Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài tốt nghiệp "Tính toán và thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời cho Công ty TNHH Astro Engineering Việt Nam" được thực hiện bởi sinh viên Phạm Hữu Chí và Trần Nguyễn Nam Bình, dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Bá Tân thuộc Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 6/2024).

Bối cảnh thực tiễn của đề tài bắt nguồn từ nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng cao phục vụ sản xuất và đời sống, kéo theo việc khai thác quá mức nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu. Xu hướng chuyển dịch sang năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, đang diễn ra mạnh mẽ trên phạm vi toàn cầu và tại Việt Nam. Theo thống kê được tác giả trích dẫn, Việt Nam có tiềm năng bức xạ lớn với khoảng 2.500 giờ nắng/năm và cường độ bức xạ 4–5 kWh/m²/ngày. Tính đến cuối năm 2022, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời tại Việt Nam đạt 20.165 MW, chiếm gần 26% tổng công suất nguồn điện cả nước. Tuy nhiên, sự phát triển này đang đối mặt với các rào cản về hạ tầng lưới điện chưa đáp ứng kịp và chính sách chuyển dịch sang khuyến khích mô hình tự dùng tại chỗ, không phát điện lên lưới (Zero-Export).

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 5 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tìm hiểu về các cấu hình hệ thống điện năng lượng mặt trời, đặc biệt là hệ thống hòa lưới bám tải.
  2. Khảo sát thực tế mặt bằng lắp đặt về vị trí, diện tích, hướng và độ nghiêng của mái nhà xưởng.
  3. Tính toán, phân tích và lựa chọn thiết bị cho hệ thống bao gồm tấm pin quang điện (PV), biến tần (inverter), hệ thống dây dẫn, giàn khung và thiết bị đóng cắt.
  4. Thiết kế, mô phỏng hoạt động và mô phỏng đổ bóng của hệ thống thông qua các phần mềm chuyên dụng: AutoCAD, SketchUp và PVsyst.
  5. Tính toán, phân tích hiệu quả kinh tế và thời gian hoàn vốn khi đầu tư hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điện năng lượng mặt trời áp mái công nghiệp bám tải (Zero-Export). Phạm vi không gian được thực hiện tại mặt bằng Công ty TNHH Astro Engineering Việt Nam (địa chỉ tại Tân Hiệp, thị xã Tân Uyên, tỉnh Bình Dương). Phạm vi kỹ thuật tập trung vào việc tận dụng mặt bằng mái tôn của hai phân xưởng A1 và A2 để xây dựng hệ thống có công suất đỉnh 1.069,2 kWp nhằm cấp nguồn trực tiếp cho phụ tải nhà máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng từ bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều (DC) qua hiệu ứng quang điện và nghịch lưu thành dòng điện xoay chiều (AC) 3 pha. Đồ án phân loại 3 dạng hệ thống chính:

  • Hệ thống độc lập (Off-grid): Sử dụng pin lưu trữ, cung cấp điện trực tiếp không qua lưới quốc gia.
  • Hệ thống hòa lưới (On-grid): Hoạt động song song và bù trừ công suất với lưới điện.
  • Hệ thống hòa lưới có lưu trữ (Hybrid): Kết hợp giữa hòa lưới và bộ lưu trữ điện năng.

Tác giả phân tích các yếu tố vật lý và môi trường tác động đến công suất hệ thống:

  • Nhiệt độ môi trường: Ở điều kiện tiêu chuẩn (25°C), tấm pin đạt hiệu suất tối ưu; nhiệt độ thực tế tăng cao có thể làm suy giảm từ 10% đến 20% công suất pin.
  • Bụi bẩn bề mặt: Gây tổn thất quang học từ 1% đến 3%.
  • Độ ẩm và bóng che: Gây ăn mòn vật liệu hoặc làm ngừng hoạt động cục bộ chuỗi pin.

Hệ thống tiêu chuẩn quốc tế và quy chuẩn kỹ thuật được áp dụng bao gồm:

  • Tiêu chuẩn IEC: IEC TS 62738 (hướng dẫn thiết kế nhà máy điện mặt trời), IEC 62930 (cáp DC 1500V), IEC 60904 (thiết bị quang điện), IEC 61683 (phương pháp đo hiệu suất biến tần), IEC 61724 (hiệu suất hệ thống PV), IEC 31727 / IEC 61727 (giao diện nối lưới), IEC 61730 (an toàn tấm quang điện), IEC 61829 (đo đặc tính điện áp tại chỗ), IEC 62093 (thiết kế môi trường), IEC 60502 (cáp nguồn cách điện), IEC 62109 (an toàn biến tần), IEC 62216 / IEC 62116 (chức năng chống hòa lưới khi mất điện lưới - Anti-Islanding), IEC 62446 (thử nghiệm và bảo trì), IEC 62548 (yêu cầu thiết kế chuỗi pin PV), IEC 62852 (kết nối đầu nối DC).
  • Quy chuẩn Việt Nam: QCVN 06:2020/BXD (an toàn cháy cho nhà và công trình), TCVN 3890:2009 (phương tiện phòng cháy chữa cháy).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp khảo sát hiện trường, tính toán giải tích kỹ thuật điện và mô phỏng số hóa:

  • Khảo sát đo đạc thực tế kết cấu mái, đo đạc phụ tải và hiện trạng lưới điện nội bộ.
  • Dữ liệu khí tượng: Trích xuất từ cơ sở dữ liệu Meteonorm tích hợp trong phần mềm PVsyst tại tọa độ khu vực Bình Dương (nhiệt độ trung bình năm 27,5°C, tổng số giờ nắng trung bình 1.781,88 giờ/năm).
  • Phần mềm ứng dụng: AutoCAD dùng thiết kế bản vẽ 2D/sơ đồ nguyên lý đơn tuyến; SketchUp mô hình hóa không gian kiến trúc và bố trí mảng pin 3D; PVsyst mô phỏng bức xạ, phân tích suy hao và tính toán sản lượng điện năng theo chu kỳ năm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dựa trên các dữ liệu phụ tải và hiện trạng mặt bằng thực tế của nhà máy:

  • Phụ tải tiêu thụ: Nhà máy hoạt động liên tục 24/24 với công suất tiêu thụ trung bình khoảng 1.000 kW/h, tương ứng điện năng tiêu thụ khoảng 24.000 kWh/ngày. Hệ thống điện mặt trời được tính toán đạt công suất đỉnh 1.069,2 kWp (hiệu suất hệ thống 80–85%, công suất phát thực tế tối đa khoảng 910 kW/h < 1.000 kW/h), đảm bảo cung cấp từ 15% đến 20% tổng nhu cầu điện ban ngày mà không có lượng điện dư phát ngược.
  • Mặt bằng lắp đặt: Khảo sát 4 khu vực mái tôn sóng vuông gồm A1, A2, A3, A4 (mỗi mái dài 89 m; rộng từ 40,5 m đến 48,5 m). Tác giả loại bỏ mái A3 và A4 do bề mặt có nhiều ống khói xả khí và tôn bị rỉ sét nặng. Hai mái A1 và A2 đủ điều kiện kết cấu được lựa chọn với tổng diện tích 8.633,99 m², độ dốc 9 độ theo hướng Đông Bắc – Tây Nam.
Tiêu chí so sánh Phương án Micro Inverter (Growatt NEO 2000M-X) Phương án String Inverter (Growatt MAX 110KTL3-LV)
Công suất lắp đặt 1.069,2 kWp 1.069,2 kWp
Thiết bị chính Pin AE Solar 550W + Micro Inverter Pin AE Solar 550W + String Inverter 110kW
Chi phí đầu tư ban đầu 14.980.000.000 VNĐ 10.223.000.000 VNĐ
Sản lượng bình quân/tháng 119.425 kWh/tháng (~3.980 kWh/ngày) 126.700 kWh/tháng (~4.223 kWh/ngày)
Tỷ lệ cấp tải nhà máy Khoảng 15% Khoảng 16%
Thời gian hoàn vốn 5,9 năm 4,1 năm
Đánh giá kỹ thuật Tối ưu từng tấm pin, an toàn điện DC thấp, thi công nhiều dây Hiệu suất chuyển đổi cao (98,8%), dễ thi công, vận hành tập trung
Kết luận lựa chọn Chưa khả thi về mặt kinh tế cho dự án lớn Được chọn lựa (tối ưu kỹ thuật và tài chính)

Cấu hình chi tiết của hệ thống được chọn:

  • Tấm pin quang điện: Sử dụng 1.944 tấm pin AE Solar AE550W-AURORA (công nghệ Monocrystalline, 144 cell bán phần kích thước 6x24, kích thước tấm 2.278 x 1.134 x 30 mm, khối lượng 26,4 kg, công suất cực đại Pmax = 550 Wp, Vmpp = 42,92 V, Impp = 13,62 A, Voc = 50,88 V, Isc = 14,39 A, hiệu suất quang năng 22,26%, kính cường lực 3,2 mm, khung nhôm anode 30 mm).
  • Cấu hình đấu nối: 18 tấm pin ghép nối tiếp thành 1 chuỗi (string), các chuỗi đấu nối về các ngõ MPPT của biến tần chuỗi Growatt MAX 110KTL3-LV (tổng 10 bộ biến tần công suất 110 kW).
  • Hệ thống tủ điện và đóng cắt: Nguồn AC từ các biến tần tập trung về nhà trạm cạnh nhà máy, dẫn vào tủ phân phối chính MSB-A1 và MSB-A2. Thiết bị bảo vệ gồm MCCB 3P 1000A 50kA (NS100N3M2), MCCB 3P 1250A 50kA (NS125N3M2), MCCB Schneider 3P 250A 25kA, máy cắt không khí ACB 1600A–2000A tích hợp rơ-le chạm đất, kết nối đồng bộ với máy biến áp 2.000 kVA THIBIDI hiện hữu.
  • Cơ chế Zero-Export: Tích hợp thiết bị điều khiển công suất biến tần bám sát phụ tải thời gian thực theo tổng công suất 3 pha (tổng công suất trao đổi với lưới bằng 0 kW) hoặc theo pha có tải thấp nhất nhằm ngăn chặn hoàn toàn dòng điện phát ngược lên lưới trung thế.
  • Giải pháp PCCC và an toàn kết cấu: Mảng pin chia thành các cụm kích thước tối đa 40 m x 40 m, khoảng cách giữa các cụm tối thiểu 1,5 m, lùi cách mép biên mái tối thiểu 1,5 m đến 2,5 m, không bố trí pin trong bán kính 3 m quanh lối lên thang cứu nạn; trang bị nút ngắt khẩn cấp tại trạm biến tần và tủ MSB.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 khái quát lịch sử phát triển của công nghệ quang điện từ mốc phát hiện hiệu ứng quang điện của Edmond Becquerel năm 1839, pin selenium của Charles Fritts (1883, hiệu suất 1%), Alexander Stoletov (1888, hiệu suất 2%), lý thuyết giải thích của Albert Einstein (1905), pin silicon tại Bell Labs (1954), đến các bước phát triển của Hoffman Electronics (1960), dự án Solar One (1973) và sự bùng nổ thương mại hóa tại Đức, Trung Quốc từ thập niên 2000. Tác giả phân tích tiềm năng bức xạ của Việt Nam, sự tăng trưởng công suất đạt 20.165 MW vào cuối năm 2022, đồng thời nêu rõ các khó khăn về quá tải lưới điện và thủ tục đấu nối. Từ đó xác định mục tiêu thiết kế hệ thống bám tải tại Công ty TNHH Astro Engineering Việt Nam và phân định giới hạn phạm vi nghiên cứu của nhóm gồm 2 thành viên.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày cấu trúc và nguyên lý vận hành của 3 cấu hình hệ thống quang điện (Off-grid, On-grid, Hybrid). Chương này phân tích chi tiết các nguyên nhân gây suy giảm công suất tấm pin gồm loại công nghệ cell quang điện, cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường, bụi bẩn bề mặt và độ ẩm gây ăn mòn. Ngoài ra, chương 2 giới thiệu chức năng và môi trường làm việc của 3 phần mềm công cụ: PVsyst (tính toán năng lượng và mô phỏng chuyên sâu), AutoCAD (thiết kế bản vẽ kỹ thuật điện) và SketchUp (mô hình hóa 3D không gian kiến trúc).

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, cung cấp các nội dung:

  • Phân tích điều kiện tự nhiên tại Bình Dương với nhiệt độ trung bình 27,5°C và số giờ nắng trung bình 1.781,88 giờ/năm theo dữ liệu Meteonorm.
  • Khảo sát thực tế tổng thể diện tích nhà máy 47.000 m², đánh giá 4 mái xưởng và quyết định chọn mái A1, A2 (diện tích khả dụng 8.633,99 m²).
  • Phân tích đồ thị phụ tải 24.000 kWh/ngày (công suất liên tục 1.000 kW).
  • Lập bảng so sánh kỹ thuật và kinh tế giữa giải pháp Micro Inverter Growatt NEO 2000M-X và String Inverter Growatt MAX 110KTL3-LV, từ đó chọn cấu hình String Inverter 1.069,2 kWp.
  • Thiết kế sơ đồ bố trí 1.944 tấm pin AE Solar 550W, phân chia mảng pin theo quy định PCCC QCVN 06:2020/BXD và TCVN 3890:2009.
  • Thiết lập giải pháp điều khiển Zero-Export chống phát ngược lưới.
  • Tính toán chọn lựa cáp DC Solar IEC 62930, cáp AC Cadivi CV4, dây tiếp địa PE, thang máng cáp, máy biến áp THIBIDI 2.000 kVA, thiết bị đóng cắt tủ MSB-A1, MSB-A2 (MCCB 1000A, 1250A, 250A, ACB 1600–2000A) và xây dựng mô hình trực quan 3D trên SketchUp.

Chương 4: Mô phỏng và phân tích hiệu quả của hệ thống điện mặt trời

Chương 4 thực hiện mô phỏng hệ thống trên PVsyst bằng việc khai báo các thông số kỹ thuật thực tế:

  • Khai báo thông số pin AE Solar 550Wp và biến tần Growatt.
  • Thiết lập các hệ số tổn hao: tổn hao nhiệt, tổn hao điện trở (Ohm), tổn thất lớp phủ bề mặt, tổn thất do chất lượng module, tổn hao do suy giảm ánh sáng (LID) và suy giảm công suất hàng năm.
  • Thực hiện mô phỏng đổ bóng 3D chi tiết vào ngày hạ chí 23/6.
  • Xuất kết quả báo cáo sản lượng điện mặt trời qua 12 tháng, biểu đồ năng lượng đầu vào/đầu ra hàng ngày, biểu đồ phân phối điện năng và đánh giá hiệu quả tài chính của dự án.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết mức độ hoàn thành các mục tiêu tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống điện mặt trời hòa lưới bám tải cho nhà máy Astro Engineering Việt Nam, đồng thời đưa ra các nhận định về xu hướng phát triển công nghệ điện mặt trời và lưu trữ năng lượng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác lập thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống điện mặt trời áp mái 1.069,2 kWp gồm 1.944 tấm pin AE Solar 550W AURORA và hệ thống biến tần chuỗi Growatt MAX 110KTL3-LV (110 kW).
  • Bố trí tối ưu diện tích 8.633,99 m² trên 2 mái nhà xưởng A1 và A2, đáp ứng đầy đủ khoảng cách an toàn vận hành và hành lang PCCC theo QCVN 06:2020/BXD.
  • Sản lượng điện năng tạo ra đạt trung bình 126.700 kWh/tháng (tương đương khoảng 4.223 kWh/ngày), trực tiếp bù đắp khoảng 16% tổng lượng điện tiêu thụ hàng ngày của hai phân xưởng A1 và A2.
  • Tổng mức vốn đầu tư hệ thống là 10.223.000.000 VNĐ, mang lại thời gian hoàn vốn ước tính là 4,1 năm (ngắn hơn đáng kể so với phương án Micro Inverter là 5,9 năm với mức đầu tư 14.980.000.000 VNĐ).

Về mặt giải pháp, tác giả đã tích hợp thành công giải pháp chống phát ngược Zero-Export trên hệ thống biến tần Growatt 3 pha, giúp giải quyết triệt để rào cản pháp lý về việc không được phát điện dư lên lưới điện trung áp quốc gia nhưng vẫn tối đa hóa công suất tự dùng nội bộ. Đóng góp của đề tài là cung cấp bộ hồ sơ tính toán, thiết kế và mô phỏng hoàn chỉnh, có tính ứng dụng thực tiễn cao cho mô hình điện mặt trời tự dùng tại các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp quy mô vừa và lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Đồ án mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế kỹ thuật và mô phỏng trên phần mềm (AutoCAD, SketchUp, PVsyst), chưa tiến hành triển khai thi công, đo đạc và nghiệm thu thực nghiệm tại hiện trường nhà máy.
  • Phạm vi lắp đặt bị thu hẹp trên mái A1 và A2 do mái A3 và A4 không đảm bảo điều kiện kết cấu (tôn rỉ sét và nhiều vật cản ống khói).

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất:

  • Tiếp tục theo dõi, đánh giá sự thay đổi của chính sách giá điện và cơ chế điều hành năng lượng tái tạo tại Việt Nam để nghiên cứu bổ sung hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) khi quy mô phụ tải mở rộng.
  • Nghiên cứu cải tạo kết cấu mái A3 và A4 để nâng cao tổng công suất lắp đặt của toàn nhà máy khi doanh nghiệp có nhu cầu gia tăng sản lượng điện tự dùng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật điện, Kỹ thuật cơ điện tử và Năng lượng: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về quy trình khảo sát, tính toán phụ tải, lựa chọn thiết bị đóng cắt, tính toán máy biến áp và phương pháp phối hợp các phần mềm AutoCAD, SketchUp, PVsyst trong thiết kế hệ thống quang điện công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế và tư vấn giải pháp năng lượng mặt trời công nghiệp (C&I): Cung cấp số liệu so sánh kinh tế - kỹ thuật chi tiết giữa công nghệ Micro Inverter và String Inverter, phương án thiết kế hệ thống bám tải Zero-Export và giải pháp bố trí mặt bằng đáp ứng quy chuẩn PCCC QCVN 06:2020/BXD.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả không lắp đặt pin trên toàn bộ 4 mái nhà xưởng (A1, A2, A3, A4) mà chỉ chọn mái A1 và A2?
Qua công tác khảo sát thực địa, mái A3 và A4 (diện tích mỗi mái 3.604,5 m²) có phần mái bố trí nhiều ống khói của các thiết bị sản xuất gây bóng che và cản trở lắp đặt, đồng thời bề mặt tôn đã có dấu hiệu rỉ sét nặng không đảm bảo an toàn chịu lực lâu dài. Do đó, tác giả loại bỏ mái A3, A4 và chọn mái A1, A2 còn mới, chắc chắn với tổng diện tích 8.633,99 m² để lắp đặt.

2. Nguyên lý hoạt động của chức năng Zero-Export theo tổng công suất được áp dụng cho nhà máy như thế nào?
Hệ thống sử dụng biến tần Growatt tích hợp chức năng Zero-Export theo tổng công suất. Biến tần điều khiển công suất phát sao cho tổng đại số công suất lấy từ lưới và phát vào lưới của cả 3 pha L1, L2, L3 luôn bằng 0 kW. Nếu một pha phát thừa công suất nhỏ, lượng công suất này sẽ bù trừ cho pha thiếu điện, đảm bảo không có bất kỳ dòng công suất thừa nào đẩy ngược ra lưới điện trung thế của điện lực.

3. Dựa trên các chỉ số tài chính và kỹ thuật nào mà biến tần chuỗi (String Inverter) được chọn thay vì biến tần vi mô (Micro Inverter)?
Hệ thống String Inverter có chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn (10,223 tỷ VNĐ so với 14,980 tỷ VNĐ của Micro Inverter), sản lượng điện tạo ra cao hơn (126.700 kWh/tháng so với 119.425 kWh/tháng), thời gian hoàn vốn nhanh hơn (4,1 năm so với 5,9 năm), đồng thời cấu trúc mạch ít thiết bị phụ trợ hơn, thuận tiện cho công tác thi công và bảo trì tập trung ở quy mô công nghiệp trên 1 MWp.

4. Cấu hình chuỗi pin (string) và công suất lắp đặt của hệ thống được tính toán cụ thể ra sao?
Toàn bộ hệ thống gồm 1.944 tấm pin Mono AE Solar AE550W-AURORA (550 Wp), tạo nên tổng công suất đỉnh 1.069,2 kWp. Mỗi chuỗi (string) gồm 18 tấm pin ghép nối tiếp để đảm bảo dải điện áp làm việc phù hợp với dải MPPT của 10 biến tần Growatt MAX 110KTL3-LV (mỗi biến tần 110 kW).

5. Thiết kế mặt bằng tấm pin trên mái nhà xưởng đã tuân thủ các quy định phòng cháy chữa cháy nào?
Hệ thống tuân thủ quy chuẩn QCVN 06:2020/BXD và TCVN 3890:2009: tấm pin được chia thành các cụm mảng không vượt quá kích thước 40 m x 40 m, khoảng cách giữa các cụm tối thiểu 1,5 m; các tấm pin cách mép mái từ 1,5 m đến 2,5 m; khoảng cách quanh lối lên mái qua thang cứu nạn tối thiểu 3 m và trang bị nút ngắt khẩn cấp tại trạm biến tần cũng như tủ điện chính.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Hữu Chí và Trần Nguyễn Nam Bình đã giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán, thiết kế và đánh giá hiệu quả kỹ thuật - kinh tế của hệ thống điện mặt trời áp mái công suất 1.069,2 kWp cho Công ty TNHH Astro Engineering Việt Nam. Thông qua việc so sánh đối chuẩn giữa các cấu hình biến tần và áp dụng chặt chẽ các tiêu chuẩn quốc tế IEC cùng quy chuẩn an toàn Việt Nam, giải pháp String Inverter bám tải Zero-Export được chứng minh là phương án tối ưu với thời gian hoàn vốn 4,1 năm. Công trình đóng góp một giải pháp năng lượng sạch tự dùng khả thi, vừa đáp ứng khoảng 16% nhu cầu điện năng sản xuất hàng ngày của nhà máy, vừa giải quyết hiệu quả bài toán an toàn điện và quy định không phát điện lên lưới.