Luận văn thạc sĩ về mô hình giám sát năng lượng mặt trời áp mái hòa lưới

Luận văn thạc sĩ phân tích quản lý năng lượng mô hình giám sát nguồn mặt trời áp mái hòa lưới, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Trần Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Tuyên
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Quản lý năng lượng
• Đề tài: Mô Hình Giám Sát Nguồn Mặt Trời Áp Mái
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. HỒ CHÍ MINH

Tóm tắt

I. Tổng quan về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (năng lượng tái tạo) là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất mà thiên nhiên cung cấp. Sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào việc tiết kiệm chi phí năng lượng. Hệ thống năng lượng mặt trời (hệ thống năng lượng mặt trời) thường bao gồm các tấm pin mặt trời, bộ biến tần và các thiết bị giám sát, giúp chuyển đổi và quản lý năng lượng hiệu quả. Việc giám sát năng lượng mặt trời giúp người dùng nhận biết hiệu suất của hệ thống và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Theo nghiên cứu, việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giúp giảm tải cho lưới điện truyền thống.

1.1. Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng mà trong đó ánh sáng (photon) tác động lên các electron trong vật chất, dẫn đến sự phát sinh điện. Hiện tượng này là cơ sở cho việc hoạt động của các tấm pin năng lượng mặt trời. Các nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất của các tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng vật liệu chế tạo và điều kiện môi trường. Việc tối ưu hóa hiệu suất pin là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời.

1.2. Phân loại pin năng lượng mặt trời

Có nhiều loại pin năng lượng mặt trời khác nhau, bao gồm pin đơn tinh thể, đa tinh thể và pin màng mỏng. Mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Pin đơn tinh thể thường có hiệu suất cao nhất nhưng chi phí cũng cao hơn. Trong khi đó, pin đa tinh thể có giá thành thấp hơn nhưng hiệu suất lại thấp hơn một chút. Việc lựa chọn loại pin phù hợp sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời.

II. Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời áp mái

Quá trình thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời áp mái bao gồm việc tính toán tổng lượng tiêu thụ điện của các thiết bị trong hộ gia đình. Điều này giúp xác định kích thước của hệ thống pin mặt trời cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng. Đặc biệt, việc tính toán số lượng tấm pin và công suất của bộ biến tần là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc thiết kế chính xác sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí cho người tiêu dùng.

2.1. Tính toán nhu cầu điện năng

Để thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả, cần tính toán chính xác nhu cầu điện năng của hộ gia đình. Việc này bao gồm việc xác định các thiết bị sử dụng điện, thời gian hoạt động và mức tiêu thụ điện của từng thiết bị. Bằng cách này, người dùng có thể biết được công suất cần thiết của hệ thống năng lượng mặt trời. Từ đó, có thể lựa chọn số lượng tấm pin và công suất bộ biến tần phù hợp.

2.2. Lắp đặt và bảo trì

Việc lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời cần được thực hiện bởi các chuyên gia để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Sau khi lắp đặt, việc bảo trì định kỳ cũng rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu suất cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc bảo trì đúng cách có thể kéo dài tuổi thọ của hệ thống và giảm thiểu chi phí sửa chữa.

III. Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời

Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi hiệu suất của hệ thống. Các thiết bị giám sát cho phép người dùng theo dõi các thông số như điện áp, dòng điện và công suất tiêu thụ. Việc này không chỉ giúp người dùng nhận biết được hiệu suất hoạt động mà còn phát hiện kịp thời các sự cố trong hệ thống. Hệ thống giám sát hiện đại thường được tích hợp công nghệ IoT, cho phép người dùng theo dõi từ xa qua điện thoại thông minh.

3.1. Các thiết bị giám sát

Hệ thống giám sát bao gồm nhiều thiết bị như cảm biến điện áp, cảm biến dòng điện và bộ điều khiển trung tâm. Các thiết bị này giúp thu thập dữ liệu và gửi về một hệ thống quản lý để phân tích. Việc sử dụng các thiết bị giám sát hiện đại giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu rủi ro hư hỏng trong hệ thống.

3.2. Phân tích và báo cáo

Dữ liệu thu thập từ hệ thống giám sát có thể được phân tích để đưa ra các báo cáo về hiệu suất của hệ thống. Các báo cáo này giúp người dùng có cái nhìn tổng quan về việc sử dụng năng lượng và đưa ra các quyết định tối ưu hóa hiệu suất. Việc phân tích dữ liệu cũng giúp phát hiện kịp thời các vấn đề trong hệ thống, từ đó có biện pháp khắc phục hiệu quả.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Năng lượng mặt trời áp mái là một giải pháp hiệu quả cho việc sử dụng năng lượng tái tạo. Việc thiết kế và lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời cần được thực hiện một cách khoa học và hợp lý để tối ưu hóa hiệu suất. Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời không chỉ giúp theo dõi hiệu suất mà còn nâng cao khả năng quản lý năng lượng. Tương lai, việc phát triển công nghệ giám sát và tích hợp IoT sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc sử dụng năng lượng mặt trời.

4.1. Tiềm năng phát triển

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt là trong bối cảnh nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Việc phát triển hệ thống năng lượng mặt trời áp mái sẽ góp phần giảm áp lực lên lưới điện quốc gia và thúc đẩy sự phát triển bền vững. Chính phủ cũng đang có nhiều chính sách khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển hệ thống năng lượng mặt trời.

4.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, như cải tiến hiệu suất của pin năng lượng mặt trời hoặc phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng. Ngoài ra, việc nghiên cứu sâu hơn về các hệ thống giám sát thông minh và công nghệ IoT sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu chi phí cho người tiêu dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT ĐIỆN BẰNG PIN MẶT TRỜI. Tổng quan về pin mặt trời.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.2 Hiệu suất và tuổi thọ của pin năng lượng mặt trời (nlmt) Hoạt động của pin mặt trời chịu ảnh hưởng của những yếu tố nào? Hiệu suất của tấm pin NLMT, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, về lý thuyết có thể lên tới 30%, tuy nhiên với các sản phẩm thương mại (hiện bán trên thị trường Việt Nam) hiệu suất trung bình đạt được từ 15% đến 18% ở điều kiện tiêu chuẩn của nhà sản xuất. Trong điều kiện thực tế, hiệu suất đạt được chỉ đạt từ 85 - 90% hiệu suất tiêu chuẩn.

Bên cạnh đó, một số yếu tố tự nhiên và cách lắp đặt, sử dụng có tác động lớn đến hiệu suất của pin NLMT như: điều kiện khí hậu, hướng lắp đặt, góc nghiêng lắp đặt, chất lượng của các tế bào quang, chế độ bảo dưỡng. Là thiết bị biến đổi quang năng thành điện năng, vì thế pin NLMT chỉ hoạt động khi có ánh sáng. Khi ánh sáng yếu, mưa, thời tiết âm u, buổi đêm. thì pin NLMT sẽ không hoạt động hoặc với hiệu quả rất thấp.

Về góc làm việc của tấm pin NLMT, đối với Việt Nam, hướng Nam là hướng có tổng thời gian đón bức xạ mặt trời nhiều nhất trong năm và là hướng tối ưu để lắp tấm pin năng lượng mặt trời. Để nhận được tối đa năng lượng mặt trời dưới dạng quang năng, khi lắp đặt cần phải quan tâm đến độ nghiêng của thiết bị. Ở Việt Nam góc nghiêng tối ưu nhất khi lắp đặt các tấm pin mặt trời là 15 - 45 độ, độ dốc nghiêng thấp dần về phía Nam. Ví dụ ở Hà Nội, độ nghiêng hợp lý nhất là khoảng 20 - 22 độ, và ở TP HCM là 16 - 18 độ.

Hiệu suất tấm pin cũng sẽ giảm dần theo thời gian, khi một tế bào quang trên tấm pin hỏng thì hiệu suất giảm rất nhiều. 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn Việc bảo dưỡng thường xuyên, ở đây là công tác làm sạch các tấm PMT là rất cần thiết trong điều kiện môi trường, khí hậu tại Việt Nam, việc bề mặt các tấm PMT bị bám bẩn sẽ ngăn cản quá trình biến đổi quang năng thành điện năng, làm giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị.3 Cấu tạo và hoạt động pin năng lượng mặt trời (nlmt) Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau.

1 Cấu tạo một tế bào năng lượng mặt trời cơ bản 17 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn 1.4 Phân loại pin năng lượng mặt trời Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: * Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%.

Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. 2 Pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể * Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

3 Pin năng lượng mặt trời đa tinh thể * 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, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 µm tạo thành và xếp lại để tạo nên module. 18 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS.

Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn Hình 1. 4 Pin năng lượng mặt trời màng mỏng 1.5 Ứng dụng phát điện bằng pin năng lượng mặt trời - Tích hợp vào thiết bị - Nguồn điện di động - Nguồn điện cho tòa nhà - Nhà máy điện mặt trời…. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới nên được ứng dụng cho các dự án sau đây: § Lắp đặt điện mặt trời hòa lưới cho các hộ gia đình. § Điện mặt trời hòa lưới sử dụng cho các nhà xưởng, nhà máy, doanh nghiệp.

§ Ứng dụng điện mặt trời hòa lưới cho các văn phòng, tòa nhà. § Lắp đặt điện mặt trời hòa lưới sử dụng cho bệnh viện, trường học. § Điện mặt trời hòa lưới nên được ứng dụng cho các siêu thị, trung tâm thương mại. § Ngoài ra điện mặt trời hòa lưới còn được ứng dụng rộng rãi ở nhà ga, bến xe, sân bay… 19 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS.

Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn Hình 1. 5 Một số nơi lắp điện mặt trời 1.6 Một số yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất pin nlmt Nhiệt độ môi trường, vị trí lắp đặt Chúng ta thường gọi tấm pin mặt trời theo công thức đơn giản: Tấm pin + hãng sản xuất + công suất. VD: “Tấm pin Sunpower 300W”. 300W là công suất đỉnh trong điều kiện thí nghiệm STC (Standard Test Condition).

Trong thí nghiệm STC, nguồn sáng có cường độ 1000W/m2 sẽ chiếu lên bề mặt tấm pin. Nhiệt độ của cell tấm pin là 25°C, môi trường là 5°C. Mây mưa, thời gian trong ngày, vị trí mặt trời trong năm ảnh hưởng đến lượng bức xạ giàn pin nhận được từ mặt trời. Mỗi nơi cũng sẽ có lượng bức xạ nhận được khác nhau.

Tại Việt Nam, khu vực Ninh Thuận, Bình Thuận có lượng bức xạ lớn nhất. Khu vực miền bắc có lượng bức xạ thấp hơn miền Trung và miền Nam. Do đó, ứng với nhiệt độ và bức xạ của môi trường thực tế. Tấm pin sẽ không thể đạt đến ngưỡng công suất tối đa.

20 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn Thời điểm bức xạ mặt trời đạt đỉnh vào buổi trưa (Tấm pin hấp thụ nhiều nắng nhất ). Lại là thời điểm nhiệt độ môi trường cao nhất (Tấm pin suy hao công suất nhiều nhất). Cách xác định tương đối công suất tối đa tấm pin đạt được ngoài thực tế :s Hình 1.

6 Bảng ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phát điện pin mặt trời Theo bảng thông số kỹ thuật. Pmax của tấm pin sẽ giảm 0. Giả sử tấm pin đặt trên mái nhà với nhiệt độ môi trường là 30°C. Suy ra nhiệt độ của cell khoảng 45°C.

Tổn hao công suất của tấm pin: %Tổn Hao = (45 – 25) x (-0.2% Tấm pin 360W phát tối đa: Pmax (thực tế) =(100% – 8.48 (W) 21 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn Hình 1. 7 Bản đồ bức xạ nhiệt tại Việt Nam 22 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn Bụi bẩn Mặt kính tấm pin có bề mặt nhám ( tránh phản xạ ánh sáng ) giúp tấm pin hấp thụ ánh sáng tốt hơn.

Bụi bẩn sẽ bám lên bề mặt tấm pin sau một thời gian lắp đặt. Lớp bụi làm giảm lượng ánh sáng tấm pin nhận được. Do đó làm suy giảm công suất phát điện của tấm pin. Ngoài ra khi đấu nối hệ thống còn chiều tổn thất do dây dẫn và hiệu suất invertrer… 2.

Các phương pháp phát điện từ pin mặt trời 2. Các thành phần chính của hệ thống phát điện bằng nlmt • Pin NLMT (solar module): thu ánh sáng từ mặt trời, cho ra dòng điện 1 chiều (DC) VDC = 12/24/48 tùy theo hệ thống. • Giá đỡ (mounting rack): giúp cho pin NLMT nhận được ánh sáng nhiều nhất trong một ngày • Bộ điều khiển sạc (solar charge controller - SCC): dùng để sạc acquy tối ưu, bảo vệ pin NLMT • Acquy (battery bank): hệ thống lưu trữ năng lượng • Bộ nghịch lưu không nối lưới (Off grid Inverter): dùng chuyển điện 1 chiều từ acquy sang xoay chiều DC - AC. • Bộ nghịch lưu nối lưới (On grid Inverter): dùng chuyển điện 1 chiều từ pin NLMT sang điện xoay chiều, chỉ hoạt động khi có điện lưới.

Kết hợp với điện lưới để cung cấp năng lượng cho tải, qua đó giảm điện năng lấy từ điện lưới. • Bộ nghịch lưu hòa lưới : dùng chuyển điện 1 chiều từ pin NLMT sang điện xoay chiều, Lượng điện cung cấp trực tiếp vào hệ thống điện trong nhà và cấp ngược ra tải điện lưới quốc gia, khi lượng điện từ Pin NLMT phát ra dư dùng và ngược lại. • Phụ kiện lắp đặt. 23 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS.

Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn • 1 : Tấm pin mặt trời (Solar Panel) • 2: Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller) • 3 : Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter) • 4 : Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter) • 5 : Ắc quy (Battery) Hình 1. 8 Vị trí bố trí các phần tử của hệ thống năng lượng mặt trời áp mái trong hộ tiêu thụ 24 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn 2. Hệ thống không nối lưới ( độc lập ): Khi có ánh nắng mặt trời, các tấm thu năng lượng sẽ hấp thu ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng, sau đó sạc vào bình acquy để lưu trữ và sử dụng.

Ưu điểm: - Phù hợp cho những nơi chưa có điện lưới, điện lưới không ổn định hoặc giá thành cao Nhược điểm: - Giá thành & chi phí bảo dưỡng cao (chủ yếu là cho acquy) - Tuổi thọ bình acquy từ 3-4 năm phải thay mới - Tổn thất nhiều. 9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát điện độc lập bằng pin mặt trời 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Trần Anh Tuấn 2.