Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện Trường Đại học Trà Vinh

HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH .... TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHÔNG DỰ TR

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3

4 Phương pháp nghiên cứu: 4

5 Bố cục của đề tài: 4

6 Tổng quan và tài liệu nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

KHAI THÁC, SỬ DỤNG 5

1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 5

1.1.1 Cấu trúc của mặt trời 6

1.1.2 Bức xạ mặt trời 8

1.1.3 Phổ bức xạ mặt trời 14

1.1.4 Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất 16

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 23

1.2.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 24

1.2.2 Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng NLMT 30

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MỘT LƯỚI ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 33

2.1 GIỚI THIỆU 33

2.2 PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 34

2.2.1 Solar 34

2.2.2 Solar controller 35

2.2.3 Bình ac quy 12 V 180 Ah 36

2.2.4 Inverter 37

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH 42

3.1 GIỚI THIỆU TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH 42

3.1.1 Sứ mạng của Trường 43

3.1.2 Phương châm của Trường 44

3.1.3 Chức năng, nhiệm vụ 44

3.1.4 Tổ chức bộ máy Nhà trường: 45

3.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHÔNG DỰ TRỮ47 3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH 47

3.3.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp mỗi ngày 47

3.3.2 Tính toán inverter cho hệ thống pin mặt trời 49

3.3.3 Tính toán công suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

PHỤ LỤC

1.5 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp

1.6 Vị trí của trái đất và mặt trời thay đổi trong năm 12

1.8 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 14 1.9 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 17 1.10 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 18

2.5 Mô hình hệ thống năng lượng làm on_grid 40

3.3 Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời 47

3.6 Sơ đồ đấu nối hệ pin mặt trời vào hệ thống 58

3.2 Bức xạ mặt trời đo được trong ngày 51 3.3 Bức xạ mặt trời đo được trong các tháng 52

3.4 Sản lượng điện năng do hệ thống pin mặt trời tạo

3.5 Tổng chi phí cho cả hệ thống pin năng lượng mặt

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

NLMT : Năng lượng mặt trời

DC : Điện áp một chiều

AC : Điện áp xoay chiều BĐK : Bộ điều khiển DCM : Chế độ dòng gián đoạn CCM : Chế độ dòng liên tục

PV : Pin mặt trời BTL : Bếp tiện lợi

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, ứng dụng các công nghệ tiên tiến quang điện để cấp điện và quang nhiệt để cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được đánh giá

là khá dồi dào và phong phú, và là nguồn năng lượng cơ bản có tính chiến lược không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điện lưới mà còn là nguồn bổ sung quan trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường sống Việt Nam đã ứng dụng năng lượng mặt trời để cấp điện và cấp nhiệt Các hệ thống lưới điện mặt trời đã có mặt ở

38 tỉnh, thành trong cả nước và một số bộ, ngành sử dụng Các nguồn điện pin mặt trời đều không nối lưới, trừ hệ thống pin mặt trời 150 kW tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia là có nối lưới Tổng công suất điện pin mặt trời của Việt Nam hiện nay khoảng 1,4 MW

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác được nữa Ngoài ra, những nguồn năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hưởng đến đời sống con người

Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường Vì vậy, tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong năng lượng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt lên hàng đầu Việc khai thác năng lượng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời, nó

cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Đó là loại hình năng lượng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lưới không vươn đến được (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …) Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất

Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lượng bức

xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm Một số liệu của Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lượng điện toàn quốc Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhưng vì nhiều lý do, việc phát triển năng lượng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn hơn các dạng năng lượng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế

Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lượng mặt trời tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ (tức là khai thác và sử dụng tại chỗ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cho lưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện)

Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là nội dung quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước nói chung và tỉnh Trà Vinh nói riêng, trong đó có vấn đề nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong sản xuất công nghiệp Đây là nội dung quan trọng trong Chiến lược phát triển bền vững Việt Nam giai đoạn 2011-2020, bảo đảm kết hợp hài hòa giữa tăng trưởng kinh tế, xóa đói giảm nghèo, sử dụng hợp lý tài nguyên

thiên nhiên và bảo vệ môi trường, nhằm chống tụt hậu xa hơn về kinh tế so với các nước trong khu vực, cũng như các nước khác trên phạm vi toàn thế giới, đồng thời thực hiện thắng lợi mục tiêu “Dân giàu, nước mạnh, dân chủ, công bằng, văn minh”

Đối với tỉnh Trà Vinh nói chung và Trường Đại học Trà vinh nói riêng, với tốc độ phát triển về c ơ s ở v ậ t c h ấ t c ũ n g n h ư c ơ s ở h ạ

t ầ n g n g à y mộ t l ớ n trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng để đáp ứng cho việc phát triển này sẽ ngày một gia tăng Trong khi đó trường Đại học Trà vinh đang khởi động dự án Đại học xanh Đặc biệt vào tháng 10 năm 2014 Hiệp hội Lãnh đạo Đại học vì một Tương lai Bền vững (ULSF) đã chính thức công nhận Đại học Trà Vinh thuộc hệ thống 400 trường đại học trên 50 quốc gia cùng chung tay xây dựng môi trường bền vững trong các lĩnh vực học thuật Do đó việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong tình hình hiện nay là hết sức cần thiết

Vì vậy, việc nghiên cứu khai thác hệ thống điện năng lượng mặt trời, cung cấp điện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng này lên lưới điện đang là một vấn đề cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện trường

đại học trà vinh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới

- Tính toán pin mặt trời kết nối lưới điện Trường Đại học Trà Vinh

3.2 Phạm vi nghiên cứu: Khu hiệu bộ Trường Đại học Trà vinh

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Thu thập số liệu thực tế tại Trường Đại học Trà Vinh, phân tích, đánh giá hiện trạng sử dụng năng lượng của trường, đề ra những giải pháp nâng cao hiệu quả và kế hoạch triển khai thực hiện các giải pháp phù hợp điều kiện của trường

- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng, tính toán năng lượng pin mặt trời cho khu Trường Đại học Trà Vinh

5 Bố cục của đề tài:

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử

dụng

Chương 2: Cấu trúc một lưới điện mặt trời nối lưới

Chương 3: Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới điện Trường

Đại học Trà Vinh

6 Tổng quan và tài liệu nghiên cứu

CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

KHAI THÁC, SỬ DỤNG

1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệ mặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch được xem là vô tận và nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn

110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất) Khối lượng Mặt trời khoảng Mo = 2.1030 kg Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 oK đến 20.106 oK, trung bình khoảng 15.600.000 oK Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử

Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn

trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời

1.1.1 Cấu trúc của mặt trời

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời

Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối

cầu khí khổng lồ (hình 1.1) Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những

chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng được truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có Sắt (Fe), Canxi (Ca), Natri (Na), Stronti (Sr), Crôm (Cr), Niken (Ni), Cacbon ( C), Silíc (Si) và các khí như Hiđrô (H2), Hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 oK, dày 1.000 km,

ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy

có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 oK và các tai lửa có nhiệt độ từ (7.000 ÷ 10.000) oK Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời

Hình 1.2 Các thành phần của mặt trời

Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5.762 oK nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân

tử Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73.46% là Hydrogen và gần 24,85% là Helium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium 0,05% và Sulphur 0,04% Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là

do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli Hạt nhân của Hyđrô có một hạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ γ

Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024 kWh

1.1.2 Bức xạ mặt trời

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Hằng số năng lượng mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m2 Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi

đi qua 5.105 km chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh Tất

cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, tứ tâm Mặt trời đi

ra cho sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Hình 1.3 Dải bức xạ điện từ

Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.3), từ tâm Mặt

trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt

độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1– 10 μm và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp