Thiết kế và Lắp đặt Hệ thống Điện Mặt Trời
Xã hội hiện đại phụ thuộc vào năng lượng cho nhu cầu hàng ngày như công nghiệp, sưởi ấm, giao thông và nông nghiệp, chủ yếu được đáp ứng bởi các nguồn năng lượng không tái tạo (than, dầu, khí đốt). Tuy nhiên, những nguồn này gây hại môi trường, phân bố không đều và đối mặt với sự biến động giá do trữ lượng hạn chế - thúc đẩy nhu cầu về năng lượng tái tạo.
Năng lượng mặt trời, dồi dào và có khả năng đáp ứng nhu cầu toàn cầu, nổi bật. Các hệ thống điện mặt trời độc lập (Hình 1) cung cấp sự độc lập về năng lượng từ các tiện ích. Dưới đây là tổng quan về quy hoạch, thiết kế và lắp đặt của chúng để sản xuất điện.
Quy hoạch Hệ thống Điện Mặt Trời Độc Lập
Đánh giá và Khảo sát Địa điểm:
Giảm thiểu Bóng Rối: Đảm bảo địa điểm lắp đặt (trên mái nhà hoặc mặt đất) không bị che khuất bởi các cấu trúc, và không có công trình xây dựng trong tương lai sẽ chặn bức xạ mặt trời.
Diện tích bề mặt: Xác định diện tích địa điểm để ước tính số lượng/kích thước của các tấm pin mặt trời, và lên kế hoạch bố trí cho bộ chuyển đổi, bộ điều khiển và ngân hàng pin.
Cân nhắc về Mái Nhà: Đối với mái nhà nghiêng, lưu ý góc nghiêng và sử dụng giá đỡ phù hợp để tối đa hóa bức xạ mặt trời (tốt nhất là vuông góc với các tấm pin).
Lộ trình Cáp: Lên kế hoạch cho lộ trình cáp (kết nối bộ chuyển đổi, ngân hàng pin, bộ điều khiển sạc và mảng pin) để giảm thiểu việc sử dụng cáp và mất điện áp, cân bằng hiệu quả và chi phí.
Đánh giá Tài nguyên Năng lượng Mặt Trời:
Dữ liệu Chiếu sáng: Đo lường hoặc thu thập (từ trạm khí tượng) năng lượng mặt trời nhận được, sử dụng kilowatt-giờ trên mét vuông mỗi ngày (kWh/m²/ngày) hoặc Giờ Mặt Trời Cao Điểm hàng ngày (PSH, giờ có cường độ bức xạ trung bình 1000 W/m²).
Chỉ số Chính: Sử dụng PSH cho các phép tính đơn giản (phân biệt với "giờ nắng trung bình," chỉ phản ánh thời gian thay vì năng lượng). Áp dụng giá trị trung bình tháng thấp nhất của bức xạ để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống trong các giai đoạn ít nắng.
Cân nhắc cho Hệ thống Điện Mặt Trời Độc Lập
1. Tính toán Nhu cầu Năng lượng
Kích thước hệ thống phụ thuộc vào nhu cầu tải, được tính như sau:
Nhu cầu năng lượng hàng ngày (Wh) = Tổng (công suất thiết bị theo watt × giờ hoạt động hàng ngày).
Sử dụng nhu cầu hàng ngày cao nhất để cân bằng độ tin cậy và chi phí (đảm bảo hoạt động trong thời gian sử dụng cao điểm, mặc dù điều này làm tăng chi phí hệ thống).
2. Kích thước Bộ Chuyển Đổi và Bộ Điều Khiển Sạc
Bộ Chuyển Đổi: Được đánh giá cao hơn 25% so với tổng tải (để bù đắp cho tổn thất).
Ví dụ: Đối với tải 2400W, cần bộ chuyển đổi 3000W (2400W × 1.25).
Bộ Điều Khiển Sạc: Công suất định mức = 125% của dòng ngắn mạch của tấm pin mặt trời (hệ số an toàn).
Ví dụ: 4 tấm pin với dòng ngắn mạch 10A cần bộ điều khiển 50A (4×10A ×1.25).
Lưu ý: Bộ điều khiển MPPT tuân theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.
3. Năng lượng Hàng Ngày đến Bộ Chuyển Đổi
Cân nhắc hiệu suất của bộ chuyển đổi (ví dụ: 90%):
4. Điện Áp Hệ thống
Được xác định bởi điện áp của pin (thông thường 12V, 24V, v.v.), với điện áp cao hơn giảm tổn thất cáp. Ví dụ: hệ thống 24V.
5. Kích thước Pin
Các tham số chính: độ sâu xả (DOD), số ngày tự chủ, và điện áp hệ thống.
Dung lượng sử dụng được = Ah của pin × DOD.
Dung lượng sạc cần thiết = Năng lượng từ pin / điện áp hệ thống.
Ví dụ: 3000Wh từ pin trong hệ thống 24V → cần 125Ah.
Đối với pin 12V, 100Ah (70% DOD):
Vì vậy, tổng cộng sẽ có bốn pin 12 V, 100 Ah. Hai kết nối theo chuỗi và hai kết nối song song. Ngoài ra, dung lượng pin cần thiết có thể tìm thấy bằng công thức sau.
Kích thước Mảng Pin Mặt Trời
Tổng công suất mảng pin mặt trời (W): Tính toán sử dụng giờ đỉnh mặt trời thấp nhất hàng ngày (hoặc Hệ số Sinh Công, PFG) và nhu cầu năng lượng hàng ngày:
Tổng Wₚₑₐₖ = (Nhu cầu năng lượng hàng ngày (Wh) / PFG) × 1.25 (hệ số tỷ lệ cho tổn thất).
Số lượng mô-đun: Chia tổng Wₚₑₐₖ cho công suất định mức của một tấm pin (ví dụ: 160W).
Ví dụ: Đối với nhu cầu hàng ngày 3000Wh và PFG = 3.2, tổng Wₚₑₐₖ = 3000 / 3.2 ≈ 931W. Với các tấm pin 160W, cần 6 mô-đun (931 / 160 ≈ 5.8, làm tròn lên).
Các yếu tố tổn thất (để điều chỉnh PFG): Bao gồm góc chiếu sáng (5%), không phải điểm công suất tối đa (10%, không bao gồm cho MPPT), bụi bẩn (5%), lão hóa (10%), và nhiệt độ cao (>25°C, 15%).
Kích thước Cáp
Các cân nhắc chính: công suất dòng điện, mất điện áp tối thiểu (<2%), tổn thất điện trở, chống chịu thời tiết (chống nước/chống tia UV).
Công thức diện tích ngang:
A = (ρ × Iₘ × L / VD) × 2
(ρ = điện trở, Iₘ = dòng điện tối đa, L = chiều dài cáp, VD = mất điện áp cho phép).
Cân bằng: Tránh kích thước quá nhỏ (mất năng lượng/tai nạn) hoặc quá lớn (không hiệu quả về chi phí). Sử dụng các cầu chì và đầu nối phù hợp.
