Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện đồng nai 4

Tại Việt Nam điện mặt trời vẫn là một chủ đề vẫn còn mới mẻ và chưa được đầu tư để phát triển đúng với tiềm năng của nó, tuy nhiên chính phủ cũng đã và đang có những quyết định hỗ trợ đầ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN MINH TÚ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI TRÊN

HỒ THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

Mã số : 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU NGỌC AN

Phản biện 1: TS TRỊNH TRUNG HIẾU

Phản biện 2: TS LÊ HỮU HÙNG

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

sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 03

tháng 3 năm 2018

* 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

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường như hiện nay Năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là dạng năng lượng sẵn

có, siêu sạch và miễn phí Do vậy năng lượng mặt trời đã và ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới

Tại Việt Nam điện mặt trời vẫn là một chủ đề vẫn còn mới mẻ và chưa được đầu tư để phát triển đúng với tiềm năng của nó, tuy nhiên chính phủ cũng đã và đang có những quyết định hỗ trợ đầu tư, phát triển nguồn năng lượng sạch này, đồng thời cũng đặt ra các mục tiêu phát triển đến năm 2050

Hiện nay EVN đang chú trọng phát triển điện mặt trời, một số công trình điện mặt trời đã được đưa vào vận hành và một số dự án đang chuẩn bị khởi công tuy nhiên để đạt được lộ trình như chính phủ đưa ra cần phát triển các dự án mặt trời nổi trên các hồ thủy điện

do có diện tích bỏ không lớn, phí thuê đất thấp, hiệu suất các tấm pin cao do được làm mát từ nước hồ, mặt khác giảm được lượng bốc hơi trên các mặt hồ để có thêm nước chạy các máy phát thủy điện

Hồ Đồng Nai 4 nằm ở khu vực ít dân cư, giao thông tương đối thuận lợi, lưới điện truyền tải đi gần khu vực hồ, độ chênh mực nước

hồ nhỏ do đó thuận lợi cho việc thiết kế một hệ thống điện mặt trời nổi nối với lưới điện quốc gia

mặt trời nổi trên hồ thủy điện Đồng Nai 4” để cung cấp năng lượng sạch cho lưới điện quốc gia là cần thiết và đó cũng là lý do Tôi chọn

đề tài này

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế hệ thống nguồn điện từ các tấm pin mặt trời đặt nổi trên mặt hồ thủy điện Đồng Nai 4, kết nối với hệ thống lưới điện 220kV Quốc gia nhằm cung cấp nguồn cho hệ thống điện Quốc gia theo lộ trình phát triển các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo Các mục tiêu cụ thể bao gồm:

Khảo sát, tính toán và đưa ra được các phương án nối lưới cho các máy phát điện mặt trời

Xác định số lượng và vị trí lắp đặt các thiết bị (Tấm pin mặt trời, inveter, máy biến áp…), lựa chọn thiết bị, thiết kế các giá và phao đỡ cho các tấm pin mặt trời

Sử dụng phần mềm PVsyst để mô phỏng sơ đồ đấu nối và chạy

ra được kết quả cần thiết

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là thiết kế hệ thống máy phát

sử dụng các tấm pin mặt trời đặt nổi trên mặt hồ đấu nối với lưới điện 220kV

Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu các công nghệ về pin mặt trời và các bộ nghịch lưu ứng dụng cho việc thi công hệ thống điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Đồng Nai 4

- Nghiên cứu các phương án kết nối hệ thống điện mặt trời đặt nổi tại hồ thủy điện Đồng Nai 4 với lưới điện quốc gia

- Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới bằng phần mềm PVsyst

Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về năng lượng mặt trời, cấu tạo, nguyên lý làm làm việc của hệ thống pin mặt trời

- Xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời nổi nối lưới tại

hồ thủy điện Đồng Nai 4

- Mô phỏng hoạt động hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới tại hồ thủy điện Đồng Nai 4 bằng phần mềm PVsys chuyên dụng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được công nghệ mới vào sản xuất, góp phần phát triển năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng tái tạo, sạch và được nhà nước khuyến khích đầu tư.Thiết kế, tính toán, mô phỏng được sự hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời nối với lưới điện 230kV Quốc gia, từ đó có cơ sở đánh giá tính hiệu quả

về mặt kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trước khi đầu tư xây dựng Tính thực tiễn: Góp phần phát triển hệ thống điện mặt trời nối lưới tại các mặt hồ đặc biệt là các mặt hồ thủy điện để đáp ứng nhu cầu về phát triển nguồn năng lượng sạch theo lộ trình của Chính phủ

6 Bố cục đề tài

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời trời

Chương 2: Khảo sát thực trạng tại hồ thủy điện Đồng Nai 4 Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Đồng Nai 4

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI

1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Bức xạ mặt trời

1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời

1.1.3 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời

1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

1.1.1 Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới

1.1.2 Tình hình phát triển điện mặt trời tại Việt Nam

1.2.2.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam

1.2.2.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam

1.2 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG

ĐỀ TÀI

1.2.1 Pin mặt trời

1.2.1.1 Cấu tạo của pin mặt trời

1.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

a Hiện tượng quang điện

b Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

c Đặc tính làm việc của pin mặt trời

d Dàn pin mặt trời

1.2.2 Bộ nghịch lưu

1.3 CÁC MÔ HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

1.3.1 Vận hành độc lập với lưới (Off Grid)

1.3.2 Vận hành kiểu lai (Hybrid)

1.3.3 Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie)

1.4 KẾT LUẬN

Năng lượng mặt trời truyền đến trái đất dưới dạng bức xạ Trong những ngày quang đãng (không có mây), phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất ở thời điểm cao nhất khoảng 1000W/m2

Một hệ thống điện pin mặt trời cơ bản gồm có ba thành phần là:

- Dàn pin mặt trời (nguồn điện)

- Dàn ắc quy (dự trữ điện năng)

- Hệ thống điều phối điện năng

Có ba mô hình vận hành cơ bản của hệ thống pin năng lượng mặt trời là:

- Mô hình vận hành độc lập

- Mô hình vận hành kiểu lai

- Mô hình vận hành kết nối lưới điện

Tùy theo yêu cầu và điều kiện cụ thể tại nơi lắp đặt mà ta chọn

mô hình vận hành của hệ thống điện pin mặt trời thích hợp, để từ đó tính toán và thiết kế hệ thống

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT THỰC TRẠNG HỒ THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỒ THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

Hồ thủy điện Đồng Nai 4 được hình thành bởi dự án thủy điện Đồng Nai 3&4 Hiện nay hồ đang vận hành ổn định và thuộc quyền quản lý của công ty thủy điện Đồng Nai, xã Quảng Khê huyện Đăk Glong, xã Lộc Bảo huyện Bảo Lâm

Hình 2.1 Hồ thủy điện Đồng Nai 4 từ phần mềm

Google Earth

2.1.1 Vị trí địa lý:

Hồ thủy điện Đồng Nai 4 nằm tại 110-12020 vĩ Bắc, 1070 –

108030 kinh đông, nơi giáp ranh giữa xã Quảng Khê, huyện Đăk Glong, tỉnh Đăk Nông và xã Lộc Bảo, huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng, Đây là vị trí thuộc khu vực cao nguyên Nam trung bộ của Việt Nam là khu vực có tiềm năng kỹ thuật để nghiên cứu, đầu tư

phát triển điện mặt trời CSP

2.1.2 Tình trạng mặt thoáng:

Trong vận hành mực nước hồ giao động từ cao trình 474m đến cao trình 476m, trong trường hợp đặc biệt mực nước gia cường lớn nhất ở tần suất P0.02% có thể dâng đến cao trình 479.24m Diện tích mặt hồ ở cao trình 474m (mực nước chết) là 8,03km2 và diện tích ở cao trình 476m (mực nước dâng bình thường) là 8.32km2, độ chênh mực nước thấp thích hợp với việc đặt các phao nổi trên mặt hồ để lắp đặt các tấm pin năng lượng mặt trời

2.1.3 Vị trí lắp đặt thiết bị:

2.1.3.1 Vị trí lắp đặt các tấm pin PV

Do tại các vị trí đập và cửa nhận nước đã có sẵn đường dây

22kV nên dự định sẽ đặt các tấm PV tại gần 2 vị trí này

Tại khu vực gần đường ra cửa nhận nước có 1 khu đất trống có diện tích vào khoảng 3,7 ha, nằm trên địa phận của xã Lộc Bảo, huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng Khu đất này trước đây dùng để đổ đất đá thải lúc thi công cửa nhận nước, nay bỏ trống đất đai cằn cỗi mặt bằng tương đối bằng phẳng, không có bóng che và gần với mặt

hồ có thể sử dụng để đặt các giá đỡ và các tấm PV trên cạn, đây cũng là vị trí được chọn để đặt trạm inverter C và các trạm biến áp 0,4/22kV

Tương tự khu vực lòng hồ phía phải của đập nhìn từ thượng lưu

có diện tích vào khoảng 60,6 ha thuộc địa phận xã Quảng Khê, huyện Đăk Glong, tỉnh Đăk Nông cũng được chọn để đặt các phao nổi và các tấm PV trên mặt hồ, gần đó có một hòn đảo diện tích khoảng 1 ha có thể sử dụng để đặt trạm inverter A và một số trạm biến áp 0,4/22kV Tương tự trạm inverter B và một số trạm biến áp

sẽ được đặt tại khu đất trống bên bờ trái gần đó

2.1.3.2 Vị trí đặt trạm phân phối 230kV

Cách vai trái của đập dâng hồ thủy điện Đồng nai 4 khoảng 300m

có một khoảng đất trống bằng phẳng có diện tích vào khoảng 6 ha trước đây là khu phụ trợ để xây dựng đập nay bỏ hoang, nằm trên đỉnh đồi thuộc xã Quảng Khê, huyện Đăk Glong, tỉnh Đăk Nông,

khá bằng phẳng có thể sử dụng để đặt nhà điều hành, máy biến áp tăng áp 22/220kV và các thiết bị trạm phân phối

2.1.4 Giao thông

Bên cạnh hồ có quốc lộ 28 chạy qua phía bên vai phải của đập dâng và đập tràn, bên vai trái của đập đã có sẵn đường giao thông nội bộ từ đập tràn đi cửa nhận nước của dự án thủy điện Đồng Nai 4 Khu vực ven hồ và các vị trí đặt thiết bị cần được xây dựng thêm đường để thi công và vận hành

Hình 2.2 Các khu vực dự định đặt thiết bị

2.2 TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI LÝ THUYẾT TẠI KHU VỰC

Hồ thủy điện Đồng Nai 4 nằm giáp ranh giữa 2 tỉnh Đăk Nông và Lâm Đồng, theo thống kê được lấy từ các trạm khí tượng thủy văn tại 2 trạm khí tượng Đăk Nông và Đà Lạt số liệu về năng lượng mặt trời lấy được như sau

2.2.1 Số giờ nắng trung bình tháng năm tại khu vực

Hình 2.3 Biểu đồ số giờ nắng trong năm tại khu vực dự án

Số giờ nắng trung bình năm khu vực dự án khoảng 2281 giờ, tương ứng khoảng 6.25 giờ/ngày là cao so với số giờ nắng trung bình năm của cả nước

2.2.2 Nhiệt độ trung bình tháng và năm tại khu vực.

Hình 2.4 Biểu đồ nhiệt độ trung bình tháng, năm tại khu vực

2.2.3 Tổng xạ theo phương ngang (GHI) tại khu vực

Theo nguồn số liệu từ Solargis khu vực tỉnh Lâm Đồng có tổng

xạ theo phương ngang từ 1500 – 2000 kWh/năm, khu vực tỉnh Đăk Nông có tổng xạ theo phương ngang từ 1700 – 2000 kWh/năm

Dựa trên bản đồ GHI trung bình ngày lý thuyết tại khu vực 2 huyện Đăk Glong, huyện Đăk Nông và huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng là vùng có nguồn bức xạ mặt trời tốt, từ 4,9 đến 5,3

kWh/m2.ngày (Hình 2.5 Bản đồ GHI trung bình ngày

lý thuyết khu vực

Hình 2.5 Bản đồ GHI trung bình ngày lý thuyết khu vực

Nhận xét: Qua các số liệu trên cho thấy nguồn năng lượng mặt trời tại khu vực dự án là tốt, số giờ nắng trung bình năm tại khu vực là cao so với cả nước, tổng xạ theo phương ngang tại khu vực thuộc loại cao Ngoài ra điều kiện thời tiết tại khu vực khá thuận lợi

do ít ảnh hưởng của mưa bão rất thích hợp cho việc xây dựng 1 nhà máy điện mặt trời

2.3 THỰC TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TẠI HỒ THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

2.3.1 Lưới điện hạ thế và thông tin liên lạc:

Đã có sẵn điện sinh hoạt, cáp quang, internet

dùng nhà máy Đồng Nai 4 và phụ tải 22kV phía Đăk Nông tuy nhiên công suất sẽ không được lớn do phụ tải tại khu vực nhỏ và đường dây mạch đơn dẫn ra trạm 22kV Đăk Nông sử dụng dây ACSR95 nên công suất truyền tải cũng không được lớn

2.3.3 Lưới điện 230kV

Tại gần khu vực dự định đặt trạm phân phối của dự án có 2 vị trí

có đường dây 230kV gần đó và cách trạm phân phối 500kV Đăk

- Khu vực ít dân cư sinh sống không phải giải tỏa, đền bù

- An ninh tại khu vực tương đối tốt

Như vậy khu vực hồ thủy điện Đồng Nai 4 rất phù hợp với việc xây dựng một nhà máy điện mặt trời nổi nối lưới với công suất dự kiến có thể lên đến hàng trăm MW

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

NỔI TRÊN HỒ ĐỒNG NAI 4

Để hoàn thành được dự án điện mặt trời nổi nối lưới cần phải thực hiện các hạng mục công việc, tuy nhiên, trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung vào phần công nghệ mang tính đặc trưng của dự án năng lượng mặt trời nổi như hệ thống phao nổi, Pin, Inverter và 1 số

sơ đồ kết nối tổng quan

3.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM PVSYST

Phần mềm PVsyst được ra đời vào năm 1994, do hai tác giả đồng sáng lập là ông André Mermoud và ông Michel Villoz

Những tính năng của phần mềm PVsyst đối với việc thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời:

+ Có thể chọn vị trí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời ở bất kỳ

vị trí nào trên toàn thế giới, với việc thống kê dữ liệu khí tượng từ các nguồn uy tín, để phục vụ cho việc đánh giá trữ lượng năng lượng mặt trời ở khu vực đó

+ Chọn hệ thống pin quang điện, hệ thống biến tần, hệ thống dự trữ, hệ thống dây điện, hệ thống máy bơm…với những số liệu cụ thể, đánh giá khả năng của các hệ thống thông qua những vùng đặc tính làm việc tối ưu của nó

+ Tính toán các tổn thất trong hệ thống một cách chi tiết

+ Đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống năng lượng mặt trời đối với phụ tải

+ Tính toán kinh tế của hệ thống năng lượng mặt trời từ đó kết luận có nên thực hiện dự án hay không

3.2 ĐỊNH VỊ ĐỊA ĐIỂM LẤY SỐ DỮ LIỆU KHÍ TƯỢNG 3.2.1 NHẬP SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

Nhập các số liệu đầu vào cần thiết vào mục Meteo database

Hình 3.1 Giao nhập số liệu và kết quả của chương trình

3.2.2 Kết quả số liệu của chương trình

Sau khi nhập số liệu chương trình sẽ ra được bảng số liệu như Số

liệu khí tượng lấy từ phần mềm PVsyst

Hình 3.2 Số liệu khí tượng lấy từ phần mềm PVsyst

Nhận xét: Các dữ liệu khí tượng lấy từ phần mềm gần giống với dữ liệu lấy từ các trạm thủy văn khi khảo sát tại CHƯƠNG 2

vị hướng chính Nam (0o

) Tác giả kiến nghị lựa chọn góc nghiêng của tấm pin là 12o, góc phương vị hướng chính Nam

3.3.2 Khoảng cách giữa các hàng

Hình 3.3 Khoảng cách lựa chọn giữa các hàng Pin

Với khoảng cách lựa chọn, hệ thống thỏa điều kiện không có bóng

che ( Khoảng cách lựa chọn giữa các hàng Pin) và tổn thất do bóng

che nội bộ là 1% Ngoài ra khoảng cách lựa chọn cũng phù hợp để vận hành bảo dưỡng

3.3.3 Tính toán, lựa chọn số lượng tấm pin

Đối với hệ thống năng lượng mặt trời đầu ra thì hiệu suất toàn

hệ thống (công suất điểm đấu nối lên lưới /công suất đặt của hệ thống pin quang điện) trong khoảng 75% đến 85% Ta chọn hiệu suất

H = 85%

 Để tạo ra được lượng công suất tương đương 40MWp cần phải tạo ra được công suất DC của các tấm PV vào khoảng :

Pd=Pac

H =

400,85=47,050 (MWP)

 Tính số module mắc song song và nối tiếp:

Với điện áp đầu vào DC của Inverter 1500V, chọn số lượng tấm

PV nối tiếp trong một chuỗi là 30 tấm

- Số chuỗi pin song song tối đa vào một inverter:

Số chuỗi pin song song tối đa vào một inverter

8,74 = 187 (chuỗi)

3.3.4 Thiết kế, lựa chọn hệ thống giá đỡ và phao nổi

3.3.4.1 Giá đỡ các tấm pin trên cạn

Các thanh trụ thép , thanh chống xiên thanh dầm đỡ xà gồ và xà

gồ được liên kết với nhau bằng bu lông Liên kết giã đới với cột bê tông cốt thép bằng các bu lông

Các tấm pin mặt trời liên kết với xà gồ bằng bu lông vào các vị trí đã định vị

Hình 3.4 Giá đỡ các tấm pin trên cạn

Hình 3.5 Mặt bằng tổ hợp các tấm pin trên cạn