Thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập – Giải pháp SMA

 I.  Nguồn cung cấp điện độc lập – Off Grid

1.1  Sự cần thiết của 1 hệ Off-Grid

Theo Hiệp hội Châu Âu thì có khoảng 1 tỷ người đang sống trên Trái Đất mà không có điện ~ 13% dân số thế giới

Một trong những nguyên nhân cản trở cho việc mở rộng lưới điện đến những vùng này là do chi phí đầu tư cao nhưng nhu cầu năng lượng lại thấp.

Do đó sử dụng hệ Off-Grid tại những nơi này là một lựa chọn hợp lí.

1.2  Hệ thống Off-Grid

Hệ Off-Grid là một hệ thống lưới điện tự chủ với nguồn cung năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau, không nối (độc lập) với mạng truyền tải công cộng.

Thành phần:

1. Hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời
2. Inverter năng lượng mặt trời
3. Bộ điều khiển sạc DC/DC
4. Pin lưu trữ
5. Inverter Pin – Biến tần pin: Sunny Island tạo thành một lưới điện độc lập (Stand-alone Grid). Chức năng của Biến tần Pin là điều chỉnh sự cân bằng giữa năng lượng được tạo ra và năng lượng sử dụng, kết hợp các thành phần của hệ thống Off-Grid như: pin lưu trữ, hệ thống năng lượng mặt trời, hệ thống quản lí tải tiêu thụ.
6. Cầu chì DC: Cầu chì DC bên ngoài bảo vệ cổng kết nối pin của biến tần pin. Hơn nữa cầu chì DC cho phép ngắt kết nối các phần DC ra khỏi biến tần pin
7. Máy phát điện: Chức năng cung cấp nguồn điện để dùng khi pin lưu trữ không được sạc đủ hoặc hệ PV không tạo ra đủ năng lượng.
8. Năng lượng gió.
9. Thủy điện.

Khi thiết kế hệ cung cấp điện cần xem xét các yếu tố:

• Mức độ kết nối cần thiết.
• Tải tiêu thụ bao nhiêu.
• Loại tải sử dụng.
• Thời gian sử dụng.
• Điều kiện địa lí.

1.3  Phân loại hệ thống Off-Grid

1.3.1 Hệ Off-Grid ghép nối AC

Tất cả tải và nguồn cung năng lượng được ghép nối thông qua lưới điện xoay chiều. Lợi thế là có thể xây dựng và mở rộng linh hoạt thông qua các thành phần được module hóa

Tùy theo ứng dụng và tính sẵn có thì cả năng lượng tái tạo và năng lượng thông thường có thể được tích hợp vào hệ thống.

Các nguồn cung năng lượng sạc pin lưu trữ và cung cấp lại khi cần thiết.

Kết nối với lưới điện quốc gia vẫn có thể trong trường hợp biến tần pin và thiết bị đốt trong được thiết kế cho việc này

Hệ Off-Grid ghép nối AC có thể được mở rộng với các nguồn năng lượng bổ sung, do đó có thể thỏa mãn khi nhu cầu năng lượng tăng lên.

Hệ Off-Grid ghép nối AC có thể cung cấp tải tiêu dùng AC thông thường nên khá lí tưởng khi đặt tại vùng sâu, vùng xa, vùng đang phát triển và đất nước đang công nghiệp hóa, bên cạnh đó với các nước phát triển cũng có thể dùng hệ Off-Grid ghép nối AC này nếu nó không có sẵn lưới điện quốc gia.

Biến tần pin (Như Sunny Island) kết nối với pin tạo thành lưới điện AC

Ở khoảng công suất trung bình (1kW – 300kW), hệ Off-Grid với pin lưu trữ có ưu điểm về kinh tế hơn so với hệ thống chỉ có máy phát điện bởi vì máy phát thì yêu cầu về vận hành và bảo dưỡng cao, vòng đời ngắn và hiệu suất từng phần thấp.

1.3.2 Hệ Off-Grid ghép nối DC

Trong hệ ghép nối DC, tất cả nguồn năng lượng được kết nối thông qua dòng DC.

Hệ PV tích hợp với bộ điều khiển sạc DC/DC

Trong cả ngày, pin lưu trữ năng lượng tạo ra bởi hệ PV. Sau đó được dùng với chiều tối cho thắp sáng

Hệ ghép nối DC phù hợp cho các hệ thống đơn giản nằm cùng một chỗ và đặc biệt có lợi trong việc thắp sáng bóng đèn. Thường nằm trong dải công suất vài trăm watts

Tải AC trong hệ ghép nối DC chỉ có thể được dùng khi có thêm một biến tần chuyển đổi khác.

1.3.3 Hệ Off-Grid ghép nối hỗn hợp AC –DC

Hệ Off-Grid ghép nối hỗn hợp AC-DC đặc biệt thích hợp khi sử dụng tải AC trong dải công suất trung bình (1 -300kW) với nguồn cung năng lượng DC.

Trong hệ Off-Grid hỗn hợp, pin lưu trữ có thể được sạc thông qua máy phát điện ở cùng thời điểm.

Dùng để cung cấp năng lượng cho các tải ở xa và nhu cầu năng lượng khá cao. Như các nông trại, nhà máy nhỏ.

Khi thiết kế, đảm bảo công suất danh định của biến tần phải thỏa mãn cho các tải dự định.

Nếu có nhiều năng lượng hơn từ PV hay gió thì Inverter vẫn là yếu tố quyết định phần công suất cho phía AC. Thiết kế nó cũng phức tạp hơn hệ ghép nối AC thuần túy.

 II.  Hệ Off-Grid với Sunny Island

2.1  Nguyên lí hoạt động của Sunny Island

Sunny Island (SI) là biến tần pin được kết nối trực tiếp tới hệ thống pin lưu trữ

SI tạo ra lưới điện AC của hệ Off-Grid và cũng điều chỉnh luôn cả điện áp và tần số của lưới AC này

Cả tải AC và nguồn phát điện đều được kết nối trực tiếp đến lưới điện AC. Các nguồn phát điện (Như biến tần PV) phát năng lượng lên lưới điện AC của hệ Off-Grid và cung cấp điện tới các tải.

Sunny Island điều chỉnh sự cân bằng giữa năng lượng nạp vào và năng lượng sử dụng và có tính năng quản lý hệ thống quản lý pin, máy phát điện và tải. Nếu có sẵn năng lượng dư thừa (ví dụ: bức xạ mặt trời cao và tiêu thụ thấp), Sunny Island chuyển hướng năng lượng từ lưới điện xoay chiều và sử dụng năng lượng này để sạc ắc quy. Nếu không có đủ năng lượng sẵn có (chiếu xạ mặt trời thấp hoặc không có và mức tiêu thụ cao), Sunny Island cung cấp năng lượng từ pin cho lưới điện xoay chiều.

Sunny Island tự động kiểm tra tính khả dụng của lưới điện xoay chiều và các thành phần hệ thống. Do đó, các đơn vị giám sát và kiểm soát bổ sung là không cần thiết. Điều này đơn giản hóa hoạt động của hệ thống và giảm chi phí vốn.

2.2  Điểm mạnh của Sunny Island

• Dùng cho hệ thống tầm trung 1-300 kW
• Cấu hình linh hoạt cho hệ thống đơn, hệ song song 1 pha hoặc 3 pha
• Công nghệ Multicluster – Kết hợp các hệ thống 3 pha cho nguồn cung năng lượng lớn.
• Khả năng mở rộng nhờ thiết kế module
• Đặc tính quá tải tuyệt vời
• Phù hợp để cài đặt trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt
• Tối ưu hóa trình quản lí pin và dung lượng sạc để tăng tuổi thọ cho pin axit chì
• Tương thích với nhiều loại pin Lithium-Ion
• Lợi ích về kinh tế khi dùng với tải AC, năng lượng tái tạo và máy phát điện
• Phù hợp dùng trong hệ Off-Grid

2.3  Thiết kế module

2.3.1 Hệ thống đơn 1 pha

Trong hệ đơn 1 pha, 1 SI tạo lưới độc lập 1 pha

2.3.2 Hệ thống nhóm đơn 1 pha

Trong hệ thống nhóm đơn 1 pha, các Sunny Island phải thuộc cùng một loại (cùng công suất).

Lưu ý SI 4.4M không thể dùng trong hệ nhóm đơn 1 pha

Trong hệ nhóm đơn 1 pha, có 3 con Sunny Island kết nối vào nhóm pin lưu trữ. SI được kết nối vào phía AC với cùng một dây dẫn điện.

2.3.3 Hệ thống nhóm đơn 3 pha

Trong hệ nhóm đơn 3 pha, có 3 con Sunny Island kết nối vào nhóm pin. SI được kết nối vào phía AC với 3 dây dẫn điện khác nhau. Tất cả các thiết bị phải cùng một loại

2.3.4 Hệ thống đa nhóm – nhiều cụm

Hệ thống đa nhóm gồm nhiều nhóm 3 pha. Mỗi nhóm 3 pha này phải được kết nối tới Multicluster Box.

Muilticluster Box là một công nhệ của SMA cho hệ Off-Grid và hệ thống pin lưu trữ

Multicluster Box là tủ phân phối chính của AC và có thể kết nối tới 12 cụm cluster. Mỗi cụm cluster là một nhóm 3 pha. Chỉ có các thiết bị cùng công suất đầu ra mới có thể tạo thành một cụm cluster.

Tương tự như trên, SI 4.4M không dùng được trong hệ đa nhóm.

III.  Thiết kế một hệ Off-Grid

3.1  Quy trình thiết kế

Điều quan trọng cho tính kinh tế và độ tin cậy hoạt động của hệ Off-Grid là dựa vào nhu cầu dùng điện. Ngoài ra cũng phải xét đến năng suất của hệ PV và thói quen tiêu dùng điện của chủ nhà. Thông tin có thể được thu thập theo như sau

• Mục đích của dự án
• Tổng tải và thời gian sử dụng
• Điều kiện địa lí
• Các nguồn cấp năng lượng sẵn có
• Solar Fraction (SF): Tỷ lệ của hệ thống PV trong tổng các nguồn cung năng lượng của hệ Off-Grid
• Thời gian dự trữ của pin.

Các mục sau đây liệt kê trình tự thiết kế cho dự án Off-grid

Bạn có thể dùng 2 công cụ bổ sung của SMA để trợ giúp

• Off-Grid Questionnaire (tại SMA-Solar.com)
• Sunny Design (tại SMA-Solar.com)

3.2  Dự tính tải tiêu thụ

Trả lời các câu hỏi

• Loại tải nào được dùng cho hệ Off-Grid
• Tổng tải trong năm hoặc trong ngày
• Nhu cầu tải tối đa trong ngày
• Sử dụng bảng liệt kê công suất các tải sự dụng trong gia đình

3.3  Sunny Island và Thiết kế Multicluster Box

3.3.1 Đề xuất việc chọn Sunny Island/ Multicluster Box

Khi sử dụng hệ Off-grid một pha, cách xác định số lượng Sunny Island

• Công suất tối đa tải tiêu thụ trong một ngày (P_max)
• Công suất của Sunny Island trong vòng 30p ở 25^oC (P_30min)

Hệ 1 pha

Đối với hệ thống 3 pha

Số lượng thiết bị trong hệ 3 pha cũng được xác định bằng phương pháp giống với hệ 1 pha.

Tuy nhiên kết quả được làm tròn lên tới số lớn nhất chia hết cho 3. Việc này đảm bảo số lượng Inverter được phân bố tương ứng với các dây điện

Hệ 3 pha

Tải và máy phát điện cũng phải được phân bố đồng đều trên 3 dây dẫn điện.

3.3.2 Lựa chọn biến tần Sunny Island

Đường cong nhiệt độ – năng suất: Nếu nhiệt độ môi trường cao thì nên chọn công suất của Sunny Island cao hơn nữa để thỏa mãn tải.

Lưu ý: Dòng SI 4.4M không dùng cho hệ nhóm đơn 1 pha và hệ đa nhóm

3.3.3 Lựa chọn Multicluster Box

3.4  Thiết kế hệ thống lưu trữ pin

Khi thiết kế hệ thống pin lưu trữ, ta quan tâm tới các thông số sau: dung lượng, điện áp pin (12V, 24V, 48V …) và loại pin.

3.4.1 Dung lượng pin

Dung lượng pin cần chọn phụ thuộc vào các yếu tố

• Thời gian dự trữ của pin (Bridging time): Là thời gian mà hệ Off-Grid chỉ dùng năng lượng của pin để cung cấp cho tải. 2 ngày là khoảng thời gian thường dùng cho hệ Off-Grid với máy phát điện.
• Năng lượng tiêu thụ trong một năm (E_anno)
• Hiệu suất pin trung bình trong quá trình xả (η_Batt): xấp xỉ 0.9 trong hệ Off-Grid
• Dung lượng pin thường được tính bằng kWh hoặc Ah

Lưu ý:

• Dung lượng pin có thể sử dụng: Để pin có tuổi thọ cao, chỉ nên sạc và xả pin trong khoảng dung lượng pin cho phép. Dung lượng pin tính toán ở đây dựa trên khoảng dung lượng cho phép.
  • Với pin axit chì, khoảng dung lượng có thể sử dụng khoảng 50% dung lượng danh định của pin. Trong nhiều trường hợp nếu ta không xét tới mức tuổi thọ pin thì
  • Với pin Lithium-Ion dung lượng sử dụng của pin khoảng 80% (Kiểm tra thêm thông số kỹ thuật của pin). Nếu nhà sản xuất pin thông báo độ xả sâu của pin là 100% thì ta chỉ nên tính khoảng 90%.
• Kích thước của pin: Pin không có sẵn cho mọi kích thước. Ta nên chọn kích thước pin lớn hơn và lưu ý dung lượng của pin khi lựa chọn
• Không nên dùng dung lượng pin quá nhỏ
  • Dung lượng pin tối thiểu của pin Axit chì: 100Ah/kWp của hệ PV
  • Dung lượng pin tối thiểu của pin Lithium-Ion: 50Ah/kWp của hệ PV
• Pin Lithium-Ion trong hệ Off-Grid: SI có khả năng chịu đựng sự quá tải cao. Để tận dụng điều này, công suất đầu ra và dòng đầu ra của pin nên được xem xét. Cần chọn lựa xem dòng ra của pin có thỏa mãn điều kiện này không.

3.4.2 Điện áp danh định của pin

Sunny Island chỉ dùng pin có điện áp định mức là 48V.

3.4.3 Loại pin

Sunny Island tương thích với các loại pin sau

• Pin Axit chì chỉ dùng với 2 loại VRLA VÀ FLA
• Pin Lithium-Ion
  • Pin phải tuân thủ các tiêu chuẩn và chỉ thị áp dụng tại địa phương và về bản chất phải an toàn.
  • Để biết loại pin Lithium-Ion nào phù hợp với Sunny Island, kiểm tra tại www.SMA‑Solar.com
  • Nếu không thể tìm được loại pin Lithum-Ion phù hợp trong danh sách, ta buộc phải dùng pin Axit chì.

3.4.4 Cầu chì DC

Cầu chì DC ngoài để bảo vệ dây kết nối pin của Inverter. Hơn nữa cầu chì DC cũng cho phép ngắt kết nối phần DC với biến tần pin.

Cầu chì DC bắt buộc phải được lắp đặt giữa Sunny Island và bộ pin. Chuẩn cầu chì GmbH & Co.KG.

3.5  Thiết kế hệ thống PV

3.5.1 Ước lượng công suất danh định của hệ PV

Các hệ số ảnh hưởng

• Năng lượng tiêu thụ trong một năm (E_anno)
• Hiệu suất hệ thống (ηSys): ta thường quy định 0.7
• Solar Fraction (SF): Tỷ lệ của hệ thống PV trong tổng các nguồn cung năng lượng của hệ Off-Grid. Tỷ lệ năng lượng mặt trời phụ thuộc vào lượng năng lượng PV có sẵn tại địa điểm lắp đặt
• Công suất cụ thể PV (E_PV): Công suất năng lượng cụ thể phụ thuộc vào lượng năng lượng thường có sẵn tại địa điểm lắp đặt và công suất hệ thống PV danh nghĩa.

Công suất hệ PV và phần tỷ lệ năng lượng mặt trời hợp lí trong hệ Off-Grid

Công suất hệ thống PV gần đúng có thể được tính toán bằng cách sử dụng các giá trị được liệt kê ở trên

Lưu ý:

• Công suất danh định của PV có thể được lấy từ công suất của PV Inverter đã được lắp đặt.
• Trong các hệ thống không nối lưới, công suất danh định của hệ thống PV không được lớn hơn gấp đôi tổng công suất AC danh định của Biến tần Sunny Islands

• Khi dùng pin axit chì: Dung lượng pin tối thiểu trên mỗi kWp hệ PV là 100Ah. VD: Hệ PV có công suất 5kWp thì dung lượng pin là 500Ah
• Khi dùng pin Lithium-Ion: Dung lượng pin tối thiểu trên mỗi kWp hệ PV là 50Ah. VD: Hệ PV có công suất 5kWp thì dung lượng pin là 250Ah.

3.5.2 Chọn PV Inverter

Tham khảo dung mục Inverter đi kèm.

3.5.2.1  Công suất tối đa của hệ PV

Trong hệ Off-Grid, công suất tối đa của hệ PV phụ thuộc vào tổng công suất của Sunny Island

• Công suất tối đa đầu ra của hệ PV với SI4.4M: 4600W
• Công suất tối đa đầu ra của hệ PV với SI6.0H: 9200W
• Công suất tối đa đầu ra của hệ PV với SI8.0H: 4600W

Điều này đặt ra để đảm bảo tính ổn định của hệ thống Off-Grid

3.6  Thiết kế máy phát điện

Công suất danh định của máy phát điện phải xấp xỉ 80% đến 120% tổng công suất danh định của biến tần pin. Ưu tiên, giá trị này phải dưới 100%; điều này đảm bảo rằng việc sử dụng máy phát điện sẽ luôn tối ưu.

3.7  Ước lượng chi phí cho hệ PV

Giá của hệ PV bao gồm:

• Giá biến tần pin.
• Giá của hệ PV (tấm pin và biến tần PV)
• Hệ thống lưu trữ pin và cầu chì DC
• Máy phát điện
• Chi phí nhân công và lắp đặt.

 IV. Ví dụ về tính toán một hệ Off-Grid theo các bước

Các giá trị ban đầu và thông tin cần thiết

• Công suất tải yêu cầu trong 1 năm: 4500 kWh/năm
• Công suất tải trong ngày: 5kW
• Thời gian dự phòng (Bridging Time): 2 ngày
• Hệ Off-Grid 1 pha
• Máy phát điện: 1 máy

Bước 1: Xác định số lượng Sunny Island cần thiết

Ta chọn SI 6.0H

Số này được làm tròn lên. Do đó hệ cần 1 IVT Sunny Island

Bước 2: Tính toán dung lượng pin cần thiết

Hiệu suất trung bình của hệ thống khi xả pin được tạo thành từ hiệu suất biến tần Sunny Island và hiệu suất của pin. Giá trị mong muốn dựa trên kinh nghiệm là hệ số η_Batt =0,9.

Vậy dung lượng pin cần thiết là 27.4 kWh hoặc 570 Ah.

Lưu ý: Cần xem xét yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng đến dung lượng pin .

Bước 3: Xác định công suất danh định của hệ PV

Hệ này đặt ở Bắc châu Phi. Từ đây chúng ta có một vài giá trị

• Công suất cụ thể: 1450 kWh/kWp/ năm
• Hệ số SF: 70%

Ta có:

Công suất danh định của hệ PV là 3.1 kWp. Điều này đòi hỏi công suất của biến tần PV phải ít nhất là 3100W.

Công suất tối đa của biến tần PV dựa vào công suất của biến tần pin Sunny Island đã chọn là SI 6.0H. Do đó công suất của biến tần PV có thể đạt đến 9200W.

Bước 4: Xác định công suất danh định của máy phát điện

Công suất danh định của Sunny Island là 4600W. Do đó công suất danh định của máy phát nên nằm trong khoảng 3680W (80%) và 5520W (120%). Để công suất máy phát tối ưu nên chọn dưới mức 4600W (100%).

Tổng kết:

• Số lượng Sunny Island: 1 (pcs)
• Dung lượng pin cần thiết: 570 Ah
• Công suất hệ PV: 3.1 kWp
• Công suất máy phát điện: 3680 W.

Sưu tầm và biên tập bởi NTH – Lithaco