Thiết Kế Hệ Thống Điện Năng Lượng Mặt Trời

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điện Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 1.1. Mặt Trời – Nguồn năng lượng vô tận
• 1.1. Cấu tạo Mặt Trời
• 1.2. Nguồn năng lượng vô tận
• 1.3. Năng lượng bức xạ Mặt Trời
• 1.4. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng bức xạ Mặt Trời
• 2.1. Tình hình ứng dụng năng lượng Mặt Trời trên thế giới
• 2.2. Tình hình ứng dụng năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam
• 2.3. Sơ đồ hệ thống năng lượng điện mặt trời
• 2.4. Loại và hệ thống năng lượng mặt trời chính
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 2.1. Tìm hiểu các dạng hệ thống điện năng lượng Mặt Trời
• 2.1. Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (Off-grid)
• 2.2. Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới (On-grid hoặc Grid-tied)
• 2.3. Chi tiết các thiết bị cần thiết của hệ thống năng lượng mặt trời
• 2.3.1. Tấm pin Panel mặt trời (solar cells panel)
• 2.3.2. Bộ điều khiển sạc (solar charge controller)
• 2.3.3. Ắc quy (Battery)
• 2.3.4. Kích điện (inverter)
• 2.3.5. Khung, dây và phụ kiện lắp đặt
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 3.1. Giới thiệu tổng quát mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời
• 3.2. Danh sách thiết bị
• 3.3. Cấu tạo và chức năng từng thiết bị
• 3.3.1. Đồng hồ đo AC 20A
• 3.3.2. Đồng hồ đo DC-20A
• 3.3.3. MCB ABB SH201-C20
• 3.3.4. Bộ điều khiển sạc (Intelligent solar charge controller 12V – 20A)
• 3.4. Nguyên lí hoạt động
• 3.5. Tính toán cho hệ thống điện năng lượng mặt trời
• 3.5.1. Tính tổng điện tiêu thụ
• 3.5.2. Tính tổng dung lượng Inverter
• 3.5.3. Chọn bộ điều khiển sạc (Solar charge controller)
• 3.5.4. Tính tổng dung lượng bộ ắc quy
• 3.5.5. Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng
• 3.5.6. Lựa chọn dây dẫn, cầu chì, CB, hộp nối
• 3.5.7. Bài tập áp dụng
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC HÀNH MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 4.1. Dụng cụ thực hành
• 4.2. Nội dung thực hành
• 4.3. Kết quả thực hành
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH
• 5.1. Kết quả luận văn
• 5.2. Đề xuất phát triển mô hình
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LỜI CẢM ƠN

Tóm tắt

I. Hướng dẫn cấu trúc khóa luận hệ thống điện mặt trời

Thực hiện một đồ án tốt nghiệp điện công nghiệp về chủ đề năng lượng tái tạo là một lựa chọn hợp thời và đầy tiềm năng. Cụ thể, đề tài Thiết Kế Hệ Thống Điện Năng Lượng Mặt Trời đòi hỏi sinh viên phải nắm vững kiến thức từ cơ sở lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn. Một khóa luận thành công không chỉ thể hiện năng lực chuyên môn mà còn là một công trình nghiên cứu có giá trị, đóng góp vào xu hướng phát triển bền vững. Cấu trúc của một khóa luận chuẩn mực thường bao gồm các chương mục rõ ràng, bắt đầu từ tổng quan về tiềm năng năng lượng mặt trời, phân tích các thành phần cốt lõi của hệ thống, đi sâu vào quy trình tính toán thiết kế, mô phỏng hiệu suất và cuối cùng là đánh giá hiệu quả kinh tế. Việc hiểu rõ cấu trúc này là bước đệm đầu tiên để sinh viên định hình được lộ trình nghiên cứu, phân bổ thời gian hợp lý và đảm bảo các nội dung được trình bày một cách logic, khoa học. Tài liệu tham khảo chính cho bài viết này là khóa luận "Thiết kế mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời" của sinh viên Trần Trung Tín và Nguyễn Ngọc Tuấn, thực hiện tại Đại học Công nghiệp TP.HCM năm 2018, một công trình cung cấp nền tảng vững chắc về cả lý thuyết và thực hành.

1.1. Tổng quan về tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam, với vị trí địa lý nằm trong vùng nhiệt đới, sở hữu tiềm năng bức xạ mặt trời rất lớn. Theo các số liệu thống kê được trích dẫn trong nhiều nghiên cứu, tổng bức xạ năng lượng mặt trời trung bình dao động từ 4 đến 5 kWh/m²/ngày. Các khu vực miền Trung và miền Nam có số giờ nắng lên tới 2.000-2.600 giờ mỗi năm, tạo điều kiện lý tưởng để phát triển các hệ thống hòa lưới (on-grid) và hệ thống độc lập (off-grid). Việc khai thác nguồn năng lượng vô tận này không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Trong phần mở đầu của khóa luận, việc trình bày các số liệu này là cần thiết để làm nổi bật tính cấp thiết và tiềm năng của đề tài. Sinh viên cần phân tích các chính sách khuyến khích của chính phủ và xu hướng phát triển điện mặt trời trên thế giới và trong nước để tăng tính thuyết phục.

1.2. Các thành phần chính và nguyên lý hoạt động cơ bản

Một hệ thống điện mặt trời hoàn chỉnh được cấu thành từ nhiều bộ phận hoạt động nhịp nhàng với nhau. Thành phần cốt lõi là các tấm pin quang điện (Solar Panel), có nhiệm vụ chuyển đổi quang năng thành điện năng dựa trên nguyên lý quang điện. Dòng điện một chiều (DC) tạo ra sẽ được dẫn đến bộ biến tần (inverter) để chuyển đổi thành dòng xoay chiều (AC) phù hợp với các thiết bị điện dân dụng. Đối với các hệ thống độc lập (off-grid) hoặc hệ thống hybrid, không thể thiếu hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS), thường là các ắc quy lithium hoặc ắc quy axit-chì. Ngoài ra, các thành phần khác như bộ điều khiển sạc, khung giá đỡ, tủ điện DC/AC, và hệ thống dây dẫn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất hệ thống và an toàn vận hành. Việc hiểu rõ chức năng của từng bộ phận là nền tảng để tiến hành các bước thiết kế chi tiết sau này.

II. Bí quyết xác định yêu cầu thiết kế hệ thống điện mặt trời

Giai đoạn khởi đầu của một dự án thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời là quan trọng nhất, quyết định đến quy mô, chi phí và hiệu quả của toàn bộ công trình. Thách thức lớn nhất đối với sinh viên khi thực hiện khóa luận là làm thế nào để xác định chính xác các yêu cầu đầu vào. Điều này không chỉ đơn thuần là liệt kê các thiết bị cần cấp điện, mà còn bao gồm việc khảo sát thực địa chi tiết, phân tích thói quen sử dụng điện và dự báo nhu cầu trong tương lai. Một sai sót nhỏ trong việc tính toán phụ tải có thể dẫn đến việc lựa chọn thiết bị không phù hợp, gây lãng phí hoặc không đáp ứng đủ công suất. Ví dụ, một hệ thống được thiết kế dưới tải sẽ không cung cấp đủ điện vào giờ cao điểm, trong khi một hệ thống quá tải sẽ làm tăng chi phí đầu tư và kéo dài thời gian hoàn vốn. Do đó, việc áp dụng một phương pháp luận khoa học và tỉ mỉ trong giai đoạn này là yếu tố tiên quyết để đảm bảo khóa luận có tính ứng dụng thực tiễn cao.

2.1. Phương pháp khảo sát và thu thập dữ liệu phụ tải

Để bắt đầu, cần tiến hành khảo sát chi tiết tại địa điểm dự kiến lắp đặt. Các thông tin cần thu thập bao gồm: diện tích mái nhà khả dụng, hướng mái, độ dốc, và các vật cản có thể gây che bóng. Tiếp theo, bước quan trọng nhất là lập bảng thống kê chi tiết các thiết bị tiêu thụ điện. Mỗi thiết bị cần được ghi rõ công suất (Watt) và thời gian sử dụng trung bình trong một ngày (giờ). Từ đó, áp dụng công thức tính tổng điện năng tiêu thụ hàng ngày (Wh/ngày). Theo khóa luận của Trần Trung Tín và Nguyễn Ngọc Tuấn (2018), công thức cơ bản được áp dụng là: E_total = Σ(P_thiết_bị × t_sử_dụng). Quá trình này đòi hỏi sự cẩn thận để không bỏ sót bất kỳ phụ tải nào, từ các thiết bị lớn như điều hòa, tủ lạnh đến các thiết bị nhỏ như đèn, quạt, sạc điện thoại.

2.2. Phân loại hệ thống điện mặt trời phù hợp với nhu cầu

Dựa trên kết quả khảo sát phụ tải và đặc điểm lưới điện tại địa điểm lắp đặt, sinh viên cần đưa ra lựa chọn loại hệ thống phù hợp. Có ba loại chính: hệ thống hòa lưới (on-grid), hệ thống độc lập (off-grid), và hệ thống hybrid. Hệ thống hòa lưới phù hợp với khu vực có lưới điện ổn định, giúp giảm chi phí tiền điện hàng tháng và có thể bán lại điện dư cho EVN. Hệ thống độc lập là giải pháp cho những nơi không có lưới điện, yêu cầu phải có hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) đủ lớn để cung cấp điện vào ban đêm và những ngày ít nắng. Hệ thống hybrid là sự kết hợp của cả hai, vừa hòa lưới vừa có lưu trữ dự phòng, mang lại sự an toàn và linh hoạt cao nhất nhưng cũng có chi phí đầu tư lớn nhất. Việc lựa chọn đúng loại hình hệ thống sẽ định hướng cho toàn bộ quá trình tính toán và lựa chọn thiết bị điện mặt trời sau này.

III. Phương pháp tính toán thiết kế hệ thống điện mặt trời

Đây là chương cốt lõi của khóa luận tốt nghiệp, nơi sinh viên thể hiện năng lực tính toán và ứng dụng lý thuyết vào thực tế. Quá trình tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời là một chuỗi các bước logic, liên kết chặt chẽ với nhau. Bắt đầu từ tổng năng lượng tiêu thụ đã xác định ở chương trước, sinh viên cần tính toán dung lượng các thành phần chính để đáp ứng nhu cầu đó, đồng thời phải tính đến các yếu tố hao hụt trong hệ thống. Các yếu tố như hiệu suất của bộ biến tần (inverter), hiệu suất nạp/xả của ắc quy lithium, và sự suy giảm hiệu suất của pin quang điện theo nhiệt độ đều phải được xem xét. Việc áp dụng đúng các công thức và các hệ số an toàn sẽ đảm bảo hệ thống được thiết kế tối ưu, vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vừa hiệu quả về mặt kinh tế. Các tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất thiết bị và các tiêu chuẩn thiết kế điện mặt trời hiện hành là nguồn tham khảo không thể thiếu trong giai đoạn này.

3.1. Lựa chọn công suất tấm pin kWp và bộ biến tần

Công suất của giàn pin quang điện, được đo bằng công suất đỉnh (kWp), phải đủ lớn để tạo ra sản lượng điện (kWh) cần thiết mỗi ngày. Việc tính toán này dựa trên tổng năng lượng tiêu thụ hàng ngày (đã tính cả hao hụt) và số giờ nắng đỉnh trung bình tại khu vực lắp đặt. Theo luận văn tham khảo, công suất pin cần thiết (P_spv) được tính bằng công thức: P_spv = E_cần_thiết / N_sh, trong đó N_sh là số giờ nắng đỉnh. Sau khi có P_spv, tiến hành lựa chọn loại tấm pin và số lượng tấm cần dùng. Tương tự, công suất của bộ biến tần (inverter) phải lớn hơn tổng công suất của các phụ tải hoạt động đồng thời, thường được chọn với hệ số dự phòng từ 1.2 đến 1.25 để đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ.

3.2. Tính toán dung lượng hệ thống lưu trữ năng lượng BESS

Đối với hệ thống độc lập hoặc hybrid, việc tính toán dung lượng hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) là cực kỳ quan trọng. Dung lượng này phải đủ để cung cấp điện cho các phụ tải trong suốt thời gian không có nắng, cộng với số ngày dự phòng (autonomy days) mong muốn. Công thức tính dung lượng ắc quy (C_total) thường có dạng: C_total = (E_total × Số_ngày_dự_phòng) / (V_system × DoD × η_battery), trong đó DoD (Depth of Discharge) là độ xả sâu cho phép của ắc quy, V_system là điện áp hệ thống, và η_battery là hiệu suất ắc quy. Lựa chọn ắc quy lithium thường được ưu tiên do có tuổi thọ cao, hiệu suất tốt và DoD lớn hơn so với ắc quy axit-chì truyền thống.

IV. Cách mô phỏng và phân tích kỹ thuật hệ thống điện mặt trời

Sau khi hoàn thành các bước tính toán lý thuyết, việc mô phỏng hệ thống điện mặt trời và phân tích hiệu quả là bước không thể thiếu để kiểm chứng và hoàn thiện thiết kế. Giai đoạn này giúp đánh giá hiệu suất hệ thống một cách trực quan, dự báo sản lượng điện (kWh) hàng tháng, hàng năm và xác định tính khả thi của dự án trước khi triển khai. Các phần mềm chuyên dụng cho phép người thiết kế nhập vào các thông số về thiết bị, vị trí địa lý, dữ liệu thời tiết, và cấu hình hệ thống để chạy các kịch bản mô phỏng khác nhau. Kết quả từ mô phỏng là cơ sở vững chắc để thực hiện phân tích kinh tế kỹ thuật, một phần quan trọng trong mọi đồ án tốt nghiệp điện công nghiệp. Bên cạnh đó, việc hoàn thiện các bản vẽ kỹ thuật chi tiết cũng là yêu cầu bắt buộc để thể hiện tính chuyên nghiệp và khả năng áp dụng thực tế của khóa luận.

4.1. Sử dụng phần mềm PVSyst để mô phỏng và đánh giá

Phần mềm PVSyst là công cụ tiêu chuẩn ngành được sử dụng rộng rãi để thiết kế và mô phỏng hệ thống điện mặt trời. PVSyst cho phép xây dựng mô hình 3D của công trình để phân tích ảnh hưởng của che bóng, tính toán tối ưu góc nghiêng và hướng lắp đặt của giàn pin. Người dùng có thể nhập thông số chi tiết của các loại pin quang điện và bộ biến tần (inverter) từ thư viện phong phú của phần mềm. Kết quả mô phỏng sẽ cho ra báo cáo chi tiết về sản lượng năng lượng, các loại tổn thất (do nhiệt độ, dây dẫn, bụi bẩn...) và hiệu suất hệ thống tổng thể (Performance Ratio - PR). Những dữ liệu này cực kỳ hữu ích để so sánh các phương án thiết kế và lựa chọn phương án tối ưu nhất.

4.2. Phân tích kinh tế và tính toán thời gian hoàn vốn

Một thiết kế tốt về kỹ thuật phải đi đôi với hiệu quả về kinh tế. Phần phân tích kinh tế kỹ thuật cần trình bày rõ các hạng mục chi phí đầu tư ban đầu (thiết bị, lắp đặt, vận chuyển) và chi phí vận hành, bảo dưỡng hàng năm. Dựa trên sản lượng điện dự kiến từ mô phỏng và giá điện hiện hành, sinh viên sẽ tính toán được doanh thu hoặc chi phí tiết kiệm được mỗi năm. Từ đó, các chỉ số tài chính quan trọng như thời gian hoàn vốn (Payback Period), Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) và Giá trị hiện tại ròng (NPV) sẽ được xác định. Một phân tích chi tiết và minh bạch sẽ làm tăng giá trị thực tiễn của khóa luận, chứng minh dự án không chỉ khả thi về mặt kỹ thuật mà còn hấp dẫn về mặt tài chính.

4.3. Hoàn thiện bản vẽ AutoCAD và hệ thống bảo vệ

Để hoàn thiện hồ sơ thiết kế, cần có bộ bản vẽ AutoCAD hệ thống điện mặt trời chi tiết. Các bản vẽ này bao gồm: sơ đồ nguyên lý của hệ thống, bản vẽ bố trí tấm pin trên mái, sơ đồ đi dây DC và AC, và chi tiết lắp đặt khung giá đỡ. Ngoài ra, một phần quan trọng là thiết kế hệ thống bảo vệ và nối đất hệ thống. Điều này bao gồm việc lựa chọn các thiết bị bảo vệ như cầu chì DC, aptomat (MCB/MCCB), thiết bị chống sét lan truyền (SPD) cho cả phía DC và AC để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho con người và thiết bị trong quá trình vận hành, tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế điện mặt trời như TCVN hoặc IEC.

V. Triển khai mô hình điện mặt trời Từ lý thuyết đến thực tiễn

Từ những tính toán và mô phỏng, bước tiếp theo trong nhiều khóa luận là xây dựng một mô hình vật lý để kiểm chứng. Việc triển khai một mô hình thực tế, dù ở quy mô nhỏ, mang lại giá trị to lớn, giúp sinh viên đối chiếu kết quả lý thuyết với dữ liệu đo đạc thực tế. Quá trình này không chỉ củng cố kiến thức về lựa chọn thiết bị điện mặt trời mà còn rèn luyện kỹ năng thi công, lắp đặt và xử lý sự cố. Theo mô hình được trình bày trong luận văn tham khảo của Trần Trung Tín và Nguyễn Ngọc Tuấn, một tủ điện DC/AC trung tâm được thiết kế để tích hợp các thiết bị như bộ điều khiển sạc, bộ biến tần (inverter), và các thiết bị đo lường, bảo vệ. Mô hình này cho phép thực hiện các thí nghiệm, đo đạc thông số vận hành một cách trực quan và an toàn, là một minh chứng sống động cho toàn bộ quá trình nghiên cứu và thiết kế đã thực hiện.

5.1. Lắp đặt và đấu nối các thành phần của mô hình

Quá trình lắp đặt bắt đầu với việc cố định khung giá đỡ và các tấm pin quang điện tại vị trí đã khảo sát. Tiếp theo là lắp đặt tủ điện điều khiển và hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS). Việc đấu nối dây dẫn cần được thực hiện cẩn thận, tuân thủ đúng sơ đồ nguyên lý đã thiết kế, đặc biệt là phân biệt rõ cực tính của các kết nối DC. Sử dụng các đầu cốt (cosse) và dụng cụ chuyên dụng để đảm bảo các mối nối chắc chắn, giảm điện trở tiếp xúc và tránh nguy cơ phát sinh hồ quang. Hệ thống bảo vệ và nối đất hệ thống phải được kết nối đầy đủ trước khi cấp nguồn cho hệ thống.

5.2. Vận hành thử nghiệm và đo đạc các thông số thực tế

Sau khi hoàn tất lắp đặt và kiểm tra an toàn, mô hình được đưa vào vận hành thử nghiệm. Sử dụng các thiết bị đo chuyên dụng như đồng hồ VOM, ampe kìm, và thiết bị phân tích năng lượng để ghi lại các thông số quan trọng: điện áp hở mạch (Voc) và dòng ngắn mạch (Isc) của tấm pin, điện áp và dòng sạc vào ắc quy, công suất ngõ ra của inverter. Các dữ liệu này sẽ được so sánh với các giá trị tính toán lý thuyết và kết quả mô phỏng. Sự sai khác (nếu có) sẽ được phân tích để tìm ra nguyên nhân, có thể do điều kiện thời tiết thực tế, tổn thất trong hệ thống, hoặc sai số của thiết bị. Quá trình này giúp đánh giá chính xác hiệu suất hệ thống trong điều kiện vận hành thực.