Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đề tài "Tính toán và thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái độc lập công suất 4.5kW cho hộ gia đình ở Bình Thuận" được thực hiện bởi sinh viên Ngô Nguyễn Anh Thư và Võ Trường Vĩ, dưới sự hướng dẫn của Th.S Lê Bá Tân tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 4 năm 2024).
Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn
Theo số liệu trình bày trong đồ án, nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới và tại Việt Nam liên tục tăng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống (than đá, dầu mỏ, khí đốt, thủy điện) đang dần cạn kiệt và gây tác động tiêu cực đến môi trường tự nhiên thông qua phát thải khí nhà kính. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch, không phát sinh tiếng ồn, dồi dào và góp phần giảm thiểu phát thải khí $\text{CO}_2$.
Tại Việt Nam, sự phát triển của điện mặt trời ghi nhận tốc độ nhanh chóng: tính đến cuối năm 2020 đã có 8.736 MW điện mặt trời tập trung (bao gồm trên mặt nước) và 7.755 MW điện mặt trời mái nhà hòa lưới, đóng góp gần 13 tỷ kWh điện. Theo Quyết định số 500/QĐ-TTg ngày 15/5/2023 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch điện VIII, quy mô điện mặt trời dự kiến đạt khoảng 12.800 MW vào năm 2030 (cùng 2.600 MW tự sản tự tiêu không phát lưới) và định hướng đạt 168.300 GW vào năm 2050 (chiếm 33,0% - 34,4% tổng công suất và 20,6% - 21,2% sản lượng toàn hệ thống). Bên cạnh đó, theo Nghị định số 13/2020 của Thủ tướng Chính phủ, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) dừng ký hợp đồng mua bán điện mặt trời từ ngày 01/01/2021. Trong bối cảnh này, việc nghiên cứu các giải pháp tự dùng hoặc độc lập cho hộ gia đình tại khu vực có bức xạ tốt như tỉnh Bình Thuận nhằm tiết kiệm chi phí tiền điện là một yêu cầu thực tế.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đích tổng quát của đề tài là nghiên cứu, tìm hiểu việc ứng dụng hai phần mềm Sketchup và Pvsyst nhằm thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái 4.5 kW cho một hộ gia đình. Tác giả xác định năm mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:
- Tính toán chính xác phụ tải tiêu thụ, công suất và sản lượng điện sản xuất thực tế của hệ thống.
- Mô phỏng trực quan phương án lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái trên không gian 3D.
- Lựa chọn các thiết bị điện và khí cụ phù hợp với quy chuẩn kỹ thuật.
- Tính toán chi phí đầu tư kinh tế cho hệ thống.
- Đánh giá tính hiệu quả kỹ thuật của hệ thống và ưu thế của việc ứng dụng công cụ phần mềm chuyên dụng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
- Phụ tải điện tiêu thụ sinh hoạt của hộ gia đình;
- Công suất và cấu hình kỹ thuật của hệ thống quang điện;
- Tính khả thi về mặt kinh tế của dự án.
- Phạm vi không gian và thời gian: Một công trình nhà ở hộ gia đình cụ thể tại tỉnh Bình Thuận có diện tích mặt bằng mái khả dụng là $120\text{ m}^2$; dữ liệu tính toán và giá thành thiết bị thu thập tại thời điểm thực hiện đề tài vào tháng 4 năm 2024.
- Giới hạn đề tài: Trong phần giới hạn tại Chương 1, đồ án ghi nhận tập trung nghiên cứu hệ thống hòa lưới không lưu trữ, tuy nhiên tại các bước tính toán chi tiết ở Chương 3, nhóm tác giả đã triển khai phương án hệ thống độc lập có tích hợp ắc quy lưu trữ dự phòng 3 ngày theo yêu cầu phụ tải của khách hàng.
Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng
Khung lý thuyết và mô hình tính toán
Nghiên cứu dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn silic (mối nối P-N) nhằm chuyển đổi trực tiếp quang năng thành điện năng dưới dạng dòng điện một chiều (DC). Hệ thống kỹ thuật bao gồm chuỗi mô-đun quang điện (PV), bộ biến tần (Inverter) điều chế độ rộng xung bằng linh kiện bán dẫn lực IGBT để tạo dòng xoay chiều (AC), mạch bám điểm công suất cực đại (MPPT), hệ thống lưu trữ năng lượng (ắc quy/pin lithium), bộ điều khiển sạc và các thiết bị bảo vệ đóng cắt hạ áp.
Phương pháp tính toán dung lượng và công suất thiết bị dựa trên các công thức giải tích chuyên ngành điện mặt trời:
- Tính toán điện năng tiêu thụ ngày ($A_{\text{ng}} = \sum P_i \cdot t_i$), điện năng tiêu thụ năm ($A_n = A_{\text{ng}} \times 365$).
- Xác định số lượng mô-đun PV ($N_{\text{PV}}$) dựa trên công suất đỉnh mô-đun ($P_{\text{PV}}$), hệ số nhiệt độ ($k_{\text{PV}} = 90%$), hệ số an toàn tổn hao dây dẫn và bám bẩn ($k_{\text{at}} = 80%$), hiệu suất tổng $\eta$ (bao gồm hiệu suất ắc quy $\eta_{\text{accu}} = 80%$, bộ điều khiển sạc $\eta_{\text{dk}} = 85%$, biến tần $\eta_{\text{inv}} = 85%$ đến $98%$) và số giờ nắng đỉnh trung bình ($h_n$).
- Kiểm tra phối hợp giữa giàn pin và Inverter: tỷ lệ công suất $P_{\text{PV}} \le 1.2 \times P_{\text{inv}}$, kiểm tra dải điện áp $V_{\text{mppt-min}} < V_{\text{mpp(PV)}} < V_{\text{mppt-max}}$, kiểm tra điện áp hở mạch cực đại $V_{\text{oc(PV)}} < V_{\text{dcmax-inv}}$ và kiểm tra dòng ngắn mạch cực đại $I_{\text{sc}} < I_{\text{max(input-inv)}}$.
- Phương pháp chọn tiết diện dây dẫn theo dòng điện phát nóng lâu dài cho phép kết hợp hệ số hiệu chỉnh môi trường $K$ ($K_1, K_2, K_3$ cho cáp trên máng/không chôn ngầm; $K_4, K_5, K_6, K_7$ cho cáp chôn ngầm), kết hợp mật độ dòng điện kinh tế $J_{\text{kt}}$ theo tài liệu giáo trình Cung cấp điện của PGS. Quyền Huy Ánh.
Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng
Đồ án liệt kê và áp dụng hệ thống tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) và quốc tế (IEC) làm cơ sở thiết kế:
- Tiêu chuẩn mô-đun PV: TCVN 12232:2018 (IEC 61730), TCVN 6781:2017 (IEC 61215), TCVN 11855:2017 (IEC 62446), TCVN 10896:2015 (IEC 61646).
- Văn bản pháp quy về lưới điện phân phối: Thông tư số 39/2015/TT-BCT và Thông tư số 30/2019/TT-BCT của Bộ Công Thương.
- Tiêu chuẩn bộ chuyển đổi (Inverter): TCVN 12231:2018 (IEC 62109), IEC 61727, IEC 62116, IEC 60068, IEC 61683, IEC 61000-6-3.
- Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống: TCVN 7447-7-712:2015 (IEC 60364-7-712) và IEC 62548.
- Tiêu chuẩn tủ điện và khí cụ hạ áp: TCVN 7994:2009 (IEC 60439-1), TCVN 6592-2:2009 (IEC 60947-2), TCVN 4255:2008 (IEC 60529).
- Tiêu chuẩn dây dẫn và cáp điện: TCVN 9207:2012, TCVN 9208:2012, TCVN 7997:2009, TCVN 8700:2011.
- Tiêu chuẩn chống sét, nối đất: TCVN 9385:2012 (BS 6651:1999), TCVN 9358:2012, TCVN 4756:1989.
- Tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy: TCVN 3890:2009, Văn bản 3288/C07-P4 của Cục Cảnh sát PCCC và Nghị định 79/2014/NĐ-CP.
Thiết kế kỹ thuật và thông số hệ thống
Khảo sát phụ tải tiêu thụ thực tế
Dữ liệu khảo sát thiết bị tiêu thụ điện của hộ gia đình tại Bình Thuận được thống kê chi tiết trong Bảng 1 của đồ án:
| STT |
Tên thiết bị tiêu thụ |
Số lượng |
Công suất định mức ($W$) |
Thời gian sử dụng ($h/\text{ngày}$) |
Điện năng tiêu thụ ngày ($Wh/\text{ngày}$) |
| 1 |
Tivi lớn (55 inch) |
1 |
170 |
3,0 |
510 |
| 2 |
Tivi nhỏ (40 inch) |
1 |
80 |
1,0 (tính 2,0) |
160 |
| 3 |
Đèn lớn (dạng ống) |
2 |
40 |
4,0 |
320 |
| 4 |
Đèn nhỏ |
5 |
20 |
3,0 |
300 |
| 5 |
Đèn ngủ |
3 |
9 |
8,0 |
216 |
| 6 |
Quạt điện |
4 |
47 |
14,0 |
2.632 |
| 7 |
Tủ lạnh |
1 |
90 |
24,0 |
2.160 |
| 8 |
Máy giặt |
1 |
470 |
1,0 |
470 |
| 9 |
Máy nước nóng |
1 |
3.500 |
2,0 |
7.000 |
| 10 |
Nồi cơm điện |
1 |
700 |
2,0 |
1.400 |
| 11 |
Bàn ủi |
1 |
2.000 |
0,5 |
1.000 |
| Tổng |
Tổng năng lượng tiêu thụ ngày ($A_{\text{ng}}$) |
— |
— |
— |
18.401 Wh (18,401 kWh) |
Điện năng tiêu thụ cả năm tính toán theo chu kỳ 365 ngày đạt:
$$A_n = 18,401 \times 365 = 6.716,365\text{ kWh/năm}$$
Thông số thiết bị và cấu hình hệ thống
Dựa trên kết quả tính toán nhu cầu năng lượng và điều kiện bức xạ tại địa phương, các thiết bị chính được lựa chọn bao gồm:
-
Mô-đun quang điện (PV):
- Model: AE Solar 60 Cell (mã AE285P6-60).
- Kích thước: $1650 \times 992 \times 35\text{ mm}$.
- Công suất cực đại ($P_{\text{max}}$): $285\text{ Wp}$.
- Điện áp tại điểm cực đại ($V_{\text{mp}}$): $32,07\text{ V}$; Dòng điện tại điểm cực đại ($I_{\text{mp}}$): $8,89\text{ A}$.
- Điện áp hở mạch ($V_{\text{oc}}$): $38,93\text{ V}$; Dòng ngắn mạch ($I_{\text{sc}}$): $9,44\text{ A}$.
- Số lượng lựa chọn: 16 tấm (tổng công suất lắp đặt thực tế đạt $16 \times 285\text{ Wp} = 4,56\text{ kWp}$, định danh hệ thống 4.5 kWp).
-
Bộ biến tần (Inverter):
- Model: Inverter Sofar Solar 1 pha 4kW (mã Sofar 4KTML-G2).
- Công suất định mức: $4\text{ kW}$.
- Số lượng ngõ vào MPPT: 2 bộ.
- Dải điện áp làm việc MPPT: $200 - 520\text{ V}$; Điện áp ngõ vào DC tối đa: $600\text{ V}$.
- Dòng điện đầu vào tối đa trên mỗi MPPT: $11\text{ A}$.
- Hiệu suất biến đổi: $98%$.
-
Cấu hình đấu nối chuỗi tấm pin:
- Hệ thống được chia thành 2 chuỗi (string), mỗi chuỗi gồm 8 tấm pin mắc nối tiếp. Mỗi string được kết nối riêng vào một ngõ MPPT độc lập của Inverter.
- Kiểm tra điện áp hoạt động mỗi string: $V_{\text{string}} = 8 \times 32,07\text{ V} = 256,56\text{ V}$ (nằm trong dải MPPT từ $200\text{ V}$ đến $520\text{ V}$).
- Kiểm tra điện áp hở mạch cực đại: $V_{\text{oc-string}} = 8 \times 38,93\text{ V} = 311,44\text{ V} < 600\text{ V}$ (thỏa mãn ngưỡng an toàn ngõ vào).
- Kiểm tra dòng điện: $I_{\text{sc}} = 9,44\text{ A} < 11\text{ A}$ (thỏa mãn dòng cho phép trên mỗi MPPT; trường hợp đấu song song 2 chuỗi vào 1 MPPT là $18,88\text{ A} < 22\text{ A}$).
-
Hệ thống lưu trữ và điều khiển nạp:
- Nhu cầu dự phòng tự quản: $N_{\text{tq}} = 3\text{ ngày}$.
- Thiết bị lưu trữ: Pin Lithium-Ion LiFePO4 $12\text{V} - 6\text{Ah}$ (được liệt kê trong danh mục thiết bị).
- Bộ điều khiển sạc: Thiết bị sạc năng lượng mặt trời PWM model GV-C1240, dòng sạc danh định $40\text{ A}$, điện áp hệ thống $24\text{ V}$.
-
Dây dẫn và thiết bị bảo vệ:
- Tuyến DC: Dây cáp điện Cadivi CVV $4\text{ mm}^2$ ($0,6/1\text{kV}$, dòng danh định $37\text{ A}$), bố trí trên máng cáp hở với hệ số $K = K_1 \times K_2 \times K_3$; bảo vệ chuỗi bằng cầu chì DC chuyên dụng model XL7-63 thông số $20\text{ A} - 800\text{ VDC}$ loại 2P (tính toán theo tiêu chuẩn IEC 60364-7-712: $1,5 I_{\text{sc}} \le I_n \le 2,4 I_{\text{sc}}$ tương ứng $14,16\text{ A} \le I_n \le 22,656\text{ A}$).
- Tuyến AC: Cáp đồng Cadivi CVV $3 \times 10\text{ mm}^2$ ($0,6/1\text{kV}$, dòng cho phép định mức $70\text{ A}$) kết nối từ ngõ ra Inverter đến tủ phân phối AC; bảo vệ bằng Aptomat Schneider MCB 3P $25\text{ A}$, dòng cắt ngắn mạch $6\text{ kA}$, cấp bảo vệ IP20 sản xuất theo tiêu chuẩn IEC 60947-2.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của năng lượng mặt trời từ thế kỷ VII trước Công nguyên (sử dụng kính hội tụ tạo lửa), qua các mốc phát hiện hiệu ứng quang điện của Edmond Becquerel năm 1839, pin quang điện selen đầu tiên của Charles Fritts năm 1883 (hiệu suất 1%), công trình giải thích hiệu ứng quang điện của Albert Einstein năm 1905, tế bào bán dẫn silicon mối nối P-N của Russell Ohl và Phòng thí nghiệm Bell năm 1954, cho đến giai đoạn phát triển thương mại hóa trong thế kỷ XXI với chi phí sản xuất giảm dưới 1/10.
Về hiện trạng, tác giả dẫn số liệu từ Ngân hàng Thế giới (WB), IRENA và Ember: đến năm 2023 công suất điện mặt trời tích lũy toàn cầu đạt 850,2 GW (dẫn đầu là Trung Quốc 392 GW, Hoa Kỳ 135,7 GW, Nhật Bản 84,9 GW, Đức 66,5 GW, Ấn Độ 63,3 GW). Tại Việt Nam, quy mô lắp đặt bùng nổ đến cuối năm 2020 với tổng cộng hơn 16.491 MW (8.736 MW tập trung và 7.755 MW mái nhà). Từ đó, nhóm tác giả xác định tính cấp thiết, mục tiêu thiết kế hệ thống 4.5 kW, xác lập phạm vi khảo sát phụ tải và diện tích mái $120\text{ m}^2$ của hộ gia đình tại Bình Thuận.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này phân tích bản chất vật lý và phân loại ba cấu hình hệ thống điện mặt trời chính: hòa lưới (On-grid), độc lập (Off-grid) và kết hợp (Hybrid). Tác giả mô tả chi tiết cấu tạo mô-đun quang điện gồm lớp phủ chống phản xạ, tế bào quang điện silicon, lớp đệm polymer, mặt kính trong suốt phía trước, tấm bảo vệ phía sau và hộp nối dây. Biến tần Inverter được phân loại theo chức năng (có lưu trữ, không lưu trữ / zero export) và cấu trúc (String Inverter, Micro Inverter, DC Optimizer).
Một nội dung trọng tâm của chương là phân tích nguyên nhân gây tổn hao trong hệ thống quang điện:
- Tổn thất bức xạ do chọn sai góc nghiêng ($\beta$) và hướng lắp đặt;
- Tổn thất che bóng (shading) gây giảm sút công suất cell pin và hiện tượng quá nhiệt (mismatch);
- Tổn hao phía DC do điện trở dây dẫn, sụt áp đầu nối tiếp xúc, bụi bẩn bề mặt và suy giảm điện áp do nhiệt độ cell tăng cao;
- Tổn hao phía AC do hiệu suất bộ nghịch lưu, hiện tượng cắt đỉnh công suất khi tỷ số DC/AC vượt ngưỡng 1.3 (clipping), sai lệch dải điện áp làm việc MPPT, tổn hao tỏa nhiệt trên cáp AC và tổn hao không tải/có tải của máy biến áp.
Phần cuối chương tổng hợp đầy đủ các văn bản tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và quốc tế (IEC) quy định về an toàn mô-đun, bộ biến tần, cáp hạ áp, tiếp địa chống sét và an toàn PCCC.
Chương 3: Tính toán thiết kế và mô phỏng hệ thống
Chương 3 xây dựng quy trình 8 bước thiết kế kỹ thuật từ thu thập số liệu bức xạ, tính phụ tải, lựa chọn sơ đồ, tính số tấm PV, cấu hình chuỗi, dung lượng bộ tích điện, thiết bị điều khiển nạp và bộ chuyển đổi DC-AC. Tác giả áp dụng quy trình vào số liệu khảo sát thực tế của 11 danh mục thiết bị trong hộ gia đình, xác định lượng điện tiêu thụ ngày là $18,401\text{ kWh/ngày}$ và năm là $6.716,365\text{ kWh/năm}$.
Từ công thức tính toán với hệ số an toàn $k_{\text{at}} = 0,8$, nhóm thiết kế xác định số lượng 16 tấm pin AE Solar 285 Wp (tổng công suất $4,56\text{ kWp}$), diện tích lắp đặt chiếm dụng khoảng $26,2\text{ m}^2$ trên tổng mặt bằng mái $120\text{ m}^2$. Hệ thống biến tần được lựa chọn là Sofar Solar 4KTML-G2 (4 kW) đấu nối 2 chuỗi riêng biệt (mỗi chuỗi 8 tấm). Tác giả tiến hành tính toán lựa chọn tiết diện cáp DC Cadivi $4\text{ mm}^2$, cáp AC Cadivi $10\text{ mm}^2$, cầu chì DC 20 A và MCB AC Schneider 25 A 6 kA. Chương này cũng nêu định hướng mô phỏng 3D trên Sketchup và tính toán sản lượng bằng Pvsyst.
Chương 4: Kết quả
Chương 4 tổng hợp các thông số kỹ thuật chung của toàn bộ hệ thống sau khi tính toán thiết kế, bao gồm:
- Bảng tổng hợp công suất đỉnh của dàn pin ($4,56\text{ kWp}$) và công suất định mức biến tần ($4\text{ kW}$);
- Các chỉ số dòng điện, điện áp làm việc cực đại và điện áp hở mạch của các chuỗi pin đảm bảo nằm trong vùng vận hành tối ưu của Inverter;
- Bảng tổng hợp chi phí đầu tư ban đầu các thiết bị chính (tấm pin, biến tần, bộ điều khiển sạc, pin lưu trữ, tủ điện, dây dẫn và khí cụ đóng cắt);
- Đánh giá tổng quan về tổn thất điện năng dự kiến do nhiệt độ, dây dẫn và hiệu suất chuyển đổi của bộ biến tần.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán kỹ thuật
Đồ án đã hoàn thành bảng tính chọn thiết bị đồng bộ cho hệ thống điện mặt trời áp mái 4.5 kW:
- Sản lượng phụ tải đáp ứng: Hệ thống được thiết kế để đáp ứng phụ tải tiêu thụ trung bình $18,401\text{ kWh/ngày}$ ($6.716,365\text{ kWh/năm}$) của hộ gia đình.
- Quy mô giàn pin: Xác lập số lượng 16 mô-đun PV công suất 285 Wp (tổng $4,56\text{ kWp}$), diện tích chiếm dụng khung giàn khoảng $26,2\text{ m}^2$, phù hợp với mặt bằng mái $120\text{ m}^2$ tại Bình Thuận.
- Cấu hình điện: Phân chia thành 2 chuỗi độc lập, mỗi chuỗi 8 tấm mắc nối tiếp, cho điện áp hoạt động danh định $256,56\text{ V}$ và điện áp hở mạch cực đại $311,44\text{ V}$, hoàn toàn tương thích dải điện áp ngõ vào MPPT ($200 - 520\text{ V}$) và điện áp DC cực đại ($600\text{ V}$) của Inverter Sofar 4KTML-G2 4 kW.
- Hệ thống bảo vệ: Lựa chọn chính xác cầu chì DC $20\text{ A}$ (theo chuẩn IEC 60364-7-712), MCB AC Schneider 3P $25\text{ A}$ dòng cắt $6\text{ kA}$, cáp DC Cadivi CVV $4\text{ mm}^2$ và cáp AC Cadivi CVV $3 \times 10\text{ mm}^2$.
Đóng góp thực tiễn của đề tài
- Thiết lập quy trình tính toán thiết kế 8 bước có tính ứng dụng cụ thể cho đối tượng công trình nhà ở riêng lẻ, dựa trên khảo sát thực tế từng thiết bị tiêu thụ.
- Tra cứu và tổng hợp đầy đủ hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam (TCVN) và quốc tế (IEC) liên quan đến thiết kế, thi công, bảo vệ an toàn điện và phòng cháy chữa cháy cho hệ thống quang điện áp mái.
- Kết hợp phương pháp tính toán giải tích lý thuyết với công cụ mô phỏng trực quan không gian lắp đặt (Sketchup) và đánh giá hệ thống (Pvsyst).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên nội dung toàn văn của văn bản, các hạn chế và hướng mở rộng được ghi nhận bao gồm:
- Tính thống nhất về cấu hình hệ thống: Văn bản tồn tại điểm chưa đồng nhất giữa phần giới hạn đề tài ở Chương 1 (ghi là "hệ thống hòa lưới không lưu trữ") với nội dung tính toán thiết bị ở Chương 3 (tính toán hệ thống độc lập có bộ lưu trữ năng lượng 3 ngày tự quản và bộ sạc PWM).
- Số liệu mô phỏng chuyên sâu: Phần thuyết minh chưa trình bày chi tiết các biểu đồ sản lượng theo từng tháng trích xuất từ Pvsyst, biểu đồ suy giảm bức xạ chi tiết hay bảng phân tích dòng tiền hoàn vốn kinh tế (chỉ mới dừng lại ở bảng báo giá danh mục thiết bị phần cứng).
- Hướng nghiên cứu tiếp: Hoàn thiện mô phỏng chi tiết trên Pvsyst để xuất báo cáo tổn thất toàn diện (Loss Diagram), tính toán chi tiết tuổi thọ của hệ lưu trữ và phân tích các kịch bản phụ tải biến động theo mùa tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Năng lượng Tái tạo, Cơ khí Động lực và các kỹ sư thiết kế hệ thống cơ điện (M&E):
- Phần phương pháp tính toán (Mục 3.1 & 3.2): Cung cấp các công thức tính chọn số lượng pin, kiểm tra dải điện áp Inverter, tính toán dung lượng bình tích năng và lựa chọn tiết diện dây dẫn, cầu chì DC bảo vệ quá dòng rất chi tiết và đúng quy chuẩn.
- Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật (Mục 2.2): Bảng tra cứu cô đọng các mã tiêu chuẩn TCVN, IEC và Thông tư của Bộ Công Thương phục vụ trực tiếp cho công tác lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật và thẩm duyệt PCCC điện mặt trời mái nhà.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống sử dụng bao nhiêu tấm pin quang điện và tổng công suất thực tế là bao nhiêu?
Hệ thống sử dụng 16 tấm pin quang điện AE Solar 60 Cell (model AE285P6-60) với công suất định mức mỗi tấm là $285\text{ Wp}$. Tổng công suất đỉnh thực tế của giàn pin đạt $16 \times 285\text{ Wp} = 4.560\text{ Wp}$ (tương đương $4,56\text{ kWp}$).
2. Dàn pin mặt trời được đấu nối như thế nào vào bộ biến tần Inverter?
16 tấm pin được chia đều thành 2 chuỗi (string), mỗi chuỗi gồm 8 tấm mắc nối tiếp. Hai chuỗi này được kết nối độc lập vào 2 cổng MPPT riêng biệt của biến tần Sofar 4KTML-G2 4 kW. Cấu hình này tạo ra điện áp làm việc chuỗi là $256,56\text{ V}$, nằm tối ưu trong dải điện áp làm việc MPPT của Inverter ($200\text{ V} - 520\text{ V}$) và điện áp hở mạch cực đại $311,44\text{ V} < 600\text{ V}$.
3. Cầu chì bảo vệ một chiều (DC) cho các chuỗi pin được chọn dựa trên thông số nào?
Cầu chì DC được tính chọn theo tiêu chuẩn IEC 60364-7-712 với điều kiện $1,5 I_{\text{sc}} \le I_n \le 2,4 I_{\text{sc}}$. Với dòng ngắn mạch của tấm pin là $I_{\text{sc}} = 9,44\text{ A}$, dải dòng danh định cho phép của cầu chì là từ $14,16\text{ A}$ đến $22,656\text{ A}$. Do đó, nhóm tác giả chọn cầu chì DC XL7-63 loại 2P có dòng định mức $I_n = 20\text{ A}$, điện áp định mức $800\text{ VDC}$.
4. Tiết diện dây dẫn phía xoay chiều (AC) và thiết bị đóng cắt được chọn loại nào?
Tuyến cáp AC nối từ Inverter về tủ điện sử dụng cáp đồng Cadivi CVV $3 \times 10\text{ mm}^2$ (cách điện $0,6/1\text{kV}$, dòng phát nóng cho phép định mức $70\text{ A}$), đáp ứng yêu cầu dòng làm việc cực đại của Inverter ($18,2\text{ A}$). Thiết bị đóng cắt bảo vệ phía AC là Aptomat Schneider MCB 3P dòng định mức $25\text{ A}$, dòng cắt ngắn mạch $6\text{ kA}$, cấp bảo vệ vỏ ngoài IP20.
5. Tổng nhu cầu điện năng tiêu thụ một ngày của hộ gia đình là bao nhiêu?
Theo bảng thống kê phụ tải gồm 11 thiết bị sinh hoạt (Tivi, đèn chiếu sáng, quạt, tủ lạnh, máy giặt, máy nước nóng, nồi cơm điện, bàn ủi), tổng điện năng tiêu thụ một ngày của hộ gia đình tại Bình Thuận được tính toán chính xác là $18,401\text{ kWh/ngày}$, tương đương điện năng tiêu thụ một năm là $6.716,365\text{ kWh/năm}$.
Kết luận
Đồ án môn học của sinh viên Ngô Nguyễn Anh Thư và Võ Trường Vĩ đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế kỹ thuật cho hệ thống điện mặt trời áp mái công suất 4.5 kWp phục vụ phụ tải $18,401\text{ kWh/ngày}$ của một hộ gia đình tại tỉnh Bình Thuận. Bản thiết kế đảm bảo tính tương thích kỹ thuật giữa giàn pin AE Solar (16 tấm), bộ biến tần Sofar Solar 4 kW và các thiết bị đóng cắt bảo vệ theo đầy đủ các quy chuẩn TCVN và IEC hiện hành. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn đối với sinh viên và kỹ sư ngành kỹ thuật điện trong việc triển khai thiết kế các hệ thống năng lượng tái tạo quy mô hộ gia đình.
