Đồ án thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái khu D Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Đồ án thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái khu D Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, tính toán bức xạ, mô phỏng PVsyst và bố trí inverter.

• Tác giả: Đặng Hữu Cường
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Viên
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Năng lượng tái tạo
• Đề tài: Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời áp mái khu D Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điện mặt trời áp mái khu D SPKT

Hệ thống điện mặt trời áp mái khu D Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM là đề tài tốt nghiệp ngành Năng lượng tái tạo, được thực hiện năm 2022. Sinh viên Đặng Hữu Cường (MSSV 18154007) thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Xuân Viên. Dự án thuộc Khoa Cơ Khí Động Lực, tập trung thiết kế và mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời lắp đặt trên mái khu D của trường. Tổng công suất thiết kế đạt 64,8 kWp. Hệ thống sử dụng 120 tấm pin và một inverter Huawei 60kW SUN2000-60KTL-M1. TP.HCM có bức xạ mặt trời cao, thuận lợi cho phát điện quang điện. Đây là mô hình thực tiễn mang tính học thuật, kết hợp khảo sát thực địa, tính toán kỹ thuật và mô phỏng phần mềm PVsyst. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng năng lượng mặt trời trong các cơ sở giáo dục đại học tại Việt Nam là rất lớn. Mô hình này có thể nhân rộng ra các khu nhà khác trong toàn bộ khuôn viên trường.

1.1. Lý do và mục tiêu nghiên cứu đề tài

Năng lượng mặt trời ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong bối cảnh giá điện tăng và nhu cầu giảm phát thải carbon. Khu D Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM có diện tích mái lớn, phù hợp lắp đặt hệ thống áp mái. Mục tiêu nghiên cứu gồm: khảo sát điều kiện thực tế, tính toán hiệu suất hệ thống, lựa chọn thiết bị phù hợp và mô phỏng kết quả phát điện. Đề tài hướng đến cung cấp giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nhà trường, đồng thời tạo mô hình tham khảo cho các đơn vị giáo dục khác.

1.2. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu giới hạn tại khu D Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Phương pháp gồm: khảo sát thực địa để đo đạc kích thước mái, thu thập dữ liệu bức xạ mặt trời tại TP.HCM, tính toán góc nghiêng tối ưu và mô phỏng hệ thống bằng phần mềm PVsyst. Dữ liệu thời tiết được lấy từ cả số liệu thực đo và mô phỏng khí hậu địa phương. Kết hợp hai nguồn dữ liệu này giúp tăng độ chính xác trong dự báo sản lượng điện hàng năm.

II. Phân tích điều kiện lắp đặt và công nghệ pin mặt trời

Việc phân tích điều kiện lắp đặt là bước then chốt trong thiết kế hệ thống áp mái. Khu D có diện tích mái đủ lớn để bố trí 120 tấm pin. TP.HCM nằm gần đường xích đạo, hưởng bức xạ mặt trời cao và ổn định quanh năm. Dữ liệu bức xạ theo từng tháng được thu thập và phân tích qua PVsyst. Khu vực này ít bị che khuất bởi công trình lân cận, tạo điều kiện thuận lợi cho hệ thống hoạt động hiệu quả. Ba loại pin chính được xem xét gồm: monocrystalline, polycrystalline và thin-film. Pin mono nổi bật với hiệu suất cao, màu đen đặc trưng và được làm từ silic đơn tinh thể tinh khiết. Pin poly có chi phí thấp hơn nhưng hiệu suất kém hơn một chút. Pin thin-film linh hoạt nhưng chiếm diện tích lớn hơn. Dựa trên diện tích mái và yêu cầu công suất, loại pin phù hợp được lựa chọn để tối ưu hóa hiệu quả đầu tư.

2.1. Khảo sát vị trí và điều kiện thời tiết khu D

Khu D Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM được khảo sát kỹ về kích thước, diện tích mái và hướng phơi nắng. TP.HCM có khí hậu nhiệt đới, hai mùa mưa nắng rõ rệt. Cường độ bức xạ mặt trời trung bình tại đây đạt mức cao so với cả nước. Dữ liệu từ PVsyst xác nhận điều kiện bức xạ thuận lợi theo từng tháng trong năm. Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 cho sản lượng điện cao hơn mùa mưa. Yếu tố tia cực tím, nhiệt độ và độ ẩm cũng được đánh giá để lựa chọn thiết bị bền vững.

2.2. Cấu tạo và phân loại tấm pin năng lượng mặt trời

Tấm pin mặt trời gồm nhiều lớp: kính cường lực bảo vệ bề mặt, lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate) bảo vệ tế bào quang điện, lớp solar cell chuyển đổi ánh sáng thành điện, tấm nền phía sau và hộp đấu dây junction box. Jack kết nối MC4 được dùng để nối các tấm pin với nhau. Cáp DC chuyên dụng có khả năng chịu tia cực tím, chống nước và bụi. Hộp đấu dây được thiết kế bảo vệ chắc chắn vì đây là điểm tập trung năng lượng điện từ toàn bộ tấm pin.

III. Giải pháp thiết kế và mô phỏng hệ thống 64 8 kWp

Hệ thống được thiết kế với tổng công suất 64,8 kWp, sử dụng 120 tấm pin và một inverter Huawei SUN2000-60KTL-M1 công suất 60kW. Góc nghiêng và hướng nghiêng của tấm pin được tính toán để tối ưu hóa lượng bức xạ hấp thụ tại vị trí lắp đặt. Bức xạ từng tháng trong năm được mô phỏng để dự báo sản lượng phát điện. Việc bố trí string (chuỗi pin) đảm bảo phù hợp với thông số kỹ thuật của inverter. Inverter Huawei có điện áp đầu vào tối đa 1.100V, dòng MPPT tối đa 22A và hiệu suất đạt 98,9%. Hệ thống trang bị chống sét DC và AC loại II, bộ giám sát dòng rò và chức năng kết nối ngõ vào tự động. Mặt bằng tổng thể được thiết kế bao gồm bố trí pin, tuyến cáp AC/DC, rail nhôm, máng cáp, hành lang an toàn và nhà inverter riêng biệt. Tổn thất hệ thống được tính toán và kiểm tra qua mô phỏng PVsyst.

3.1. Tính toán góc nghiêng và lựa chọn thiết bị

Góc nghiêng tối ưu của tấm pin được tính toán dựa trên vĩ độ địa lý TP.HCM và điều kiện bức xạ thực tế. Hướng nghiêng hướng về phía Nam để tối đa hóa lượng ánh sáng tiếp nhận. Tấm pin monocrystalline được lựa chọn nhờ hiệu suất cao và độ bền tốt trong điều kiện nhiệt đới. Dàn khung nhôm hỗ trợ lắp đặt được thiết kế phù hợp với kết cấu mái khu D. Lựa chọn inverter Huawei 60kW đảm bảo tương thích với tổng số string và công suất hệ thống.

3.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá tổn thất hệ thống

Kết quả mô phỏng trên PVsyst cho thấy hệ thống đạt sản lượng điện dự kiến phù hợp với nhu cầu của khu D. Bức xạ mô phỏng theo từng tháng xác nhận tiềm năng phát điện cao vào mùa khô. Tổn thất hệ thống được phân tích gồm: tổn thất nhiệt độ, tổn thất cáp, tổn thất inverter và tổn thất do bụi bẩn. Kết quả mô phỏng hướng nghiêng và góc nghiêng xác nhận phương án lựa chọn là tối ưu. Sản lượng điện thực tế dự báo đạt hiệu quả kinh tế tốt trong vòng đời dự án.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn điện mặt trời áp mái

Đề tài thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái khu D Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra. Hệ thống 64,8 kWp với 120 tấm pin và inverter Huawei 60kW được thiết kế chi tiết từ mặt bằng bố trí đến bản vẽ nhà inverter. Toàn bộ tuyến cáp AC và DC được định vị rõ ràng, đảm bảo an toàn vận hành. Hành lang an toàn và sàn thao tác được thiết kế phục vụ bảo trì định kỳ. Mô hình này chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng năng lượng mặt trời áp mái tại các cơ sở giáo dục đại học. Chi phí vận hành thấp, nguồn điện tái tạo sạch góp phần giảm hóa đơn điện và lượng khí thải CO₂. Kết quả đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các dự án năng lượng mặt trời tương tự tại Việt Nam. Xu hướng điện mặt trời áp mái đang mở rộng nhanh chóng tại TP.HCM và cả nước.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường của dự án

Hệ thống 64,8 kWp tạo ra sản lượng điện đáng kể hàng năm, giúp nhà trường tiết kiệm chi phí điện năng. Năng lượng mặt trời là nguồn điện sạch, không phát thải CO₂ trong quá trình vận hành. Tuổi thọ tấm pin thường đạt 25-30 năm, đảm bảo hiệu quả kinh tế dài hạn. Inverter Huawei có hiệu suất 98,9%, giảm thiểu tổn thất chuyển đổi. Mô hình này phù hợp với chủ trương phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam và định hướng xanh hóa các cơ sở giáo dục.

4.2. Khả năng nhân rộng mô hình tại các cơ sở giáo dục

Mô hình thiết kế hệ thống áp mái khu D có thể nhân rộng sang các khu nhà khác trong khuôn viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Quy trình gồm khảo sát mái, mô phỏng PVsyst, tính toán thiết bị và lập bản vẽ kỹ thuật có thể áp dụng cho nhiều trường đại học và cao đẳng. Các cơ sở giáo dục có diện tích mái lớn là đối tượng lý tưởng cho điện mặt trời áp mái. Sự phổ biến của inverter Huawei và tấm pin mono tại thị trường Việt Nam giúp việc triển khai thuận lợi và dễ bảo trì.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan 1.1 Lý do chọn đề tài Điện mặt trời là một dạng năng lượng sạch được tạo ra thông qua quá trình chuyển hóa quang năng hoặc nhiệt năng từ mặt trời. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng vô tận, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời nhiều năm qua đã đóng góp đáng kể vào việc giảm tỉ trọng của năng lượng thủy điện, nhiệt điện. Khu D ( Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật ) có diện tích áp mái lớn , đồng thời lượng bức xạ nhiệt của khu vực TP HCM rất cao. Khu D là khu học tập và được bố trí nhiều phòng thí nghiệm , có số thiết bị tiêu thụ điện rất lớn, số tiền chi trả hàng tháng cho nhu cầu sử dụng điện tại khu D chiếm khoảng 25% số tiền điện của trường, từ đó đặt ra vấn đề làm sao để giảm chi phí tiền điện này thì “Hệ thống năng lượng mặt trời áp mái” là một giải pháp rất tối ưu cho vấn đề này, đồng thời cũng có thể hạ nhiệt cho mái nhà và tận dụng được khoảng trống để giảm bớt phần nào chi phí tiền điện.

Sử dụng nguồn năng lượng sạch, vô tận, miễn phí là năng lượng mặt trời. Tạo ra nguồn thu nhập thụ động từ việc bán điện mặt trời cho EVN. Không gây ô nhiễm môi trường, không tạo ra tiếng ồn khi vận hành hệ thống. Thời gian thu hồi vốn nhanh, đầu tư 01 lần lợi ích 25 năm.

Hệ thống hoạt động lâu dài, trên 20 năm, chi phí bảo trì thấp, bảo hành sản phẩm. Tiết kiệm chi phí vận hành. Giảm nhiệt độ cho mái nhà khi trời nắng, giảm tiếng ồn khi trời mưa. Bảo vệ môi trường, góp phần phát triển kinh tế.2 Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái khu D (tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM) nhằm mục đích giảm thiểu tiền điện.3 Phạm vi nghiên cứu Đồ án được nghiên cứu trong phạm vi khu D Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM.4 Phương pháp nghiên cứu Đồ án thiết kế áp mái khu D được thực hiện dựa trên những phương pháp phân tích, nghiên cứu, thiết k, khảo sát, mô phỏng phần mềm.

1 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Giới thiệu về năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng được phát ra hay cung cấp từ các bức xạ của mặt trời. Và chính ánh sáng mặt trời đã mang lại cho con người sự sống cần thiết nhất, hơn thế nữa đó là một nguồn năng lượng vô hạn, vô tận và có thể sử dụng lâu dài nếu chúng ta biết cách khai thác và sử dụng nó. Năng lượng mặt trời thu được từ bức xạ mặt trời và có thể chuyển thành điện hoặc nhiệt. Đó là nguồn năng lượng miễn phí do sẵn có và nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ, bây giờ chúng ta có thể khai thác năng lượng mặt trời nhiều hơn bởi chúng luôn luôn có sẵn và miễn phí.[1] Chính vì vậy, sự đơn giản của công nghệ năng lượng mặt trời khiến nó trở nên vô cùng lí tưởng cho việc sử dụng ở các khu vực nông thôn, vùng sâu vùng xa và những nơi có địa hình hiểm trở, khó lắp đặt mạng lưới.

Năng lượng mặt trời cũng hữu ích cho việc tạo ra điện trên một quy mô rộng lớn và dễ dàng đưa nó vào mạng lưới điện, đặc biệt là ở những vùng nằm ở khu vực khí tượng có nhiều giờ nắng mỗi ngày. Điện năng lượng mặt trời là nguồn điện được tạo ra từ công nghệ dựa trên nhiên liệu là năng lượng mặt trời.