Thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời cấp điện cho Trường Đại học Phạm Văn Đồng - Quảng Ngãi

Các ứng dụng năng lượng mặt trời Để việc nghiên c u sử dụng các thiết bị sử dụng năng l ng mặt tr i có tính ng dụng cao, chúng ta cần ph i có thông số đo đ c thống ê đầu vào, từ đó giú

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.02.02

T M TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2018

C ng tr nh đ ho n th nh t i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ng i h ng n ho họ : TS D ng Minh Quân

Ph n iện 1: TS ĐOÀN ANH TUẤN

Ph n iện 2: GS TS NGUYỄN HỒNG ANH

Luận văn đ c b o vệ tr c Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

th sĩ ỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp t i Tr ng Đ i học

Bách khoa Đ Nẵng vào ngày 30 tháng 6 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn t i:

- Trung tâm Học liệu, Đ i họ Đ Nẵng t i Tr ng Đ i học Bách

khoa

- Th viện Kho Điện, Tr ng Đ i học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 L DO CHỌN ĐỀ TÀI

Năng l ng là một trong những nhu cầu thiết yếu củ on ng i

và là một yếu tố không thể thiếu đ c của ho t động kinh tế Sự phát triển ủ nền inh tế éo theo nhu ầu năng l ng ho phát triển inh

tế, xã hội ng y ng tăng m nh, việ đáp ng nhu ầu năng l ng thực

sự là một thách th đối v i hầu hết mọi quốc gia và nó đ ng trở th nh một vấn đề thiết to n ầu Nguồn năng l ng hó th h đ ng ng y

ng ị n iệt, đồng th i nhiễm m i tr ng ng y ng trở nên nghiêm trọng Nhu ầu t m r lo i năng l ng m i, x nh s h v ó thể tái t o đ ,…th y thế nguồn năng l ng hó th h truyền thống

l i toán đặt r từ lâu đối v i á quố gi Một trong các nguồn năng l ng tái t o v năng l ng s ch dần đ đ v o để thay thế cho các nguồn năng l ng khoáng s n là nguồn năng l ng mặt tr i Năng l ng mặt tr i đ xem nh l ng năng l ng u việt trong

t ng l i, đó l nguồn năng l ng s ch, sẵn có trong thiên nhiên Việt n m đ c xem là một quốc gia có tiềm năng rất l n về NLMT, đặc biệt ở miền Trung và miền Nam, v i ng độ b c x mặt

tr i trung bình kho ng 5 kWh/m2 V i u thế về vị trí đị lý n y, Việt

N m ho n to n ó thể sử ụng nguồn năng l ng mặt tr i đầy tiềm năng n y

Những năm gần đây, việ nghiên u, sử ụng nguồn năng l ng mặt tr i đ ng đ nh n qu n tâm Tuy nhiên, dù có nguồn tài nguyên năng l ng mặt tr i l n nh ng s u một th i gian phát triển, việc ng dụng các thiết bị sử dụng năng l ng mặt tr i vào cuộc sống ũng h o v h đ c khai thác hiệu qu do thiếu inh phí v

h đ phổ iến rộng rãi

Tỉnh Qu ng Ngãi là khu vực miền Trung của Việt N m, n i ó

tổng số gi nắng v ng độ b c x nhiệt cao (trung bình xấp xỉ 5 kWh/m2/ng y), đ đánh giá l hu vực có tiềm năng rất l n về năng

l ng mặt tr i Do đó việc chọn đề t i “Thiết kế hệ thống Pin năng

l ng mặt tr i cấp điện ho tr ng Đ i học Ph m Văn Đồng - Qu ng Ngãi”vừ đáp ng nhu cầu sử dụng điện nh ng h ng phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện l i, đồng th i góp phần v o việ nghiên u và nhân rộng mô hình sử dụng năng l ng s h trên địa bàn tỉnh Qu ng Ngãi

2 MỤC Đ CH NGHI N CỨU

Xuất phát từ thự tế về nhu ầu năng l ng gần đây ở Việt N m

ng y ng tăng o n đến t nh tr ng thiếu hụt điện năng v ết qu

l ng nh điện ph i thự hiện tiết gi m điện, ph i ắt điện luân phiên phụ t i sử ụng điện t i th i điểm th i tiết nắng nóng, h h n l m

nh h ởng đến nhu ầu sử ụng năng l ng Mụ tiêu ủ đề t i l nghiên u gi i pháp sử ụng nguồn năng l ng mặt tr i th nh điện năng ung ấp ho tò nh ủ tr ng Đ i họ Ph m Văn Đồng, gi m thiểu t nh tr ng lệ thuộ ho n to n nguồn năng l ng tiêu thụ từ l i điện đồng th i từng góp phần tăng tỷ trọng sử ụng nguồn năng

l ng mặt tr i v gi m tá động đến m i tr ng

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHI N CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nguồn x mặt tr i t i n i triển h i m h nh hệ thống điện ùng năng l ng mặt tr i

- Nhu cầu điện năng ủ Nh tr ng

vàtriển khai áp dụng thiết kế hệ thống pin năng l ng mặt tr i nối l i cung cấp điện cho tr ng Đ i học Ph m Văn Đồng

4 PHƯ NG PHÁP NGHI N CỨU

- Kh o sát thự đị ,đo đ , thu thập số liệu

- Trên sở phân tí h lý thuyết v á m h nh iến đổi năng

l ng mặt tr i th nh điện năng, ết h p v i ph ng pháp tính toán, sử ụng phần mềm PVsyst để tính toán triển h i t i to nh tr ng Đ i

họ Ph m Văn Đồng

5 NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TI N CỦA ĐỀ TÀI

Từ thực tiễn và cụ thể là những đặ điểm, đặ tr ng ủa năng

l ng mặt tr i trong bối c nh nguồn năng l ng truyền thống ngày một c n kiệt cùng v i vấn đề ô nhiễm m i tr ng bắt buộ on ng i

ph i khám phá và khai thác các nguồn năng l ng m i - nguồn năng

l ng tái t o thân thiện v i m i tr ng phục vụ cho nhu cầu năng

l ng ngày một tăng ủ on ng i

V i quan niệm không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện năng

từ l i, n to n ho m i tr ng” Tá gi muốn nghiên c u triển khai

gi i pháp ng dụng nguồn năng l ng mặt tr i để cấp điện không chỉ

t i to nh tr ng Đ i học Ph m Văn Đồng mà còn nhân rộng cho các khu vự h ó nguồn điện l i và các tòa nhà có sử dụng nguồn năng l ng l n trên địa bàn tỉnh nh tò nh ủa các khách s n, bệnh viện, tr ng họ ,…

6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Mở đầu

Ch ng 1: Lý thuyết tổng qu n về năng l ng mặt tr i

Ch ng 2: Tiềm năng năng l ng mặt tr i t i Qu ng Ngãi, t nh hình sử ụng năng l ng t i tr ng Đ i họ Ph m Văn Đồng

CHƯ NG 1: C SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu về năng lượng mặt trời

Mặt tr i - ngôi s o trong trung tâm Thái ng hệ v l nguồn ung ấp năng l ng, ánh sáng tự nhiên ho Trái đất Mặt tr i lu n phát r một nguồn năng l ng hổng lồ v một phần nguồn năng

l ng đó truyền ằng x đến trái đất húng t Năng l ng mặt tr i

l một trong á nguồn năng l ng s h đ xem l v tận v nó l nguồn gố ủ á nguồn năng l ng há trên trái đất Nguồn năng

l ng th y thế n y đã v đ ng đ á nh ho họ đặ iệt qu n tâm Con ng i đã iết tận h ởng nguồn năng l ng quí giá n y từ rất lâu, tuy nhiên việ h i thá , sử ụng nguồn năng l ng n y một á h hiệu qu nhất th v n l vấn đề m húng t đ ng qu n tâm Việ tiếp

ận để tận ụng nguồn năng l ng m i n y h ng hỉ góp phần ung

ng ịp nhu ầu năng l ng ủ xã hội m òn giúp tiết iệm điện năng v gi m thiểu nhiễm m i tr ng

1.2 Bức xạ mặt trời

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt tr i gọi là b c x trực x Tổng h p các tia trực x và tán x gọi là tổng x Mật độ dòng b c x trực x ở ngoài l p khí quyển, tính đối v i 1m2 bề mặt đặt vuông góc v i tia b c

x

1.3 Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời

C ng độ b c x mặt tr i trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng củ á ti sáng đối v i mặt phẳng bề mặt t i điểm đã

ho v độ i đ ng đi ủa các tia sáng trong khí quyển hay nói chung

là phụ thuộ v o độ cao của Mặt tr i Yếu tố n xá định ng

độ của b c x mặt tr i ở một điểm n o đó trên Trái đất là quãng

đ ng nó đi qu Sự mất mát năng l ng trên quãng đ ng đó gắn liền v i sự tán x , hấp thụ b c x và phụ thuộc vào th i gian trong

ngày, mùa, vị trí địa lý

1.3.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ

1.3.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang 1.3.3 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất

Tổng b c x mặt tr i lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần hính đó l trực x và tán x H ng của b c x khuếch tán truyền t i bề mặt là hàm số củ độ che phủ củ mây v độ trong suốt của khí quyển, á đ i l ng này l i th y đổi khá nhiều

1.4 Các ứng dụng năng lượng mặt trời

Để việc nghiên c u sử dụng các thiết bị sử dụng năng l ng mặt

tr i có tính ng dụng cao, chúng ta cần ph i có thông số đo đ c thống

ê đầu vào, từ đó giúp ng i thiết kế đánh giá hiệu qu kinh tế của hệ thống, xá định í h th c hệ thống v o đó ó thể thiết kế hệ thống sao cho giá thành thấp và hiệu qu tối u Cá th ng số đầu vào này càng chính xác thì việc thiết kế càng chính xác và hiệu suất thiết bị càng cao

Chúng ta có thể sử dụng các thông số đo đ c thực tế để tính toán thiết bị, để thiết kế thì chúng ta cần số liệu b c x ít nhất trong một năm,

số liệu trong th i gian càng dài thì việc tính toán càng chính xác

CHƯ NG 2: TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH QUẢNG NGÃI VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TẠI TRƯỜNG ĐAI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG -

QUẢNG NGÃI

2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại tỉnh Quảng Ngãi:

Qu ng Ngãi l một tỉnh nằm sâu trong đ i nội hí tuyến v i hí hậu nhiệt đ i gió mù , m nhiều v o nử mù nóng v nử đầu mù

l nh L ng x l n (1501,04÷1803,58 Wh/m2/năm), số gi hiếu sáng ho ng 4 500gi /năm, số gi nắng từ 1 800÷2 200gi /năm; nền nhiệt ủ tỉnh o, th ng từ 20÷260

máy 560 KVa- 22/0.4kV Tr m biến áp cung cấp ho tr ng chỉ vận hành một máy trong điều kiện nh th ng, máy còn l i nghỉ dùng cho

tr ng h p dự phòng

B ng 2.6 B ng tổng h p điện năng tiêu thụ trong năm 2017

Tháng Điện năng tiêu thụ (kWh)

Quảng Ngãi

2.3.1 Số liệu thu thập và biểu đồ phụ tải ngày của Nhà trường:

B ng 2.7 B ng tổng h p công suất (kW) các gi trong ngày t i

Tr ng (trung bình), Số liệu đo ng y 4/4/2018

CHƯ NG 3 CÁC MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 3.1 Mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

3.1.1 Mô hình biến đổi độc lập không kết lưới

3.1.2 Mô hình biến đổi có kết lưới

Hệ thống PV công suất nhỏ chỉ thể hiện u điểm củ nó hi đ c vận hành có liên kết v i l i điện Khi đ c kết l i hệ thống PV sẽ

đ c vận hành một cách linh ho t nh hệ thống điều khiển tối u tr o

l u ng suất và hệ thống đóng - cắt

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

3.2.1 Các lưu ý

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

 Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải

 Vị trí lắp đặt hệ thống

3.2.3 Các bước thiết kế

Gồm á nh s u:

 Lựa chọn s đồ khối

 Tính toán hệ nguồn điện pin mặt tr i

 Tính phụ t i điện yêu ầu

 Tính năng l ng điện mặt tr i cần thiết Ecấp

 Tính công suất dàn pin mặt tr i Wp (Peak Watt)

 Tính số modun mắc song song và nối tiếp

 Bộ điều phối năng l ng

- Bộ biến đổi điện DC-AC (Inverter)

- Hộp nối và dây nối điện

CHƯ NG 4 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI

4.1 Tính toán và thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời cho trường Đại học Phạm Văn Đồng

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

để truyền th ng tin đến bộ điều khiển trung tâm Sunny WebBox Bộ điều khiển trung tâm đ c nối v i một máy vi tính đ c lập tr nh để theo dõi và qu n lý toàn bộ hệ thống

4.1.2 Xác định vị trí lắp đặt và quy mô công suất

Qu h o sát, họn vị trí lắp đặt n pin năng l ng mặt tr i trên

mái nh ủ hu nh H nh hính Hiệu ộ Nh tr ng Hiện t i mặt

ằng trên tầng th ng ủ tò nh ó iện tích 90,2x18,5 = 1668,7 m2

,diện tí h lắp đặt h ụng ó thể lắp đặt n pin ho ng 774m2(43m x 18m) s n ê t ng h ng mái v i ít ng tr nh phụ tr ễ ng ho á

ng việ thi ng, lắp đặt

V i vị trí lắp đặt nh đã họn lựa ở trên, bỏ qua nh h ởng của góc nghiêng dàn pin mặt tr i và hiệu ng nhiệt độ, công suất đỉnh của dàn pin mặt tr i đ xá định theo công th c:

0 ng wp

Từ công th trên, t tính r đ điện năng của dàn pin mặt tr i trong hệ thống để cấp điện cho phụ t i củ Nh tr ng:

Theo số liệu phụ t i sử ụng theo ng y ủ Nh tr ng, điện năng tiêu thụ ủ hu nh h nh hính hiệu ộ hiếm ho ng 16-18% Tổng điện năng tiêu thụ ủ hu nh h nh hính hiệu ộ t ng ng

256 000Wh (m 18%) v i Ewp gần 70 000 Wp

Trên sở gi i h n iện tí h t i vị trí h o sát lắp đặt n Pin năng l ng mặt tr i trên tầng 5 mái nh Khu nh H nh hính hiệu ộ, họn ng suất đỉnh ủ n pin mặt tr i trong hệ thống ó thể ấp điện l 72 Wp, ấp điện ho phụ t i ủ Nh tr ng

4.2 Lựa chọn giải pháp công nghệ

4.2.1 Hệ thống pin

a Lựa chọn loại pin sử dụng

Các thông số kỹ thuật của tấm pin ZBR-300M đã lựa chọn để thiết kế:

- Đối v i hệ thống năng l ng mặt tr i thiết kế nh đã tr nh y

ở trên, công suất cần lắp kho ng 72kWp, số l ng pin cần thiết:

Npin =Ewp / Pđmpin= 72.000/300 = 240 tấm

- Dự v o đó, iện tí h s ộ cần thiết để lắp đặt hệ thống pin:

S= Spin× 240 = (1,957×0,990) × 240 = 465 m2

b Mô hình hóa tấm pin lựa chọn:

c Bố trí hướng và lặp hệ thống pin mặt trời

V i iện tí h lắp đặt ho ng 774m2, một hệ thống PV sẽ đ

hi th nh 3 nhóm giống nh u, v i ết u mỗi nhóm gồm 20 tấm pin

mắ nối tiếp v 4 ãy song song Mỗi ãy PV nh vậy sẽ ùng đ gắn trên 1 gi n gá lắp thiết ị, gó nghiêng ủ á gi n gá lắp thiết ị

đ lự họn tối u ự v o phần mềm thiết ế PVSyst l 10ᵒ theo

h ng Bắ -N m ọ theo hiều i ủ đ ng Ph n Đ nh Phùng, góc nghiên tối u đ x s định l 15ᵒ

Kí h th thự tế ủ hệ thống pin lắp đặt nếu lấy theo á

Dự v o số liệu tính toán v i điện áp l m việ l n nhất đ t 724V, òng l m việ l n nhất đ t 33,16A ủ hệ thống pin, sử ụng ộ iến đổi điện RefuSol 24K-UL ủ hãng REFU Ele troni Gm H (s n xuất

từ năm 2017) ó tí h h p sẵn thiết ị hò l i v á hệ thống truyền tín hiệu đến ộ We Box

B ng 4.1 Thông số kỹ thuật bộ biến đổi điện mặt tr i SMC 5000A

4.2.3 Tủ đấu nối DC và thiết bị giám sát Webbox

V i đặ tính ĩ thuật ủ hệ thống, tủ đấu nối DC đ thiết

ế nh ng 4 2

Dòng định m DC ho mỗi ãy 0-40A

4.3 Tổng hợp phương án tính toán, thiết kế

B ng 4.4 Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống mặt tr i t i Nhà

tr ng

Số l ng mo ule pin qu ng điện 240 tấm Diện tí h hệ thống qu ng điện 650m2

Số mo ule nối tiếp t o th nh 1 m ng 20 tấm

Số m ng mo ule ghép song song 12 tấm

C ng suất 1 mo ule pin qu ng điện 300Wp

C ng suất lắp đặt hệ thống pin qu ng điện 72kWp

C ng suất định m 1 iến tần 24kW

C ng suất định m hệ thống iến tần 72kW

H nh 4 9 S đồ đấu nối dàn pin mặt tr i vào hệ thống

CHƯ NG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNGLƯỢNG MẶT TRỜI, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CHI PHÍ D ÁN

5.1 Mô phỏng hệ thống pin lắp đặt

5.1.1 Giới thiệu phần mềm PVsyst

5.1.2 Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời lắp đặt

a Thông số trắc quang về nhiệt độ bức xạ

Vị trí lắp đặt n pin nằm t i Tr ng Đ i họ Ph m Văn Đồng- Qu ng Ngãi ó vị trí đị lý: Vĩ độ 15,1; inh độ 108,81

H nh 5 1 Đị điểm lắp đặt pin

H nh 5 2 Dữ liệu về x v nhiệt độ

t i vị trí lắp đặt

b Mô phỏng hệ thống pin lắp đặt

Các thông số mô phỏng í h th c hệ thống pin cụ thể nh s u:

- Độ rộng h ng giá đỡ (Coll Band width): 1m (xấp xỉ độ rộng của 1

tấm pin-0.99m)

- Kho ng cách giữ 2 mép i của 2 hàng pin liền kề nhau (pitch):

1,5 m, trong đó 0,5 m sử dụng cho công việ đi l i là lắp đặt

- Góc gi i h n bóng che: 27.2ᵒ

- Tỉ lệ chiếm đất – GCR: 67%

c Mô phỏng hệ thống pin và bộ chuyển đổi

B ng 5.1: Tổng h p thông số 1 nhóm:

Số l ng mo ule pin qu ng điện 80 tấm

Số mo ule nối tiếp t o th nh 1 m ng 20

C ng suất 1 mo ule pin qu ng điện 300Wp

C ng suất lắp đặt hệ thống pin qu ng điện 24kWp

C ng suất ự đ i hệ thống pin qu ng điện 22,7kWdc

5.2 Kết quả mô phỏng

Do á h n hế về mặt n quyền phần mềm, đề t i hỉ trí h xuất ết qu m phỏng ho 1 nhóm pin 24 Wp

5.2.1 Quá trình làm việc của hệ thống

a Nhiệt độ và bức xạ làm việc

b Điện áp làm việc

Kết qu mô phỏng cho thấy, giá trị điện áp làm việc chủ yếu của

m ng pin qu ng điện trong kho ng 600V đến 690V, và phần l n th i gian làm việc ở m c 640V - 680V

c Phân bố công suất đầu ra của nhóm pin

Đồ thị h nh 5 9 ho thấy ãi l m việ ng suất đầu r rất rộng Dãi ng suất đầu r ó giá trị ự đ i ho ng 22,7 W, nhỏ h n ng suất l m việ ủ iến tần

5.2.2 Sản lượng điện và hiệu suất

a Sản lượng điện thu được và hiệu suất

S n l ng điện phát r ủ 1 nhóm pin trong vòng 1 năm đ tổng h p đầy đủ trong h nh 5 13 S n l ng o nhất thu đ r i v o tháng 5 (3 442 MWh), nằm trong hu hệ thống phát l ng ng suất

o (từ tháng 3 đến 8) Trong hù mù đ ng từ tháng 9 đến tháng 2