Đồ án Mẫu Điện Mặt Trời: Thiết kế hệ thống độc lập và hòa lưới đầy đủ

Tải đồ án điện mặt trời đầy đủ về thiết kế, tính toán hệ thống độc lập và hòa lưới. Tài liệu tham khảo chi tiết cho sinh viên ngành điện.

• Đề tài: Đồ án điện mặt trời [Full]: Thiết kế & Tính toán chi tiết
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Chuyên ngành: Electrical Engineering

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống nguồn điện pin Mặt Trời

Hệ thống điện mặt trời là giải pháp năng lượng tái tạo được sử dụng rộng rãi hiện nay. Với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ sắp cạn kiệt, pin quang điện trở thành lựa chọn ưu tiên. Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng sạch, miễn phí và bền vững. Đồ án điện mặt trời này tập trung vào công nghệ pin quang điện để sản xuất điện độc lập hoặc hòa lưới. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như dàn pin mặt trời, bộ điều khiển, bộ lưu trữ năng lượng và thiết bị điện tử điều khiển. Việc thiết kế và tính toán chi tiết hệ thống là bước quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ tin cậy cao.

1.1. Hệ năng lượng pin Mặt Trời tổng quát

Hệ thống pin mặt trời gồm hai loại chính: hệ nối lưới và hệ độc lập. Hệ nối lưới kết nối với lưới điện công cộng, cho phép bán điện dư thừa. Hệ độc lập cung cấp điện cho các khu vực không có lưới điện. Cả hai hệ đều cần bộ điều khiển nạp phóng, inverter và các thiết bị bảo vệ. Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện - pin chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành điện năng một chiều.

1.2. Các loại hệ thống điện Mặt Trời

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới không cần lưu trữ năng lượng, tiết kiệm chi phí. Hệ thống điện mặt trời độc lập sử dụng bộ acquy để lưu trữ năng lượng, phù hợp cho vùng sâu. Hệ hòa lưới có lưu trữ kết hợp ưu điểm của cả hai loại. Lựa chọn hệ thống phụ thuộc vào vị trí địa lý, nhu cầu điện năng và điều kiện kinh tế.

II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời

Pin mặt trời (pin quang điện) là thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Cấu tạo cơ bản gồm hai lớp bán dẫn silicon (loại p và loại n) tạo thành kết p-n. Khi ánh sáng chiếu vào, các photon cung cấp năng lượng cho các electron vượt qua vùng tiếp xúc, tạo ra dòng điện. Đặc trưng điện của pin bao gồm dòng ngắn mạch (Isc), điện áp hở mạch (Voc) và điểm làm việc công suất cực đại (MPP). Modun pin mặt trời là sự ghép nối của nhiều pin để tăng điện áp và dòng điện. Hiệu suất chuyển đổi của pin hiện đại đạt 15-22%, phụ thuộc vào chất lượng vật liệu và điều kiện hoạt động.

2.1. Cấu tạo pin Mặt Trời

Pin mặt trời bao gồm lớp antireflective, lớp silicon tinh thể, điện cực trước và sau. Kết p-n là phần quan trọng tạo ra điện áp. Bề mặt pin được xử lý để giảm phản xạ ánh sáng. Modun pin là sự kết hợp 36-72 pin được ghép nối tiếp để đạt điện áp 12-24V hoặc cao hơn. Khung nhôm bảo vệ và kính chịu lực đảm bảo độ bền cao.

2.2. Nguyên lý hoạt động và đặc trưng điện

Nguyên lý quang điện: khi photon chiếu vào, electron được kích thích sang mức năng lượng cao, tạo cặp electron-lỗ. Điện áp hở mạch (Voc) là điện áp tối đa khi không có dòng. Dòng ngắn mạch (Isc) là dòng cực đại khi tụ ngắn. Điểm công suất cực đại (MPP) là điểm làm việc tối ưu. Hiệu suất được xác định bằng tỷ lệ công suất đầu ra/công suất ánh sáng tới.

III. Thiết kế hệ thống điện Mặt Trời độc lập

Thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập yêu cầu xác định các thông số cần thiết bao gồm nhu cầu điện năng hàng ngày, vị trí địa lý, bức xạ mặt trời trung bình năm, nhiệt độ hoạt động. Tính toán chi tiết bao gồm xác định công suất dàn pin mặt trời, dung lượng bộ acquy, kích thước bộ điều khiển và inverter. Góc nghiêng của dàn pin ảnh hưởng lớn đến hiệu suất, thường được chọn bằng vĩ độ nơi lắp đặt. Hệ thống bảo vệ cần bao gồm các diode, cầu chỉnh lưu và các thiết bị bảo vệ quá dòng. Việc tính toán chính xác đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tiết kiệm chi phí.

3.1. Các thông số thiết kế và yêu cầu tải

Thông số cần thiết: nhu cầu năng lượng (kWh/ngày), số giờ nắng trung bình, nhiệt độ hoạt động, vị trí lắp đặt. Yêu cầu tải: công suất cao nhất, tính chất tải (có quạt, máy bơm?), thời gian hoạt động. Bức xạ mặt trời được tính toán dựa trên dữ liệu khí hậu địa phương. Góc nghiêng tối ưu phụ thuộc vào vĩ độ và mục tiêu (tối ưu hóa lấy điện quanh năm hay mùa hè).

3.2. Tính toán công suất và dung lượng bộ acquy

Công suất dàn pin được tính: P = (E × d) / (n × H), trong đó E là nhu cầu năng lượng, d là hệ số sự cố, n là hiệu suất hệ thống, H là giờ nắng. Dung lượng bộ acquy (Ah) = (E × D) / V, với E là năng lượng, D là ngày tự cấp, V là điện áp hệ thống. Bộ điều khiển chọn dựa trên dòng điện dàn pin. Inverter phải đủ công suất cho tải AC.

IV. Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới và các thiết bị điều khiển

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới kết nối trực tiếp với lưới điện công cộng, không cần bộ acquy trong phiên bản đơn giản, giảm chi phí đầu tư. Nguyên lý hoạt động: inverter chuyển đổi điện DC từ pin thành AC phù hợp với lưới điện. Khi pin phát điện dư thừa, năng lượng được bán cho lưới. Khi thiếu điện, hệ thống lấy từ lưới. Hệ hòa lưới có lưu trữ bổ sung pin lưu trữ năng lượng để sử dụng khi lưới gặp sự cố. Bộ điều khiển MPPT tối ưu hóa điểm làm việc của pin, tăng hiệu suất 20-30%. Các thiết bị điều khiển bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ biến áp, cảm biến nhiệt độ và các rơle bảo vệ để đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.

4.1. Nguyên lý hoạt động hệ hòa lưới

Hệ hòa lưới không lưu trữ: Pin phát điện → Inverter chuyển DC/AC → Cung cấp cho tải và lưới. Khi thiếu điện, lưới bổ sung. Hệ hòa lưới có lưu trữ: bổ sung bộ acquy và bộ điều khiển nạp phóng. Cho phép sử dụng điện khi lưới gặp sự cố. Bộ MPPT theo dõi điểm công suất cực đại, tăng hiệu suất. Hệ thống bảo vệ ngăn dòng ngược, quá dòng, quá áp.

4.2. Các thiết bị điều khiển và điều chỉnh

Bộ điều khiển sạc (MPPT/PWM): điều khiển quá trình nạp pin, tối ưu hóa công suất. Inverter DC/AC: chuyển đổi điện áp DC sang AC 220V, 50Hz. Bộ tăng-giảm áp: ổn định điện áp đầu ra. Rơle bảo vệ: ngắt mạch khi sự cố. Cảm biến: đo nhiệt độ, dòng điện, điện áp. Tủ điều khiển tích hợp các thiết bị, kết nối dàn pin, acquy và lưới điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI 1.1 Hệ năng lượng pin Mặt Trời tổng quát: Hiện nay có hai công nghệ nguồn điện pin Mặt Trời thông dụng. Đó là hệ nguồn điện pin Mặt Trời nối lưới và hệ nguồn độc lập. Trong hệ nguồn pin Mặt Trời nối lưới, điện năng một chiều từ dàn pin Mặt Trời được biến đổi thành dòng điện xoay chiều và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp. Ưu điểm của loại nguồn này là không phải dùng bộ dự trữ điện năng, một thành phần chiếm tỷ trọng chi phí lớn, phải chăm sóc bảo dưỡng phức tạp và gây ô nhiễm môi trường.

Đối với khu vực không có lưới điện hoặc sử dụng với quy mô nhỏ, người ta dùng công nghệ nguồn pin Mặt Trời độc lập. Phần lớn các ứng dụng nguồn điện Mặt Trời ở khu vực nông thôn, vùng sâu vùng xa ở các nước đang phát triển người ta sử dụng công nghệ nguồn độc lập. Một hệ thống năng lượng pin Mặt Trời là một tổ hợp của các thành phần sau đây: - Dàn pin hay máy phát pin Mặt Trời; - Bộ tích trữ điện năng; - Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện, tạo cân bằng năng lượng trong hệ; - Các tải tiêu thị điện; Dàn hay máy phát Các bộ điều phối Tải pin Mặt Trời. năng lượng Bộ tích trữ năng lượng Hình 1.

Sơ đồ hệ năng lượng pin Mặt Trời tổng quát.2 Đặc điểm từng thành phần của hệ: [2]  Dàn pin Mặt Trời: 1 Dàn pin Mặt Trời gồm một hoặc một số modun pin Mặt Trời ghép (song song, nối tiếp hay hỗn hợp) để có công suất điện, hiệu thế điện phù hợp với yêu cầu của các tải. Dàn pin Mặt Trời là thành phần chính của một hệ nguồn điện Mặt Trời và chiếm đến khoảng 60% tổng chi phí đầu tư. Dàn pin Mặt Trời nhận năng lượng ánh sáng Mặt Trời và biến đổi trực tiếp thành điện năng một chiều cung cấp cho các tải tiêu thụ điện.  Bộ tích trữ năng lượng: Thông thường các tải tiêu thụ điện như các thiết bị thông tín, đèn chiếu sáng, TV, radio.

cần có nguồn điện làm việc liên tục hoặc vào các thời gian không có nắng. Trong lúc đó, pin Mặt Trời chi phát điện lúc có nắng. Vì vậy cần phải có một bộ tích trữ năng lượng (ví dụ bộ acquy). Ngoài ra các bỏ tích trữ năng lượng còn ổn định thế điện cấp cho tài.

Trong một số trường hợp đặc biệt, ví dụ tài là máy bơm nước, không cần phải hoạt động lúc không có nắng, thì hệ có thể không cần thành phần tích trữ năng lượng này.  Các bộ điều phối năng lượng: Để điều khiển tự động quá trình dàn pin Mặt Trời nạp điện cho acquy và quá trình acquy phóng điện cấp cho các tải tiêu thu, tránh các trạng thái có hại như acquy bị nạp điện “quá no¨ hoặc phóng điện "quá đói", người ta phải dùng các Bộ điều khiển kiểm soát một cách tự động các quá trình phóng nạp cho acquy. Các thiết bị tiêu thụ điện nói chung cần dòng điện xoay chiều, thế 220 V hoặc 110 V, tần số 50 ÷ 60 Hz. Trong lúc đó điện từ dàn pin Mặt Trời và bộ acquy chỉ là điện một chiều.

Vì vậy, để có điện xoay chiều, người ta pahir đưa vào đó các bộ biến đổi điện. Tất cả các thiết bị điều khiển quá trình phóng nạp điện cho acquy, thiết bị đổi điện,. đều có nhiệm vụ chung là phối hợp, điều tiết sự cung cấp và cân bằng năng lượng trong hệ thống; nên chúng được gọi chung là thành phần cân bằng năng lượng, viết tắt là BOS (Balance of System). Các thiết bị trong thành phần BOS, tất nhiên, cũng gây ra các tổn hao năng lượng.

Vì vậy đối với hệ năng lượng pin Mặt Trời, việc lựa chọn loại thiết bị, chất lượng và kích cỡ các thiết bị này cũng là một vấn đề rất quan trọng trong cônig tác thiết kế, lắp đặt hệ thống.  Tải: Phạm vi cấp điện của hệ thống điện Mặt Trời có thể là hộ gia đình hoặc khu công nghiệp hoặc cũng có thể là khu vực hải đảo, vùng xâu vùng xa, …tùy thuộc vào công suất của nguồn. PIN MẶT TRỜI 2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời: Pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin Mặt Trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dân silicon (Si). Si là một chất bán dẫn điển hình và có hoá trị 4.

Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho (P) có hoá trị 5. Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại P thì tạp chất acceptor được lùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3. Đối với pin Mặt Trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiều sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng đoạn mạch của nó dưới bức xạ Mặt Trời 1000w/m2 vào khoảng (25-30} mA/. Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các pin Mặt Trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si).

Pin Mặt Trời a -Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn. Tuy nhiên, so với pin Mặt Trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời. [2] Cấu tạo pin Mặt Trời được chế tạo bằng 6 thành phần chính được mô tả dưới bài viết dưới đây. Chúng được lắp ráp tại các nhà máy sản xuất tiên tiến, hiện đại bậc nhất thế giới với độ chính xác cực cao.

Các tấm năng lượng Mặt Trời được chế tạo bằng pin Mặt Trời tinh thể silicon, cho đến nay đây được xem là công nghệ năng lượng Mặt Trời phổ biến nhất và hiệu suất cao nhất hiện nay. Các công nghệ PV Mặt Trời khác có sẵn như các tế bào in màng mỏng và màn hình những công nghệ này vẫn đang được cải tiến và phát triển. [4] 6 thành phần chính để cấu tạo pin năng lượng Mặt Trời bao gồm: 1. Các tế bào quang điện Mặt Trời (Solar cell) 2.

Kính cường lực - dày 3 đến 4 mm 3. Khung nhôm ép 4. Bao bọc - Các lớp màng EVA 5. Tấm nền phía sau Polymer 6.

Hộp kết nối - điốt và kết nối 3 Hình ảnh cấu tạo của hệ thống pin Mặt Trời [4] Tinh thể silicon có độ tinh khiết cao được sử dụng để sản xuất pin Mặt Trời. Các tinh thể được xử lý vào pin Mặt Trời bằng phương pháp nấu chảy và đúc. Đúc hình khối sau đó được cắt thành thỏi, và sau đó cắt thành các tấm mỏng rất mỏng 2.2 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời: Các mô-đun quang điện, thường được gọi là mô-đun năng lượng Mặt Trời, là thành phần chính trong tấm pin năng lượng Mặt Trời, được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành điện năng. Các mô-đun năng lượng Mặt Trời được làm bằng chất bán dẫn rất giống với các mô-đun được sử dụng để tạo ra các mạch tích hợp cho thiết bị điện tử.

Loại chất bán dẫn phổ biến nhất hiện đang được sử dụng được làm từ tinh thể silicon. Với nguyên lý pin Mặt Trời này thì các tinh thể silic được ép thành các lớp loại n và loại p, xếp chồng lên nhau. Ánh sáng chiếu vào các tinh thể tạo ra hiệu ứng quang điện trong, tạo ra điện. Điện được sản xuất từ tấm pin được gọi là dòng điện trực tiếp (DC) và có thể được sử dụng ngay lập tức hoặc được lưu trữ trong pin để chuyển hóa thành dòng điện xoay chiều AC sử dụng cho các thiết bị,… 2.3 Các đặc trưng điện của pin Mặt Trời: 2.1 Sơ đồ tương đương: [1] 4 Như đã trình bày ở trên, khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bạn dẫn P và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph.

Vì vậy trước hết pin Mặt Trời có thể xem tương đương như một nguồn dòng. Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một điọt. Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện- được gọi là dòng dò qua nó. Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh (shun).

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bản dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,. Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin Mặt Trời). sơ đồ tương đương của pin Mặt Trời và đường đặc trưng sáng của pin Mặt Trời Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được những phương trình đặc trưng Volt – Ampere của pin Mặt Trời như sau: I = 𝐼ph − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑠ℎ = 𝐼ph − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑝 ]− (2.1) Trong đó: Iph : dòng quang điện (A/m2 ). Id : dòng qua diot (A/m2 ).

5 n : được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ pin Mặt Trời. Gần đúng có thể lấy n = 1. Rs : điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin Mặt Trời (Ω/m2); Rsh : điện trở shun (Ω/m2); q : điện tích của điện tử (C); Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức (2. Đường đặc trưng sáng V-A của pin Mặt Trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong trong (hình 2.

Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:  Dòng ngắn mạch Isc  Điện áp hở mạch Voc  Điểm công suất cực đại PM 2.2 Dòng ngắn mạch Isc: [1] Dòng ngắn mạch Isc là dòng điện trong mạch của pin Mặt Trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0. Đặt giá trị V = 0 vào biểu thức (1.2) Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối tiếp Rs có thể bỏ qua, và Id= 0 và do đó ta có: Isc = Iph = αE. Trong đó E là cường độ sáng, α là một hệ số tỉ lệ.

Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng ngắn mạch Isc của pin Mặt Trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Đặc tính V-A và công suất – điện áp của pin Mặt Trời với cường độ sáng khác nhau (Pin Mặt Trời 225 W của hãng SHARP) 2.