CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI 1. Hệ thống điện mặt trời áp mái: 1.1 Hệ thống điện mặt trời áp mái là gì?[1] Hệ thống điện mặt trời áp mái (rooftop photovoltaic system) là một hệ thống các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái của một tòa nhà, công trình thương mại, khu công nghiệp hay nhà ở. Các hệ thống pin mặt trời này thường có công suất nhỏ hơn nhiều so với các nhà máy điện mặt trời trên mặt đất. Các hệ thống trên mái các tòa nhà dân cư thường có công suất khoảng từ 5-20KW, trong khi các hệ thống trên các tòa nhà thương mại thường đạt tới 100KW hoặc lớn hơn.
1 Điện mặt trời áp mái 1.2 Cơ chế hoạt động: Dòng điện một chiều DC được tạo do ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấn pin chạy vào bộ nghịch lưu để biến thành dòng điện xoay chiều AC (với tần số của lưới điện hiện hành do điều khiển góc mở các van thiristors của bộ nghịch lưu, trường hợp của Việt Nam là 50 herz) rồi chạy vào công tơ hai chiều để được ghi và lưu trị số cho thanh toán sau này, sau đó chạy vào các thiết bị sử dụng điện của hộ tiêu thụ. SVTT:Nguyễn Viết Hưng – Nguyễn Tuấn Kha Người HD: Ts Ngô Đức Kiên 2 Thiết kế điện mặt trời áp mái khu nhà làm việc trường đại học sư phạm kĩ thuật cơ sở 2 Trong trường hợp hộ tiêu thụ không dùng hết điện năng của pin mặt trời, lượng điện dư thừa sẽ chuyển vào lưới điện phân phối khu vực. Ngược lại, nếu thiếu điện (hoặc khi không có ánh nắng mặt trời) thì hộ tiêu thụ phải nhận thêm từ lưới điện. Quá trình phát điện vào lưới điện, hoặc ngược lại đều được ghi lại tại công tơ hai chiều để thanh toán sau này.
2 Cơ chế hoạt động năng lượng mặt trời 1.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống điện mặt trời áp mái: Ưu điểm: - Tận dụng không gian không sử dụng đến là mái nhà (không tốn diện tích lắp đặt) - Tăng tuổi thọ mái nhà: Dàn Pin mặt trời được lắp trên mái nhà - ngoài tác dụng thẩm mỹ còn gia tăng tuổi thọ mái nhà khi hạn chế nhiệt mặt trời, nước mưa. - Giảm gánh nặng chi phí điện hàng tháng: Điện năng phục vụ hoạt động vận hành, sản xuất kinh doanh được ưu tiên sử dụng từ sản lượng của hệ thống Điện NLMT giúp hạn chế tối đa điện năng tiêu thụ từ nguồn EVN, từ đó giảm chi phí trên hóa đơn EVN hàng tháng. - Ổn định nguồn điện sử dụng: Sở hữu hệ thống điện năng lượng mặt trời giúp duy trì nguồn điện ổn định, hạn chế tối đa sự ngắt quãng nguồn điện. SVTT:Nguyễn Viết Hưng – Nguyễn Tuấn Kha Người HD: Ts Ngô Đức Kiên 3 Thiết kế điện mặt trời áp mái khu nhà làm việc trường đại học sư phạm kĩ thuật cơ sở 2 -Làm mát, giảm nhiệt, giảm tiếng ồn, giảm thải CO2: Sử dụng điện từ nguồn năng lượng sạch giúp giảm lượng khí thải CO2 ra môi trường, góp phần bảo vệ môi trường, bảo vệ nguồn tài nguyên quốc gia.
- Khẳng định giá trị thương hiệu: Sử dụng năng lượng sạch thể hiện trách nhiệm của Doanh nghiệp với Xã hội, với sự phát triển bền vững: tiết kiệm nguồn năng lượng Quốc Gia, cung cấp thêm năng lượng sạch cho lưới điện Quốc Gia. - Đạt chứng chỉ công trình xanh (leed, lotus, .): Tăng giá trị sản phẩm bán ra thị trường. Giúp sản phẩm dễ dàng đạt chuẩn xuất khẩu. Nhược điểm: - Muốn sử dụng nhiều phải phụ thuộc diện tích mái.
- Phụ thuộc nhiều vào thời tiết : Mặc dù vẫn có thể thu năng lượng mặt trời vào những ngày trời nhiều mây và mưa, nhưng chắc chắn hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời sẽ giảm xuống. - Chi phí khá cao: Chi phí ban đầu để lắp đặt một hệ thống điện mặt trời tương đối cao. Chi phí này là bắt buộc đối với các tấm pin mặt trời, biến tần, hệ thống dây điện và phí lắp đặt.4 Cấu tạo của hệ thống năng lượng mặt trời áp mái:[2] Dàn tấm pin: dùng để hấp thụ ánh sáng mặt trời tạo thành dòng điện một chiều. 3 Cấu tạo pin mặt trời SVTT:Nguyễn Viết Hưng – Nguyễn Tuấn Kha Người HD: Ts Ngô Đức Kiên 4 Thiết kế điện mặt trời áp mái khu nhà làm việc trường đại học sư phạm kĩ thuật cơ sở 2 Inveter hòa lưới: dùng để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều sin chuẩn.
4 Các loại inverter Hệ thống khung giàn giá đỡ: dùng để gắn, đỡ các tấm pin trên mái nhà và tạo góc nghiêng phù hợp cho tấm pin để hứng áng sáng mặt trời tối đa. 5 Hệ thống khung dàn giá đỡ Phụ kiện và các thiết bị điện khác: Cáp điện, ống bảo vệ cáp, tủ điện đóng cắt. - Cáp điện DC: Kết nối và dẫn dòng điện một chiều DC từ tấm pin mặt trời sang tủ điện DC, inverter. - Cáp điện AC: Kết nối và dẫn dòng điện xoay chiều AC từ inverter sang tủ điện, công tơ, thiết bị điện… - Tủ điện DC: Truyền tải dòng điện một chiều DC từ tấm pin mặt trời vào bộ biến tần.
- Tủ điện AC: Truyền tải dòng điện từ inverter vào các thiết bị điện, lưới điện quốc gia. - Jack nối MC4: Là đầu nối điện, giúp kết nối các tấm pin mặt trời Đồng hồ điện 2 chiều: Dùng để đo đếm điện năng SVTT:Nguyễn Viết Hưng – Nguyễn Tuấn Kha Người HD: Ts Ngô Đức Kiên 5 Thiết kế điện mặt trời áp mái khu nhà làm việc trường đại học sư phạm kĩ thuật cơ sở 2 Công tơ 2 chiều dùng để đo đếm điện năng giao nhận. Hệ thống lưu trữ điện (acquy, pin lithium) Hệ thống giám sát 2. Các loại hệ thống đấu nối điện mặt trời áp mái:[3] 2.1 Điện mặt trời hòa lưới: Là hệ thống hoạt động kết hợp giữa điện năng lượng mặt trời và điện lưới quốc gia.
Trong đó điện lưới quốc gia đóng vai trò là nơi lưu trữ “ảo”. Khi có ánh sáng mặt trời, tấm pin năng lượng sẽ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều. Dòng điện này sẽ được chuyển thành điện xoay chiều khi đi qua bộ Inverter hòa lưới đã được trang bị thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking). Nguồn điện xoay chiều sẽ được kết nối trực tiếp với tủ điện chính, hòa cùng mạng lưới điện quốc gia để cung cấp nguồn điện song song.
Hệ thống không có acquy/pin lưu trữ nên, trong trường hợp mất điện thì inverter sẽ nhanh chóng ngắt kết nối với lưới điện. Hệ thống pin năng lượng mặt trời không tạo ra điện năng để đảm bảo an toàn cho nhân viên sửa chữa và người sử dụng. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời hòa lưới như sau: HÌNH 1. 6 Sơ đồ thiết bị hệ thống điện mặt trời hòa lưới SVTT:Nguyễn Viết Hưng – Nguyễn Tuấn Kha Người HD: Ts Ngô Đức Kiên 6 Thiết kế điện mặt trời áp mái khu nhà làm việc trường đại học sư phạm kĩ thuật cơ sở 2 Là hệ thống không có sự kết nối với hệ nguồn điện quốc gia.
Acquy/pin đóng vai trò là nơi lưu trữ điện. Tấm Pin năng lượng mặt trời có nhiệm vụ hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành dòng điện một chiều. Dòng điện này này được nạp vào hệ thống lưu trữ (ắc quy) thông qua bộ điều khiển sạc. Cuối cùng thông qua bộ chuyển đổi điện áp inverter dòng điện một chiều được chuyển thành dòng điện xoay chiều cung cấp cho các thiết bị sử dụng điện.
Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập như sau: HÌNH 1. 7 Sơ đồ thiết bị điện mặt trời độc lập SVTT:Nguyễn Viết Hưng – Nguyễn Tuấn Kha Người HD: Ts Ngô Đức Kiên 7 Thiết kế điện mặt trời áp mái khu nhà làm việc trường đại học sư phạm kĩ thuật cơ sở 2 2.2 Hệ thống điện hòa lưới có lưu trữ: Là hệ thống có sự kết hợp giữa hệ thống lưới điện quốc gia, hệ thống mặt trời độc lập và hệ thống mặt trời hòa lưới. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ sử dụng các tấm pin mặt trời được kết nối với nhau theo một cách khoa học để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Điện mặt trời sản xuất ra được ưu tiên cho thiết bị tải sử dụng, nếu còn dư sẽ được nạp vào pin lưu trữ để sử dụng khi mất điện hoặc trời tối.
Sau khi nạp đầy pin lưu trữ, nếu còn dư sẽ được phát lên lưới điện để bán lại cho công ty điện lực. Nếu điện mặt trời sản xuất ra không đủ cho tải sử dụng, hệ thống sẽ tự động bổ sung lượng điện còn thiếu từ điện lưới, sau đó mới dùng đến điện ở pin lưu trữ để đảm bảo các thiết bị hoạt động bình thường, không bị mất điện. Với nguyên lý như vậy, hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ có thể hoạt động khi mất điện lưới. Khi mất điện lưới, nó hoạt động như hệ thống điện mặt trời độc lập.
Sơ đồ hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ như sau: HÌNH 1. 8 Sơ đồ thiết bị hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lư trữ SVTT:Nguyễn Viết Hưng – Nguyễn Tuấn Kha Người HD: Ts Ngô Đức Kiên 8 Thiết kế điện mặt trời áp mái khu nhà làm việc trường đại học sư phạm kĩ thuật cơ sở 2 2.3 Ưu, nhược điểm của các hệ thống đấu nối: BẢNG 1. 1 Ưu nhược điểm của các hệ thống đấu nối Hệ thống hòa lưới Hệ thống độc lập Hệ thống hòa lưới có lưu trữ Ưu - Chi phí đầu tư ban đầu - Tăng số tiền tiết kiệm hàng - Cho phép bạn lưu trữ năng điểm thấp tháng lượng dư thừa - Hệ thống lắp đặt đơn - Điện vẫn hoạt động trong - Sử dụng điện dự trữ trong thời giản trường hợp điện lưới mất gian cao điểm buổi tối - Có thể bán điện dư - Không phụ thuộc vào hệ - Giảm tiêu thụ điện năng từ lưới thừa cho điện lưới thống điện lưới nên thường điện Quốc gia sử dụng cho các thiết bị điện - Dùng được điện cả khi mất điện - Vận hành tự động, ít lưu động - Các biến tần hybrid đều có khả phải bảo trì năng cấp nguồn dự phòng - Giảm tải cho điện lưới Giảm tiêu thụ điện từ lưới (giảm nhu cầu quốc gia Nhược - Khi điện lưới mất thì - Phải tính toán đau đầu về - Chi phí đầu tư khá cao do có điểm hệ thống điện mặt trời việc sử dụng thiết bị điện nhiều thiết bị tổ hợp cùng nhau.