CHƯƠNG 1: Tổng quan về Năng lượng mặt trời và Hệ thống điện mặt trời - Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về năng lượng mặt trời và những ứng dụng của nó: Năng lượng nhiệt (Thermal) và Năng lượng điện (Photovoltaic). Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời (Photovoltaic system) và phân loại các hệ thống điện mặt trời sẽ được mô tả chi tiết. Công nghệ sản xuất tấm pin quang điện cũng như hiệu suất, ưu nhược điểm và ứng dụng của từng công nghệ sẽ được đề cập. Phần cuối cùng của chương, chúng tôi cập nhật tình hình sản xuất và sử dụng điện mặt trời trên thế giới, tại Việt Nam và tiềm năng sử dụng năng lượng điện mặt trời.
CHƯƠNG 2: Đối tượng thiết kế và Tính toán phụ tải - Trong chương này, vị trí địa lý cũng như diện tích khả dụng của khu vực đề xuất thiết kế và lắp đặt hệ thống điện mặt trời cho toà nhà thư viện, trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội sẽ được mô tả chi tiết. Sản lượng điện năng từ hệ thống điện mặt trời nói chung phụ thuộc vào các tham số: khu vực lắp đặt, diện tích khả dụng, nhiệt độ môi trường và đặc biệt là cường độ bức xạ mặt trời; do đó các tham số này sẽ được phân tích. - Phần quan trọng của chương này, chúng tôi đề cập tới tính toán và phân tích nhu cầu phụ tải tiêu thụ của toà nhà - khu vực dự định thiết kế hệ thống, qua đó đánh giá được khái toán định mức thiết kế. CHƯƠNG 3: Tính toán và Thiết kế hệ thống điện mặt trời 100 kWp - Trong chương này, chúng tôi lựa chọn thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới (Grid-Connected PV system), mô tả sơ đồ nguyên lý, các bước tính toán lý thuyết nhằm lựa chọn sơ bộ công suất lắp đặt hệ thống, số lượng tấm pin quang điện, lựa chọn Inverter cũng như sơ đồ kết nối chuỗi các tấm pin với Inverter sẽ được mô tả chi tiết.
- Ngoài ra, việc tính toán và lựa chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ, tủ điện, kết nối của hệ thống điện mặt trời tới hệ thống lưới điện của toà nhà cũng là phần quan trọng của chương này. CHƯƠNG 4: Đánh giá và phân tích hiệu năng của hệ thống điện mặt trời nối lưới 100 kWp - Trong chương này, việc đánh giá và phân tích hiệu năng của hệ thống điện mặt trời nối lưới 100 kWp (ở chương 3) sẽ được đề cập. Chúng tôi sử dụng phần mềm phổ biến hiện nay là PVsyst, qua đó với các tham số đầu vào (ở chương 2), tham số tính toán (ở chương 3), phần mềm mô phỏng cho phép chúng tôi phân tích sản lượng điện năng của hệ thống (Năng lượng điện kWh sản xuất của hệ thống trung bình theo năm, theo các tháng/ năm, theo ngày điển hình trong năm. Việc đánh giá và phân tích này là cần thiết, bổ trợ thông tin hệ thống thiết kế cũng như giúp chúng tôi nhìn nhận rõ ràng hơn hiệu quả kỹ thuật/ kinh tế của hệ thống thiết kế.
- Phần 2 của chương 4, bằng việc sử dụng công cụ Autocad, chúng tôi đưa ra đề xuất mặt bằng lắp đặt hệ thống điện mặt trời 100 kWp trên mái toà nhà, sơ đồ nguyên lý kết nối, sơ đồ nguyên lý hệ thống điện cũng sẽ được mô tả chi tiết. Đe thực hiện công việc, phương pháp nghiên cứu của chúng tôi dựa trên nghiên cứu tổng hợp lý thuyết; khảo sát khu vực lắp đặt và tổng hợp phân tích dữ liệu đầu vào; tính toán lý thuyết và sử dụng công cụ là phần mềm mô phỏng. TỔNG QUAN VÈ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THÔNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời [1] là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ mặt trời. ứng dụng chính của năng lượng mặt trời là: Năng lượng nhiệt (Thermal) và Năng lượng điện (Photovoltaic).
Hình 1-1: Các ứng dụng của năng lượng mặt trời [2] 1.1 Năng lượng nhiệt Các bộ thu năng lượng mặt trời [2] là các bộ hội tụ (như máng gương parabon, bộ hội tụ Fresnel, tháp hội tụ sử dụng các gương phang. Quá trình chuyển đổi năng lượng thực hiện qua 2 bước. Đầu tiên, năng lượng mặt trời được hội tụ để tạo ra nguồn năng lượng có mật độ và nhiệt độ rất cao. Sau đó nguồn năng lượng này làm hóa hơi nước (hoặc dầu) ở áp suất và nhiệt độ cao để cấp cho tua bin của máy phát điện để sản xuất điện.
Ở một số nhà máy sản xuất điện mặt trời ở các nước Trung Đông và Tây Ban Nha còn kết hợp để sản xuất điện và nước sạch từ nước biển nhờ ngưng tụ hơi nước. Thực tế cho thấy công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi khá cao, khoảng 25%, nhưng nó chỉ có hiệu quả ở các khu vực có mật độ năng lượng mặt trời cao hơn 5,5 kWh/m2/ngày và công suất nhà máy không nhỏ hơn 5 MW. Ngoài ra, cần có thêm thiết bị điều khiển các bộ thu POVVER BLOCK MOLTEN SALT SYSTEM COLLECTOR EIELD |ị**o| lOSOV 5ĨO*F Hình 1-2: Công nghệ năng lượng mặt trời hội tụ luôn dõi theo chuyển động của mặt trời. Chi phí lắp đặt ban đầu khá cao.2 Năng lượng điện Hình 1-3: Mô hình quá trình chuyển đổi năng lượng quang - điện [3] Khi một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:[3] Đầu tiên: Photon truyền trực xuyên qua mảnh Silic.
Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn. Tiếp theo: Năng lượng của photon được hấp thụ bởi Silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn. Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể.
Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là “lỗ trống”. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ trống”, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống”.
Cứ tiếp tục như vậy “lỗ trống” di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại hệ thống điện mặt trời 1.1 Nguyên lý hoạt động Hệ thống điện năng lượng mặt trời [4] được cấu thành chính từ các tấm pin mặt trời (pin quang điện).
Các tấm pin năng lượng mặt trời trong hệ thống đóng vai trò hấp thụ ánh nắng mặt trời, chuyển hóa quang năng thành điện năng (dòng điện 1 chiều) và điện năng được đưa lên điện lưới (xoay chiều) hoặc lưu trữ trực tiếp trên acquy để hoạt động độc lập. Hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ chuyển hóa từ nguồn điện một chiều (DC) thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi điện nối lưới (Inverter). Hệ thống điện mặt trời có thể kết hợp với một hoặc nhiều máy phát khác hoặc là một nguồn năng lượng tái tạo khác (điện gió, điện sinh khối .), có thể nối lưới điện quốc gia.2 Phân loại hệ thống điện mặt trời Tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng mà hệ thống điện năng lượng mặt trời nói chung được phân ra làm 3 cấu hình chính [1]: - Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới; - Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập lưới (Stand alone); - Hệ thống điện năng lượng mặt trời tương tác lưới (Hybrid). a) Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới Mô hình tổng quan của hệ thống điện mặt trời hòa lưới được mô tả bằng hình dưới đây: Hình 1-4: Mô hình tổng quan của hệ thống điện mặt trời hòa lưới Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới là hệ thống điện một chiều kết nối với lưới thông qua biến tần hòa lưới (Grid connected inverter) và thông thường không cần dùng acquy để tích trữ năng lượng.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời này có khả năng sản xuất một lượng lớn năng lượng để truyền lên lưới điện và được thiết kế để tự động tắt (Anti-Islanding) nếu phát hiện các sự cố trên lưới hoặc hệ thống năng điện năng lượng mặt trời liên quan đến các thông số lưới như điện áp, tần số. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng măt trời hòa lưới: điện thu được từ tấm pin mặt trời (Solar Panel) là điện 1 chiều, qua biến tần hòa lưới (Grid connected Inverter) có chức năng đổi từ điện DC sang AC cùng pha, cùng tần số với điện lưới, sau đó hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới: - Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời đáp ứng nhu cầu điện năng của tải thì tải tiêu thụ điện năng hoàn toàn từ pin mặt trời. - Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời nhỏ hơn so với nhu cầu điện năng của tải thì tải sẽ lấy thêm điện năng của lưới để bù vào. - Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời lớn hơn với nhu cầu điện năng của tải lưới thì lượng điện năng thừa sẽ được phát lên lưới.
Ưu điểm của hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới: - Hệ thống không sử dụng acquy nên chi phí đầu tư và bảo dưỡng cho hệ thống điện mặt trời thấp, thao tác vận hành đơn giản. Dễ dàng nâng cấp mở rộng hệ thống. - Tiết kiệm chi phí điện năng, góp phần bảo vệ mội trường. - Hệ thống tự động ngưng hoạt động trong trường hợp điện lưới mất để đảm bảo an toàn cho lưới điện và người sử dụng.
b) Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập lưới Mô hình tổng quan của hệ thống điện mặt trời độc lập được mô tả bằng hình dưới đây: Acquy Hình 1-5: Mô hình tổng quan của hệ thống điện mặt trời độc lập Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập là hệ thống điện năng lượng mặt trời không hòa lưới và sử dụng các biến tần không đấu lưới có kết hợp bộ acquy để tích trữ điện năng.