Bài giảng "Năng lượng tái tạo - Chương 2 (Bài 6): Năng lượng mặt trời" cung cấp cho người học các kiến thức về hệ thống điện mặt trời hòa lưới bao gồm: 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. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
Bài giảng 6
1
http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn
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
Bài giảng 6
2
Bài giảng 6
3
Bài giảng 6
4
Bài giảng 6
5
Bài giảng 6
6
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:
(cid:0) (Hiệu suất chuyển đổi) Pac = Pdc,STC
trong đó, Pdc,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
Bài giảng 6
7
điều kiện môi trường khác nhau.
Bài giảng 6
8
Xét ảnh hưởng của sự sai lệch đặc tính I-V giữa các tấm pin
Một yếu tố quan trọng hơn là nhiệt độ. Các tấm pin nhiều
khả năng sẽ hoạt động nóng hơn 25 (cid:0) 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
Bài giảng 6
9
nhỏ).
Xét một dàn PV định mức 1 kW ở điều kiện chuẩn. Nhiệt độ làm việc danh định của các tấm pin là 47 (cid:0) C. Công suất DC tại MPP giảm 0,5%/(cid:0) C cao hơn nhiệt độ chuẩn 25 (cid:0) 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
cell
amb
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) 20 47 20 (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) T T S 20 C 8,53
Bài giảng 6
10
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) NOST 8,0 8,0
Công suất DC của dàn pin bị suy giảm còn
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
dcP
PTC
,
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
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
acP
PTC
,
Hệ thống được định mức 1 kW theo điều kiện chuẩn chỉ
Bài giảng 6
11
cung cấp khoảng 72% giá trị định mức, trong thực tế.
Yếu tố then chốt thứ hai là lượng ánh sáng có được. Khi đơn vị tính bức xạ trung bình là kWh/m2-ngày, có một
cách diễn dịch giá trị này rất thuận tiện. Vì bức xạ chuẩn
được định nghĩa là 1 kW/m2, có thể coi bức xạ 5,6 kWh/m2-
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
Bài giảng 6
12
dưới điều kiện chuẩn (Pac), chúng ta chỉ cần nhân với số giờ nắng đỉnh để có được số kWh nhận được mỗi ngày.
Năng lượng cung cấp trong ngày
avg
Năng lượng (kWh/ngày) = Bức xạ (kWh/m2-ngày)(cid:0) A (m2)(cid:0) (cid:0)
avg là hiệu suất trung bình
với A là diện tích dàn PV và (cid:0)
1-sun
A (m2)(cid:0) (cid:0) Công suất AC ứng với điều kiện chuẩn (1-sun) Pac (kW) = (1 kW/m2)(cid:0)
1-sun là hiệu suất hệ thống ở điều kiện chuẩn Kết hợp hai công thức trên, giả thiết hiệu suất trung bình
với (cid:0)
Bài giảng 6
13
trong ngày bằng với hiệu suất ở điều kiện chuẩn, suy ra Năng lượng (kWh/ngày) = Pac (kW)(cid:0) (số giờ nắng đỉnh/ngày)
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(cid:0) . 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/m2-ngày. Dùng công suất ngõ ra
AC bằng 0,717 kW tính được trong ví dụ 9.3, ta có
4,5 (h/ngày) (cid:0) 365 (ngày/năm)
Bài giảng 6
14
Năng lượng = 0,717 (kW) (cid:0) = 1178 kWh/năm
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 (cid:0) C. Nhiệt độ hoạt động danh định của các tế bào trong hệ thống này là 47 (cid:0) C.
cellT
(cid:0) (cid:0) (cid:0) Giải: Xét tháng Giêng, nhiệt độ cực đại trung bình mỗi ngày là –4,0 (cid:0) C, cho Madison, WI. Nhiệt độ của tế bào khi đó là 47 20 (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) 0,4 1 C 8,29
(cid:0) (cid:0) 8,0
Định mức công suất DC của dàn PV là
Bài giảng 6
15
Pdc = 1 kW[1 – 0,005(29,8 – 25)] = 0,976 kW
Kết hợp các yếu tố sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và hiệu suất bộ
nghịch lưu, định mức công suất AC là
0,97 (cid:0) 0,96 (cid:0) 0,9 = 0,818 kW Pac = 0,976 kW (cid:0)
Phụ lục E cho thấy trong tháng Giêng ở góc nghiêng L – 15,
tại Madison sẽ có bức xạ 3,0 kWh/m2-ngày hay 3,0 giờ nắng
đỉnh. Do đó, dàn PV 1 kW này sẽ cung cấp
31 ngày/tháng 3,0 h/ngày (cid:0)
Năng lượng = 0,818 kW (cid:0) = 76 kWh/tháng Tính cho mỗi tháng và tổng hợp lại (slide tiếp theo) cho thấy
Bài giảng 6
16
sai số so với ví dụ 9.4 là không đáng kể.
Bài giảng 6
17
Bài giảng 6
18
Bài giảng 6
19
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) = Pac (kW)(cid:0) CF(cid:0) 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:
Bài giảng 6
20
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(cid:0) , khá phù hợp với mái nhà.
Phụ lục E cho thấy bức xạ trung bình là 5,7 kWh/m2-ngày tại
Fresno. Dùng số giờ nắng đỉnh, ta có thể tính
Bài giảng 6
21
Pac = 3600 kWh/(5,7 h/ngày(cid:0) 365 ngày) = 1,73 kW
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
Pdc = Pac/(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
Bài giảng 6
22
A = 2,3 kW/(1 kW/m2 (cid:0) 0,125) = 18,4 m2
Bài giảng 6
23
Bài giảng 6
24
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
Bài giảng 6
25
đây.
Bài giảng 6
26
Bài giảng 6
27
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
23,2 = 46,4 V, quá sát phạm vi điện áp ngõ vào của
sẽ là 2 (cid:0) 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
Bài giảng 6
28
vậy 5 nhánh sẽ dùng 15 tấm.
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 (cid:0) 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 (cid:0) C. Với độ tăng điện áp hở mạch 0,38%/(cid:0) C, điện áp hở mạch tối đa là
Bài giảng 6
29
[1 + 0,0038(25 + 5)] = 97 V VOC,max = 86,7 V(cid:0)
Kiểm tra thiết kế vừa rồi: 15 tấm pin được gắn cố định.
Giải: Diện tích của dàn PV là
A = 15 (cid:0) 1,29 m (cid:0) 0,99 m = 19,1 m2
Định mức công suất DC STC sẽ là
15 = 2370 W Pdc,STC = 158 W (cid:0)
Giả sử suy giảm định mức 25%, và bức xạ trung bình là 5,7
Bài giảng 6
30
kWh/m2-ngày, năng lượng do hệ cung cấp mỗi năm sẽ là 0,75 (cid:0) Năng lượng = 2,37 kW (cid:0) 365 = 3698 kWh 5,7 h (cid:0)
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/m2 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
Bài giảng 6
31
thuộc vào vật liệu và nhiệt độ môi trường.
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 (cid:0) 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 (cid:0) 1,25 (cid:0) 1,25 = 11,8 A
Cầu chì tổng phải dẫn dòng của 5 nhánh
Bài giảng 6
32
Cầu chì tổng > 11,8 A (cid:0) 5 = 59,2 A
Áp dụng quy tắc hệ số 1,25 cho bộ nghịch lưu 2500 W, 240 V
Bài giảng 6
33
Cầu chì bộ nghịch lưu > 1,25 (cid:0) 2500/240 = 13 A
Với các mái nhà không nghiêng bằng góc vĩ độ, và không
Bài giảng 6
34
nhìn về hướng chính nam.
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
Bài giảng 6
35
phí hiện hành và chính xác cho thiết bị và quá trình lắp đặt.
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
Bài giảng 6
36
hiệu suất 12% và hệ số chuyển đổi dc-ac là 0,75.
Giải:
Xét hệ bám theo 1 trục, từ phụ lục E, bức xạ trung bình là
7,2 kWh/m2-ngày. Dùng số giờ nắng đỉnh kết hợp hệ số suy
giảm định mức, suy ra định mức DC STC:
7,2 (cid:0) 365) = 2,03 kW Pdc,STC = 4000/(0,75 (cid:0)
2030 = 8542 USD.
Ứng với chi phí 4,2 USD (cid:0) Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD (cid:0) 2030 = 2435 USD.
Diện tích ứng với hiệu suất 12%:
Bài giảng 6
37
A = 2,03 kW/(1 kW/m2 (cid:0) 0,12) = 16,92 m2
Chi phí cho bộ bám theo 1 trục sẽ là 400 + 100 USD/m2 (cid:0) 16,92 m2 = 2092 USD
Với hệ cố định ở L – 15, bức xạ là 5,4 kWh/m2-ngày
Pdc,STC = 4000/(0,75 (cid:0) 5,4 (cid:0) 365) = 2,706 kW
2706 = 11365 USD.
Bài giảng 6
38
Ứng với chi phí 4,2 USD (cid:0) Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD (cid:0) 2706 = 3247 USD.
Bảng tổng hợp chi phí như dưới đây
Tuy nhiên, cần có một phân tích cẩn thận hơn với các thành
Bài giảng 6
39
phần chi phí.
Bài giảng 6
40
Tracker ($/W) = ($/W)/(EPF)
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 (cid:0) CRF(i, n)
n
với CRF(i, n) là hệ số thu hồi vốn, cho bởi
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Bài giảng 6
41
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 (cid:0) 0,07265 = 1244 USD/năm
Giá thành sản xuất điện do đó bằng
Bài giảng 6
42
1224 USD/4000 kWh = 0,306 USD/kWh
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 (cid:0) P (cid:0) 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
Bài giảng 6
43
dõi ví dụ 9.13 trong tài liệu để có thêm thông tin.
![Ngân hàng trắc nghiệm Kỹ thuật lạnh ứng dụng: Đề cương [chuẩn nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20251007/kimphuong1001/135x160/25391759827353.jpg)
