Luận văn tính toán thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nhà máy KCN - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái cho các nhà máy tại khu công nghiệp, mô phỏng PVsyst và đánh giá hiệu quả kinh tế.

• Tác giả: Hà Quang Bảo
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ năng lượng tái tạo
• Đề tài: Tính toán thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái cho các nhà máy trong khu công nghiệp
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế điện mặt trời áp mái khu công nghiệp

Điện mặt trời áp mái tại các khu công nghiệp đang trở thành xu hướng tất yếu. Nhu cầu phụ tải điện của các nhà máy sản xuất rất lớn. Việc tận dụng diện tích mái tôn trống mang lại nguồn điện sạch tại chỗ. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí tiền điện hàng tháng trong giờ cao điểm. Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Năng lượng Tái tạo tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho mô hình này. Nghiên cứu thực hiện khảo sát hiện trạng thực tế tại bốn nhà xưởng công nghiệp. Quy trình khảo sát bao gồm đo đạc bức xạ mặt trời, khảo sát kết cấu xà gồ và đánh giá độ bền cơ học của mái. Hệ thống hòa lưới không lưu trữ được ưu tiên lựa chọn do tối ưu chi phí đầu tư ban đầu và thời gian hoàn vốn nhanh. Việc thiết kế hệ thống đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn kỹ thuật điện quốc gia. Công trình vừa đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định, vừa đáp ứng các tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy công nghiệp.

1.1. Bối cảnh năng lượng tái tạo tại các nhà xưởng

Cơ cấu nguồn điện tại Việt Nam đang có sự chuyển dịch mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo. Các doanh nghiệp trong khu công nghiệp đối mặt với áp lực giảm phát thải khí nhà kính. Yêu cầu sản xuất xanh từ chuỗi cung ứng toàn cầu ngày càng khắt khe. Hệ thống điện mặt trời trên mái xưởng cung cấp giải pháp giảm dấu chân carbon trực tiếp. Nguồn năng lượng sạch này thay thế một phần điện lưới truyền thống từ than đá. Doanh nghiệp chủ động kiểm soát chi phí năng lượng trong dài hạn. Đây là nền tảng quan trọng giúp các cơ sở công nghiệp đạt chứng chỉ công trình xanh quốc tế và nâng cao năng lực cạnh tranh xuất khẩu.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu từ đồ án tốt nghiệp ĐH SPKT TP.HCM

Đề tài của sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM xây dựng phương án kỹ thuật mẫu cho các nhà xưởng công nghiệp. Mục tiêu then chốt là xác định chuẩn xác cấu hình thiết bị phù hợp với điều kiện khí hậu miền Nam. Nghiên cứu tập trung vào bốn phân xưởng có diện tích mái lớn trong khu công nghiệp. Các thông số đầu vào được khảo sát thực địa bao gồm góc nghiêng mái, hướng la bàn và đường đi của mặt trời. Từ đó, nhóm nghiên cứu thiết lập phương án bố trí tấm pin tối ưu để hạn chế hiện tượng đổ bóng. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy cho các dự án thương mại thực tế.

II. Phân tích bài toán điện mặt trời áp mái khu công nghiệp

Tính toán kỹ thuật cho nhà máy công nghiệp gặp nhiều thách thức phức tạp. Mái nhà xưởng thường có diện tích lớn nhưng tồn tại nhiều vật cản. Các chướng ngại bao gồm ống thông gió, cầu hút nhiệt, tháp giải nhiệt và lan can an toàn. Những vật thể này tạo bóng đổ phức tạp lên bề mặt tấm pin quang điện. Hiện tượng che bóng cục bộ làm suy giảm nghiêm trọng sản lượng điện của toàn chuỗi mô-đun. Ngoài ra, nhiệt độ bề mặt mái tôn vào mùa hè có thể vượt ngưỡng sáu mươi độ C. Hệ số nhiệt độ của tấm pin sẽ làm giảm điện áp đầu ra khi nhiệt độ tăng cao. Tải trọng tĩnh của giàn pin và tải trọng động của gió bão cũng đe dọa độ bền mái. Hệ thống giá đỡ và kẹp seamlock phải được tính toán khả năng chịu lực chính xác. Các tổn thất điện năng do dây dẫn DC và AC đường dài cũng cần được lượng hóa tỉ mỉ. Việc phân tích toàn diện các yếu tố kỹ thuật này là điều kiện tiên quyết để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và đạt tuổi thọ thiết kế trên hai mươi lăm năm.

2.1. Yếu tố kỹ thuật và suy hao hiệu suất hệ thống

Hiệu suất phát điện thực tế chịu ảnh hưởng bởi nhiều loại tổn hao năng lượng. Tổn hao nhiệt độ đóng vai trò lớn nhất tại vùng nhiệt đới. Khi tấm pin nóng lên, điện áp Voc và Vmpp đều suy giảm tuyến tính. Bụi bẩn bám dính lâu ngày trên bề mặt kính gây cản trở quang phổ hấp thụ. Tốc độ suy hao quang điện tự nhiên của pin quang điện đạt mức 0,4% mỗi năm. Tổn thất điện áp trên đường cáp DC từ chuỗi pin về tủ gom cũng làm hao hụt công suất. Bên cạnh đó, hiệu suất chuyển đổi của biến tần dao động tùy theo tải làm việc. Kỹ sư thiết kế phải tính toán toàn bộ chuỗi suy hao này để dự báo chính xác công suất phát.

2.2. Thách thức che bóng và kết cấu mái nhà máy

Kết cấu mái nhà máy thường lượn sóng hoặc phân tầng phức tạp. Độ dốc mái ảnh hưởng trực tiếp đến góc đón bức xạ mặt trời. Việc xuất hiện bóng che từ các nhà xưởng liền kề tạo nên tổn hao che bóng gần (Near Shading). Hiện tượng này kích hoạt các diode chặn dòng bypass và sinh nhiệt cục bộ điểm nóng (hotspot). Nguy cơ nứt vỡ cell pin và hỏa hoạn có thể xảy ra nếu không có giải pháp kỹ thuật. Đồng thời, kết cấu xà gồ thép cần được kiểm định khả năng chịu tải trọng tăng thêm. Phương án định vị lối đi bảo trì (walkway) phải đảm bảo thuận tiện cho công tác vệ sinh và cứu hỏa định kỳ.

III. Phương pháp thiết kế điện mặt trời áp mái khu công nghiệp

Đồ án tốt nghiệp tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM áp dụng quy trình thiết kế kỹ thuật chuẩn hóa hiện đại. Thiết bị quang điện chính được tuyển chọn kỹ lưỡng theo các thông số khắt khe. Các tấm pin công suất cao sở hữu điện áp hở mạch Voc đạt 49,65V và điện áp cực đại Vmpp đạt 41,8V. Dòng điện ngắn mạch Isc đạt 13,92A đảm bảo khả năng sinh dòng tối ưu. Biến tần chuỗi ba pha công nghiệp Sungrow SG110CX được đưa vào hệ thống nhờ hiệu suất chuyển đổi vượt trội. Biến tần tích hợp nhiều kênh MPPT độc lập, giúp xử lý triệt để hiện tượng bất đối xứng bức xạ giữa các mái xưởng. Hệ thống dây dẫn sử dụng cáp đồng chuyên dụng Cadivi VCM 50mm2 và thiết bị đóng cắt bảo vệ MCCB LS 4P 225A 30kA. Quy trình thiết kế kết hợp mô hình hóa không gian 3D trên phần mềm SketchUp và xuất sang PVsyst. PVsyst hỗ trợ phân tích quỹ đạo mặt trời, tính toán tổn hao che bóng gần và kiểm soát hệ số công suất Cosphi. Mô phỏng P90 và P95 cung cấp kịch bản sản lượng điện an toàn cho dự án.

3.1. Lựa chọn thiết bị PV và biến tần chuỗi trung tâm

Lựa chọn thiết bị chính quyết định độ tin cậy của toàn bộ dự án. Tấm pin mặt trời được chọn có công suất định mức cao, chống chịu tốt trước môi trường ăn mòn công nghiệp. Biến tần Sungrow SG110CX sở hữu dải điện áp làm việc MPPT rộng. Đặc tính này giúp tối đa hóa sản lượng điện thu được ngay cả trong điều kiện nắng yếu. Thiết bị hỗ trợ kết nối mạng lưới thông minh và tự động ngắt khi xảy ra sự cố điện. Tủ điện trung gian được trang bị thiết bị chống sét lan truyền Type II và cầu chì DC chuyên dụng. Dây cáp đồng bọc cách điện kép đảm bảo an toàn tuyệt đối chống phóng điện hồ quang trên mái nhà xưởng.

3.2. Mô phỏng 3D SketchUp và tính toán chuyên sâu PVsyst

Mô hình không gian ba chiều của bốn nhà máy được xây dựng chi tiết trên SketchUp. Từng vật cản kiến trúc và tấm pin được gắn tọa độ thực tế chính xác. Dữ liệu sau đó được trích xuất dưới định dạng 3ds và nạp vào PVsyst. Kỹ sư nạp cơ sở dữ liệu khí tượng chuẩn gồm bức xạ khu vực và nhiệt độ môi trường. PVsyst mô phỏng chính xác tổn hao do che bóng gần giữa các dãy pin theo từng mốc thời gian trong năm. Các thông số suy hao dây dẫn, suy hao chất lượng module và hệ số phân rã 0,4% mỗi năm được tích hợp đầy đủ. Báo cáo PVsyst cung cấp biểu đồ sản lượng điện chi tiết theo từng tháng.

IV. Kết luận ứng dụng điện mặt trời áp mái khu công nghiệp

Kết quả tính toán thiết kế khẳng định tính khả thi vượt trội của dự án cả về kỹ thuật lẫn tài chính. Tổng mức đầu tư ban đầu CAPEX được bóc tách chi tiết bao gồm chi phí thiết bị, giàn khung và nhân công lắp đặt. Chi phí vận hành OPEX hàng năm duy trì ở mức thấp nhờ hệ thống giám sát từ xa thông minh. Các chỉ số tài chính cốt lõi như giá trị hiện tại thuần NPV và tỷ suất hoàn vốn nội bộ IRR đều đạt ngưỡng sinh lời rất hấp dẫn. Dự án giúp cắt giảm hàng nghìn tấn khí thải CO2 mỗi năm so với việc sử dụng nhiệt điện than truyền thống. Nguồn điện tự sản tự tiêu đáp ứng phần lớn nhu cầu vận hành của bốn nhà máy công nghiệp. Mô hình thiết kế từ đồ án tốt nghiệp ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra hướng đi bền vững cho các khu công nghiệp tại Việt Nam. Doanh nghiệp vừa giải quyết bài toán chi phí năng lượng leo thang, vừa đáp ứng tiêu chuẩn sản xuất xanh toàn cầu. Đây là giải pháp đầu tư an toàn mang lại giá trị kinh tế và môi trường lâu dài.

4.1. Hiệu quả kinh tế qua chỉ số tài chính NPV và IRR

Phân tích dòng tiền chiết khấu chứng minh hiệu quả đầu tư rõ rệt của hệ thống điện mặt trời. Chỉ số giá trị hiện tại thuần NPV luôn dương sau chu kỳ hoàn vốn ước tính từ bốn đến sáu năm. Tỷ suất hoàn vốn nội bộ IRR đạt mức vượt trội so với lãi suất vay thương mại ngân hàng. Dòng tiền tiết kiệm tiền điện hàng tháng tạo nguồn thu ổn định cho nhà máy. Chi phí thay thế linh kiện định kỳ và bảo dưỡng OPEX đã được tính toán đầy đủ trong mô hình dòng tiền hai mươi lăm năm. Nhờ đó, dự án kiểm soát rủi ro tài chính tối ưu cho chủ đầu tư.

4.2. Giá trị môi trường và tiềm năng nhân rộng thực tế

Hệ thống điện mặt trời áp mái góp phần trực tiếp giảm phát thải khí nhà kính. Mỗi megawatt-giờ điện sạch tạo ra giúp giảm phát thải tương đương lượng lớn than đá đốt cháy. Doanh nghiệp dễ dàng đạt các tiêu chuẩn môi trường khắt khe như chứng chỉ xanh LEED hoặc ISO 50001. Việc chuyển đổi năng lượng xanh nâng cao uy tín thương hiệu trên thị trường xuất khẩu quốc tế. Kết quả nghiên cứu từ ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM có tính ứng dụng thực tế rất cao. Giải pháp kỹ thuật này hoàn toàn có thể chuẩn hóa để triển khai diện rộng cho hàng trăm cụm công nghiệp trên khắp cả nước.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Năng lượng Tái tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện thiết kế và tính toán kỹ thuật cho hệ thống điện mặt trời áp mái công suất 2,5 MWp, phục vụ nhu cầu tự tiêu thụ nội bộ (self-consumption) tại khu công nghiệp thuộc thị xã Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.

Bối cảnh thực tiễn được tác giả xác định dựa trên sự tăng trưởng nhanh chóng của nhu cầu năng lượng công nghiệp tại khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam. Theo số liệu của Cục Điều tiết Điện lực (Bộ Công Thương) được trích dẫn trong văn bản, sản lượng điện thương phẩm của tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu năm 2023 đạt hơn 5,99 tỷ kWh, tăng trưởng 12,xx%. Trong đó, điện năng dành cho công nghiệp và xây dựng chiếm tới 69,25% (tăng 12,33%), và sản lượng điện cung cấp riêng cho các khu công nghiệp đạt 3,12 tỷ kWh (tăng 19,xx%). Bên cạnh đó, việc các thị trường xuất khẩu lớn như Liên minh Châu Âu (EU) và Hoa Kỳ áp dụng tiêu chuẩn xanh nghiêm ngặt đòi hỏi các doanh nghiệp sản xuất tại Việt Nam phải chủ động chuyển dịch sang năng lượng tái tạo. Với gần 80.000 nhà đầu tư thứ cấp trong các khu công nghiệp và khu chế xuất trên cả nước nhưng quỹ đất mặt đất bị giới hạn, việc tận dụng mái nhà xưởng sẵn có là giải pháp thiết thực nhất để giảm phụ thuộc vào lưới điện quốc gia và cắt giảm phát thải khí nhà kính.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Thiết kế kỹ thuật hệ thống điện mặt trời áp mái 2,5 MWp: Tối ưu hóa việc bố trí tấm pin quang điện (PV) và lựa chọn cấu hình biến tần (inverter) phù hợp với kết cấu mái của 4 phân xưởng công nghiệp.
2. Tính toán lựa chọn các thiết bị điện và phụ trợ: Xác định chủng loại dây dẫn AC, DC, thiết bị đóng cắt bảo vệ (MCCB, ACB), hệ thống phụ trợ (kẹp tôn seamlock, chân L-leg, ray nhôm, lối đi walkway và hệ thống báo cháy).
3. Mô phỏng hiệu suất năng lượng: Sử dụng phần mềm PVsyst kết hợp mô hình không gian 3D từ SketchUp để phân tích bức xạ, sản lượng điện phát ra và các tổn thất do nhiệt độ, dây dẫn, suy hao vật liệu và che bóng cận cảnh (near shading).
4. Đánh giá tính khả thi tài chính: Tính toán chi phí đầu tư ban đầu (Capex), chi phí vận hành bảo dưỡng (Opex), dòng tiền ròng và các chỉ số kinh tế gồm Giá trị hiện tại thuần (NPV), Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) và thời gian hoàn vốn.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điện mặt trời áp mái quy mô 2,5 MWp lắp đặt trên 4 cụm nhà xưởng (Factory 1, Factory 2, Factory 3 và Factory 6). Phạm vi không gian đặt tại thị xã Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu (tọa độ địa lý $10^\circ 38' 10''\text{ B}$). Dữ liệu khí tượng sử dụng nguồn Meteonorm 8, thời điểm hoàn thành đề tài vào tháng 01/2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về ba mô hình phát điện mặt trời chính:

• Hệ thống hòa lưới (On-grid Solar System - OGSS): Cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải; trong điều kiện chính sách hiện tại không cho phép phát ngược lên lưới, hệ thống bắt buộc tích hợp cơ chế kiểm soát chống phát ngược (Zero Export).
• Hệ thống lai (Hybrid Solar System): Tích hợp cụm pin lưu trữ điện năng (BESS) để cung cấp điện khi mất lưới hoặc ban đêm.
• Hệ thống độc lập (Off-grid Solar System): Vận hành không phụ thuộc vào lưới điện lực, phục vụ phụ tải hoàn toàn qua nguồn pin mặt trời và bộ lưu trữ.

Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật được áp dụng trong thiết kế bao gồm:

• Tiêu chuẩn IEC 62548: Hướng dẫn thiết kế và lắp đặt an toàn cho các chuỗi tấm pin và cáp dẫn DC.
• Tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy UL Type 1 và Type 2 dành cho tấm quang điện.
• Tiêu chuẩn kỹ thuật điện hạ thế về độ sụt áp cho phép: sụt áp một chiều DC không vượt quá 3% trên từng chuỗi và tổng sụt áp hệ thống dưới 5%.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tính toán kỹ thuật được triển khai thông qua các công cụ chuyên ngành:

• Khảo sát thực địa và vẽ kỹ thuật: Sử dụng AutoCAD để xử lý mặt bằng 2D, xác định diện tích mái và phân bổ các mảng pin. Kết quả khảo sát cho thấy thời gian phát điện hiệu quả của hệ thống dao động từ 3,5 đến 4 giờ nắng/ngày với cường độ cao nhất vào khoảng 11 giờ trưa đến 12 giờ trưa.
• Tính toán điện học: Xác định dòng điện làm việc định mức, dòng ngắn mạch cực đại và các hệ số suy giảm hiệu chỉnh theo phương pháp lắp đặt ($K_1$), số lượng cáp đi chung máng ($K_2$) và nhiệt độ môi trường ($K_3$) nhằm chọn tiết diện cáp AC, cáp DC và dòng định mức của thiết bị đóng cắt.
• Mô phỏng không gian và năng lượng: Xây dựng mô hình 3D trên SketchUp để xuất tệp dữ liệu sang phần mềm PVsyst, mô phỏng tổn thất che bóng, tính toán hệ số công suất $\cos\varphi$ và xác suất sản lượng P90/P95.
• Đánh giá kinh tế: Phân tích dòng tiền chiết khấu dựa trên biểu giá điện công nghiệp và hồ sơ phụ tải tiêu thụ thực tế.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Lựa chọn thiết bị chính

Hệ thống sử dụng các dòng thiết bị quang điện tiêu chuẩn công nghiệp với thông số kỹ thuật được tổng hợp trong bảng sau:

Thiết bị / Thông số kỹ thuật	Giá trị công bố trong văn bản	Đơn vị / Tiêu chuẩn
Tấm pin quang điện	Longi Solar LR5-72HPH-545M	Tiêu chuẩn IEC/UL
- Công suất cực đại ($P_{max}$)	545	Wp
- Điện áp tại điểm công suất cực đại ($V_{mpp}$)	41,5 (STC: 41,8)	V
- Dòng điện tại điểm công suất cực đại ($I_{mpp}$)	13,04 (STC: 13,xx)	A
- Điện áp hở mạch ($V_{oc}$)	49,65	V
- Dòng điện ngắn mạch ($I_{sc}$)	13,92	A
- Hiệu suất chuyển đổi quang điện	21,3	%
- Điện áp hệ thống tối đa chịu đựng	1500	VDC
- Hệ số suy giảm công suất theo nhiệt độ	-0,35	%/°C
- Hệ số suy giảm điện áp theo nhiệt độ	-0,27	%/°C
- Nhiệt độ vận hành danh định	40 đến 80	°C
Biến tần hòa lưới (Inverter)	Growatt MAX 110KTL3-LV / Sungrow SG110CX	Số lượng: 18 bộ
- Công suất danh định ngõ ra AC	110	kW
- Điện áp DC đầu vào tối đa	1100	V
- Điện áp khởi động	200	V
- Dải điện áp làm việc MPPT	200 - 1000	V
- Số lượng bộ theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT)	10	MPPT (tối đa 2 chuỗi/MPPT)
- Dòng vào cực đại mỗi MPPT	27	A
- Dòng ngắn mạch DC	40	A
- Dòng điện ngõ ra cực đại ($I_{AC_max}$)	158,8	A
- Tổng độ méo sóng hài dòng điện ($THDi$)	< 3	%
- Hiệu suất chuyển đổi cực đại / Chuẩn Châu Âu	98,80 / 98,17	%

Tính toán cáp dẫn điện và sụt áp

Dòng điện làm việc định mức từ mỗi biến tần 110 kW về tủ phân phối chính (MDB) được tính theo công thức:

$$I_{inverter} = \frac{P_{inverter}}{\sqrt{3} \times U \times \cos\varphi} = \frac{110000}{\sqrt{3} \times 600 \times 0,985} \approx 107,45\text{ A}$$

Để đảm bảo an toàn khi lắp đặt cáp trong máng hở ở điều kiện nhiệt độ môi trường 40°C, nhóm tác giả áp dụng hệ số hiệu chỉnh tổng hợp:

$$K_{HC} = K_1 \times K_2 \times K_3 = 1 \times 0,91 \times 0,72 = 0,6552$$

Dòng điện cho phép yêu cầu của dây dẫn:

$$I_{inverter_max} = \frac{I_{inverter}}{K_{HC}} = \frac{107,45}{0,6552} \approx 164\text{ A}$$

Nhóm tác giả chọn cáp đồng CADIVI 4 lõi, lớp cách điện XLPE, vỏ bọc PVC, tiết diện $50\text{ mm}^2$ (dòng tải cho phép $I_{CP} = 185\text{ A} \ge 164\text{ A}$). Dây nối đất bảo vệ (PE) đi kèm có tiết diện $50\text{ mm}^2$.

Đối với cáp một chiều (DC), hệ thống chọn dây chuyên dụng năng lượng mặt trời của CADIVI với lõi đồng mạ thiếc, cách điện và vỏ bọc XLPO chịu điện áp 1500 VDC, tiết diện $6\text{ mm}^2$. Kết quả kiểm tra độ sụt áp trên các chuỗi tấm pin:

• Chuỗi dài nhất 200 m (18 tấm pin): Độ sụt áp tuyệt đối $\Delta U = 8,95\text{ V}$, sụt áp tương đối đạt 1,6% (đáp ứng tiêu chuẩn cho phép $< 3%$).
• Chuỗi dài 150 m (12 đến 15 tấm pin): Độ sụt áp tuyệt đối $\Delta U = 6,71\text{ V}$, sụt áp tương đối đạt 1,07% (đáp ứng tiêu chuẩn $< 3%$).

Lựa chọn thiết bị bảo vệ và phụ trợ

• Khối ngắt mạch tự động (MCCB): Nhóm thiết kế tính toán dòng bảo vệ yêu cầu bằng 1,25 lần dòng làm việc ($1,25 \times 107,95\text{ A} = 134,9\text{ A}$). Lựa chọn 18 bộ MCCB thương hiệu LS mã hiệu 4P 225A, dòng cắt ngắn mạch 30 kA tương ứng cho 18 biến tần.
• Máy cắt không khí (ACB) tại tủ tổng MDB 1: Yêu cầu dòng làm việc chịu đựng $I_{ACB1} \ge 10 \times 134,9\text{ A} = 1619\text{ A}$. Tác giả lựa chọn ACB LS mã hiệu AS-25E4-25H, 4 cực, dòng định mức 2500 A, dòng cắt ngắn mạch 85 kA.
• Phụ kiện cơ khí và an toàn: Hệ thống kết cấu dùng chân L-leg, kẹp sóng tôn seamlock, ray nhôm và kẹp giữa (mid clamp). Công trình bố trí các sàn thao tác kỹ thuật (walkway) để phục vụ công tác tẩy rửa bề mặt pin và lắp đặt hệ thống cảnh báo cháy tự động.

Quy trình mô phỏng trên PVsyst

Quy trình tính toán mô phỏng hệ thống điện mặt trời trên PVsyst được tác giả thực hiện qua 7 bước:

1. Khởi tạo dự án riêng biệt cho từng khối nhà xưởng (bắt đầu từ Factory 6).
2. Nhập tọa độ địa lý ($10^\circ 38' 10''\text{ B}$) và đồng bộ cơ sở dữ liệu bức xạ từ Meteonorm 8.
3. Thiết lập thông số hình học mái: góc nghiêng mảng pin đặt theo độ dốc mái là $8^\circ$, góc phương vị mái hướng 1 là $125^\circ$ và hướng 2 là $25^\circ$.
4. Cấu hình mảng pin và biến tần: Ghép nối tấm pin Longi 545 Wp vào các cổng MPPT của biến tần theo từng phân hệ (subsystem 1 đến 4).
5. Khai báo các tổn thất hệ thống: Tổn thất nhiệt độ theo kết cấu lắp bán tích hợp có khe lưu thông gió phía dưới tấm pin; tổn thất trên điện trở dây dẫn AC/DC; tổn thất chất lượng module và tỷ lệ suy giảm công suất tuyến tính 0,4%/năm.
6. Mô phỏng che bóng cận cảnh: Dựng mô hình 3D nhà xưởng trên SketchUp, xuất tệp định dạng .3ds sang PVsyst để phân tích vật cản che khuất ánh sáng theo từng góc chiếu mặt trời trong năm.
7. Cấu hình hệ số công suất $\cos\varphi$ và xuất báo cáo phân tích rủi ro sản lượng theo kịch bản P90 và P95.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: The Current Landscape of Solar Energy and Rationale for Topic Selection

Chương này tổng kết bức tranh phát triển của ngành năng lượng mặt trời toàn cầu và trong nước. Trích dẫn báo cáo của IEA, công suất điện mặt trời và điện gió chiếm 96% nguồn năng lượng tái tạo bổ sung mới trên thế giới trong giai đoạn 2016 - 2028, dự kiến đạt mức tăng kỷ lục 710 GW vào năm 2028. Chi phí sản xuất tấm pin PV đã giảm từ khoảng 4 USD/W (năm 2007) xuống còn 0,35 USD/W (cuối năm 2017), cùng với mức giảm 5 - 7% hàng năm của các chi phí thiết bị phụ trợ (BOS). Tại Việt Nam, tỷ trọng điện mặt trời trong cơ cấu nguồn phát năm 2022 đã vượt mức 10%, với sản lượng tăng từ 22 GWh (năm 2018) lên 28.397 GWh (năm 2022). Tác giả làm rõ lý do chọn địa bàn Bà Rịa - Vũng Tàu xuất phát từ nhu cầu điện năng công nghiệp cao (tiêu thụ 3,12 tỷ kWh trong các khu công nghiệp năm 2023) và yêu cầu xanh hóa chuỗi cung ứng từ các thị trường Âu - Mỹ.

Chương 2: Solar Power Systems and Factors Affecting System Performance

Tác giả phân tích cấu trúc, nguyên lý vận hành, ưu điểm và nhược điểm của 3 dạng hệ thống điện mặt trời: On-grid, Hybrid và Off-grid. Trong bối cảnh hiện hành, hệ thống nối lưới On-grid cho nhà máy bắt buộc phải vận hành theo cơ chế Zero Export để không phát điện ngược về lưới quốc gia khi phụ tải tiêu thụ thấp hơn sản lượng phát. Chương này phân tích chi tiết các yếu tố kỹ thuật chi phối hiệu suất phát điện thực tế: cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường, hiệu suất chuyển đổi quang điện của tấm pin, tổn hao do bụi bẩn và che bóng cục bộ, góc nghiêng lắp đặt mảng pin, cùng hiện tượng suy thoái vật liệu theo thời gian của tấm pin và biến tần.

Chương 3: Project Survey, Selection and Design

Chương 3 trình bày các bước khảo sát thực địa tại thị xã Tân Thành và hiện thực hóa thiết kế kỹ thuật. Mặt bằng lắp đặt gồm 4 mái phân xưởng, trong đó Factory 1 có kích thước mái dài 171,75 m. Tác giả trình bày phương án bố trí mặt bằng thiết bị (layout tấm pin trên từng mái tôn từ Factory 1, 2, 3 đến Factory 6; trạm biến tần có khung che bảo vệ; cách bố trí tủ điện phân phối MDB). Điểm trọng tâm của chương là việc tính toán chọn lựa vật tư: tấm pin Longi 545 Wp, 18 biến tần công suất 110 kW, cáp AC CADIVI 4 lõi $50\text{ mm}^2$, dây tiếp địa PE $50\text{ mm}^2$, cáp DC CADIVI $6\text{ mm}^2$ 1500 VDC kèm kiểm toán sụt áp (1,07% đến 1,6%), thiết bị đóng cắt MCCB LS 4P 225A và ACB LS 2500A.

Chương 4: Project Simulation and Calculation

Chương này mô tả việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng kỹ thuật số gồm AutoCAD, SketchUp và PVsyst. Tác giả chi tiết hóa 7 bước cài đặt thông số mô phỏng cho Factory 6 và lặp lại cho các nhà xưởng còn lại. Mô hình 3D từ SketchUp được chuyển đổi sang PVsyst để phân tích chính xác biểu đồ che bóng gần. Dữ liệu khí tượng Meteonorm 8 cùng các thông số suy hao nhiệt độ, dây dẫn và suy thoái công suất 0,4%/năm được đưa vào mô hình nhằm đưa ra dự báo sản lượng điện nối lưới, đánh giá sản lượng điện năng theo phân phối xác suất P90/P95.

Chương 5: Debt and Investment Analysis, Financial Evaluation and Results

Chương cuối cùng tập trung vào bài toán hiệu quả tài chính và môi trường. Tác giả lập bảng cơ cấu tổng mức đầu tư (Capex), bảng phân rã chi phí vận hành bảo dưỡng hàng năm (Opex), phân tích hồ sơ phụ tải tiêu thụ theo giờ và ngày trong tuần của Factory 6, so sánh tương quan giữa sản lượng điện phát ra và lượng điện năng nhà máy tiêu thụ. Dòng tiền ròng dự án được tính toán chi tiết cho từng tháng trong 4 năm đầu tiên và dự báo suốt vòng đời dự án để kết luận về các chỉ số hoàn vốn NPV, IRR. Chương này cũng phân tích lượng phát thải khí nhà kính cắt giảm được thông qua việc so sánh hệ số phát thải $CO_2$ giữa điện mặt trời và nhiệt điện than.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật và kinh tế cụ thể:

• Xác lập thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho trạm điện mặt trời áp mái 2,5 MWp sử dụng 18 biến tần 110 kW và tấm pin Longi 545 Wp, tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện IEC 62548 với độ sụt áp DC duy trì dưới 1,6% và sụt áp AC dưới mức giới hạn cho phép 5%.
• Xây dựng mô hình mô phỏng 3D trên SketchUp tích hợp trực tiếp vào PVsyst, cho phép tính toán định lượng các tổn thất che bóng phức tạp trên mái nhà xưởng công nghiệp có hai hướng dốc khác nhau ($125^\circ$ và $25^\circ$).
• Xây dựng bảng dự toán tài chính chi tiết từ chi phí đầu tư ban đầu (Capex), chi phí vận hành hàng năm (Opex theo đơn vị nghìn đồng - kVND), hồ sơ phụ tải giờ và dòng tiền ròng chiết khấu, cung cấp cơ sở để tính toán các chỉ số tài chính NPV và IRR cho phương án tự dùng điện tại chỗ.
• Đóng góp thực tiễn của đồ án là đưa ra một quy trình tính toán - thiết kế - mô phỏng hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa việc chọn lựa thiết bị điện thực tế trên thị trường Việt Nam (CADIVI, LS) với công cụ tính toán năng lượng quốc tế (PVsyst), giải quyết bài toán cấp bách về chuyển dịch năng lượng xanh cho doanh nghiệp sản xuất trong khu công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu được tác giả nêu rõ:

• Đồ án chưa thực hiện tính toán cơ học và kiểm tra kết cấu chịu lực của khung giàn, xà gồ mái nhà xưởng mà đặt giả định kết cấu mái hiện hữu đủ khả năng chịu tải trọng gia tăng của hệ thống tấm quang điện và phụ kiện.
• Nghiên cứu không bao gồm hệ thống ắc quy/pin lưu trữ năng lượng (BESS) cũng như các cấu hình hòa lưới có lưu trữ hay hệ thống độc lập.
• Độ chính xác của các phân tích kinh tế phụ thuộc vào nguồn dữ liệu bức xạ Meteonorm và biểu giá điện hiện hành của EVN, chưa mô hình hóa các rủi ro do biến động chính sách điều hành năng lượng trong tương lai.

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

• Nghiên cứu tích hợp hệ thống lưu trữ pin BESS nhằm nâng cao khả năng quản lý phụ tải và cung cấp nguồn điện dự phòng khi lưới điện gặp sự cố.
• Thực hiện kiểm định và phân tích chi tiết kết cấu kỹ thuật công trình mái tôn để đảm bảo an toàn tuyệt đối trước tải trọng gió bão.
• Mở rộng nghiên cứu so sánh hiệu quả kinh tế và kỹ thuật giữa nhiều dòng biến tần và cấu hình chuỗi pin khác nhau.
• Đánh giá độ nhạy tài chính của dự án trước những thay đổi về khung pháp lý và chính sách phát triển năng lượng tái tạo của Chính phủ Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên các ngành Công nghệ Năng lượng Tái tạo, Hệ thống Điện, Kỹ thuật Năng lượng và Quản lý Năng lượng đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu thiết kế trạm phát điện quang điện.

Các kỹ sư thiết kế EPC (Engineering, Procurement and Construction) điện mặt trời có thể tham khảo trực tiếp các nội dung sau:

• Phương pháp luận và công thức tính toán chọn tiết diện cáp dẫn điện AC, DC có hiệu chỉnh theo hệ số môi trường thực tế tại Việt Nam ($K_1, K_2, K_3$).
• Phương pháp phối hợp bảo vệ mạch điện giữa MCCB nhánh cho từng inverter và máy cắt không khí tổng ACB cho tủ phân phối trạm.
• Trình tự thiết lập dự án 7 bước trên phần mềm PVsyst khi kết hợp mô hình vật thể che bóng 3D từ SketchUp.

Câu hỏi thường gặp

1. Dự án điện mặt trời áp mái này được thiết kế theo mô hình nào và vận hành ra sao?
Dự án được thiết kế theo mô hình điện mặt trời hòa lưới (On-grid Solar System) với tổng công suất 2,5 MWp phục vụ tự dùng (self-consumption) cho 4 phân xưởng tại khu công nghiệp Tân Thành, Bà Rịa - Vũng Tàu. Do quy định pháp lý hiện hành, hệ thống tích hợp giải pháp chống phát ngược (Zero Export) nhằm đảm bảo điện năng dư thừa không bị đẩy ngược lên lưới điện lực quốc gia.

2. Tấm pin và biến tần được lựa chọn trong đề tài có thông số kỹ thuật chính như thế nào?
Hệ thống sử dụng tấm pin quang điện Longi Solar mã hiệu LR5-72HPH-545M công suất 545 Wp (hiệu suất 21,3%, $V_{oc} = 49,65\text{ V}$, $I_{sc} = 13,92\text{ A}$) và 18 bộ biến tần Growatt 110kW MAX 110KTL3-LV / Sungrow SG110CX công suất 110 kW (hiệu suất tối đa 98,80%, 10 bộ MPPT, điện áp DC tối đa 1100 V).

3. Tiết diện cáp điện xoay chiều (AC) và một chiều (DC) được tính toán và lựa chọn ra sao?
Cáp AC nối từ mỗi biến tần về tủ MDB là cáp đồng CADIVI 4 lõi $50\text{ mm}^2$ (cách điện XLPE/PVC, dòng cho phép $I_{CP} = 185\text{ A}$, đáp ứng dòng tính toán hiệu chỉnh 164 A); dây PE đi kèm có tiết diện $50\text{ mm}^2$. Cáp DC nối chuỗi pin về biến tần sử dụng dây CADIVI chuyên dụng cho điện mặt trời tiết diện $6\text{ mm}^2$ (cách điện kép XLPO 1500 VDC), cho độ sụt áp thực tế từ 1,07% đến 1,6% (đều nằm dưới giới hạn cho phép 3%).

4. Thiết bị đóng cắt bảo vệ trong tủ điện phân phối chính bao gồm những gì?
Hệ thống bố trí 18 bộ ngắt mạch tự động MCCB LS 4P 225A (dòng cắt ngắn mạch 30 kA) tương ứng cho 18 biến tần và 01 máy cắt không khí tổng ACB LS mã hiệu AS-25E4-25H (4 cực, dòng định mức 2500 A, dòng cắt ngắn mạch 85 kA) tại tủ điện phân phối chính MDB 1.

5. Các bước chính trong quy trình mô phỏng hệ thống trên PVsyst của đồ án là gì?
Quy trình mô phỏng gồm 7 bước: khởi tạo dự án cho từng nhà xưởng; nhập tọa độ địa lý và nạp dữ liệu bức xạ Meteonorm 8; thiết lập góc nghiêng ($8^\circ$) và góc phương vị ($125^\circ$ và $25^\circ$); cấu hình tấm pin - biến tần theo 4 phân hệ; khai báo các tổn thất hệ thống (nhiệt độ, điện trở dây, suy thoái tấm pin 0,4%/năm); nạp mô hình 3D từ SketchUp để mô phỏng che bóng gần; và thiết lập hệ số công suất $\cos\varphi$ cùng các kịch bản xác suất sản lượng P90/P95.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc tính toán thiết kế kỹ thuật, mô phỏng năng lượng và đánh giá kinh tế cho hệ thống điện mặt trời áp mái 2,5 MWp tại khu công nghiệp thị xã Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Bằng việc kết hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc tế (IEC 62548, UL) với thiết bị sẵn có trên thị trường trong nước và ứng dụng phần mềm PVsyst cùng SketchUp, nghiên cứu đã xây dựng phương án cung cấp điện tự dùng an toàn, tối ưu hóa sụt áp và kiểm soát che bóng cho doanh nghiệp. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể giúp các cơ sở sản xuất công nghiệp chủ động nguồn năng lượng sạch, đáp ứng các tiêu chuẩn xuất khẩu xanh và giảm thiểu phát thải carbon.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: RENEWABLE ENGERGY TECHNOLOGY DESIGN CALCULATION OF ROOFTOP SOLAR POWER SYSTEMS FOR FACTORIES IN INDUSTRIAL PARK INSTRUCTOR: NGUYEN VAN TRUNG STUDENT: HA QUANG BAO NGUYEN TIEN DAT NGUYEN TAN HAU Ho Chi Minh city, January 2025 Content Content. 1 List of figures. 3 List of table. The current landscape of solar energy.

Rationale for topic selection. Research scope and limitations. Solar power systems. On-grid solar systems.

Hybrid solar systems. Off-grid solar systems. Factors affecting system performance. Project survey, selection and design.

Main equipment selection. Other system devices. Project simulation and calculation. Introduction to project simulation tools.

Initial capital costs. Revenue and energy savings calculation. Debt and investment analysis. Types of financing.

Cash flow analysis. Financial evaluation metrics. Net present value (NPV). Internal rate of return (IRR).

Application to project evaluation. Results and comments. Conclusion and summary. 78 2 List of figures Figure 1.1 Renewable electricity capacity additions by Technology And Segment, 2016-2028.2 Electricity generation sources, Vietnam, 2022.3 Evolution of electricity generation sources in Viet Nam since 2000.1 Satellite image of project site .2 General site plan .3 Distribution of sunshine hours during the year .4 Inverter and electrical cabinet layout .5 Substation frame for inverter shielding .6 Station total view .7 Whole system from above .8 PV layout at factory 6 .9 PV layout at factory 1 .10 PV layout at factory 2 .11 PV layout at factory 3 .12 L-leg, seamclock clamp, aluminum rail and clamp .14 Walkways, and walkway installation methods .15 Fire alarm system installation details .16 Solar panel cut sheet .17 Image of the inverter .18 AC wire selection table .19 Cadivi VCM 50mm2 copper core single wire .20 MCCB LS 4p 225a 30kA .21 DC wire core .1 A new project was created within PVsyst.2 Example of factory 6 .3 Input geographical coordinates .4 Input weather data .5 Input orientation and tilt angles .6 Set up subsystem 1 and 2 .7 Set up subsystem 3 and 4 .8 Set up temperature losses .9 Set up wiring losses .10 Set up module quality .11 Set up degradation losses .12 Simplified model in SketchUp.13 Set up output of SketchUp .14 Adjust model in PVsyst .15 Running near shading simulation .16 Set up the cosphi value .17 The first simulation run .18 Set up P90/P95 parameters .19 Grid connected simulation results .1 Capex component proportion .2 Energy saving monthly for each factory .1 Analysis and comparison of CO2 emission levels of coal-fired power and solar power.

74 4 List of table Table 3.1 System distribution information .2 Solar panel specification .3 Solar panel parameters under standard conditions .8 PE wire selection table according to phase wire .1 Component price breakdown .2 Annually OPEX breadown. 60 Table 5-3 OPEX value by year (kVND) .4 Load profile of factory 6 by hour and weekday .5 Electricity consumption and electricity production at each factory .6 Amount of money saved in the first year .7 Forecasting money saved each year in the project life cycle .9 Net cash flow analysis (in kVND) .10 Monthly net cash flow in the first 4 years (in kVND) .11 NPV and IRR calculation results for the project. General overview We want to give a general introduction to the background of the thesis, including: The current state of solar energy, The rationale for choosing this particular research topic, The specific objectives of the project and, The scope of the research conducted. The current landscape of solar energy The solar energy sector is experiencing rapid global growth, driven by declining costs, increasing environmental awareness, and supportive government policies.

The International Energy Agency (IEA) reports that solar PV is a leading source of new electricity generation capacity worldwide. "Renewable power capacity additions will continue to increase in the next five years, with solar PV and wind accounting for a record 96% of it because their generation costs are lower than for both fossil and non-fossil alternatives in most countries and policies continue to support them. Solar PV and wind additions are forecast to more than double by 2028 compared with 2022, continuously breaking records over the forecast period to reach almost 710 GW" [1].1 Renewable electricity capacity additions by technology and segment, 2016-2028 6 This expansion spans utility-scale projects and distributed generation, particularly rooftop solar installations, which are becoming increasingly cost- competitive with conventional energy sources. "the average sales price of PV modules has declined from about $4 per Watt in 2007 to around $0.35 per Watt by late 2017.", "the prices of Balance of System (BOS) components, which comprise inverters, trackers, structural, and electrical components, have also come down significantly with annual reductions in the range of 5– 7%" [3].

In Vietnam, the solar market is rapidly growing. In 2022, electricity produced by Solar PV took over 10% of Electricity generation sources [4].2 Electricity generation sources, Vietnam, 2022 Solar power output has increased rapidly, from 22GWh in 2018, to 28,397GWh in 2022.3 Evolution of electricity generation sources in Viet Nam since 2000 Key drivers in this include : 7 Declining Costs Environmental Awareness Government Incentives Technological Advancements 1. Rationale for topic selection This thesis focuses on the design and analysis of a 2.5MWp rooftop solar system for a multi-roof industrial area in Vũng Tàu, southern Vietnam, for several compelling reasons. First, industrial energy demand in Vietnam's southern regions is substantial due to the high concentration of manufacturing facilities, particularly in industrial zones like those in Vũng Tàu.

This presents a significant opportunity for emissions reduction through solar adoption. Rooftop solar, in particular, offers a viable solution for factories in industrial zones, which often have limited land availability for ground-mounted solar installations. According to ARAV, Ministry of Industry and Trade, Vietnam Electricity Regulatory Authority, quote “Specifically, the province's commercial electricity output in 2023 will reach more than 5.99 billion kWh, an increase of 12. The amount of electricity used for industry and construction accounted for 69.25% of the total amount of electricity, up 12.33%; electricity supplied to industrial parks reached 3.12 billion kWh, up 19.

The amount of electricity used for commerce and services increased by 19.3%; electricity used for consumer management increased by 11. Second, as human society develops towards balance and sustainability, importers (European - American markets) are requiring partners to use green and renewable energy, promoting Vietnamese enterprises to convert. In addition, Vietnam has nearly 80,000 secondary investors in industrial and export processing zones, creating great potential for rooftop solar deployment. Therefore, rooftop solar energy helps enterprises reduce their dependence on the grid and meet increasingly strict environmental standards from markets such as Europe and the US [6].

Finally, this research addresses a practical need for sustainable energy solutions within existing industrial infrastructure. Vietnam's renewable energy policy has set ambitious targets for solar adoption, and this project contributes to these 8 goals by leveraging existing rooftops for clean energy generation, reducing reliance on fossil fuels, and cutting carbon emissions. Research scope and limitations 1. Scope This thesis focuses on the design and analysis of a 2.5 MWp rooftop solar system for self-consumption at an industrial site in Vũng Tàu, Vietnam.

The key areas include: System Design: Optimizing the placement of solar panels and selecting suitable inverters for the specific roof structure of the site. Energy Simulation: Using PVsyst software to estimate energy production and analyze losses caused by shading, temperature, and system inefficiencies. Financial Analysis: Evaluating the project’s economic feasibility through metrics like Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), and payback period. Limitations This study has some limitations: Exclusions: Structural analysis of the rooftops is not included, assuming the roofs can support the solar panels.

Battery storage and hybrid/off-grid systems are also not part of this study. Data Limitations: The analysis relies on the availability of site-specific data, such as solar radiation, electricity prices, and energy consumption patterns. Policy Dependence: The study assumes current government policies and incentives for rooftop solar projects in Vietnam will remain stable and does not account for future policy changes. Future research Further studies could explore: The addition of battery storage systems to improve energy management and provide backup power.

How changes in Vietnam’s renewable energy policies could impact project feasibility. 9 Comparing different types of inverters or system designs to optimize performance and cost. Conducting detailed structural analyses of rooftops to ensure system safety. Solar power systems 2.

On-grid solar systems Definition: An On-Grid Solar System (OGSS) is designed to maximize the utilization of renewable energy sources, contributing to both environmental protection and electricity conservation. It is a solar system connected to the utility grid (e., EVN), supplying power to residential, commercial, and industrial loads. Components: PV Modules Inverter Balance of System (BOS) components: include surge protection devices, circuit breakers (CBs), wiring, and other necessary accessories. Operational Principles: Solar Output Greater than Load: If the solar PV output exceeds the load consumption, the entire load is powered by the solar system.

Any excess power would be sent to the grid; however, current regulations prevent this from happening in this specific context, making Zero Export essential (excess power is limited to ensure that it does not backfeed into the grid). Solar Output Less than Load: If the PV output is less than the load, the entire PV output is used to power the load, with the remainder sourced from the utility grid. Grid Outage: If the utility grid experiences an outage, the solar system also shuts down. Nighttime Operation: During nighttime hours, when there is no solar production, the load is entirely powered by the utility grid.

Advantages: Reduced monthly electricity costs. Protection from fluctuating electricity prices. Improved insulation of buildings, reducing heat. Increased property value.

Lower upfront investment costs. 11 Contribution to environmental sustainability Disadvantages: Does not function at night or during grid outages. Cannot operate in areas with grid voltage or frequency outside of the inverter’s operating parameters. Hybrid solar systems Definition: Hybrid systems combine the benefits of grid-connected and off-grid systems.

They incorporate battery storage, allowing operation even during grid outages. Components: PV Modules Inverter Balance of System (BOS) components Battery Storage Operational Principles: Excess Solar Output: When solar generation exceeds demand, the excess power is used to charge the battery storage system. Once fully charged, excess power would be sent to the grid; however, this is not allowed by current regulation so excess power must be limited through Zero Export capabilities. Insufficient Solar Output: When solar generation is insufficient to meet the load, power will be drawn in the following order: solar, then battery, and finally from the utility grid.

Grid Outage: During a grid outage, the system continues to operate, drawing power from solar and the battery storage system. Nighttime Operation: At night, when no solar power is produced, the load is powered from a combination of the battery storage system and the utility grid. Advantages: Greater reduction in monthly electricity costs compared to on-grid systems. Ability to store excess power for later use.

Maximized utilization of solar power generation. 12 Consistent and reliable power supply. Disadvantages: Limited storage capacity of batteries. Higher initial investment costs.

Off-grid solar systems Definition: An Off-Grid solar system operates independently of the utility grid, relying solely on self-generated power and battery storage. These systems depend on their capacity to match the present loads. Components: PV Modules Off-Grid Inverter Battery Storage Operational Principles: Off-grid systems supply power directly from the PV array (with or without battery storage). The system will either convert the power to AC or DC (depending on load requirements), and excess power is sent to charge the battery.

It is not connected to the grid in any way. Advantages: Independent of the utility grid. Provides power in areas without access to the grid. Disadvantages: The highest base investment costs compared to other systems.

Limited battery storage capacity.