Hệ thống điện năng lượng mặt trời

Nội dung text: Hệ thống điện năng lượng mặt trời

1. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời LỜI NÓI ĐẦU s Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng. Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều ,nhất là trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện nay,chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên. Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas, ) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn. Xã hội loài người không phát triển nếu không có năng lượng. Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học ,kinh tế, các chính trị gia, và mỗi người chúng ta. Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng. Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên. Nhiều công trình nghiêng cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng mặt trời là công việc của riêng của các nhà khoa học, đây cũng chính là nơi bạn có thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo tay, và tính kiên nhẫn của bạn. Còn gì thú vị hơn khi bạn tự thực hiện và ứng dụng năng lượng mặt trời trong chính ngôi nhà của mình. Cuốn sách này giới thiệu chi tiết các ứng dụng năng lượng mặt trời trong ngôi nhà hoặc trên mảnh vườn của bạn. Các dự án đó tương đối đơn giản, chi phí trong tầm tay của bạn, nhưng hiệu quả cao, không đồi hỏi lý thuyết cao siêu, chỉ cần bạn nhận ra lợi ích của việc sử dụng năng lượng mặt trời và quyết tâm thực hiện. bạn có thể thực hiện từng bước theo hướng dẫn trong từng dự án, khi dạt kết quả, bạn hoàn toàn có thể chỉnh sửa, cải tiến để năng cao hiệu suất và giảm chi phí tùy theo sự năng động và tính sáng tạo của bạn. Các dự án này còn có thể được thực hiện trong trường học, trường phổ thông và trường dạy nghề, giúp cho thầy cô giáo có thêm phương cách thí nghiệm, học đi đôi với hành , giúp cho học sinh tính sáng tạo và hứng thú học tập. Nguyễn Đình Trai 1
2. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời MỤC LỤC Trang A- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIÊN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3 I- GIỚI THIỆU CHUNG 3 II- NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 3 III- CẤU HÌNH TIÊU BIỂU 6 B-ĐI SÂU VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10 CHƯƠNG I: PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10 I-ƯU THẾ CỦA ĐIÊN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10 II- TÌM HIỂU CHUNG VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 11 III- ƯU, NHƯỢC ĐIỂM 19 IV- ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM 21 CHƯƠNG II: BỘ KÍCH INVERTER 26 I- LOẠI INVERTER CHO HỆ THỐNG 26 II- HÌNH ẢNH, CẤU TẠO 29 III- HOẠT ĐỘNG CỦA INVERTER 31 CHƯƠNG III: BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC 41 CHƯƠNG IV: BATTERY(ẮC QUY) 43 I- GIỚI THIỆU 43 II- CẤU TẠO 43 III- PHÂN LOẠI, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐÔNG 45 CHƯƠNG V: PP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 56 CHƯƠNG VI: HÒA HỆ THỐNG VÀO LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA 57 Nguyễn Đình Trai 2
3. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời A- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI I – GIỚI THIỆU CHUNG: Một tế bào quang điện (cell) Tấm Pin năng lượng mặt trời (solar cells panel) Pin mặt trời, hay pin quang điện, ký hiệu là PV, là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp đến 240Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm. II – NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI: Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hoà tự động các quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc- quy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong Nguyễn Đình Trai 3
4. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV ). III - CẤU HÌNH TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI: S Tên thiết bị Ghi chú tt Solar Cells Monocrystalline (đơn tinh thể ) Polycrytalline (đa 1 Panel tinh thể) Solar Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ thống 2 Regulator DC-AC Dạng sóng ra : Step Wave hoặc Sine Wave 3 Inverter Battery (ắc- Bình khô, kín khí, không cần bảo dưỡng. 4 quy) Khung, gá Chuyên dụng cho hệ thống 5 Dây cáp Chuyên dụng cho hệ thống (ngoài trời và trong nhà) 6 Phụ kiện Linh, phụ kiện đồng bộ khác 7 lắp đặt 1- PANEL MẶT TRỜI : Tấm pin Panel mặt trời (solar cells panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng. Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời Hiệu suất: từ 15% - 18% Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp Số lượng cells trên mỗi tấm pin : 72 cells Kích thước cells: 5 – 6 inchs Loại cells: monocrystalline và polycrystalline Chất liệu của khung nhôm Tuổi thọ trung bình của tấm pin : 30 năm Có khả năng kết nối thành các trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, có thể hòa lưới (grid), hoặc hoạt động độc lập như 1 hệ thống back-up điện. Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển). Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép Nguyễn Đình Trai 4
5. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời các tấm pin Panel mặt trời lại với nhau.Các tấm pin Panel mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ 2-BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC: - Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. - Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải. - Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp. 3- AC-DC INVERTER: - Là bộ biến điện nghịch lưu. Inverter chuyển đổi dòng điện 12V DC từ ăc-quy thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC). Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA – 10kVA. - Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra : dạng sóng hình sin, giả sin, sóng vuông, sóng bậc thang 4- BATTERY (Ắc-quy): - Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng. - Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin panel mặt trời . Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau. 5- KHUNG GÁ VÀ DÂY CÁP: - Để đảm bảo cho hệ thống pin Panel mặt trời đặt đúng vị trí tốt nhất (nắng nhiều nhất và lâu nhất) và hiệu suất sử dụng hệ thống luôn được ổn định lâu dài, chúng ta cần dùng đến bộ khung gá và dây cáp chuyên dụng. - Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống, các tấm pin Panel mặt trời cần được lắp đặt theo 1 góc nghiêng và 1 hướng nhất định (tùy thuộc từng vị trí lắp đặt cụ thể). - Lưu ý khi lắp đặt tránh các vùng có khả năng bị che, khuất nắng, nên lựa chọn những vị trí có thể hứng được nắng tốt nhất cho cả ngày. Nguyễn Đình Trai 5
6. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời - Các phụ kiện đồng bộ kèm theo : ống, công tắc, bảng điện, Vaseline, domino, ổ cắm để lắp hoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời 1 : Tấm pin mặt trời (Solar Panel) 2: Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller) 3 : Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter) 4 : Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter) 5 : Ắc quy (Battery) Nguyễn Đình Trai 6
7. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Mô tả hoạt động của hệ thống: Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm: Hệ thống Sản xuất điện năng từ Mặt trời thành điện 220VAC/50Hz bổ sung vào điện lưới (On grid). Hệ thống Lưu trữ biến đổi điện điện năng từ Mặt trời thành điện 220VAC/50Hz (Off grid). Tuy nhiên, quý khách vẫn có thể sử dụng từng hệ thống trên một cách độc lập tùy theo nhu cầu cụ thể. Khi khởi động Battery bank luôn được ưu tiên nạp điện từ Mặt trời cho đến khi đầy. Lúc này Grid-Tie Solar Inverter (GTSI) chưa làm việc. Khi Battery bank đầy bộ Inverter-Solar Charger (ISC) sẽ ngưng sạc và bộ GTSI sẽ hoạt động: Biến đổi điện DC từ Solar panel thành điện AC 220V có điện áp, tần số - pha trùng với điện lưới và được hòa trực tiếp vào lưới điện – Việc bán điện sẽ được thông qua đồng hồ W1. Khi có điện lưới, điện năng cho tải thông thường và tải ưu tiên sẽ được cấp qua đồng hồ điện W2 (điện mua) - do ISC lúc này đang ở chế độ On grid. Khi mất điện lưới, ISC sẽ lấy điện DC từ Battery bank và Solar để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên. Đồng thời GTSI sẽ ngưng làm việc. Nguyễn Đình Trai 7
8. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời B-ĐI SÂU VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHƯƠNG I: PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI I- Ưu thế của năng lượng mặt trời 1. Năng lượng hiện tại Trong cuộc sống hang ngày , chúng ta sử dụng khối lượng năng lượng khổng lồ. Cuộc sống của chúng ta xoay quanh sự tiêu thụ các nguồn tài nguyên thiên nhiên và tiêu thụ năng lượng . Phần lớn trong tỷ lệ tiêu thụ năng lượng dược dùng cho sưởi ấm-58% một phần trong số này có thể cung cấp từ năng lượng mặt trời . Kế tiếp là nấu nước, chiếm 24% tổng năng lượng tiêu thụ, hoàn toàn có thể nấu nước bằng năng lượng mặt trời . Điều dó có nghĩa là có thể đáp ứng 83% nhu cầu năng lượng bằng công nghệ năng lượng mặt trời . Phần năng lượng, 13% được dùng để tạo ra điện năng để cung cấp cho chiếu sáng và các thiết bị gia dụng. Năng lượng được dùng cho nấu ăn,5% cũng có thể tạo ra từ năng lượng. 2. Lý do chọn năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng sạch, xanh, miễn phí, và có giá trị sử dụng tốt nhất. mặt trời đã xuất hiện cách đây 5 tỷ năm và tiếp tục them 5 tỷ năm nủa, quá đủ cho loài người. Chúng ta đang tìm các công nghệ sử dụng dạng năng lượng này một cách hiệu quả nhất, do đây là năng lượng sạch, rất than thiện vơi môi trường. Đây thực sự là nguồn tài nguyên khổng lồ. tuy năng lượng mặt trời tập chung chủ yếu ở Nguyễn Đình Trai 8
9. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời 3. Năng lượng hiện nay Cơ quan năng lượng quốc tế dự báo khai thác năng lượng của 33 trong số 48 nhà sản xuất dẩu mõ hàng đầu thế giới đang giảm. Điều đó đang thành hiện thực. Không chỉ có đỉnh sản lượng dầu mõ, hiện nay còn có đỉnh than đá, đỉnh khí tự nhiên, và đỉnh uranium. Tất cả các nguồn tài nguyên này đều có giới hạn, không thể khai thác mãi mãi. Điều đó có nghĩa là những người tin tưởng vào năng lượng hạt nhân có thể bị sốc, năng lượng hạt nhân từng được coi là nguồn thay thế hửu hiệu cho nhiên liệu tàn dư sinh học, nhưng mọi người phải đối mặt với cùng một vấn đề. Nếu tất cả đều chuyển sang năng lượng hạt nhân, tốc độ tiêu thụ uranium sẽ tăng nhanh, chưa kể các nguy cơ về an toàn hạt nhân. II- Tìm hiểu chung về pin năng lượng năng lượng mặt trời: 1. Hướng đặt: Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) cũng là 1 vấn đề chúng ta đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại 1 địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu khác nhau. Nguyễn Đình Trai 9
10. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Nguyễn Đình Trai 10
11. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời 2. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo Nhiên liệu hóa thạch theo tính toán của các nhà khoa học và môi trường học sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa nếu cứ sử dụng với tốc độ hiện nay. Việc tìm năng lượng thay thế là bài toán cấp bách của toàn nhân loại . Có ý kiến cho rằng điện hạt nhân là một giải pháp, nhưng với mức độ an toàn và bản chất của quá trình không thuận nghịch của phản ứng hạt nhân không cho ta kết quả như mong đợi .Năng lượng mặt trời xét về lâu dài mới là giải pháp cho tương lai. Một trong các nguyên nhân khác của việc sử dụng năng lượng mặt trời đó là do tính sạch của nó về mặt môi trường. Trong quá trình sử dụng nó không sinh ra khí nhà kính hay gây ra các hiệu ứng tiêu cực tới khí hậu toàn cầu. Việc dạy học gắn với nội dung này nhằm giáo dục ý thức môi trường và sự chuẩn bị hành trang cho chủ nhân tương lai là cần thiết và phù hợp . Có 2 cách chính sử dụng năng lượng mặt trời: - Sử dụng dưới dạng nhiệt năng : lò hấp thụ mặt trời, nhà kính - Sử dụng thông qua sự chuyển hoá thành điện năng: Hệ thống pin mặt trời Câu hỏi đặt ra là pin mặt trời hoạt động thế nào Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn ( thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Để hiểu về nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫn Silic. Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 . Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ. 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2. Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si Nguyễn Đình Trai 11
12. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời khác. Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững). Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện. Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào Nguyễn Đình Trai 12
13. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời trong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể. Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N : (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do. Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Nguyễn Đình Trai 13
14. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau. Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này. Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không. Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm. Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P. Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có e hay lỗ trống tự do . Nguyễn Đình Trai 14
15. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn. Điện trường tạo ra ở bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều, ở đây là từ bán dẫn loại P sang bán dẫn loại N, dòng điện tử sẽ không được phép chạy theo hướng ngược lại. Để lí giải vì sao bạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phần tĩnh điện. Pin quang điện không phải cái gì khác chính là một điốt bán dẫn có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ ( và do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N. Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho e một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết. Sẽ không thể có chuyện gì nếu không có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp. Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện . Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p.kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ . Với Si ( B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V. Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 ( Chính xác là 1,34 kW/m2: Đây chính là hằng số mặt trời) , tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12%. Tại sao lại ít vậy. Câu trả lời là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng. Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Chỉ có những photon năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này. Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV. Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được. Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì thêm. Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp. Vấn đề là khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc. Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé. Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với dòng. Nguyễn Đình Trai 15
16. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa. Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện. Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt để ánh sáng có thể đi qua. Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện (chú ý là bán dẫn Si dẫn điện kém, tức điện trở của nó lớn). Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời. Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Có người nói: năng lượng làm ra một hệ thống pin mặt trời lớn hơn năng lượng nó thu được trong quá trình dùng ( hay nói một cách đời sống hơn tiền mua nó đắt hơn tiền mua điện: Điều này trước đây là đúng, tuy nhiên với công nghệ hiện nay tỉ lệ này là 1:4 nghiêng về tiền thu được. Tức là bỏ 1 triệu mua hệ thống thì sẽ thu được 4 triệu tiền năng lượng thu được ) Một thực tế là việc sử dụng năng lượng Mặt trời ở nước ta còn quá xa vời là do ta ỷ vào nguồn năng lượng thủy điện ( cũng là một loại năng lượng sạch) nhưng thực tế nhu cầu tiêu thụ điện và sự khổ sở vì tình trạng các hồ chứa xuống dưới mức chết đã gióng một hồi chuông nhẹ tới suy nghĩ này của toàn bộ mọi người! 3. Sơ đồ cơ bản của hệ thống điện năng lượng mặt trời III- Ưu, Nhược điểm của năng lượng mặt trời: Nguyễn Đình Trai 16
17. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời 1. Ưu điểm: Giúp bạn tiết kiệm tiền: -Sau khi đầu tư ban đầu đã được thu hồi, năng lượng từ mặt trời là thiết thực miễn phí. -Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia đình của bạn sử dụng điện. -Ưu đãi tài chính có hình thức chính phủ sẽ giảm chi phí của bạn. -Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng nhiều hơn bạn sử dụng, chính phủ của bạn có thể mua điện từ bạn. -Nó sẽ giúp bạn tiết kiệm tiền trên hóa đơn điện của bạn hàng tháng. -Năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nhiên liệu. -Nó không bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp và nhu cầu nhiên liệu và do đó không phải chịu mức giá ngày càng tăng của xăng dầu. -Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới. -Việc sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp làm giảm chi phí y tế. Thân thiện với môi trường: -Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) và bền vững, góp phần bảo vệ môi trường của chúng tôi. -Nó không gây ô nhiễm không khí do khí carbon dioxide phát hành, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hoặc thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều hình thức truyền thống của các thế hệ điện không. -Vì vậy năng lượng mặt trời không đóng góp cho sự nóng lên toàn cầu, mưa axit hoặc sương mù. -Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại. -Đó là tạo ra nơi cần thiết. -Bằng cách không sử dụng bất kỳ nhiên liệu, năng lượng mặt trời không đóng góp cho các chi phí và các vấn đề của việc thu hồi và vận chuyển nhiên liệu hoặc lưu trữ chất thải phóng xạ. Độc lập, bán độc lập -Năng lượng Mặt trời có thể được sử dụng để bù đắp năng lượng tiêu thụ, cung cấp tiện ích. Nó không chỉ giúp giảm hóa đơn điện của bạn, nhưng cũng sẽ tiếp tục cung cấp điện trong trường hợp bị cúp điện. -Một hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động hoàn toàn độc lập, không đòi hỏi một kết nối đến một mạng lưới điện hoặc khí ở tất cả. Hệ thống do đó có thể Nguyễn Đình Trai 17
18. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời được cài đặt trong vị trí từ xa (giống như đăng nhập cabins kỳ nghỉ), làm cho nó thực tế hơn và hiệu quả hơn tiện ích cung cấp điện cho một trang web mới. -Việc sử dụng năng lượng mặt trời làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nước ngoài và / hoặc tập trung năng lượng, ảnh hưởng do thiên tai, các sự kiện quốc tế và vì thế góp phần vào một tương lai bền vững. -Năng lượng mặt trời hỗ trợ việc làm địa phương và tạo ra sự giàu có, thúc đẩy nền kinh tế địa phương. -Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như bảo dưỡng miễn phí và sẽ kéo dài trong nhiều thập kỷ. -Sau khi cài đặt, không có chi phí định kỳ. -Họ hoạt động âm thầm, không có bộ phận chuyển động, không có mùi khó chịu phát hành và không yêu cầu bạn phải thêm bất kỳ nhiên liệu. -Thêm tấm pin mặt trời có thể dễ dàng được thêm vào trong tương lai khi nhu cầu của gia đình bạn phát triển. 2. Khó khăn năng lượng mặt trời (nhược điểm) -Các chi phí ban đầu là bất lợi chính của việc cài đặt một hệ thống năng lượng mặt trời, phần lớn là vì chi phí cao của các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong việc xây dựng một. -Chi phí năng lượng mặt trời cũng là cao so với tiện ích-cung cấp điện không tái tạo. Như tình trạng thiếu năng lượng đang trở nên phổ biến hơn, năng lượng mặt trời ngày càng trở nên giá cạnh tranh. -Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi khá một vùng rộng lớn để cài đặt để đạt được một mức độ tốt hiệu quả. -Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, mặc dù vấn đề này có thể được khắc phục với việc cài đặt các thành phần nhất định. -Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám mây, gây ô nhiễm trong không khí. -Tương tự như vậy, không có năng lượng mặt trời sẽ được sản xuất vào ban đêm mặc dù một hệ thống pin dự phòng và / hoặc đo net sẽ giải quyết vấn đề này. IV- Ứng dụng pin mặt trời ở Việt Nam Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời (NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời (PMT) có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay ứng dụng NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5 - 10 USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời hiện mới chỉ Nguyễn Đình Trai 18
19. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa, nơi đường điện quốc gia chưa có. Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta. Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông. Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh. Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông. Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia. Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến. Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng. Để hiểu được hết tác dụng, hiệu quả và tầm quan trọng của hệ thống pin mặt trời phát điện, chúng ta có thể tìm hiểu sơ đồ nguyên lý hệ thống điện pin mặt trời nối lưới điển hình dưới đây: Công trình ứng dụng Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn PMT phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hoá tại một số vùng nông thôn xa lưới điện. Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500 - 1.000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng. Các dàn PMT có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã. Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn PMT đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5 - 70 Wp. Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng dụng PMT. Hiện tại ở khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với PMT có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là: - Dự án phát điện ghép giữa PMT và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống PMT là 100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW. Dự án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý và vận hành. Nguyễn Đình Trai 19
20. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Sơ đồ hệ thống điện gia đình - Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với công suất là 9 kW, trong đó PMT là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình. Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành. - Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp. Các dàn đã lắp đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800 Wp. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp và truyền thông; đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành. Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn PMT phát triển với tốc độ khá nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên Nguyễn Đình Trai 20
21. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời phòng. Công suất của dàn pin dùng cho hộ gia đình từ 40 - 75 Wp. Các dàn dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp. Các dàn dùng cho trạm xá và các cụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp. Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ: - Dự án PMT cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc. Tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp. Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới Trường đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và truyền thông, đối tượng phục vụ là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành. - Dự án PMT cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô Tô. Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp. Dự án trên do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã vận hành từ tháng 12/2001. Công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án PMT có công suất là 6.120 Wp phục vụ cho trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình. Dự án trên được lắp đặt tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng. Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002. Tổng công suất dự án là 3.000 Wp, cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, chủ yếu để thắp sáng và truyền thông; đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành. Trung tâm Hội nghị Quốc gia sử dụng ĐMT: Tổng công suất pin mặt trời 154 kWp là công trình ĐMT lớn nhất ở Việt Nam. Hệ thống pin mặt trời hòa vào mạng điện chung của Trung tâm Hội nghị quốc gia. Trạm pin mặt trời nối lưới Viện Năng lượng công suất 1.080 Wp bao gồm 8 môđun. Trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công thương, 54 Hai Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội. Công suất lắp đặt 2.700 Wp. Lắp đèn năng lượng mặt trời trên đường phố Đà Nẵng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. Hệ thống thu góp điện năng được “dán” thẳng trên thân trụ đèn. Bên trong trụ có tám bình ắc qui dùng để tích năng lượng. Hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt thành công tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc. Hai cột đèn trị giá 8.000 USD, do Công ty cổ phần tập đoàn quốc tế Kim Đỉnh lắp đặt. Hiện tại, hai cột đèn này có thể sử dụng trong 10 h mỗi ngày, có thể thắp sáng bốn ngày liền nếu không có nắng và gió. Tóm lại: - Tổng công suất lắp đặt: Khoảng 1,45 MWp. - Số địa phương lắp đặt: 40 tỉnh và thành phố; Bộ Bưu chính Viễn thông, Bộ Quốc phòng, Bộ Giao thông, v.v. - Mục đích sử dụng: Sinh hoạt (chiếu sáng, TV, đài, bơm nước, v.v.), thông tin liên Nguyễn Đình Trai 21
22. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời lạc, tín hiệu giao thông, v.v. - Kinh phí viện trợ không hoàn lại, thông qua các dự án hợp tác quốc tế: 30 - 35%. - Kinh phí các doanh nghiệp: 40 - 45%. - Chính phủ (trung ương, địa phương): 20 - 30%. Những khó khăn chính trong quá trình triển khai ứng dụng: * Về kỹ thuật - Người sử dụng không tuân theo qui trình vận hành. Đấu tắt không qua bộ điều khiển khi ắc qui yếu, làm ắc qui cạn kiệt, dẫn đến mau hỏng. - Trong 100 dàn đầu tiên cho các hộ gia đình lắp tại tỉnh Tiền Giang và Trà Vinh, vì công suất mỗi dàn quá nhỏ (22,5 Wp), nhu cầu dùng lại lớn nên ắc qui luôn luôn ở trạng thái cạn kiệt và dẫn đến hỏng hàng loạt ắc qui. * Về kinh tế Trước mắt, PMT chỉ ứng dụng ở các vùng sâu, vùng cao và hải đảo, nơi không thể đưa lưới điện quốc gia đến được. Song phần lớn thu nhập của người dân vùng này thấp, trong khi giá thành đầu tư ban đầu của PMT hiện tại còn rất cao. * Giá thành của PMT Giá thành lắp đặt dàn PMT bình quân chung trong cả nước vào khoảng 12 - 14 USD/Wp (áp dụng cho hộ gia đình và dàn tập thể). Giá thành trên không bao gồm chi phí vận chuyển. Chi phí vận chuyển vào khoảng 5 - 7% giá trị thiết bị. Kinh nghiệm triển khai ứng dụng Để việc triển khai ứng dụng đạt được hiệu quả tốt, cần tiến hành những bước sau: - Các sở khoa học công nghệ hoặc các sở công nghiệp của các tỉnh nên mở các lớp tập huấn và tuyên truyền, quảng cáo. - Phối hợp với các cơ quan địa phương mở lớp tập huấn cho các cán bộ kỹ thuật địa phương về lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa nhỏ. - Sau khi lắp đặt, cần hướng dẫn cặn kẽ cho các hộ sử dụng về qui định vận hành, bảo quản và bảo dưỡng thiết bị. - Trên cơ sở kết quả ứng dụng thí điểm, nghiên cứu thiết kế kỹ thuật lắp đặt phù hợp với trình độ dân trí và hợp lý về qui mô công suất để đáp ứng nhu cầu và khả năng kinh tế của dân địa phương. CHƯƠNG II: BỘ KÍCH INVERTER Nguyễn Đình Trai 22
23. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời I - Loại Inverter cho hệ thống năng lượng mặt trời: - Model: LIS-15S + Power: 1500VA(1000W) + Input DC: 12VDC (10-16VDC) + Input AC: 220VAC(175-275VAC) + Output AC: 220VAC/50Hz (Pure Sine Wave) + Battery charger max: 50A (5 Steps selectable) + Solar charger max: 50A Nguyễn Đình Trai 23
24. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời - Model: LIS-25S + Power: 2500VA(1800W) + Input DC: 24VDC (21-30.5VDC) + Input AC: 220VAC(175-275VAC) + Output AC: 220VAC/50Hz (Pure Sine Wave) + Battery charger max: 50A (5 Steps selectable) + Solar charger max: 50A - Model: LIS-35S + Power: 3500VA(2500W) + Input DC: 24VDC (21-30.5VDC) + Input AC: 220VAC(175-275VAC) + Output AC: 220VAC/50Hz (Pure Sine Wave) + Battery charger max: 50A (5 Steps selectable) + Solar charger max: 50A - Model: LIS-50S + Power: 5000VA(4000W) + Input DC: 48VDC (41-62VDC) + Input AC: 220VAC(175-275VAC) + Output AC: 220VAC/50Hz (Pure Sine Wave) + Battery charger max: 50A (5 Steps selectable) + Solar charger max: 50A Thông số kì thuật: Nguyễn Đình Trai 24
25. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Model LIS‐15S LIS‐25S LIS‐35S LIS‐50S Capacity 1500VA 2500VA 3500VA 5000VA 1000W 1800W 2500W 4000W Max. Power* 2500W 4500W 5500W 8500W Nominal AC Voltage 115VAC or 230VAC 230VAC AC Voltage Range 85~135VAC or 175~275VAC 175~275VAC Input Nominal DC Voltage 12VDC 24VDC 48VDC DC Voltage Range 10~16VDC 21~30.5VDC 41~62.0VDC Frequency 50Hz or 60Hz Mains Low Transfer 85VAC±2% or 175VAC±2% 175VAC±2% Mains High Transfer 135VAC±2% or 275VAC±2% 275VAC±2% Continuous Power 1000W 1800W 2500W 4000W Surge Capacity 2000W 3600W 5000W 8000W No Load Power 36W/6W 42W/8W (under no load state, it will enter Consumption / Standby Output standby mode after 3mins.) Voltage AC Mode: ±20% Inverter Mode: 115VAC or 230VAC 230VAC Frequency 50Hz or 60Hz (Auto Sensing) Waveform Pure Sine Wave Efficiency >85% >90% Line Mode Circuit Breaker Overload 105%~125% for 60sec Protection Batt. Mode 126%~150% for 30sec ＞151% for 1sec , Shut Off Short Line Mode Circuit Breaker Batt. Mode Yes Transfer Time Typical <10ms Solar Charger Max Charging Current 50A (Option) Charging Voltage 14.1VDC 28.2VDC 55.2VDC Backup Time Long time available (at full load) Battery Max Charging Current 50A (5 Steps Selectable) PFC When Charging ≧0.95 Batt. Low Alarm/Cutoff 11.0/10.5VDC 22.0/21.0VDC 43.0/41.0VDC Batt. High Alarm/Cutoff 14.5/15.5VDC 30.5/31.5VDC 60.0/62.0VDC (1) Output: AC Voltage, Frequency LCD Display (2) Output: Load%, Temperature Control Panel (3) DC Voltage, Charge Current, Solar Voltage (4) Input: AC Voltage, Frequency LED Display AC Input, DC Input, Bypass, Inverter, Fault, Load Audible Alarm Low Battery Beeping every second Fault/Overload/Short Beeping continuously Operating Temperature 0℃ to 40℃ Environments Relative Humidity 0~90%, non‐condensing Audible Noise Less than 55dBA (at 1M) Dimension W x D x H (mm) 305*500*164 338*550*163 Net Weight Kgs 11.5 12.0 12.5 14.0 Nguyễn Đình Trai 25
26. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời II - Hình dạng, cấu tạo: Nguyễn Đình Trai 26
27. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Trong đó: Solar panel(+): điều khiển NLMT cực dương. Solar panel(-): điều khiển NLMT cực âm. Battery(-): cực âm pin AC Input-Line(L): AC đầu vào dây pha. AC Input-Neutral(N): AC đầu vào dây trung tính. AC Input-Ground(E): AC đầu vào dây nối đất. AC Output-Line(L): AC đầu ra dây pha. AC Output-Neutral(N): AC đầu ra dây trung tính. AC Output-Ground(E): AC đầu ra dây nối đất. Dry Contact-NO(normal Open) To star Generator: Dry Contact-C(Commom) To star Generator: Dry Contact-NC(Normal Close) To star Generator: Ground Fault Indicator: chỉ số lổi nối đất Sơ đồ kết nối: Nguyễn Đình Trai 27
28. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời III- Hoạt đông của Inverter: 1. Nguyên tắc hoạt động Inverter chuyển đổi quyền lực trong hai giai đoạn: Giai đoạn đầu tiên là chuyển đổi điện một chiều DC-DC, chuyển đổi điều này làm tăng điện áp DC thấp ở đầu khi vào biến tần điện áp DC này lên(khoảng125-300V DC). Giai đoạn thứ hai là giai đoạn biến tần thực tế. Nó chuyển đổi DC điện áp cao sang điện áp xoay chiều (110- 225V AC, tần số 60 hoặc 50Hz AC). Nguyễn Đình Trai 28
29. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Inverter - Nguyên tắc hoạt động 2. nguyên lý hoạt động bộ kích điện Inverter: dưới đây là vài mạch cơ bản của kích điện Inverter: Mạch Inverter dùng 2N3055 Nguyễn Đình Trai 29
30. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Mạch DC/AC sử dụng dao động đa hài dùng cổng NAND IC SN7400 Nguyễn Đình Trai 30
31. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Mạch Inverter sử dụng dao động đơn ổn dùng IC LC3524 Nguyên lý làm việc của bộ kích: Những đặc tính cơ bản của kích điện: Khác với loại “kích điện” mà người ta đã dùng để đánh bắt cá hàng loạt trước đây (mà cũng chính từ các loại đó mà có lẽ mới có tên là kích điện), loại kích điện dùng trong dân dụng có các đặc tính kỹ thuật cơ bản sau: Sử dụng ắc quy (12, 24 hay 48V DC ) Điện áp đầu ra có đặc tính giống như điện áp của lưới điện quốc gia: 220V, xoay chiều, tần số 50 Hz. Các đặc tính này xuất phát từ yêu cầu thông thường về nguồn điện của các thiết bị sử dụng điện trong dân dụng hàng ngày. Tuy không phải tất cả các thiết bị dùng điện đều có yêu cầu trên, nhưng để tương thích với phần lớn các thiết bị điện nên chúng bắt buộc phải có các thông số như vậy. Nguyên lý làm việc của kích điện Dưới đây liệt kê một số nguyên lý cơ bản của kích điện dân dụng: Nguyễn Đình Trai 31
32. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Biến đổi một bước: từ điện một chiều sang điện xoay chiều 220V thông qua các transitor công suất và một biến áp sắt từ ở tần số 50 Hz (bước biến đổi DC-AC). Biến đổi hai bước: từ điện một chiều ắc quy ở mức thấp (12, 24V DC) sang điện một chiều ở mức điện áp cao (khoảng 300V DC) thông qua mạch dao động tần số cao và biến áp xung (bước biến đổi DC-DC), rồi từ điện một chiều (lúc này có điện thế cao) dao động thành điện xoay chiều 220V AC (tức bước biến đổi DC-AC). Tuỳ loại nguyên lý mà kích điện được tạm phân ra thành hai loại: Loại biến đổi một bước và loại biến đổi hai bước – thường gọi là kích “điện tử”. Loại biến đổi một bước: hình bên giải thích phần nguyên lý của kích điện . Nếu muốn tăng điện thế thì cần phải có cuộn biến áp, mà biến áp lại chỉ hoạt động được với dòng điện xoay chiều. Vậy để biến đổi thành dòng điện xoay chiều thì có thể dùng một công tắc như hình bên phải (phía trên) và một biến áp: Khi chuyển đổi nhanh và liên tục công tắc sang các vị trí lên và xuống, ta sẽ có dòng điện lần lượt chạy vào nửa cuộn dây sơ cấp biến áp, tại cuộn thứ cấp (ghi chữ output) sẽ có điện áp xoay chiều có tần số tương ứng với tần suất chuyển mạch. Tất nhiên chẳng ai lại dùng tay để vận hành kích điện một cách liên tục như vậy nên người ta đã sử dụng các linh kiện điện tử để thay cho việc chuyển mạch này. Bạn xem hình phía dưới sẽ thấy dạng mạch cho các kích điện thông dụng đang được bán trên thị trường hiện nay. Loại kích điện một bước thường được biết đến khá lâu trước đây. Kích điện tử (loại biến đổi hai bước): Đối với loại kích “điện tử”, mạch điện cấp thứ nhất: (DC-DC) cũng có nguyên lý giống như kích điện từ, nhưng thay vì hoạt động ở tần số 50 Hz thì kích loại này sử dụng tần số cao hơn nhiều lần để có thể sử dụng loại biến áp xung có hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn. Sau biến áp xung, dòng điện xoay chiều tần số cao được nắn thành điện một chiều để phục vụ mục đích biến đổi thành điện xoay chiều với tần số 50Hz phù hợp với nhu cầu sử dụng. Tuỳ theo công suất của kích điện mà kích điện tử có thể dùng một hay nhiều các biến áp xung. Cấp thứ 2: (DC-AC) của kích điện tử là biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều với tần số phù hợp với lưới điện quốc gia (50Hz). Phần mạch biến đổi thành xoay chiều ở cấp tiếp theo này không cần sử dụng biến áp nữa bởi chúng không cần tăng thêm điện thế, mà chỉ cần dùng các linh kiện đện tử thay đổi chiều đi qua tải của dòng điện đầu ra. Vậy làm thế nào để biến đổi điện một chiều thành xoay chiều được? Lấy một ví dụ đơn giản và thô thiển như thế này: Bạn có một ắc quy, muốn cấp dòng xoay chiều qua một cái bóng đèn thì có Nguyễn Đình Trai 32
33. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời thể nối hai cực ắc quy đó vào bóng đèn, rồi ngắt dây ra đổi ngược lại cực ắc quy, rồi lại đổi xuôi, đổi ngược cứ thế trong thời gian cực nhanh, bạn sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều đi qua bóng đèn. Trên thực tế thì nguyên lý mạch điện tử biến đổi điện một chiều thành xoay chiều lúc này qua cầu H như sau (xem hình dưới): Ban đầu dòng điện đi từ (+) đến transistor phía trên - bên trái, đi qua tải theo chiều từ trái sang phải rồi đi qua transistor phía dưới bên phải để đi vào cực âm. Sau đó dòng điện đi từ cực dương đến transistor phía trên bên phải, đi qua tải (Load) theo chiều từ phải qua trái rồi đi qua transistor phía dưới bên trái để đi vào cực âm. Dòng điện đi như vậy theo các chiều khác nhau sẽ cho ra dòng xoay chiều trên tải. Việc dẫn các dòng theo các chiều như vậy được thực hiện nhờ sự điều khiển các transistor. Dạng sóng đầu ra: Phần lớn các kích “điện tử” luôn có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn so với loại kích còn lại nếu cùng công suất do không sử dụng biến áp sắt từ có kích thước lớn, một phần còn lại các kích điện tử có thể có trọng lượng lớn bởi chúng sử dụng biến áp sắt từ thông thường dành cho việc nạp ắc quy. Nguyễn Đình Trai 33
34. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Trên hình, có ba dạng sóng hình cơ bản thường thấy trong kích điện: Đường màu xanh là sóng hình sin (hay thường gọi là “sin chuẩn”); Đường màu màu vàng là dạng sóng xung vuông; Đường màu đỏ là mô phỏng theo sóng sin. Về biên độ sóng, mức điện áp của sóng sin ở lưới điện 220V dân dụng tại đỉnh trên là 310V còn dạng mô phỏng sin (modified sine wave) và loại xung vuông (square wave) thì có mức điện áp thấp hơn. Chính vì các mức điện áp đỉnh này nên việc đo điện áp đầu ra của các kích điện bằng đồng hồ hiển thị số loại bình thường sẽ không chính xác bởi chúng thường đo theo mức điện áp đỉnh rồi chia căn 2, muốn đo chuẩn thì nên dùng một số loại đồng hồ kim hoặc đồng hồ số có chức năng đo RMS. Lưu ý thêm về điều này là nếu bạn dùng kích dạng mô phỏng hoặc dạng xung vuông với một ổn áp kiểu như LiOA thì sẽ cho ra mức điện áp cao với mức năng lượng lớn và chắc chắn sẽ gây cháy các thiết bị sử dụng điện trong nhà bạn. Theo cách thức hoạt động của các loại kích điện mà chúng có dạng sóng đầu ra khác nhau. Ta thử xem với các loại nguyên lý nào sẽ cho ra dạng sóng gì trong các loại dưới đây: Đối với các loại kích điện từ (kích cơ): có các dạng nguyên lý hoạt động: Loại thứ nhất: có nguyên lý giống như hình đã minh họa cho nguyên lý kích điện trình bày phía đầu bài này - nhưng có một mạch tạo ra mẫu sóng sin rồi sau đó khuyếch đại Nguyễn Đình Trai 34
35. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời chúng lên bằng các transistor công suất và biến áp. Về nguyên lý thì cách này có thể thực hiện được, nhưng trong thực tế thì người ta không hoặc hiếm khi áp dụng bởi chúng làm tổn hao nhiều công suất cho cái hình sin đẹp đẽ ấy – dẫn đến hiệu suất của bộ kích điện là rất thấp. Lý do hiệu suất thấp bởi nguyên lý này hoạt động giống như một bộ amply công suất lớn mà đặc tính của các transistor thông thường có tổn hao thấp nếu như chỉ ở hai trạng thái: “đóng” (không cho dòng đi qua) và “mở” (cho dòng đi qua hoàn toàn theo khả năng của transistor đó), còn ở trạng thái mở một phần (biến thiên để cho được ra dạng hình sin hoặc dạng khuyếch đại âm thanh) thì transistor sẽ toả ra nhiều nhiệt và hiệu suất sử dụng điện là thấp. Bạn có chấp nhận sử dụng một kích điện với hiệu suất rất thấp (cỡ dưới 50%) chỉ để ra được dạng sóng sin cực chuẩn hay không? Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động này lại thường áp dụng cho các loại kích tạo ra dạng sóng vuông hoặc mô phỏng sóng sin (hai loại còn lại trong hình trên). Do sự hoạt động của transistor để tạo ra sóng vuông hoặc mô phỏng sin là đóng hoặc mở hoàn toàn nên với nguyên lý này cho các loại kích 'không sin' là phù hợp. Đặc điểm nhận biết dạng kích hoạt động theo nguyên lý này là ở cuộn sơ cấp (cuộn có dây kích thước rất lớn để có thể cho dòng đến vài chục Ampe chạy qua) có 3 đầu dây ra: Một đầu là điểm giữa được nối với cực dương hoặc âm của ắc quy, đầu còn lại nối với các transistor - giống như hình trình bày nguyên lý ở phía đầu bài này. Loại thứ hai: tạo ra dạng sóng sin bằng cách sử dụng cầu H để cho ra dạng sóng xoay chiều ở mức điện áp thấp (mức điện áp ắc quy) rồi sử dụng biến áp sắt từ để biến đổi chúng thành mức điện áp 220V AC sử dụng thông thường. Nguyên lý này thường thấy ở nhiều loại kích thông dụng trên thị trường như các thương hiệu: MAXQ, Apollo, Netcca, Hồ Điện Đặc điểm nhận biết dạng kích hoạt động theo nguyên lý này là các đầu vào sơ cấp của biến áp sắt từ chỉ có hai đầu dây (thay vì 3 như loại sóng vuông hoặc mô phỏng). Đối với loại kích điện tử: việc tạo ra dạng sóng hình sin được thực hiện nhờ vào việc điều tiết tại 4 transistor đầu ra (cầu H - như đã trình bày ở phần trên). So với loại kích điện từ đã nói ở trên thì do điều tiết dạng sóng ở phần điện đầu ra nên dòng điện cần điều chỉnh nhỏ hơn (ví dụ 1000VA thì dòng chỉ khoảng 5A), do vậy nhiệt hao phí thấp hơn so với điều chỉnh ở phần điện áp thấp (12,24 V) với dòng vài chục Ampe - chính vì vậy mà kết hợp với việc sử dụng các biến áp xung có hiệu suất cao ở tầng trước nên các kích điện loại này có hiệu suất cao, có thể đạt trên 80% đến trên 85% hoặc cao hơn nữa Nguyễn Đình Trai 35
36. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời tuỳ thuộc vào công suất và loại tải. Một số thương hiệu cho loại kích này là: Thành Công, Hi-Lite và một số loại UPS online của các hãng sản xuất khác. Trong cả hai loại trên chất lượng sóng sin hoàn toàn phụ thuộc vào việc điều khiển các transistor, nếu như các bước điều khiển được băm càng nhỏ (xem hình bên) thì sóng càng có chất lượng tốt. Không những thế, việc điều chỉnh điện áp và dạng sóng tuỳ theo mức tải (công suất), loại tải (thuần/kháng/dung/kết hợp) cũng rất phức tạp, chính do vậy mà chỉ với các nguyên lý cơ bản trên nhưng các hãng sản xuất khác nhau lại có cách làm khác nhau (hoặc ngay một hãng cũng có cách thiết kế khác nhau để phù hợp với nhu cầu sử dụng của từng đối tượng) và cũng có chất lượng điện đầu ra khác nhau. Ảnh hưởng của dạng sóng không sin tới thiết bị tiêu thụ điện: Bởi dạng sóng điện đầu ra của các kích điện không hoàn toàn với dạng sóng của lưới điện dân dụng (tức hình sin) nên chúng có thể gây ảnh hưởng đến một số thiết bị sử dụng điện, một số thiết bị khác lại hoàn toàn không ảnh hưởng bởi dạng này. Dạng sóng xung vuông thường gây khó khăn cho sự hoạt động các thiết bị điện có tính chất cảm kháng – chủ yếu là các động cơ điện (ở trong quạt điện, điều hoà, tủ lạnh, máy bơm nước ). Nếu như với sóng sin chuẩn, các động cơ điện hoạt động một cách “mượt mà” thì với dạng sóng xung (như hình) các động cơ thường làm hiệu suất kém hơn, phát tiếng kêu và có thể gây nóng hơn bình thường. Nguyên nhân có lẽ do sự chuyển đổi mức điện áp của sóng vuông khiến từ trường giữa các cuộn dây thay cũng thay đổi đột ngột, dẫn đến các roto (phần quay của động cơ) làm việc cũng có mô men thay đổi đột ngột: tăng đột ngột (khi trạng thái từ 0V đến mức cực đại) hoặc hãm đột ngột (về mức 0V). và dẫn đến hiệu suất làm việc kém và các cuộn dây thường bị nóng. Tuỳ thuộc vào chất lượng và các đặc điểm riêng các động cơ điện mà có thể có ảnh hưởng sau: Nếu động cơ có chất lượng không cao (định vị cuộn dây không chắc chắn, lõi sắt không chặt ), do sự biến thiên đột ngột giữa các mức điện áp nên cuộn dây và lõi thép không chặt sẽ bị rung, gây ồn. Nếu roto có quán tính không lớn (đa số các quạt bàn, quạt cây đều nằm trong trường hợp này) thì chính bản thân các roto quay không đều (thời điểm điện áp xung cao thì roto có mô men lớn – nhưng nó chưa kịp quay theo phù hợp thì mô men đó bị ngắt bởi đến thời điểm điện áp xuống thấp, do quán tính thấp nên tốc độ quay lại giảm đi, rồi lại đến mức điện áp cao cứ như vậy liên tục nên roto quay một cách giật cục không đều như đối với dòng điện có dạng sin chuẩn (tuy nhiên điều này không nhìn được bằng mắt thường bởi sự quay giật cục đó xảy ra rất nhiều lần trong một giây). Nguyễn Đình Trai 36
37. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Đối với loại động cơ có trọng lượng roto lớn thì hiện tượng quay giật cục xuất hiện rõ nét trong thời điểm khởi động và sẽ giảm dần đến mức tối thiểu khi đã đạt tốc độ quay. Thực tế khi sử dụng hai chiếc quạt trần khác nhau (một cái 5 cánh của Panasonic, một cái 3 cánh của Phong Lan) ở nhà tôi đã cho thấy điều này. Tôi cảm nhận rằng do qán tính lớn nên tốc độ quay của roto lúc này đã không tăng lên/giảm đi đột ngột tương ứng với sự thay đổi của điện áp. Như vậy trong đa số trường hợp khi sử dụng quạt với kích điện, bạn nên hạn chế sự giảm hiệu suất làm việc bằng cách sử dụng với tốc độ cao nhất của quạt. Ảnh hưởng của dạng sóng không sin tới thiết bị tiêu thụ điện Bởi dạng sóng điện đầu ra của các kích điện không hoàn toàn giống với dạng sóng của lưới điện dân dụng (tức hình sin) nên chúng có thể gây ảnh hưởng đến một số thiết bị sử dụng điện, một số thiết bị khác lại hoàn toàn không ảnh hưởng bởi dạng này. Dạng sóng xung vuông thường gây khó khăn cho sự hoạt động các thiết bị điện có tính chất cảm kháng – chủ yếu là các động cơ điện (ở trong quạt điện, điều hoà, tủ lạnh, máy bơm nước ). Nếu như với sóng sin chuẩn, các động cơ điện hoạt động một cách “mượt mà” thì với dạng sóng xung (mô phỏng hình sin) thì các động cơ thường làm hiệu suất kém hơn, phát tiếng kêu và có thể gây nóng hơn bình thường. Nguyên nhân có lẽ do sự chuyển đổi mức điện áp của sóng vuông khiến từ trường giữa các cuộn dây của động cơ cũng thay cũng thay đổi đột ngột, dẫn đến roto (phần quay của động cơ) làm việc cũng có momen thay đổi đột ngột và dẫn đến hiệu suất làm việc kém. Tuỳ thuộc vào chất lượng và các đặc điểm riêng các động cơ điện mà có thể có ảnh hưởng sau: Nếu động cơ có chất lượng không cao (định vị cuộn dây không chắc chắn, lõi sắt không chặt ), do sự biến thiên đột ngột giữa các mức điện áp nên cuộn dây và lõi thép không chặt sẽ bị rung, gây ồn, phát nóng hơn. Nếu roto có quán tính không lớn (đa số các quạt bàn, quạt cây đều nằm trong trường hợp này) thì chính bản thân các roto quay không đều (thời điểm điện áp xung cao thì roto có mô men lớn – nhưng nó chưa kịp quay theo phù hợp thì mô men đó bị ngắt bởi đến thời điểm điện áp xuống thấp, do quán tính thấp nên tốc độ quay lại giảm đi, rồi lại đến mức điện áp cao cứ như vậy liên tục nên roto quay một cách giật cục không đều như đối với dòng điện có dạng sin chuẩn (tuy nhiên điều này không nhìn được bằng mắt thường bởi sự quay giật cục đó xảy ra rất nhiều lần trong một giây). Nguyễn Đình Trai 37
38. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Đối với loại động cơ có trọng lượng roto lớn thì hiện tượng quay giật cục xuất hiện rõ nét trong thời điểm khởi động và sẽ giảm dần đến mức tối thiểu khi đã đạt tốc độ quay. Như vậy trong đa số trường hợp khi sử dụng quạt với kích điện, bạn nên hạn chế sự giảm hiệu suất làm việc bằng cách sử dụng với tốc độ cao nhất của quạt. Còn điều mà nhiều người có thắc mắc: Kích điện có gây hỏng cho các thiết bị có tính cảm kháng hay không? Theo tôi thì đối với các thiết bị điện có động cơ với chất lượng quá tệ sẽ gây hiện tượng rung, nóng bên trong các cuộn dây và có thể gây om dây (làm mất tính chất cách điện của lớp vỏ) rồi dẫn đến chạm chập sau thời gian dài. Còn lại với các thiết bị có chất lượng từ trung bình trở lên (đến tốt) nếu được làm việc ở chế độ tốc độ lớn thì sẽ không ảnh hưởng nhiều – có chăng là sự khó chịu đối với một số người bởi tiếng kêu khác lạ so với khi sử dụng điện lưới thông thường. Nếu bạn sử dụng kích điện xung vuông đối với các thiết bị có động cơ, bạn có thể kiểm tra nhiệt độ làm việc của thiết bị (bằng cách sờ vào vỏ quạt chẳng hạn) nếu không quá nóng thì bạn có thể yên tâm sử dụng vào các thời gian sau này mà không cần kiểm tra lại. Ngoài các thiết bị điện có sử dụng động cơ điện trực tiếp được nêu trên, các thiết bị điện còn lại hầu như hoạt động tốt với các dạng sóng xung. Thật vậy, các thiết bị như ti vi, máy tính, màn hình máy tính, bóng đèn compact, đèn tuýp có chấn lưu điện tử đều biến đổi điện xoay chiều 220V thành điện một chiều ở đầu vào mạch của nó. Bạn có thể tham khảo một số mạch điện của ti vi hay của nguồn máy tính để thấy điều này. Cũng lưu ý thêm về đèn tuýp bởi có hai loại thông dụng hiện nay: Loại đèn có chấn lưu dây quấn (mà đi kèm với nó là tắc te – hay “chuột”) và loại dùng chấn lưu điện tử. Đối với loại đèn tuýp sử dụng chấn lưu điện tử thì cơ chế sử dụng điện của chúng cũng như ti vi và máy tính – tức là chúng dùng cầu đi ốt để chuyển thành điện một chiều trước khi dao động thành tần số cao để cung cấp cho bóng đèn (tương tự, các loại đèn compact tiết kiệm điện cũng có các chấn lưu điện tử nằm ở đui đèn), vậy loại đèn này cũng sử dụng tốt với kích điện. Loại đèn tuýp còn lại sử dụng chấn lưu bằng các vòng dây cuốn thông thường cùng với tắc te (chuột): bật đèn khá khó khăn khi sử dụng với các kích điện đầu ra là xung vuông. Nếu như bạn sử dụng các bộ kích điện và cảm thấy bật đèn khó khăn thì bạn nên chuyển sang sử dụng một bộ chấn lưu điện tử (việc này chỉ cần thay thế chấn lưu và đấu lại mạch điện theo sơ đồ trên vỏ của chúng, tuy chấn lưu điện tử không bền bằng loại dây quấn, nhưng chúng đảm bảo sử dụng đèn tuýp không bị sáng nhấp nháy và gây cận thị như loại chấn lưu dây quấn). Nguyễn Đình Trai 38
39. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời CHƯƠNG III: BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC Bộ điều khiển sạc Bộ điều khiển sạc năng Bộ điều khiển sạc năng Solar 12V/20AH lượng mặt trời 24V/20AH lượng mặt trời 48V/30AH Dựa trên cơ sở so sánh điện áp của IC khuếch đại thuật toán đối chiếu với lưu lượng điện trong bình mà mạch dưới đây có khả năng nạp tự động điều chỉnh lượng điện áp nạp cho bình: Nguyễn Đình Trai 39
40. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Nguyên lý hoạt động rất đơn giản như sau : Điotzen tạo điện áp tham chiếu ở đây sử dụng điotzen 6V . Nhờ điot này mà điện áp tham chiếu vào chân 2 luôn được giữ cố định dù bình đã vơi điện . Biến trở và các điện trở phân áp vào chân số 3 lấy điện áp thực tế của bình so sánh với điện áp tham chiếu ở chân số 2 . Khi điện áp của bình chứa đầy điện áp ở chân số 3 nhỏ hơn điện áp chân 2 đầu ra khuếch đại thuật toán ở mức 0 , rơle chưa có điện áp kích mở , dòng điện được nạp ở bình nhờ cầu điot. Khi bình đầy chân số 3 điện áp lớn hơn điện áp so sánh , lúc này chân 6 cấp dòng kích mở transitor đóng điện cho rơle, khi đó sẽ cách ly bình với dòng nạp , đèn led báo sáng , khi đó ta có thể ngắt bình ra được. Chú ý: bình ắc quy đầy ở điện áp tầm 13,7V sử dụng biến trở điều chỉnh đúng điện áp sao cho rơle tự ngắt ở điện áp này, nếu không có điotzen 6v thì dùng điotzen 3v vẫn được nhưng cần phân áp lại, IC ở đây là Lm741 có thể thay thế bằng các loại khác như Lm358, 324 Cần xác định đúng chân trước khi dùng. Dòng nạp nhỏ hơn 1/10 dung lượng ắc quy sẽ kéo dài tuổi thọ của bình , với loại bình 25A thì biến áp chọn loại 3A là hợp lý. Rơle sẽ không đóng ngay lập tức mà từ từ do đó sẽ điều chỉnh được dòng nạp hợp lý ta không cần băn khoăn về điều này. CHƯƠNG IV: BATTERY (Ắc-quy): I- Giới thiệu chung về ắc quy: ắc-quy là loại bình điện hóa học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị sữ dụng điện Nguyễn Đình Trai 40
41. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời các tính năng cơ bản của ắc-quy: - Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng điện nạp. - Sự tự phóng điện bé nhất. - Năng lượng nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ắc-quy phóng ra. - Điện trở của ắc-quy nhỏ. Nó bao gồm điện trở của các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực. thường trị số điện trở trong của ắc-quy khi nạp điện đầy là 0,001 ôm -0.0015 ôm và ắc-quy phóng điện hoàn toàn là 0.02-0.025. II- Cấu tạo của ắc-quy: Các bộ phận chủ yếu của ắc-quy axit gồm: - Các lá cực dương làm bằng Pb2 được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực dương. - Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực âm. Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ với nhau theo kiểu cái răng lược, sao cho cứ một lá cực(-) rồi đến một lá cực(+). - Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập mạch giữa các điện cực khác dấu. - Vỏ bình thường được làm bằng cao su cứng đúc thành hình hộp, chịu được khí nóng lạnh, va chạm mạnh và chịu được axit. Dưới đáy bình có các đế cao để dắt các lá cực lên, khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì đọng dưới rãnh đế như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực do mùn gây ra, nắp đậy ắc- quy cũng làm bằng vỏ cao su cứng, nắp có các lỗ để đổ dung dịch điện phân và đầu cực luồn qua. Nút đậy để dung dịch khỏi đổ ra. - Cấu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ắc-quy này với cực dương của ngăn ắc-quy kế tiếp. Nguyễn Đình Trai 41
42. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Nguyễn Đình Trai 42
43. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời III- Phân loại và nguyên lý hoạt động của ắc quy: Nếu điểm qua các loại ắc quy thì có lẽ có thể có nhiều cách gọi như: ắc quy nước, ắc quy axít, ắc quy axít kiểu hở, ắc quy kín khí, ắc quy không cần bảo dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL, ắc quy kiềm Thực ra thì cách nói như trên là các cách gọi khác nhau của vài loại ắc quy cơ bản mà thôi, các loại như vậy chính là cách gọi có thể bao hàm vào nhau mà nếu nghe qua bạn đừng hoang mang rằng tại sao có nhiều loại ắc quy như vậy. Trên thực tế thường phân biệt thành hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là ắc quy sử dụng điện môi bằng a xít (gọi tắt là ắc quy a xít hoặc ắc quy Chì-Axít) và ắc quy sử dụng điện môi bằng kiềm (gọi tắt là ắc quy kiềm). Tuy có hai loại chính như vậy nhưng ắc quy kiềm có vẻ ít gặp nên đa số các ắc quy mà bạn gặp trên thị trường hiện nay là ắc quy a xít. Trong cùng loại ắc quy axít cũng được phân chia thành hai loại chính: ắc quy axít kiểu hở thông thường và ắc quy axít kiểu kín khí. Hai loại này đang bị gọi nhầm một cách thông dụng là: ắc quy nước và ắc quy khô (đúng ra thì ắc quy điện môi dạng keo mới gọi là ắc quy khô). Khi đã hiểu về nguyên lý hoạt động của ắc quy axít thì bạn dễ dàng phân biệt được chúng và các đặc tính riêng của từng loại ắc quy này. Để biết được nguyên lý hoạt động của ắc quy, bạn có thể xem hình dưới đây: Hình: Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít Nguyễn Đình Trai 43
44. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Trong hình này vẽ đại diện hai bản cực của một ắc quy, trong đó cực cả hai cực được làm bằng Chì (Pb) và oxít Chì (PbO2). Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì chứa Nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích. Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng thái hóa học nêu trên (như hình, tức là cực dương là PbO2, cực âm là Pb), trong các quá trình phóng điện và nạp điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi. Có thể xem về trạng thái hóa học trong các quá trình phóng - nạp như hình dưới đây Nguyễn Đình Trai 44
45. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Quá trình phóng điện diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau: Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2 Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 Phản ứng chung gộp lại trong toàn bình là: Pb+PbO2+2 H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toàn chuyển thành PbSO4. Quá trình nạp điện cho ắc quy, do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong ắc quy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại trong toàn bình sẽ là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2 H2SO4. Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dương gồm: PbO2, cực âm là Pb. Trong thực tế, các bản cực ắc quy không giống như ở trên, các cực của ắc quy có số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn như vậy. Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn - và tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên. Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường số cực dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt một bản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi). Ở giữa các bản cực của ắc quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực. Nguyễn Đình Trai 45
46. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Hình: Các bản cực của ắc quy được gắn song song nhau Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xít chỉ cho mức điện áp khoảng 2 đến 2,2 V do đó để đạt được các mức 6, 12 V thì ắc quy phải ghép nhiều ngăn nhỏ với nhau, ví dụ ghép 3 ngăn để thành ắc quy 6V, ghép 6 ngăn để thành ắc quy 12V. Bạn có thể xem hình cấu tạo của ắc quy dưới đây để thấy được các ngăn ắc quy được bố trí như thế nào Nguyễn Đình Trai 46
47. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Điện áp của ắc quy (theo dung lượng) Mặc dù điện áp của các ắc quy là một số chẵn của 2, ví dụ như ắc quy 2V, 6V, 12V, 24V nhưng trên thực tế thì điện áp thông thường của các ắc quy không như vậy. Mức điện áp mà các ắc quy cung cấp thường lớn hơn so với định mức của chúng, ví dụ như ắc quy 12V sẽ cung cấp mức điện áp tới 13V hoặc hơn. Có điều có vẻ vô lý này cũng xuất phát từ mức độ điện áp trên mỗi ngăn bình của chúng: Mức điện áp mỗi ngăn bình ắc quy a-xít là 2,1 đến 2,2 V (±0,05V). Do tính chất cố hữu của ắc quy axit mà các ngăn của chúng không thể có mức điện áp cao hơn. Cũng để đánh giá dung lượng của ắc quy a-xít, người ta có các thí nghiệm đo đạc và cho thấy dung lượng ắc quy phụ thuộc vào mức độ điện áp (lúc không phát dòng) như hình sau: Nguyễn Đình Trai 47
48. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Nếu biểu diễn ở dạng bảng thì thông số như bảng dưới đây. Nếu như ắc quy thuộc loại 24V thì nhân thông số ở mục điện áp một ngăn với 12. Điện áp ắc quy Dung lượng Điện áp một ngăn 12V 100% 12.7 2.12 90% 12.5 2.08 80% 12.42 2.07 70% 12.32 2.05 60% 12.20 2.03 50% 12.06 2.01 40% 11.9 1.98 30% 11.75 1.96 20% 11.58 1.93 10% 11.31 1.89 Nguyễn Đình Trai 48
49. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời 0 10.5 1.75 Lưu ý rằng bảng trên đúng trong trường hợp ắc quy không mang tải, điều đó có nghĩa là nếu như kích điện đang hoạt động và bạn đo được điện áp các ắc quy là một số lượng nào đó thì không thể lấy giá trị đó để đánh giá lưu lượng bình ắc quy còn lại (là bao nhiêu %). Điều này bởi vì khi phát dòng thì các ắc quy có điện áp tụt xuống, trong trường hợp không phát dòng nữa thì mức điện áp đo được mới phản ánh đúng trạng thái dung lượng còn lại của ắc quy. Khi đang phát dòng thì điện áp ắc quy giảm xuống Cũng theo bảng trên thì dung lượng ắc quy sẽ cạn kiệt ở mức điện áp 10,5V, một số kích điện loại "điện tử" (tức là theo dõi được mức độ điện áp đầu vào) sẽ lấy mốc 10,7V để ngừng hoạt động nhằm tránh cho sự sử dụng ắc quy cạn kệt (gây hại cho ắc quy). Điều đó là hợp lý bởi nếu như sử dụng điện từ ắc quy ở trạng thái cạn kiệt thì các bản cực của ắc quy sẽ nhanh bị hư hỏng, dẫn đến hư hỏng chung cho toàn bộ ắc quy (trong một ắc quy 12V, chỉ một trong 6 ngăn hư hỏng thì toàn bộ ắc quy đó sẽ hư hỏng). Các ắc quy thông dụng thường chế tạo ở mức điện áp 12V, số lượng ít hơn là các ắc quy 6V dùng cho một số quạt hoặc đèn tích điện. Các ắc quy 24V trở lên không phải là không có nhưng rất hiếm và thường việc tìm kiếm thay thế cho các ắc quy này rất khó khăn (ở nơi làm việc cũ của mình có một xe chạy điện sử dụng ắc quy 24V, khi nó hỏng thì rất khó mua ắc quy này). Vậy nếu như kích điện của bạn sử dụng mức điện áp 24V thì bạn nên dùng nối tiếp các ắc quy 12V (tốt nhất là có cùng hãng sản xuất, cùng dung lượng và cùng lô sản xuất) lại với nhau chứ không nên nhất thiết phải tìm kiếm đúng loại ắc quy 24V cho chúng. Dung lượng ắc quy và ảnh hưởng bởi chế độ phóng Dung lượng là thông số cơ bản, tham số này cho biết được khả năng lưu trữ điện năng của ắc quy. Đơn vị tính của thông số này được tính thông dụng theo Ah (Ampe giờ), một số ắc quy nhỏ hơn (và thường là các pin) thì tính theo mức mAh (mili-ampe giờ). Một cách đơn giản để dễ hình dung về tham số dung lượng ắc quy như sau: Ah là tham số bằng số dòng điện phát ra (tính bằng Ampe) trong khoảng thời gian nào đó (tính bằng giờ). Ví dụ như ắc quy 10 Ah thì có thể phát một dòng điện 10A trong vòng một giờ, hoặc 5A trong 2 giờ, hay 1A trong 10. Nguyễn Đình Trai 49
50. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Nhưng trên thực tế thì dung lượng ắc quy lại bị thay đổi tuỳ theo cường độ dòng điện phóng ra. Nếu dòng điện phóng càng lớn thì dung lượng ắc quy còn lại càng nhỏ và ngược lại, dòng điện phóng nhỏ thì dung lượng được bảo toàn ở mức cao. Ví dụ về dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào cường độ dòng phóng được thể hiện như bảng dưới đây (số liệu sưu tầm) Thời Accu 100Ah Accu 26Ah gian (phút) Dòng phát (A) Dung lượng (Ah) Dòng phát (A) Dung lượng (Ah) 90 57 85 13 19 60 74 74 19 19 50 86 71 21 18 45 93 70 23 17 40 102 68 25 17 30 129 64 31 15 20 174 58 40 13 15 213 53 49 12 10 275 45 63 10 Theo bảng trên thì nếu như phóng điện với dòng 57A, ắc quy 100Ah chỉ còn dung lượng là 85Ah và tương ứng chỉ phóng điện được 90 phút. Vì đa số các kích điện đang được sử dụng thuộc loại công suất từ 800VA đến 1000VA nên dòng tiêu thụ cực đại sẽ xấp xỉ với mức 57A nêu trên nên người dùng nên chú ý đến thông số này. Vậy thì phóng dòng điện càng lớn thì dung lượng của ắc quy càng giảm đi. Muốn dung lượng ắc quy đúng như số liệu công bố của các hãng sản xuất thì có lẽ phải phóng với một dòng đủ nhỏ mà chỉ có thể thực hiện được điều này thông qua việc sử dụng điện tiết kiệm (sử dụng với nhu cầu tối thiểu) hoặc phải trang bị một hệ thống nhiều ắc quy. Có điều gì vô lý ở đây chăng? Năng lượng tích trữ trong ắc quy bị mất đi - và điều đó vi phạm định luật bảo toàn năng lượng? Chắc chắn là không phải, năng lượng không tiêu hao đi mất, nó sẽ vẫn nằm trong ắc quy nhưng không thể phóng được ra mà thôi. Nguyễn Đình Trai 50
51. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Nhìn lại hình phía trên ta thấy rằng khi ắc quy trong trạng thái còn có thể phóng điện thì cực dương là PbO2 còn cực âm là Pb quá trình phóng điện sẽ làm cho cả hai đều biến thành PbSO4. Nếu quá trình phóng điện diễn ra một cách từ từ thì các cực được lần lượt chuyển thành PbSO4 mà chúng không bị đè lên nhau (tức là lớp PbSO4 đè lên lớp PbO2 ở cực dương hoặc Pb ở cực âm), do đó dung lượng ắc quy không bị mất đi. Nếu phóng điện với dòng điện lớn thì phản ứng xảy ra mạnh, PbSO4 sinh ra nhiều và bám vào các cực đè lên các lớp PbO2 hoặc Pb khiến cho sau một thời gian ngắn thì chúng không còn phản ứng được nữa (do đã bị nằm phía trong của bản cực), điều đó dẫn đến dung lượng bình thực tế bị giảm đi. Các tham số khác của ắc quy Dòng khởi động nguội CCA (Cold Cranking Amps) Là một tham số thường được quan tâm khi dùng ắc quy cho các ô tô mà chủ yếu là dùng cho khởi động. Dòng khởi động nguội là dòng điện có thể phát ra được trong trạng thái nhiệt độ 0 độ F (tức bẳng - 17,7 độ C) trong vòng 30 giây. Tham số này thường chỉ được quan tâm tại các nước có nhiệt độ thấp (dưới 0 độ C), khi đó việc khởi động của động cơ gặp khó khăn vì độ nhớt dầu không đảm bảo và việc các phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện nhiệt độ thấp thường khó khăn hơn so với khi ở nhiệt độ cao. Dòng khởi động nóng HCA (Hot Cranking Amps) Tương tự như dòng khởi động nguội, nhưng nó được tính tại nhiệt độ 80 độ F (tức khoảng 26,7 độ C). Tham số này thường ít quan trọng hơn so với thông số khởi động nguội (và thông số này cũng ít khi được ghi vào nhãn của các ắc quy). Dung lượng RC (Reserve Capacity) Là tham số thể hiện thời gian phóng điện với dòng 25A ở nhiệt độ 25 độ C cho đến khi điện áp ắc quy hạ xuống dưới mức sử dụng được. Thông số này khá trực quan, thể hiện sự hoạt động liên tục của ắc quy ở chế độ bình thường với nhu cầu sử dụng thông thường (đa phần người dùng kích điện thường phát dòng ở mức này). Trên đây là các thông số của một ắc quy. Tất cả các ắc quy đều ghi thông số về điện áp và dung lượng, còn lại hai thông số khá quan trọng sau nó là CCA và RC thì ít được ghi trên nhãn của chúng hơn. Cá nhân tôi thì thường thiện cảm đối với các loại ắc quy được ghi rõ ràng các thông số như vậy bởi nó gần như một sự đảm bảo về chất lượng đã công bố. So sánh hai loại ắc quy thông dụng Thị trường hiện có hai loại ắc quy thông dụng là: ắc quy axít kiểu hở và ắc quy axít thiết kế theo kiểu kín khí – miễn bảo dưỡng (loại này hay bị gọi là ‘ắc quy khô’ Nguyễn Đình Trai 51
52. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời nhưng thực ra thì dùng từ này là không đúng lắm bởi ắc quy khô một cách chính xác là loại ắc quy không dùng điện dịch). Sự khác nhau giữa hai loại ắc quy này thể hiện trong bảng sau: Tiêu chí Ắc quy axít thông Ắc quy axít loại kín khí. thường (loại hở) Giá thành Rẻ hơn so với loại ắc quy Đắt hơn so với ắc quy thông thường, kín khí bởi chế tạo đơn nhiều hãng phải nhập nước ngoài (Ví dụ giản hơn. loại ATLAS nhập từ Hàn Quốc, Thunder do GS nhập khẩu). Cách Có các nút ở các ngăn Không có nút ở các ngăn bình, thường phân biệt bình (dùng để bổ sung ghi rõ ắc quy không cần bảo dưỡng ở vỏ hai loại nước cất sau quá trình sử bình hoặc tài liệu kèm theo. dụng), nếu ắc quy 12V thì sẽ có 6 nút này. Trạng thái Tương đương nhau Tương đương nhau, nhưng sau khi phát phóng điện dòng điện lớn thì ắc quy kín khí thường phục hồi điện áp nhanh hơn, tuy nhiên điều này không ảnh hưởng đến hoạt động của kích điện. Trạng thái - Khi nạp có thể phát ra - Khi nạp ắc quy không phát sinh khí ra khi nạp khí cháy hoặc khí có mùi môi trường bên ngoài nên không có mùi. điện và khói chịu. - Dòng điện nạp có thể lên tới 0,25 lần dòng nạp - Dòng điện nạp lớn nhất trị số dung lượng ắc quy (ví dụ loại 100 cho phép chỉ nên bằng 0,1 lần trị số Ah có thể nạp với dòng lớn nhất là 25A) dung lượng ắc quy (Ví dụ loại 100Ah chỉ nên nạp với dòng cao nhất là 10A) Chế độ - Nếu mức điện dịch từng - Không phải bổ sung điện dịch trong bảo dưỡng ngăn ở ắc quy thấp hơn quá trình sử dụng. quy định thì phải bổ sung. - Phải nạp điện định kỳ trong thời gian - Định kỳ phải nạp điện không sử dụng, nhưng chu kỳ nạp định bổ sung cho ắc quy. Chu kỳ dài hơn so với loại ắc quy axít thông kỳ nạp định kỳ khoảng 3 thường. tháng/lần nếu không nối với thiết bị tiêu thụ điện. Nguyễn Đình Trai 52
53. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Tuổi thọ Tuổi thọ thấp hơn so với Thường có tuổi thọ cao hơn so với ắc loại ắc quy kín khí. quy loại hở thông thường. So bảng trên thì bạn thấy rằng ắc quy kín khí sẽ có nhiều ưu việt hơn so với ắc quy axít thông thường, nếu tình hình tài chỉnh cho phép thì bạn nên chọn loại ắc quy kín khí. Nếu sử dụng loại ắc quy axít thông thường thì cần lưu ý đến điều chỉnh dòng nạp và đặc biệt lưu ý không gây phát sinh tia lửa (do chạm chập dây hoặc hút thuốc) gần ắc quy khi nạp bởi chúng dễ gây cháy nổ hơn loại kín khí (quá trình nạp có thể xảy ra sự điện phân nước để tạo ra hai chất khí dễ cháy nổ là Hiđrô và ôxy). Ngoài hai loại thông dụng trên thì thị trường cũng có một số loại ắc quy khô một cách thực sự, chúng vẫn dùng cá bản cực bằng PbO2 và Pb với điện môi H2SO4 nhưng được trữ ở dạng keo sệt (gel). Ưu điểm của loại ắc quy này là chúng không gây mùi khó chịu khi nạp điện, không gây chảy axit khi bị vỡ, có thể hoạt động ở các vị trí đặt khác nhau. Nhược điểm là chế độ nạp khắt khe và không chịu được quá nạp (khi nạp loại này chỉ được nạp với dòng nhỏ hơn 1/20 dung lượng), nếu thường xuyên quá nạp loại ắc quy này thì tuổi thọ của chúng sẽ giảm rất nhanh. CHƯƠNG V: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Để thiết kế một hệ solar, chúng ta lần lượt thưc hiện các bước sau: 1- Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp. Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày. 2- Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày. Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải. Nguyễn Đình Trai 53
54. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng 3- Tính toán kích cở tấm pin mặt trời cần sử dụng Để tính toán kích cở các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại 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 đưa ra một hệ số gọi là "panel generation factor", tạm dịch là hệ số phát điện của pin mặt trời. Hệ số "panel generation factor" này là tích số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) trong các tháng ít nắng của vùng, đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày). Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Việt Nam là khoảng 4.58 kWh/m2/ngày cho nên lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 4.58 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặt trời. Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp 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 battery sẽ cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery 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 solar có độ dự phòng 4 ngày, ( gọi là autonomy day, là những ngày không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lượng battery phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời. Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là Nguyễn Đình Trai 54
55. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời 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 solar trong vùng. 4- Tính toán bộ inverter Đối với hệ solar stand-alone, bộ inverter 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 motor thì phải tính toán thêm công suất để đáp ứng thời gian khởi động của motor. Chọn inverter có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định của battery. Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện, ta không cần battery, điện áp vào danh định của inverter phải phù hợp với điện áp danh của hệ pin mặt trời. 5- Tính toán battery Battery dùng cho hệ solar là loại 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 ( có nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao. Số lượng battery cần dùng cho hệ solar là số lượng battery đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng (autonomy day) khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được. Ta tính dung lượng battery như sau: - Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của battery - Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6, ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery Nguyễn Đình Trai 55
56. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Kết quả trên cho ta biết dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng. Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượng battery cho số autonomy-day để có số lượng battery cần cho hệ thống. 6- Thiết kế solar charge controller Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của battery. Vì solar charge controller có nhiều loại cho nên bạn cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar 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 solar charge controller phụ trách. Công suất của solar charge controller phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp battery. Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch của PV Ví dụ cụ thể: Tính hệ solar cho 1 hộ dân vùng sâu có yêu cầu sử dụng như sau: - 1 bóng đèn 18 Watt sử dụng từ 6-10 giờ tối. - 1 quạt máy 60 Watt mỗi ngày sử dụng khoảng 2 giờ. - 1 tủ lạnh 75 Watt chạy liên tục 1- Xác định tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày = (18 W x 4 giờ) + (60 W x 2 giờ) + (75 W x 12 giờ) = 1,092 Wh/day (tủ lạnh tự động ngắt khi đủ lạnh nên xem như chạy 12 giờ nghỉ 12 giờ) 2- Tính pin mặt trời (PV panel) PV panel = 1,092 x 1.3 = 1,419.6 Wh/day. Tổng Wp của PV panel = 1,419.6 / 4.58 = 310Wp Nguyễn Đình Trai 56
57. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Chọn loại PV có 110Wp thì số PV cần dùng là 310 / 110 # 3 tấm 3- Tính inverter Tổng công suất sử dụng = 18 + 60 + 75 = 153 W Công suất inverter = 153 x 125% # 190W Chọn inverter 200W trở lên 4- Tính toán Battery Với 3 ngày dự phòng, dung lượng bình = 178 x 3 = 534 Ah Như vậy chọn battery deep-cycle 12V/600Ah cho 3 ngày dự phòng. 5- Tính solar charge controller Thông số của mỗi PV module: Pm = 110 Wp, Vm = 16.7 Vdc, Im = 6.6 A, Voc = 20.7 A, Isc = 7.5 A Như vậy solar charge controller = (3 tấm PV x 7.5 A) x 1.3 = 29.25 A Chọn solar charge controller có dòng 30A/12 V hay lớn hơn. CHƯƠNG VI: HÒA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀO LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA Để hòa điên từ hệ thống điện năng lượng mặt trời vào lưới quốc gia thì chúng ta sử dụng Thiết Bị Đồng Bộ AC, Hòa Lưới Điện, Chuyển đổi đồng bộ AC 220V: - Đây là thiết bị hoàn hảo cho việc đưa năng lượng mặt trời, Năng Lượng Gió, Năng Lượng Sinh Thái dần thay thế năng lương hóa thạch( dầu, nguyên tử ). Vì xem xét vào thực tế của đất nước ta hiện nay khi mà nguồn điện được tạo ra chủ yếu nhờ thủy điện. Đặc điểm của thủy điện là chỉ dồi dào vào mùa mưa còn mùa nắng thì hoàn toàn khô cạn. Nhưng mặt trời thì ngược lại mùa mưa rất ít ánh sáng còn mùa năng thì rất dồi dào, việc ứng dụng hai đặc điểm này sẽ tạo ra nguồn năng lượng liên tục quanh năm là điều rất khả thi và hoàn toàn không gây ô nhiễm, giảm đi sự nóng lên Nguyễn Đình Trai 57
58. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời của trái đất. Khi vào mùa nắng ngoài trời nóng cháy người nhưng trong nhà của ta thì mát lạnh. - Thiết Bị hòa mạng mang lại lợi ích như thế nào: nâng cao hiệu suất thu năng lượng tránh hiện tượng dư thừa năng lượng vô ích: nếu ta nạp vào ắc quy thì ắc quy cũng sẽ đầy, các thiết bị điện có lúc dùng lúc không Những lúc như vậy việc xảy ra dư thừa năng lương vô ích. Khi hòa vào lưới điện thì khi thừa năng lượng sẽ chia sẻ cho nơi khác hay đưa vào sản xuất, khi ta cần lại có điện sử dụng. - Bộ hòa lưới điện: là thiết bị lấy năng lượng mặt trời hòa chung vào lưới điện để chia sẻ cho mọi người hay những nơi sản xuất. Khi mà thời gian tạo ra năng lượng khi có mặt trời chúng ta lại không dùng đến còn những lúc ta cần dùng thì không có ánh sáng. Nếu ta lấy năng lượng mặt trời mà dự trữ vào ắc quy thì sẽ rất tốn kém, hiệu quả không cao. Ta hãy xem xét vài đặc điểm sau để hiểu thêm trong việc này: Khi ta sử dụng thì việc các thiết bị dùng một công suất nhất định là chuyện không thể. Ví dụ khi đến gần trưa ta phải nấu cơm, lúc nào cần giặt quần áo mới dùng máy giặt, hết nước cần bơm nước Vấn đề là chúng ta không thể dùng cố định một danh định công suất mà lúc thì sài công suất quá lớn, lúc thì chẳng sử dụng gì cả. Như vậy ta tạo ra năng lượng việc hòa vào lưới điện sẽ rất có lợi vì khi ta không dùng ta chia sẻ cho các nhà máy sản xuất dùng hay các nhà lân cận sử dụng. Còn khi ta cần dùng công suất lớn hơn nhiều thì cần được người khác chia sẻ hay nguồn điện quốc gia cung cấp thêm vào. Nên việc hòa mạng sẽ đem lại lơi ích rất lớn và làm cho ta không bị hạn chế bởi quá trình sử dụng thiết bị điện trong sinh hoạt của chúng ta. Tăng tuổi thọ cho các bình ắc quy vì không dùng thường xuyên. Nếu không hòa mạng mà chỉ tạo ta nguồn điện với một công suất danh định, giả sử trong trường hợp ta vận hành máy lạnh, hay động cơm bơm nước Ta có một máy phát điện mặt trời với công suất đả để vận hành như 2KW nhưng các động cơ này khi khởi động cần công suất lớn hơn để khởi động vì lúc khởi động momen quay của động cơ bằng 0. Do đó khi khởi động sẽ phải tốn công suất gấp 3 đến 4 lần công suất vận hành, nên sẽ làm máy phát tắt tức thời và bật tắt liên tục vì bảo vệ an toàn cho máy phát. Gây không thể làm việc. Nhưng khi hòa mạng thì khác khi công suất máy phát điện mặt trời thiếu thì nguồn quốc gia sẽ hỗ trợ và làm cho động cơ chạy, nhưng khi đã chạy ổn định rồi thì không cần nguồn quốc gia nữa mà năng lương dư thừa lại chia sẻ sang cho người khác sử dụng. Nên khi mùa nắng không cần nhiều năng lượng từ nguồn quốc gia mà nguồn quốc gia giống như một nguồn hỗ trợ cho việc vận hành, điều hòa công suất cho mọi nơi. Giảm đi tổn thất trên đường truyền tải do công suất tại nơi tiêu thụ giờ đây giảm đi. Vì tại nơi tiêu thụ điện cũng là nơi tạo ra điện. Nếu tại sài gòn có một triệu hộ với 1 triệu panel 200W thì sài gòn sẽ tạo ra một nhà máy phát điện công suất 200 triệu Wait trên giờ và một ngày khoảng 8h nắng như vậy một ngày sài gòn sẽ tạo ra cả triệu KW/ngày và một năm có 365 ngày. Nguyễn Đình Trai 58
59. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời Nếu chúng ta không hòa mạng: thì khi không dùng năng lượng mặt trời sẽ phải nạp vào ắc quy như vậy làm chi phí tăng khổng lồ cho nguồn dự trữ ắc quy. Mặt khác không có khai thác hết công suất và hiệu suất từ nguồn năng lượng mặt trời, vì bạn không thể mua ắc quy lớn đến mức tích trữ hết công suất tiêu thụ, lại làm cho Accu mau hư do nạp xả liên tục, gây hư hại ắc quy tăng chi phí đầu tư và chi phí vận hành giảm đi việc thu lại vốn và lợi nhuận từ việc tạo ra năng lượng bằng mặt trời. Đặc điểm nữa liên quan đến việc tạo ra năng lượng điện từ mặt trời đó là công suất không đều theo thời gian trong ngày. Nghĩa là vào buổi sáng và buổi chiều công suất thấp hơn nhiều lần công suất tại buổi trưa cho dù các Panel mặt trời có dùng hệ thống tracking định hướng theo mặt trời, do đó việc điều hòa bằng cách hòa mạng là một giải pháp trong tương lai và ít tốn kém trong việc bảo trì, vận hành và hoạt động. Khi hòa mạng điện lợi ích tiếp theo đó là giảm thấp thoát năng lượng trong việc truyền tải điện năng đi xa. Các nhà máy điện thường ở rất xa thành phố, mà thành phố là nơi tiêu thụ lượng điên khổng lồ, nên tiêu hao và thấp thoát năng lượng rất lớn trên đường dây. Nay hòa mạng sẽ có nguồn năng lượng tại chỗ, sẽ giảm đi năng lượng truyền tải từ xa nên giờ với đường dây truyền tải năng lượng lớn bây giờ chỉ truyền tải ít năng lượng hơn, thì hiệu suất truyền tải lớn hơn do đó giảm thấp thoát năng lượng trên đường dây. Giai đoạn hòa nhịp giữa thiết bị với nguồn điện: - Thời Điểm hòa lưới điện cho ta thấy tần số dạo động nội ổn định và chạy sang phải, còn tần số nguồn điện lưới quốc gia chậm hơn chút xíu nên sau khi hòa vào lưới điện quốc gia ta không còn thấy tín hiệu chạy sang phải nữa mà trôi theo tần số nguồn điện lưới. Quá trình này kể từ khi khởi động thiết bị cho đến khi hòa nhịp vào mạng chỉ có 2s. - Để làm được điều này là nhờ kỹ thuật xử lý bám theo và kỹ thuật chuyển mạch tạo ra sóng sin đồng bộ với nguồn điện quốc gia đưa năng lượng hòa vào mạng điện quốc gia để sử dụng. - Các tình huống mà một bộ hòa mạng phải đảm bảo về kỹ thuật cũng như về công nghệ để đưa vào thực tế ứng dụng: Khi quá tải trầm trọng thiết bị sẽ ngắt ngay lập tức và vào chế độ tản nhiệt. Tình huống này xảy ra nếu Đường Backup được thiết kế là nguồn cung cấp vào, khi mất Nguyễn Đình Trai 59
60. Công ty TNHH VIETPECO Hệ thống điện năng lượng mặt trời điện thì ta đang sử dụng các thiết bị tiêu thụ công suất lớn như: bếp điện máy lạnh. Khi đó thiết bị sẽ tắt ngay lập tức và sẽ đóng trở lại sau 5 phút, nếu vẫn còn tình trạng này thiết bị lại tiếp tục ngắt cứ mỗi lần mở nguồn không thành công thì thời gian nghỉ sẽ tăng thêm 5 phút. Vì hệ thống điện hiện tại không có đường dây Backup riêng nên phải dùng chung với hệ thống dây điện chính, do vậy sẽ có vài trở ngại như không thể cung cấp nguồn cho các máy tính, tắt các thiết bị công suất lơn Đường Backup light: Hoạt động 2 chế độ, chế độ mặc định là chế độ backup để bạn có thể dẫn đường riêng vào trong các máy tính, khi mất điện đường Backup quá tải nhưng Backup light vẫn có điện để máy tính hoạt động bình thường. muốn hoạt động ở chế độ Backup light để thắp sáng đèn khi mất điện thì phải cài đặt từ máy tính. Thiết Bị: Do lấy nguồn điện từ panel mặt trời rồi hòa vào mạng điện, nên phải để gần Panel mặt trời thì giảm đi chi phí dây dẫn, hiệu suất cao nên phải lắp đặt trên cao. Do đó cần có một ngõ để giám sát qua máy tính hay đưa vào Board mạch xử lý trung tâm bên ngoài để mở rộng chức năng hoạt động của thiết bị đáp ứng nhiều ứng dụng. - Đèn Hiệu, Báo Hiệu: để báo các trạng thái hoạt động của thiết bị. Đèn bên phải: Có 3 màu. màu đỏ báo hiệu đang chuyển năng lượng mặt trời và Backup, khi này là mất điện chính nên thiết bị lấy năng lượng mặt trời chuyển vào mạng backup và Backlight. Màu xanh báo hiệu đang hòa mạng vào lưới điện quốc gia. Đèn tắt báo hiệu ngưng hoạt động( ban đêm không có năng lượng mặt trời). Đèn Vàng ánh sáng mặt trời yếu. Đèn xanh chớp báo hiệu chế độ Standby ngưng vận hành do người dùng. Đèn Đỏ chớp lỗi quá tải sử dụng. Đèn Vàng chớp báo hiệu đang ở giai đoạn tản nhiệt do quá tải sử dụng, thiết bị sẽ mở nguồn trở lại khi nguội hay có điện nguồn chính từ mạng quốc gia. Đèn Bên trái: chỉ có màu xanh. Báo hiệu chế độ sạc ắc quy, chế độ Backup và chế độ ắc quy đầy. Khi ắc quy đầy đèn màu xanh sáng nhất. ắc quy ở chế độ sạc đèn sẽ sáng dần lên. Chế độ Backup đèn sáng mờ dần đi. Đèn chớp báo hiệu chế độ standby ngưng hoạt động do người sử dụng. Đèn Tắt báo hiệu hết ắc quy. Thiết bị kêu bíp nhưng vẫn hoạt động bình thường là do quá tải. Thiết bị sẽ tắt sau thời gian khi nhiệt độ quá nóng Nguyễn Đình Trai 60