THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

MỤC LỤC
Chương 0: Khái quát về năng lượng mặt trời
1.
2.

Ưu điểm của năng lượng mặt trời.......................................2
Năng lượng mặt trời ở nước ta............................................2

Chương I: Thiết bị chính trong hệ thống năng lượng mặt trời
1.
2.
3.
4.
5.

Giới thiệu về pin mặt trời....................................................4
Các sơ đồ hệ thống cung cấp NLMT....................................6
Bộ điều khiển sạc................................................................8
Inverter...............................................................................9
Ac-quy.................................................................................9

Chương II: Lựa chọn thiết bị cho hệ thống
1.
2.
3.
4.
5.

Vị trí, đặc điểm Văn phòng nhà xưởng và tính toán điện năng tiêu thụ
.........................................................................................10
Lựa chọn sơ đồ..................................................................10

Tính số Wp và lựa chọn pin mặt trời.................................10
Lựa chọn bộ điều khiển sạc và ac-quy..............................11
Lựa chọn inverter..............................................................11

Chương III: Tính toán kinh tế
1. Giá thành và chi phí.............................................................12
Tài liệu tham khảo...........................................................................13

1


Chương 0:
1. Ưu điểm của năng lượng mặt trời
Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển
không ngừng, năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở
thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống. Tuy nhiên trong khi
nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn
năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang
dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Một số nguồn năng lượng đang
được sử dụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá…)
đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu
khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, là một trong
những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải ra từ việc
đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, gây hại cho môi
trường sống của con người. Còn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn
cũng được coi là một loại năng lượng
sạch) thì cũng không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện hiện nay
trong khi tình trạng mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống
dưới mực nước chết. Trước tình hình đó, vấn đề phải tìm được những
nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang

lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn năng lượng có hại cho
môi trường hoặc đang cạn kiệt đang trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều
sự quan tâm.
So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng
như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được
coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng
sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất
nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng
lượng tốt nhất trong tương lai. Hệ thống quang điện sử dụng năng
lượng mặt trời
(Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không
gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn… Pin
mặt trời đã được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Chúng đặc biệt
thích hợp cho các vùng lưới điện không đến được. Pin mặt trời được
sử dụng nhiều trong sản xuất cũng như trong đời sống. Một ứng dụng
đơn giản của pin mặt trời trong cuộc sống hàng ngày như đồng hồ,
máy tính … Ngoài ra pin mặt trời còn được ứng dụng trong các thiết
bị vận chuyển như ô tô, máy tính cầm tay, điện thoại di động, thiết bị
bơm nước… Ngày nay, những ngôi nhà có gắn những tấm năng lượng
mặt trời trên nóc đã trở thành phổ biến và có xu hướng tăng dần
trong tương lai.
2. Năng lượng mặt trời ở nước ta

2


Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có tiềm năng to lớn về khai thác và
ứng dụng. Việt Nam có lợi thế là nước nằm trong giải phân bổ ánh
nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của
thế giới. Theo giáo sư, tiến sĩ khoa học Nguyễn Tiến Khiêm, nguyên

Viện trưởng Viện Cơ học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, trong
tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong
phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay
Ứng dụng năng lượng mặt trời ỏ Việt Nam hiện cũng rất phong phú
với đa dạng sản phẩm như: Máy nước nóng, điện mặt trời, đèn, ....
Tuy nhiên, hiện nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời còn rất nhiều.
Với bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh
sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được.
Vì vậy, ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam như một nguồn
năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền
thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý
nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, ứng dụng năng
lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa phát triển một cách
có kế hoạch ở tầm vĩ mô.
Nếu so với một số nước ở châu Phi hay Nam Á có cùng hoàn cảnh,
Việt Nam vẫn còn đi sau họ.

3


Chương I:
1. Giới thiệu về pin mặt trời
Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng
quang điện
trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để
tạo ra dòng
điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất
hiện nay là loại
sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất
kém vì các điện

tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị ánh sáng
hay nhiệt độ
kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện
âm nhảy từ
vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong
vùng hoá trị.
Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.
Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:
o Một tinh thể hay đơn tinh thể module. Đơn tinh thể này có hiệu
suất tới 16%. Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình
ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các môdule.
o Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được
làm nguội và làm rắn. Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh
thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo
thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể
bù cho hiệu suất thấp của nó.
o Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu
trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng
cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi
Silicon.

4


Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện
áp hở mạch
lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện
áp ra bằng 0.
Phương trình đặc trưng vol-ampere của pin quang điện

5


Dòng Isc tỉ lệ thuận với cường độ chiếu sáng, điện thế Uoc tỉ lệ nghịch
với nhiệt độ môi trường vì vậy mỗi thời điểm trong ngày pin mặt trời
có đường đặc tính U-I khác nhau dẫn đến công suất lớn nhất ra khác
nhau. Để đặc trưng cho khả năng cung cấp công suất của pin ta có
đại lượng Wp. Wp là công suất lớn nhất của pin khi công suất rọi của
mặt trời là 1kW/m2 và nhiệt độ môi trường là 25OC.
1. Các sơ đồ hệ thống cung cấp NLMT
a. Sơ đồ off-grid

6


Hệ thống hoạt động độc lập, được tính toán để hoạt động hoàn toàn
bằng năng lượng mặt trời kể cả những ngày không có nắng và có thể
trang bị thêm một máy phát dự phòng nếu nhiều ngày không nắng.
Nguyên lý hoạt động là: dòng điện được phát ra từ các tấm panel
dưới ánh nắng sẽ được sạc vào các bộ acquy thông qua bộ điều
khiển sạc nhằm lấy lượng công suất lớn nhất. điện DC từ acquy sẽ
được chuyển qua bộ phân phối trung tâm chuyển thành điện AC đưa
đến các thiết bị điện.
Ưu điểm:
o Ứng dụng nhiều tại các đảo, vùng xa xôi khi không có điện lưới
vươn tới
o Có điện vào mọi lúc
Khuyết điểm:
o Phức tạp, giá thành tương đối cao
o Acquy cần phải duy trì, và thay thế

b. Sơ đồ on-grid

Hệ thống pin năng lượng mặt trời sẽ nhận bức xạ mặt trời và chuyển
hóa thành nguồn điện một chiều (DC). Nguồn điện DC này sẽ được
chuyển đổi thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua Grid Tie
Inverter ( bộ chuyển đổi điện nối lưới). Với bộ chuyển đổi này sẽ đảm
bảo nguồn năng lượng được tạo ra từ hệ pin mặt trời sẽ được chuyển
đổi ở chế độ tốt nhất nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng từ hệ pin
mặt trời và cung cấp điện năng cho tải.
Bên cạnh đó việc inverter có chế độ thông minh, tự dò tìm và đồng
bộ pha nhằm kết nối giữa điện năng tạo ra từ hệ pin mặt trời và điện
lưới.
Chế độ làm việc thông minh của bộ inverter với việc ưu tiên sử dụng
lượng điện năng từ hệ pin mặt trời để cung cấp trực tiếp cho tải sử
dụng sẽ giúp tối ưu hóa năng lượng từ hệ pin mặt trời.
7


Nguyên lý hoạt động hệ thống hòa lưới : điện thu được từ tấm pin
( Solar Panel) là điện 1 chiều, qua bộ hòa lưới ( Grid Tie Inverter ), có
chức năng đổi từ điện DC – AC cùng pha cùng tần số với điện lưới,
sau đó hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới:
o

Khi công suất hòa lưới bằng công suất tải thì tải tiêu thụ điện
hoàn toàn từ pin mặt trời.

o

Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất hòa lưới thì tải sẽ

lấy thêm lưới bù vào.

o Khi công suất tải tiêu thụ nhỏ hơn công suất hòa lưới thì điện từ
bộ hòa lưới sẽ trả ra lưới. Không được tính tiền khi hòa dư vì
hiện tại EVN vẫn chưa cho đồng hồ quay ngược .
Ưu điểm:
o Sơ đồ đơn giản, dễ lắp đặt.
o Không sử dụng ac-quy.
o Giá thành rẻ.
Khuyết điểm
o Chỉ có thể lắp đặt ở những vùng có lưới điện.
o Sử dụng điện lưới hoàn toàn vào ban đêm.
o Khi mất điện từ lưới, các thiết bị không thể sự dụng.
c. Sơ đồ hybrid

8


Hệ thống này tương tự hệ thống nối lưới tuy nhiên được thiết kế thêm
một hệ thống dự trữ nhỏ hoặc vừa cung cấp cho tải ưu tiên để khi
mất điện lưới vẫn dùng được. Các tải ưu tiên thường có công suất
nhỏ nhưng luôn cần điện ổn định như đèn, quạt, module mạng, hệ
thống camera an ninh, máy tính …
Hệ thống kết hợp giữa hệ thống hòa lưới giúp tiết kiệm điện,
với hệ thống độc lập để luôn có 1 lượng điện dự trữ cho các thiết bị
quan trọng khi mất điện .
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống : khi khởi động Ắc quy được ưu
tiên nạp đầy từ pin mặt trời. Hệ thống sẽ luôn kiểm tra tình trạng ắc
quy để đảm bảo ắc quy luôn đầy điện. Khi ắc quy đầy hệ thống sẽ
chuyển qua hòa lưới, giúp giảm lượng điện tiêu thụ, khi hòa lưới sử

dụng tất cả các tải ( tải ưu tiên và tải thông thường .
Khi mất điện bộ chuyển mạch ( ATS ) sẽ chuyển qua ưu xài tải
ưu tiên từ lượng điện được dự trữ trong ắc quy, khi đó toàn bộ hệ pin
mặt trời được chuyển qua sạc cho ắc quy, khi có điện trở lại thì hệ
thống sẽ chuyển qua hòa lưới bình thường.
Ưu điểm:
o Giá thành thấp hơn so với sơ đồ off-grid
o Đơn giản
o Có điện vào mọi lúc
o Tuổi thọ của ac-quy cao hơn
Khuyết điểm:
o Acquy cần duy trì và thay thế
2. Bộ điều khiển sạc
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ac-quy, bảo vệ cho acquy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình
ac-quy. Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch nạp
vào ac-quy khi bộ điều khiển xác nhận bình ac-quy đã được nạp đầy
hoặc ngắt ac-quy khỏi phụ tải nếu điện áp ac-quy thấp. Vào ban đêm bộ
điều khiển sạc sẽ chống dòng chảy ngược từ ac-quy đến pin mặt trời mà
sẽ gây ra nóng pin làm pin giảm tuổi thọ.
Bộ điều khiển sạc cho biết dung lượng điện năng còn lại trong bình, giúp
ta có kế hoạch sử dụng các thiết bị điện hay sử dụng máy phát dự
phòng.
Ngoài ra bộ điều khiển sạc còn dò tìm điểm công suất max của pin mặt
trời nhằm nhận được tối đa công suất tương ứng với các giờ nắng trong
ngày.
3. Acquy
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc
không còn ánh sáng.

9

Ac-quy thường sử dụng trong hệ thống điện mặt trời là Chì-acid loại xả
sâu. Có thông số:
o Max depth discharge:...................................................
80 %
o Energy density:..........................................35 (Wh/kg)
o Cycle life:...............................................2000 (cycles)
o Calendar life..........:..................................7-10 (years)
o Cost: ........................................................100 ($/kWh)
o Đặc tính khi sử dụng:
 Dòng điện xả càng nhỏ thì dung lượng ac-quy càng cao.
 Nhiệt độ càng thấp thì dung lượng ac-quy càng giảm
 Suất xả điện C/20 ở 25OC làm chuẩn cho hệ thống PV
4. Inverter
là bộ biến điện nghịch lưu, Inverter chuyển đổi dòng điện DC từ ac-quy
thành dòng điện sine AC để cung cấp cho tải.
đối với ba sơ đồ hệ thống cung cấp, ta có ba loại inverter:
o off-grid : thực hiện 3 chức năng là:
 Chuyển dòng DC từ ac-quy thành AC cho tải.
 Chuyển dòng điện AC từ máy phát dự phòng cho tải.
 Xạc cho ac-quy từ máy phát dự phòng.
o on-grid: thực hiện một chức năng là:
 chuyển dòng DC từ pin mặt trời thành dòng AC chuẩn hòa vào
lưới điện
o hybrid: thực hiện hai chức năng là:
 nạp acquy để dự phòng khi mất điện trên lưới.
 chuyển dòng điện DC từ pin mặt trời thành dòng AC chuẩn để
hòa lưới.

10


Chương II:
1. Vị trí, đặc điểm văn phòng nhà xưởng và tính toán điện năng
tiêu thụ:
a. Vị trí, đặc điểm
Không gian:
Địa chỉ:
Tân Bình.
Tọa độ:
Nhiệt độ trung bình:
Cường độ bức xạ:
Năng lượng bức xạ:

3,5m x 5m x 3,5m.
345, Phạm Văn Bạch, phường 15, quận
10° 49' 16.9" N, 106° 38' 18.34" E.
27OC.
1762kW/m2.
5,2kWh/ngày

b. Tính toán phụ tải
STT

Tên thiết
bị

Công
suất (W)

Số lượng

Thời gian
h/đ (giờ)

1

Máy điều
hòa
Bóng
huỳnh
quang
máy vi
tính
tivi
Máy in
để bàn

1119

1

10

Điện năng tiêu
thụ
(kWh/ngày)
11,19

40

2

10

0,8

195

4

10

7,84

100
120

1
3

10
0,25

1
0,09

2
3

4
5

Tổng: 20,92
2. Lựa chọn sơ đồ
Yêu cầu thiết kế:
 Cung cấp điện liên tục.
 Giá thành không quá cao.
 Thiết kế đơn giản.
 Phí bảo trì vừa phải
 Chọn hệ thống hybrid với mức bù cho hệ điện lưới là ½, và
dung lượng ac-quy đủ dùng tạm trong 3 tiếng.
3. Tính số Wp và lựa chọn pin mặt trời

Với : 5,2 là năng lượng bức xạ mặt trời trong 1 ngày (kWh/m2).
½ là tỉ lệ phân phối sử dụng điện giữa pin mặt trời và lưới điện
1,3 là hệ số bù cho hiệu suất hệ thống

11





Chọn 9 tấm pin mono, mỗi tấm 300 Wp (tổng cộng xấp xỉ
2700 Wp).
Thông số mỗi tấm:
Công suất tiêu thụ

300 Wp

Điện áp hở mạch ( Voc)

43.68 V

Dòng hở mạch ( Isc)

9.36 A

Điện áp danh định ( Vmp)

36.40 V

Dòng danh định ( Imp)

8.24 A

Kích thước
Cân nặng

1956*990*50 mm
24 Kg

 Xếp 9 tấm thành lưới 3 X 3.
4.Lựa chọn ac-quy
a. Ac-quy
yêu cầu:
 Điện áp : 48V
 Dung lượng tổng: = 0,769 (kAh)


Với 20,92 là phụ tải một ngày (kWh)

0,85 hiệu suất của ac-quy

0,8 là mức xả tối đa của ac-quy

3/10 là ac-quy phải bù tối đa 3 giờ mất điện lưới trong 1 ngày sử
dụng 10 giờ.
 Lựa chọn 4 ac-quy mã LGL200-12N hiệu Long ( Đài Loan ) dung lượng
200Ah mỗi bình mắc nối tiếp tạo ra điện áp 48V
.
5.Lựa chọn inverter hybrid
Yêu cầu:
 Điện áp sạc: 48V
 Công suất từ pin mặt trời: 2,615 kWp
 Dòng điện sạc: 2700 / 48 *1,2 = 67,5 (A) ( với 2700 là công
suất pin mặt trời, 48 là điện áp sạc, 1,2 là hệ số dữ trữ )

 Chọn SUPCU-3000-48V của Sukam tích hợp bộ điều khiển sạc và
hòa lưới.

12


TECHNICAL SPECIFICATIONS

Type

Single Phase Solar Power Conditioning Unit

Technology

DSP Based PWM Technology

Solar PCU Rating

3KVA

PV Charge Controller Rating

3KWp

Input Parameters

Nominal I/P Voltage

48V

Input Voltage Range

44V-60V ±2%

13


Low Battery cut off

44V ±2%

High Battery shutdown

65V ±2%

Output Parameters

Voltage Regulation at nominal

voltage 230 ± 5%

Frequency Regulation

50Hz ± 0.2Hz

Efficiency (typical)at linear load >85% (linear load)

Waveform

Pure Sine Wave

Total Load

2kW@UPF

Overload

200% for 8seconds

Power usage Priority

From Photovoltaic Array

Crest Factor

3:1

GRID CHARGER

Grid I/P Voltage Range

WW-155 VAC-280VAC±10V and NW-185 VAC-265VAC±10V

Charging Current

Max. 30Amp + 2Amp ( Factory settable)

SOLAR CHARGE
CONTROLLER

Charging Current Imax

> 30A
14


Float Voltage

54V ±2%

Operating Temp

0°C to + 45°C

Storage Temp

0°C to + 55°C

Relative Humidity

0-95% Non-Condensing

Dimension

351 x 617 x 320 mm

Weight

61 kg

15


Chương III: Tính toán kinh tế
1. Giá thành và chi phí
stt

Tên thiết bị

Số lượng

Giá (VNĐ)

1
2
3
4

Pin mặt trời
acquy
inverter

9
4
1

6.000.000
8.800.000
20.119.000

Giá thành
(VNĐ)
54.000.000
35.200.000
20.119.00
Tổng:109.319.
000

Giá điện dưới 6kV là 1.577 đồng/kWh.
 Tiền đầu tư tương đương 69321 kWh.
 Mỗi tháng sử dụng điện từ hệ thống điện mặt trời
22*20,92/2 = 230,12kWh

 301,2 tháng ( 25 năm sẽ hoàn vốn )

16