Bài giảng "Năng lượng tái tạo - Chương 2 (Bài 5): Năng lượng mặt trời" cung cấp cho người học các kiến thức về hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập bao gồm: 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. Mời các bạn cùng tham khảo.
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
Bài giảng 5
1
http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn
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
Bài giảng 5
2
Bài giảng 5
3
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.
Bài giảng 5
4
Bài giảng 5
5
Bài giảng 5
6
Bài giảng 5
7
Bài giảng 5
8
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
Bài giảng 5
9
Bài giảng 5
10
Để ước tính công suất mà ắc-quy phải cung cấp, cần phải
Bài giảng 5
11
xem xét hiệu suất của bộ nghịch lưu.
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%,
3109
tải DC mà ắc-quy phải cung cấp là
tai
DC
3658
Wh/ngày
Wh/ngày 0,85
Bài giảng 5
12
(cid:0) (cid:0)
Nếu loại bỏ tủ lạnh, tải AC còn lại
tai
AC
1093
1140
Wh/ngày
1969
Wh/ngày
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
1969
Tải DC tương ứng là
tai
cho DC
AC
2316
Wh/ngày
Wh/ngày 0,85
(cid:0) (cid:0)
Cộng thêm với tủ lạnh DC 800 Wh/ngày
tai
DC
tong
2316
800
Wh/ngày
3116
Wh/ngày
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Bài giảng 5
13
Cắt giảm được 15% nhu cầu năng lượng.
Bài giảng 5
14
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
Bài giảng 5
15
nếu giả sử dòng điện cực đại mong đợi là 100 A.
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
Bài giảng 5
16
này. Bảng dưới đây tính toán cho ví dụ 9.14.
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
Bài giảng 5
17
làm tăng giá trị này).
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.
Bài giảng 5
18
Bài giảng 5
19
So sánh tạm giữa các công nghệ ắc-quy.
Bài giảng 5
20
Độ sâu phóng điện và tuổi thọ tỷ lệ nghịch.
Khi phóng điện, các phản ứng sau diễn ra:
PbO
SO
e 2
PbSO
4H
2
2 4
4
OH2 2
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) Cực dương
SO
PbSO
e2
Pb
2 4
4
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) Cực âm
Khi nạp điện, các phản ứng sau diễn ra:
PbSO
PbO
4H
SO
e2
4
OH2 2
2
2 4
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) Cực dương
PbSO
e 2
Pb
SO
4
2 4
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) Cực âm
Chú ý: quy ước đặt tên anode và cathode dựa theo chế độ
Bài giảng 5
21
phóng điện (electron chạy từ anode vào mạch điện).
Bài giảng 5
22
Nhiệt độ quá thấp làm giảm khả năng phóng điện của ắc-quy
Khi xả sâu, dung dịch hầu như là nước, dễ bị đông hơn. Đồng thời, lớp PbSO4 làm giảm diện tích điện cực, tăng điện
trở nội của ắc-quy.
Bài giảng 5
23
Khối lượng riêng của ắc-quy giảm.
Bài giảng 5
24
Điện áp và tỷ trọng theo điện lượng.
Bài giảng 5
25
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 (cid:0) C.
Bài giảng 5
26
Giả sử ắc-quy tại một trạm viễn thông ở xa có thể làm việc ở nhiệt độ (cid:0) 20 (cid:0) 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)(cid:0) 2 = 1667 Ah Ngoài ra, ắc-quy phóng ở C/48, tại (cid:0) 20 (cid:0) C chỉ có thể phóng
hết 80% dung lượng, dung lượng danh định cần có là
Bài giảng 5
27
1667 Ah/0,8 = 2083 Ah
Bài giảng 5
28
Mắc song song để tăng dung lượng. Mắc nối tiếp để tăng điện áp. Đảm bảo điều kiện ghép nối tiếp và song song.
Giả sử ắc-quy được nạp bằng dòng IC ở áp VC trong thời gian
TC, sau đó phóng hết điện tại dòng ID ở áp VD trong thời gian
TD. Hiệu suất năng lượng của ắc-quy là:
out
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
HS
NL
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Ah Ah
TIV DDD TIV CCC
V D V C
TI DD TI CC
V D V C
in
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Như vậy: Hiệu suất năng lượng =
Bài giảng 5
29
hiệu suất điện áp (cid:0) hiệu suất Coulomb
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 H2 và O2 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
Bài giảng 5
30
lượng sẽ bằng 0,86(cid:0) 0,9 = 0,77 = 77%.
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 Ri của ắc-quy.
b) Tỷ lệ tổn hao công suất do Ri là bao nhiêu? c) Nếu nạp ở C/20, tỷ lệ tổn hao công suất là bao nhiêu?
Giải:
a) Ở C/5, dòng nạp là 100/5 = 20 A. Nội trở có giá trị
2,13
5,12
(cid:0) (cid:0)
035,0
R i
VV B I
20
Bài giảng 5
31
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
2
b) Tỷ lệ tổn hao công suất:
20
,0
(cid:0)
,0
053
%3,5
IRi VI
035 2,13
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
c) Ở C/20, dòng điện nạp là 100/20 = 5 A. Điện áp nguồn khi đó
sẽ bằng V = 12,5 + 0,035(cid:0) 5 = 12,68 V.
2
Tỷ lệ tổn hao công suất khi đó bằng:
5
,0
(cid:0)
,0
0138
%38,1
IRi VI
035 68,12
Bài giảng 5
32
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
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
Bài giảng 5
33
VRLA có thể hạn chế đến 95% lượng khí thoát ra.
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
Bài giảng 5
34
hợp cho hầu hết các trường hợp.
Bài giảng 5
35
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
SD
PSH
PSH
%99
24
73,4
3,0
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
SD
PSH
PSH
43,9%95
9,1
11,0
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
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
Bài giảng 5
36
phép, hiệu suất Coulomb, nhiệt độ và mức phóng điện.
Quan hệ giữa số ngày lưu trữ và dung lượng danh định của
SD
ắc-quy (tại C/20, 25 (cid:0) C) như sau
Dung luong
(cid:0)
MDOD
T
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
,
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.
Bài giảng 5
37
Xét một ví dụ cụ thể dưới đây.
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 (cid:0) C. Điện áp hệ thống là 24 V, và một bộ nghịch lưu có hiệu suất 85% sẽ được dùng.
DC Tai
3529
Wh/ngay
Wh/ngay 85,0
Bài giảng 5
38
Giải: Tải DC của hệ thống là: 3000 (cid:0) (cid:0)
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(cid:0) (L là vĩ độ).
Ví dụ cho Salt Lake City, số giờ nắng đỉnh dùng để thiết kế là
Bài giảng 5
39
3,1 giờ (cho góc nghiêng của tấm pin là L+15(cid:0) ).
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)(cid:0) 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
Bài giảng 5
40
đổi là C/92, chúng ta sẽ dùng đường cong cho C/72. Ở nhiệt độ –10 (cid:0) C, chúng ta có hệ số (T, DR) = 0,97.
Vậy, dung lượng danh định ở C/20, 25 (cid:0) C là 676 Ah/(0,8(cid:0) 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
Bài giảng 5
41
nối tiếp trong mỗi dãy, để tạo ra điện áp hệ thống 24 V.
Bài giảng 5
42
PV thực tế có một nhánh dẫn điện song song đặc trưng cho
sự rò điện khi không đủ ánh sáng chiếu vào (Rsh). 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
9,38
dV
từ ắc-quy sang PV khi không đủ ánh sáng.
I
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
d
eI 0
9,38
V d
I
1
B
RV / d
sh
eI 0
Bài giảng 5
43
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
.
Một tấm pin mặt trời có 36 tế bào mắc nối tiếp, mỗi tế bào có dòng điện bão hòa I0 bằng 10-10 A và điện trở song song 8 (cid:0) 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.
a) Có bao nhiêu Ah sẽ bị phóng ngược từ ắc-quy trong 15 h?
b) Bao nhiêu năng lượng sẽ bị hao hụt vì điều này?
c) 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
Bài giảng 5
44
sử điện áp rơi khi diode dẫn điện là 0,6 V.
Bài giảng 5
45
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)(cid:0) (Hiệu suất
Coulomb) (cid:0) (Số giờ nắng đỉnh) (cid:0) (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
Bài giảng 5
46
thống 24 V. Ghép song song các tấm pin để tăng dòng.
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
(Hiệu suất
Dòng định mức = (Ah cần thiết)/[(Số giờ nắng đỉnh) (cid:0) (Hệ số suy giảm định mức)] Coulomb) (cid:0)
Tức là, IR = 147/(3,1(cid:0) 0,9(cid:0) 0,9) = 58,54 A. Nếu chọn tấm pin mã hiệu P630-210 của Redsun, với công
Bài giảng 5
47
suất đỉnh 210 Wp, và dòng điện Imp = 7,25, sẽ cần 58,54/7,25 = 8,07 tấm. Vậy, chọn dùng 8 tấm pin (vì đang tính thừa).
Bài giảng 5
48
Sơ đồ khối của hệ thống tương tự như dưới đây.
Bài giảng 5
49
Hệ thống chỉ thiếu hụt chút ít vào tháng 12.
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
Bài giảng 5
50
phát dự phòng. Slide tiếp theo giới thiệu đồ thị điển hình.
0,8)
Bài giảng 5
51
% tháng xấu nhất = 0,625(cid:0) % tháng xấu nhất = 0,5 + 28(cid:0) (% cả năm) (cả năm (cid:0) (% cả năm – 0,8)2,5 (cả năm > 0,8)
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
Bài giảng 5
52
phát
![Bài tập trắc nghiệm Kỹ thuật nhiệt [mới nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20250613/laphong0906/135x160/72191768292573.jpg)
![Bài tập Kỹ thuật nhiệt [Tổng hợp]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20250613/laphong0906/135x160/64951768292574.jpg)
![Bài giảng Năng lượng mới và tái tạo cơ sở [Chuẩn SEO]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2024/20240108/elysale10/135x160/16861767857074.jpg)
