Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời (Phần 5) - Nguyễn Quang Nam

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời (Phần 5) - Nguyễn Quang Nam

1. 408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng 6 1
2. Ch. 2: Năng lượng mặt trời 2.9. Hệ thống điện mặt trời hịa lưới ➢ Cấu trúc hệ điện mặt trời hịa lưới ➢ Định mức DC và AC ➢ Tính tốn theo số giờ nắng đỉnh ➢ Tính tốn cơng suất ➢ Tính tốn kinh tế Bài giảng 6 2
3. Hệ thống điện mặt trời hịa lưới Bài giảng 6 3
4. Hệ thống điện mặt trời hịa lưới Bài giảng 6 4
5. Hệ thống điện mặt trời hịa lưới Bài giảng 6 5
6. Biểu đồ phụ tải (khơng cĩ ắc-quy) Bài giảng 6 6
7. Định mức DC và AC ➢ Trước hết, cĩ thể ước tính hiệu năng hệ thống ở cơng suất ngõ ra DC danh định của một module, tại điều kiện chuẩn. ➢ Sau đĩ, cĩ thể ước tính cơng suất ngõ ra AC thực ở các điều kiện khác nhau. ➢ Ở điều kiện chuẩn, cơng suất ngõ ra AC cĩ thể được tính: Pac = Pdc,STC (Hiệu suất chuyển đổi) trong đĩ, Pdc,STC là tổng cơng 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 mơi trường khác nhau. Bài giảng 6 7
8. Định mức DC và AC ➢ Xét ảnh hưởng của sự sai lệch đặc tính I-V giữa các tấm pin Bài giảng 6 8
9. Định mức DC và AC ➢ Một yếu tố quan trọng hơn là nhiệt độ. Các tấm pin nhiều khả năng sẽ hoạt động nĩng hơn 25 C, dẫn đến giảm cơng suất. Do đĩ, 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, cĩ hiệu suất khoảng 90% trong hầu hết phạm vi hoạt động (trừ các tải rất nhỏ). Bài giảng 6 9
10. Ví dụ 9.3 ➢ Xét một dàn PV định mức 1 kW ở điều kiện chuẩn. Nhiệt độ làm việc danh định của các tấm pin là 47 C. Cơng suất DC tại MPP giảm 0,5%/C cao hơn nhiệt độ chuẩn 25 C. Ước tính cơng suất AC ngõ ra ở điều kiện PTC, nếu cĩ tổn hao 3% do sai lệch module, 4% tổn hao do bụi bẩn, và hiệu suất bộ nghịch lưu là 90%. Giải: ➢ Quy đổi nhiệt độ tấm pin NOST− 20 47 − 20 Tcell = Tamb +  S = 20 + = 53,8 C 0,8 0,8 Bài giảng 6 10
11. Ví dụ 9.3 ➢ Cơng suất DC của dàn pin bị suy giảm cịn Pdc,PTC =10001− 0,005(53,8 − 25)= 856 W ➢ Kết hợp tổn hao do sai lệch các tấm pin, bụi bẩn, và bộ nghịch lưu, cơng suất danh định AC của hệ tại điều kiện PTC là Pac,PTC = 856 0,97 0,96 0,9 = 717,4 W ➢ Hệ thống được định mức 1 kW theo điều kiện chuẩn chỉ cung cấp khoảng 72% giá trị định mức, trong thực tế. Bài giảng 6 11
12. Tính tốn theo số giờ nắng đỉnh ➢ Yếu tố then chốt thứ hai là lượng ánh sáng cĩ được. ➢ Khi đơn vị tính bức xạ trung bình là kWh/m2-ngày, cĩ một cách diễn dịch giá trị này rất thuận tiện. Vì bức xạ chuẩn được định nghĩa là 1 kW/m2, cĩ 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 cơng 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 cĩ được số kWh nhận được mỗi ngày. Bài giảng 6 12
13. Tính tốn theo số giờ nắng đỉnh ➢ Năng lượng cung cấp trong ngày 2 2 Năng lượng (kWh/ngày) = Bức xạ (kWh/m -ngày)A (m ) havg với A là diện tích dàn PV và havg là hiệu suất trung bình ➢ Cơng suất AC ứng với điều kiện chuẩn (1-sun) 2 2 Pac (kW) = (1 kW/m ) A (m ) h1-sun với h1-sun là hiệu suất hệ thống ở điều kiện chuẩn ➢ Kết hợp hai cơng thức trên, giả thiết hiệu suất trung bình trong ngày bằng với hiệu suất ở điều kiện chuẩn, suy ra Năng lượng (kWh/ngày) = Pac (kW)(số giờ nắng đỉnh/ngày) Bài giảng 6 13
14. Ví dụ 9.4 ➢ Ước tính năng lượng hàng năm cung cấp bởi dàn PV 1 kW (dc, STC) được mơ tả trong ví dụ 9.3, nếu nĩ nằm ở Madison, WI, hướng về phía nam, và cĩ gĩc nghiêng bằng với vĩ độ trừ 15. Dùng định mức AC PTC. Giải ➢ Phụ lục E cho thấy bức xạ hàng năm ở Madison tại gĩc nghiêng L – 15 là 4,5 kWh/m2-ngày. Dùng cơng suất ngõ ra AC bằng 0,717 kW tính được trong ví dụ 9.3, ta cĩ Năng lượng = 0,717 (kW) 4,5 (h/ngày) 365 (ngày/năm) = 1178 kWh/năm Bài giảng 6 14
15. Ví dụ 9.5 ➢ Tính lại ví dụ 9.4 cho từng tháng trong năm tại Madison, WI, thay vì dùng giá trị nhiệt độ trung bình là 20 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 đĩ là 47 − 20 Tcell = −4,0 + 1= 29,8 C 0,8 ➢ Định mức cơng suất DC của dàn PV là Pdc = 1 kW[1 – 0,005(29,8 – 25)] = 0,976 kW Bài giảng 6 15
16. Ví dụ 9.5 ➢ Kết hợp các yếu tố sai lệch đặc tính, bụi bẩn, và hiệu suất bộ nghịch lưu, định mức cơng suất AC là Pac = 0,976 kW 0,97 0,96 0,9 = 0,818 kW ➢ Phụ lục E cho thấy trong tháng Giêng ở gĩc nghiêng L – 15, tại Madison sẽ cĩ bức xạ 3,0 kWh/m2-ngày hay 3,0 giờ nắng đỉnh. Do đĩ, dàn PV 1 kW này sẽ cung cấp Năng lượng = 0,818 kW 3,0 h/ngày 31 ngày/tháng = 76 kWh/tháng ➢ Tính cho mỗi tháng và tổng hợp lại (slide tiếp theo) cho thấy sai số so với ví dụ 9.4 là khơng đáng kể. Bài giảng 6 16
17. Ví dụ 9.5 Bài giảng 6 17
18. Tính tốn theo số giờ nắng đỉnh Bài giảng 6 18
19. Tính tốn theo số giờ nắng đỉnh Bài giảng 6 19
20. Hệ số sử dụng cho hệ PV hịa lưới ➢ Cĩ thể biểu diễn năng lượng do một hệ phát điện cung cấp thơng qua cơng 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 cĩ thể được định nghĩa tương tự. ➢ So sánh cơng thức trên với cơng thức tính năng lượng ở slide 13, cĩ thể rút ra hệ số sử dụng cho hệ PV hịa lưới: Số giờ nắng đỉnh/ngày CF = 24 h/ngày Bài giảng 6 20
21. Ví dụ 9.6 ➢ Một ngơi nhà ở Fresno sẽ được lắp một dàn PV trên mái để phục vụ tồn 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 gĩc nghiêng là L – 15 thì tại Fresno sẽ cần gĩc 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 cĩ thể tính Pac = 3600 kWh/(5,7 h/ngày 365 ngày) = 1,73 kW Bài giảng 6 21
22. Ví dụ 9.6 ➢ Từ các ví dụ trước, cĩ 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 cơng suất DC cho dàn PV (STC) là Pdc = Pac/(Hiệu suất chuyển đổi) = 1,73/0,75 = 2,3 kW ➢ Nếu biết hiệu suất của bộ thu, chúng ta cĩ thể tính diện tích mái cần dùng. Giả sử dùng các module crystalline với hiệu suất 12,5 %, diện tích cần thiết là A = 2,3 kW/(1 kW/m2 0,125) = 18,4 m2 Bài giảng 6 22
23. Ví dụ 9.7 Bài giảng 6 23
24. Ví dụ 9.7 Bài giảng 6 24
25. Tính tốn cơng suất cho hệ PV hịa lưới ➢ Các module PV cho hịa lưới khơng bị ràng buộc điện áp, và cĩ xu hướng tạo ra điện áp cao. ➢ Các bộ nghịch lưu cho các hệ PV hịa 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. Bài giảng 6 25
26. Tính tốn cơng suất cho hệ PV hịa lưới Bài giảng 6 26
27. Tính tốn cơng suất cho hệ PV hịa lưới Bài giảng 6 27
28. Tính tốn cơng suất cho hệ PV hịa lưới ➢ Xét ví dụ 9.6, giả sử chúng ta dùng module Kyocera KC158G và bộ nghịch lưu Xantrex STXR2500. Chúng ta sẽ xác định số module cần thiết trước: Số module = 2300 W / 158 W = 14,6 tấm ➢ Nếu mắc nối tiếp hai tấm thành một nhánh, điện áp danh định 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 cĩ thể thấp hơn 44 V. Do đĩ, chúng ta chọn mắc nối tiếp ba tấm thành một nhánh. Như vậy 5 nhánh sẽ dùng 15 tấm. Bài giảng 6 28
29. Tính tốn cơng suất cho hệ PV hịa lưới ➢ Tiếp theo cần ước tính điện áp hở mạch tối đa để đảm bảo nĩ khơng vượt quá khả năng chịu đựng của bộ nghịch lưu (120 V). Ba tấm mắc nối tiếp khi hở mạch sẽ cĩ 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 cĩ trở nên nguy hiểm khơng. 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 là VOC,max = 86,7 V[1 + 0,0038(25 + 5)] = 97 V Bài giảng 6 29
30. Ví dụ 9.8 ➢ Kiểm tra thiết kế vừa rồi: 15 tấm pin được gắn cố định. Giải: ➢ Diện tích của dàn PV là A = 15 1,29 m 0,99 m = 19,1 m2 ➢ Định mức cơng suất DC STC sẽ là Pdc,STC = 158 W 15 = 2370 W ➢ Giả 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 là Năng lượng = 2,37 kW 0,75 5,7 h 365 = 3698 kWh Bài giảng 6 30
31. Tính tốn thiết bị bảo vệ ➢ Bên cạnh yêu cầu điện áp chịu đựng 600 V, cịn cĩ các ràng buộc khác về dây dẫn, cầu chì và thiết bị đĩng ngắt. ➢ Thiết bị phải cĩ thể chịu đựng điện áp bằng 1,25 lần điện áp DC dự kiến. Dịng điện chịu đựng cũng phải bằng 1,25 lần dịng điện của dàn PV, vì 2 lý do: i) Bức xạ cĩ thể cao hơn 1 kW/m2 và ii) Dịng ngắn mạch gia tăng ở nhiệt độ cao. ➢ Ngồi ra, dịng điện liên tục ở bất kỳ phần mạch nào phải được nhân với 1,25 để đảm bảo các thiết bị khơng vận hành quá 80% định mức. Sau cùng, dịng điện của dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ mơi trường. Bài giảng 6 31
32. Ví dụ 9.9 ➢ Với dàn PV gồm 5 nhánh song song, mỗi nhánh dùng 3 tấm Kyocera KC158G mắc nối tiếp, định mức dịng 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 cĩ thể bằng –5 C. Giải: ➢ Dịng ngắn mạch của mỗi nhánh là 7,58 A, cầu chì nhánh đến hộp nối tổng phải cho phép tối thiểu Cầu chì > 7,58 1,25 1,25 = 11,8 A ➢ Cầu chì tổng phải dẫn dịng của 5 nhánh Cầu chì tổng > 11,8 A 5 = 59,2 A Bài giảng 6 32
33. Ví dụ 9.9 ➢ Áp dụng quy tắc hệ số 1,25 cho bộ nghịch lưu 2500 W, 240 V Cầu chì bộ nghịch lưu > 1,25 2500/240 = 13 A Bài giảng 6 33
34. Tính tốn cơng suất cho hệ PV hịa lưới ➢ Với các mái nhà khơng nghiêng bằng gĩc vĩ độ, và khơng nhìn về hướng chính nam. Bài giảng 6 34
35. Tính tốn kinh tế cho hệ PV hịa lưới ➢ Bước tiếp theo là xác định tính khả thi của hệ thống. ➢ Cần thực hiện hai loại phân tích kinh tế: một để xác định phương án kỹ thuật nào là hiệu quả kinh tế hơn, một để xác định dự án cĩ đáng để đầu tư hay khơng. ➢ Ví dụ dưới đây minh họa một quá trình cĩ 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. Bài giảng 6 35
36. Ví dụ 9.10 ➢ Một dàn PV được lắp tại Boulder, CO để cung cấp 4000 kWh/năm. Cho biết các chi phí, xác định xem nên dùng hệ cố định ở L – 15 hay hệ bám theo một trục. Giả sử PV cĩ hiệu suất 12% và hệ số chuyển đổi dc-ac là 0,75. Bài giảng 6 36
37. Ví dụ 9.10 Giải: ➢ Xét hệ bám theo 1 trục, từ phụ lục E, bức xạ trung bình là 7,2 kWh/m2-ngày. Dùng số giờ nắng đỉnh kết hợp hệ số suy giảm định mức, suy ra định mức DC STC: Pdc,STC = 4000/(0,75 7,2 365) = 2,03 kW ➢ Ứng 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 m2 Bài giảng 6 37
38. Ví dụ 9.10 ➢ Chi phí cho bộ bám theo 1 trục sẽ là 400 + 100 USD/m2 16,92 m2 = 2092 USD ➢ Với hệ cố định ở L – 15, bức xạ là 5,4 kWh/m2-ngày Pdc,STC = 4000/(0,75 5,4 365) = 2,706 kW ➢ Ứng với chi phí 4,2 USD 2706 = 11365 USD. ➢ Chi phí của bộ nghịch lưu: 1,2 USD 2706 = 3247 USD. Bài giảng 6 38
39. Ví dụ 9.10 ➢ Bảng tổng hợp chi phí như dưới đây ➢ Tuy nhiên, cần cĩ một phân tích cẩn thận hơn với các thành phần chi phí. Bài giảng 6 39
40. Ví dụ 9.10 Tracker ($/W) = ($/W)/(EPF) Bài giảng 6 40
41. Tính tốn giá thành ➢ Giả sử P là số tiền vay trong thời gian n (năm) với lãi suất i mỗi năm, số tiền cần thanh tốn mỗi năm sẽ là A = P CRF(i, n) với CRF(i, n) là hệ số thu hồi vốn, cho bởi i(1+ i)n CRF (i,n) = (1+ i)n −1 Bài giảng 6 41
42. Ví dụ 9.11 ➢ Hệ thống bám theo 1 trục trong ví dụ 9.10 cĩ 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 cơng thức sẽ là CRF(i, n) = 0,07265 ➢ Vậy tiền thanh tốn hàng năm sẽ là A = 16850 0,07265 = 1244 USD/năm ➢ Giá thành sản xuất điện do đĩ bằng 1224 USD/4000 kWh = 0,306 USD/kWh Bài giảng 6 42
43. Tính tốn giá thành ➢ Ví dụ 9.11 bỏ qua tiền hồn thuế thu nhập. Do đĩ, nếu xét yếu tố hồn thuế thu nhập, mức hồn thuế năm đầu sẽ là Hồn 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 cĩ 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 cĩ thêm thơng tin. Bài giảng 6 43