Luận Văn Thiết kế hệ thống năng lượng Mặt Trời trên mặt nước

Tìm hiểu và thiết kế hệ thống Năng Lượng Mặt Trời trên Mặt nước bao gồm tìm hiểu về hệ thống điện mặt trời là gì, cách vận hành hệ thống điện Mặt Trời, sự khác nhau của hệ thống điện Mặt Trời trên cạn và trên mặt nước

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin cảm ơn thầy Quách Ngọc Thịnh đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ

em trong quá trình thực hiện đồ án này

Và em cũng xin cảm ơn các thầy cô và bạn bè đã tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ

em hoàn thành đồ án lần này

Do giới hạn về thời gian cũng như trình độ hiểu biết nên đề tài nghiên cứu này của

em không tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp

của thầy để bài báo cáo này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Cần Thơ, ngày 4 tháng 9 năm 2019 Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THÀNH PHỤNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng đề tài này là do chính tôi thực hiện, các số liệu thu thập và kết quả phân tích trong đề tài là trung thực, đề tài không trùng với bất kỳ đề tài nghiên cứu khoa học nào

Cần Thơ, ngày 4 tháng 9 năm 2019 Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THÀNH PHỤNG

MỤC LỤC

Trang

Danh mục bảng……… i

Danh mục hình……… ii

CHƯƠNG I: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.2 SỰ PHỔ BIẾN CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2

1.3 TIỀM NĂNG CỦA VIỆT NAM 3

1.3.1 Tiềm năng lý thuyết 3

1.3.2 Tiềm năng kỹ thuật 4

1.3.3 Tiềm năng kinh tế 5

CHƯƠNG II HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI 7

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống điện Mặt Trời nổi trên mặt nước 7

2.2 Giới thiệu chung về cấu tạo của hệ thống điện Mặt Trời 7

2.2.1 Pin mặt trời 8

2.2.2 Bộ Điều Khiển 12

2.2.3 AC-DC Inverter 12

2.2.4 Tủ điện 13

2.2.5 Bình Ắc-quy lưu trữ 14

2.2.6 Khung, dây cáp và phụ kiện kèm theo 14

2.2.7 Phao và giá đỡ trên mặt nước 15

2.3 Sự phổ biến của hệ thống điện mặt trời nổi 19

2.4 Lợi ích của Hệ thống điện Mặt Trời nổi 21

CHƯƠNG III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 22

Tài Liệu Tham Khảo 23

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Các thiết bị trong hệ thống điện Mặt Trời nổi 10 Bảng 1.2 So sánh giữa pin Mono và pin Poly 13

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Bức xạ mặt trời chiếu xuống Trái Đất 1

Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời Crescent Dune và nhà máy điện Mặt Trời Topaz Solar Farm của Hoa Kỳ 2

Hình 1.3 Nhà máy năng lượng Mặt Trời nổi trên mặt nước đầu tiên trên thế giới của Australia 3

Hình 1.4 Bản đồ bức xạ Mặt Trời ở Việt Nam 4

Hình 1.5 Công suất tiềm năng kỹ thuật theo từng tỉnh ở Việt Nam 5

Hình 1.6 Giá trị LOCE và LACE theo các miền 6

Hình 2.1 Nhà máy điện Mặt Trời nổi trên hồ thủy điện Đa Mi 7

Hình 2.2 Cấu tạo của tấm pin Mặt Trời 8

Hình 2.3 Thông số kỹ thuật của panel Mặt Trời mẫu JKM 330M-72 – A của hãng Jinkosolar 10

Hình 2.4 Thông số kỹ thuật của inverter model Sunny Central 2500-EV của hãng SMA 11

Hình 2.5 Dây cáp trên mặt nước của hệ thống NLMT 12

Hình 2.6 Phao chuyên dụng do công ty Alibaba sản xuất 13

Hình 2.7 Phao và giá đỡ làm bằng nhựa HDPE của công ty Kinsten 15

Hình 2.8 Các bộ phận của phao và cách lắp giá đỡ 16

Hình 2.9 Phao sau khi lắp đặt 17 Hình 2.10 Nhà máy điện Mặt Trời nổi trên mặt nước đầu tiên trên thế giới của

Hình 2.11 Hệ thống điện Mặt Trời nổi trên mặt nước ở đập Yamakura 18 Hình 2.12 Nhà máy Điện Mặt trời nổi trên mặt nước đầu tiên trên thế giới của Austrailia được xây dựng trên một hồ nước thải 20

Hình 2.13 Hệ thống điện mặt trời nổi trên mặt nước ở đập Yamakura, Nhật Bản 20

Mở đầu

Như mọi người đã biết mọi sinh vật muốn hoạt động đều cần đến năng lượng, và trong quá trình tồn tại và phát triển con người chúng ta từ xa xưa đã biết đến sử dụng năng lượng hóa thạch (than, dầu mỏ, khí ga,…) để làm nguồn năng lượng chính trong suốt hơn hàng nghìn năm

Và một thực tế dẫn đến là sự thiếu hụt năng lượng do nhu cầu ngày càng cao, thực tế

đã có các cuộc khủng hoảng năng lượng vào năm 1973-1974 và năm 1979-1980 và gần đây nhất là cuộc chiến ở Irac xảy ra với quy mô lớn, ảnh hưởng toàn cầu Nhất

là với các nước đang phát triển do chịu tác động bởi tốc độ khai thác của con người Điều cấp bách bây giờ là tìm nguôn năng lượng thay thế mới để hạn chế sự khai thác năng lượng hóa thạch đang dần dẫn đến cạn kiệt tài nguyên trong vòng vài thập kỉ tới Và bên cạnh đó con người đã tìm ra được nguồn năng lượng vô cùng sạch và nguồn dự trữ gần như vô tận đó chính là năng lượng mặt trời (do các nhà khoa học tính toán mặt trời sẽ cháy hết nhiên liệu vào khoảng…5 tỷ năm nữa) , Trong những năm gần đây với sự bùng nổ cuộc đua ngành năng lượng tái tạo, vào năm 2017 Việt Nam đã tiến hành khởi công xây dựng nhà máy năng lượng mặt trời đầu tiên

Năng lượng mặt trời có 2 loại công nghệ chính đó là công nghệ quang điện SPV (Solar photovoltaic) và công nghệ nhiệt năng mặt trời STE (Solar thermal energy) hay còn gọi là công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP (Concentrated solar power) Trong đó công nghệ quang điện SPV được nhiều nước đầu tư và nghiên cứu hơn hết do nó có thể tận dụng tối ưu nguồn bức xạ mặt trời chiếu đến trái đất, và Việt Nam là một nước vô cùng thích hợp để xây dựng các “Solar Farm” (nhà máy năng lượng mặt trời) do lượng bức xạ 4 đến 5 KW/m2, nên Chính phủ nước ta đã và đang đưa ra những chính sách và ưu đãi cho các dự án năng lượng điện mặt trời

Tuy vậy nhưng vẫn còn đó những khó khăn như trình độ phát triển khoa học của

những dự án năng lượng mặt trời còn hạn chế Chính vì vậy để tìm ra những biện pháp giải quyết vấn đề trên nên em lựa chọn đề tài “Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời lắp đặt trên mặt nước”

Nhiệm vụ của đề tài :

- Tìm hiểu cấu tạo của hệ thống năng lượng mặt trời trên mặt nước

- Hiểu được sự khác nhau của vật liệu, dây dẫn của hệ thống

- Nếu ra được những tiềm năng của đất nước Việt Nam để phát triển hệ thống điện mặt trời trên mặt nước

CHƯƠNG I NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Giới thiệu chung về năng lượng Mặt Trời

Năng lượng mặt trời có 2 ứng dụng lớn là Nhiệt mặt trời CSP (chuyển bức xạ của mặt trời thành nhiệt năng sử dụng trong các hệ thống sưởi hoặc đun nước tạo hơi

để quay tuabin điện) và Điện mặt trời SPV (chuyển bức xạ mặt trời dưới dạng ánh sáng trực tiếp thành điện năng

Về Điện mặt trời SPV ngày nay được các nước trên thế giới ứng dụng nhiều

là do bức xạ mặt trời chiếu xuống Trái Đất mỗi giây là 1,367 MW/m² (còn được gọi

là TSI : Total Solar Irradiance) Tuy nhiên 30% các bức xạ này bị phản lại vào không gian do mây, aerosol trong khí quyển, tuyết, băng, cát sa mạc,… còn 70% còn lại bị đất, đại dương và khí quyển hấp thụ

Hình 1.1 Lượng bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất

Trong đó 99% bức xạ mặt trời chiếu xuống Trái Đất chuyển thành nhiệt và tỏa ngược lại vào không gian, nhưng chỉ cần một phần nhỏ của tổng lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống cũng có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng của thế giới

1.2 Sự phổ biến của năng lượng Mặt Trời

Hiện nay trên thế giới có hàng trăm nghìn nhà máy điện mặt trời đang được

sử dụng để cung cấp điện sinh hoạt cho con người Trong 5 năm trở lại đây các nước trên thế giới gia nhập khai thác sử dụng điện mặt trời ngày càng cao, các nước lớn như Đức, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Trung Quốc, Mỹ luôn thay nhau dành vị trí top 1 về khai thác thành công điện mặt trời kéo theo là các nhà máy điện mọc lên nhiều hơn Đáng nói trong đó là Mỹ với nhà máy điện mặt trời đầu tiên Crescent Dune ở Nevada và Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farm có công suất lên đến 550 MW(Hình 1.2)

Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời Crescent Dune và nhà máy điện mặt trời Topaz

Solar Farm của Hoa kỳ Chưa hết, đi sâu vào ngành công nghiệp điện tái chế đặc biệt là năng lượng mặt trời, để thực hiện những cải tiến và phát triển nó mà nhiều cường quốc trên thế giới đã tiến hành xây dựng nhiều kiểu nhà máy điện mặt trời, đi đầu là Australia vào 04/2015 đã xây dựng nhà máy điện nổi trên mặt nước đầu tiên trên thế giới mang lại

nhiều lợi ích về kinh tế và được xem là có thể nhân rộng đi khắp thế giới với hi vọng đem năng lượng mặt trời trở thành nguồn năng lượng chính trên toàn cầu

Hình 1.3 Nhà máy năng lượng mặt trời nổi trên mặt nước đầu tiên trên thế giới của

Australia

1.3 Tiềm năng của Việt Nam

Những ưu đãi về đầu tư xây dựng nhà máy và giá bán điện cho Điện lực Việt Nam đã thu hút sự quan tâm của nhà đầu tư cả trong và ngoài nước Vì thế, tuy chỉ bắt đầu xây dựng nhà máy điện mặt trời từ năm 2015đến giữa năm 2019 đã có vài trăm dự án có công suất lắp máy từ 20 đến 250 MW đã hoặc sắp hoàn thành Theo EVN tính tới ngày 30/5/2019 đã có 47 dự án điện mặt trời với tổng công suất 2.300

MW được đấu nối vào lưới điện quốc gia (7)

1.3.1 Tiềm năng lý thuyết

Tiềm năng lý thuyết được lấy từ sản phẩm của Ngân hàng Thế giới kết hợp với Bộ Công Thương và phía Tây Ban Nha tính toán Giá trị bức xạ của Việt Nam theo phương ngang dao động từ 897 kWh/m² /năm đến 2108 kWh/m² /năm Tương ứng đối với ngày, giá trị nhỏ nhất đạt 2,46 kWh/m²/ngày và lớn nhất là 5,77 kWh/m² /ngày

Lượng bức xạ mặt trời ở miền trung và miền nam của Việt Nam là rất thích hợp với việc phát triển ngành công nghiệp năng lượng Mặt Trời, có thể thấy rõ trong bản đồ bức xạ Mặt Trời quốc gia ở dưới đây

Hình 1.4 Bản đồ bức xạ mặt trời của Việt Nam

1.3.2 Tiềm năng kỹ thuật

Qua phân tích kết quả tính toán tiềm năng kỹ thuật, tổng diện tích khả dụng là rất lớn, chiếm gần 14% tổng diện tích toàn quốc, với tiềm năng kỹ thuật khả dụng đến 1,677,461 MW

Hình 1.5 Công suất tiềm năng kỹ thuật theo từng tỉnh ở Việt Nam

1.3.3 Tiềm năng kinh tế

Chí phí sản xuất điện quy dẫn (LOCE) và Chi phí năng lượng tránh được quy dẫn (LACE) của Việt Nam được đặc trưng bằng đường cong phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời GHI và được phân theo các miền như hình dưới đây

Hình 1.6 Giá trị LOCE và LACE theo các miền

Nghiên cứu đánh giá tiềm năng năng lượng Mặt Trời đã xây dựng được một phương pháp luận đánh giá tiềm năng lý thuyết, kỹ thuật và kinh tế cho NLMT khoa học và chính xác, dựa trên kinh nghiệm trên thế giới Kết quả phân tích cho thấy Việt Nam có một tiềm năng năng lượng mặt trời to lớn, được phân bổ tương đối đồng đều tại miền trung và miền nam, một phần tại các tỉnh tây bắc của miền bắc

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống điện Mặt Trời nổi trên mặt nước

Một biện pháp thay thế cho hệ thống NLMT trên đất liền hiện đang dần trở nên phổ biến trên toàn thế giới, nhất là đối với quốc gia có nhiều hồ thủy điện như ở Việt Nam Hiện ở Việt Nam đã ứng dụng được công nghệ này và xây dựng được nhiều nhà máy điện Mặt Trời nổi như nhà máy điện Mặt Trời nổi trên hồ thủy điện Đồng Nai 4, hồ thủy điện Đa Mi…

Hình 2.1 Nhà máy điện Mặt Trời nổi trên hồ thủy điện Đa Mi

2.2 Giới thiệu chung về cấu tạo của hệ thống điện Mặt Trời

Một hệ thống năng lượng Mặt Trời nổi bao gồm nhiều thiết bị về cơ bản giống như hệ thống năng lượng Mặt Trời trên đất liền, được hiểu như sơ đồ bên dưới đây (Hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo hệ thống năng lượng Mặt Trời

2.2.1 Pin mặt trời

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc

72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo

Có khả năng kết nối thành các trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, có thể hòa lưới (grid), hoặc hoạt động độc lập như 1 hệ thống back-up điện Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển) Công suất và điện áp của một hệ thống

sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin panel Mặt Trời lại với nhau Các tấm pin panel Mặt Trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…

Cấu tạo của panel Mặt Trời từ trên xuống như sau (Hình 2.3) :

1 Kính cường lực : phải dùng loại kính cường lực vì để đảm bảo chống va đập ngoại lực không mong muốn và ánh sáng mặt trời xuyên qua tấm kính dễ dàng hơn

2 Tấm EVA : hầu hết các tấm pin mặt trời đều sử dụng Film EVA vì các các tấm nhựa VA nhẹ, trong suốt và không độc hại Hơn hết là tính hấp thụ rung

vô cùng tối ưu và hiệu quả kinh tế cao

3 Tế bào quang điện (Solar cells) : là thành phần cơ bản của tấm pin mặt trời, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành quang điện.Các tế bào quang điện (chủ yếu là chất bán dẫn silicon) được ghép nối với nhau thành

tấm pin mặt trời (từ 60-72 tế bào quang điện) Có 2 loại là tế bào quang điện của pin Mono và pin Poly (bảng 1.1)

- Pin mono làm bằng silicon đơn tinh thể với độ tinh khiết cao, hiệu suất sử dụng cao, hiệu quả dử dụng dài lâu và hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu Nhưng bù lại giá thành cao do chi phí sản xuất tốn kém và nguyên liệu mắc tiền

- Pin poly được cấu tạo từ silicon đa tinh thể Ưu điểm của pin Poly là quá trình sản xuất đơn giản, ít tốn kém nên giá thành thấp , kèm theo đó là mức

độ giản nở và chịu nhiệt độ cao

4 Tấm EVA (như trên)

5 Tấm lót : thường làm bằng nhựa PVF để che chắn và tác dụng như giá đỡ của

cả tấm pin

6 Khung : được phủ 1 lớp polymer chống mài mòn từ môi trường

Hình 2.3 Cấu tạo của tấm pin Mặt Trời

Bảng 2.1 Tương quan so sánh giữa pin Mono và pin Poly Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời : Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với

năng lượng, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ

trống bên điện cực P Sau đó, các electron từ điện cực N và điện cực P sẽ cùng nhau

tạo ra điện trường Các tế bào năng lượng mặt trời sẽ trở thành một diode, cho phép

electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép di chuyển ngược

lại (Hình 2.10)

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của tấm pin Mặt Trời

Tất nhiên, để kích hoạt quá trình cần có năng lượng tiếp xúc với các tế bào

silicon Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt

trời, các hạt nhỏ năng lượng có thể tiếp xúc với các tế bào năng lượng mặt trời và nới lỏng liên kết của các electron ở điện cực N Sự di chuyển của các elentron tự do

từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện

Khi điện trường đã được tạo ra, tất cả những gì chúng ta cần làm là thu thập

và chuyển nó thành dòng điện có thể sử dụng Một bộ biến tần được gắn với các tế bào năng lượng mặt trời sẽ biến dòng điện từ một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) Dòng điện xoay chiều là dòng điện chúng ta đang sử dụng ở khắp mọi nơi

Hiện nay có rất nhiều mẫu mã các loại panel Mặt Trời tùy mục đích của người sử dụng mà tìm ra loại thích hợp vì các tấm panel Mặt Trời là thiết bị quan trọng nhất quyết định hiệu suất của hệ thống điện Mặt Trời Qua tìm hiểu và tham khảo các loại tài liệu và dự án em kiến nghị chọn loại module JKM 330M-72 – A của hãng Jinkosolar với thông số được trình bày trong hình dưới đây

Hình 2.5 Thông số kỹ thuật của Panel Mặt Trời mẫu JKM 330M-72 – A của hãng

Jinkosolar