Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện

Đứng trước những khó khăn và thử thách đặt ra, tính thiết yếu của đề tài “Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Thanh Hải Tp Nha Trang” là rất cần thiết, ứ

Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH TRUNG HIẾU

Phản biện 1: TS ĐOÀN ANH TUẤN

Phản biện 2: TS THẠCH LỄ KHIÊM

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học

Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 11 năm 2017

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 Tính cấp thiết của đề tài

Tại Thành phố biển Nha Trang, lượng khách du lịch trong nước

và quốc tế ngày càng tăng, nhu cầu sử dụng điện năng rất lớn, nhất là vào các dịp nghỉ lễ và Festival biển Hệ thống điện của khách sạn phải hoạt động liên tục 24/24, có những thời điểm phải hoạt động hết 100% công suất của thiết bị dẫn đến quá tải trạm biến áp Những lúc sửa chữa đường dây hay Điện lực tạm ngừng cung cấp điện cũng làm ảnh hưởng đến hoạt động của khách sạn Vì thế yêu cầu bắt buộc ổn định hệ thống điện cho khách sạn là điều rất quan trọng Các khách sạn vừa và nhỏ nhận nguồn từ các trạm biến áp công cộng lại bị khống chế công suất dưới 20kW (khi đấu nối tại lưới hạ áp gần nhất)

và dưới 40kW (khi đấu nối từ đầu nguồn TBA), công suất này sẽ không đáp ứng được nhu cầu phụ tải vào những mùa cao điểm, việc đầu tư đường dây và trạm biến áp rất tốn kém về kinh tế và gặp nhiều khó khăn trong giai đoạn hiện nay (điểm đấu nối hầu như đã kín, đường dây cáp ngầm rất tốn kém nhưng rất khó khăn thi công do vướng cảnh quan đô thị, mặt bằng lắp trạm biến áp chật hẹp không đảm bảo an toàn, …)

Trước đây khách sạn Thanh Hải đã liên hệ tư vấn thiết kế lắp đặt trạm biến áp kín công suất 75kVA để cấp điện cho khách sạn, chi phí đầu tư nhánh rẽ cáp ngầm 22kV dài 390m và TBA là 845.000.000đ, nhưng thỏa thuận tuyến không được do vướng cảnh

quan đô thị trong thành phố, mặt khác cũng không cung cấp điện liên

tục được khi hệ thống lưới điện bị sự cố hay đang sửa chữa

Đứng trước những khó khăn và thử thách đặt ra, tính thiết yếu

của đề tài “Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện

cho khách sạn Thanh Hải Tp Nha Trang” là rất cần thiết, ứng

dụng thực tế trong điều kiện hiện nay không chỉ riêng cho khách sạn Thanh Hải mà còn có thể ứng dụng cho toàn bộ khách sạn có có qui

mô vừa và nhỏ trên địa bàn thành phố Nha Trang Đề tài sau khi thực hiện sẽ giúp chủ động trong việc thiết kế, cải tiến hệ thống điện của khách sạn nhằm nâng cao chất lượng phục vụ cho khách hàng, đảm bảo nguồn điện của khách sạn sẽ hoạt động xuyên suốt, không gián đoạn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tính toán “Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp

điện cho khách sạn Thanh Hải Tp Nha Trang”

Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng, địa chỉ ứng dụng được xác định rõ Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng của đề tài sẽ được thực hiện trên thực tế Giải pháp này khi đưa vào vận hành sẽ đạt

được các chỉ tiêu:

- Đảm bảo hệ thống điện của khách sạn hoạt động xuyên suốt,

luôn sẵn sàng có nguồn thay thế khi mất điện;

- Nâng cao chất lượng phục vụ cho khách hàng;

- Tăng hiệu suất cho các thiết bị điện;

- Chi phí sẽ thấp hơn so với sử dụng máy phát;

- Lợi nhuận kinh tế sẽ tăng cao

3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành cho hệ thống điện của các khách sạn vừa và nhỏ trên địa bàn thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa

Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi của khách sạn Thanh Hải, địa chỉ: 33 Phạm Ngọc Thạch, Phường Vĩnh Hải, Tp Nha Trang

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát điều kiện thực tế,

phân tích các yếu tố liên quan của khu triển khai ứng dụng Xem xét lại toàn bộ cơ sở lý thuyết về pin mặt trời để thành lập hệ thống pin

năng lượng mặt trời từ đó đưa vào ứng dụng

Phương pháp nghiên cứu tính toán thiết kế: Tính toán thiết kế

trên cơ sở chung

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát thực nghiệm

trên hệ thống điện khách sạn Thanh Hải

Phương pháp chuyên gia: Tham khảo các ý kiến khoa học từ

thực tiễn của các chuyên gia để nghe phân tích và nhận định

6 Dàn ý nội dung chính

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời Chương 2: Tính toán - thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt

trời nối lưới cấp điện cho khách sạn Thanh Hải

Chương 3: Tính toán hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời

nối lưới cấp điện cho khách sạn Thanh Hải

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

7 Tổng quan về tài liệu nghiên cứu

- Các sách hướng dẫn đã được xuất bản

- Các báo cáo đã được công bố trong Hội nghị khoa học, Tạp chí khoa học trong và ngoài nước, các đề tài khoa học các cấp, luận

án tiến sĩ, luận văn thạc sĩ,… của các tác giả trong và ngoài

nước

- Cùng một số thông tin, tài liệu trên Internet

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Khái niệm năng lượng mặt trời

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 các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên 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

Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H2), Heli (He) chiếm 19,8 % các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chiếm 1,8%

Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng

lồ, mỗi giây nó phát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016 J

Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000

K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.1018 Mpa Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon, Nito và phản ứng hạt nhân Proton- Proton

Khối lượng mặt trời xấp xỉ 21.027 tấn Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài

1.1.2 Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng nguyên tử Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km

ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời

Việc sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế So với các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi trường

1.1.3 Bức xạ mặt trời

1.2 PIN MẶT TRỜI CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ

Pin năng lượng mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Vì thế, năng lượng mặt trời đặc biệt thích hợp cho các vùng mà lưới điện chưa vươn tới được

1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời có cấu tạo gồm một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

1.3.3 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

a Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới không

độ tốt nhất nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng từ hệ pin mặt trời và cung cấp điện năng cho tải

Bên cạnh đó bộ chuyển đổi điện có chế độ thông minh, tự dò tìm và đồng bộ pha nhằm kết nối giữa điện năng tạo ra từ hệ pin mặt trời và điện lưới

Chế độ làm việc thông minh của bộ chuyển đổi điện với việc

ưu tiên sử dụng lượng điện năng từ hệ pin mặt trời để cung cấp trực tiếp cho tải sử dụng sẽ giúp tối ưu hóa năng lượng từ hệ pin mặt trời Điện thu được từ tấm pin là điện 1 chiều, qua bộ hòa lưới, có chức năng đổi từ điện DC – AC cùng pha cùng tần số với điện lưới, sau đó hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới:

+ Khi công suất hòa lưới bằng công suất tải thì tải tiêu thụ điện hoàn toàn từ pin mặt trời

+ Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất hòa lưới thì tải

sẽ lấy thêm lưới bù vào

+ Khi công suất tải tiêu thụ nhỏ hơn công suất hòa lưới thì điện từ bộ hòa lưới sẽ trả ra lưới Không được tính tiền khi hòa dư vì hiện tại EVN vẫn chưa cho đồng hồ quay ngược

b Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới có dự trữ

Hệ thống này tương tự hệ thống nối lưới tuy nhiên được thiết

kế thêm một hệ thống dự trữ nhỏ hoặc vừa cung cấp cho tải ưu tiên

để khi mất điện lưới vẫn dùng được Các tải ưu tiên thường có công suất nhỏ nhưng luôn cần điện ổn định như đèn, module mạng, hệ thống camera an ninh, máy tính …

Hệ thống kết hợp giữa hệ thống hòa lưới với hệ thống độc lập giúp tiết kiệm điện, để luôn có 1 lượng điện dự trữ cho các thiết bị khi mất điện

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống : khi khởi động Ắc quy được ưu tiên nạp đầy từ pin mặt trời Hệ thống sẽ luôn kiểm tra tình trạng ắc quy để đảm bảo ắc quy luôn đầy điện Khi ắc quy đầy hệ thống sẽ chuyển qua hòa lưới, giúp giảm lượng điện tiêu thụ, khi hòa lưới sử dụng tất cả các tải

Khi mất điện bộ chuyển mạch (ATS) sẽ chuyển qua ưu xài tải

ưu tiên từ lượng điện được dự trữ trong ắc quy, khi đó toàn bộ hệ pin mặt trời được chuyển qua sạc cho ắc quy, khi có điện trở lại thì hệ

thống sẽ chuyển qua hòa lưới bình thường

1.4 CÁC KHẢO SÁT, THỐNG KÊ TIỀM NĂNG BỨC XẠ MẶT TRỜI TẠI THÀNH PHỐ NHA TRANG - KHÁNH HÒA

Khánh Hòa là tỉnh có số giờ nắng trung bình vào loại cao nhất nước (khoảng 2.600 giờ/năm) Nằm ở khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ, Khánh Hòa có diện tích hơn 5000 km2

(bao gồm các đảo

và quần đảo) Khí hậu nhiệt đới tương đối ôn hòa với 2 mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa nắng Mùa mưa ngắn hơn, từ giữa tháng 9 đến tháng 12 hàng năm, trong đó tập trung chủ yếu vào hai tháng 10 và tháng 11, lượng mưa chiếm trên 50% tổng lượng mưa cả năm Các tháng còn lại là mùa nắng, với tổng số giờ nắng trung bình lên tới

2600 giờ/năm

Nhiệt độ trung bình hàng năm của Khánh Hòa khoảng 26,70

C Cường độ bức xạ mặt trời trung bình hơn 5kWh/m2/ngày Đặc biệt là khu vực Cam Ranh, có cường độ bức xạ mặt trời lên đến 5,34kWh/m2/ngày – là khu vực thuận lợi nhất phát triển điện mặt trời

Dưới đây là bảng số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền nước ta

trong năm

Cường độ BXMT (kWh/m2, ngày) Ứng dụng

Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt Tây Nguyên và Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN NỐI LƯỚI CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI 2.1 GIỚI THIỆU VỀ KHÁCH SẠN THANH HẢI

Khách sạn gồm có 1 tầng trệt và 8 tầng lầu, được xây dựng

trên diện tích nền khá chật hẹp (S = 12,5 x 32 = 400m2) Những ngày bình thường lượng khách du lịch đến khoảng 20 – 30 người (tương ứng khoảng 10 -15 phòng), những ngày cuối tuần thì lượng khách tăng gần gấp đôi so với ngày thường, đặc biệt những ngày nghỉ lễ và Festival biển thì công suất hoạt động của khách sạn hầu như đều đầy tải

2.2 NHU CẦU XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI

Nhu cầu sử dụng điện năng tại khách sạn Thanh Hải rất lớn, đặc biệt là vào những dịp nghỉ lễ và Festival biển Vì thế yêu cầu bắt buộc ổn định hệ thống điện là điều rất quan trọng Thế nhưng, do tải lớn nhưng lại bị hạn chế về công suất của trạm biến áp công cộng (dưới 40kW) nên nguồn cung cấp của khách sạn không đáp ứng đủ; những giờ cao điểm cũng như những lúc sửa chữa đường dây hay Điện lực tạm ngừng cung cấp điện cũng làm ảnh hưởng đến hoạt động của khách sạn

Đứng trước những khó khăn và thử thách đặt ra, thiết kế hệ

thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Thanh Hải là

đề xuất lựa chọn Mô hình hệ thống Pin mặt trời kết hợp nối lưới có

dự trữ

Hệ thống pin năng lượng mặt trời sẽ nhận bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) Nguồn điện DC này

sẽ được chuyển đổi thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi điện nối lưới Với bộ chuyển đổi này sẽ đảm bảo nguồn năng lượng được tạo ra từ hệ pin mặt trời sẽ được chuyển đổi ở chế

độ tốt nhất nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng từ hệ pin mặt trời và cung cấp điện năng cho tải Đồng thời hệ thống kết hợp giữa hệ thống hòa lưới với hệ thống độc lập để luôn có 1 lượng điện dự trữ cho tải

Bên cạnh đó việc bộ chuyển đổi điện có chế độ thông minh, tự

dò tìm và đồng bộ pha nhằm kết nối giữa điện năng tạo ra từ hệ pin mặt trời và điện lưới

Chế độ làm việc thông minh của bộ chuyển đổi điện với việc

ưu tiên sử dụng lượng điện năng từ hệ pin mặt trời để cung cấp trực tiếp cho tải sử dụng sẽ giúp tối ưu hóa năng lượng từ hệ pin mặt trời

2.3.2 Vị trí xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới

Hệ thống Pin năng lượng mặt trời được dự kiến xây dựng trên tầng thượng của khách sạn Thanh Hải với tổng diện tích S= 12,5 x32

= 400m2

2.4 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI

2.4.1 Xác định phụ tải của khách sạn Thanh Hải

Hiện nay có nhiều phương pháp để tính phụ tải tính toán Thông thường, những phương pháp đơn giản tính toán thuận tiện lại

cho kết quả không thật chính xác, còn nếu muốn độ chính xác cao thì phương pháp tính toán lại phức tạp Trong luận văn này, ta xác định phụ tải tính toán của khách sạn Thanh hải theo công suất đặt (Pđm) và

hệ số nhu cầu (knc)

2.4.2 Tính toán lựa chọn Pin năng lượng mặt trời

Việc tính toán lựa chọn Pin năng lượng mặt trời lắp đặt cho khách sạn Thanh Hải phải đáp ứng được mục tiêu quan trọng nhất là đảm bảo nguồn điện cung cấp cho khách sạn vào những ngày trong mùa du lịch

* Dự kiến số lượng tấm Pin mặt trời cần lắp đặt:

- Phương án 1:

Nngày mùa DL = Ewp (ngày mùa DL) / Pđm = 323000 / 300 = 1076,6

 Chọn số lượng tấm Pin mặt trời sử dụng là: 1077 tấm

Tổng diện tích dàn Pin mặt trời:

SdPMT ngày mùa DL = SPMT 1077 = (1,950.0,992).1077 = 2083,35 m2

- Phương án 2:

Nngày thường = Ewp (ngày thường) / Pđm = 185000 / 300 = 616,6

 Chọn số lượng tấm Pin mặt trời sử dụng là: 617 tấm

Tổng diện tích dàn Pin mặt trời:

SdPMT ngày thường = SPMT 617 = (1,950 0,992) 617 = 1193,52 m2

- Phương án 3:

Nbù ngày mùa DL = Ewp (bù ngày mùa DL) / Pđm = 57000 / 300 = 190

 Chọn số lượng tấm Pin mặt trời sử dụng là: 190 tấm

Tổng diện tích dàn Pin mặt trời: