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

Đồ án Điện Tử Công Suất

Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời

LỜI MỞ ĐẦU
Điện năng đang ngày càng đóng vai trị hết sức quan trọng trong đời sống
con người chúng ta. Chính vì những ưu điểm vượt trội của nó so với các
nguồn năng lượng khác (như: dễ chuyển thành các dạng năng lượng khác,
dễ truyền tải đi xa, hiệu suất cao) mà ngày nay điện năng được sử dụng
hết sức rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ công nghiệp, dịch vụ,...cho đến phục
vụ đời sống sinh hoạt hằng ngày của mỗi gia 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 cơng 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 trị 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 cơng nghiệp hay một tịa 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 TỐN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ .. 28
2.1 CÁCH TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ......................................... 28

2.2 TÍNH TỐN ................................................................................. 32
2.2.1 Cơng suất tiêu thụ của các thiết bị điện trong gia đình............ 32
2.2.2 Tính tốn số watt-hour của tấm pin mặt trời ........................... 33
2.2.3 Tính tốn cơng 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 tốn bộ inverter................................................................ 34
2.2.5 tính tốn battery ....................................................................... 34
2.2.6 Tính solar charge controller ..................................................... 35
2.2.7 Tính tốn lựa chọn tiết diện dây dẫn ....................................... 36
2.2.8 Tính tốn 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 khơng 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 cơng 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, tịa nhà cao tầng…tốt 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 tồn điện: cơng trình cấp điện phải có tính an tồn cao cho
người vận hành, người sử dụng thiết bị và cho toàn bộ cơng trình.
➢ Kinh tế: trong q 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. khơng 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 khơng cịn hóa đơn tiền điện, khơng cịn phụ thuộc vào cơng

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 cịn 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 phịng, 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 cịn 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
cơng 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 cơng nghệ điện hiện nay thì dự đốn 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 tồn cầu. Mục đích chính là cung cấp điện cho những nơi
chưa có lưới điện kéo tới hay khơng 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 hịa dịng 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 khơng có lưới điện hoặc điện áp dự phịng 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 trịn). 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 tốn 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 đốn
tránh bóng che. Công suất của dãy pannel cung cấp phải lớn hơn cơng suất
phụ tải hệ thống, để cịn 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.
Mơ hình và ngun lý hoạt động:

Hình 1.4.2

Mơ tả hoạt động: chuyển mạch SW ở vị trí OB
- Khi khơng 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 cơng 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.
- Khơng 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 tồn 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. Cịn về đồng
hồ điện năng thì vẫn chưa được cho phép quay ngược nên dù có đẩy cơng
suất ngược lên lưới thì vẫn là cơng ‘phí uổng’.
Nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang trong vịng 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 thơng minh số hóa và điều hành khơng 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 khơng 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 chun mơn.
1.4.4 Hệ thống bổ sung lưới điện
Ngun 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 cơng ty điện lực.
Nếu hệ thống của bạn có khả năng phát hiện với cơng 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 tơn 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
cơng ty điện lực (nếu có chính sách khuyến khích) rồi dùng lúc các dãy
panel cung cấp khơng 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 cơng st 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 cịn 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,cơng suất của tồn 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 cơng 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 cơng 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 cơng 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 khơng 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 q trình nạp và phóng điện acquy.
Nhưng trong 1 số trường hợp, hệ thống điện mặt trời cỡ nhỏ thì khơng u

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
q trình nạp và phóng điện của acquy, bảo đảm duy trì acquy ln ln
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 dịng 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 hồn tồn 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 từng panel được nối với bộ vi biến tần riêng, và
các bộ vi biến tần này lại nối thành vòng với nhau, chuyển điện DC điện
áp thấp từ từng panel thành nguồn AC điện áp cao.
1.7 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Dưới đây là một số ứng dụng rất thiết thực từ năng lượng mặt trời để
phục vụ cuộc sống hàng ngày của con người:
Tích hợp vào thiết bị

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN

Page 23


Đồ án Điện Tử Công Suất

Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời

Hình 1.7.1

Từ chiếc đồng hồ đeo tay nhỏ bé, chiếc điện thoại dắt trong túi quần cho
đến những chiếc xe điện mặt trời chạy trên mặt đất hay những chú robot

trên sao Hỏa... Sự tích hợp của Pin Mặt Trời mang lại một sự khác biệt
cho các thiết bị: Vừa thẩm mỹ, vừa tiện dụng và thân thiện với mơi trường.
Pin mặt trời thường được tích hợp vào các thiết bị như Máy tính bỏ túi,
Laptop, Đồng hồ đeo tay, Điện thoại di động, Đèn trang trí, đèn sân
vườn, Đèn tín hiệu, đèn đường, Các loại xe, Máy bay, Robot tự hành, Vệ
tinh nhân tạo.
Nguồn điện di động
Nguồn điện này sẽ cấp điện cho các thiết bị điện tại bất cứ nơi đâu, đặc
biệt là những nơi khơng có điện lưới như vùng sâu vùng xa, hải đảo, trên
biển, ...

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN

Page 24


Đồ án Điện Tử Công Suất

Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời

Hình 1.7.2

Các ứng dụng Nguồn điện di động có thể kể đến đó là Bộ sạc năng lượng
mặt trời, Cặp năng lượng mặt trời, Áo năng lượng mặt trời, Trạm điện mặt
trời di động.
Nguồn điện cho tịa nhà
Đã bao giờ bạn nghĩ thay vì tiết kiệm sử dụng điện trong gia đình thì chúng
ta sẽ tạo ra một nguồn điện thay thế?
Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa
đơn tiền điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các cơng

trình nhà máy điện khổng lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân
trong việc tạo ra điện phục vụ đời sống sản xuất chung.

TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN

Page 25