BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN TUẤN VĨNH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI
THÀNH PHỐ NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN TUẤN VĨNH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI
THÀNH PHỐ NHA TRANG
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số

: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRỊNH TRUNG HIẾU


11/2017/QĐ-TTg “Về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án mặt trời tại Việt Nam” áp dụng
cho các tổ chức, cá nhân tham gia phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam. Luận văn thiết
kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Thanh Hải – Tp Nha Trang là rất
cần thiết, ứng dụng thực tế trong điều kiện hiện nay không chỉ riêng cho khách sạn Thanh Hải mà
còn có thể áp dụng cho các khách sạn có qui mô vừa và nhỏ trên địa bàn Tp Nha Trang.
Từ khóa – năng lượng mặt trời; pin mặt trời; mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành
điện năng; kết nối lưới điện
DESCRIPTION OF ELECTRICCITY SUPPLY CONNECTOR SYSTEM FOR THANH
HAI HOTEL – NHA TRANG CITY
Abstract – Currently, small and medium hotels receiving power from public substations are
subject to a capacity under 20kW (when connected at the nearest low voltage grid) and under
40kW (when connected from the source of the substation), this capacity will not be able to
meet peak demand during tourist season. Investing in power lines and substations is very
costly and difficult for the current period (the connection point is almost closed, the cost of
installing underground medium voltages cables is very expensive but difficult due to the
urban landscape, the intallation of narrow substaion is not secure,…). On 11/4/2017, the
Prime Minister issued Decision No. 11/2017/QĐ-TTg “ Regarding mechanisms to encourage
the development of solar projects in Viet Nam” applicable to organizations and individuals
involved in the development of solar power projects in Viet Nam. Thesis design grid
connected solar power system to supply electricity to Thanh Hai hotel – Nha Trang city is
very necessary, practical application in present conditions not only for Thanh Hai hotel but
also applicable to small and medium hotels in Nha Trang city.
Key words - solar; solar battery; the model converts solar energy into electricity; grid
connection


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i

1.3.3. Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới ...............................32


iv

1.4. CÁC KHẢO SÁT, THỐNG KÊ TIỀM NĂNG BỨC XẠ MẶT TRỜI TẠI
THÀNH PHỐ NHA TRANG, TỈNH KHÁNH HÒA ..........................................35
1.5. KẾT LUẬN ....................................................................................................36
CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI ...........37
2.1. GIỚI THIỆU VỀ KHÁCH SẠN THANH HẢI ................................………37
2.2. NHU CẦU XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO
KHÁCH SẠN THANH HẢI ................................................................................39
2.3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP NỐI LƯỚI, VỊ TRÍ
LẮP ĐẶT ..............................................................................................................39
2.3.1. Lựa chọn mô hình hệ thống ....................................................................39
2.3.2. Vị trí xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới ....................42
2.4. TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CẤP
ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI ............................................................43
2.4.1. Xác định phụ tải của khách sạn Thanh Hải ............................................43
2.4.2. Tính toán lựa chọn Pin năng lượng mặt trời...........................................50
2.4.3. Lựa chọn bộ biến đổi điện DC-AC (Inverter) ........................................58
2.4.4. Hệ thống kho Ắcquy...............................................................................61
2.4.5. Bộ điều khiển sạc Ắcquy ........................................................................64
2.4.6. Bộ biến đổi điện DC-AC từ Ắcquy đến tải ............................................65
2.5. ĐẤU NỐI HỆ THỐNG .................................................................................67
2.5.1. Một số lưu ý khi đấu nối .......................................................................67
2.5.2. Sơ đồ đấu nối ........................................................................................67
2.5.3. Giải pháp lắp đặt Pin mặt trời lên tầng thượng khách sạn .....................71
2.6. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PV*SOL MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG

Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền của nước ta

36

2.1

Phụ tải của khách sạn Thanh Hải những ngày trong mùa
du lịch

47

2.2

Phụ tải của khách sạn Thanh Hải ngày thường

48

2.3

Bảng thông số vật lý Pin mặt trời IREX



78

3.2

Chi phí gia công, lắp dựng giá đỡ ắc quy và dàn pin mặt
trời

78

3.3

Chi phí mua thiết bị hệ thống pin mặt trời

79

3.4
3.5

Chi phí tư vấn đầu tư xây dựng và chi phí khác khi xây
dựng hệ thống pin mặt trời
Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống hệ thống pin
mặt trời

79
81


vii



10

1.5

Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên
mặt phẳng nghiêng

12

1.6

Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán

15

1.7

Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng

16

1.8

Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng

17

1.9


Các vùng năng lượng

21

1.15

Hiện tượng quang điện trên lớp bán dẫn

21

1.16

Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời

23

1.17

Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

23

1.18
1.19

Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào
cường độ bức xạ Mặt trời
Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào
nhiệt độ của pin


Sơ đồ điển hình của hệ thống NLMT độc lập

30

1.25

Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- Diesel

32

1.26
1.27

Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- gióDiesel
Sơ đồ điển hình hệ thống NLMT kết nối lưới không dự
trữ

32
33

1.28

Sơ đồ điển hình hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ

34

2.1

Hotel Thanh Hải – 33 Phạm Ngọc Thạch



42

2.6

Biểu đồ phụ tải những ngày trong mùa du lịch của khách
sạn Thanh Hải

45

2.7

Biểu đồ phụ tải ngày thường của khách sạn Thanh Hải

46

2.8

Pin mặt trời IREX

53

2.9

Đường đặc tính I - V

54


ix

64

2.14

Sơ đồ bố trí hệ thống Ắc quy

66

2.15

Bản vẽ mặt bằng tầng thượng của khách sạn Thanh Hải

68

2.16

Sơ đồ đấu nối hệ thống Pin mặt trời nối lưới cấp điện cho
khách sạn Thanh Hải – Tp. Nha Trang

68

2.17

Dàn thép để lắp đặt tấm Pin mặt trời

69

2.18

Lắp diod rẽ nhánh bảo vệ hệ thống

Sơ đồ mô phỏng

73

2.24

Kết quả sản xuất và tiêu thụ điện năng theo dữ liệu thời
tiết

73

2.25

Kết quả sử dụng năng lượng sản sinh ra bởi hệ thống PV

74

2.26

Kết quả sử dụng năng lượng tiêu thụ - phát lưới - sạc pin
sinh ra bởi hệ thống PV

74

2.27

Tổng năng lượng tiêu thụ của các thành phần phụ tải

75



2

tế ngày càng tăng, nhu cầu sử dụng điện năng rất lớn, nhất là vào các dịp nghỉ
lễ và Festival biển. Hệ thống điện của khách sạn phải hoạt động liên tục
24/24, có những thời điểm phải hoạt động hết 100% công suất của thiết bị dẫn
đến quá tải trạm biến áp. Những lúc sửa chữa đường dây hay Điện lực tạm
ngừng cung cấp điện cũng làm ảnh hưởng đến hoạt động của khách sạn. Vì
thế yêu cầu bắt buộc ổn định hệ thống điện cho khách sạn là điều rất quan
trọng. Các khách sạn vừa và nhỏ nhận nguồn từ các trạm biến áp công cộng
lại bị khống chế công suất dưới 20kW (khi đấu nối tại lưới hạ áp gần nhất) và
dưới 40kW (khi đấu nối từ đầu nguồn TBA), công suất này sẽ không đáp ứng
được nhu cầu phụ tải vào những mùa cao điểm, việc đầu tư đường dây và
trạm biến áp rất tốn kém về kinh tế và gặp nhiều khó khăn trong giai đoạn
hiện nay (điểm đấu nối hầu như đã kín, đường dây cáp ngầm rất tốn kém
nhưng rất khó khăn thi công do vướng cảnh quan đô thị, mặt bằng lắp trạm
biến áp chật hẹp không đảm bảo an toàn, …).
Trước đây khách sạn Thanh Hải đã liên hệ tư vấn thiết kế lắp đặt trạm
biến áp kín công suất 75kVA để cấp điện cho khách sạn, chi phí đầu tư nhánh
rẽ cáp ngầm 22kV dài 390m và TBA là 845.000.000đ, nhưng thỏa thuận
tuyến không được do vướng cảnh quan đô thị trong thành phố, mặt khác cũng
không cung cấp điện liên tục được khi hệ thống lưới điện bị sự cố hay đang
sửa chữa.
Đứng trước những khó khăn và thử thách đặt ra, tính thiết yếu của đề tài
“Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn
Thanh Hải Tp Nha Trang” là rất cần thiết, ứng dụng thực tế trong điều kiện
hiện nay không chỉ riêng cho khách sạn Thanh Hải mà còn có thể ứng dụng
cho toàn bộ khách sạn có có qui mô vừa và nhỏ trên địa bàn thành phố Nha
Trang. Đề tài sau khi thực hiện sẽ giúp chủ động trong việc thiết kế, cải tiến
hệ thống điện của khách sạn nhằm nâng cao chất lượng phục vụ cho khách

5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát điều kiện thực tế, phân tích
các yếu tố liên quan của khu triển khai ứng dụng. Xem xét lại toàn bộ cơ sở lý
thuyết về pin mặt trời để thành lập hệ thống pin năng lượng mặt trời từ đó đưa
vào ứng dụng.
Phương pháp nghiên cứu tính toán thiết kế: Tính toán thiết kế trên cơ sở
chung.


4

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát thực nghiệm trên hệ
thống điện khách sạn Thanh Hải.
Phương pháp chuyên gia: Tham khảo các ý kiến khoa học từ thực tiễn của
các chuyên gia để nghe phân tích và nhận định.
6. Dàn ý nội dung chính
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Mở đầu
Chương I: Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Chương II: Tính toán - thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới
cấp điện cho khách sạn Thanh Hải.
Chương III: Tính toán hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời nối lưới
cấp điện cho khách sạn Thanh Hải.
Kết luận và hướng phát triển của đề tài
7. Tổng quan về tài liệu nghiên cứu
- Các sách hướng dẫn đã được xuất bản
- Các báo cáo đã được công bố trong Hội nghị khoa học, Tạp chí khoa học
trong và ngoài nước, các đề tài khoa học các cấp, luận án tiến sĩ, luận văn
thạc sĩ,… của các tác giả trong và ngoài nước.
- Cùng một số thông tin, tài liệu trên Internet.



6

Khối lượng mặt trời xấp xỉ 21.027 tấn. Như vậy để mặt trời chuyển hóa
hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013
năm. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu
dài.[1]
1.1.2. Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa
thạch và năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển
đổi là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể
đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng
lượng mặt trời.
Việc sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời sẽ mang
lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So với
các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh
được các hậu quả có hại đến môi trường.
1.1.3. Bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các
phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban
đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất
mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác
nhau ở bước sóng.
Độ dài bước sóng ( m)

Hình 1.1- Dải bức xạ điện từ


7

4
β - góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’
+ C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
+ T ≈ 5762 0K - nhiệt độ bề mặt Mặt trời

(1.2)


8

Hình 1.2. Góc nhìn mặt trời

2.3,14.32
360.60
q=
4

2

5762
.5,76.
100

4

=1353 W/m2

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm
nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn
lắm nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.

do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí Cácbônic và các hợp chất khác,
mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng
giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những
ngày quang đãng (không có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào
khoảng 1.000W/m2. Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở
một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng


10

lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ
thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự
nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời
gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong
không gian. Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động
của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày
và đêm trong năm.

Hình 1.4. Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm
1.1.4. Phương pháp tính toán năng lượng bức xạ mặt trời
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc
nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài
đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ
cao của Mặt trời (Góc giữa phương từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt
phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức
xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất
mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và
phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có

còn được gọi là bức xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời
với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra).
+ Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất
là tổng xạ trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
+ Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến
một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ
cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx , cường độ bức xạ tán xạ Etx và
cường độ bức xạ quang phổ Eqp.
+ Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới
một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng
bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một


12

khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày).
+ Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời
trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua
thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong
mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức
xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể
được xác định theo các góc đặc trưng sau:
+ Góc vĩ độ φ: vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía
nam đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương: - 900 ≤ φ ≤
900

Hình 1.5. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời
trên mặt phẳng nghiêng
+ Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương

δ=23,45.sin 360.

284+n
365

(1.4)

Với: n là thứ tự ngày của 1 năm.
Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương
trình giữa góc tới θ và các góc khác như sau:

cosθ=sinδ.sinφ.sinβ-sinδ.cosφ.sinβ.cosγ+cosδ.cosφ.cosβ.cosω
+cosδ.sinφ.sinβ..cosγ.cosω+cosδ.sinβ.sinγ.sinω
Và:

cosθ=cosθZ.cosβ+sinθ Z.sinβ.cos(γ s -γ)

(1.5)


14

Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời
θZ, giá trị của nó phải nằm trong khoảng 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi
Mặt trời ở thiên đỉnh (β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ
Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài
khí quyển được xác định theo phương trình:


π
365
180

(1.8)

với ωs là góc giờ mặt trời lặn (00) (tức là góc giờ ω khi θZ = 900)

cosωs =-

sinf.sinδ
=-tgf.tgδ
cosf.cosδ

(1.9)

Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình tháng Eoth
bằng cách thay giá trị n và δ trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày
trung bình của tháng và độ lệch δ tương ứng.
Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định
có thể xác định: