ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT
TRỜI CHO HỘ GIA ĐÌNH


Trang 2/91

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 Tổng quan năng lượng mặt trời
Hiện nay, đứng trước nhu cầu phát triển công nghiệp và nâng cao đời sống
người dân, việc phát triển nguồn điện cấp cho lưới điện quốc gia đang vô cùng thiết
yếu. Tuy nhiên, vì các vấn đề môi trường nên việc phát triển các nhà máy nhiệt điện
và thủy điện mới gặp rất nhiều hạn chế. Trước tính hình đó, việc ứng dụng những
nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện năng nổi lên thành xu hướng mới trong
ngành năng lượng. Trong đó nổi trội hơn cả là ngành điện mặt trời vì nó có những
thuận lợi đáng kể so với các nguồn khác.
Đầu tiên, hệ thống điện mặt trời là sạch nhất trong tất cả các hệ thống năng
lượng tái tạo. Điện mặt trời không tạo ra khói, không gây tiếng ồn và không gây ảnh
hưởng tới môi trường xung quanh. Thứ hai là thời gian xây dựng ngắn. Quá trình thi
công và lắp đặt nhà máy điện mặt trời đơn giản hơn rất nhiều so với các loại khác.
Thứ ba là tuổi thọ lâu dài. Các loại pin hiện nay có tuổi thọ lên tới 20 - 30 năm. Tuy
nhiên, hệ thống điện mặt trời cũng có một số nhược điểm không thể tránh khỏi. Một
là nhu cầu diện tích đất lớn do để nhà máy có công suất phát điện lớn thì cần rất
nhiều tấm pin. Hai là hệ thống điện mặt trời không thể kiểm soát được lượng công
suất biểu kiến phát lên lưới. Do nguồn năng lượng là bức xạ từ mặt trời mà nguồn
này thì cố định và thay đổi theo từng thời điểm trong ngày, trong năm. Ta chỉ thể dự
đoán được lượng công suất biểu kiến có thể tạo ra tại một thời điểm và thay đổi
thành phần tác dụng và phản kháng trong đó. Ngoài ra, nhà máy điện mặt trời còn
bị hạn chế thời gian phát do chỉ phát được vào buổi sáng, chỉ tầm 6-8 tiếng/ngày.
Dù vậy, nhờ những ưu điểm và lợi ích của điện mặt trời mang lại giúp nó thành lựa

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 4/91

Hình 1 Biểu đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 5/91

Số giờ nắng trong Cường độ bức xạ

Khu vực

năm

(kWh/m2, ngày)

Đông Bắc

1600 - 1750

3.3 - 4.1

Tây Bắc

1750 - 1800



Trang 6/91

CHƯƠNG 2.

CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

2.1 Hệ thống độc lập / ngoài lưới điện
Trạm điện mặt trời độc lập là cấu hình hệ thống điện mặt trời thông dụng nhất
trên phạm vi toàn cầu. Mục đích chính là cung cấp điện năng tại chỗ khi không có
nguồn điện khác có khả năng cung cấp tới.
Cấu hình hoạt động theo nguyên lý : panel mặt trời tạo ra điện năng từ ánh
nắng mặt trời, điện năng này sau đó được lưu trữ vào pin acquy và sử dụng khi yêu
cầu.
Ưu điểm :
-

Đơn giản, dễ thi công.

-

Chi phí thấp.
Nhược điểm:

-

Công suất nhỏ.

-


Nhược điểm

-

Nếu điện lưới bị cắt thì điện năng từ panel mặt trời cũng bị cắt.
2.3 Hệ thống tương tác lưới
Hệ thống tương tác lưới là kết hợp giữa hệ thống điện nối lưới với dãy acquy

dự trữ.
Trong hệ thống này, phần điện năng dư ra từ dàn pin mặt trời sẽ được ưu tiên
sạc dàn acquy dự trữ trước rồi mới trả về điện lưới. Với tính năng này, hệ thống
tương tác lưới khắc phục nhược điểm mất điện khi nguồn lưới bị ngắt của cấu hình
nối lưới điện bình thường.
Ưu điểm:
-

Độ tin cây cao, cung cấp liên tục.

-

Làm việc hiệu quả.

-

Có thể bán điện cho công ty điện lực.
Nhược điểm:

-

Chi phí cao.

Nối lưới

Lớn

Có

Không

Trung bình

Tương tác lưới Lớn

Có

Có

Cao

Bảng 2 Phân tích các cấu hình

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 9/91

CHƯƠNG 3.

THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

3.1 Pin mặt trời.

3.1.2 So sánh các loại pin.
Đơn tinh thể
– Hiệu

suất

Đa tinh thể

cao – Giá thành rẻ hơn – Làm việc được trong

nhất.

pin đơn tinh thể

– Giá thành cao

Đặc điểm

nhất.

Màn mỏng

nhưng hiệu suất
thấp hơn.
– Tốc độ suy giảm
công suất thấp.

điều kiện mây mù
– Khả năng chịu nhiệt
cao hơn.

lớn nhất.

Bảng 3 So sánh các loại pin
3.1.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Pin mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện.

Hình 4 Cấu tạo pin quang điện

Nguyên liệu tạo nên các tấm pin mặt trời là các vật liệu có tính quang điện, ở
pin mono và poly là silic bán dẫn. Cấu tạo gồm 1 lớp p và 1 lớp n và 1 lớp tiếp xúc

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 12/91

giữa hai lớp và 2 điện cực ở 2 đầu. Khi không có ánh sáng chiếu vào, các electron
và lỗ trống bên trong tấm pin không di chuyển cho nên không tạo ra điện năng. Khi
có ánh sáng chiếu vào, tương đương với có năng lượng cấp vào, các electron và lỗ
trống có đủ năng lượng để vượt qua lớp tiếp xúc khiến chúng di chuyển thành dòng
do đó tạo nên điện năng.

3.1.4 Thông số.
Khi lựa chọn các tấm pin, ta cần biết các thông số để phù hợp với hệ thống
đang thiết kế. Các thông số cơ bản của một tấm pin năng lượng mặt trời bao gồm.
-

Công suất đỉnh (Pmax hay Wp): Là công suất lớn nhất của tấm pin được nhà sản
xuất đo được trong điều kiện chuẩn STC thường với bức xạ và nhiệt độ là 1000
W/m2, 25oC.

-

Hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch (Isc temperature coefficient): Là hệ số thay
đổi của Isc theo nhiệt độ chênh lệch với nhiệt độ chuẩn. Thường mang giá trị
dương, nghĩa là dòng điện ngắn mạch của pin tăng khi nhiệt độ tăng.

-

Các biểu đồ đặc trưng cho khả năng hoạt động của pin như biểu đồ I-V, biểu đồ P-V,
biểu đồ điện áp theo nhiệt độ.

Hình 5 Tương quan giữa biểu đồ I-V và P-V.

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 14/91

Hình 6 Biểu đồ P-V thay đổi theo cường độ bức xạ

Hình 7 Biểu đồ P-V thay đổi theo nhiệt độ

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 15/91

Hình 8 Biểu đồ I-V thay đổi theo nhiệt độ và cường độ bức xạ

3.2 Bộ biến tần (Inverter).

Chế độ hiệu chỉnh công suất.

–

Số nhánh có thể nối vào bộ biến tần.

–

Các hệ thống bảo vệ như quá tải, quá nhiệt, ngắn mạch.

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 17/91

CHƯƠNG 4.

CÔNG THỨC TÍNH BỨC XẠ MẶT TRỜI

Bức xạ mặt trời là công suất chiếu sáng của mặt trời trên một đơn vị diện tích
tại địa điểm khảo sát.
Bức xạ mặt trời phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Các đại lượng được dùng để
tính độ rọi:
-

Vĩ độ ϕ

-

Góc lệch mặt trời δ: là vị trí của mặt trời so với đường chân trời vào các ngày


Góc thiên đỉnh θZ : là góc giữa tia bức xạ và đường pháp tuyến mặt phẳng
ngang. θS và αS phụ nhau.

-

Góc tới θ : là góc giữa tia bức xạ và pháp tuyến bề mặt khảo sát.

-

Góc nghiêng β: là độ nghiêng của bề mặt tấm pin.

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 18/91

-

Góc phương vị mặt trời γS : là góc lệch so với hướng nam của hình chiếu mặt
trời trên bề mặt ngang. Khi mặt trời hướng Đông thì γ S < 0 , hướng tây thì γS >
0, hướng Nam γS = 0, hướng Bắc γS = 180,

-

− 180 ≤ γ S ≤ 180

.

Góc quay tấm pin γ : là góc lệch so với hướng nam của tấm pin. Cách xác định


0.6

Đồng đánh bóng

0.82

Giấy dầu

0.18

Lá cây, mặt đất

0.2 - 0.29

Tuyết

0.65 - 0.8

Gạch đỏ

0.65

Sơn trắng kẽm

0.78

Sơn đen dầu

1

Góc thiên đỉnh θZ = 90 - αS.

-

Góc phương vị:

sin γ S =

cos δ sin ω
cos α S

-

Xác định các thông số tổng xạ, trực xạ, tán xạ và hệ số tán xạ mặt đất.

-

Tổng bức xạ xạ trên bề mặt tấm pin đặt nghiêng sẽ được xác định theo:

 1 + cos β 
 1 − cos β 
Eβ = Eb Rb + Ed 
 + EΣ Rg 

2
2





5.1 Lựa chọn cấu hình, tính toán nhu cầu năng lượng.
Để lựa chọn cấu hình, ta cần dựa vào mục đích, nhu cầu của người sử dụng và

đặc điểm của vị trí lắp đặt. Như đã trình bày ở chương 2, mỗi cấu hình sẽ có những
ưu và nhược điểm phù hợp với từng trường hợp. Như hệ thống độc lập thì phù hợp
với nhưng nơi hẻo lánh, không có nguồn điện lưới. Hệ thống nối lưới thì sẽ phù hợp
với nơi có mức liên tục cung cấp cao. Hệ thống tương tác lưới và hệ thống bù lưới
phù hợp với các phụ tải công suất nhỏ do chi phí đầu tư cao.
Phụ thuộc vào nhu cầu và mục đích của hệ thống điện mặt trời mà ta tính toán
nhu cầu năng lượng khác nhau. Nếu mục đích là cung cấp điện cho cả căn hộ thì
nhu cầu năng lượng chính là tổng công suất các thiết bị trong căn hộ. Nếu hệ thống
có acquy thì nhu cầu năng lượng cần cộng thêm công suất sạc cho acquy. Tuy nhiên,
trong một số trường hợp, ta chỉ cần một lượng công suất nhất định, không nhất thiết
phải bằng với tổng năng lượng tòa nhà sử dụng. Cụ thể là trong trường hợp cấu hình
nối lưới, người lắp đặt không có nhu cầu cấp điện bằng pin mặt trời mà chỉ có nhu
cầu bán điện lên lưới thì dựa vào điều kiện kinh tế và nhu cầu cá nhân mà họ sẽ lựa
chọn một mức công suất nhất định.

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 21/91

Ở đây, cấu hình nối lưới rất phù hợp với hộ gia đình ở thành phố Hồ Chí Minh.
Lý do là vì đa số các hộ gia đình đều không ở nhà vào buổi sáng, lượng điện năng
tiêu thụ rất thấp. Vì vậy thay vì để trống căn nhà như vậy thì khi lắp đặt 1 dàn điện
mặt trời nối lưới sẽ giúp người lắp đặt có thêm 1 khoảng thu nhập.
5.2 Ước lượng công suất thực của dàn pin.
Công suất thực tế của dàn pin phụ thuộc vào hai yếu tố chính đó là bức xạ mặt
trời tại địa điểm lắp đặt và nhiệt độ môi trường. Ở đây để ước lượng công suất của

Tổng xạ Trực xạ Tổng xạ Trực xạ Tổng xạ Trực xạ Tổng xạ Trực xạ Tổng xạ Trực xạ

1

2.391

0.708

2.592

1.041

3.564

2.028

4.210

4.210

5.001

2.836

2

2.487

0.726


5.540

5.540

5.964

3.408

4

3.591

1.059

3.300

0.993

5.760

2.288

5.630

5.630

5.799

3.110


1.924

5.964

3.879

4.990

4.990

4.278

1.562

7

5.331

2.295

4.992

2.520

6.480

4.389

4.820


5.016

2.397

5.205

3.168

5.148

3.039

4.490

4.490

4.695

2.134

10

3.930

1.662

4.566

2.667


4.440

2.148

12

2.745

1.068

3.006

1.389

2.454

1.173

3.780

3.780

4.737

2.490

Số liệu của Thành phố Hồ Chí Minh lấy theo Cần Thơ.

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


4

0.828

0.444

5

0.686

0.317

6

0.611

0.223

7

0.675

0.295

8

0.623

0.256


bình các tháng trong năm tại địa điểm lắp đặt :(đơn vị W/m2)

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình


Trang 24/91

Hình 11 Bức xạ mặt trời các tháng trong năm

Tháng

Etb

1

760.15

2

848.33

3

861.73

4

815.43

5

665.19

12

721.55

Bảng 6 Giá trị bức xạ trung bình trong các tháng

Bức xạ trung bình năm Etbn = 621.1747W/m2

Hệ số bức xạ =

Etbn
= 0.621
1000

5.3 Lựa chọn thiết bị và biểu đồ công suất của dàn pin.
5.3.1 Panel pin mặt trời.
Khi lựa chọn pin, ta sẽ xem xét các yếu tố quan trọng tại địa điểm và thông số
kỹ thuật của pin. Các thông số tại địa điểm có thể kể đến bao gồm ví dụ: điều kiện
khí hậu, thời tiết, diện tích có sẵn và nhu cầu. Các thông số của pin ta cần quan tâm
là : công suất, hiệu suất, điện
Do hạn chế về diện tích là 16m2 nên ở đây ta sẽ cố định số lượng tấm pin là 8
tấm. Và cũng vì địa điểm có diện tích nhỏ nên cần tối đa lượng công suất tạo ra nên
ta lựa chọn sử dụng loại pin mono.
Lựa chọn tấm pin Sunergy Mono 360W với các thông số :

Thiết kế hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình