100 (48V/ 100Ah công suất tương đương