Đồ án Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời

 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
 LỜI MỞ ĐẦU 
Điện năng đang ngày càng đóng vai trò hết sức quan trọng trong đời sống 
con người chúng ta. Chính vì những ưu điểm vượt trội của nó so với các 
nguồn năng lượng khác (như: dễ chuyển thành các dạng năng lượng khác, 
dễ truyền tải đi xa, hiệu suất cao) mà ngày nay điện năng được sử dụng 
hết sức rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ công nghiệp, dịch vụ,...cho đến phục 
vụ đời sống sinh hoạt hằng ngày của mỗi gia đình. Có thể nói rằng ngày 
nay không một quốc gia nào trên thế giới không sản xuất và tiêu thụ điện 
năng, và trong tương lai thì nhu cầu của con người về nguồn năng lượng 
đặc biệt này sẽ tiếp tục được năng cao. 
Hiện nay, đất nước ta đang trên con đường công nghiệp hóa- hiện đại 
hóa nên nhu cầu sử dụng điện năng trong tất cả các lĩnh vực ngày càng 
tăng. Vì vậy năng lượng điện có vai trò hết sức quan trọng đối với sự 
phát triển kinh tế và ổn định chính trị xã hội. Với tính ưu việt đó điện 
năng được sử dụng rộng rãi, không thể thiếu trong sinh hoạt và sản xuất. 
vì vậy khi xây dựng một nhà máy, một khu công nghiệp hay một tòa nhà 
cao tầng thì vấn đề xây dựng một hệ thống điện để cung cấp điện năng 
cho các tải tiêu thụ là không thể thiếu được. 
 Hệ thống điện ngày càng phức tạp, đòi hỏi việc thiết kế cung cấp có 
nhiệm vụ đề ra những phương án cung cấp điện hợp lí và tối ưu. Một 
phương án cung cấp điện tối ưu sẽ giảm chi phí đầu tư xây dựng hệ 
thống điện giảm tổn thất điện năng vận hành đơn giản và thuận tiện trong 
việc bảo trì sửa chữa. 
 Ngày nay các nguồn năng lượng sơ cấp đang có nguy cơ bị suy kiệt, do 
con người càng ngày có nhu cầu sử dụng điện càng cao nên việc khai 
thác các tài nguyên sơ cấp cũng nhiều để cung cấp đủ lượng điện cho 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 1 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
con người sử dụng. Mà hầu như các quy trình chuyển nguồn năng lượng 
sơ cấp này sang điện năng thương gây ô nhiễm môi trường. Nên yêu cầu 
cấp thiết hiện nay là tìm kiếm ra nguồn năng lượng sạch và có thể sử 
dụng trong tương lai, ứng dụng nguồn năng lượng đó trong thiết kế cung 
cấp điện cho con người 
 Trên cơ sở đó và được sự hướng dẫn của Thầy Trần Duy Chung 
chúng em thực hiện thiết kế cung cấp điện năng lượng mặt độc lập trời 
cho một gia đình có các thiết bị điện gồm: 2 điều hòa, 1 tủ lạnh, 1 tivi, 3 
máy quạt, 1 máy giặt, 15 bóng đèn (led) 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 2 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 
 ... 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 3 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
 MỤC LỤC 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................... 6 
 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN .................... 6 
 1.2 GIỚI THIỆU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................ 7 
 1.3 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................. 8 
 1.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .............................. 8 
 1.4.1 Hệ thống độc lập, ngoài lưới điện .............................................. 8 
 1.4.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện ................................. 11 
 1.4.3 Hệ thống nối với lưới điện và dự phòng .................................. 14 
 1.4.4 Hệ thống bổ sung lưới điện ...................................................... 16 
 1.5 CÁC BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ..... 17 
 1.5.1 Panel mặt trời ........................................................................... 17 
 1.5.2 Acquy ....................................................................................... 19 
 1.5.3 Bộ điều khiển (solar charge controller) ................................... 19 
 1.5.4 Bộ biến tầng (Inverter) ............................................................. 20 
 1.5.5 Trang thiết bị điện .................................................................... 20 
 1.6 CÁCH KẾT NỐI CÁC BỘ PHẬN VỚI NHAU ....................... 21 
 1.6.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập ................................................ 21 
 1.6.2 Hệ thống nối với điện lưới sử dụng bô biến tần trung tâm ...... 22 
 1.6.3 Hệ thống nối với lưới sử dụng nhiều bộ vi biến tần ................ 23 
 1.7 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI .................... 23 
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ .. 28 
 2.1 CÁCH TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ......................................... 28 
 2.2 TÍNH TOÁN ................................................................................. 32 
 2.2.1 Công suất tiêu thụ của các thiết bị điện trong gia đình............ 32 
 2.2.2 Tính toán số watt-hour của tấm pin mặt trời ........................... 33 
 2.2.3 Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng.......................... 33 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 4 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
 2.2.4 Tính toán bộ inverter ................................................................ 34 
 2.2.5 tính toán battery ....................................................................... 34 
 2.2.6 Tính solar charge controller ..................................................... 35 
 2.2.7 Tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn ....................................... 36 
 2.2.8 Tính toán diện tích lắp điện tấm pin năng lượng mặt trời ....... 38 
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG 
MẶT TRỜI .............................................................................. 39 
 3.1 KHẢO SÁT KHU VỰC LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT 
 TRỜI .................................................................................................... 39 
 3.2 LỰA CHỌN HƯỚNG VÀ GÓC PHÙ HỢP ĐỂ LẮP ĐẶT HỆ 
 THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ............................................ 39 
 3.3 THI CÔNG LẮP ĐẶT ÁP MÁI. ................................................ 40 
 3.4 BỐ TRÍ ACQUY BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ BIẾN TẦNG. .... 41 
 3.5 BẢO VỆ CHỐNG SÉT, NỐI ĐẤT ............................................. 42 
 3.5.1 chống sét .................................................................................. 42 
 3.5.2 Nối đất ...................................................................................... 42 
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ...................................................... 43 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 5 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 
Hệ thống năng lượng là tập hợp các nhà máy điện, lưới điện và lưới nhiệt 
được nối với nhau liên tục trong quá trình sản xuất, chúng có liên hệ mật 
thiết với nhau. 
Hệ thống điện là hệ thống năng lượng không có lưới nhiệt. Hay nói cách 
khác, hệ thống điện là hệ thống bao gồm các khâu sản xuất, truyền tải, 
phân phối và cung cấp điện đến các hộ tiêu thụ 
Điện năng là một dạng năng lượng rất phổ biến và quan trọng đối với cuộc 
sống, điện năng được sản xuất từ các nhà máy được truyền tải và cung cấp 
cho các hộ tiêu thụ. Trong việc truyền tải tới các hộ tiêu thụ việc thiết kế 
cung cấp điện là một khâu rất quan trọng. Với thời đại hiện nay,nền kinh 
tế nước ta đang phát triền mạnh mẽ theo sự hội nhập của thế giới,đời sống 
xã hội của người dân được nâng cao nên những tiện nghi trong cuộc sống 
đòi hỏi mức tiêu thụ về điện năng tăng cao, do đó việc thiết kế cung cấp 
điện không thể thiếu trong xu thế hiện nay. 
Việc thiết kế cung cấp điện cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau: 
 ➢ Độ tin cậy cấp điện: mức độ tin cậy cung cấp điện phụ thuộc vào 
 yêu cầu phụ tải. với công trình quan trọng cấp quốc gia phải đảm 
 bảo liên tục câp điện ở mức cao nhất, những đối tượng như nhà máy, 
 xí nghiệp, tòa nhà cao tầng tốt nhất là dùng máy phát điện dự 
 phòng khi mất điện sẽ dùng máy phát. 
 ➢ Chất lượng điện: được đánh giá qua hai tiêu chí tần số và điện áp, 
 điện áp trung và hạ chỉ cho phép khoảng ±5% do thiết kế dảm 
 nhiệm, còn chỉ tiêu tần số do cơ quan điện lực quốc gia điều hành. 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 6 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
 ➢ An toàn điện: công trình cấp điện phải có tính an toàn cao cho 
 người vận hành, người sử dụng thiết bị và cho toàn bộ công trình. 
 ➢ Kinh tế: trong quá trình thiết kế ta phải đưa ra nhiều phương án rồi 
 chọn lọc trong các phương án đó có hiệu quả kinh tế cao. 
1.2 GIỚI THIỆU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 
 Trong thái dương hệ mặt trời có nguồn năng lượng lớn nhất. Nó là khối 
vật chất khổng lồ với hoạt động hạt nhân xảy ra liên tục. Mặt trời cung cấp 
trực tiếp hoạt gián tiếp, cho loài người và mọi dạng sống trên trái đất. Mặt 
trời quyết định khí hậu và thời tiết. không có mặt trời trái đất là vùng đất 
chết đóng băng vĩnh cửu. 
Điện năng lượng măt trời là ý tưởng tuyệt vời. Lấy năng lượng từ mặt trời 
và chuyển thành điện năngcung cấp cho các trang thiết bị là mong ước của 
chúng ta, sẽ không còn hóa đơn tiền điện, không còn phụ thuộc vào công 
ty điện lực và bạn sẽ cónguồn năng lượngtái tạo, xanh sạch và bảo vệ môi 
trường. Tạo ra năng lượng mặt trời nhờ vào ánh sáng mặt trời chiếu vào 
các panel pin mặt trời tạo ra nguồn điện 1 chiều DC qua các bộ biến tần 
chỉnh thành các nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho các thiết bị điện. 
 Panel mặt trời tạo ra điện là do hiệu ứng quang điện giữa 2 lớp bán 
dẫn, 1 lớp thiếu electron. Khi các electron này bị các photon kích thích 
lám cho chúng chuyển từ lớp bán dẫn này sang bán dẫn kia, nên tạo ra 
điện tích. Các panel này thường là Si được cắt thành các tấm mỏng xếp 
kết hợp vừa song song và nối tiếp. Nối tiếp thì tăng hiệu suất của pin, mắc 
song song thì tăng áp cung cấp cho phụ tải. 
 Nguồn năng lượng mặt trời ngày nay thường được ứng dụng ích vì giá 
thành vẫn còn cao. Nên được chỉ ứng ụng ở những nơi chưa có điện lưới 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 7 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
kéo tới hoặc cung cấp cho 1 vài phòng, hay ứng dụng làm bình nước nóng, 
thiết bị bán hang tự động. 
1.3 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 
Sự phát triển nhanh về công nghệ và liên tục cải tiến của các nhà thiết kế 
nên giá có giảm đi liên tục từ đầu năm 2009 tạo nên tiến bộ rõ rệt trong 
lĩnh vực công nghệ năng lượng sạch. Trước những năm 2007 thì việc ứng 
dụng nguồn năng lượng mặt trời là điều coi là không thực tế. Ngày nay thì 
nó có tính khả thi cao. Thậm chí còn hiệu quả về cả kinh tế và công nghệ. 
Các tấm pin panel ngày càng nhỏ gọn hơn và đa dạng hơn về định mức 
công suất, chi phí ngày càng thấp hơn. Đối nhiều ứng dụng, năng lượng 
mặt trời dang trở thành phương cách cung cấp điện năng có hiệu quả kinh 
tế cao hơn nhiều phương pháp khác. 
Với tiến độ phát triển của nghành công nghệ điện hiện nay thì dự đoán đến 
năm 2020 thì năng lượng mặt trời sẽ thành nguồn điện rẽ nhất, rẽ hơn các 
năng lượng được sản xuất trong các nhà máy: nhiệt năng, thủy năng. 
Chúng ta sẽ chứng kiến năng lượng mặt trời tích hợp vào các vật dụng, 
máy móc hằng ngày. Nănglượng mặt trởi là thiết bị cấp điện dễ sử dụng, 
thải cacbon thấp.Năng lượng này sẽ cung cấp được những nơi như: sa mạc, 
các vùng sâu vùng xa. Dần thay thế các nguồn điện khác và trở thành 
nguồn cung cấp điện chính trong tương lại. 
1.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 
1.4.1 Hệ thống độc lập, ngoài lưới điện 
Trạm điện mặt trời độc lập là kiểu hệ thống điện mặt trời thông dụng nhất 
trên phạm vi toàn cầu. Mục đích chính là cung cấp điện cho những nơi 
chưa có lưới điện kéo tới hay không có nguồn năng lượng khác. 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 8 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
Hệ thống điện độc lập thường rất nhỏ, công suất đỉnh không quá 1kW. 
Hệ thống điện độc lập muốn có kế hoạch về hệ thống điện lớn hơn và quan 
trọng hơn thì người thiết kế cần có kiến thức cơ bản và kinh nghiệm trong 
thiết kế nguồn năng lượng mặt trời, nên cần bắt đầu với thiết kế nhỏ và 
đơn giản. 
Sơ đồ nguyên lý: 
Hình 1.4.1 
Nguyên lý hoạt động: 
Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng, 
tạo ra dòng điện một chiều (DC Power). Dòng điện này được dẫn tới bộ 
điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng 
tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy 
(Battery) ở chế độ tối ưu nhất. Khi acquy (Battery) đầy thì bộ điều khiển 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 9 
 Đồ án Điện Tử Công Suất Thiết kế cung cấp điện và năng lượng mặt trời 
(charge controller) sẽ ngưng sạc hoạt sạc ở chế độ duy trì. Khi acquy 
(Battery) cạn thì tự động vào chế độ nạp lại. Thông qua bộ đổi điện DC/AC 
(Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết 
bị trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy 
bơm. 
Ưu điểm: 
Hệ thống này sẽ đơn giản, dễ thiết kề và thường dùng trong các khu vực 
chưa có lưới điện hoặc nơi thường xuyên bị cắt điện liên tục. 
Nhược điểm: 
Hệ thống này vì không có lưới điện hoặc điện áp dự phòng nên phụ thuộc 
rất nhiều vào cường độ chiếu sáng của mặt trời hơn những hệ thống điện 
mặt trời khác. 
Hệ thống này phải cung cấp điện năng hơn công suất phụ tải mà nó cung 
cấp để có điện dự trữ xài vào ban đêm khi mà các dãy pannel không thể 
tạo ra điện năng. (chỉ tạo ra 1 ít điện năng khi ánh trăng tròn). Mà yếu tố 
quyết định chính là các photon trong ánh nắng mặt trời, photon sẽ tăng khi 
cường độ chiếu sáng tăng. 
Để khắc phục sự phụ thuộc này ta cần tính toán kỹ lưỡng thiết kế năng 
lượng mặt trời của hệ thống này. Như địa điểm lắp đặt các dãy pannel mặt 
trời, hướng của các dãy pannel, điểu chỉnh góc đặt dãy pannel, dự đoán 
tránh bóng che. Công suất của dãy pannel cung cấp phải lớn hơn công suất 
phụ tải hệ thống, để còn điện năng dư đưa vào bình acquy để có điện năng 
sử dụng vào ban đêm. 
TRƯỜNG ĐH SPKT-ĐHĐN Page 10