Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2, Phần 5: 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 6 
Ch. 2: Năng lượng mặt trời 
2.9. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 
Cấu trúc hệ điện mặt trời hòa lưới 
Định mức DC và AC 
Tính toán theo số giờ nắng đỉnh 
Tính toán công suất 
Tính toán kinh tế 
2 
Bài giảng 6 
Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 
3 
Bài giảng 6 
Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 
4 
Bài giảng 6 
Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 
5 
Bài giảng 6 
Biểu đồ phụ tải (không có ắc-quy) 
6 
Bài giảng 6 
Định mức DC và AC 
Trước hết, có thể ước tính hiệu năng hệ thống ở công suất ngõ ra DC danh định của một module, tại điều kiện chuẩn. 
Sau đó, có thể ước tính công suất ngõ ra AC thực ở các điều kiện khác nhau. 
Ở điều kiện chuẩn, công suất ngõ ra AC có thể được tính: 
P ac = P dc,STC (Hiệu suất chuyển đổi) 
 trong đó, P dc,STC là tổng công suất DC của các tấm pin ở điều kiện chuẩn. 
Hiệu suất chuyển đổi được xét tổng hợp các yếu tố liên quan đến bộ nghịch lưu, bám bụi, sai lệch giữa các tấm pin, và điều kiện môi trường khác nhau. 
7 
Bài giảng 6 
Định mức DC và AC 
Xét ảnh hưởng của sự sai lệch đặc tính I-V giữa các tấm pin 
8 
Bài giảng 6 
Định mức DC và AC 
Một yếu tố quan trọng hơn là nhiệt độ. Các tấm pin nhiều khả năng sẽ hoạt động nóng hơn 25  C, dẫn đến giảm công suất. Do đó, người ta đã phát triển một tiêu chuẩn thử nghiệm tấm pin khác (PTC), để phản ánh điều kiện thực tế. 
Các bộ nghịch lưu đã được đề cập, có hiệu suất khoảng 90% trong hầu hết phạm vi hoạt động (trừ các tải rất nhỏ). 
9 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.3 
Xét một dàn PV định mức 1 kW ở điều kiện chuẩn. Nhiệt độ làm việc danh định của các tấm pin là 47  C. Công suất DC tại MPP giảm 0,5%/  C cao hơn nhiệt độ chuẩn 25  C. Ước tính công suất AC ngõ ra ở điều kiện PTC, nếu có tổn hao 3% do sai lệch module, 4% tổn hao do bụi bẩn, và hiệu suất bộ nghịch lưu là 90%. 
Giải : 
Quy đổi nhiệt độ tấm pin 
10 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.3 
Công suất DC của dàn pin bị suy giảm còn 
Kết hợp tổn hao do sai lệch các tấm pin, bụi bẩn, và bộ nghịch lưu, công suất danh định AC của hệ tại điều kiện PTC là 
Hệ thống được định mức 1 kW theo điều kiện chuẩn chỉ cung cấp khoảng 72% giá trị định mức, trong thực tế. 
11 
Bài giảng 6 
Tính toán theo số giờ nắng đỉnh 
Yếu tố then chốt thứ hai là lượng ánh sáng có được. 
Khi đơn vị tính bức xạ trung bình là kWh/m 2 -ngày, có một cách diễn dịch giá trị này rất thuận tiện. Vì bức xạ chuẩn được định nghĩa là 1 kW/m 2 , có thể coi bức xạ 5,6 kWh/m 2 -ngày là 5,6 giờ/ngày ở bức xạ chuẩn, hay 5,6 giờ “nắng đỉnh”. 
Vậy, nếu biết công suất AC được cung cấp bởi một dàn PV dưới điều kiện chuẩn (P ac ), chúng ta chỉ cần nhân với số giờ nắng đỉnh để có được số kWh nhận được mỗi ngày. 
12 
Bài giảng 6 
Tính toán theo số giờ nắng đỉnh 
Năng lượng cung cấp trong ngày 
Năng lượng (kWh/ngày) = Bức xạ (kWh/m 2 -ngày) A (m 2 ) h avg 
 với A là diện tích dàn PV và h avg là hiệu suất trung bình 
Công suất AC ứng với điều kiện chuẩn (1-sun) 
P ac (kW) = (1 kW/m 2 )  A (m 2 )  h 1-sun 
 với h 1-sun là hiệu suất hệ thống ở điều kiện chuẩn 
Kết hợp hai công thức trên, giả thiết hiệu suất trung bình trong ngày bằng với hiệu suất ở điều kiện chuẩn, suy ra 
Năng lượng (kWh/ngày) = P ac (kW) (số giờ nắng đỉnh/ngày) 
13 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.4 
Ước tính năng lượng hàng năm cung cấp bởi dàn PV 1 kW (dc, STC) được mô tả trong ví dụ 9.3, nếu nó nằm ở Madison, WI, hướng về phía nam, và có góc nghiêng bằng với vĩ độ trừ 15  . Dùng định mức AC PTC. 
Giải 
Phụ lục E cho thấy bức xạ hàng năm ở Madison tại góc nghiêng L – 15 là 4,5 kWh/m 2 -ngày. Dùng công suất ngõ ra AC bằng 0,717 kW tính được trong ví dụ 9.3, ta có 
 Năng lượng = 0,717 (kW) 4,5 (h/ngày) 365 (ngày/năm) 
 = 1178 kWh/năm 
14 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.5 
Tính lại ví dụ 9.4 cho từng tháng trong năm tại Madison, WI, thay vì dùng giá trị nhiệt độ trung bình là 20  C. Nhiệt độ hoạt động danh định của các tế bào trong hệ thống này là 47  C. 
Giải : 
Xét tháng Giêng, nhiệt độ cực đại trung bình mỗi ngày là–4,0  C, cho Madison, WI. Nhiệt độ của tế bào khi đó là 
Định mức công suất DC của dàn PV là 
P dc = 1 kW[1 – 0,005(29,8 – 25)] = 0,976 kW 
15 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.5 
Kết hợp các yếu tố sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và hiệu suất bộ nghịch lưu, định mức công suất AC là 
P ac = 0,976 kW 0,97 0,96 0,9 = 0,818 kW 
Phụ lục E cho thấy trong tháng Giêng ở góc nghiêng L – 15, tại Madison sẽ có bức xạ 3,0 kWh/m 2 -ngày hay 3,0 giờ nắng đỉnh. Do đó, dàn PV 1 kW này sẽ cung cấp 
Năng lượng = 0,818 kW 3,0 h/ngày 31 ngày/tháng 
 = 76 kWh/tháng 
Tính cho mỗi tháng và tổng hợp lại (slide tiếp theo) cho thấy sai số so với ví dụ 9.4 là không đáng kể. 
16 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.5 
17 
Bài giảng 6 
Tính toán theo số giờ nắng đỉnh 
18 
Bài giảng 6 
Tính toán theo số giờ nắng đỉnh 
19 
Bài giảng 6 
Hệ số sử dụng cho hệ PV hòa lưới 
Có thể biểu diễn năng lượng do một hệ phát điện cung cấp thông qua công suất AC danh định và hệ số sử dụng (CF): 
Năng lượng (kWh/năm) = P ac (kW)  CF  8760 (h/năm) 
Các hệ số sử dụng theo tháng hay theo ngày có thể được định nghĩa tương tự. 
So sánh công thức trên với công thức tính năng lượng ở slide 13, có thể rút ra hệ số sử dụng cho hệ PV hòa lưới: 
20 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.6 
Một ngôi nhà ở Fresno sẽ được lắp một dàn PV trên mái để phục vụ toàn bộ nhu cầu 3600 kWh/năm. Cần bao nhiêu kW (dc, STC) tấm pin và diện tích là bao nhiêu? 
Giải : 
Đặt dàn PV thẳng lên mái nhà là thuận mắt nhất. Nếu chọn góc nghiêng là L – 15 thì tại Fresno sẽ cần góc nghiêng 22  , khá phù hợp với mái nhà. 
Phụ lục E cho thấy bức xạ trung bình là 5,7 kWh/m 2 -ngày tại Fresno. Dùng số giờ nắng đỉnh, ta có thể tính 
P ac = 3600 kWh/(5,7 h/ngày 365 ngày) = 1,73 kW 
21 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.6 
Từ các ví dụ trước, có thể thấy kết hợp các yếu tố nhiệt độ, sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và bộ nghịch lưu, độ suy giảm định mức là khoảng 25%. 
Vậy, định mức công suất DC cho dàn PV (STC) là 
P dc = P ac /(Hiệu suất chuyển đổi) = 1,73/0,75 = 2,3 kW 
Nếu biết hiệu suất của bộ thu, chúng ta có thể tính diện tích mái cần dùng. Giả sử dùng các module crystalline với hiệu suất 12,5 %, diện tích cần thiết là 
A = 2,3 kW/(1 kW/m 2 0,125) = 18,4 m 2 
22 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.7 
23 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.7 
24 
Bài giảng 6 
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới 
Các module PV cho hòa lưới không bị ràng buộc điện áp, và có xu hướng tạo ra điện áp cao. 
Các bộ nghịch lưu cho các hệ PV hòa lưới cũng khác với các bộ nghịch lưu trong các hệ PV độc lập. 
Để khảo sát tương tác giữa các module, bộ nghịch lưu, và dàn PV, chúng ta sẽ tiếp tục xem xét hệ thống trong ví dụ 9.6, sử dụng các module PV và bộ nghịch lưu được giới thiệu sau đây. 
25 
Bài giảng 6 
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới 
26 
Bài giảng 6 
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới 
27 
Bài giảng 6 
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới 
Xét ví dụ 9.6, giả sử chúng ta dùng module Kyocera KC158G và bộ nghịch lưu Xantrex STXR2500. Chúng ta sẽ xác định số module cần thiết trước: 
Số module = 2300 W / 158 W = 14,6 tấm 
Nếu mắc nối tiếp hai tấm thành một nhánh, điện áp danh định sẽ là 2 23,2 = 46,4 V, quá sát phạm vi điện áp ngõ vào của bộ nghịch lưu (44 – 85 V). 
Hơn nữa, khi nhiệt độ tăng, điện áp có thể thấp hơn 44 V. Do đó, chúng ta chọn mắc nối tiếp ba tấm thành một nhánh. Như vậy 5 nhánh sẽ dùng 15 tấm. 
28 
Bài giảng 6 
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới 
Tiếp theo cần ước tính điện áp hở mạch tối đa để đảm bảo nó không vượt quá khả năng chịu đựng của bộ nghịch lưu (120 V). Ba tấm mắc nối tiếp khi hở mạch sẽ có điện áp 3 28,9 V = 86,7 V, thấp hơn nhiều so với 120 V. 
Tuy nhiên, cần kiểm tra xem khi nhiệt độ xuống thấp thì điện áp này có trở nên nguy hiểm không. Giả sử nhiệt độ thấp nhất vào buổi sáng ở Fresno là – 5 C. Với độ tăng điện áp hở mạch 0,38%/C, điện áp hở mạch tối đa là 
V OC,max = 86,7 V[1 + 0,0038(25 + 5)] = 97 V 
29 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.8 
Kiểm tra thiết kế vừa rồi: 15 tấm pin được gắn cố định. 
Giải : 
Diện tích của dàn PV là 
A = 15 1,29 m 0,99 m = 19,1 m 2 
Định mức công suất DC STC sẽ là 
P dc,STC = 158 W 15 = 2370 W 
Giả sử suy giảm định mức 25%, và bức xạ trung bình là 5,7 kWh/m 2 -ngày, năng lượng do hệ cung cấp mỗi năm sẽ là 
Năng lượng = 2,37 kW 0,75 5,7 h 365 = 3698 kWh 
30 
Bài giảng 6 
Tính toán thiết bị bảo vệ 
Bên cạnh yêu cầu điện áp chịu đựng 600 V, còn có các ràng buộc khác về dây dẫn, cầu chì và thiết bị đóng ngắt . 
Thiết bị phải có thể chịu đựng điện áp bằng 1,25 lần điện áp DC dự kiến. Dòng điện chịu đựng cũng phải bằng 1,25 lần dòng điện của dàn PV, vì 2 lý do: i) Bức xạ có thể cao hơn 1 kW/m 2 và ii) Dòng ngắn mạch gia tăng ở nhiệt độ cao. 
Ngoài ra, dòng điện liên tục ở bất kỳ phần mạch nào phải được nhân với 1,25 để đảm bảo các thiết bị không vận hành quá 80% định mức. Sau cùng, dòng điện của dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ môi trường. 
31 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.9 
Với dàn PV gồm 5 nhánh song song, mỗi nhánh dùng 3 tấm Kyocera KC158G mắc nối tiếp, định mức dòng cho cầu chì, dao cách ly, CB nối lưới là bao nhiêu? Điện áp tối đa là bao nhiêu nếu nhiệt độ tối thiểu trong ngày có thể bằng –5  C. 
Giải : 
Dòng ngắn mạch của mỗi nhánh là 7,58 A, cầu chì nhánh đến hộp nối tổng phải cho phép tối thiểu 
Cầu chì > 7,58 1,25 1,25 = 11,8 A 
Cầu chì tổng phải dẫn dòng của 5 nhánh 
Cầu chì tổng > 11,8 A 5 = 59,2 A 
32 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.9 
Áp dụng quy tắc hệ số 1,25 cho bộ nghịch lưu 2500 W, 240 V 
Cầu chì bộ nghịch lưu > 1,25 2500/240 = 13 A 
33 
Bài giảng 6 
Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới 
Với các mái nhà không nghiêng bằng góc vĩ độ, và không nhìn về hướng chính nam. 
34 
Bài giảng 6 
Tính toán kinh tế cho hệ PV hòa lưới 
Bước tiếp theo là xác định tính khả thi của hệ thống. 
Cần thực hiện hai loại phân tích kinh tế: một để xác định phương án kỹ thuật nào là hiệu quả kinh tế hơn, một để xác định dự án có đáng để đầu tư hay không. 
Ví dụ dưới đây minh họa một quá trình có thể được dùng, nhưng các quyết định thực tế sẽ phụ thuộc vào ước tính chi phí hiện hành và chính xác cho thiết bị và quá trình lắp đặt. 
35 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.10 
Một dàn PV được lắp tại Boulder, CO để cung cấp 4000 kWh/năm. Cho biết các chi phí, xác định xem nên dùng hệ cố định ở L – 15 hay hệ bám theo một trục. Giả sử PV có hiệu suất 12% và hệ số chuyển đổi dc-ac là 0,75. 
36 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.10 
Giải : 
Xét hệ bám theo 1 trục, từ phụ lục E, bức xạ trung bình là 7,2 kWh/m 2 -ngày. Dùng số giờ nắng đỉnh kết hợp hệ số suy giảm định mức, suy ra định mức DC STC: 
P dc,STC = 4000/(0,75 7,2 365) = 2,03 kW 
Ứng với chi phí 4,2 USD 2030 = 8542 USD . 
Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD 2030 = 2435 USD . 
Diện tích ứng với hiệu suất 12%: 
A = 2,03 kW/(1 kW/m 2 0,12) = 16,92 m 2 
37 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.10 
Chi phí cho bộ bám theo 1 trục sẽ là 
400 + 100 USD/m 2 16,92 m 2 = 2092 USD 
Với hệ cố định ở L – 15, bức xạ là 5,4 kWh/m 2 -ngày 
Pdc,STC = 4000/(0,75 5,4 365) = 2,706 kW 
Ứng với chi phí 4,2 USD 2706 = 11365 USD . 
Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD 2706 = 3247 USD . 
38 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.10 
Bảng tổng hợp chi phí như dưới đây 
Tuy nhiên, cần có một phân tích cẩn thận hơn với các thành phần chi phí. 
39 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.10 
Tracker ($/W) = ($/W)/(EPF) 
40 
Bài giảng 6 
Tính toán giá thành 
Giả sử P là số tiền vay trong thời gian n (năm) với lãi suất i mỗi năm, số tiền cần thanh toán mỗi năm sẽ là 
A = P CRF(i, n) 
 với CRF(i, n) là hệ số thu hồi vốn, cho bởi 
41 
Bài giảng 6 
Ví dụ 9.11 
Hệ thống bám theo 1 trục trong ví dụ 9.10 có chi phí 16850 USD để cung cấp 4000 kWh/năm. Nếu sử dụng vốn vay với lãi suất 6%, trong thời hạn 30 năm, giá thành là bao nhiêu? 
Giải : 
Hệ số thu hồi vốn theo công thức sẽ là CRF(i, n) = 0,07265 
Vậy tiền thanh toán hàng năm sẽ là 
A = 16850 0,07265 = 1244 USD/năm 
Giá thành sản xuất điện do đó bằng 
1224 USD/4000 kWh = 0,306 USD/kWh 
42 
Bài giảng 6 
Tính toán giá thành 
Ví dụ 9.11 bỏ qua tiền hoàn thuế thu nhập. Do đó, nếu xét yếu tố hoàn thuế thu nhập, mức hoàn thuế năm đầu sẽ là 
Hoàn thuế năm đầu = i P MTB 
 với MTB là marginal tax bracket. 
Sinh viên theo dõi ví dụ 9.12 trong tài liệu. 
Với các quốc gia có chính sách khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo, các chủ sở hữu được trợ giá mạnh để yên tâm đầu tư cho các hệ thống năng lượng tái tạo. Sinh viên theo dõi ví dụ 9.13 trong tài liệu để có thêm thông tin. 
43 
Bài giảng 6