TRANG TIN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MỚI

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Ngày Đăng : 19/07/2019 - 11:15 AM

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHUYỂN ĐỔI THÀNH ĐIỆN NĂNG NHƯ THẾ NÀO ?

Hầu hết các nguồn năng lượng tái tạo trên trái đất đều xuất phát từ mặt trời. Mặt trời làm ấm, chiếu sáng và cung cấp cho chúng ta nhiều dưỡng chất. Năng lượng gió, sóng là những nguồn năng lượng sạch, nhưng chúng cũng là năng lượng mặt trời gián tiếp.

Chúng ta có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành một năng lượng điện năng có thể đáp ứng được các nhu cầu sử dụng điện ở mọi mức độ.

Năng lượng mặt trời cung cấp nhiệt lượng và ánh sáng, nó có tính chất của sóng và hạt. Mặt trời như một lò hạt nhân, nó chuyển đổi hydro thành heli thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân. Mặt trời giải phóng năng lượng tương đương 100 tỷ bom hydro mỗi giây. Đây là một quá trình rất hiệu quả, chuyển đổi trực tiếp khối lượng thành năng lượng thông qua phương trình nổi tiếng của Albert Einstein: E = MC2 trong đó E là năng lượng, M là khối lượng và C là tốc độ của ánh sáng. Tốc độ của ánh sáng là 186.000 dặm mỗi giây, đây là tốc độ nhanh nhất trong vũ trụ. Một khối lượng nhỏ cũng có thể tạo ra một lượng lớn năng lượng.

Năng lượng được chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác bằng một thiết bị được gọi là một bộ chuyển đổi. Một micro chuyển đổi các sóng âm thanh thành năng lượng điện tử. Để chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng chúng ta cần các tấm pin năng lượng mặt trời.

Pin quang điện mặt trời (PVC) về cơ bản là bán dẫn, có tính chất truyền tải điện giữa các chất dẫn như kim loại hoặc nước muối và chất cách điện như cao su. Tấm pin mặt trời được cấu tạo bởi các tấm silic pha tạp, đây là thành phần chính trong cát biển, với các tạp chất thêm vào như phốt pho cho phép các electron lưu chuyển. Khi các photon chuyển động va chạm với một PVC, một dòng các electron bắt đầu có thể được lấy ra bởi dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều (DC).

Vị trí lắp đặt các tấm pin năng lượng mặt trời phù hợp nhất là mái nhà, nơi mà chúng có thể tiếp nhận ánh nắng mặt trời một cách tối đa nhất.

Không giống như pin, dòng điện trong căn nhà của bạn là dòng điện xoay chiều, trong đó đảo chiều khoảng sáu mươi lần trong một giây. Trước khi sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp điện năng cho các thiết bị điện, nó phải được chuyển đổi bởi một thiết bị được gọi là một bộ chuyển đổi (Inverter). Với hầu hết các dạng năng lượng ngày nay, bộ chuyển đổi cho phép bạn dẫn điện vào lưới điện để sử dụng.

Với việc sử dụng pin mặt trời, có thể tận dụng được một nguồn năng lượng sạch vô tận và có khả năng tái tạo, đồng thời giảm được một lượng lớn chi phí tiền điện hàng tháng.

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Để thiết kế một hệ solar, chúng ta lần lượt thưc hiện các bước sau:

1. Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp.

Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị.

Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày.

2. Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày.

Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải.

Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng

3. Tính toán kích cở tấm pin mặt trời cần sử dụng

Để tính toán kích cở các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế chính xác, người ta phải khảo sát từng vùng và đưa ra một hệ số gọi là "panel generation factor", tạm dịch là hệ số phát điện của pin mặt trời. Hệ số "panel generation factor" này là tích số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) trong các tháng ít nắng của vùng, đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày).

Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Việt Nam là khoảng 4.58 kWh/m2/ngày cho nên lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 4.58 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặt trời.

Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời cần dùng.

Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời cần dùng. Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽ cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết. Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. Thí dụ một hệ solar có độ dự phòng 4 ngày, ( gọi là autonomy day, là những ngày không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lượng battery phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời. Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do các chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ solar trong vùng.

4. Tính toán bộ inverter

Đối với hệ solar stand-alone, bộ inverter phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả tải đều bật lên, như vậy nó phải có công suất bằng 125% công suất tải. Nếu tải là motor thì phải tính toán thêm công suất để đáp ứng thời gian khởi động của motor.

Chọn inverter có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định của battery. Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện, ta không cần battery, điện áp vào danh định của inverter phải phù hợp với điện áp danh của hệ pin mặt trời.

5. Tính toán battery

Battery dùng cho hệ solar là loại deep-cycle. Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Loại này có khả năng nạp xả rất nhiều lần ( có nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao.

Số lượng battery cần dùng cho hệ solar là số lượng battery đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng (autonomy day) khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được. Ta tính dung lượng battery như sau:

- Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của battery

- Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6, ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery

Kết quả trên cho ta biết dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng. Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượng battery cho số autonomy-day để có số lượng battery cần cho hệ thống.

Tổng Wh tiêu thụ mỗi ngày

Dung lượng battery (Ah) = x Số outonomy day

85 x 0,6 x điện thế battery

6. Thiết kế solar charge controller

Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của battery. Vì solar charge controller có nhiều loại cho nên bạn cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar của bạn. Đối với các hệ pin mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một solar charge controller phụ trách. Công suất của solar charge controller phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp battery.

Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch của PV

VÍ DỤ:

Tính hệ solar cho 1 hộ dân vùng sâu có yêu cầu sử dụng như sau:

- 1 bóng đèn 18 Watt sử dụng từ 6-10 giờ tối.

- 1 quạt máy 60 Watt mỗi ngày sử dụng khoảng 2 giờ.

- 1 tủ lạnh 75 Watt chạy liên tục

Bước 1. Xác định tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày = (18 W x 4 giờ) + (60 W x 2 giờ) + (75 W x 12 giờ) = 1,092 Wh/day (tủ lạnh tự động ngắt khi đủ lạnh nên xem như chạy 12 giờ nghỉ 12 giờ).

Bước 2. Tính pin mặt trời (PV panel)

PV panel = 1,092 x 1.3 = 1,419.6 Wh/day.

Tổng Wp của PV panel = 1,419.6 /4.58 = 310Wp

Chọn loại PV có 110Wp thì số PV cần dùng là 310 110 # 3 tấm

Bước 3. Tính inverter

Tổng công suất sử dụng = 18 + 60 + 75 = 153 W

Công suất inverter = 153 x 125% # 190W

Chọn inverter 200W trở lên

Bước 4. Tính toán Battery

Với 3 ngày dự phòng, dung lượng bình = 178 x 3 = 534 Ah

Như vậy chọn battery deep-cycle 12V/600Ah cho 3 ngày dự phòng.

Bước 5. Tính solar charge controller

Thông số của mỗi PV module: Pm = 110 Wp, Vm = 16.7 Vdc, Im = 6.6 A, Voc = 20.7 A, Isc = 7.5 A

Như vậy solar charge controller = (3 tấm PV x 7.5 A) x 1.3 = 29.25 A

Chọn solar charge controller có dòng 30A/12 V hay lớn hơn.

CÓ BA LOAI SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GRID TIE SOLAR SYSTEM

(Hệ thống đấu trực tiếp)

Tấm pin mặt trời Biến tần

Biến tần nối lưới (GTI)

Công việc của một biến tần năng lượng mặt trời là gì? Chúng điều chỉnh điện áp và dòng điện nhận được từ các tấm pin mặt trời của bạn. Dòng điện trực tiếp (DC) từ các tấm pin mặt trời của bạn được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều (AC), đây là loại dòng điện được sử dụng bởi phần lớn các thiết bị điện.

Ngoài ra, bộ biến tần nối lưới, còn được gọi là bộ biến tần tương tác lưới hoặc đồng bộ, đồng bộ hóa pha và tần số của dòng điện để phù hợp với lưới tiện ích (thường là 60Hz). Điện áp đầu ra cũng được điều chỉnh cao hơn một chút so với điện áp lưới để dòng điện dư thừa chảy ra lưới điện.

Đồng hồ điện

Hầu hết các chủ nhà sẽ cần phải thay thế đồng hồ đo điện hiện tại của họ bằng một đồng hồ tương thích với đo sáng mạng. Thiết bị này, thường được gọi là máy đo lưới hoặc máy đo hai chiều, có khả năng đo năng lượng đi theo cả hai hướng, từ lưới điện đến nhà bạn và ngược lại.

Bạn nên tham khảo ý kiến với công ty tiện ích địa phương của bạn và xem bạn có các tùy chọn đo lường mạng nào. Ở một số nơi, công ty tiện ích phát hành đồng hồ đo điện miễn phí và trả giá đầy đủ cho điện bạn tạo ra; Tuy nhiên, đây không phải là luôn luôn như vậy.

OFF GRID SOLAR SYSTEMS

(Hệ thống đấu với máy phát có battery)

Một hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới (ngoài lưới, độc lập) là sự thay thế rõ ràng cho một hệ thống gắn liền với lưới. Đối với các chủ nhà có quyền truy cập vào lưới điện, hệ thống năng lượng mặt trời ngoài lưới thường không có vấn đề. Đây là lý do:

Để đảm bảo truy cập điện mọi lúc, các hệ thống năng lượng mặt trời ngoài lưới yêu cầu bộ lưu trữ pin và máy phát điện dự phòng (nếu bạn sống ngoài lưới). Trên hết, một ngân hàng pin thường cần được thay thế sau 10 năm. Pin là phức tạp, đắt tiền và làm giảm hiệu quả hệ thống tổng thể.

Thiết bị cho hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới

Các hệ thống năng lượng mặt trời ngoài lưới điển hình đòi hỏi các thành phần phụ sau:

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời

Ngân hàng pin

Ngắt kết nối DC (bổ sung)

Biến tần ngoài lưới

Trình tạo sao lưu (tùy chọn)

Hybrid Solar Systems

(Hệ thống đấu với lưới điện có battery)

Thiết bị cho hệ thống năng lượng mặt trời lai

Các hệ mặt trời lai điển hình dựa trên các thành phần bổ sung sau:

• Bộ điều khiển sạc