Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2, Phần 4: Năng lượng mặt trời - Nguyễn Quang Nam

408004 
Năng lượng tái tạo 
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 
2013 – 2014, HK1 
nqnam@hcmut.edu.vn 
1 
Bài giảng 5 
Ch. 2: Năng lượng mặt trời 
2.8. Hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập 
Ước lượng tải 
Bộ nghịch lưu và hệ điện áp 
Ắc-quy và tính toán dung lượng ắc-quy 
Tính toán lắp ghép dàn pin mặt trời 
Hệ điện mặt trời lai 
2 
Bài giảng 5 
Hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập 
3 
Bài giảng 5 
Ước lượng tải tiêu thụ 
Công việc đầu tiên của quá trình thiết kế một hệ thống điện mặt trời. 
Sẽ có một vài bước tính lặp. 
Cần cân nhắc phụ tải nào là thiết yếu, phụ tải là xa xỉ. 
Sẽ đạt đến điểm thỏa hiệp, coi như tối ưu về cả chi phí và nhu cầu của người sử dụng. 
Cần thông tin về cả công suất lẫn năng lượng, cùng với biểu đồ sử dụng của tất cả phụ tải sẽ được cung cấp điện. 
4 
Bài giảng 5 
Ước lượng tải tiêu thụ 
5 
Bài giảng 5 
Ước lượng tải tiêu thụ 
6 
Bài giảng 5 
Ước lượng tải tiêu thụ 
7 
Bài giảng 5 
Ước lượng tải tiêu thụ 
8 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.14 
Ước tính nhu cầu năng lượng hàng tháng của một cabin có toàn tải AC, bao gồm 1 tủ lạnh 19 cu. ft, 6 bóng compact 30 W dùng 5 h/ngày, một TV 19 inch bật 3 h/ngày và nối vào một đầu thu vệ tinh, một điện thoại không dây, một lò vi ba 1000 W dùng.6 phút/ngày, một máy giặt 250 W dùng 12 phút/ngày, và một bơm chìm 100 ft cung cấp 120 gallon/ngày 
9 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.14 
10 
Bài giảng 5 
Bộ nghịch lưu và điện áp hệ thống 
Để ước tính công suất mà ắc-quy phải cung cấp, cần phải xem xét hiệu suất của bộ nghịch lưu. 
11 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.15 
Giả sử một tủ lạnh DC tiêu thụ 800 Wh/ngày được xem xét để thay thế tủ lạnh AC đang tiêu thụ 1140 Wh/ngày. Ước tính tải DC mà ắc-quy phải cung cấp nếu giả sử bộ nghịch lưu có hiệu suất 85% được dùng khi (a) tất cả các tải dùng nguồn AC và (b) tất cả dùng nguồn AC trừ tủ lạnh dùng nguồn DC. 
Giải 
Tất cả 3109 Wh được lấy sau bộ nghịch lưu hiệu suất 85%, tải DC mà ắc-quy phải cung cấp là 
12 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.15 
Nếu loại bỏ tủ lạnh, tải AC còn lại 
Tải DC tương ứng là 
Cộng thêm với tủ lạnh DC 800 Wh/ngày 
Cắt giảm được 15% nhu cầu năng lượng. 
13 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.15 
14 
Bài giảng 5 
Điện áp hệ thống 
Công suất của bộ nghịch lưu có thể được xác định từ tổng nhu cầu công suất của các tải sẽ đồng thời làm việc. 
Công suất này sẽ giúp lựa chọn điện áp DC cho hệ thống nếu giả sử dòng điện cực đại mong đợi là 100 A. 
15 
Bài giảng 5 
Nhu cầu công suất liên tục cực đại 
Giả sử các phụ tải được sử dụng đồng thời, bộ nghịch lưu phải có khả năng cung cấp nhu cầu công suất ở điều kiện này. Bảng dưới đây tính toán cho ví dụ 9.14. 
16 
Bài giảng 5 
Nhu cầu công suất đỉnh cực đại 
Ngoài ra, bộ nghịch lưu cũng cần có đủ khả năng cung cấp công suất đỉnh cực đại mà phụ tải yêu cầu (các tải động cơ sẽ làm tăng giá trị này). 
17 
Bài giảng 5 
Ắc-quy 
Các hệ thống điện mặt trời độc lập hiển nhiên cần một thiết bị lưu trữ năng lượng. 
Tồn tại nhiều công nghệ: bánh đà, khí nén, hydro,  
Ắc-quy chì axit vẫn là công nghệ hợp lý nhất ở thời điểm hiện tại, so với các công nghệ khác (kể cả ắc-quy khác như NiCd, NiMH, Li-ion, Li-Po, kền-kẽm, ) 
Ắc-quy chì axit được phân thành 3 loại: ắc-quy thường (khởi động, thắp sáng, và đánh lửa), xả sâu giá hạ, và xả sâu tuổi thọ cao. 
18 
Bài giảng 5 
Ắc-quy 
So sánh tạm giữa các công nghệ ắc-quy. 
19 
Bài giảng 5 
Độ sâu phóng điện và tuổi thọ 
Độ sâu phóng điện và tuổi thọ tỷ lệ nghịch. 
20 
Bài giảng 5 
Phản ứng hóa học 
Khi phóng điện, các phản ứng sau diễn ra: 
Khi nạp điện, các phản ứng sau diễn ra: 
Chú ý: quy ước đặt tên anode và cathode dựa theo chế độ phóng điện (electron chạy từ anode vào mạch điện). 
Cực dương 
Cực âm 
Cực dương 
Cực âm 
21 
Bài giảng 5 
Nhiệt độ thấp 
Nhiệt độ quá thấp làm giảm khả năng phóng điện của ắc-quy 
22 
Bài giảng 5 
Ắc-quy chì axit 
Khi xả sâu, dung dịch hầu như là nước, dễ bị đông hơn. 
Đồng thời, lớp PbSO 4 làm giảm diện tích điện cực, tăng điện trở nội của ắc-quy. 
Khối lượng riêng của ắc-quy giảm. 
23 
Bài giảng 5 
Ắc-quy chì axit 
Điện áp và tỷ trọng theo điện lượng. 
24 
Bài giảng 5 
Dung lượng ắc-quy 
Dung lượng của ắc-quy tăng khi dòng phóng giảm. 
Nhiệt độ thấp làm giảm dung lượng ắc-quy. 
Dung lượng được định mức theo dòng phóng C/20 ở 25  C. 
25 
Bài giảng 5 
Dung lượng ắc-quy 
26 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.16 
Giả sử ắc-quy tại một trạm viễn thông ở xa có thể làm việc ở nhiệt độ 20  C. Nếu cần cung cấp 500 Ah/ngày cho phụ tải trong 2 ngày, cần có dung lượng ắc-quy là bao nhiêu? 
Giải: 
Theo hình 9.39, để tránh dung dịch bị đông, chỉ phóng hết 60% dung lượng. Dung lượng cần thiết cho 2 ngày là 
(500 Ah/0,6) 2 = 1667 Ah 
Ngoài ra, ắc-quy phóng ở C/48, tại 20  C chỉ có thể phóng hết 80% dung lượng, dung lượng danh định cần có là 
1667 Ah/0,8 = 2083 Ah 
27 
Bài giảng 5 
Ghép ắc-quy 
Mắc song song để tăng dung lượng. 
Mắc nối tiếp để tăng điện áp. 
Đảm bảo điều kiện ghép nối tiếp và song song. 
28 
Bài giảng 5 
Hiệu suất của ắc-quy 
Giả sử ắc-quy được nạp bằng dòng I C ở áp V C trong thời gian T C , sau đó phóng hết điện tại dòng I D ở áp V D trong thời gian T D . Hiệu suất năng lượng của ắc-quy là: 
Như vậy: Hiệu suất năng lượng = hiệu suất điện áp hiệu suất Coulomb 
29 
Bài giảng 5 
Hiệu suất của ắc-quy 
Một ắc-quy 12 V có thể được xem có điện áp nạp trung bình là 14 V, và điện áp phóng trung bình là 12 V. Do đó, hiệu suất điện áp sẽ bằng 12/14 = 0,86 = 86%. 
Hiệu suất Coulomb của ắc-quy thường từ 90 đến 95%. Điều này được giải thích như sau: khi ắc-quy nạp sắp đầy, điện áp của nó đủ cao để tạo ra hiện tượng điện phân nước, làm sinh ra khí H 2 và O 2 thoát ra ngoài, mang theo một phần điện tích đã được dùng để nạp điện cho ắc-quy. 
Do đó, giả sử hiệu suất Coulomb là 90%, hiệu suất năng lượng sẽ bằng 0,86 0,9 = 0,77 = 77%. 
30 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.17 
Một ắc-quy 100 Ah, 12 V có điện áp nghỉ 12,5 V được nạp ở C/5 bằng điện áp 13,2 V. Dùng mạch Thevenin đơn giản: 
a) Ước tính điện trở nội R i của ắc-quy. 
b) Tỷ lệ tổn hao công suất do R i là bao nhiêu? 
c) Nếu nạp ở C/20, tỷ lệ tổn hao công suất là bao nhiêu? 
Giải: 
Ở C/5, dòng nạp là 100/5 = 20 A. Nội trở có giá trị 
31 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.17 
Tỷ lệ tổn hao công suất: 
Ở C/20, dòng điện nạp là 100/20 = 5 A. Điện áp nguồn khi đó sẽ bằng V = 12,5 + 0,035 5 = 12,68 V. 
Tỷ lệ tổn hao công suất khi đó bằng: 
32 
Bài giảng 5 
Hiệu suất Coulomb của ắc-quy 
Thực tế thì điện áp và nội trở của ắc-quy đều phụ thuộc vào điện lượng hiện có trong ắc-quy. 
Khi ắc-quy nạp gần đầy, điện áp tăng vọt làm phát sinh nhiều khí, do nước bị điện phân. Đồng thời có thể xuất hiện sản phẩm phụ do tác dụng của hydro với kim loại làm điện cực. Do đó cần thông gió tốt cho các buồng trữ ắc-quy. 
Để hạn chế việc bổ sung nước cho ắc-quy (vì bị mất ôxy), các ắc-quy dạng VRLA có van an toàn cho phép xả khí khi áp suất quá cao, nhưng chặn ôxy để tái hợp với chì. Ắc-quy VRLA có thể hạn chế đến 95% lượng khí thoát ra. 
33 
Bài giảng 5 
Tính toán dung lượng ắc-quy 
Khi ánh sáng tốt, có thể chỉ cần tính dung lượng để phục vụ tải trong đêm. Khi ánh sáng kém, bộ ắc-quy có thể phải phục vụ tải trong nhiều ngày. 
Sự thỏa hiệp giữa việc chọn dung lượng lớn và dung lượng nhỏ phụ thuộc chủ yếu vào chi phí, bên cạnh các yếu tố về tính linh động của phụ tải, và các nguồn dự phòng khác. 
Do bản chất thay đổi của tự nhiên, những tính toán cần dựa vào các mô hình thống kê để chọn dung lượng ắc-quy phù hợp cho hầu hết các trường hợp. 
34 
Bài giảng 5 
Tính toán dung lượng ắc-quy 
35 
Bài giảng 5 
Tính toán dung lượng ắc-quy 
Gọi PSH là số giờ nắng đỉnh (Peak sun hour) và SD là số ngày lưu trữ, các đường cong trên hình 9.46 có thể được xấp xỉ bởi các phương trình 
Số ngày lưu trữ thể hiện dung lượng ắc-quy khả dụng sau khi đã xét các yếu tố ảnh hưởng như độ sâu phóng điện cho phép, hiệu suất Coulomb, nhiệt độ và mức phóng điện. 
36 
Bài giảng 5 
Tính toán dung lượng ắc-quy 
Quan hệ giữa số ngày lưu trữ và dung lượng danh định của ắc-quy (tại C/20, 25  C) như sau 
 trong đó, MDOD là mức phóng điện tối đa, T là nhiệt độ, và DR là mức phóng điện (hệ số (T, DR) tra theo đồ thị trên slide 26) của ắc-quy. 
Xét một ví dụ cụ thể dưới đây. 
37 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.18 
Một cabin có nhu cầu điện AC là 3000 Wh/ngày trong mùa đông. Tính khả dụng 95% được chọn, với 5% còn lại được hỗ trợ bởi một máy phát dự phòng. Các ắc-quy được lưu trữ ở nơi mà nhiệt độ có thể đến –10  C. Điện áp hệ thống là 24 V, và một bộ nghịch lưu có hiệu suất 85% sẽ được dùng. 
Giải: 
Tải DC của hệ thống là: 
38 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.18 
Ở điện áp hệ thống 24 V, tải tương ứng là 
(3529 Wh/ngày)/24 V = 147 Ah/ngày 
Để phục vụ mùa đông tốt hơn, chúng ta chọn góc nghiêng của các tấm pin là L+15  (L là vĩ độ). 
Ví dụ cho Salt Lake City, số giờ nắng đỉnh dùng để thiết kế là 3,1 giờ (cho góc nghiêng của tấm pin là L+15  ). 
39 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.18 
Từ đồ thị ở slide 35 cho tính khả dụng 95% (hoặc dùng phương trình), ta thu được số ngày lưu trữ là khoảng 4,6. 
Như vậy, dung lượng lưu trữ khả dụng cần có là 
(147 Ah/ngày) 4,6 ngày = 676 Ah 
Ta sẽ dùng ắc-quy chì axit cho phép phóng sâu đến 80%, nhưng cần xác định hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ và mức phóng điện, theo đồ thị ở slide 26. 
Thời gian phóng điện là 4,6 ngày, do đó mức phóng điện quy đổi là C/92, chúng ta sẽ dùng đường cong cho C/72. Ở nhiệt độ –10  C, chúng ta có hệ số (T, DR) = 0,97. 
40 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.18 
Vậy, dung lượng danh định ở C/20, 25  C là 
676 Ah/(0,8 0,97 ) = 871 Ah 
Bộ ắc-quy cần cung cấp 871 Ah tại 24 V, và không có ắc-quy đơn lẻ nào được chế tạo cho mức dung lượng này. 
Dựa vào bảng 9.15 (slide 25), chúng ta thấy có thể ghép 4 dãy ắc-quy Trojan T-105 225 Ah, 6 V để cung cấp 900 Ah. Vì điện áp của ắc-quy chỉ có 6 V, nên sẽ có 4 ắc-quy được ghép nối tiếp trong mỗi dãy, để tạo ra điện áp hệ thống 24 V. 
41 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.18 
42 
Bài giảng 5 
Diode chặn phóng ngược 
PV thực tế có một nhánh dẫn điện song song đặc trưng cho sự rò điện khi không đủ ánh sáng chiếu vào (R sh ). Do đó, khi không đủ ánh sáng, PV có thể tiêu thụ điện từ ắc-quy. 
Người ta có thể hạn chế điều này bằng một diode chặn, mắc giữa PV và bộ ắc-quy, để tránh cho dòng điện phóng ngược từ ắc-quy sang PV khi không đủ ánh sáng. 
43 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.19 
Một tấm pin mặt trời có 36 tế bào mắc nối tiếp, mỗi tế bào có dòng điện bão hòa I 0 bằng 10 -10 A và điện trở song song 8 W . PV cung cấp dòng quy đổi 5 A trong 6 giờ mỗi ngày. Tấm pin được nối với ắc-quy có điện áp 12,5 V mà không có diode chống phóng ngược. 
Có bao nhiêu Ah sẽ bị phóng ngược từ ắc-quy trong 15 h? 
Bao nhiêu năng lượng sẽ bị hao hụt vì điều này? 
Nếu thêm một diode chống phóng ngược, có bao nhiêu năng lượng sẽ bị tiêu tán trên diode này khi có đủ ánh sáng? Giả sử điện áp rơi khi diode dẫn điện là 0,6 V. 
44 
Bài giảng 5 
Tính toán dàn pin mặt trời 
45 
Bài giảng 5 
Tính toán dàn pin mặt trời 
Khi nạp điện cho ắc-quy, PV hầu như luôn làm việc ở phía trên cánh chỏ của đường cong I-V. Tính toán theo quan điểm thận trọng (tính thừa) 
Ah = (Dòng định mức) (Số giờ nắng đỉnh) (Hiệu suất Coulomb) (Hệ số suy giảm định mức) 
Hệ số suy giảm định mức thường được chọn là 0,9, để xét đến ảnh hưởng của bụi bám và lão hóa dần. 
Với điện áp hệ thống là 24 V, có thể mắc nối tiếp hai tấm pin thiết kế cho hệ thống 12 V, hoặc dùng một tấm pin cho hệ thống 24 V. Ghép song song các tấm pin để tăng dòng. 
46 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.20 
Cabin trong ví dụ 9.18 cần 147 Ah/ngày. Giả sử hiệu suất Coulomb là 0,9, và hệ số suy giảm định mức là 0,9. Dòng điện định mức cần cung cấp từ PV là 
Dòng định mức = (Ah cần thiết)/[(Số giờ nắng đỉnh) (Hiệu suất Coulomb) (Hệ số suy giảm định mức)] 
Tức là, I R = 147/(3,1 0,9 0,9) = 58,54 A. 
Nếu chọn tấm pin mã hiệu P630-210 của Redsun, với công suất đỉnh 210 Wp, và dòng điện I mp = 7,25, sẽ cần 58,54/7,25 = 8,07 tấm. Vậy, chọn dùng 8 tấm pin (vì đang tính thừa). 
47 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.20 
Sơ đồ khối của hệ thống tương tự như dưới đây. 
48 
Bài giảng 5 
Ví dụ 9.20 
Hệ thống chỉ thiếu hụt chút ít vào tháng 12. 
49 
Bài giảng 5 
Hệ pin mặt trời lai 
Hệ thống được thiết kế theo tháng xấu nhất trong năm thường có sản lượng cao hơn rất nhiều vào những tháng khác, đặc biệt ở khu vực không phải nhiệt đới. 
Một hệ thống lai, trong đó hầu hết phụ tải được cung cấp từ điện mặt trời, và một phần nhỏ được cung cấp từ máy phát, có thể là một giải pháp hiệu quả. 
Có thể phân tích nhu cầu năng lượng từng tháng và thay đổi định mức của PV để quyết định tỷ lệ đầu tư cho PV và máy phát dự phòng. Slide tiếp theo giới thiệu đồ thị điển hình. 
50 
Bài giảng 5 
Hệ pin mặt trời lai 
% tháng xấu nhất = 0,625 (% cả năm) (cả năm 0,8) 
% tháng xấu nhất = 0,5 + 28 (% cả năm – 0,8) 2,5 (cả năm > 0,8) 
51 
Bài giảng 5 
Hệ pin mặt trời lai 
Bộ ắc-quy có thể được giảm dung lượng 
Dòng điện phóng/nạp của ắc-quy không quá C/5 
Dung lượng cho 3 ngày có thể hạn chế số lần khởi động máy phát 
52 
Bài giảng 5