Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời - Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 6Ch. 2: Năng lượng mặt trời2.9. Hệ thống điện mặt trời hòa lướiCấu trúc hệ điện mặt trời hòa lướiĐịnh mức DC và ACTính toán theo số giờ nắng đỉnhTính toán công suấtTính toán kinh tế2Bài giảng 6Hệ thống điện mặt trời hòa lưới3Bài giảng 6Hệ thống điện mặt trời hòa lưới4Bài giảng 6Hệ thống điện mặt trời hòa lưới5Bài giảng 6Biểu đồ phụ tải (không có ắc-quy)6Bài giảng 6Định mức DC và ACTrước hết, có thể ước tính hiệu năng hệ thống ở công suất ngõ ra DC danh định của một module, tại điều kiện chuẩn.Sau đó, có thể ước tính công suất ngõ ra AC thực ở các điều kiện khác nhau.Ở điều kiện chuẩn, công suất ngõ ra AC có thể được tính:Pac = Pdc,STC(Hiệu suất chuyển đổi) trong đó, Pdc,STC là tổng công suất DC của các tấm pin ở điều kiện chuẩn.Hiệu suất chuyển đổi được xét tổng hợp các yếu tố liên quan đến bộ nghịch lưu, bám bụi, sai lệch giữa các tấm pin, và điều kiện môi trường khác nhau.7Bài giảng 6Định mức DC và ACXét ảnh hưởng của sự sai lệch đặc tính I-V giữa các tấm pin8Bài giảng 6Định mức DC và ACMột yếu tố quan trọng hơn là nhiệt độ. Các tấm pin nhiều khả năng sẽ hoạt động nóng hơn 25 C, dẫn đến giảm công suất. Do đó, người ta đã phát triển một tiêu chuẩn thử nghiệm tấm pin khác (PTC), để phản ánh điều kiện thực tế.Các bộ nghịch lưu đã được đề cập, có hiệu suất khoảng 90% trong hầu hết phạm vi hoạt động (trừ các tải rất nhỏ).9Bài giảng 6Ví dụ 9.3Xét một dàn PV định mức 1 kW ở điều kiện chuẩn. Nhiệt độ làm việc danh định của các tấm pin là 47 C. Công suất DC tại MPP giảm 0,5%/C cao hơn nhiệt độ chuẩn 25 C. Ước tính công suất AC ngõ ra ở điều kiện PTC, nếu có tổn hao 3% do sai lệch module, 4% tổn hao do bụi bẩn, và hiệu suất bộ nghịch lưu là 90%.Giải:Quy đổi nhiệt độ tấm pin10Bài giảng 6Ví dụ 9.3Công suất DC của dàn pin bị suy giảm cònKết hợp tổn hao do sai lệch các tấm pin, bụi bẩn, và bộ nghịch lưu, công suất danh định AC của hệ tại điều kiện PTC làHệ thống được định mức 1 kW theo điều kiện chuẩn chỉ cung cấp khoảng 72% giá trị định mức, trong thực tế.11Bài giảng 6Tính toán theo số giờ nắng đỉnhYếu tố then chốt thứ hai là lượng ánh sáng có được.Khi đơn vị tính bức xạ trung bình là kWh/m2-ngày, có một cách diễn dịch giá trị này rất thuận tiện. Vì bức xạ chuẩn được định nghĩa là 1 kW/m2, có thể coi bức xạ 5,6 kWh/m2-ngày là 5,6 giờ/ngày ở bức xạ chuẩn, hay 5,6 giờ “nắng đỉnh”.Vậy, nếu biết công suất AC được cung cấp bởi một dàn PV dưới điều kiện chuẩn (Pac), chúng ta chỉ cần nhân với số giờ nắng đỉnh để có được số kWh nhận được mỗi ngày.12Bài giảng 6Tính toán theo số giờ nắng đỉnhNăng lượng cung cấp trong ngàyNăng lượng (kWh/ngày) = Bức xạ (kWh/m2-ngày)A (m2) havg với A là diện tích dàn PV và havg là hiệu suất trung bìnhCông suất AC ứng với điều kiện chuẩn (1-sun)Pac (kW) = (1 kW/m2) A (m2) h1-sun với h1-sun là hiệu suất hệ thống ở điều kiện chuẩnKết hợp hai công thức trên, giả thiết hiệu suất trung bình trong ngày bằng với hiệu suất ở điều kiện chuẩn, suy raNăng lượng (kWh/ngày) = Pac (kW)(số giờ nắng đỉnh/ngày)13Bài giảng 6Ví dụ 9.4Ước tính năng lượng hàng năm cung cấp bởi dàn PV 1 kW (dc, STC) được mô tả trong ví dụ 9.3, nếu nó nằm ở Madison, WI, hướng về phía nam, và có góc nghiêng bằng với vĩ độ trừ 15. Dùng định mức AC PTC.GiảiPhụ lục E cho thấy bức xạ hàng năm ở Madison tại góc nghiêng L – 15 là 4,5 kWh/m2-ngày. Dùng công suất ngõ ra AC bằng 0,717 kW tính được trong ví dụ 9.3, ta có Năng lượng = 0,717 (kW)  4,5 (h/ngày)  365 (ngày/năm) = 1178 kWh/năm14Bài giảng 6Ví dụ 9.5Tính lại ví dụ 9.4 cho từng tháng trong năm tại Madison, WI, thay vì dùng giá trị nhiệt độ trung bình là 20 C. Nhiệt độ hoạt động danh định của các tế bào trong hệ thống này là 47 C.Giải:Xét tháng Giêng, nhiệt độ cực đại trung bình mỗi ngày là–4,0 C, cho Madison, WI. Nhiệt độ của tế bào khi đó làĐịnh mức công suất DC của dàn PV làPdc = 1 kW[1 – 0,005(29,8 – 25)] = 0,976 kW15Bài giảng 6Ví dụ 9.5Kết hợp các yếu tố sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và hiệu suất bộ nghịch lưu, định mức công suất AC làPac = 0,976 kW  0,97  0,96  0,9 = 0,818 kWPhụ lục E cho thấy trong tháng Giêng ở góc nghiêng L – 15, tại Madison sẽ có bức xạ 3,0 kWh/m2-ngày hay 3,0 giờ nắng đỉnh. Do đó, dàn PV 1 kW này sẽ cung cấpNăng lượng = 0,818 kW  3,0 h/ngày  31 ngày/tháng = 76 kWh/thángTính cho mỗi tháng và tổng hợp lại (slide tiếp theo) cho thấy sai số so với ví dụ 9.4 là không đáng kể.16Bài giảng 6Ví dụ 9.517Bài giảng 6Tính toán theo số giờ nắng đỉnh18Bài giảng 6Tính toán theo số giờ nắng đỉnh19Bài giảng 6Hệ số sử dụng cho hệ PV hòa lướiCó thể biểu diễn năng lượng do một hệ phát điện cung cấp thông qua công suất AC danh định và hệ số sử dụng (CF):Năng lượng (kWh/năm) = Pac (kW)CF8760 (h/năm)Các hệ số sử dụng theo tháng hay theo ngày có thể được định nghĩa tương tự.So sánh công thức trên với công thức tính năng lượng ở slide 13, có thể rút ra hệ số sử dụng cho hệ PV hòa lưới:20Bài giảng 6Ví dụ 9.6Một ngôi nhà ở Fresno sẽ được lắp một dàn PV trên mái để phục vụ toàn bộ nhu cầu 3600 kWh/năm. Cần bao nhiêu kW (dc, STC) tấm pin và diện tích là bao nhiêu?Giải:Đặt dàn PV thẳng lên mái nhà là thuận mắt nhất. Nếu chọn góc nghiêng là L – 15 thì tại Fresno sẽ cần góc nghiêng 22, khá phù hợp với mái nhà.Phụ lục E cho thấy bức xạ trung bình là 5,7 kWh/m2-ngày tại Fresno. Dùng số giờ nắng đỉnh, ta có thể tínhPac = 3600 kWh/(5,7 h/ngày365 ngày) = 1,73 kW21Bài giảng 6Ví dụ 9.6Từ các ví dụ trước, có thể thấy kết hợp các yếu tố nhiệt độ, sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và bộ nghịch lưu, độ suy giảm định mức là khoảng 25%.Vậy, định mức công suất DC cho dàn PV (STC) làPdc = Pac/(Hiệu suất chuyển đổi) = 1,73/0,75 = 2,3 kWNếu biết hiệu suất của bộ thu, chúng ta có thể tính diện tích mái cần dùng. Giả sử dùng các module crystalline với hiệu suất 12,5 %, diện tích cần thiết làA = 2,3 kW/(1 kW/m2  0,125) = 18,4 m222Bài giảng 6Ví dụ 9.723Bài giảng 6Ví dụ 9.724Bài giảng 6Tính toán công suất cho hệ PV hòa lướiCác module PV cho hòa lưới không bị ràng buộc điện áp, và có xu hướng tạo ra điện áp cao.Các bộ nghịch lưu cho các hệ PV hòa lưới cũng khác với các bộ nghịch lưu trong các hệ PV độc lập.Để khảo sát tương tác giữa các module, bộ nghịch lưu, và dàn PV, chúng ta sẽ tiếp tục xem xét hệ thống trong ví dụ 9.6, sử dụng các module PV và bộ nghịch lưu được giới thiệu sau đây.25Bài giảng 6Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới26Bài giảng 6Tính toán công suất cho hệ PV hòa lưới27Bài giảng 6Tính toán công suất cho hệ PV hòa lướiXét ví dụ 9.6, giả sử chúng ta dùng module Kyocera KC158G và bộ nghịch lưu Xantrex STXR2500. Chúng ta sẽ xác định số module cần thiết trước:Số module = 2300 W / 158 W = 14,6 tấmNếu mắc nối tiếp hai tấm thành một nhánh, điện áp danh định sẽ là 2  23,2 = 46,4 V, quá sát phạm vi điện áp ngõ vào của bộ nghịch lưu (44 – 85 V).Hơn nữa, khi nhiệt độ tăng, điện áp có thể thấp hơn 44 V. Do đó, chúng ta chọn mắc nối tiếp ba tấm thành một nhánh. Như vậy 5 nhánh sẽ dùng 15 tấm.28Bài giảng 6Tính toán công suất cho hệ PV hòa lướiTiếp theo cần ước tính điện áp hở mạch tối đa để đảm bảo nó không vượt quá khả năng chịu đựng của bộ nghịch lưu (120 V). Ba tấm mắc nối tiếp khi hở mạch sẽ có điện áp 3  28,9 V = 86,7 V, thấp hơn nhiều so với 120 V.Tuy nhiên, cần kiểm tra xem khi nhiệt độ xuống thấp thì điện áp này có trở nên nguy hiểm không. Giả sử nhiệt độ thấp nhất vào buổi sáng ở Fresno là – 5 C. Với độ tăng điện áp hở mạch 0,38%/C, điện áp hở mạch tối đa làVOC,max = 86,7 V[1 + 0,0038(25 + 5)] = 97 V29Bài giảng 6Ví dụ 9.8Kiểm tra thiết kế vừa rồi: 15 tấm pin được gắn cố định.Giải:Diện tích của dàn PV làA = 15  1,29 m  0,99 m = 19,1 m2Định mức công suất DC STC sẽ làPdc,STC = 158 W  15 = 2370 WGiả sử suy giảm định mức 25%, và bức xạ trung bình là 5,7 kWh/m2-ngày, năng lượng do hệ cung cấp mỗi năm sẽ làNăng lượng = 2,37 kW  0,75  5,7 h  365 = 3698 kWh30Bài giảng 6Tính toán thiết bị bảo vệBên cạnh yêu cầu điện áp chịu đựng 600 V, còn có các ràng buộc khác về dây dẫn, cầu chì và thiết bị đóng ngắt.Thiết bị phải có thể chịu đựng điện áp bằng 1,25 lần điện áp DC dự kiến. Dòng điện chịu đựng cũng phải bằng 1,25 lần dòng điện của dàn PV, vì 2 lý do: i) Bức xạ có thể cao hơn 1 kW/m2 và ii) Dòng ngắn mạch gia tăng ở nhiệt độ cao.Ngoài ra, dòng điện liên tục ở bất kỳ phần mạch nào phải được nhân với 1,25 để đảm bảo các thiết bị không vận hành quá 80% định mức. Sau cùng, dòng điện của dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ môi trường.31Bài giảng 6Ví dụ 9.9Với dàn PV gồm 5 nhánh song song, mỗi nhánh dùng 3 tấm Kyocera KC158G mắc nối tiếp, định mức dòng cho cầu chì, dao cách ly, CB nối lưới là bao nhiêu? Điện áp tối đa là bao nhiêu nếu nhiệt độ tối thiểu trong ngày có thể bằng –5 C.Giải:Dòng ngắn mạch của mỗi nhánh là 7,58 A, cầu chì nhánh đến hộp nối tổng phải cho phép tối thiểuCầu chì > 7,58  1,25  1,25 = 11,8 ACầu chì tổng phải dẫn dòng của 5 nhánhCầu chì tổng > 11,8 A  5 = 59,2 A32Bài giảng 6Ví dụ 9.9Áp dụng quy tắc hệ số 1,25 cho bộ nghịch lưu 2500 W, 240 VCầu chì bộ nghịch lưu > 1,25  2500/240 = 13 A33Bài giảng 6Tính toán công suất cho hệ PV hòa lướiVới các mái nhà không nghiêng bằng góc vĩ độ, và không nhìn về hướng chính nam.34Bài giảng 6Tính toán kinh tế cho hệ PV hòa lướiBước tiếp theo là xác định tính khả thi của hệ thống.Cần thực hiện hai loại phân tích kinh tế: một để xác định phương án kỹ thuật nào là hiệu quả kinh tế hơn, một để xác định dự án có đáng để đầu tư hay không.Ví dụ dưới đây minh họa một quá trình có thể được dùng, nhưng các quyết định thực tế sẽ phụ thuộc vào ước tính chi phí hiện hành và chính xác cho thiết bị và quá trình lắp đặt.35Bài giảng 6Ví dụ 9.10Một dàn PV được lắp tại Boulder, CO để cung cấp 4000 kWh/năm. Cho biết các chi phí, xác định xem nên dùng hệ cố định ở L – 15 hay hệ bám theo một trục. Giả sử PV có hiệu suất 12% và hệ số chuyển đổi dc-ac là 0,75.36Bài giảng 6Ví dụ 9.10Giải:Xét hệ bám theo 1 trục, từ phụ lục E, bức xạ trung bình là 7,2 kWh/m2-ngày. Dùng số giờ nắng đỉnh kết hợp hệ số suy giảm định mức, suy ra định mức DC STC:Pdc,STC = 4000/(0,75  7,2  365) = 2,03 kWỨng với chi phí 4,2 USD  2030 = 8542 USD.Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD  2030 = 2435 USD.Diện tích ứng với hiệu suất 12%:A = 2,03 kW/(1 kW/m2  0,12) = 16,92 m237Bài giảng 6Ví dụ 9.10Chi phí cho bộ bám theo 1 trục sẽ là400 + 100 USD/m2  16,92 m2 = 2092 USDVới hệ cố định ở L – 15, bức xạ là 5,4 kWh/m2-ngàyPdc,STC = 4000/(0,75  5,4  365) = 2,706 kWỨng với chi phí 4,2 USD  2706 = 11365 USD.Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD  2706 = 3247 USD.38Bài giảng 6Ví dụ 9.10Bảng tổng hợp chi phí như dưới đâyTuy nhiên, cần có một phân tích cẩn thận hơn với các thành phần chi phí.39Bài giảng 6Ví dụ 9.10Tracker ($/W) = ($/W)/(EPF)40Bài giảng 6Tính toán giá thànhGiả sử P là số tiền vay trong thời gian n (năm) với lãi suất i mỗi năm, số tiền cần thanh toán mỗi năm sẽ làA = P  CRF(i, n) với CRF(i, n) là hệ số thu hồi vốn, cho bởi41Bài giảng 6Ví dụ 9.11Hệ thống bám theo 1 trục trong ví dụ 9.10 có chi phí 16850 USD để cung cấp 4000 kWh/năm. Nếu sử dụng vốn vay với lãi suất 6%, trong thời hạn 30 năm, giá thành là bao nhiêu?Giải:Hệ số thu hồi vốn theo công thức sẽ là CRF(i, n) = 0,07265Vậy tiền thanh toán hàng năm sẽ làA = 16850  0,07265 = 1244 USD/nămGiá thành sản xuất điện do đó bằng1224 USD/4000 kWh = 0,306 USD/kWh42Bài giảng 6Tính toán giá thànhVí dụ 9.11 bỏ qua tiền hoàn thuế thu nhập. Do đó, nếu xét yếu tố hoàn thuế thu nhập, mức hoàn thuế năm đầu sẽ làHoàn thuế năm đầu = i  P  MTB với MTB là marginal tax bracket.Sinh viên theo dõi ví dụ 9.12 trong tài liệu.Với các quốc gia có chính sách khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo, các chủ sở hữu được trợ giá mạnh để yên tâm đầu tư cho các hệ thống năng lượng tái tạo. Sinh viên theo dõi ví dụ 9.13 trong tài liệu để có thêm thông tin.43Bài giảng 6