Đồ án Điện tử công suất - Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời

đình. Có thể nói rằng ngày nay không một quốc gia nào trên thế giới không sản xuất và tiêu thụ điện năng, và trong tương lai thì nhu cầu của con người về nguồn năng lượng đặc biệt này sẽ tiếp tục được năng cao. Hiện nay, đất nước ta đang trên con đường công nghiệp hóa- hiện đại hóa nên nhu cầu sử dụng điện năng trong tất cả các lĩnh vực ngày càng tăng. Vì vậy năng lượng điện có vai trò hết sức quan trọng đối với sự phát triển kinh tế và ổn định chính trị xã hội. Với tính ưu việt đó điện năng được sử dụng rộng rãi, không thể thiếu trong sinh hoạt và sản xuất. vì vậy khi xây dựng một nhà máy, một khu công nghiệp hay một tòa nhà cao tầng thì vấn đề xây dựng một hệ thống điện để cung cấp điện năng cho các tải tiêu thụ là không thể thiếu được. Hệ thống điện ngày càng phức tạp, đòi hỏi việc thiết kế cung cấp có nhiệm vụ đề ra những phương án cung cấp điện hợp lí và tối ưu. Một phương án cung cấp điện tối ưu sẽ giảm chi phí đầu tư xây dựng hệ thống điện giảm tổn thất điện năng vận hành đơn giản và thuận tiện trong việc bảo trì sửa chữa. Ngày nay các nguồn năng lượng sơ cấp đang có nguy cơ bị suy kiệt, do con người càng ngày có nhu cầu sử dụng điện càng cao nên việc khai thác các tài nguyên sơ cấp cũng nhiều để cung cấp đủ lượng điện cho TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 1 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời con người sử dụng. Mà hầu như các quy trình chuyển nguồn năng lượng sơ cấp này sang điện năng thương gây ô nhiễm môi trường. Nên yêu cầu cấp thiết hiện nay là tìm kiếm ra nguồn năng lượng sạch và có thể sử dụng trong tương lai, ứng dụng nguồn năng lượng đó trong thiết kế cung cấp điện cho con người Trên cơ sở đó và được sự hướng dẫn của Thầy Trần Duy Chung chúng em thực hiện thiết kế cung cấp điện năng lượng mặt độc lập trời cho một gia đình có các thiết bị điện gồm: 2 điều hòa, 1 tủ lạnh, 1 tivi, 3 máy quạt, 1 máy giặt, 15 bóng đèn (led) TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 2 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ... TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 3 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................... 6 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN .................... 6 1.2 GIỚI THIỆU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................ 7 1.3 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................. 8 1.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .............................. 8 1.4.1 Hệ thống độc lập, ngoài lưới điện .............................................. 8 1.4.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện ................................. 11 1.4.3 Hệ thống nối với lưới điện và dự phòng .................................. 14 1.4.4 Hệ thống bổ sung lưới điện ...................................................... 16 1.5 CÁC BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ..... 17 1.5.1 Panel mặt trời ........................................................................... 17 1.5.2 Acquy ....................................................................................... 19 1.5.3 Bộ điều khiển (solar charge controller) ................................... 19 1.5.4 Bộ biến tầng (Inverter) ............................................................. 20 1.5.5 Trang thiết bị điện .................................................................... 20 1.6 CÁCH KẾT NỐI CÁC BỘ PHẬN VỚI NHAU ....................... 21 1.6.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập ................................................ 21 1.6.2 Hệ thống nối với điện lưới sử dụng bô biến tần trung tâm ...... 22 1.6.3 Hệ thống nối với lưới sử dụng nhiều bộ vi biến tần ................ 23 1.7 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI .................... 23 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ .. 28 2.1 CÁCH TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ......................................... 28 2.2 TÍNH TOÁN ................................................................................. 32 2.2.1 Công suất tiêu thụ của các thiết bị điện trong gia đình............ 32 2.2.2 Tính toán số watt-hour của tấm pin mặt trời ........................... 33 2.2.3 Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng.......................... 33 TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 4 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 2.2.4 Tính toán bộ inverter ................................................................ 34 2.2.5 tính toán battery ....................................................................... 34 2.2.6 Tính solar charge controller ..................................................... 35 2.2.7 Tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn ....................................... 36 2.2.8 Tính toán diện tích lắp điện tấm pin năng lượng mặt trời ....... 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .............................................................................. 39 3.1 KHẢO SÁT KHU VỰC LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .................................................................................................... 39 3.2 LỰA CHỌN HƯỚNG VÀ GÓC PHÙ HỢP ĐỂ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ............................................ 39 3.3 THI CÔNG LẮP ĐẶT ÁP MÁI. ................................................ 40 3.4 BỐ TRÍ ACQUY BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ BIẾN TẦNG. .... 41 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT, NỐI ĐẤT ............................................. 42 3.5.1 chống sét .................................................................................. 42 3.5.2 Nối đất ...................................................................................... 42 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ...................................................... 43 TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 5 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN Hệ thống năng lượng là tập hợp các nhà máy điện, lưới điện và lưới nhiệt được nối với nhau liên tục trong quá trình sản xuất, chúng có liên hệ mật thiết với nhau. Hệ thống điện là hệ thống năng lượng không có lưới nhiệt. Hay nói cách khác, hệ thống điện là hệ thống bao gồm các khâu sản xuất, truyền tải, phân phối và cung cấp điện đến các hộ tiêu thụ Điện năng là một dạng năng lượng rất phổ biến và quan trọng đối với cuộc sống, điện năng được sản xuất từ các nhà máy được truyền tải và cung cấp cho các hộ tiêu thụ. Trong việc truyền tải tới các hộ tiêu thụ việc thiết kế cung cấp điện là một khâu rất quan trọng. Với thời đại hiện nay,nền kinh tế nước ta đang phát triền mạnh mẽ theo sự hội nhập của thế giới,đời sống xã hội của người dân được nâng cao nên những tiện nghi trong cuộc sống đòi hỏi mức tiêu thụ về điện năng tăng cao, do đó việc thiết kế cung cấp điện không thể thiếu trong xu thế hiện nay. Việc thiết kế cung cấp điện cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau: ➢ Độ tin cậy cấp điện: mức độ tin cậy cung cấp điện phụ thuộc vào yêu cầu phụ tải. với công trình quan trọng cấp quốc gia phải đảm bảo liên tục câp điện ở mức cao nhất, những đối tượng như nhà máy, xí nghiệp, tòa nhà cao tầngtốt nhất là dùng máy phát điện dự phòng khi mất điện sẽ dùng máy phát. ➢ Chất lượng điện: được đánh giá qua hai tiêu chí tần số và điện áp, điện áp trung và hạ chỉ cho phép khoảng ±5% do thiết kế dảm nhiệm, còn chỉ tiêu tần số do cơ quan điện lực quốc gia điều hành. TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 6 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời ➢ An toàn điện: công trình cấp điện phải có tính an toàn cao cho người vận hành, người sử dụng thiết bị và cho toàn bộ công trình. ➢ Kinh tế: trong quá trình thiết kế ta phải đưa ra nhiều phương án rồi chọn lọc trong các phương án đó có hiệu quả kinh tế cao. 1.2 GIỚI THIỆU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Trong thái dương hệ mặt trời có nguồn năng lượng lớn nhất. Nó là khối vật chất khổng lồ với hoạt động hạt nhân xảy ra liên tục. Mặt trời cung cấp trực tiếp hoạt gián tiếp, cho loài người và mọi dạng sống trên trái đất. Mặt trời quyết định khí hậu và thời tiết. không có mặt trời trái đất là vùng đất chết đóng băng vĩnh cửu. Điện năng lượng măt trời là ý tưởng tuyệt vời. Lấy năng lượng từ mặt trời và chuyển thành điện năngcung cấp cho các trang thiết bị là mong ước của chúng ta, sẽ không còn hóa đơn tiền điện, không còn phụ thuộc vào công ty điện lực và bạn sẽ cónguồn năng lượngtái tạo, xanh sạch và bảo vệ môi trường. Tạo ra năng lượng mặt trời nhờ vào ánh sáng mặt trời chiếu vào các panel pin mặt trời tạo ra nguồn điện 1 chiều DC qua các bộ biến tần chỉnh thành các nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho các thiết bị điện. Panel mặt trời tạo ra điện là do hiệu ứng quang điện giữa 2 lớp bán dẫn, 1 lớp thiếu electron. Khi các electron này bị các photon kích thích lám cho chúng chuyển từ lớp bán dẫn này sang bán dẫn kia, nên tạo ra điện tích. Các panel này thường là Si được cắt thành các tấm mỏng xếp kết hợp vừa song song và nối tiếp. Nối tiếp thì tăng hiệu suất của pin, mắc song song thì tăng áp cung cấp cho phụ tải. Nguồn năng lượng mặt trời ngày nay thường được ứng dụng ích vì giá thành vẫn còn cao. Nên được chỉ ứng ụng ở những nơi chưa có điện lưới TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 7 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời kéo tới hoặc cung cấp cho 1 vài phòng, hay ứng dụng làm bình nước nóng, thiết bị bán hang tự động. 1.3 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Sự phát triển nhanh về công nghệ và liên tục cải tiến của các nhà thiết kế nên giá có giảm đi liên tục từ đầu năm 2009 tạo nên tiến bộ rõ rệt trong lĩnh vực công nghệ năng lượng sạch. Trước những năm 2007 thì việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời là điều coi là không thực tế. Ngày nay thì nó có tính khả thi cao. Thậm chí còn hiệu quả về cả kinh tế và công nghệ. Các tấm pin panel ngày càng nhỏ gọn hơn và đa dạng hơn về định mức công suất, chi phí ngày càng thấp hơn. Đối nhiều ứng dụng, năng lượng mặt trời dang trở thành phương cách cung cấp điện năng có hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều phương pháp khác. Với tiến độ phát triển của nghành công nghệ điện hiện nay thì dự đoán đến năm 2020 thì năng lượng mặt trời sẽ thành nguồn điện rẽ nhất, rẽ hơn các năng lượng được sản xuất trong các nhà máy: nhiệt năng, thủy năng. Chúng ta sẽ chứng kiến năng lượng mặt trời tích hợp vào các vật dụng, máy móc hằng ngày. Nănglượng mặt trởi là thiết bị cấp điện dễ sử dụng, thải cacbon thấp.Năng lượng này sẽ cung cấp được những nơi như: sa mạc, các vùng sâu vùng xa. Dần thay thế các nguồn điện khác và trở thành nguồn cung cấp điện chính trong tương lại. 1.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.4.1 Hệ thống độc lập, ngoài lưới điện Trạm điện mặt trời độc lập là kiểu hệ thống điện mặt trời thông dụng nhất trên phạm vi toàn cầu. Mục đích chính là cung cấp điện cho những nơi chưa có lưới điện kéo tới hay không có nguồn năng lượng khác. TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 8 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Hệ thống điện độc lập thường rất nhỏ, công suất đỉnh không quá 1kW. Hệ thống điện độc lập muốn có kế hoạch về hệ thống điện lớn hơn và quan trọng hơn thì người thiết kế cần có kiến thức cơ bản và kinh nghiệm trong thiết kế nguồn năng lượng mặt trời, nên cần bắt đầu với thiết kế nhỏ và đơn giản. Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.4.1 Nguyên lý hoạt động: Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery) ở chế độ tối ưu nhất. Khi acquy (Battery) đầy thì bộ điều khiển TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 9 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời (charge controller) sẽ ngưng sạc hoạt sạc ở chế độ duy trì. Khi acquy (Battery) cạn thì tự động vào chế độ nạp lại. Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết bị trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm. Ưu điểm: Hệ thống này sẽ đơn giản, dễ thiết kề và thường dùng trong các khu vực chưa có lưới điện hoặc nơi thường xuyên bị cắt điện liên tục. Nhược điểm: Hệ thống này vì không có lưới điện hoặc điện áp dự phòng nên phụ thuộc rất nhiều vào cường độ chiếu sáng của mặt trời hơn những hệ thống điện mặt trời khác. Hệ thống này phải cung cấp điện năng hơn công suất phụ tải mà nó cung cấp để có điện dự trữ xài vào ban đêm khi mà các dãy pannel không thể tạo ra điện năng. (chỉ tạo ra 1 ít điện năng khi ánh trăng tròn). Mà yếu tố quyết định chính là các photon trong ánh nắng mặt trời, photon sẽ tăng khi cường độ chiếu sáng tăng. Để khắc phục sự phụ thuộc này ta cần tính toán kỹ lưỡng thiết kế năng lượng mặt trời của hệ thống này. Như địa điểm lắp đặt các dãy pannel mặt trời, hướng của các dãy pannel, điểu chỉnh góc đặt dãy pannel, dự đoán tránh bóng che. Công suất của dãy pannel cung cấp phải lớn hơn công suất phụ tải hệ thống, để còn điện năng dư đưa vào bình acquy để có điện năng sử dụng vào ban đêm. TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 10 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 1.4.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện Hệ thống này thường được thông dụng ở châu Âu và Hoa Kỳ, do lợi ích rõ rệt về giảm chi phí lắp đặt và có thêm thu nhập nhờ bán điện lại cho công ty điện lực. Hệ thống điện này thường hoạt động ở các khu có hệ thống lưới điện ổn định. Đặc biệt có hiệu quả nhất ở nơi có khí hậu nóng, nhiều ánh nắng, nơi nhu cầu điện năng cao điểm trùng với những giờ nắng nóng. Mô hình và nguyên lý hoạt động: Hình 1.4.2 Mô tả hoạt động: chuyển mạch SW ở vị trí OB - Khi không có mặt trời: (Buổi tối hoặc khi bị mây che) Các Solar panel sẽ không sản sinh ra điện nên các phụ tải sẽ sử dụng điện từ lưới một cách bình thường. Lúc này chỉ số của W0 sẽ thể hiện đúng chỉ số tiêu thụ điện năng của phụ tải mà bạn đang sử dụng. (W2): W2 = W0 - Khi trời có nắng: Các solar panel sẽ có địên và lúc này GTSIA sẽ biến đổi điện năng DC từ các solar panel trên thành điện AC có tần số, pha và điện áp trùng với điện lưới. Điện năng từ mặt trời sẽ được hòa với điện lưới qua chỉ số của đồng hồW1. Như vậy chí số mua điện từ lưới (W0) sẽ bằng hiệu của mức tiêu thụ của phụ tải (W2) với điện năng do hệ thống điện mặt trời tạo ra (W1). TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 11 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời W0 = W2 - W1. Trong trường hợp công suất của phụ tải là nhỏ hơn công suất của điện mặt trời đưa ra W2 < W1, ta thấy điện năng sẽ được “bơm” và gửi ngược trở lại lưới và chỉ số trên W0 sẽ mang trị số âm (giảm). - Khi mất điện lưới, hệ thống GTSIA ngưng họat động đảm bảo sự an toàn cho lưới điện. Chuyển mạch SW ở vị trí OA: Được sử dụng khi nhà nước chấp nhận mua điện từ các hộ gia đình có hệ thống điện mặt trời nối lưới. Ưu điểm: - Hệ thống nối với lưới điện, bạn có thể sử dụng điện mặt trời vào ban ngày, điện dư thì dẫn vào lưới điện bán cho công ty điện lực. Buổi chiều hoặc tối thì bạn lại sử dụng điện từ công ty điện lực cung cấp. vì vậy hệ thống này thường ít phụ thuộc vào công ty điện lực, giảm được điện mà nhà máy sản xuất bằng các phương thức gây ô nhiễm môi trường. - Không sử dụng bình acquy: giảm đáng kể chi phí đầu tư và bảo dưỡng cho hệ thống acquy. - Khai thác điện năng hiệu quả nhất: từ nguồn năng lượng mặt trời (hoặc gió) do có cơ cấu nổi bật là thu nhận, biến đổi và bổ xung trực tiếp ngay vào lưới điện không bị tổn hao trên accu dự trữ. - Bền vững, lâu dài: Do máy luôn được vận hành song song với lưới điện nên mọi đột biến của tải hay điện áp trên đường dây và nguồn điện đều không thể tác động trực tiếp vào máy. Tuổi thọ của hệ thống là tuổi thọ của các linh kiện điện tử cao cấp có thể lên tới 25 năm. - ứng dụng rộng rãi cho mọi nơi như: các hộ dân, cơ quan, đơn vị đang có điện lưới quốc gia. TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 12 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời - Việc lắp đặt và sử dụng đơn giản, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp, gần như bằng không, nên thời gian thu hồi vốn được rút ngắn tối đa và chắc chắn theo dự tính đầu tư ban đầu. Nhược điểm: Hệ thống này nếu điện lưới bị cắt thì điện năng từ các panel mặt trời cũng bị cắt, để đảm bảo an toàn cho lưới điện. Vì hệ thống này khi kết nối nguồn năng lượng điện sản xuất từ năng lượng điện từ các dãy pannel mặt trời với lưới điện quốc gia thì nó giống như hệ thống máy phát nối với lưới điện. Khi đưa công suất điện lên lưới cần phải trung hòa điện và tần sồ để trùng với lưới điện Hệ thống này có thể áp dụng tại Việt Nam, những vẫn chưa được phổ biến ở Việt Nam và do hệ thống quản lý điện lực nước ta vẫn chưa chấp nhận mua điện từ nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Còn về đồng hồ điện năng thì vẫn chưa được cho phép quay ngược nên dù có đẩy công suất ngược lên lưới thì vẫn là công ‘phí uổng’. Nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang trong vòng nghiên cứu của Viện Vật Lý TP Hồ Chí Minh. Các chuyên gia năng lượng điện mặt trời của Viện Nghiên Vật Lý TP Hồ Chí Minh đang kỳ vọng về một dự án năng lượng điện mặt trời trong tương lai gần theo công nghệ nối lưới điện thông minh SIPV với siêu công suất - khoảng 250 MWp (bằng nửa công suất của Nhà máy thủy điện Trị An). Công nghệ SIPV ưu tiên dùng điện mặt trời, chỉ khi điện mặt trời không đủ, mới cần sự trợ giúp từ điện lưới quốc gia (thiếu bao nhiêu cấp bấy nhiêu, không thiếu không cấp). Ý nghĩa khác của công nghệ là khả năng hỗ trợ phụ tải cho điện lưới quốc gia và hỗ trợ người tiêu dùng có thể mua điện của EVN vào giờ thấp điểm với giá rẻ. Tất cả các chức năng của hệ TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 13 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời thống đều được bộ điều khiển thông minh số hóa và điều hành không cần đến sự can thiệp của con người. Buổi sáng khi mặt trời lên, hệ thống chuyển sang chế độ dùng điện mặt trời và ngắt điện từ EVN. Khi có sự cố đường dây của EVN, lập tức hệ thống chuyển sang dùng mạng điện mặt trời dự phòng từ giàn ắc-quy. Từ 22 giờ đêm, hệ thống điều khiển thông minh ra lệnh cho bộ sạc lưới mua điện giá rẻ của EVN. Khi điện sản xuất từ giàn pin mặt trời dư không dùng hết, phần điện dư thừa lập tức được đưa về dự trữ vào hệ thống tồn trữ năng lượng của tòa nhà. 1.4.3 Hệ thống nối với lưới điện và dự phòng Hệ thống mặt trời nối với lưới điện và đề phòng sự cố- còn gọi là hệ thống tương tác lưới-kết hợp với hệ thống mặt trời nối với lưới điện và dãy các acquy. Cũng như hệ thống nối với lưới điện, bạn sử dụng điện năng từ các panel mặt trời khi trời nắng và bán điện dư cho công ty điện lực. Nhưng khác với hệ thống nối với lưới điện, dãy các acquy sẽ cung cấp điện ngay khi lưới điện bị cắt đột ngột, do đó hệ thống của bạn sẽ liên tục có điện. Sơ đồ nguyên ly: TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 14 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Hình 1.4.3 Nguyên lý hoạt động: Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm: - Hệ thống on - grid (hệ thống nối lưới): Sản xuất điện năng từ các tấm pin mặt trời (Solar Panel) thành điện 220V AC /50Hz để hòa vào điện lưới - Hệ thống off - grid (hệ thống độc lập): Lưu trữ điện năng từ các tấm pin mặt trời (Solar Panel) vào Acquy để sẵn sàng biến đổi thành điện 220VAC /50Hz để cung cấp cho tải khi không có điện lưới. - Khi khởi động hệ thống, Acquy (battery) luôn được ưu tiên nạp điện từ Mặt trời cho đến khi đầy. Lúc này hệ thống On Grid chưa làm việc. - Khi acquy đầy, hệ thống sẽ tự động biến đổi điện DC từ Sola Panel thành điện AC 220V để hòa với điện lưới. (Điện áp ra của hệ thống có tần số, pha trùng với điện lưới có thể là 1 pha hoặc 3 pha) TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 15 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời - Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ tự động lấy điện DC từ Acquy và Solar để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên. Ưu điểm: Hệ thống này có thể cung cấp điện liên tục dù lưới điện có bị gặp sự cố. Nhược điểm: Hệ thống này ghép từ hệ thống độc lập và hệ thống nối với lưới điện nên cấu tạo phức tạp, chi phí tốn kém hơn rất nhiềuvà bảo trì khó khăn. Yêu cầu người lắp phải có kinh nghiệm và trình độ chuyên môn. 1.4.4 Hệ thống bổ sung lưới điện Nguyên lý hoạt động: Bổ sung điện lưới còn gọi là hệ thống điện mặt trời gia dụng cở nhỏ. Với hệ thống bổ sung điện lưới các panel mặt trời tạo ra điện năng và nạp điện cho acquy . năng lượng lấy từ các ăcquy sẽ đi qua bộ chuyển đổi(bộ biến tần) để cung cấp điện cho một hoặc nhiều mạch điện từ bản điện phân phối trong ngôi nhà khi điện lượng acquy xuống đến ngưỡng tới hạn, hệ thống tự chuyển sang điện lưới. khi panel điện mặt trời nạp vào các acquy thì hệ thống tự chuyển sang điện mặt trời, Nhược điểm - Hệ thống này bạn không thể bán điện cho công ty điện lực. - Cấu tạo phức tạp và xây dựng khó khăn. Ưu điểm: Hệ thống bổ sung điện lưới có hầu hết các ưu điểm của hệ thống nối với lưới điện dự phòng. Hệ thống này sử dụng phổ biến ở những nơi chưa có TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 16 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời chính sách trợ cấp hoặc ưu đãi dành cho trạm điện mặt trời hay hầu như không có lợi khi bán điện cho công ty điện lực. Nếu hệ thống của bạn có khả năng phát hiện với công suất lớn hơn 1 kW điện trong 1 giờ, thì hệ thống nối với lưới điện sẽ kinh tế hơn. Nếu hệ thống chỉ phát điện với công suất dưới 1 kW điện trong 1 giờ thì hệ thống bổ sung lưới điện sẽ kinh tế hơn. Khi công suất phát điện dưới 1 kW thì việc phát lên lưới điện sẽ có tổn hao trên đường dây nhiều hơn là ta có thể phát điện lớn hơn 1kW. Thay vì để tôn hao trên dây dẫn ta tích trữ điện vào các dãy acquy. Khi ta có hệ thống trên 1kW thì có thể đầu tư quá nhiều vào các dãy acquy để tích trữ đủ năng lượng nên ta có thể gửi bán cho công ty điện lực (nếu có chính sách khuyến khích) rồi dùng lúc các dãy panel cung cấp không đủ ta có thể mua lại từ điện lực. 1.5 CÁC BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.5.1 Panel mặt trời Panel mặt trời là phần là phần cốt lõi của hệ thống điện mặt trời. Panel mặt trời chính xác là panel quang điện mặt trời, nó tạ ra năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Năng lượng mặ trời càng mạnh thì công suát nhận được càng cao. Hầu hết các panel mặt trời đều gồm các tế bào (pin) mặt trời ghép lại với nhau. Pin mặt trời thông dụng hiện nay chỉ tạo ra điện áp khoảng 0.5V, do đó phải mắc ghép chúng lại với nhau bên trong panel dể tạo ra điện áp hữu dụng. Nếu ta dùng đồng hồ đo không tải của panel mặt trời thì ta thấy điện áp lên đến 26V, nhưng khi nối với các phụ tải thì nó sụt áp xuống còn lại 14-18V. Nối các panel với nhau có thể tạo ra 1 mảng panel mặt trời. Nối niều panel như vậy với nhau giúp bạn tạo ra dòng điện cường độ cao hơn hoặc điện áp cao hơn. TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 17 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời • Mắc nối tiếp các panel cho phép mảng panel tạo ra điện áp lớn hơn;khoảng 24-28V trong hệ thống độc lập,hoặc vài tram volt tronh hệ thống nối với điện lưới. • Mắc song song các panel cho phép mảng panel cung cấp công suất lớn trong khi vẫn giư nguyên giá trị điện áp của từng panel. • Khi nối tiếp nhiều panel với nhau,công suất của toàn hệ thống sẽ tăng,bất kể mắc nối tiesp hay song song hoặc kết hợp cả hai. Trong mảng panel mắc nối tiếp,ta cộng điện áp của từng panel với nhau và cộng công suất (watt) của chúng để tính điện áp và công suất cực đại mảng panel đó có thể tạo ra. TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 18 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Trong mảng panel mắc song song,bạn lấy giá trị điện áp trung bình của tất cả các panel và cộng công suất (watt) của từng panel để tính công suất cực đại của mảng panel điện mặt trời. 1.5.2 Acquy Các panel mặt trời rất ít khi cung cấp điện năng trực tiếp cho thiết bị điện. Điều này lo do công suất của panel mặt trời biến thiên theo cường độ ánh nắng, không phù hợp với hấu hết các thiết bị điện. Đối với hệ thống độc lập hoặc hệ thống bổ sung điện lưới,acquy lưu giữ điện năng và cung cấp nguồn điện với công suất ổn định cho thiết bị. Nói chung, năng lượng này được lưu giữ trong các acquy acid-chì “chu kỳ sâu”, hình dáng tương tự acquy dùng trên xe hơi nhưng khác về thiết kế bên trong. Thiết kế này cho phép chúng phóng điện và tái nạp điện hàng ngàn lần. Năng lượng điện được lưu giữ trong các acquy,có thể nối các caquy với nhau để tạo thành dãy acquy; nhiều acquy mắc nối tiếp sẽ làm tăng điện lượng và điện áp của dãy acquy, nhiều acquy mắc song song sẽ làm tăng điện lượng nhưng vẫn duy trì điệnáp không đổi. 1.5.3 Bộ điều khiển (solar charge controller) Nếu sử dụng các acquy, hệ thống điện mặt trời cần có bộ điều khiển để quản lý dòng điện vào và ra khỏi acquy.Nếu hệ thống nạp điện quá mức cho acquy, acquy có thể bị hỏng. Tương tự nếu hệ thống phóng hết điện lượng từ các acquy, các acquy sẽ bị hư hại một cách nhanh chóng. Bộ điều khiển chính là thiết bị điều khiển các quá trình nạp và phóng điện acquy. Nhưng trong 1 số trường hợp, hệ thống điện mặt trời cỡ nhỏ thì không yêu TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 19 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời cầu bộ điều khiển. vì tấm panel mặt trời này quá nhỏ để làm hư acquy khi acquy đó được nạp đầy. Hệ thống điện mặt trời đều yêu cầu sử dụng bộ điều khiển để quản lý các quá trình nạp và phóng điện của acquy, bảo đảm duy trì acquy luôn luôn ở trạng thái tốt. 1.5.4 Bộ biến tầng (Inverter) Điện năng do hệ thống điện mặt trời tạo ra là điện một chiều (DC). Điện năng từ lưới điện phân phối là điện xoay chiều (AC) điện áp cao. Muốn sử dụng điện mặt trời để vận hành trang thiết bị vốn hoạt động từ nguồn điện lưới phân phối, cần có bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện từ DC sang AC và tăng điện áp đến giá trị điện áp lưới. Theo truyền thống, thường có một bộ biến tần trung tâm trong hệ thống điện mặt trời, mắc trực tiếp với mảng panel trong hệ thống nối với điện lưới, hoặc nối vào dãy acquy trong hệ thống điện mặt trời độc lập. Sáng chế mới đây là bộ vi biến tần. Các bộ vi biến tần nối vào từng panel riêng rẽ, cho phép các panel đó cung cấp điện xoay chiều điện áp cao. 1.5.5 Trang thiết bị điện Thành phần cuối cùng trong hệ thống điện mặt trời là các thiết bị bạn muốn cấp điện. Về lý thuyết, bạn có thể cấp điện mặt trời cho mọi thiết bị điện gia dụng. Tuy nhiên,nhiều thiết bị tiêu thụ công suất điện khá lớn, do đó chi phí vận hành từ điện mặt trời sẽ khá cao. Nếu hệ thống của bạn được nối với lưới điện thì bạn có thể sử dụng với các thiết bị điện công suất tương đối lớn, nhưng bạn chỉ sử dụng trong khoảng thời gian tương đối ngắn, tác động đến hệ thống của ban tương đối thấp. Còn nếu muốn sử dụng hệ thống mặt trời độc lập để vận hành các TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 20 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời thiết bị điện công suất lớn thì hệ thống của bạn phải đủ lớn để đáp ứng các nhu cầu đỉnh. Thiết bị điện áp thấp: hầu hết các hệ thống độc lập đều vận hành với điện áp thấp. Trừ khi có kế hoạch thiết lập hệ thống hoàn toàn nối với điện lưới, ngày nay có 1 số thiết bị có thể vận hành với nguồn 12V hoặc 24V. Bạn nên xem xét khả năng chạy một số thiết bị trực tiếp từ nguồn điện mặt trời DC, thay vì cấp điện cho tất cả các thiết bị thông qua bộ biến tần, do hiệu suất sẽ cao hơn. Nhờ hệ thống điện mặt trời phát triển khá nhanh trong thời gian gần đây, một số nhà chế tạo đang hướng đến các thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp gồm cả tủ lạnh,tủ cấp đông và máy giặt chuyên biệt cho khách hàng đang sử dụng hệ thống điện mặt trời. Thiết bị điện áp cao:nếu sử dụng hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện, bạn cần dùng bộ biến tần để cung cấp điện cho các thiết bị yêu cầu điện áp cao. 1.6 CÁCH KẾT NỐI CÁC BỘ PHẬN VỚI NHAU 1.6.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập Thiết kế này cung cấp nguồn DC điện áp thấp để chạy các thiết bị điện công suất nhỏ, máy tính laptop và chiếu sáng, cùng với nguồn AC điện áp cao để chạy các thiết bị lớn, máy thu hình, các thiết bị trong bếp. TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 21 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Hình 1.6.1 Trong sơ đồ trên, mũi tên chỉ chiều dòng điện. Các panel mặt trời cung cấp điện năng đi vào bộ điều khiển. Bộ điều khiển nạp điện cho các acquy. Bộ này còn cung cấp điện cho các thiết bị điện áp thấp, sử dụng panel hoặc acquy làm nguồn năng lượng. Còn bộ biến tần AC nhận điện năng trực tiếp từ acquy và cung cấp nguồn công suất AC điện áp cao. 1.6.2 Hệ thống nối với điện lưới sử dụng bô biến tần trung tâm Các panel mặt trời nối vào bộ vi biến tần, cấp điện vào nguồn chính. Điện năng có thể được sử dụng cho các thiết bị trong tòa nhà hoặc cấp lên lưới điện tùy theo nhu cầu. Bộ biến tần trong hệ thống giám sát công suất cung cấp từ lưới phân phối. Nếu phát hiện sự cố mất điện, bộ này sẽ cắt điện từ các panel mặt trời để bảo đảm không cấp điện lên lưới. Đồng hồ nối với điện lưới giám sát lượng điện năng lấy từ lưới điện phân phối và lượng điện cấp lên lưới điện từ hệ thống điện mặt trời. TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 22 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời Hình 1.6.2 1.6.3 Hệ thống nối với lưới sử dụng nhiều bộ vi biến tần Hệ thống nối với điện lưới sử dụng nhiều bộ vi biến tần tương tự hệ thống nêu trên, nhưng từn