Tính Toán và Thiết Kế Hệ Thống Điện Mặt Trời Áp Mái Nối Lưới 18kWp Tại Trường Đại Học Điện Lực

• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Đề tài: Tính Toán và Thiết Kế Hệ Thống Điện Mặt Trời Áp Mái Nối Lưới 18kWp Tại Trường Đại Học Điện Lực

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)
• NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Tổng quan về năng lượng mặt trời (NLMT)
• 1.2. Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam
• 1.3. Thực trạng sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
• 1.4. Các công nghệ phát triển Pin mặt trời hiện nay
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ĐỐI TƯỢNG VÀ CÔNG CỤ THIẾT KẾ
• 2.1. Đối tượng thiết kế
• 2.1.1. Vị trí của đối tượng thiết kế
• 2.1.2. Mục tiêu hướng tới của đối tượng thiết kế
• 2.1.3. Điều kiện tự nhiên
• 2.1.4. Khảo sát mặt bằng lắp đặt
• 2.2. Công cụ thiết kế
• 2.2.1. Phần mềm thiết kế AutoCAD
• 2.2.2. Phần mềm mô phỏng PVsyst
• 3. CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG CÔNG CỤ THIẾT KẾ, LẬP PHƯƠNG ÁN HỆ THỐNG MẶT TRỜI TÒA G
• 3.1. Tính toán hệ thống
• 3.2. Lập phương án thiết kế hệ thống NLMT
• 3.2.1. Nhập Site và Meteo
• 3.2.2. Nhập góc nghiêng và hướng lắp đặt của hệ thống
• 3.2.3. Nhập thông số kỹ thuật của hệ thống
• 3.2.4. Chọn hệ thống dây dẫn và tổn thất trên dây dẫn
• 3.3. Kết quả mô phỏng sản lượng điện
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI NỐI LƯỚI TÒA NHÀ G
• 4.1. Nguyên lý hoạt động và sơ đồ nguyên lý của hệ thống
• 4.2. Các phương án thiết kế
• 4.2.1. Thiết kế tính toán hệ thống mặt trời áp mái nối lưới với công nghệ pin đơn tinh thể - Monocrystalline JA Solar (Nhập khẩu)
• 4.3. Lựa chọn hệ thống
• 4.3.1. Thời gian thu hồi vốn và sinh lời của hệ thống pin mặt trời JA Solar
• 4.3.2. Thời gian thu hồi vốn và sinh lời của hệ thống pin mặt trời IREX
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

I. Tổng Quan Dự Án Điện Mặt Trời Áp Mái 18kWp Tại EPU

Dự án tính toán và thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới 18kWp tại tòa nhà G, Trường Đại Học Điện Lực (EPU) là một đồ án tốt nghiệp điện mặt trời tiêu biểu, thể hiện xu hướng ứng dụng năng lượng tái tạo trong môi trường học thuật. Bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và các vấn đề về môi trường đã thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp tiết kiệm điện bền vững. Việt Nam, với tiềm năng bức xạ mặt trời dồi dào, trung bình từ 4-5 kWh/m²/ngày, là một thị trường lý tưởng cho phát triển điện mặt trời. Chính phủ đã ban hành nhiều cơ chế khuyến khích, nổi bật là Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg, tạo hành lang pháp lý cho việc đấu nối lưới điện quốc gia và mua bán điện. Dự án này không chỉ nhằm mục tiêu giảm chi phí điện năng cho trường mà còn tạo ra một mô hình thực tế tại EPU cho sinh viên ngành Năng lượng tái tạo học tập, nghiên cứu. Mục tiêu chính của dự án là thiết kế một hệ thống tối ưu, đáp ứng một phần nhu cầu phụ tải của tòa nhà, giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao hình ảnh của một trường đại học hiện đại, tiên phong về công nghệ xanh. Việc triển khai thành công dự án này sẽ là một báo cáo dự án điện mặt trời điển hình, cung cấp dữ liệu thực tiễn về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật, từ đó thúc đẩy nhân rộng mô hình tại các cơ sở giáo dục và tòa nhà thương mại khác trên cả nước, góp phần vào an ninh năng lượng quốc gia.

1.1. Tiềm năng và thực trạng năng lượng tái tạo tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng to lớn về năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Theo dữ liệu từ đồ án, tổng bức xạ năng lượng mặt trời trung bình tại Việt Nam dao động khoảng 4-5 kWh/m²/ngày. Các tỉnh miền Trung và miền Nam có số giờ nắng từ 2.000-2.600 giờ/năm, là điều kiện lý tưởng để phát triển các dự án điện mặt trời. Nhận thấy tiềm năng này, Chính phủ đã có những chính sách đột phá như Quyết định 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích, với giá mua điện (FIT) hấp dẫn, đã tạo ra một làn sóng đầu tư mạnh mẽ. Đến cuối tháng 6 năm 2019, đã có 82 nhà máy điện mặt trời với tổng công suất 4.464 MW được đưa vào vận hành, chiếm 8.28% tổng công suất lắp đặt của hệ thống điện quốc gia. Điều này cho thấy sự chuyển dịch mạnh mẽ sang nguồn năng lượng sạch, giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch và bảo vệ môi trường.

1.2. Mục tiêu của hệ thống điện mặt trời nối lưới tại EPU

Mục tiêu chính của việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời nối lưới tại Trường Đại học Điện Lực là đa dạng hóa. Về kinh tế, hệ thống giúp giảm đáng kể chi phí điện tiêu thụ hàng tháng từ lưới điện quốc gia. Về giáo dục, đây là một mô hình thực tế tại EPU vô giá, cho phép sinh viên trực tiếp quan sát, học tập và nghiên cứu về công nghệ quang điện, từ khâu thiết kế, lắp đặt đến vận hành. Về môi trường, dự án góp phần giảm phát thải khí nhà kính, nâng cao hình ảnh của trường như một đơn vị tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ xanh và phát triển bền vững. Cuối cùng, dự án là một giải pháp tiết kiệm điện hiệu quả, đồng thời khẳng định cam kết của nhà trường trong việc đóng góp vào mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo của quốc gia.

II. Khảo Sát Thách Thức Khi Thiết Kế Điện Mặt Trời 18kWp

Quá trình triển khai dự án tính toán và thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới 18kWp bắt đầu bằng giai đoạn khảo sát chi tiết hiện trạng tại tòa nhà G, Trường Đại học Điện Lực. Vị trí lắp đặt là mái tòa nhà 4 tầng tại số 235 đường Hoàng Quốc Việt, Hà Nội. Thách thức đầu tiên là xác định chính xác các yếu tố tự nhiên và kỹ thuật tại địa điểm. Dữ liệu từ Meteonorm được sử dụng trong phần mềm thiết kế PVSyst cho thấy cường độ bức xạ trung bình hàng tháng tại khu vực là 3,78 kWh/m²/ngày, một con số khá tốt cho khu vực miền Bắc. Việc khảo sát mặt bằng mái nhà cho thấy mái có diện tích 322 m², làm bằng tôn, chia làm hai hướng chính Bắc và chính Nam, với góc nghiêng tự nhiên là 15°. Thách thức đặt ra là phải lựa chọn hướng mái tối ưu để tối đa hóa sản lượng điện hàng tháng và thiết kế kết cấu khung giàn đỡ phù hợp với vật liệu mái tôn, đảm bảo an toàn và độ bền. Ngoài ra, việc không có các vật thể gây che bóng như tòa nhà cao tầng hay cây cối xung quanh là một lợi thế lớn, nhưng việc tối ưu hóa cách bố trí các tấm pin năng lượng mặt trời trên diện tích hạn chế vẫn là một bài toán cần giải quyết cẩn thận bằng phần mềm AutoCAD. Đây là bước nền tảng, quyết định hiệu quả của toàn bộ hệ thống trong suốt vòng đời dự án.

2.1. Phân tích điều kiện tự nhiên và mặt bằng lắp đặt

Vị trí lắp đặt tại tòa nhà G, Trường Đại học Điện Lực có tọa độ địa lý 21.04°N, 105.78°E. Dữ liệu từ Meteonorm trong phần mềm thiết kế PVSyst chỉ ra rằng cường độ bức xạ trung bình năm là 3,78 kWh/m²/ngày, với tháng cao nhất là tháng 5 (5,16 kWh/m²/ngày). Mái nhà có tổng diện tích 322 m², được làm bằng tôn và có góc nghiêng sẵn là 15°. Một ưu điểm quan trọng là khu vực lắp đặt không bị che bóng bởi các công trình xung quanh. Tuy nhiên, mái nhà được chia thành hai hướng chính Bắc và Nam, đòi hỏi phải lựa chọn hướng lắp đặt tối ưu. Sau khi phân tích, hướng chính Nam được chọn để tối đa hóa hiệu suất thu năng lượng.

2.2. Các công cụ thiết kế được sử dụng trong dự án

Để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả, dự án đã sử dụng hai công cụ phần mềm chuyên dụng. Phần mềm thiết kế PVSyst (phiên bản 6.85) đóng vai trò trung tâm trong việc mô phỏng, tính toán và phân tích dữ liệu cho hệ thống. PVSyst cho phép nhập dữ liệu khí tượng, thông số kỹ thuật thiết bị, và mô phỏng chính xác sản lượng điện hàng tháng cũng như các tổn thất của hệ thống. Bên cạnh đó, phần mềm AutoCAD 2010 được sử dụng để triển khai các bản vẽ kỹ thuật chi tiết, bao gồm bố trí mặt bằng tấm pin năng lượng mặt trời, thiết kế kết cấu khung giàn đỡ, và sơ đồ đấu nối dây điện. Sự kết hợp giữa hai công cụ này đảm bảo dự án được thiết kế một cách khoa học, trực quan và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật điện mặt trời.

III. Hướng Dẫn Tính Toán Hệ Thống Điện Mặt Trời Với PVSyst

Việc tính toán và thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới 18kWp được thực hiện chủ yếu thông qua phần mềm thiết kế PVSyst. Quy trình bắt đầu bằng việc nhập dữ liệu vị trí địa lý (Site) và thông số khí tượng (Meteo) cho khu vực Hà Nội. Bước tiếp theo, và cũng là quan trọng nhất, là tính toán góc nghiêng tấm pin và hướng lắp đặt. Dựa trên khảo sát, hướng chính Nam được lựa chọn. Phần mềm PVSyst cho phép mô phỏng và tối ưu góc nghiêng; kết quả cho thấy với góc nghiêng mái sẵn có là 15°, tổn thất hiệu suất so với góc tối ưu chỉ là 0%, do đó phương án lắp đặt áp mái trực tiếp được lựa chọn để tiết kiệm chi phí kết cấu khung giàn đỡ. Sau khi xác định hướng và góc nghiêng, các thông số kỹ thuật của hệ thống được nhập vào, bao gồm việc lựa chọn thiết bị điện mặt trời như tấm pin năng lượng mặt trời (loại Monocrystalline 380Wp) và inverter hòa lưới 3 pha. Hệ thống gồm 48 tấm pin, chia thành 3 chuỗi (string), mỗi chuỗi 16 tấm mắc nối tiếp, đạt tổng công suất 18.24kWp. Cuối cùng, PVSyst tiến hành mô phỏng, tính toán chi tiết các loại tổn thất (do nhiệt độ, dây dẫn, hiệu suất inverter) và đưa ra báo cáo dự phóng sản lượng điện hàng tháng và hàng năm, làm cơ sở cho việc phân tích bài toán kinh tế điện mặt trời.

3.1. Quy trình mô phỏng sản lượng điện trên phần mềm PVSyst

Quy trình mô phỏng bắt đầu bằng việc tạo một dự án mới và nhập tọa độ địa lý chính xác của Trường Đại học Điện Lực. Dữ liệu khí tượng từ Meteonorm được tích hợp sẵn. Tiếp theo, trong mục 'Orientation', góc nghiêng (Tilt) 15° và phương vị (Azimuth) 0° (hướng Nam) được thiết lập. Trong mục 'System', người thiết kế tiến hành lựa chọn thiết bị điện mặt trời, bao gồm 48 tấm pin năng lượng mặt trời JA Solar 380Wp và 1 inverter hòa lưới 3 pha Goodwe 20kW. Phần mềm tự động kiểm tra sự tương thích về điện áp và dòng điện giữa mảng pin và inverter. Cuối cùng, các thông số về tổn thất trên dây dẫn DC và AC được nhập liệu trước khi chạy mô phỏng để có được kết quả sản lượng điện chính xác nhất.

3.2. Tối ưu hóa góc nghiêng và hướng lắp đặt tấm pin

Việc tính toán góc nghiêng tấm pin là yếu tố then chốt để tối đa hóa sản lượng điện. Đồ án đã sử dụng công cụ tối ưu hóa của PVSyst để phân tích. Kết quả cho thấy, tại Hà Nội, góc nghiêng tối ưu cho cả năm nằm trong khoảng từ 8° đến 20° theo hướng chính Nam. Do mái của tòa nhà G đã có độ nghiêng sẵn là 15° và hướng về phía Nam, phương án lắp đặt các tấm pin áp sát mái được xem là lựa chọn lý tưởng. Phương án này không chỉ đảm bảo tổn thất hiệu suất ở mức 0% so với phương án tối ưu mà còn giúp giảm thiểu chi phí cho kết cấu khung giàn đỡ, đơn giản hóa quá trình thi công và tăng tính thẩm mỹ cho công trình.

3.3. Phân tích các tổn thất kỹ thuật của hệ thống

PVSyst cung cấp một biểu đồ tổn thất chi tiết, cho phép phân tích sâu về hiệu suất của hệ thống. Báo cáo từ đồ án chỉ ra các tổn thất chính bao gồm: tổn thất do hiệu ứng góc tới (IAM) -3.45%, tổn thất do nhiệt độ tấm pin (PV loss due to temperature) -10.0%, tổn thất do chất lượng tấm pin và sai khác (Module quality, Mismatch) -2.2%, và tổn thất do hiệu suất của inverter -2.9%. Tổng hợp các tổn thất này cho ra một chỉ số hiệu suất hệ thống (Performance Ratio - PR) là 85.18% cho hệ thống sử dụng pin JA Solar. Việc hiểu rõ các nguồn tổn thất này giúp đưa ra các biện pháp bảo trì, vận hành phù hợp để duy trì hiệu suất cao cho hệ thống điện mặt trời nối lưới.

IV. Bí Quyết Lựa Chọn Thiết Bị Điện Mặt Trời Tối Ưu Nhất

Thành công của một hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới 18kWp phụ thuộc rất lớn vào việc lựa chọn thiết bị điện mặt trời phù hợp. Đồ án đã tiến hành so sánh hai phương án thiết kế để tìm ra lựa chọn tối ưu nhất về cả kỹ thuật và kinh tế. Phương án 1 sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời Monocrystalline JA Solar 380Wp (nhập khẩu từ Trung Quốc, thuộc top 10 nhà cung cấp thế giới) kết hợp với inverter hòa lưới 3 pha Goodwe 20kW. Phương án 2 sử dụng tấm pin Mono IREX 380Wp (sản xuất tại Việt Nam) và inverter SMA 20kW (Đức). Việc lựa chọn dựa trên các tiêu chí: hiệu suất chuyển đổi, độ bền, chế độ bảo hành và đặc biệt là suất đầu tư điện mặt trời. Các thông số kỹ thuật của từng thiết bị như điện áp hở mạch (Voc), dòng ngắn mạch (Isc), hiệu suất inverter đều được nhập chi tiết vào phần mềm thiết kế PVSyst để đảm bảo tính tương thích và mô phỏng chính xác. Bên cạnh đó, việc lựa chọn dây dẫn DC và AC cũng tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật điện mặt trời (EN 50618, IEC 60439) để giảm thiểu tổn thất và đảm bảo an toàn vận hành, góp phần hoàn thiện một hệ thống có công suất 18kWp hiệu quả và bền bỉ.

4.1. So sánh tấm pin năng lượng mặt trời JA Solar và IREX

Đồ án đã đưa ra hai lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời loại Monocrystalline công suất 380Wp. Tấm pin JA Solar là sản phẩm từ một thương hiệu top đầu thế giới, có hiệu suất module đạt 19.63%, được kiểm định chất lượng nghiêm ngặt và có giá thành cạnh tranh khi nhập khẩu trực tiếp. Trong khi đó, tấm pin IREX là sản phẩm nội địa chất lượng cao, đạt nhiều chứng chỉ quốc tế và có ưu thế về bảo hành, bảo trì nhanh chóng trong nước. Cả hai loại pin đều có thông số kỹ thuật tương đương và được PVSyst mô phỏng cho ra sản lượng điện hàng tháng gần như nhau. Lựa chọn cuối cùng phụ thuộc vào việc cân đối giữa suất đầu tư điện mặt trời ban đầu và các chính sách hậu mãi.

4.2. Lựa chọn Inverter hòa lưới 3 pha phù hợp công suất 18kWp

Đối với hệ thống có công suất 18kWp, việc chọn inverter hòa lưới 3 pha là bắt buộc để đảm bảo chất lượng điện năng khi đấu nối lưới điện quốc gia. Hai mẫu inverter được xem xét là Goodwe GW20K-DT (Trung Quốc) và SMA Sunny Tripower 20000TL (Đức). Cả hai đều có công suất danh định 20kW, dải điện áp MPPT rộng và hiệu suất tối đa lên tới 98.4%. Inverter SMA nổi tiếng về độ bền và thương hiệu, trong khi inverter Goodwe có lợi thế về giá thành. Việc lựa chọn inverter phải đảm bảo dải điện áp hoạt động của nó phù hợp với điện áp của chuỗi pin trong mọi điều kiện nhiệt độ, từ -10°C đến 60°C, một yếu tố đã được kiểm tra kỹ lưỡng trong PVSyst.

V. Phân Tích Bài Toán Kinh Tế Điện Mặt Trời Hoàn Vốn

Một trong những yếu tố quyết định sự thành công của dự án tính toán và thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới 18kWp là hiệu quả tài chính. Đồ án đã thực hiện một bài toán kinh tế điện mặt trời chi tiết cho hai phương án thiết bị. Kết quả mô phỏng từ PVSyst cho thấy sản lượng điện hàng năm của hai hệ thống gần như tương đương, khoảng 22.1 MWh/năm. Tuy nhiên, suất đầu tư điện mặt trời lại có sự chênh lệch lớn. Hệ thống sử dụng pin JA Solar và inverter Goodwe có tổng chi phí dự kiến khoảng 222 triệu VNĐ. Trong khi đó, hệ thống sử dụng pin IREX và inverter SMA có chi phí lên tới 356 triệu VNĐ. Với giá bán điện cho EVN được áp dụng là 2.173 VNĐ/kWh (tương đương 9,35 Uscents/kWh), thời gian hoàn vốn của hệ thống JA Solar được tính toán là khoảng 5 năm. Ngược lại, hệ thống IREX cần tới 8 năm để thu hồi vốn. Dựa trên phân tích này, phương án sử dụng thiết bị nhập khẩu JA Solar và Goodwe được lựa chọn là tối ưu hơn hẳn về mặt kinh tế, mang lại lợi nhuận nhanh hơn và cao hơn trong dài hạn, mặc dù có một số nhược điểm về bảo trì so với sản phẩm trong nước. Đây là một minh chứng rõ ràng cho tầm quan trọng của việc phân tích kinh tế trong các báo cáo dự án điện mặt trời.

5.1. Phân tích suất đầu tư và chi phí vận hành hệ thống

Báo cáo phân tích chi tiết suất đầu tư điện mặt trời cho hai phương án. Phương án JA Solar có tổng vốn đầu tư 222.010.000 VNĐ, bao gồm chi phí nhập khẩu thiết bị (159.255.456 VNĐ) và chi phí vật tư, lắp đặt trong nước (62.755.000 VNĐ). Phương án IREX có tổng vốn đầu tư trọn gói là 356.400.000 VNĐ. Sự chênh lệch gần 134 triệu VNĐ chủ yếu đến từ giá thành của tấm pin năng lượng mặt trời và inverter hòa lưới 3 pha. Chi phí vận hành, bảo trì của hệ thống điện mặt trời thường thấp, chủ yếu là chi phí vệ sinh tấm pin định kỳ, điều này làm cho bài toán kinh tế điện mặt trời trở nên hấp dẫn hơn.

5.2. Tính toán sản lượng điện và thời gian hoàn vốn dự kiến

Dựa trên kết quả mô phỏng PVSyst, hệ thống JA Solar dự kiến tạo ra 22.129 kWh trong năm đầu tiên. Với giá bán điện 2.173 VNĐ/kWh, doanh thu năm đầu là khoảng 48 triệu VNĐ. Bảng tính toán chi tiết trong 20 năm, với mức suy giảm hiệu suất 1%/năm, cho thấy tổng số tiền thu được sau 5 năm là 235,6 triệu VNĐ, vượt qua vốn đầu tư ban đầu. Do đó, thời gian hoàn vốn được xác định là 5 năm. Đối với hệ thống IREX, với sản lượng tương đương nhưng chi phí cao hơn, thời gian hoàn vốn kéo dài đến 8 năm. Đây là con số quan trọng nhất để nhà đầu tư ra quyết định.

5.3. Lựa chọn phương án tối ưu dựa trên hiệu quả kinh tế

Sau khi so sánh toàn diện, đồ án đã kết luận phương án sử dụng thiết bị JA Solar và Goodwe là lựa chọn tối ưu. Lý do chính là thời gian hoàn vốn ngắn hơn đáng kể (5 năm so với 8 năm) và suất đầu tư điện mặt trời thấp hơn khoảng 134 triệu VNĐ. Mặc dù hệ thống IREX có ưu điểm về bảo hành, bảo trì tại chỗ, nhưng lợi ích kinh tế vượt trội của phương án JA Solar là yếu tố quyết định. Lợi nhuận dự kiến sau 20 năm của hệ thống JA Solar cũng cao hơn (639 triệu VNĐ so với 505 triệu VNĐ), khẳng định đây là giải pháp đầu tư hiệu quả nhất cho mô hình thực tế tại EPU.