Thiết kế, lắp đặt và đánh giá hiệu quả sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới áp mái quy mô hộ gia đình

Do đó việc chọn đề tài “Thiết kế, lắp đặt và đánh giá hiệu quả sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới áp mái quy mô hộ gia đình” vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng điện nhưng khô

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Dương Minh Quân

Phản biện 1: TS Trịnh Trung Hiếu

Phản biện 2: TS Lê Thị Tịnh Minh

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách

khoa vào ngày 09 tháng 03 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, trước thách thức về thay đổi khí hậu, cạn kiệt nguồn tài nguyên khoáng sản, các nguồn năng lượng tái tạo và năng lượng sạch dần được đưa vào để thay thế cho các nguồn năng lượng khoáng sản Một trong các nguồn năng lượng đó là nguồn năng lượng mặt trời Việc nghiên cứu sử dụng pin 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 hiện nay Năng lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sạch, sẵn có trong thiên nhiên Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới

Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về NLMT, đặc biệt ở miền Trung và miền Nam, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4,22 kWh/m2 Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đầy tiềm năng này

Tỉnh Quảng Bình là khu vực miền Trung của Việt Nam, nơi có tổng số giờ nắng và cường độ bức xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ 4,22 kWh/m2/ngày), được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn

về năng lượng mặt trời Do đó việc chọn đề tài “Thiết kế, lắp đặt và

đánh giá hiệu quả sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới áp mái quy mô hộ gia đình” vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng điện

nhưng không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lưới, đồng thời góp phần vào việc nghiên cứu và nhân rộng mô hình sử dụng năng lượng sạch trên địa bàn tỉnh Quảng Bình

2 Mục đích nghiên cứu

- Mục tiêu của đề tài là thiết kế, lắp đặt, vận hành và đánh giá hiệu quả sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới áp mái quy mô hộ gia đình, Đánh giá độ ổn định của hệ thống, ảnh hưởng của mô hình đến lưới và phụ tải điện của hộ tiêu thụ

- Giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hoàn toàn nguồn năng lượng tiêu thụ từ lưới điện đồng thời từng bước góp phần tăng tỷ trọng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và giảm tác động đến môi trường khu vực tỉnh Quảng Bình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện mặt trời sử dụng những tấm pin quang điện thu năng lượng mặt trời, thiết bị chuyển đổi nguồn thông minh từ DC sang AC tạo ra dòng điện 220V (dạng sóng sin chuẩn) cung cấp cho hộ tiêu thụ điện Đề tài sử dụng công nghệ mới tạo ra dòng điện cung cấp trực tiếp cho hộ tiêu thụ không dùng

ắc quy lưu trữ, khi nguồn điện tạo ra thiếu thì sẽ lấy bổ sung từ điện trên lưới để đưa vào sử dụng

b) Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng mô hình điện mặt trời (ĐMT) sử dụng pin quang điện cho những phụ tải vừa và nhỏ quy mô hộ gia đình Hệ thống sẽ đảm bảo một phần điện sử dụng cho hộ tiêu thụ, phần thiếu

sẽ cung cấp bổ sung từ lưới điện

- Thời gian nghiên cứu: tháng 5 đến tháng 8 năm 2018

4 Phương pháp nghiên cứu

- Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời tại Quảng Bình;

- Khảo sát, đánh giá nhu cầu phụ tải điện tại một số hộ gia đình;

- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp, công nghệ nhằm khai thác nguồn năng lượng mặt trời để phát điện không dùng ắc quy trong các

cơ quan văn phòng và khu hành chính;

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới áp mái quy mô hộ gia đình;

- Cung cấp thiết bị, lắp đặt, vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới áp mái quy mô hộ gia đình;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của mô hình đến lưới và phụ tải điện tiêu thụ;

- Phân tích hiệu quả kinh tế - xã hội môi trường

5 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

- Đáp ứng nhu cầu sử dụng điện, không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lưới cho quy mộ hộ gia đình

- Giảm thiểu tác động đến môi trường, giảm hóa đơn tiêu thụ điện năng cho hộ gia đình

- Góp phần vào việc triển khai và nhân rộng mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới áp mái quy mô hộ gia đình trên địa bàn tỉnh Quảng Bình

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được trình bày thành 5 chương và đưa ra Kết luận:

Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và các chính sách

Chương 4: Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời, phân

tích kết quả Tính toán chi phí

Chương 5: Lắp đặt, thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu quả hệ

thống pin năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

VÀ CÁC CHÍNH SÁCH HỖ TRỢ 1.1 Tổng quan và xu hướng phát triển điện mặt trời trên thế giới

Tổng quan về năng lượng mặt trời:

Xu hướng phát triển điện năng lượng mặt trời

Với sự phát triển tiến bộ không ngừng về công nghệ, mức chi phí đầu tư ban đầu ngày càng giảm, chi phí vận hành và bảo dưỡng nhỏ nên giá thành sản xuất điện từ mặt trời đang dần cạnh tranh với các nguồn điện từ nhiên liệu hóa thạch (chẳng hạn than nhập khẩu) Hiện nay, điện từ nguồn năng lượng mặt trời đang phát triển mạnh với tốc độ rất cao Năm 2016, đã có 303 GW điện từ mặt trời được kết nối với hệ thống điện, tăng 75.000 MW so với cuối năm 2016 (228.000 MW) và tăng 44,5 lần về công suất lắp đặt trong 10 năm qua (2005-2015)

Hình 1.1 Xu hướng lắp đặt điện mặt trời trên thế giới giai đoạn

2005-2015

Hình 1.2 Xu hướng lắp đặt điện mặt trời trên thế giới giai đoạn

2006-2016

Chỉ số giá thị trường thế giới các tấm pin mặt trời:

Giá tấm pin mặt trời đã giảm mạnh từ 3,5 ÷ 4 EUR/Wp năm

2008 xuống còn chỉ 0,41 ÷ 0,57 EUR/Wp vào tháng 12 năm 2016 đã

thúc đẩy phát triển mạnh mẽ điện mặt trời ở nhiều nước đang phát triển như Thái Lan, Trung Quốc và kể cả Việt Nam Hình dưới đây cho viết giá tấm pin mặt trời tại thời điểm từ 01/12/2016 theo các vùng lãnh thổ và các nước

Bảng 1.2 Chỉ số giá thị trường thế giới các tấm pin mặt trời

về năng lượng mặt trời

Các quy định chung và chính sách hỗ trợ chung:

* Thông tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015

* Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015

* Quyết định 428/QĐ-TTg ngày 18/3/20162

* Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/4/2017

* Thông tư 16/2017/TT-BCT ngày 12/9/2017

* Quyết định số 67/QĐ-EVN ngày 28 tháng 2 năm 2018

* Văn bản số 1337/EVN-KD ngày 21/3/2018 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam

* Văn bản số 2230/EVNCPC-KD ngày 03/04/208 của Tổng Công ty Điện lực miền Trung

1.3 Cơ sở lý thuyết về năng lượng mặt trời

Giới thiệu về năng lượng mặt trời

Bức xạ mặt trời

Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời

Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm

có thể xác định theo phương trình sau:

a) Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ

b) Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang

c) Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất

Các ứng dụng năng lượng mặt trời

1.4 Phân tích tiềm năng, thực trạng ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời và hiện trạng sử dụng năng lượng hộ gia đình lắp đặt

PV

Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời

Bảng 1.3 Bức xạ tổng cộng trung bình ngày theo tháng và

năm(kWh/m2/ngày)

NASA 3,3 3,63 4,33 4,91 5,02 4,68 4,59 4,33 4,04 3,49 3,08 2,91 4,03 METEON

OM 3,62 4,02 4,70 5,08 5,41 5,16 5,33 5,11 4,94 4,18 3,54 3,44 4,54 Bảng 1.4 Số giờ nắng tháng và năm trung bình nhiều năm (giờ)

Năng lượng mặt trời: Dự án Nhà máy Điện mặt trời 49,5MW thuộc giai đoạn 1 của Tổ hợp dự án dự án điện năng lượng tái tạo do Tập đoàn Dohwa (Hàn Quốc) đầu tư xây dựng trên địa bàn hai xã Ngư Thuỷ Bắc và xã Hưng Thuỷ

Hệ thống điện mặt trời áp mái nhà lắp đặt ở các trụ sở cơ quan,

hộ gia đình (Roof-top resident): Có 02 hộ gia đình lắp đặt hệ thống

điện mặt trời áp mái nhà nối lưới với công suất 5kWp ở Thành phố Đồng Hới và huyện Quảng Ninh Sử dụng công nghệ hòa lưới trực tiếp

Hình 1.15 PV nối lưới áp mái nhà

Ngoài ra còn có, Dự án Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời tỉnh Quảng Bình có tổng công suất lắp đặt 763,25 Kwp với mức đầu

tư hơn 13,7 USD từ nguồn vốn ODA của Quỹ Hợp tác phát triển kinh tế Chính phủ Hàn Quốc và vốn đối ứng của Chính phủ Việt Nam đã hoàn thành và đưa vào sử dụng

Hình 1.16 PV độc lập cấp điện cho xã Thượng Hóa huyện Bố Trạch

1.5 Hiện trạng sử dụng năng lượng hộ gia đình lắp đặt PV

Địa điểm thiết kế và lắp đặt:

+ Địa điểm: Hộ gia đình tại Phường Bắc Lý thành phố Đồng

+ Công suất phụ tải trung bình năm: 0,35 kW

+ Công suất đỉnh trong 1 năm : 4,2 kW

Bảng 1.5 Bảng số liệu thống kê phụ tải trung bình trong 1 ngày

STT Tên Thiết Bị lượng Số

Công Suất (W)

Tổng công suất (W)

Thời gian

sử dụng trung bình (giờ/ngày)

Tổng điện năng tiêu thụ (Wh)

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG

2.1 Mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

Mô hình biến đổi độc lập không kết lưới

Mô hình biến đổi có kết lưới

2.2 Các bước tính toán thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

Các lưu ý

Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời Các bước thiết kế

2.3 Kết luận

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MÔ PHỎNG TRÊN

PHẦN MỀM PVSYS

3.1 Tính toán và thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời:

Lựa chọn mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

Hệ thống điện mặt trời kết hợp với lưới để đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải trong trường hợp điều kiện khí tượng không đủ

Xác định vị trí lắp đặt và quy mô công suất

Qua khảo sát, chọn vị trí lắp đặt dàn pin năng lượng mặt trời trên mái nhà Mặt bằng mái nhà có diện tích 12x10 = 120 m2

, diện tích lắp đặt khả dụng có thể lắp đặt dàn pin khoảng 80m2

Hình 3.2 Mặt bằng vị trí khảo sát lắp đặt pin

Công suất đỉnh của dàn pin mặt trời được xác định theo công thức:

0 ng wp

Qwp =2/3Ewp =2.098 Wp Công suất đỉnh của dàn pin mặt trời trong hệ thống có thể cấp điện là 2,16 kWp, cấp điện cho phụ tải của hộ gia đình

3.2 Lựa chọn giải pháp công nghệ:

Điện áp tại điểm công

Số lượng tấm Pin mặt trời dự kiến lắp đặt:

Đối với hệ thống năng lượng mặt trời thiết kế như đã trình bày ở trên, cô suất cần lắp khoảng 2,16kWp, số lượng pin cần thiết:

Npin = Qwp / Pđmpin = 2.160/270 = 8 tấm Dựa vào đó, diện tích sơ bộ cần thiết để lắp đặt hệ thống pin:

S= Spin× 240 = (1,650×0,992) × 8 = 13 m2

b) Bố trí hướng và lắp hệ thống pin mặt trời:

Với diện tích lắp đặt khoảng 13 m2, một hệ thống PV gồm 08 tấm pin mắc nối tiếp thành 02 dãy, mỗi dãy 04 tấm Các dãy PV như vậy sẽ cùng được gắn trên 1 giàn gá lắp thiết bị, góc nghiêng của các giàn gá lắp thiết bị theo mái ngói sẵn có của ngôi nhà góc nghiêng là

300, góc phương vị là 00 vì mái nghiêng về hướng chính Nam

Hình 3.3 Cách thức đặt tấm pin

Hình 3.4 Hình ảnh thực tế lắp đặt gồm 02 dãy pin nối tiếp (mỗi dãy

c) Hệ thống khung giàn và giá đỡ:

Bộ biến đổi điện mặt trời

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật bộ biến đổi điện mặt trời MG2KTL

Model MG2KTL

Công suất DC đầu vào tối đa

(W)

2200

Điện áp khởi động (V)// điện

áp làm việc tối thiểu (V)

120/100

Đầu ra (AC)

Phù hợp với chuẩn VDE-AR-N4105, G83/2, C10/11, TF3.2.1, AS4777/3100 Tần số lưới điện 50Hz(44~55Hz) / 60Hz(54~65Hz)

Phù hợp với chuẩn VDE-AR-N4105, G83/2, C10/11, TF3.2.1, AS4777/310

Giải pháp thu thập dữ liệu từ xa:

Hình 3.8 Công tơ điện tử 1 pha DT01M80

Hình 3.9 Mô hình hệ thống RF Spider

3.3 Tổng hợp phương án tính toán, thiết kế

Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống mặt trời

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CHI PHÍ 4.1 Mô phỏng hệ thống pin lắp đặt

Giới thiệu phần mềm Pvsyst

Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời lắp đặt

a) Thông số trắc quang về nhiệt độ bức xạ

Hình 4.2 Dữ liệu về bức xạ và nhiệt độ tại vị trí lắp đặt b) Mô phỏng hệ thống pin lắp đặt

Hình 4.3 Mô phỏng góc nghiên lắp đặt hệ thống pin c) Thông số tổn thất cài đặt trong phần mềm

d) Cấu hình hệ thống trong phần mềm

Hình 4.11 Thông số cấu hình hệ thống

4.2 Kết quả mô phỏng

Quá trình làm việc của hệ thống

* Phân bố năng lượng năng lượng bức xạ trong một năm

Tổng năng lượng bức xạ tới bề mặt tấm pin quang điện diện tích trung bình 1m2 nằm trong dãy giá trị từ 0,4 kWh/m2.ngày đến 7,3 kWh/m2.ngày, nhưng điểm phân bố dày nhất nằm ở khoảng từ 6 kWh/m2.ngày đến 11 kWh/m2.ngày Điện năng tạo ra của hệ thống

đó trong một ngày phân bố từ 8 kWh/ngày đến 12 kWh/ngày

Hình 4.12 Biểu đồ phân bố năng lượng năng lượng bức xạ trong

một năm theo giá trị trong 1 ngày

Hình 4.13 Biều đồ phân bố công suất đầu ra của hệ thống pin quang

điện và hệ thống biến tần trong một năm

Hình 4.14 Phân bố điện áp đầu ra mảng pin quang điện

Sản lượng điện và hiệu suất

a) Sản lượng điện thu được và hiệu suất

Dựa vào các điều kiện hoạt động trình bày ở trên, sản lượng điện năng thu được tương ứng thể hiện rõ trong các hình sau:

Hình 4.16 Sản lương điện năng trung bình ngày (trên 1kWp được

T Amb

0 C

GlobInc kWh/m 2

GlobEff kWh/m 2

EArrayk

Wh

E_Grid kWh

Hình 4.19 Biểu đồ tổn thất c) Sản lượng điện thu được và tổn hao trong toàn hệ thống:

Từ các kết quả thu đượng ở trên, sản lượng điện năng và tổn hao trong toàn hệ thống được tổng hợp trong bảng sau:

Bảng 4.4 Sản lượng điện năng sản xuất và tổn hao trong toàn hệ

4.3 Tổng mức đầu tư hệ thống pin mặt trời

Chi phí đầu tư xây dựng

Bảng 4.5 Tổng chi phí đầu tư xây dựng

1 Tấm pin năng lượng mặt

Chi phí vận hành và bảo dưỡng:

Tổng chi phí cho việc vệ sinh tấm pin và bảo dưỡng là 500.000 đồng/năm

Phân tích tính hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời

Hệ số đầu vào

Kết quả tính toán

Tỷ lê hoàn vốn nội bộ IRR 12,07%

Giá trị hiện tại thuần NPV 17.886.339 VNĐ

4.4 Kết luận

CHƯƠNG 5: LẮP ĐẶT, THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

5.1 Lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời

5.2 Thu thập dữ liệu hệ thống pin năng lượng mặt trời và phụ tải tiêu thụ:

Các dữ liệu thu thập về hệ thống năng lượng mặt trời:

Hình 5.6 Điện áp PV và điện áp lưới

Điện áp hệ thống pin năng lượng mặt trời nằm trong phạm vi

cho phép 187÷242V, thấp nhất là 230VAC cao nhất là 240,9VAC

Trong các ngày khác, tần số và điện áp cũng có mức độ dao động tương tự

Hình 5.7 Dòng điện một chiều tấm pin

Hình 5.8 Dòng điện xoay chiều ra Inverter