Phương pháp thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời

1. Tính tổng lượng điện tiêu thụ của tất cả các thiết bị mà hệ thống hệ thống điện mặt trời phải cung cấp.

Tính điện năng (Wh) sử dụng trong ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng điên năng (Wh) toàn tải sử dụng trong ngày.  Bạn có thể tham khảo bảng tham khảo công suất của một sô thiết bị thông dụng trong gia đình ở bảng sau.

Bảng 1: Tham khảo công suất 1 số thiết bị thông dụng trong gia đình và văn phòng

Số TT

Lọai thiết bị

Công suất thông thường

1

Màn hình LCD 15”

35 W

2

Màn hình LCD 17”

40 W

3

Màn hình CRT 15”

110 W

4

Màn hình CRT 17”

130 W

5

Màn hình CRT 19”

170W

6

Bộ CPU máy tính để bàn

180 W

7

Ti vi LCD 32”

80 W

8

Tivi thường (đèn hình) 19”

200 W

9

Máy in Laser

250 W

10

Máy tính xách tay

110 W

11

Quạt treo tường

55-65 W

12

Đèn túyp 60cm - 120cm

20-40 W

13

Đèn compact

15 W

14

Máy điều hòa 2 HP

1500 W

15

Máy điều hòa 1,5 HP

1100 W

16

Máy điều hòa 1,0 HP

750 W

17

Tủ Lạnh

100 W - 500 W

18

Thiết bị mạng modem

10 W

19

Nồi cơm điện

500 W - 700 W

2. Tính điện năng các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải trong ngày.

Do tổn hao trong hệ thống, điện năng của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng điện năng của toàn tải.

Điện năng các tấm pin mặt trời Wh = 1.5 x tổng điện năng toàn tải sử dụng

3. Tính toán công suất đỉnh của hệ pin mặt trời cần sử dụng

Công suất đỉnh (Watt peak - Wp) của tấm pin mặt trời là công suất lớn nhất có thể đạt được trong điều kiện tiêu chuẩn là nhiệt độ 250C, cường độ bức xạ năng lượng mặt trời 1000 W/m2. Công suất đỉnh mà pin mặt trời tạo ra tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế chính xác, người ta phải khảo sát từng vùng và dựa vào cường độ bức xạ mặt trời trung bình tại vùng đó và hiệu suất thu năng lượng của tấm pin mặt trời cần dùng.

Diện tích của hệ pin mặt trời cần sử dụng (m2) = Điện năng các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải trong ngày(Kwh/ngày) / (Cường độ bức xạ mặt trời trung bình tại vùng đó(wh/m2/ngày) x Hiệu suất thu năng lượng của tấm pin mặt trời cần dùng) x 1000

Từ tổng diện tích của hệ thống pin ta tính được công suất đỉnh của cả hệ thống.

Mỗi tấm pin mặt trời mà ta sử dụng đều có thông số công suất đỉnh của nó, lấy tổng Công suất đỉnh cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số công suất đỉnh của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời cần dùng.

Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời cần dùng. Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của ắc quy sẽ cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn kiệt ắc quy và như vậy sẽ làm ắc quy giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết. Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. Thí dụ một hệ hệ thống điện mặt trời có độ dự phòng 4 ngày thì bắt buộc lượng ắc quy phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời. Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do các chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ hệ thống điện mặt trời trong vùng.

4. Tính toán bộ kích điện

Đối với hệ hệ thống điện mặt trời độc lập, bộ kích điện phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả tải đều bật lên, như vậy nó phải có công suất bằng 125% công suất tải. Nếu tải là động cơ thì phải tính toán thêm công suất để đáp ứng thời gian khởi động của động cơ. Chọn kích điện có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định của ắc quy.

Đối với hệ hệ thống điện mặt trời hòa lưới, ta không cần ắc quy, điện áp vào danh định của kích điện phải phù hợp với điện áp danh của hệ pin mặt trời.

5. Tính toán ắc quy

Hệ ắc quy dùng cho hệ hệ thống điện mặt trời là loại nạp xả sâu (Deep-cycle). Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Loại này có khả năng nạp xả rất nhiều lần mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao.

Số lượng ắc quy cần dùng cho hệ hệ thống điện mặt trời là số lượng ắc quy đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được. Ta tính dung lượng ắc quy như  sau:

- Hiệu suất của ắc quy chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của ắc quy

- Với mức mức xả sâu (Deep of discharge DOD) là 0.6, ta chia số Wh của ắc quy cho 0.6 sẽ có dung lượng ắc quy

Dung lượng Ắc quy = Tổng Wh tiêu thụ hàng ngày / (Hiệu suất của ắc quy x Mức DOD x Điện áp Ắc quy)

Kết quả trên cho ta biết dung lượng ắc quy tối thiểu cho hệ hệ thống điện mặt trời không có dự phòng. Khi hệ hệ thống điện mặt trời có số ngày dự phòng ta phải nhân dung lượng ắc quy cho số ngày dự phòng để có số lượng ắc quy cần cho hệ thống.

Dung lượng Ắc quy = (Tổng Wh tiêu thụ hàng ngày / (Hiệu suất của ắc quy x Mức DOD x Điện áp Ắc quy)) x Số ngày dự phòng

6. Thiết kế bộ điều khiển sạc

Bộ điều khiển sạc có điện áp vào phù hợp với điện áp của pin mặt trời và điện áp ra tương ứng với điện áp của ắc quy. Vì bộ điều khiển sạc có nhiều loại cho nên bạn cần chọn loại bộ điều khiển sạc nào phù hợp với hệ hệ thống điện mặt trời của bạn. Đối với các hệ pin mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một bộ điều khiển sạc phụ trách, các điều khiển này phải làm việc được song song. Công suất của bộ điều khiển sạc phải đủ lớn để nhận điện năng từ pin mặt trời và đủ công suất để nạp ắc quy.

Đối với điều khiển sạc PWM, thông thường ta chọn bộ điều khiển sạc có dòng Imax = 1.5 x dòng ngắn mạch của pin mặt trời

Đối với điều khiển sạc MPPT: Từ điện áp danh định của hệ thống ắc quy đã biết, ta chọn ra 1 loại điều khiển sạc MPPT đáp ứng cho điện áp danh định ắc quy này. Điều khiển sạc MPPT với các model thường đặt tên gợi nhớ. MPPT-XXYY với XX là điện áp danh định của ắc quy, YY là dòng sạc lớn nhất. Thí dụ model MPPT-2412 dùng cho điện áp danh định bình là 24 VDC và dòng nạp max là 12A.

Thí dụ điện áp danh định của hệ acquy là 24 VDC ta chọn điều khiển sạc MPPT-24YY

Từ Wp của hệ pin mặt trời ta tính ra dòng sạc có được: Ic = Wp/XX

Tính ra YY bằng cách nhân Ic với hệ số an toàn, thí dụ 1,5: YY = 1,5 x Ic

Như vậy ta chọn ra được điều khiển sạc MPPT-XXYY

Nguồn Tham khảo tại đây

Chúng tôi đã xây dựng bảng tính tự động, các bạn có thể tính toán trực tiếp tại đây