Thiết kế hệ thống đèn đường năng lượng mặt trời

Đây là thiết bị cung cấp ánh sáng cho đường đi của khu vườn, lối đi vào nhà, đường đi…Để có thể lắp đặt một hệ thống phù hợp, cần tham khảo bài viết về thiết kế hệ thống đèn đường năng lượng mặt trời.

Hệ thống PV năng lượng mặt trời là?

Hệ thống năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo, sử dụng các mô đun PV năng lượng mặt trời để chuyển đổi nguồn ánh sáng thành điện năng.

Năng lượng được tạo ra có thể được lưu trữ hay sử dụng trực tiếp cho thiết bị, có thể được đưa trở lại vào đường lưới điện quốc gia hay hòa chung với một hay nhiều nguồn điện, nguồn năng lượng tái tạo khác nhau.

Hệ thống này là nguồn điện sạch và đáng tin cậy nhất có thể để phù hợp với nhiều ứng dụng như nhà ở, công nghiệp, nông nghiệp, chăn nuôi…

Cấu tạo của hệ thống đèn đường năng lượng mặt trời

Hệ thống đèn đường tích điện mặt trời gồm các thành phần khác nhau như tấm pin năng lượng mặt trời, bộ điều khiển sạc, pin lưu trữ, biến tần, cột đèn, đèn LED.

Một số tính năng cơ bản của từng thành phần:

• Mô đun PV- là tấm pin năng lượng mặt trời có chức năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nguồn điện một chiều.
• Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời có khả năng điều chỉnh điện áp và dòng điện từ các tấm pin PV đi vào pin lưu trữ và ngăn ngừa quá mức sạc, giúp kéo dài tuổi thọ của pin.
• Pin giúp dự trữ nguồn năng lượng từ tấm pin để cung cấp cho các thiết bị điện khi có nhu cầu hay vào ban đêm.
• Đèn LED là thiết bị điện được kết nối với hệ thống năng lượng mặt trời, giúp cho việc chiếu sáng đường đi và những khu vực khác được kéo dài và an toàn hơn.

Khi biết rõ những điều cơ bản về các bộ phận của hệ thống, sẽ rất hữu ích để nhấn mạnh cách thiết kế và xác định hệ thống tốt nhất cho đèn đường năng lượng mặt trời của bạn.

Xác định mức tiêu thụ năng lượng của đèn đường

Điều đầu tiên trong việc thiết kế hệ thống đèn đường năng lượng mặt trời là tìm ra tổng nguồn điện và mức tiêu thụ năng lượng của đèn LED và các bộ phận khác cần được cung cấp bởi năng lượng mặt trời như tấm pin PV, biến tần…

Các bước tính tổng mức tiêu thụ

• Bước đầu là tính tổng số Watt giờ mỗi ngày cho mỗi thành phần được sử dụng. Bạn cần xem xét số và cộng số Watt giờ cần thiết cho tất cả các bộ phận lại với nhau để có tổng số Watt mỗi ngày.
• Kế tiếp là cần tính tổng số Watt giờ mỗi ngày cần thiết từ các tấm pin PV. Cách tính bằng cách nhân tổng số Watt giờ mỗi ngày cho 1.3 (năng lượng bị mất trong hệ thống) để có tổng số Watt giờ mỗi ngày được cung cấp bởi các tấm năng lượng mặt trời.

Kích thước của tấm pin mặt trời cần thiết cho hệ thống đèn đường

Kích thước khác nhau của các mô đun PV năng lượng mặt trời sẽ tạo ra lượng điện năng khác nhau. Cần tìm ra kích thước của mô đun PV và tổng nhu cầu sản xuất cực đại.

Công suất cực đại (Wp) được tạo ra phụ thuộc vào kích thước của mô đun PV và khí hậu tại khu vực được lắp đặt. Cần nên xem xét các yếu tố khác nhau của tấm pin năng lượng mặt trời ở mỗi vị trí khu vực.

Các bước tính kích thước cần thiết

• Cách tính tổng giá trị Watt suy yếu cần thiết cho các mô đun PV: chia tổng số Watt giờ mỗi ngày cần thiết cho các mô đun PV cho 3.43 để có được tổng giá trị Watt suy yếu cho các tấm pin PV cần thiết để vận hành các thiết bị.
• Cách tính toán số lượng tấm pin năng lượng mặt trời cho hệ thống: chia kết quả phía trên cho công suất Watt suy yếu đầu ra có sẵn của các mô đun PV. Làm tròn bất kỳ số thập nào của kết quả để có số đầy đủ nhất, là số lượng tấm pin PV được yêu cầu.

Kết quả tính toán sẽ là số lượng tấm pin PV tối thiểu. Nếu nhiều mô đun PV được lắp đặt, hệ thống sẽ hoạt động tốt hơn và cải thiện tuổi thọ của pin lưu trữ.

Nếu sử dụng ít mô đun PV hơn, hệ thống có thể không hoạt động trong giai đoạn trời nhiều mây và thời lượng pin lưu trữ sẽ bị rút ngắn.

Kích cỡ của pin lưu trữ năng lượng

Loại pin được khuyến nghị để sử dụng trong hệ thống pin PV năng lượng mặt trời là loại pin có chu kỳ sâu, thường được thiết kế đặc biệt để xả tới mức năng lượng thấp và sạc lại nhanh chóng hay sạc và xả theo ngày trong nhiều năm.

Pin được thiết kế phải đủ lớn để lưu trữ đủ nguồn năng lượng vận hành các thiết bị vào ban đêm và vào những ngày có nhiều mây.

Cách bước tính kích cỡ của pin lưu trữ

• Tính tổng số Watt giờ mỗi ngày được sử dụng bởi các thiết bị.
• Chia kết quả trên cho 0.85 để thể hiện năng lượng pin bị mất.
• Chia phần trên cho 0.6 để thể hiện độ sâu của việc xả sạc.
• Chia kết quả trên cho điện áp pin định danh.
• Nhân kết quả phần trên với số ngày tự do điều khiển (số ngày bạn cần hệ thống hoạt động khi không có nguồn điện được sản xuất bởi các tấm pin) để có được công suất pin Ampe giờ theo chu kỳ sâu.
• Dung lượng pin (Ah)= tổng số Watt giờ mỗi ngày được sử dụng bởi các thiết bị x Số ngày tự do điều khiển (0.85 x 0.6 x điện áp pin định danh).

Kích cỡ của bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời được đánh giá dựa trên công suất cường độ dòng điện và điện áp. Với điện áp của mảng PV và pin, sau đó xác định loại bộ điều khiển sạc phù hợp với ứng dụng của bạn.

Đảm bảo rằng bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời có đủ công suất để xử lý dòng điện từ mảng PV.

Đối với loại bộ điều khiển sạc mắc nối tiếp, kích thước của chúng phụ thuộc vào tổng dòng điện đầu vào PV được phân phối đến bộ điều khiển và cũng phụ thuộc vào lắp đặt của tấm pin PV (mắc nối tiếp hay song song).

• Theo tiêu chuẩn thông thường, kích thước của bộ điều khiển sạc = dòng điện ngắn mạch (lsc) của mảng PV x 1.3
• Giá trị của bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời = tổng dòng điện ngắn mạch của mảng PV x 1.3

Lưu ý: Kích thước bộ điều khiển sạc MPPT sẽ khác nhau.

Bài toán ví dụ về hệ thống đèn đường

Một ngôi nhà có cách sử dụng các thiết bị điện:

• Một đèn huỳnh quang 18 Watt với chấn lưu điện tử sử dụng 4 giờ mỗi ngày
• Một quạt 60 Watt được sử dụng trong 2 giờ mỗi ngày.
• Một tủ lạnh 75 Watt chạy 24 giờ mỗi ngày với máy ép chạy 12 giờ và tắt 12 giờ.
• Ngôi nhà này sẽ sử dụng hệ thống được cung cấp bởi mô đun PV 12V DC, 110 Wp.

Xác định nhu cầu tiêu thụ điện năng

• Tổng số thiết bị sử dụng = (18W x 4 giờ) + (60W x 2 giờ) + (75W x 24 x 0.5 giờ) = 1092 Wh / ngày
• Tổng năng lượng các tấm pin = 1092 x 1.3 = 1419.6 Wh/ngày
• Kích thước của tấm pin năng lượng mặt trời PV
• Tổng Wp dung lượng mà tấm pin PV cần = 1419.6 / 3.4 = 413.9 Wp
• Số tấm cần có = 413.9 / 110 = 3.76 mô đun

Yêu cầu thực tế là cần 4 mô đun. Vì vậy hệ thống này phải được cung cấp bởi ít nhất 4 mô đun pin của hệ thống PV 110 Wp.

Kích thước của biến tần

• Tổng số Watt của tất cả các thiết bị= 18 + 60 + 75 = 153W

Để an toàn, nên xem xét chọn loại biến tần có kích thước lớn hơn từ 25 đến 30%. Kích thước của nó nên khoảng 190W hay lớn hơn.

Kích cỡ pin

• Tổng số bị thiết bị sử dụng= (18W x 4 giờ) + (60W x 2 giờ) + (75W x 12 giờ) = 1092
• Điện áp pin định danh = 12V
• Số ngày tự do điều khiển = 3 ngày
• Dung lượng pin = 1092 x (3 x 0.85 x 0.6 x 12) = 200049,12
• Tổng số Ampe theo giờ = (((1092 / 0.85) / 0.6) / 12) x 3 = 535.29 Ah

Vì vậy, nên chọn pin 12V 600Ah cho việc tự động trong 3 ngày.

Kích thước bộ điều khiển sạc:

Đặc điểm kỹ thuật của mô đun PV

• Pm = 110 Wp
• Vm = 16.7 Vdc
• lm= 6.6A
• V = 20.7A
• lsc = 7.5A

Giá trị của bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời = (4 chuỗi x 7.5A) x 1.3 = 39A