Phân tích và đề xuất các giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả tại trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 2 (tt)

Trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo lường Chất lượng 2 QUATEST 2 là tổ chức Khoa học Công nghệ thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng - Bộ khoa học & Công nghệ thực hiện chức năng ph

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU NGỌC AN

Phản biện 1: TS Đoàn Anh Tuấn

Phản biện 2: TS Trần Vinh Tịnh

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành Kỹ thuật Điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 19 tháng 02 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thiếu hụt năng lượng đang là một trong những vấn đề nhức nhối hiện nay trên toàn thế giới Các nguồn năng lượng truyền thống được sử dụng phổ biến hiện nay là các nguồn năng lượng hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí đốt,… Tuy nhiên những nguồn năng lượng này lại đang bị sử dụng quá mức và đứng trước nguy cơ cạn kiệt Giải pháp tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, các nguồn năng lượng

có khả năng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió… đã được sử dụng nhưng vẫn còn nhiều hạng chế, khó khăn về mặt công nghệ, cũng như chưa đạt được sự hiệu quả về mặt kinh tế

Do đó, các giải pháp tiết kiệm năng lượng vẫn đang là một trong những vấn đề quan trọng và được quan tâm hàng đầu trên toàn thế giới Đặc biệt là trong quá trình sản suất, dưới sự biến động giá cả năng lượng theo chiều hướng ngày càng tăng, việc đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất cho các doanh nghiệp luôn là một giải pháp cần thiết cho việc giảm chi phí sản xuất, tăng cao lợi nhuận cho doanh nghiệp

Bên cạnh đó, việc tiết kiệm năng lượng cũng góp phần vào việc giảm lượng khí CO2 thải ra, bảo vệ môi trường sống, đảm bảo thực hiện chính sách phát triển bền vững nền kinh tế song song với bảo vệ môi trường

Trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo lường Chất lượng 2 (QUATEST 2) là tổ chức Khoa học Công nghệ thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng - Bộ khoa học & Công nghệ thực hiện chức năng phục vụ quản lý Nhà nước về Tiêu chuẩn, Đo lường, Chất lượng; nghiên cứu khoa học và cung cấp các dịch vụ kỹ thuật theo yêu cầu của các tổ chức, cá nhân trên cả nước

Sau một chặn đường giài phát triển, những năm gần đây,

QUATEST 2 đã có sự phát triển vượt bậc về quy mô, cơ sở vật chất, trang thiết bị, nhân lực và không ngừng tăng trưởng doanh thu theo từng năm Song song với việc phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng của QUATEST 2 cũng không ngừng tăng cao Đứng trước vấn

đề đó, việc đưa ra các giải pháp để sử dụng tiết kiệm và hiệu quả nguồn năng lượng tại QUATEST 2 là một vấn đề cấp thiết nhằm xây dựng một quá trình vận hành hiệu quả cũng như góp phần phát triển bền vững QUATEST 2 trong tương lai

2 Mục tiêu của đề tài

Phân tích, đánh giá tình hình sử dụng năng lượng tại Trung tâm

Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2 (QUATEST 2)

Đưa ra các giải pháp nhằm sử dụng hiệu quả và tiết kiệm điện năng Giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng trong quá trình vận hành thiết

bị Giảm chi phí cho việc sử dụng năng lượng trong sản xuất ở QUATEST 2

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Nhu cầu sử dụng năng lượng tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu

chuẩn Đo lường Chất lượng 2 (QUATEST 2) Phân tích và đưa ra các giải pháp để sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng

Phạm vi nghiên cứu

- Tình hình công tác và sử dụng năng lượng tại Trung tâm Kỹ

thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2 (QUATEST 2)

Phương pháp nghiên cứu

- Lấy số liệu, thu thập xử lý và tổng hợp thông tin liên quan đến

đề tài nghiên cứu, qua đó tiến hành tra cứu, phân tích những kết quả,

thông tin rồi đưa ra giải pháp

4 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Đề tài nghiên cứu về tình hình sử dụng năng lượng và đưa ra các giải pháp làm tăng tính hiệu quả và tiết kiệm khi sử dụng năng lượng tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2 (QUATEST 2) Đồng thời, đề tài có thể áp dụng lên các doanh nghiệp khác nhằm giảm thiểu chi phí, nâng cao hiệu quả kinh tế trong quá trình vận hành, góp phần làm giảm nguy cơ thiếu hụt năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng cho đất nước và bảo vệ môi trường

5 Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận văn bao gồm các chương như sau:

CHƯƠNG I: Tổng quan về tình hình tiết kiệm năng lượng trên Thế giới và ở Việt Nam

CHƯƠNG II: Tổng quan về các hoạt động, công tác và cơ sở vật chất – Phân tích và đưa ra giải pháp tiết kiệm điện năng

CHƯƠNG III: Tính toán thiết hệ thống điện mặt trời bám lưới

có lưu trữ, đề xuất phát triển hệ thống quản lý toà nhà cho Trung tâm

Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Tầm quan trọng của vấn đề năng lượng đối với con người

Vấn đề năng lượng gắng liền với toàn bộ các hoạt động của con người Do đó, sự thiếu hụt về năng lượng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của toàn nhân loại Vì vậy con người cần chủ động trong việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế mới, đồng thời có những chính sách về việc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt

1.2 Đánh giá tình hình tiêu thụ năng lượng trên thế giới

Hiện nay, khủng hoảng năng lượng đang là những vấn đề lớn được sự quan tâm trên toàn thế giới Việc sử dụng năng lượng hiệu quả là giải pháp cần thiết để phát triển bền vững trong thế kỷ 21 Tiêu thụ năng lượng sơ cấp toàn cầu năm 2018 đạt 13.864,9 triệu TOE, trong đó dầu mỏ 4.662,1 triệu TOE (33,6%), khí đốt 3.309,4 triệu TOE (23,9%), than 3.772,1 triệu TOE (27,2%), điện hạt nhân 611,3 triệu TOE (4,4%), thủy điện 948,8 triệu TOE (6,8%), năng lượng tái tạo 561,3 triệu TOE (4,1%)

1.3 Tình hình sử dụng năng lượng ở Việt Nam

Những năm gần đây, Việt Nam là một trong những nền kinh tế

có tốc độ phát triển khá cao so với các nước trong khu vực.Ngành năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của đất nước Các giải pháp tiếp cận các nguồn năng lượng có chi phí thấp và độ ổn định cao được ưu tiên hàng đầu, tạo cơ sở thúc đẩy tăng trưởng kinh tế

Thống kê cho thấy, từ năm 2012 đến 2018, tổng tiêu thụ năng lượng tăng bình quân 6%/ năm Riêng điện năng, từ năm 2011 đến

2019 tăng bình quân 10%/năm

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HOẠT ĐỘNG CÔNG TÁC VÀ CƠ

SỞ VẬT CHẤT - PHÂN TÍCH VÀ ĐƯA RA GIẢI PHÁP THAY

THẾ ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG 2.1 Quá trình hình thành và phát triển của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2 (QUATEST 2)

QUATEST 2 là tổ chức Khoa học Công nghệ thành lập năm

1979 thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng - Bộ khoa học

& Công nghệ thực hiện chức năng phục vụ quản lý Nhà nước về Tiêu chuẩn, Đo lường, Chất lượng

2.2 Các hoạt động, công tác tại QUATEST 2

Hoạt động Kiểm định, Hiệu chuẩn, Thử nghiệm ở QUATEST 2 bao gồm nhiều lĩnh vực như: Cơ khí, vật lý, hóa, sinh, vi sinh, điện, nhiệt… chia thành hai khối Đo lường và Thử nghiệm bao gồm 11 phòng kỹ thuật

Điện năng tiêu thụ (kWh)

Thành tiền (*) (VNĐ)

1 27.920 48.999.600 1 28.624 54.442.848

Điện năng tiêu thụ (kWh)

Thành tiền (*) (VNĐ)

(*) Số tiền trên chưa bao gồm thuế VAT

Nhận xét: Qua biểu đồ ta có thể thấy mức độ tiêu thụ điện năng

tại QUATEST 2 tập trung chủ yếu vào các tháng mùa nóng trong năm

Để nắm rõ được tình hình tiêu thụ điện năng cần thực hiện kiểm kê lại

hệ thống cơ sở vật chất và trang thiết bị, qua đo đưa ra các đánh giá và giải pháp để thực hiện việc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả điện năng tại QUATEST 2

2.3.2 Các hệ thống tiêu thụ điện năng tại QUATEST 2

Qua khảo sát ta thấy rằng việc tiêu thụ điện năng ở QUATEST 2 tập trung chính vào 3 hệ thống: hệ thống điều hoà không khí, hệ thống đèn chiếu sáng, hệ thống quạt hút khí thải của các phòng thí nghiệm

a) Hệ thống điều hoà không khí

Hệ thống điều hoà ở QUATEST 2 gồm 142 máy, không đồng

bộ về chủng loại và công suất do sự đầu tư khác nhau theo từng thời kì phát triển Đặc biệt có nhiều máy điều hoà đời cũ, hiệu suất hoạt động không cao, gây tiêu hao nhiều điện năng khi sử dụng

b) Hệ thống đèn chiếu sáng

Hiện nay QUATEST 2 đang sử dụng 545 bóng đèn compact CFS – 15W công suất 15 , 20 bóng đèn 1m2-36W-T8 huỳnh quang công suất 36W dùng để chiếu sáng cho các phòng làm việc và lối đi

Hệ thống đèn chiếu sáng khuôn viên sử dụng 8 đèn NEPTUNE 200 công suất 200W

c) Hệ thống quạt hút

Hệ thống gồm 9 quạt hút được bố trí trong 3 phòng thí nghiệm hóa học tại QUATEST 2 Các quạt hút được lắp đặt ở đỉnh mái, kết nối với đường ống về các phòng Hiện tại các động cơ của quạt hút hoạt động với công suất định mức, gây lãng phí điện năng trong các trường hợp không yêu cầu tốc độ hút lớn

2.4 Giải pháp tiết kiệm cho hệ thống tiêu thụ điện năng của QUATEST 2

2.4.1 Các giải pháp tiết kiệm cho hệ thống tiêu thụ điện năng

a) Lắp đặt bộ đếm thời gian điều khiển hoạt động của hệ thống điều hòa

Lắp đặt bộ đếm thời gian, cài đặt thời gian như sau: Bắt đầu bật

hệ thống điều hòa vào lúc 8 giờ sáng thay vì 7 giờ như hiện nay, và tắt trước khi về 30 phút vào buổi trưa và 30 phút vào buổi chiều Như vậy, trung bình một ngày tại QUATEST 2 có thể tiết kiệm năng lượng trong 2 giờ

b) Thay thế hệ thống chiếu sáng cũ bằng hệ thống mới

Ngoài việc thay thế các bóng đèn cũ bằng bóng đèn led có hiệu

suất chiếu sáng cao hơn, ta có thể sử dụng đèn năng lượng mặt trời được trang bị chế độ cảm biến ánh sán, tự động bật tắt để chiếu sáng cho khu vực khuôn viên

c) Sử dụng biến tần điều khiển tốc độ quạt hút

Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi và điều chỉnh tốc độ động

cơ xoay chiều Việc lắp đặt biến tần điều khiển các quạt hút tại các phòng thí nghiệm hóa học sẽ giúp giảm lãng phí điện năng trong các thí nghiệm không yêu cầu độ hút khí cao

2.5 Tính toán lợi ích mang lại cho QUATEST 2 khi áp dụng các giải pháp tiết kiệm

2.5.1 Tính toán lợi ích khi lắp đặt bộ đếm thời gian điều khiển hoạt động của hệ thống điều hòa

Qua tính toán lựa chọn bộ timer T57N-P-60A

Hình 2.1: Bộ đếm thời gian T57N-P-60A

Số tiền đầu tư ban đầu là 186.600.000 đ

Số tiền tiết kiệm được trong 1 năm khoảng 250.000.000 đ Thời gian thu hồi vốn ước tính tầm 9 tháng

2.5.2 Tính toán lợi ích khi thay thế hệ thống chiếu sáng cũ bằng hệ thống mới

Thay các bóng đèn hùynh quang CFS–15W thành đèn LED TR60N2/10W.H

Bảng 2.2 : Hiệu quả đầu tư đèn TR60N2/10W.H – 10W

TT Hạng mục Đơn vị tính Thành tiền

02 Tổng tiền tiết kiệm đồng/năm 12.416.256

Thay các bóng đèn dài 1m2-36W-T8 huỳnh quang thành bóng đèn LED TT01 1200/20W

Bảng 2.3 : Hiệu quả đầu tư đèn TR60N2/10W.H – 10W

TT Hạng mục Đơn vị tính Thành tiền

02 Tổng tiền tiết kiệm đồng/năm 1.460.736

Lắp đặt đèn năng lượng mặt trời cho hệ thống chiếu sáng khuôn viên

Bảng 2.4 : Hiệu quả đầu tư đèn Solar light 200W

TT Hạng mục Đơn vị tính Thành tiền

02 Tổng tiền tiết kiệm đồng 7.303.680

2.5.3 Tính toán lợi ích khi sử dụng biến tần điều khiển tốc độ quạt hút

Ta có bảng tổng hợp chi phí và lợi ích khi thực hiện giải pháp lắp biến tần cho quạt hút tại các phòng thí nghiệm hóa học:

Bảng 2.5: Bảng tổng hợp chi phí/lợi ích khi thực hiện giải pháp lắp

biến tần

TT Hạng mục Đơn

vị

Quạt hút 5,5 kW

và đưa ra phương án thay thế, nâng cấp toàn bộ hệ thống điện để gặp phải những khó khăn thách thức vô cùng lớn Hiệu quả mang lại của các giải pháp tiết kiệm điện đã nêu ở trên tương đối lớn song vẫn còn những bất tiện trong quá trình cải tạo Hiện nay, việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho các toàn nhà đang được áp dụng nhiều nơi Ngoài ra, xu hướng lắp đặt hệ thống quảng lý toà

nhà BMS (Building Management System)cũng tạo ra giải pháp quản lý thông minh và toàn diện về việc sử dụng năng lượng, mang đến nhiều tiện ích trong quá trình vận hành Vì vậy, vào chương sau, tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu vào giải pháp xây dựng hệ thống điện mặt trời và đề xuất lắp đặt hệ thống quản lý toà nhà BMS cho Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI BÁM LƯỚI CÓ LƯU TRỮ, ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TOÀ NHÀ CHO TRUNG TÂM KỸ THUẬT TIÊU CHUẨN ĐO LƯỜNG CHẤT LƯỢNG 2

3.1 Tiềm năng bức xạ tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2

Theo khảo sát, bức xạ mặt trời trung bình tại Đà Nẵng là 4,8kWh/m2/ngày, trong đó lượng bức xạ cao nhất từ tháng 4 đến tháng

9, số giờ nắng của TP Đà Nẵng đạt xấp xỉ 2.100 giờ/năm Như vậy năng lượng mặt trời tại Đà Nẵng có tiềm năng lớn để khai thác và sử dụng

3.2 Lựa chọn mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời cho Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2

Hiện nay, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đang ngưng việc nối lưới đối với hệ thống điện mặt trời để tránh quá tải lưới điện Nên trong mô hình hệ thống điện mặt trời, tác giả sẽ tìm hiểu về hệ thống năng lượng mặt trời bám lưới Với mục tiêu quan trọng là đáp ứng nhu cầu sử dụng hiện tại và lợi nhuận cho Trung tâm, tác giả đề xuất lựa

chọn Mô hình “Hệ thống điện NLMT bám lưới có lưu trữ” để cấp

điện cho Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2

3.3 Vị trí xây dựng

Hệ thống ĐMT được dự kiến lắp đặt trên mái tòa nhà 7 của Trung tâm Khu vực xung quanh toà nhà trống trải, không có nhà và cây cao nên khả năng hấp thụ đón ánh sáng mặt trời rất tốt

3.4 Tính toán, thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời bám lưới cho Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2

3.4.1 Xác định định khu vực bị che bóng thông qua phần mềm mô phỏng Sketchup

Hình 3.1 Mô phỏng toà nhà 7 tầng sau khi lắp đặt các tấm pin

3.4.2 Chọn và thiết kế bố trí các tấm pin trên phần mềm AutoCad

a) Chọn tấm pin mặt trời có công suất cao và giá thành tốt

Tác giả chọn Pin loại LR5-72HPH-540M của công ty LONGI Solar, sản xuất tại Trung Quốc

Bảng 3.2 Bảng thông số kỹ thuật Pin mặt trời LR5-72HPH-540M

Kích thước (Dài x Rộng x Cao) 2256 x 1133 x 35 mm

Chi tiết Thông số

Điện áp tại điểm công suất đỉnh (Vm) 41,65 V

Dòng điện tại điểm công suất đỉnh (Im) 12,97 A

Ngưỡng nhiệt độ vận hành -40°C đến 85°C

b) Thiết kế bố trí tấm pin trên cấu trúc mái của Trung tâm

Với diện tích mái hiện tại là 456 m2, tác giả đã bố trí 118 tấm pin LR5-72HPH-540M, chia thành 7 chuỗi pin với tổng công suất DC

là 63.720 Wp Chuỗi 1, 2, 3, 4 với số tấm pin là 17 tấm, công suất của

1 chuỗi là 9.180 Wp Chuỗi 5, 6 có 16 tấm pin, công suất 1 chuỗi là

8640 Wp, chuỗi 7 có 18 tấm pin, công suất của chuỗi là 9720 Wp Và chuỗi 7 có 18r tấm pin với công suất là 9.720 Wp

Hình 3.2 Bố trí các tâm pin trên tòa nhà 7