Thiết Kế Hệ Thống Điện Năng Lượng 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… 70 trang · Trường Đại Học Kỹ Thuật · 2023.

• 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.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Trần Trung Tín (MSSV: 14043091) và Nguyễn Ngọc Tuấn (MSSV: 14038481), dưới sự hướng dẫn của ThS. Vũ Hoàng Hải, thuộc Bộ môn Cung cấp điện, Khoa Công nghệ Điện, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh vào năm 2018.

Bối cảnh thực tiễn của đề tài xuất phát từ nhu cầu cấp thiết về việc chuyển dịch năng lượng trong giai đoạn hiện đại. Các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống như than đá, dầu khí đang ngày càng cạn kiệt và gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Trong khi đó, Mặt Trời là nguồn cung cấp bức xạ năng lượng tự nhiên khổng lồ, sạch và có khả năng tái tạo vô tận. Việt Nam là quốc gia nằm trọn trong vùng nhiệt đới, sở hữu tiềm năng bức xạ mặt trời dồi dào, đặc biệt là khu vực các tỉnh miền Trung và miền Nam. Tuy nhiên, việc khai thác nguồn điện mặt trời vẫn đối mặt với nhiều thách thức về mặt công nghệ, chi phí đầu tư ban đầu và đòi hỏi nguồn nhân lực kỹ thuật am hiểu sâu sắc về thiết kế, vận hành hệ thống. Tại các trường đại học khối ngành kỹ thuật, việc trang bị các mô hình thực hành trực quan phục vụ công tác giảng dạy môn học mới như môn "Năng lượng tái tạo" là yêu cầu cần thiết nhằm giúp sinh viên củng cố kiến thức lý thuyết và rèn luyện kỹ năng thực tế.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được phân định cụ thể theo phiếu giao đề tài:

1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời, bao gồm các cấu trúc hệ thống độc lập (Off-grid), hệ thống hòa lưới (On-grid) và hệ thống lai kết hợp (Hybrid).
2. Thiết kế mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời hoàn chỉnh ở quy mô phòng thực hành, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về an toàn điện và đo lường.
3. Thực hiện tính toán lựa chọn các thiết bị chính: tấm pin quang điện (PV panel), bộ điều khiển sạc (solar charge controller), bộ lưu trữ ắc quy, bộ kích điện (inverter) cùng hệ thống thiết bị đóng cắt, bảo vệ (cầu chì, MCB) và dây dẫn.
4. Thi công, lắp đặt tủ thực hành thực tế, đưa các đầu ra thiết bị vào khối domino đấu nối và tích hợp đồng hồ đo đạc thông số.
5. Vận hành mô hình, tiến hành đo kiểm các thông số kỹ thuật (điện áp, dòng điện, công suất sạc và xả cho các loại phụ tải AC/DC) và đánh giá kết quả đạt được.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cung cấp điện năng lượng mặt trời độc lập quy mô nhỏ, tập trung vào mô hình tủ điện thực hành tích hợp các khối thiết bị công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu về không gian được triển khai tại phòng thực hành Khoa Công nghệ Điện, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh; phạm vi thời gian hoàn thành công trình vào năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý vật lý thiên văn về bức xạ mặt trời và kỹ thuật điện năng lượng tái tạo:

• Cơ chế phát sinh năng lượng mặt trời: Mặt Trời được cấu tạo chủ yếu từ hydro (chiếm 74,9% khối lượng trong quang quyển) và heli (chiếm 23,8%), phần còn lại dưới 2% là các nguyên tố kim loại (oxy gần 1%, carbon 0,3%, neon 0,2%, sắt 0,2%). Các phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân hydro thành heli diễn ra liên tục tại lõi Mặt Trời chuyển hóa hơn 4 triệu tấn vật chất mỗi giây thành bức xạ điện từ và hạt neutrino. Công suất bức xạ toàn phần của Mặt Trời đạt $3,865 \times 10^{26}\text{ W}$, trong đó lượng năng lượng tới bề mặt Trái Đất duy trì sự sống và các chu trình phong hóa, vận chuyển.
• Công nghệ biến đổi năng lượng: Văn bản phân tích hai công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời chính gồm nhiệt điện mặt trời tập trung (Concentrated Solar Power - CSP) sử dụng gương hoặc thấu kính hội tụ nhiệt để chạy tuabin phát điện, và công nghệ quang điện (Photovoltaic - PV) biến đổi trực tiếp photon ánh sáng thành dòng điện một chiều thông qua hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn.
• Mô hình phân loại hệ thống quang điện: Khóa luận phân tích cấu trúc 4 dạng hệ thống: hệ thống độc lập không nối lưới (Off-grid), hệ thống hòa lưới trực tiếp (On-grid / Grid-tied), hệ thống hòa lưới có bộ lưu trữ dự phòng (Hybrid) và hệ thống hòa lưới không lưu trữ.
• Nguồn tài liệu lý thuyết tham khảo: Tác giả kế thừa các giáo trình, tài liệu chuyên khảo trong nước và quốc tế bao gồm: sách Solar Photovoltaic Technology and Systems của tác giả Chetan Singh Solanki; tài liệu của Nguyễn Xuân Phú và Tô Đằng; tập bài giảng Năng lượng tái tạo của ThS. Lê Hoàng Chương (Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM); công trình của TS. Dương Thanh Long trên Tạp chí Đại học Công nghiệp TP.HCM về tối ưu hóa phân bố công suất; cùng sách Năng lượng mặt trời - Lý thuyết & Ứng dụng của TS. Hoàng Dương Hùng.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích và thực nghiệm chế tạo:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp dữ liệu: Thu thập và hệ thống hóa số liệu về cường độ bức xạ năng lượng mặt trời tại các vùng địa lý của Việt Nam thông qua thống kê của HCM CityWeb, phân tích số liệu thị trường quang điện toàn cầu.
• Phương pháp tính toán kỹ thuật: Xây dựng chuỗi công thức giải tích chuẩn xác để tính toán cân bằng năng lượng: xác định tổng công suất tải ($P_{\text{total}}$), tổng năng lượng tiêu thụ hàng ngày ($E_{\text{total}}$), công suất định mức của bộ nghịch lưu Inverter, tính toán dung lượng ngân hàng ắc quy theo độ xả sâu (Depth of Discharge - DOD) và số ngày dự trữ, tính toán công suất giàn pin PV theo số giờ nắng đỉnh ($I_{\text{sh}}$), cùng các phương trình lựa chọn dòng điện định mức cho khí cụ đóng cắt bảo vệ theo quy chuẩn kỹ thuật điện.
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Gia công lắp ráp tủ bảng điện thực hành, kết nối mạch động lực và mạch điều khiển, sử dụng hệ thống đèn chiếu giả lập nguồn bức xạ mặt trời, áp dụng quy trình kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ vạn năng VOM và đo đạc trực tiếp các thông số kỹ thuật bằng các đồng hồ hiển thị số chuyên dụng.

Thiết kế và triển khai

Do đây là đồ án thiết kế hệ thống kỹ thuật phần cứng, nhóm tác giả đã triển khai chi tiết từ thiết kế cấu trúc, lựa chọn thiết bị công nghiệp đến thi công tủ bảng điện thực hành:

Cấu trúc phần cứng của mô hình được thiết kế dưới dạng tủ thực hành tích hợp, bao gồm các khối chức năng chính:

• Khối nguồn quang điện: Tấm pin năng lượng mặt trời thương mại công suất 55W, điện áp làm việc cực đại $V_m = 18{,}4\text{ V}$, dòng ngắn mạch $I_{\text{sc}} = 3{,}25\text{ A}$.
• Khối điều khiển và lưu trữ: Bộ điều khiển sạc kỹ thuật số Intelligent Solar Charge Controller (12V - 20A) có chức năng tự động điều tiết nạp xả, ngăn ngừa quá nạp và quá xả; bình lưu trữ ắc quy chì 12V.
• Khối chuyển đổi điện năng: Bộ kích điện nghịch lưu Inverter sóng chuẩn, công suất định mức 200VA, điện áp vào 12VDC, điện áp ra 220VAC tần số 50Hz.
• Khối bảo vệ và đóng cắt: Aptomat tép MCB ABB mã hiệu SH201-C20 (dòng định mức bảo vệ tải AC), vỏ và ruột cầu chì công nghiệp Fuse RT18-32/1P (bảo vệ các mạch DC và ngõ vào Inverter).
• Khối đo lường và phụ tải: Đồng hồ hiển thị số DC 20A, đồng hồ đo đa năng hiển thị số AC 20A, bộ điều tốc Dimmer DC công suất 90W, đèn huỳnh quang DC (12V - 24W), bóng đèn AC 40W, quạt điện và hệ thống ổ cắm điện thông dụng.

Quy trình đấu nối và vận hành kỹ thuật:

• Mạch động lực DC được kết nối từ tấm pin PV qua cầu chì bảo vệ 4A dẫn vào ngõ nhận pin của bộ sạc. Cổng ắc quy của bộ sạc nối với bình ắc quy qua cầu chì 6A.
• Ngõ ra tải DC của bộ sạc được đưa tới Dimmer DC và đèn huỳnh quang 12V qua cầu chì 3A.
• Ngõ vào DC của Inverter được kết nối trực tiếp với ắc quy qua cầu chì 4A. Điện áp ra 220VAC của Inverter được cấp đến phụ tải AC thông qua MCB ABB định mức 2A.
• Điểm đặc thù trong thiết kế cơ khí và điện của mô hình là toàn bộ các đầu ra - vào của thiết bị được đấu nối tập trung về hệ thống cầu đấu domino. Thiết kế này giúp người học dễ dàng quan sát, sử dụng que đo của đồng hồ VOM kiểm tra mạch, đồng thời có thể linh hoạt thay đổi sơ đồ đấu nối giữa các khối thiết bị theo từng bài thực hành khác nhau.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chương 1 trình bày tổng quan về nguồn gốc vật lý của năng lượng mặt trời, quá trình phát triển công nghệ khai thác và bức tranh thị trường năng lượng mặt trời. Tác giả trình bày các thông số vật lý của Mặt Trời: đường kính trung bình $1{,}392 \times 10^6\text{ km}$ (gấp 109 lần Trái Đất), diện tích bề mặt $6{,}0877 \times 10^{12}\text{ km}^2$ (gấp 11.900 lần Trái Đất), thể tích $1{,}4122 \times 10^{18}\text{ km}^3$, khối lượng $1{,}9891 \times 10^{30}\text{ kg}$ (gấp 332.946 lần Trái Đất), nhiệt độ bề mặt đạt 5780 K và nhiệt độ tâm ước tính 13,6 triệu K. Cấu tạo Mặt Trời gồm 7 vùng: Lõi, Vùng bức xạ, Vùng đối lưu, Quang quyển, Sắc quyển, Vành nhật hoa và Vết đen Mặt Trời.

Về lịch sử khai thác thương mại, nhà máy nhiệt điện mặt trời đầu tiên được xây dựng vào những năm 1980, với các dự án CSP tiêu biểu như nhà máy 354 MW tại sa mạc Mojave (Mỹ), Solnova (150 MW), Andasol (100 MW) tại Tây Ban Nha và Ivanpah (Mỹ). Về thị trường quang điện (PV), văn bản cung cấp Bảng 1.1 tổng hợp công suất và thị phần các quốc gia khi thị trường toàn cầu hướng mốc dự báo vượt 16 GW vào năm 2010:

STT	Tên nước	Tổng công suất (MW)	Thị phần (%)
1	Đức	400	45,0
2	Tây Ban Nha	245	28,0
3	Mỹ	142	16,0
4	Italy	17	2,0
5	Nhật Bản	17	2,0
6	Hàn Quốc	13	2,0
7	Bồ Đào Nha	12	1,5
8	Hà Lan	9	1,0
9	Thụy Sỹ	5	1,0
10	Bỉ	3	0,5
11	Úc	2	0,5
12	Trung Quốc	2	0,2
13	Áo	1,5	0,2
14	Cộng hòa Séc	1,4	0,2
15	Philippines	1,1	0,1
16	Réunion	1	0,1

Đối với điều kiện tự nhiên tại Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình tại miền Trung và miền Nam đạt khoảng $5\text{ kWh/m}^2\text{/ngày}$, tại miền Bắc đạt khoảng $4\text{ kWh/m}^2\text{/ngày}$. Từ vĩ tuyến 17 trở vào Nam, bức xạ dồi dào và ổn định quanh năm (mùa mưa chỉ giảm khoảng 20% so với mùa khô). Số giờ nắng tại miền Bắc từ 1500 - 1700 giờ/năm, trong khi miền Trung và miền Nam đạt 2000 - 2600 giờ/năm. Tác giả tổng hợp chi tiết tại Bảng 1.2:

STT	Khu vực	Năng lượng bức xạ trung bình năm ($\text{kcal/cm}^2$)	Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)
1	Đông Bắc Bộ	100 – 125	1500 – 1700
2	Tây Bắc Bộ	125 – 150	1750 – 1900
3	Bắc Trung Bộ	140 – 160	1700 – 2000
4	Nam Trung Bộ và Tây Nguyên	150 – 175	2000 – 2600
5	Nam Bộ	130 – 150	2200 – 2500

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chương 2 đi sâu phân tích cấu trúc kỹ thuật và so sánh nguyên lý làm việc của các mô hình điện mặt trời:

• Hệ thống độc lập (Off-grid): Hoạt động độc lập không phụ thuộc lưới điện công cộng. Dòng điện DC sinh ra từ pin mặt trời qua bộ điều khiển sạc nạp vào ắc quy và cấp cho tải DC; qua Inverter biến đổi thành AC cấp cho tải xoay chiều. Ưu điểm là thiết kế module hóa linh hoạt, cấu hình điện áp ắc quy đa dạng (12V, 24V, 36V, 48V, 60V), tích hợp tính năng bảo vệ quá dòng, quá áp, ngược cực; đặc biệt thích hợp cho hải đảo, vùng sâu chưa có lưới hoặc nơi giá điện lưới rất cao (văn bản dẫn chứng huyện đảo Phú Quốc giá điện trên 9.500 đồng/kWh). Nhược điểm là chi phí đầu tư ban đầu và chi phí bảo dưỡng ắc quy cao, tuổi thọ ắc quy chỉ từ 3-4 năm và hệ thống có tổn thất năng lượng qua nhiều tầng biến đổi.
• Hệ thống hòa lưới (On-grid): Dòng DC từ pin được chuyển đổi trực tiếp thành dòng AC cùng pha, cùng tần số với điện lưới qua On-grid Inverter. Ưu điểm là giá thành đầu tư thấp, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho các đối tượng dùng điện giá kinh doanh (trên 2.500 đồng/kWh), tòa nhà, văn phòng, nhà hàng làm việc ban ngày. Nhược điểm lớn nhất là toàn bộ hệ thống phải ngừng hoạt động khi mất điện lưới nhằm đảm bảo an toàn cho nhân viên sửa chữa điện lực (chống phát ngược điện).
• Hệ thống hòa lưới có dự trữ (Hybrid): Kết hợp ưu điểm của cả hai hệ thống, vừa sạc ắc quy vừa hòa lưới theo tỷ lệ cài đặt; khi mất điện lưới hệ thống tự động chuyển mạch cấp điện liên tục cho các phụ tải trọng yếu (trạm viễn thông, bệnh viện, máy chủ dữ liệu).
• Hệ thống hòa lưới không dự trữ: Khi công suất phát của pin bằng công suất tiêu thụ, tải dùng 100% điện mặt trời; khi tải tiêu thụ lớn hơn công suất phát, hệ thống tự động lấy thêm điện lưới bù vào; khi tải tiêu thụ nhỏ hơn công suất phát, lượng điện dư thừa được đẩy ngược bán ra lưới điện.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chương 3 trình bày bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho mô hình tủ thực hành. Tác giả lập bảng danh mục thiết bị (Bảng 3.1) và chi tiết hóa thông số kỹ thuật của từng phần tử: đồng hồ đo AC 20A, đồng hồ đo DC 20A, MCB ABB SH201-C20, cầu chì RT18-32/1P, bộ điều khiển sạc thông minh 12V - 20A, dimmer DC 90W, cấu tạo bình ắc quy và tấm pin mặt trời.

Bài tập áp dụng thiết kế được giải quyết qua 6 bước tính toán với số liệu cụ thể:

• Bước 1: Tính toán công suất và năng lượng phụ tải:
  • Tải xoay chiều: Bóng đèn $P_{\text{AC}} = 40\text{ W}$, thời gian hoạt động $t = 2\text{ giờ}$, hiệu suất Inverter $\eta_{\text{inv}} = 90% = 0{,}9$. Công suất đầu vào Inverter cần đáp ứng: $P_{\text{inv}} = 40 / 0{,}9 = 44{,}44\text{ W}$. Năng lượng tiêu thụ xoay chiều quy đổi: $E_{\text{AC}} = (40 \times 2) / 0{,}9 = 88{,}89\text{ Wh}$.
  • Tải một chiều: Đèn huỳnh quang $P_{\text{DC}} = 24\text{ W}$ (12VDC), thời gian hoạt động $t = 2\text{ giờ}$. Năng lượng tiêu thụ một chiều: $E_{\text{DC}} = 24 \times 2 = 48\text{ Wh}$.
  • Tổng công suất hệ thống: $P_{\text{total}} = 44{,}44 + 24 = 68{,}44\text{ W}$.
  • Tổng năng lượng tiêu thụ hàng ngày: $E_{\text{total}} = 88{,}89 + 48 = 136{,}89\text{ Wh}$.
• Bước 2: Chọn dung lượng Inverter:
  • Công suất biểu kiến yêu cầu: $S = 44{,}44\text{ VA}$. Nhóm tác giả quyết định chọn Inverter thương mại có công suất định mức 200VA (12VDC / 220VAC).
• Bước 3: Lựa chọn bộ điều khiển sạc:
  • Dựa trên điện áp hệ thống 12V và dòng điện tính toán, chọn bộ sạc Intelligent Solar Charge Controller 12V - 20A.
• Bước 4: Tính dung lượng bộ ắc quy:
  • Áp dụng công thức tính dung lượng với điện áp danh định $V_{\text{system}} = 12\text{ V}$, độ xả sâu $\text{DOD} = 60%$ (0,6), số ngày dự trữ mất nắng là 1 ngày: $$C_{\text{total}} = \frac{E_{\text{total}} \times \text{Số ngày dự trữ}}{\text{DOD} \times V_{\text{system}}} = \frac{136{,}89 \times 1}{0{,}6 \times 12} = 19\text{ Ah}$$
  • Cấu hình kết nối: Mắc nối tiếp 1 ắc quy (đảm bảo điện áp 12V) và kết nối song song 4 bình ắc quy loại 6Ah để đáp ứng dung lượng vận hành.
• Bước 5: Tính toán công suất và số lượng tấm pin mặt trời:
  • Năng lượng cần cấp từ giàn pin (sau khi tính tổn thất): $E_{\text{spv}} = 152{,}1\text{ Wh}$.
  • Số giờ nắng đỉnh trung bình ngày: $I_{\text{sh}} = 4{,}6\text{ giờ}$.
  • Công suất đỉnh của giàn pin: $P_{\text{spv}} = 152{,}1 / 4{,}6 = 33{,}06\text{ W}$.
  • Lựa chọn tấm pin thực tế: Sử dụng 1 tấm pin quang điện công suất định mức 55W ($V_m = 18{,}4\text{ V}$).
• Bước 6: Lựa chọn dây dẫn và khí cụ đóng cắt bảo vệ:
  • Dòng điện một chiều cực đại định mức: $I_{\text{DC,max}} = 55 / 12 = 4{,}58\text{ A}$.
  • Dòng điện xoay chiều cực đại: $I_{\text{AC,max}} = 68{,}31 / 220 = 0{,}31\text{ A}$.
  • Cầu chì bảo vệ tấm pin mặt trời (yêu cầu $I_{\text{cc}} \ge I_{\text{sc}} = 3{,}25\text{ A}$): Chọn cầu chì dòng định mức 4A.
  • Cầu chì đầu vào Inverter: Chọn cầu chì dòng định mức 4A.
  • Cầu chì cho đèn huỳnh quang 12VDC - 24W: Chọn cầu chì dòng định mức 3A.
  • Cầu chì bảo vệ bình ắc quy: Chọn cầu chì dòng định mức 6A.
  • Aptomat (CB) bảo vệ nhánh tải AC: Chọn MCB ABB có dòng định mức 2A.

CHƯƠNG 4: THỰC HÀNH MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chương 4 mô tả quy trình thực nghiệm và kiểm tra mô hình trong phòng thực hành:

• Thiết bị và dụng cụ thực hành (Bảng 4.1): Kìm/kềm, tu vít, đồng hồ vạn năng VOM, dây dẫn đấu nối.
• Quy trình thực hành gồm 5 bước tiêu chuẩn:
  • Bước 1: Chuẩn bị, kiểm tra tình trạng kỹ thuật của từng thiết bị.
  • Bước 2: Thực hiện đấu nối các thiết bị trong mô hình theo sơ đồ đi dây nguyên lý.
  • Bước 3: Dùng đồng hồ VOM kiểm tra tính liên tục của mạch và kết quả đấu nối để loại trừ ngắn mạch.
  • Bước 4: Vận hành mô hình và thu thập số liệu: Bật bộ đèn giả lập mặt trời, đóng CB pin mặt trời, đo điện áp hở mạch khi không tải; đóng CB bình ắc quy để nạp điện, đo áp sạc, dòng sạc và công suất sạc; đóng CB Inverter và khởi động, đo dòng và công suất không tải của Inverter; lần lượt đóng CB và công tắc các nhánh tải AC, tải DC, thao tác Dimmer để lấy số liệu thực nghiệm.
  • Bước 5: Xử lý số liệu: Tính toán xác định hiệu suất thực tế của bộ điều khiển sạc, hiệu suất làm việc của tấm pin mặt trời, dòng nạp vào bình, thời gian nạp đầy bình ắc quy và hiệu suất biến đổi thực tế của Inverter.
• Dữ liệu kiểm thử: Ghi nhận các trạng thái đo đạc gồm điện áp pin mặt trời khi không tải và có tải; dòng sạc và áp sạc của bình ắc quy; cùng các thông số điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ của các tải AC và DC.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH

Chương 5 đúc kết kết quả nghiên cứu, đánh giá ưu điểm của tủ mô hình và đưa ra các đề xuất mở rộng:

• Tác giả hoàn thành chế tạo mô hình thực tế đúng tiến độ quy định dưới sự hướng dẫn của giảng viên.
• Nhóm sinh viên đã làm chủ kỹ thuật tính toán thiết kế hệ thống điện mặt trời và tích lũy kỹ năng thực tế về thi công, lắp ráp tủ điện.
• Các ưu điểm nổi bật của mô hình: Giám sát thông số dễ dàng nhờ tích hợp sẵn các đồng hồ hiển thị số AC và DC; tính trực quan và ứng dụng giáo dục cao nhờ cấu trúc đưa toàn bộ ngõ ra vào domino, giúp sinh viên linh hoạt thay đổi cấu hình kết nối mạch và phục vụ trực tiếp cho môn học mới "Năng lượng tái tạo".
• Các đề xuất hoàn thiện: Tích hợp công nghệ Công nghiệp 4.0 (phần mềm giám sát, điều khiển từ xa qua Internet/IoT) để giám sát và xử lý lỗi kịp thời; bổ sung tính năng hòa vào lưới điện Quốc gia; thúc đẩy ứng dụng hệ thống điện mặt trời dự phòng tại hộ gia đình, trường học và trạm y tế nhằm duy trì nguồn điện liên tục cho các thiết bị y tế chăm sóc người bệnh khi lưới điện gặp sự cố.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được của đồ án được định lượng cụ thể qua các thông số và sản phẩm phần cứng:

• Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp luận tính toán hệ thống điện mặt trời độc lập với bộ thông số mẫu: Tổng công suất phụ tải $68{,}44\text{ W}$, tổng năng lượng tiêu thụ ngày $136{,}89\text{ Wh}$, công suất giàn pin yêu cầu $33{,}06\text{ W}$ (chọn tấm pin thương mại 55W), dung lượng ắc quy tính toán 19 Ah (chọn cấu hình tổ hợp các bình 6Ah hệ 12V), công suất Inverter chọn lựa 200VA.
• Xác định hệ thống bảo vệ đa tầng bằng khí cụ công nghiệp: Cầu chì bảo vệ pin PV (4A), cầu chì ngõ vào Inverter (4A), cầu chì nhánh tải DC 24W (3A), cầu chì tổng ắc quy (6A) và MCB ABB nhánh tải AC (2A).
• Chế tạo thành công tủ thực hành thực tế hoàn chỉnh, vận hành an toàn và đo đạc chính xác các thông số hoạt động của tấm pin, bộ sạc, ắc quy và phụ tải AC/DC.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

• Đề xuất đưa tủ mô hình vào danh mục giáo cụ thực hành chính thức của Khoa Công nghệ Điện nhằm giải quyết các khó khăn về thiết bị thực hành cho môn học Năng lượng tái tạo.
• Kiến nghị nghiên cứu tích hợp phần mềm thông minh kết nối mạng Internet để theo dõi từ xa các cảnh báo lỗi, đáp ứng xu thế tự động hóa và IoT trong Cách mạng công nghiệp lần thứ IV.
• Đề xuất bổ sung khối hòa lưới có khả năng đồng bộ với lưới điện Quốc gia để mở rộng phạm vi bài giảng từ hệ thống độc lập sang hệ thống nối lưới.

Đóng góp của đồ án:

• Tự khẳng định đóng góp thông qua việc chuẩn hóa quy trình tính toán thiết kế cho sinh viên kỹ thuật điện, chuyển hóa lý thuyết tính toán thành sản phẩm tủ điện mô hình có tính thực hành cao.
• Giải pháp đưa tất cả ngõ ra ra domino tạo sự linh hoạt trong đào tạo thực tế, cho phép sinh viên trực tiếp thao tác đo kiểm, thay đổi cấu trúc mạch mà không làm hư hỏng thiết bị gốc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được nhóm tác giả tự nhận định:

• Do đây là lần đầu tiên nhóm sinh viên trực tiếp bắt tay vào công tác thiết kế, gia công cơ khí và thi công tủ bảng điện thực tế, kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên không tránh khỏi một số thiếu sót trong quá trình hoàn thiện mô hình.
• Mô hình hiện tại mới dừng lại ở cấu trúc hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-grid), chưa có khối hòa lưới đồng bộ để nghiên cứu chế độ phát điện ngược lên lưới điện phân phối.
• Tủ điện chưa được trang bị bộ vi xử lý và mô-đun truyền thông không dây để kết nối Internet phục vụ công tác giám sát, ghi nhật ký dữ liệu và điều khiển từ xa.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nghiên cứu tích hợp các vi điều khiển và phần mềm thông minh kết nối Internet (IoT) nhằm tự động giám sát thông số vận hành, phát hiện sự cố và gửi cảnh báo đến người quản trị.
• Thiết kế bổ sung khối Inverter hòa lưới (Grid-tied / Hybrid) kết nối với lưới điện Quốc gia để phục vụ nghiên cứu nâng cao.
• Mở rộng phạm vi nghiên cứu áp dụng cho các công trình thực tế có yêu cầu cấp điện liên tục như hộ gia đình, trường học và đặc biệt là các trạm y tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này có giá trị thực tiễn đối với:

• Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện, Năng lượng tái tạo và Tự động hóa tại Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh cùng các trường khối kỹ thuật: Nội dung đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho các bài giảng thực hành môn "Năng lượng tái tạo", cung cấp quy trình mẫu về thiết kế tủ điện và bài tập tính toán dung lượng thiết bị.
• Kỹ sư, kỹ thuật viên thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập quy mô nhỏ: Phần tính toán tại Chương 3 cung cấp chuỗi công thức rõ ràng, có thể áp dụng trực tiếp để tính toán chọn tấm pin, ắc quy, bộ sạc, inverter và khí cụ bảo vệ cho các trạm viễn thông, tàu thuyền hoặc nhà ở độc lập.
• Các sinh viên thực hiện đề tài tốt nghiệp liên quan: Các bước vận hành, kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ VOM và phương pháp đo kiểm an toàn tại Chương 4 là tài liệu tham khảo hữu ích cho công tác thi công và kiểm nghiệm mô hình phần cứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình tủ điện trong đồ án được trang bị những thiết bị đo lường nào để giám sát thông số vận hành?

Mô hình được trang bị trực tiếp hai loại đồng hồ đo hiển thị số chuyên dụng gắn trên mặt tủ, bao gồm một đồng hồ đo điện một chiều DC-20A và một đồng hồ đo xoay chiều AC-20A. Các đồng hồ này cho phép người thực hành theo dõi tức thời các giá trị điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ và năng lượng của hệ thống ở cả hai phân hệ DC và AC.

2. Tổng công suất và tổng năng lượng tiêu thụ của hệ thống phụ tải trong bài tập tính toán thiết kế của Chương 3 là bao nhiêu?

Trong bài toán thiết kế mẫu của Chương 3, phụ tải gồm bóng đèn xoay chiều AC 40W (sử dụng 2 giờ qua Inverter hiệu suất 90%) và đèn huỳnh quang DC 24W (sử dụng 2 giờ). Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống được tính ra là $68{,}44\text{ W}$ và tổng năng lượng tiêu thụ hàng ngày là $136{,}89\text{ Wh}$.

3. Nhóm tác giả đã lựa chọn thông số kỹ thuật cho tấm pin mặt trời và bộ ắc quy lưu trữ như thế nào?

Từ kết quả tính toán năng lượng cần cung cấp là $152{,}1\text{ Wh}$ với số giờ nắng đỉnh $4{,}6\text{ giờ}$ (công suất yêu cầu $33{,}06\text{ W}$), tác giả lựa chọn 1 tấm pin quang điện công suất 55W có điện áp cực đại $V_m = 18{,}4\text{ V}$. Đối với bộ lưu trữ, từ dung lượng tính toán 19 Ah (độ xả sâu 60%, dự trữ 1 ngày), hệ thống sử dụng 4 bình ắc quy dung lượng 6Ah đấu nối song song ở cấp điện áp 12V.

4. Định mức dòng điện của các thiết bị đóng cắt và bảo vệ quá dòng trong mô hình được chọn là bao nhiêu?

Hệ thống bảo vệ được lựa chọn cụ thể như sau: cầu chì bảo vệ giàn pin mặt trời chọn loại 4A (với dòng ngắn mạch tấm pin $I_{\text{sc}} = 3{,}25\text{ A}$); cầu chì ngõ vào Inverter chọn 4A; cầu chì cho đèn huỳnh quang 12VDC - 24W chọn 3A; cầu chì tổng bảo vệ bộ ắc quy chọn 6A; và thiết bị bảo vệ cho nhánh tải AC là aptomat tép MCB ABB SH201-C20 có dòng định mức 2A.

5. Quy trình thực hành vận hành mô hình tại Chương 4 gồm những bước cụ thể nào?

Quy trình thực hành gồm 5 bước: Bước 1: Chuẩn bị và kiểm tra thiết bị; Bước 2: Đấu nối các thiết bị theo sơ đồ đi dây; Bước 3: Dùng đồng hồ VOM kiểm tra tính liên tục và độ an toàn của các mối nối; Bước 4: Vận hành hệ thống (bật đèn giả lập bức xạ, đo áp hở mạch pin, đóng sạc ắc quy, khởi động Inverter đo chế độ không tải, sau đó đóng tải AC/DC và điều chỉnh qua Dimmer để lấy số liệu); Bước 5: Xử lý số liệu đo để tính toán hiệu suất thực tế của pin, bộ sạc và Inverter.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Trung Tín và Nguyễn Ngọc Tuấn tại Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về bức xạ mặt trời, phân loại các mô hình quang điện và giải quyết thành công bài toán thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập. Đồ án đưa ra phương pháp tính toán cân bằng năng lượng chi tiết, lựa chọn đồng bộ từ tấm pin 55W, ắc quy 12V, bộ sạc thông minh 20A, inverter 200VA đến hệ thống khí cụ bảo vệ chuẩn xác. Việc chế tạo thành công tủ thực hành tích hợp đồng hồ đo số và cầu đấu domino mang lại giá trị đào tạo thực nghiệm trực quan cho môn học Năng lượng tái tạo, đồng thời xác định rõ lộ trình phát triển tích hợp IoT và công nghệ hòa lưới trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo at13, xchh 20249:38:48 euu vaĐẠI ha hoihghieh PM9:38:48 HỌC hoah thieh eohgCÔNG PM70Thursday, NGHIỆP tae puah triJune hhah 13, lue tai THÀNH eohg PHỐ huu HỒ ty traehPM9:38:48 20249:38:48 hhiem hah CHÍ tieu MINH vah trai PM70Thursday, dat xchh Juneha 13, hoi 20249:38: 702413069:38:48 PM9:38:48 PM702413069:38:48 PM9:38:48 PM702413069:38:48 PM9:38:48 PM KHOA 13, 20249:38:49 PM9:38:49 PM70Thursday, CÔNG June 13, NGHỆ 20249:38:49 ĐIỆN PM70Thursday, June 13, 20249:38: PM9:38:49 i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo 13, 20249:38:48 PM9:38:48 PM70Thursday, June 13, 20249:38:48 PM9:38:48 PM70Thursday, June 13, 20249:38: i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo ae puah tri hhah lue tai eohg TRẦN ty traeh TRUNG hhiemTÍN huu hah tieu vah trai dat x i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo NGUYỄN NGỌC TUẤN i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo 13, 20249:38:48 PM9:38:48 euuTHÀNH hghiehPM70Thursday, PHỐ va hoah thieh June HỒ eohg 13, tae CHÍ MINH puah tri 20249:38:48 hhah NĂM lue 2018 tai eohg PM9:38:48 ty traeh hhiem PM70Thursday, huu June hah 13, tieu vah 20249:38: i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo at13, xchh 20249:38:48 euu va hoahPHIẾU ha hoihghieh PM9:38:48 thieh GIAO eohg tae PM70Thursday, ĐỀ puah triJune hhah lueTÀI 13, tai eohgĐỒ ÁN ty traeh 20249:38:48 TỐT hhiem huu hah PM9:38:48 NGHIỆP tieu vah trai dat xchh PM70Thursday, Juneha 13, hoi 20249:38: 702413069:38:48 PM9:38:48 PM702413069:38:48 PM9:38:48 PM702413069:38:48 PM9:38:48 PM 13, 20249:38:49 PM9:38:49 PM70Thursday, June 13, 20249:38:49 PM9:38:49 PM70Thursday, June 13, 20249:38: 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài Trần Trung Tín 14043091 i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu Nguyễn vahTuấn Ngọc trai dat xchh14038481 ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo Tênhah 2. huu i eohg ty traeh hhiem đề tieu tài vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 13, 20249:38:48 PM9:38:48 PM70Thursday, June 13, 20249:38:48 PM9:38:48 PM70Thursday, June 13, 20249:38: Nội dung: i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời từ đó thiết kế môhah i eohg ty traeh hhiem huu hìnhtieu năng lƣợng vah trai dat mặtxchh trời.ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo 3. huu i eohg ty traeh hhiem Kếthah quảtieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo Trình bày tóm tắt kết quả đạt đƣợc i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo Giảng viên hƣớng dẫn Tp.

HCM, ngày tháng năm 20. Sinh viên i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo ae puah tri hhah lue tai eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat x i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo hghiehPM70Thursday, 13, 20249:38:48 PM9:38:48 euu va hoah thieh eohg June 13,tae puah tri hhah 20249:38:48 lue tai eohg PM9:38:48 ty traeh hhiem PM70Thursday, huu June hah 13, tieu vah 20249:38: I i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo at13, xchh ha hoihghieh PM9:38:48 20249:38:48 NHẬN euu va hoah thieh eohgXÉT tae puahCỦA PM70Thursday, triJune GIẢNG hhah 13, lue tai VIÊN eohg ty traeh 20249:38:48 hhiem HƢỚNG huu hah PM9:38:48 tieu vahDẪN trai dat xchh PM70Thursday, Juneha 13, hoi 20249:38: 702413069:38:48 PM9:38:48 PM702413069:38:48 PM9:38:48 PM702413069:38:48 PM9:38:48 PM 13, 20249:38:49 PM9:38:49 PM70Thursday, June 13, 20249:38:49 PM9:38:49 PM70Thursday, June 13, 20249:38:. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo.

13, 20249:38:48 PM9:38:48 PM70Thursday, June 13, 20249:38:48 PM9:38:48 PM70Thursday, June 13, 20249:38:. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo.

i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo. ae puah tri.

i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo hhah lue tai eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat x. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo. i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo.

hghiehPM70Thursday, 13, 20249:38:48 PM9:38:48 euu va hoah thieh eohg June 13,tae puah tri hhah 20249:38:48 lue tai eohg PM9:38:48 ty traeh hhiem PM70Thursday, huu June hah 13, tieu vah 20249:38: II i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo at13, xchh ha hoihghieh PM9:38:48 20249:38:48 euu va hoah thieh eohg tae puah triJune PM70Thursday, MỤC hhah 13, lue tai eohgLỤC ty traehPM9:38:48 20249:38:48 hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh PM70Thursday, Juneha 13, hoi 20249:38: 702413069:38:48 PM9:38:48 PM702413069:38:48 PM9:38:48 PM702413069:38:48 PM9:38:48 PM 13, 20249:38:49 PM9:38:49 PM70Thursday, June 13, 20249:38:49 PM9:38:49 PM70Thursday, June 13, 20249:38: PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. I NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN. II i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo DANH SÁCH CÁC HÌNH .VI i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo DANH SÁCH CÁC BẢNG. VIII 13, 20249:38:48 PM9:38:48 PM70Thursday, June 13, 20249:38:48 PM9:38:48 PM70Thursday, June 13, 20249:38: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI.

1 i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo 1.1 Mặt Trời – Nguồn năng lƣợng vô tận. 1 i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo 1.1 Cấu tạo Mặt Trời. 1 i eohg ty traeh hhiem huu hah tieu vah trai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah lue tai eo 1.2 Nguồn năng lƣợng vô tận. 1 i eohg ty traeh hhiem 1.3 huu hah tieu Năng vah trai lƣợng bứcdat xchhTrời xạ Mặt ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah.

2 lue tai eo 1.4 Qu trình ph t triển và triển kh i ứng d ng năng lƣợng bức xạ Mặt Trời .2 Tình hình ứng d ng năng lƣợng Mặt Trời.1 Trên thế giới. 4 i eohg ty traeh hhiem 1.2 huu hah Tại tieu Việtvah Namtrai dat xchh ha hoihghieh euu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah. 6 lue tai eo i eohg ty traeh hhiem 1.3 Sơ đồ huu hah tieuhệvah trai năng thống lƣợng dat xchh hađiện hoihghieh mặt trờieuu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah. 7 lue tai eo C ctieu i eohg ty traeh hhiem 1.4 ae puah tri hhah lueloạitai huu hah vah hệ thống eohg năng trai dat tylƣợng xchh mặt trời chính ha hoihghieh traeh hhiemeuu va hoah thieh eohg tae puah tri hhah .