Thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời cấp điện cho trường đại học phạm văn đồng quảng ngãi

Đối với trường Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi, nhà trường muốn đưa dạng năng lượng mặt trời lắp mái vào sử dụng để chủ động hơn và giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện phân phối 22kV của

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Trong luận văn có trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam, của một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lƣợng mặt trời, tham khảo một số luận văn

Tác giả luận văn

VÕ HOÀNG HẢI

MỤC LỤC

Trang TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN IV DANH MỤC CÁC BẢNG VIII DANH MỤC CÁC HÌNH IX MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.1 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.2 BỨC XẠ MẶT TRỜI 6

1.3 TÍNH TOÁN BỨC XẠ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 9

1.3.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ 9

1.3.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang 11

1.3.3 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất 12

1.4 CÁC ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 14

1.5 KẾT LUẬN 15

CHƯƠNG 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 16

2.1 TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI QUẢNG NGÃI: 16

2.2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN, KHẢ NĂNG CUNG CẤP VÀ TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI 21

2.2.1 Thông tin chung 21

2.2.2 Sơ đồ tổ chức 21

2.2.3 Năng lượng cung cấp và tiêu thụ 23

2.3 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TẠI TRƯỜNGĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI 25

2.3.1 Số liệu thu thập và biểu đồ phụ tải ngày của Nhà trường 25

2.3.2 Hệ thống thiết bị Nhà trường 26

2.4 Kết luận 277

CHƯƠNG 3:CÁC MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 29

MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG 29

3.1 MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG 29

3.1.1 Mô hình biến đổi độc lập không kết lưới 29

3.1.2 Mô hình biến đổi có kết lưới 31

3.2 CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG 32

3.2.1 Các lưu ý 32

3.2.2 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời 32

3.2.3 Các bước thiết kế 34

3.3 KẾT LUẬN 38

CHƯƠNG 4:ÁP DỤNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 40

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI 40

4.1 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI: 40

4.1.1 Lựa chọn mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng 40

4.1.2 Xác định vị trí lắp đặt và quy mô công suất 41

4.2 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 43

4.2.1 Hệ thống pin 43

4.2.2 Bộ biến đổi điện mặt trời 49

4.2.3 Tủ đấu nối DC và thiết bị giám sát Webbox 50

4.3 TỔNG HỢP PHƯƠNG ÁN TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 52

CHƯƠNG 5:MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI,PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CHI PHÍ DỰ ÁN 55

5.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN LẮP ĐẶT 55

5.1.1 Giới thiệu phần mềm PVsyst 55

5.1.2 Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời lắp đặt 55

5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 58

5.2.1 Quá trình làm việc của hệ thống 58

5.2.2 Sản lượng điện và hiệu suất 61

5.3 TỔNG MỨC ĐẦU TƯ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI 66

5.3.1 Chi phíđầu tư xây dựng 66

5.3.2 Chi phí vận hành, bảo dưỡng và nhân viên: 68

5.3.3 Các chi phí khấu hao hằng năm (CPKH) 68

5.3.4 Phân tích tính hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời 68

5.4 KẾT LUẬN 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNGMẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI

Học viên: Võ Hoàng Hải - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: 34DCH.QNg Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt –Nhu cầu phụ tải ngày càng tăng cao công thêm sự thiếu hụt nhiên liệu hóa

thạch làm cho các vấn đề cung điện năng gặp nhiều ảnh hưởng Đồng thời, với Quyết định 28/2014/QĐ-TTg cho thấy giá điện ngày một tăng cao và theo một lộ trình do EVN đề xuất Điều này đòi hỏi các phụ tải sử dụng nhiều năng lượng phải

có các giải pháp tiết kiệm hoặc có các dạng năng lượng thay thế với giá thành rẻ hơn Hiện nay, các dạng năng lượng tái tạo đang phát triển mạnh mẽ, trong đó có loại hình năng lượng mặt trời lắp mái, một giải pháp ngày càng được ứng dụng rộng rãi và là giải pháp tốt giảm thiểu sự phụ thuộc vào lưới điện Đối với trường Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi, nhà trường muốn đưa dạng năng lượng mặt trời lắp mái vào sử dụng để chủ động hơn và giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện phân phối 22kV của địa phương, đồng thời góp phần nhỏ trong sự phát triển của năng lượng tái tạo và giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường Từ các số liệu thu thập được, luận văn đã trình bày cách thức thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới dạng lắp mái Quá trình thiết kế được trình bày rõ ràng và áp dụng vào thực tế cho trường Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi Các kết quả được đưa ra phân tích về hai phương diện kỹ thuật và kinh tế thông qua phầm mềm PVsyst, từ đó dưa ra hướng phát triển tiếp theo

Từ khoá – Năng lượng tái tạo; Pin mặt trời; hệ thống mặt trời lắp mái; Trường Đại

học Phạm Văn Đồng; PVsyst

CALCULATION AND PROPOSITION OF ENERGY SAVING SOLUTIONS

FOR PHAM VAN DONG UNIVERSITY – QUANG NGAI Summary - The increasing demand along with extra load and the shortage of fossil

fuels lead to power supply problems At the same time, according to the Circula No.28/2014/QD-TTg, electricity price are rising on a roadmap proposed by EVN This requires energy-intensive loads to consume cost-effective alternatives or alternative energy at lower cost Nowadays, renewable energy are developing rapidly, including solar rooftops -a method that is commonly being used and a best solution to minimize grid dependence In terms of Pham Van Dong University -

Quang Ngai province, the universitydesires to put solar rooftops into use to be more active in energy consumption and reduce the dependence on local power distribution 22kV In addtion, the university might be a contributor for the development of renewable energy and minimize negative impacts on the environment From the data collected, the article presents how to design rooftop solar panelsystem The design process is clearly presented and applied in practice to Pham Van Dong University - Quang Ngai The results are analyzed following the technical-economic criteria through the PVsyst software, resulting to the next developing direction

Keywords – calculation and proposition; energy saving solutions; energy saving;

Pham Van Dong University; Energy saving study

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số

2.1 Đặc trưng tổng nhiệt độ trung bình năm ở các khu vực Quảng Ngãi 16

2.3 Bức xạ tổng cộng thực tế tháng và năm (kWh/m2) 17 2.4 Bức xạ tổng cộng thực tế trung bình ngày tại một số địa điểm trong

2.6 Bảng tổng kết điện năng trong năm 2017 23 2.7 Bảng tổng hợp công suất (kW) các giờ trong ngày tại Trường (trung

2.9 Danh mục các thiết bị phục vụ toàn trường 26

4.1 Thông số kỹ thuật bộ biến đổi điện mặt trời SMC 5000A 50

4.4 Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống mặt trời tại nhà trường 52

5.2 Sản lượng điện năng sản xuất và tổn hao trong toàn hệ thống 65 5.3 Chiphí giacông, lắp dựng giá đỡ ắcquy dànpinmặt trời (PXD) 67 5.4 Chiphímuathiếtbị Hệ thống pin mặt trời (PTB) 67

5.7 Bảng tổng kết cho việc lắp đặt hệ thống pin mặt trời 69

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

1.1 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển 5

2.3 Trụ sở Trường Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi 21

4.1 Mô hình hệ thống cung cấp điện từ năng lượng mặt trời 40

4.4 Sơ đồ mạch tương đương của pin mặt trời 45 4.5 Đặc tính tầm khi bức xạ thay đổi ( ở nhiệt độ 25oC ) 46 4.6 Đặc tính tấm pin thông qua mô phỏng khi nhiệt độ thay đổi (ở bức

4.8 Các chi tiết lắp đặt hệ thống pin 49 4.9 Sơ đồ đấu nối dàn pin mặt trời vào hệ thống 50 4.10 Mô hình kết nối dạng chuỗi (string inverter) 51 4.11 Sơ dồ đấu nối dàn năng lƣợng mặt trời vài hệ thống điện của nhà

5.2 Dữ liệu về bức xạ và nhiệt độ tại vị trí lắp đặt 56 5.3 Mô phỏng góc nghiêng lắp đặt hệ thống pin 56 5.4 Mô phỏng cách thức lắp đặt hệ thống pin 57 5.5 Quá trình mô phỏng thông số pin và bộ chuyển đổi (cho 1 nhóm) 58 5.6 Đồ thị phân bố nhiệt độ làm việc của 1 nhóm pin 59 5.7 Đồ thị phần bố bức xạ làm việc của 1 nhóm pin 59 5.8 Đồ thị phân bố điện áp làm việc của 1 nhóm pin 60 5.9 Đồ thị phân bố công suất đầu ra 1 nhóm pin (hệ thống biến tần) 60 5.10 Đồ thị công suất các nhóm pin qua các tháng 61 5.11 Sản lƣợng điện năng của một nhóm pin qua các tháng 62 5.12 Hiệu suất chuyển đổi của nhóm pin qua các tháng 62 5.13 Thông số cụ thể về sản lƣợng điện phát ra của nhóm pin 63

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố không thể thiếu được của hoạt động kinh tế Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế, xã hội ngày càng tăng mạnh, việc đáp ứng nhu cầu năng lượng thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc gia và nó đang trở thành một vấn đề bức thiết toàn cầu Nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt, đồng thời ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng Nhu cầu tìm

ra loại năng lượng mới, xanh sạch và có thể tái tạo được,…thay thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bài toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển như Anh, Mỹ, Pháp và các quốc gia đang phát triển như Việt Nam …

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 5 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

Những năm gần đây, việc nghiên cứu, sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đang được nhà nước quan tâm Tuy nhiên, dù có nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời lớn nhưng sau một thời gian phát triển, việc ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời vào cuộc sống cũng chưa cao và chưa được khai thác hiệu quả do thiếu kinh phí và chưa được phổ biến rộng rãi

Tỉnh Quảng Ngãi 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 5 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

hệ thống Pin năng lượng mặt trời cấp điện cho trường Đại học Phạm Văn Đồng - Quảng Ngãi”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 Ngãi

2 Mục đích nghiên cứu

Xuất phát từ thực tế về nhu cầu năng lượng gần đây ở Việt Nam ngày càng tăng caodẫn đến tình trạng thiếu hụt điện năng và kết quả là ngành điện phải thực hiện tiết giảm điện, phải cắt điện luân phiên phụ tải sử dụng điện tại thời điểm thời tiết nắng nóng, khô hạn làm ảnh hưởng đến nhu cầu sử dụng năng lượng Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu giải pháp sử dụng nguồn năng lượng mặt trời thành điện năng cung cấp cho tòa nhà của trường Đại học Phạm Văn Đồng, 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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nguồn bức xạ mặt trời tại nơi triển khai mô hình hệ thống điện dùng năng lượng mặt trời

- Nhu cầu điện năng trong các tòa nhà

- Hệ thống chiếu sáng tại toà nhà

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Tổng quan về năng lượng mặt trời Khảo sát, phân tích hiện trạng sử dụng năng lượng tại toà nhà trường Đại học Phạm Văn Đồng, tìm hiểu các mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng để triển khai áp dụng tạitoà nhà trường Đại học Phạm Văn Đồng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát thực địa

- Trên cơ sở phân tích lý thuyết và các mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, kết hợp với phương pháp tính toán triển khai tại toà nhàtrường Đại học Phạm Văn Đồng

5 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

Từ thực tiễn và cụ thể là những đặc điểm, đặc trưng của năng lượng mặt trời trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống ngày một cạn kiệt cùng với vấn đề ô nhiễm môi trường bắt buộc con người phải đi tìm tòi khám phá và khai thác các nguồn năng lượng mới - nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường phục vụ cho nhu cầu năng lượng ngày một tăng của con người

Với quan niệm không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện năng từ lưới, an toàn cho môi trường” Tác giả muốn nghiên cứu triển khai giải pháp ứng dụng nguồn năng

lượng mặt trời không chỉ tại toà nhà trường Đại học Phạm Văn Đồng mà còn ứng dụng cho các khu vực chưa có nguồn điện lưới và các tòa nhà có sử dụng nguồn năng lượng lớn trên địa bàn tỉnh như tòa nhà của các khách sạn, bệnh viện, trường học,…

6 Cấu trúc của luận văn

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

Chương 1: Lý thuyết tổng quan về năng lượng mặt trời

Trình bày lý thuyết tổng quan về năng lượng mặt trời, nguyên lý chuyển đổi quang năng thành điện năng, các loại vật liệu sử dụng trong pin năng lượng mặt trời, các yếu

tố ảnh hưởng đến sự phát điện của hệ thống năng lượng mặt trời,

Chương 2: Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Quảng Ngãi, tình hình sử dụng

năng lượng tại toà nhà trường Đại học Phạm Văn Đồng

Giới thiệu khái quát về Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Quảng Ngãi; Nêu Tình hình sử dụng năng lượng tại trường Đại học Phạm Văn Đồng - Quảng Ngãi, tìm hiểu hiện trạng cung cấp và tiêu thụ năng lượng tại trường Đại học Phạm Văn Đồng, đồng thời đo đạc, nắm bắt các số liệu cần thiết từ các thiết bị tiêu thụ năng lượng để phục vụ cho việc thiết kế

Chương 3: Các mô hình sử dụng năng lượng mặt trời

Trình bày các loại mô hình hệ thống năng lượng mặt trời, phân tích ưu điểm và nhược điểm của từng mô hình Từ đó đưa ra lựa chọn mô hình thiết kế cho hệ thống năng lượng mặt trời lắp đặt tại trường Đại học Phạm Văn Đồng

Chương 4: Áp dụng tính toán thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời cấp điện cho

trường Đại học Phạm Văn Đồng

Áp dụng lý thuyết từ chương đã trình bày Sử dụng phần mềm PVsyst tiến hành tính toán, thiết kế hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời tại trường Đại học Phạm Văn Đồng - Quảng Ngãi

Chương 5:Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời, phân tích kết quả Tính

toán chi phí dự án

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Giới thiệu về năng lượng mặt trời

Mặt trời - ngôi sao trong trung tâm Thái dương hệ và là nguồn cung cấp năng lượng, ánh sáng tự nhiên cho Trái đất.Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta.Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta.Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch được xem là vô tận và nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất.Đối với cuộc sống con người, năng lượng mặt trời

là 1 nguồn năng lượng tái tạo quý báu Nguồn năng lượng thay thế này đã và đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm.Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất) Thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao, nhiệt độ bề mặt khoảng 5762 oK Bao gồm 92,1

% Hydro và gần 7,8 % Hêli, 0,1 % là các nguyên tố khác

Mỗi giây, mặt trời phát một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ Tuy nhiên chỉ một phần nhỏ tổng lượng bức xạ đến được trái đất Tuy nhiên phần năng lượng này được xem là vô cùng lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển của Trái Đất Một phần bức xạ mặt trời phản xạ lại về không gian bề mặt các đám mây, 99% bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất

Trái đất chuyển động quanh Mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của nó.Thời gian quay một vòng quanh Mặt trời của Trái đất mất 365 ngày và 1/4 vòng quanh trục của nó.Chuyển động quay quanh Mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động quay quanh trục tạo nên ngày và đêm trên Trái đất.Trục quay của Trái đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đông và mùa hè

Hình 1.1 Bên ngoài mặt trời Khí quyển Trái Đất là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng cách hấp thụ các bức xạ tia cực tím của mặt trời và tạo ra sự thay đổi về nhiệt

độ giữa ngày và đêm Bầu khí quyển không có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ trụ nhưng mật độ không khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao

Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy lượng Ôzôn trong tầng thấp nhất của khí quyển (tầng đối lưu hình 1.2) ngày càng tăng.Nhiệt lượng bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion và electron.Vì thế người ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này (hình 1.2)

Hình 1.2 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển

Càng lên cao khí quyển càng mỏng và không có một ranh giới rõ ràng phân biệt giữa khí quyển của trái đất và không gian Người ta xác định rằng khí quyển chuẩn của

trái đất có độ cao 800km

1.2 Bức xạ mặt trời

Nguồn năng lượng bức xạ của mặt trời chủ yếu là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro (4 hạt Hydro tổng hợp thành 1 hạt Heli và bức xạ ra năng lượng) Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng

Độ dài bước sóng (m)

Hình 1.3 Dải bức xạ điện từ

Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.3), từ tâm Mặt trời đi ra do

sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn.Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ

và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

4

2 0

4

 

là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2 phân ly thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn

so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân tách O3 thành O2 và O xảy ra Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là một quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Hình 1.5 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của

Trái đất

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2 (hình 1.5) Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của

nó quanh Mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,5o (hình 1.6) và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những dao động quan trọng về độ dài ngày

và đêm trong năm

1.3 Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời

Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa phương từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó) Yếu

tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý

Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau:

1.3.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ

Một số khái niệm cơ bản:

- Hệ số khối không khí m: là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức

xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi Mặt trời ở thiên đỉnh) Như vậy m =1 khi Mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh θz là 600 Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosθz Còn đối với các góc θz >700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m =0

- Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán Đây

là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ)

- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự

phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ còn được gọi là bức

Hình 1.6 Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm

23,50

23,5023,50

23,50

Cực Bắc

Cực Bắc Cực Nam 66,50

xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra)

- Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ

trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt)

mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp

- Năng lượng bức xạ (J/m 2 ): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị

diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày)

- Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu

trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ

Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định theo các góc đặc trưng sau (hình 1.7.);

- Góc vĩ độ φ: vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường

xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương: - 900 ≤ φ ≤ 900

Hình 1.7 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng

- Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm

ngang 0 ≤ β ≤ 1800 (β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới)

- Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên

mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông -1800

≤ γ ≤ 1800

- Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của

kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị

150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+)

- Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó

- Góc thiên đỉnh θz: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới

Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ

- Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là

góc phụ của góc thiên đỉnh

- Góc phương vị mặt trời γ s : góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia bức

xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu dương (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây

- Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là

khi Mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương -23,450

≤ δ ≤ 23,450 Góc lệch δ có thể tính toán theo phương trình của Cooper:

Với: n là thứ tự ngày của 1 năm

Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa góc tới θ và các góc khác như sau:

Cos sin sin cos sin cos sin cos cos cos cos cos

cos sin sin cos cos cos sin sin sin

v Cos cos z cos sin z sin cos

(1.7)

Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời θz, giá trị của nó phải nằm trong khoảng 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi Mặt trời ở thiên đỉnh (β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ

(1.8)

1.3.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang

Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được xác định theo phương trình:

Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi Mặt trời mọc đến khi Mặt trời lặn (6h đến 18h), ta sẽ được Eo.ng là năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày:

0 0



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

Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần chính đó

là trực xạ và tán xạ Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì khá phức tạp Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ che phủ của mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều

Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần (hình 1.8.);

- Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời

- Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh tia mặt trời

- Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân trời

Hình 1.8 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán

Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ Rg (còn gọi là albedo - suất phân chiếu) của mặt đất Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ bề mặt tuyết xốp

có Rg = 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời lại bầu trời và lầnlượt bị phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời

Như vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các dòng bức

xạ bao gồm: trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận Er:

EΣ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er (1.14) Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp Vì vậy người ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng hướng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất

là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt Như vậy tổng

xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ Eb.Bb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc β so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ bằng tổng của 3 thành phần:

(1 + cosβ)/2 = Fcs là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời

(1 - cosβ)/2 = Fcg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất

Rg là hệ số phản xạ bức xạ của môi trường xung quanh

Với:

En là cường độ bức xạ mặt trời tới theo phương bất kỳ

Ebng là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt nằm ngang

Ebngh là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng

Cosθ và cosθz được xác định bởi các phương trình (1.15) trên và các góc được biểu diễn trên hình 1.9

Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời gian τ, tính từ lúc mặt trời mọc, τ = 0 đến khi mặt trời lặn τ =τn/2, với τn=24h = 24.3600s như sau:

rad s là tốc độ góc tự xoay của trái đất

En [W/m2] là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy trị trung bình cả năm theo

số liệu số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ cần xét

Hình 1.10 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng

1.4 Các ứng dụng năng lượng mặt trời

Như vậy để việc nghiên cứu sử dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời có tính ứng dụng cao, chúng ta cần phải có thông số đo đạc thống kê đầu vào, từ đó giúp người thiết kế đánh giá hiệu quả kinh tế của hệ thống, xác định kích thước hệ thống và

do đó có thể thiết kế hệ thống sao cho giá thành thấp và hiệu quả tối ưu Các thông 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 đạc thực tế để tính toán thiết bị, để thiết kế thì chúng ta cần số liệu bức xạ ít nhất trong một năm, số liệu trong thời gian càng dài thì việc tính toán càng chính xác Để thiết kế một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời cần

số liệu đo đạc trong một thời gian khá dài Tuy vậy chỉ có rất ít nước phát triển mới đủ khả năng thực hiện việc đo đạc này Hơn nữa càng nhiều số liệu thì khối lượng tính toán càng lớn và đòi hỏi khả năng tính toán cao của máy tính

Công nghệ năng lượng mặt trời có 2 hình thức hoạt động, hoặc thụ động, hoặc chủ động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối năng lượng mặt trời

Kỹ thuật năng lượng mặt trời chủ động bao gồm việc sử dụng các tấm quang điện và năng lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lượng Còn kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động có thể minh họa bằng việc hướng một tòa nhà về phía mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc ánh sáng phân tán và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên trong ngôi nhà đó để khai thác một cách hiệu quả lượng nhiệt thu được từ mặt trời

1.5 Kết luận

Ở chương 1, tác giả đã trình bày các cơ sở lý thuyết về năng lượng mặt trời:

Giới thiệu về cấu tạo của mặt trời; Bức xạ mặt trời; Các bước tính toán năng lượng bức xạ mặt trời Để từ đó làm cơ sở cho việc đo đạc các thong số trong thực tế nhằm tính toán, thiết kế các thiết bị một cách hiệu quả

CHƯƠNG 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:

Quảng Ngãi là một tỉnh nằm sâu trong đới nội chí tuyến với khí hậu nhiệt đới gió mùa, mưa nhiều vào nửa mùa nóng và nửa đầu mùa lạnh Lượng bức xạ lớn (1501,04÷1803,58kWh/m2/năm), số giờ chiếu sáng khoảng 4.500giờ/năm, số giờ nắng

từ 1.800÷2.200giờ/năm; nền nhiệt của tỉnh cao, thường từ 20÷260C; độ ẩm trung bình

cả năm đạt 80÷85%, có thời điểm xuống 55%

+ Chế độ nhiệt: Quảng Ngãi có nền nhiệt độ cao Nhiệt độ thay đổi rõ rệt theo độ cao địa hình, trung bình lên cao 100m, nhiệt độ giảm 0,5-0,6 0C Vùng đồng bằng ven biển, vùng đồi và thung lũng thấp, hải đảo có nhiệt độ trung bình năm 25,5 -26,5 0C, tương đương với tổng nhiệt độ năm 9.300 – 9.700 0C Vùng núi cao dưới 500m có nhiệt độtrung bình năm 23,5-25,5 0C, tổng nhiệt độ năm 8.500-9.300 0C; vùng núi cao trên 500-1.000m có nhiệt độ trung bình năm 21,0-23,5 0C, tổng nhiệt độ năm từ 7.600-8.500 0C Như vậy, các vùng núi cao trên 1.000m, nhiệt độ trung bình năm có thể xuống dưới 210C, tổng nhiệt độ năm có thể dưới 7.600 0C Ở Quảng Ngãi khả năng xảy ra nhiệt độ không khí cao nhất vào tháng 6 ở đồng bằng và vùng núi , tháng 8 ở vùng hải đảo Khả năng nhiệt độ thấp ở vùng đồng bằng là tháng 1 Nhìn chung từ tháng 2 nhiệt độ bắt đầu tăng đến tháng 7, tháng 8, sau đó giảm dần cho đến tháng 1 năm sau

Bảng 2.1- Đặc trưng tổng nhiệt độ trung bình năm ở các khu vực của Quảng

vùng hải đảo có độ ẩm thấp hơn vùng đồng bằng Phân bố không gian của độ ẩm tương đối thể hiện quy luật chung là tăng theo địa hình và độ cao của địa hình Vùng núi phía tây là nơi có độ ẩm coa nhất 90 – 92% Vào giai đoạn đầu và giữa mùa khô, khi phần lớn các nơi khác trong tỉnh độ ẩm giảm dần và xuống dưới 85%, thì ngược lại vùng hải đảo độ ẩm tăng cao đến 90%

Long 84 117 150 163 177 156 173 147 145 108 84 57 1558

Ba Tơ 85 119 152 164 181 157 174 149 147 113 86 57 1582 Châu Ổ 93 117 148 177 199 190 194 164 154 119 79 69 1698 Quảng

Ngãi 91 114 144 181 202 190 192 165 155 122 86 72 1710

Sa Huỳnh 101 121 158 192 205 191 195 166 156 130 91 78 1779

Lý Sơn 102 123 164 192 202 191 197 163 157 128 95 86 1803

Bảng 2.4 - Bức xạ tổng cộng thực tế trung bình ngày tại một số địa điểm trong tỉnh

Quảng Ngãi (kWh/m2/ngày)

Long 2,70 4,20 4,84 5,43 5,71 5,20 5,59 4,73 4,85 3,49 2,79 1,84 4,27

Ba Tơ 2,74 4,24 4,92 5,47 5,86 5,24 5,63 4,80 4,89 3,64 2,87 1,84 4,34 Châu Ổ 3,00 4,20 4,77 5,90 6,42 6,32 6,27 5,29 5,12 3,83 2,64 2,21 4,65 Quảng

Để đánh giá tiềm năng NLMT chúng ta dựa vào các số liệu nhƣ bức xạ mặt trời và

số giờ nắng Từ số liệu bức xạ trung bình ngày của các địa điểm trong tỉnh ta xác định khả năng phát điện của pin mặt trời đƣợc lắp đặt ứng dụng tại các vùng trong tỉnh Kết quả tính toán đƣợc thể hiện trong Bảng 2.5

Theo bản đồ phân bố bức xạ mặt trời và bản đồ phân bố số giờ nắng các vùng trong tỉnh Quảng Ngãi cho thấy các huyện đồng bằng ven biển có trị số cao hơn các huyện miền núi và huyện đảo Lý Sơn có trị số cao nhất tỉnh (4,94 kWh/m2/ngày)

Hình 2.1- Bản đồ phân bố tổng xạ trung bình năm (kcal/cm2/năm)

Hình 2.2- Bản đồ phân bố số giờ nắng trung bình năm của khu vực Quảng Ngãi

Bảng 2.5 - Kết quả tính toán bức xạ mặt trời

TT Địa điểm Bức xạ mặt trời (kWh/m2/ngày)

* Khả năng khai thác NLMT để sản xuất điện

NLMT được sử dụng để cấp điện qua các tấm pin mặt trời Hệ thống điện mặt trời cần diện tích đất lớn không bị che khuất trong suốt thời gian nắng (với dự án lớn bình quân 15.000 m2 /MWp lắp đặt) Khai thác NLMT để phát điện trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi có thể áp dụng các hình thức sau:

 Hệ thống điện mặt trời lắp đặt ở các trụ sở cơ quan, hộ gia đình: đây là hệ thống điện mặt trời nối lưới công suất nhỏ Thường các hệ thống này được tận dụng lắp đặt trên mái nhà của trụ sở và tùy theo khả năng đầu tư của đơn vị mà quy mô hệ thống được xác định, nhằm tiết kiệm năng lượng điện lưới và bảo vệ môi trường

 Nhà máy điện mặt trời nối lưới: Theo số liệu bức xạ mặt trời, trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi các khu vực có tiềm năng bức xạ mặt trời cao là huyện Đức Phổ và huyện đảo Lý Sơn Trong thời gian qua, có rất nhiều nhà đầu tư trong và ngoài nước đến tỉnh Quảng Ngãi khảo sát, xin chủ trương lập dự án đầu tư nhà máy điện năng lượng mặt trời nối lưới Hiện nay, trên địa bàn tỉnh có các Nhà máy năng lượng mặt trời đã được UBND tỉnh Quảng Ngãi cho chủ trương đầu tư và đang triển khai lập dự án : Nhà máy Năng lượng mặt trời Mộ Đức của Công ty Cổ phần Đầu tư Xây dựng Thiên Tân, công suất 19,2 MWp; Nhà máy điện mặt trời Bình Nguyên của Công ty Cổ phần Năng lượng và Công nghệ cao Trường Thành Quảng Ngãi, Công suất lắp đặt 49,608 MWp, công suất phát lên lưới: 40,8 MW; Dự án điện mặt trời Đầm Nước Mặn, công suất 50 MWp; Dự án điện mặt trời tại Đầm An Khê, xã Phổ Khánh, huyện Đức Phổ, công suất 50 MWp của Công ty Cổ phần Systech Đà Nẵng Ngoài ra còn có các dự án đang lập hồ sơ, xin chủ trương đầu tư như: dự án Nhà máy điện mặt trời nối lưới tại xã Phổ Phong, Phổ Khánh, huyện Đức Phổ của Công ty TNHH Phát triển công nghệ hệ thống; Nhà máy điện mặt trời Phổ An huyện Đức Phổ, công suất 150 MWp của Công ty TNHH Kimin Power,…

Từ những tiềm năng đã trình bày ở trên, địa điểm được lựa chọn-Trường Đại học Phạm Văn Đồng có những điều kiện tốt để xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời với mục tiêu giảm thiểu sự phụ thuộc năng lượng vào điện lưới, góp phần phát triển xu hướng sử dụng năng lượng sạch và tái tạo

2.2 Giới thiệu tổng quan, khả năng cung cấp và tiêu thụ điện trường Đại học Phạm Văn Đồng-Quảng Ngãi

2.2.1 Thông tin chung

Hình 2.3 Trụ sở Trường Đại học Phạm Văn Đồng- Quảng Ngãi

Tên đầy đủ:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG Địa chỉ: 509 đường Phan Đình Phùng , thành phố Quảng Ngãi

Trường Đại học Phạm Văn Đồng- Quảng Ngãi nằm tại thành phố Quảng Ngãi, có diện tích gần 30 ha Trường được thành lập vào ngày 20/12/2013 là trường công lập, hoạt động theo mô hình trường công lập, thuộc hệ thống giáo dục quốc dân, là đơn vị

sự nghiệp có thu, trực thuộc UBND tỉnh Quảng Ngãi

Nhân lực: tổng số cán bộ, viên chức, lao động 320 người, trong đó có 258 người trong biên chế (01 Phó giáo sư, 20 tiến sĩ, 155 thạc sĩ)

2.2.2 Sơ đồ tổ chức

Trường hiện có 07 phòng, 09 khoa, 03 trung tâm với hơn 6.670 học sinh, sinh viên, học viên

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

2.2.3 Năng lượng cung cấp và tiêu thụ

Trường Đại học Phạm Văn Đồng- Quảng Ngãi được cấp từ nguồn lưới điện thông qua đường dây 22kV và trạm biến áp gồm 2 máy 560 KVa- 22/0.4kV Trạm biến áp cung cấp cho trường chỉ vận hành một máy trong điều kiện bình thường, máy còn lại nghỉ dùng cho trường hợp dự phòng Nhờ hệ thống tụ, hệ số công suất - cosφ của phụ tải nhà trường được duy trì trên 0.95.Lượng điện năng tiêu thụ trong năm 2017 của Trường Đại học Phạm Văn Đồng- Quảng Ngãi được tổng hợp như bảng 2.6, hình 2.5

và sơ đồ nối điện của nhà trường được thể hiện qua hình 2.6 (Số liệu sản lượng điện năng tiêu thụ trong năm 2017 của Trường do Điện lực thành phố Quảng Ngãi cung cấp)

Bảng 2.6 Bảng tổng hợp sản lượng điện năng trong năm 2017

Tháng Điện năng tiêu thụ (kWh)

Qua biểu đồ ta nhận thấy lượng điện năng tiêu thụ ở mức khá cao với trung bình hàng tháng là 28.681 kWh, hai tháng cao điểm 9 và 10 luôn tiêu thụ trên 35.000 kW

2.3 Hiện trạng sử dụng năng lượng tại trường Đại học Phạm Văn Đồng-Quảng Ngãi

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

Dựa vào các số liệu đo đạc của các khu vực có thiết bị tiêu thụ năng lượng điện và

sử dụng năng lượng điện, ta có bảng tổng hợp công suất và đồ thị phụ tải ngày của toàn Trường như bảng 2.7 và hình 2.7

Bảng 2.7 Bảng tổng hợp công suất (kW) các giờ trong ngàytại Trường(trung

bình), Số liệu đo ngày 4/4/2018

Hình 2.7 Đồ thị phụ tải ngày của Trường

Từ biểu đồ phụ tải tổng ta có các nhận xét sau:

* Biểu đồ phụ tải ngày của Nhà trường có các đỉnh, đỉnh thứ nhất xuất hiện vào khoảng 12 giờ 00 đến 13 giờ, đỉnh thứ hai xuất hiện từ 20 giờ 30 đến 21 giờ Tức trong thời gian sinh viên hết giờ học và về các khu kí túc xá

* Thời gian thấp điểm xuất hiện từ 24 giờ đến 11 giờ sáng hôm sau, vào thời điểm

0 20 40 60 80 100 120

này hầu nhƣ phụ tải ổn định khoảng 15 đến 17 kWh

2.3.2 Hệ thống thiết bị Nhà trường

Các thiết bị và động cơ tiêu thụ điện năng đƣợc liệt kê ở bảng 2.8 đến bảng 2.9

Bảng 2.8 Danh mục các loại đèn chiếu sáng

lƣợng (Cái)

Công suất (W)

Tổng công suất (W)

Thời gian sử dụng trung bình (giờ/ngày)

Tổng điện năng tiêu thụ (Wh)

Công suất (W)

Tổng công suất (W)

Thời gian sử dụng trung bình (giờ/ngày)

Tổng điện năng tiêu thụ (Wh)

1 Máy điều hòa 5Hp(3

pha)

2 Máy điều hòa 2 HP 27 1.500 40.500 4 162.000

3 Máy điều hòa 1,5 HP 4 1.125 4.500 4 18.000

7 Máy lọc nước 2 150 300 8 2.400

9 Máy bơm nươc 3 pha 4 3.000 12.000 4 48.000

cũ Do vậy, việc sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời cho trường là phương án hợp lý trong việc tiết kiệm cũng như giảm tải cho lưới điện kết nối

2.4 Kết luận

Trong chương 2 tác giả đã trình bày được một số đặc điểm địa lý cũng như các thông số khí tượng của tỉnh Quảng Ngãi Qua các thông số khí tượng cho thấy với đặc điểm địa lý có nhiều thuận lợi, số giờ nằng trong ngày cao, độ ẩm thấp, nhiệt độ ít thay đổi trong năm Đồng thời tác giả đã thể hiện được hiện trạng sử dụng năng lượng tại Nhà trường, đo đạc, nắm được các số liệu cần thiết từ các thiết bị tiêu thụ năng lượng tại Trường

Với đặc điểm địa lý là nằm trong khu vực nội chí tuyến với thời gian nắng trong ngày dài, Trường trường Đại học Phạm Văn Đồng-Quảng Ngãi hoàn toàn phù hợp trong việc triển khai các mô hình sử dụng năng lượng mặt trời Đó cũng là bước đi tất yếu nhằm tiết kiệm năng lượng cũng như chủ động hơn trong việc cung cấp năng lượng tại Trường Đại học Phạm Văn Đồng-Quảng Ngãi

CHƯƠNG3 CÁC MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG

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

Mô hình hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng đơn giản nhất là một hệ thống độc lập gồm các tấm pin năng lượng mặt trời PV kết nối với nhau và nối trực tiếp cho các phụ tải dùng điện một chiều DC (hình 3.1 (a)) Trong trường hợp phụ tải điện sử dụng điện năng xoay chiều AC thì đầu ra của hệ thống PV sẽ được nối qua thiết bị biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều AC (Inverter) (hình 3.1 (b))

(a) (b)

Hình 3.1 Hai mô hình sử dụng hệ thống PV độc lập

Nhược điểm của mô hình trên là công suất điện cung cấp cho phụ tải không ổn định và luôn thay đổi theo thời gian trong ngày, đặc biệt vào ban đêm thì phụ tải sẽ không có điện để vận hành Do đó mô hình này chỉ được sử dụng cho các tải có công suất rất nhỏ và chỉ sử dụng trong thời gian có bức xạ mặt trời Mô hình biến đổi độc lập trên hình 3.1 được triển khai cụ thể như hình 3.2

Hình 3.2 Mô hình biến đổi độc lập

PV array: Hệ thống các tấm Pin mặt trời được ghép lại với nhau

PV array Circuit Combiner: Bộ ghép nối

Ground-Fault Protector: Thiết bị bảo vệ chạm đất nguồn một chiều

DC Fused Switch: Cầu dao đóng cắt nguồn một chiều DC

DC/AC Converter: Bộ nghịch lưu, chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều

AC Fused Switch: Cầu dao đóng cắt nguồn xoay chiều AC

Trong trường hợp muốn lưu trữ lại phần điện năng dư thừa sau khi cung cấp cho phụ tải người ta sẽ sử dụng hệ thống lưu trữ điện năng bằng Ắcquy (hình 3.3) Hệ thống lưu trữ này vừa có tác dụng là kho chứa năng lượng vừa là nguồn điều tiết năng lượng cho phụ tải, mô hình này sẽ cho phép tiết kiệm được nguồn năng lượng tự nhiên nhờ được lưu trữ

Hình 3.3 Hệ thống PV độc lập có nguồn lưu trữ

Trong đó:

PV array Switch: Công tắc đóng - ngắt mạch kết nối với các tấm Pin mặt trời Backup Battery Charger Controller: Bộ điều khiển sạc nguồn cho Ắcquy

Battery System: Hệ thống Ắcquy lưu trữ

Critical Load Sub-Panel: Bảng hiện thị giới hạn tải

Khi hệ thống PV có công suất nhỏ hoặc nguồn lưu trữ có công suất nhỏ không đủ

(c)

Mô hình (b)

Load AC (tải AC)

Mô hình (a)