Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời áp mái tại trạm biến áp 500kv pleiku gıa lai

Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời áp mái tại trạm biến áp 500kv pleiku gıa lai Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời áp mái tại trạm biến áp 500kv pleiku gıa lai luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ THANH XUÂN

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI TẠI TRẠM BIẾN ÁP 500KV PLEIKU - GIA LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2020

DUT.LRCC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ THANH XUÂN

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI TẠI TRẠM BIẾN ÁP 500KV PLEIKU - GIA LAI

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Trong luận văn có trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam và một số tổ chức khoa học trên thế giới về thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời áp mái, sử dụng phần mềm

PVsyst chuyên dụng cho thiết kế, tính toán, mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là rất trung thực và chưa từng được ai

công bố bất kỳ trong công trình khác

Tác giả luận văn

Hà Thanh Xuân

DUT.LRCC

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI TẠI TRẠM BIẾN ÁP 500KV PLEIKU – GIA LAI

Học viên: Hà Thanh Xuân Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 85202001- Khóa: K37.KTĐ.KT; Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – ĐHĐN

- Nguồn năng lượng điện mặt trời là một trong những nguồn thay thế, bởi đây là nguồn năng lượng được coi là vô tận, không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống điện mặt trời khá phức tạp, các thông số giữa tính toán thiết kế và trong thực tế có hệ số sai số lớn làm ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của hệ thống, hiệu suất chuyển đổi và tăng chi phí đầu tư … Vì vậy, việc sử dụng phần mềm PVsyts để thiết kế đánh giá hiệu quả kinh tế là một giải pháp nhằm giải quyết các vấn đề đó

Từ khóa: Nguồn năng lượng mới, hệ thống điện mặt trời, thiết kế đánh giá hiệu quả kinh tế

DESIGN AND EVALUATION OF ECONOMIC EFFICIENCY OF THE SOLAR SYSTEM IN ABC NON-SCHOOL - DA NANG CITY

Summary - According to the forecast of electric energy situation in Vietnam of the National

Energy Institute, Vietnam's electricity demand increases by more than 10% / year by 2020 Meanwhile, energy reserves such as coal and oil mines, natural gas are limited, making humanity at risk of shortages Finding and exploiting new energy sources such as wind, solar, geothermal energy

is an important way to develop energy sources

Solar energy sources are one of the alternative sources, because this is an energy source that is considered endless, does not pollute the environment However, the design of solar power system is quite complicated, the parameters between design calculations and in fact have a large error factor affecting the quality and life of the system, conversion efficiency and increasing investment costs Therefore, using PV Syst software to design and evaluate economic efficiency is a solution to solve these problems

Keywords: New energy source, solar power system, design evaluation of economic efficiency

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIÊT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 4

3 Nội dung đề tài 4

CHƯ NG 1 T NG QUAN VỀ NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI 5

1.1 Tổng quan năng lượng tái tạo 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Các dạng năng lượng tái tạo 5

1.2 Năng lượng mặt trời 6

1.2.1 Nguồn năng lượng mặt trời 6

1.2.2 Sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời 12

1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 13

1.3 Hệ thống pin mặt trời 15

1.3.1 Pin mặt trời Solar Cell 15

1.3.2 Hệ thống pin quang điện 19

1.4 Kết luận Chương 1 24

CHƯ NG 2 C SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI 25

2.1 Mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới 25

2.1.1 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ 25

2.1.2 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới không có hệ thống dự trữ 26

2.2 Tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời 28

2.3 Số liệu tính toán hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới tại trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai 30

2.3.1 Địa điểm thiết kế 30

2.3.2 Thông số phụ tải tại trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai 33

2.3.3 Thông số trạm biến áp tự dùng tại trạm biến áp 500kV Pleiku 35

DUT.LRCC

2.3.4 Lựa chọn phương án và công suất của hệ thống điện mặt trời 35

2.4 Kết luận Chương 2 37

CHƯ NG 3 NG DỤNG PHẦN MỀM CHU N DỤNG PVsyst THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI 38

3.1 Giới thiệu về phần mềm PVsyst 38

3.2 Nghiên cứu cài đặt thông số trên phần mềm PVsyst 39

3.2.1 Định vị địa điểm thiết kế để lấy số dữ liệu khí tượng 39

3.2.2 Lựa chọn mô hình 40

3.2.3 Cài đặt định hướng hệ thống pin quang điện 40

3.2.4 Cài đặt công suất lắp đặt của hệ thống pin quang điện trong phần mềm 41

3.2.5 Chọn module pin quang điện 42

3.2.6 Chọn biến tần cho hệ thống điện năng lượng mặt trời 46

3.2.7 Định cỡ hệ thống điện năng lượng mặt trời trong phần mềm PVsyst 52

3.2.8 Các thiết bị phụ trợ khác 54

3.2.9 Thiết bị bảo vệ 55

3.2.10 Công tơ 2 chiều 58

3.2.11 Hệ thống chống sét nối đất, cứu hỏa 59

3.3 Mô phỏng và phân tích kết quả 61

3.3.1 Mô phỏng 61

3.3.2 Phân tích kết quả mô phỏng 64

3.4 Kết luận Chương 3 71

CHƯ NG 4 TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KHI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI TRẠM BIẾN ÁP 500KV PLEIKU 72

4.1 Cơ sở lập mức đầu tư của dự án (Phụ lục kèm theo) 72

4.2 Tính toán kinh tế 72

4.2.1 Chi phí đầu tư và vay vốn 72

4.2.2 Thông số phân tích lợi nhuận 72

4.3 Phân tích hiệu quả đầu tư 74

4.3.1 Phương pháp chung 74

4.3.2 Cơ sở và cách tính toán hiệu quả kinh tế như sau 75

4.4 Phân tích kinh tế của dự án 76

4.4.1 Phân tích hiệu quả kinh tế bằng phần mềm PVsyst, kết quả như sau: 76

4.4.2 Phân tích hiệu quả kinh tế bằng phần mềm file excel, kết quả như sau: 80

4.4.3 Phân tích hiệu quả kinh tế dự án 84

4.4.4 Về kết quả kinh doanh của dự án 86

4.4.5 Kết quả phân tích thời gian thu hồi vốn 93

DUT.LRCC

4.5 Kết luận Chương 4 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu Nội dung

AC Điện áp xoay chiều

DC Điện áp một chiều GHI Tổng xạ theo phương ngang Inverter Bộ biến tần

IFC Tổ chức tài chính thế giới Module PV Mảng pin

ONAN Làm mát dầu và gió tự nhiên

PV Pin năng lượng mặt trời STC Điều kiện tiêu chuẩn

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.1 Số liệu bức xạ các ở các khu vực nước ta 14

1.2 Bảng số liệu về tiềm năng năng lượng mặt trời TBA 500kV

1.3 Kế hoạch phát triển điện mặt trời của Việt Nam đến 2030 14 2.1 Dữ liệu thời tiết tại trạm biến áp 500kV 30 2.2 Năng lượng bức xạ mặt trời tại trạm biến áp 500kV Pleiku 31 2.3 Thiết bị tiêu thụ công suất tại trạm biến áp 500kV Pleiku 33 2.4 Sản lượng sử dụng điện của trạm biến áp 500kV Pleiku 34

3.4 Thông số kỹ thuật đối với Aptomat cấp nguồn từ inverter tới tủ

3.8 Tổn thất bức xạ mặt trời trên bề mặt pin quang điện trong 1 năm 69

3.9 Tổn thất bên trong hệ thống pin quang điện của hệ thống điện

4.1 Tổng hợp mức tăng giá điện trong giai đoạn 2009 - 2019 73 4.2 Kết quả đánh giá kinh tế của hệ thống điện mặt trời 76 4.3 Kết quả phân tích tài chính bằng phần mềm PVsyst 77 4.4 Kết quả phân tích lượng CO2 bằng phần mềm PVsyst 79 4.5 Tổng hợp dự toán công trình bằng phần mềm file excel 80

4.6 Tổng hợp các thành phần dự toán công trình bằng phần mềm file

4.7 Kết quả doanh thu điện mặt trời tại trạm biến áp 500kV Pleiku 85

4.8 Dự toán kết quả sản xuất kinh doanh của dự án bằng phần mềm

4.9 Kết quả dòng tích lũy tài chính bằng phần mềm file excel 90

DUT.LRCC

1.11 Sơ đồ mạch điện tương đương của pin mặt trời 18

1.12 Đường cong đặc tính V-I của hệ thống năng lượng mặt trời và

2.4 Biểu đồ điện năng của hệ thống điện mặt trời nối lưới không có

2.5 Trạm biến áp 500kV Pleiku, huyện Chư Pah, tỉnh Gia Lai 30 2.6 Đồ thị sử dụng điện tự dùng trạm biến áp 500kV Pleiku 34 2.7 Mô hình bố trí lắp đặt các tấm pin và Module 37

3.2 Dữ liệu khí tượng theo tháng tại trạm biến áp 500kV Pleiku –

DUT.LRCC

3.8 Mô hình mạch điện tương đương của pin quang điện 44

3.9 Đặc tính V-A của module pin quang điện SW 325W ở điều kiện

nhiệt độ pin quang điện tiêu chuẩn 25oC 45

3.11 Đặc tính hiệu suất làm việc của biến tần Symo 10.0-3M 51

3.12 Chọn biến tần cho hệ thống năng lượng mặt trời trong phần

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, với nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng, cùng với vấn đề ô nhiễm môi trường, sự cạn kiệt nguồn tài nguyên … thì việc sử dụng các nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo trở nên cấp bách Trong đó, nguồn 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 cũng như ở nước ta, đóng góp một phần đáng kể để giải quyết những vấn đề đã nêu ở trên

a.Tiềm năng và xu hướng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam là một trong số rất nhiều quốc gia có tiềm năng để phát triển năng lượng tái tạo nói chung, năng lượng điện mặt trời nói riêng, đây sẽ là nguồn năng lượng lớn có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện lưới quốc gia, thay thế các nguồn năng lượng truyền thống

Để khai thác tốt các tài nguyên năng lượng sạch và bền vững cũng như hạn chế những bất cập các dạng năng lượng có ảnh hưởng đến môi trường, Chính phủ đã có các quyết định như sau:

- Quyết định số 2068/QĐ-TTg, ngày 25/11/2015 của Thủ tướng Chính phủ, phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo đến năm 2030, có xét tới năm 2050, trong đó đặc biệt chú trọng khai thác sử dụng năng lượng mặt trời

- Quyết định số 428/QĐ-TTg, ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ, phê duyệt điều chỉnh quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 Theo đó đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể lên khoảng 850MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000MW vào năm 2030

Với mục tiêu trên, tính đến hết ngày 31/12/2019 đã có 90 nhà máy điện mặt trời, với tổng công suất khoảng 4.696 MW đã được Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia kiểm tra điều kiện và đóng điện thành công Như vậy đến nay nguồn điện mặt trời

đã chiếm tỷ lệ 8.39% công suất đặt của hệ thống điện Việt Nam

Theo đó, dự kiến, trong năm 2020, tiếp tục đóng điện đưa vào vận hành thêm 28 nhà máy điện mặt trời, với tổng công suất 1.529 MW, nâng tổng số nhà máy điện mặt trời trong toàn hệ thống lên 118 nhà máy

Thực hiện chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Chính phủ, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã chủ trương xây dựng chiến lược phát triển điện mặt trời:

+ Nghị quyết số 145/NQ-HĐTV ngày 24/5/2017 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam về định hướng nghiên cứu phát triển Điện mặt trời trong EVN

DUT.LRCC

+ Văn bản số 2220/EVN-ĐT ngày 2/6/2017 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam về định hướng nghiên cứu phát triển Điện mặt trời trong EVN

+ Văn bản số 2483/EVN-KD thông qua chủ trương lắp đặt điện mặt trời áp mái tại trụ sở các Tổng công ty Điện lực, các Công ty Điện lực và các Điện lực; nhà điều hành các trạm biến áp từ 110kV trở lên của các Tổng công ty Điện lực và Tổng công

ty Truyền tải điện Quốc gia

b Tiềm năng và yêu cầu thực tế về năng lượng mặt trời áp mái trên các trạm biến áp Công ty Truyền tải điện 3 quản lý vận hành

Với mục tiêu triển khai lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời áp mái trên các nhà điều hành của 16 trạm biến áp 220kV – 500kV, với tổng diện tích mái khoảng 7.909m2

chưa sử dụng do Công ty Truyền tải điện 3 quản lý vận hành nhằm tiết kiệm điện tự dùng từ nguồn lưới điện và bán lại cho EVN nếu dư thừa

Trạm biến áp 500kV Pleiku - Gia Lai là một trong những trạm biến áp 500kV trong hệ thống điện Việt Nam Trạm biến áp 500kV Pleiku được thiết kế lắp đặt xây dựng trên diện tích 16 ha tại Thị trấn Phú Hòa - Huyện Chư Pảh – tỉnh Gia Lai, Nhà điều hành Trạm biến áp 500kV Pleiku có quy mô 02 tầng, tổng diện tích xây dựng 1.526m2; có tầng thượng cao, bằng phẳng, diện tích mái 763m2, không bị che chắn bởi cao trình cây cối, thích hợp cho việc lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời áp mái phục

vụ cho quá trình sử dụng điện trong trạm biến áp

c Công nghệ PV và các chính sách khuyến khích phát triển

- Công nghệ PV đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới trong những năm gần đây, giá thành liên tục giảm

- Nguồn năng lượng sạch, giảm phát thải và thân thiện môi trường

- Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/4/2017 của Thủ tướng Chính phủ về

cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam

- Thông tư số 16/2017/TT-BCT ngày 12/9/2017 của Bộ Công Thương quy định

về phát triển dự án và Hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự án điện mặt trời

- Quy định hệ thống điện phân phối ban hành kèm Thông tư số 39/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ Công Thương

Theo đó trong thời gian qua Chính Phủ và các Bộ ngành đã ban hành các Quyết định và Thông tư hướng dẫn, điều chỉnh cụ thể như:

+ Quyết định số 02/2019/QĐ- TTg ngày 08/01/2019 sửa đổi bổ sung một số điều của Quyết định số 11 /2017 QĐ- TTg của Thủ tướng Chính phủ

+ Quyết định số 280/2019/QĐ- TTg ngày 13/3/2019 phê duyệt chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2019-2030 của Thủ

DUT.LRCC

tướng Chính phủ; mục tiêu đến giai đoạn 2025, giảm tổn thất điện năng xuống thấp hơn 6,6% giai đoạn đến 2030, giảm tổn thất điện năng xuống thấp hơn 6%

+ Thông tư số 05/2019/TT-BCT ngày 11/3/2019 của Bộ Công Thương sửa đổi,

bổ sung một số điều của Thông tư số 16/2017/TT-BCT

+ Tập đoàn Điện lực Việt Nam ban hành văn bản số 1532/EVN-KD ngày 27/03/2019 về việc hướng dẫn thực hiện đối với các dự án điện mặt trời trên mái nhà

Với những lý do ở trên cho thấy việc nghiên cứu đề tài “Thiết kế và đánh giá

hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời áp mái tại trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai” là một yêu cầu thiết phục vụ cho nhu cầu điện tự dùng của trạm biến áp 500kV

Pleiku phù hợp với chủ trương tiết kiệm năng lượng của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, đồng thời đáp ứng mục tiêu chiến lược phát triển nguồn điện mặt trời và chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả tại Việt Nam mà Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt

d Ý nghĩa của đề tài

Thông qua nội dung đánh giá và thực hiện chiến lược phát triển năng lượng tái

tạo của Chính phủ, EVN đã chủ trương trong việc phát triển năng lượng mặt trời

Đề tài: “Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời áp mái

tại trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai” với mục tiêu tiết kiệm điện tự dùng cho

trạm biến áp, tạo tiền đề lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái trên nhà điều hành của

các trạm biến áp 220kV – 500kV thuộc Công ty Truyền tải điện 3

e Mục tiêu của đề tài

Thực hiện chiến lược phát triển nguồn năng lượng tái tạo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, các mục tiêu cụ thể bao gồm:

- Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia triển khai chủ trương lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái trên mái nhà điều hành của các trạm biến áp truyền tải 220kV – 500kV nhằm tiết kiệm điện năng tự dùng từ nguồn lưới điện, giảm tổn thất điện năng, giảm tiền mua điện để phục vụ việc quản l vận hành

- Thiết kế, tính toán hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới để phục vụ công tác

quản l vận hành trong trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai (Tổng công suất phục vụ

công tác quản lý vận hành trong trạm biến áp 500kV Pleiku là khoảng 38.000kWh ÷

40.000kWh/tháng; 464.116kWh/năm)

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu để góp phần hoàn thiện nội dung thiết kế, triển khai thực hiện tại 16 trạm biến áp 220kV – 500kV, với tổng diện tích mái 7.909m2chưa sử dụng do Công ty Truyền tải điện 3 quản l vận hành

DUT.LRCC

2 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

a Mục tiêu nghiên cứu

- Thiết kế, tính toán hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới để phục vụ công tác quản l vận hành trong trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai

- Xác định và lựa chọn thiết bị, số lượng và vị trí lắp đặt các thiết bị (Tấm pin mặt trời, inverter, … , lựa chọn các thiết bị Sử dụng phần mềm PVsyst để mô phỏng

sơ đồ và chạy ra được kết quả cần thiết

b Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu

Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời áp mái tại trạm biến

áp 500kV Pleiku – Gia Lai

* Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng phần mềm PVsyst để thiết kế và mô phỏng hệ thống điện mặt trời áp mái tại trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai

c Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các mục tiêu 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 việc của hệ thống pin mặt trời

- Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới trong trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai

- Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời áp mái nối lưới bằng phần mềm PVsyst, tính toán hiệu quả kinh tế

d Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả của đề tài giúp đánh giá tiềm năng về năng lượng mặt trời, các thông số

kỹ thuật của hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới, tính khả thi của hệ thống Từ đó, kết luận tư vấn trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai xây dựng hệ thống điện mặt trời

áp mái nối hệ thống lưới điện sao cho tối ưu nhất

3 Nội dung đề tài

Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và hệ thống điện năng lượng mặt trời

Chương 2: Cơ sở tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời

Chương 3: Ứng dụng phần mềm PVsyst thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

Chương 4: Đánh giá hiệu quả kinh tế

Kết luận và kiến nghị

DUT.LRCC

CHƯ NG 1

T NG QUAN VỀ NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI

Nội dung tổng quát của Chương 1 là giới thiệu nguồn năng lượng tái tạo đang được con người sử dụng, trong đó đặc biệt giới thiệu chi tiết nguồn năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng được nghiên cứu trong luận văn

1.1 Tổng quan năng lượng tái tạo

1.1.2 ác ạng năng lượng tái tạo

1.1.2.1 ăng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện

từ xuất phát từ mặt trời đến Trái Đất Chỉ cần khu vực có ánh sáng mặt trời đều có thể

sử dụng hệ thống điện mặt trời, không phụ thuộc vào độ cao và giới hạn địa lý

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của mặt trời thành điện năng như trong pin mặt trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước mặt trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa mặt trời Ngoài ra năng lượng từ các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang học

Các nguồn năng lượng có sẵn ở khắp mọi nơi và do đó có thể cung cấp điện ở gần

mà không cần vận chuyển đường dài Tránh được tổn thất điện năng gây ra bởi đường dây tải điện và lãng phí nguồn nhân lực và ít tác động đến môi trường

1.1.2.2 ăng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời Năng lượng gió được con người khai thác từ các tua bin gió

1.1.2.3 ăng lượng đ a nhiệt

Địa nhiệt là nguồn năng lượng có sẵn trong lòng đất Cụ thể hơn, nguồn năng

DUT.LRCC

lượng nhiệt này tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt Trái Đất, phần trên cùng của

vỏ Trái Đất Cùng với sự tăng nhiệt độ khi đi sâu vào vỏ Trái Đất, nguồn nhiệt lượng liên tục từ lòng đất này được ước đoán tương đương với một khoảng năng lượng cỡ 42 triệu MW

Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và bền vững So với các dạng năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu

tố thời tiết và khí hậu

1.1.2.4 ăng lượng đại dương

Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều là năng lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong khối nước chuyển động do thủy triều Hoạt động theo sự biến thiên cột nước giữa biển và vùng cửa vịnh

Năng lượng nhiệt đại dương: Có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự như các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả

Năng lượng sóng biển: Đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí

đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa Tùy theo nguyên lý hoạt động mà các thiết bị khai thác sóng biển được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo theo tầng loại khác nhau

1.1.2.5 ăng lượng sinh khối

Sinh khối là một thuật ngữ có nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất có nguồn gốc sinh học vẫn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc

do các thành phần hóa học của nó

Các công nghệ nhiệt hóa: Công nghệ sinh hóa sử dụng các phản ứng lên men sinh khối như lên men rượu, lên men kỵ khí nhờ các chủng loại vi sinh để biến đổi sinh khối ở áp suất và nhiệt độ thấp thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc lỏng ethanol, methanol…

Các công nghệ biến đổi sinh hóa: Ngược lại công nghệ nhiệt hóa sử dụng các quá trình nhiệt độ cao để biến đổi sinh khối nhờ các quá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí hóa, chất lỏng

1.2 Năng lượng mặt trời

1.2 gu n năng lượng mặt trời

1.2.1.1 hái niệm

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao

DUT.LRCC

này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng nhiệt hạch trong mặt trời hết nhiện liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

1.2.1.2 ăng lượng bức ạ mặt trời thành ph n bức ạ

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của bức xạ nằm trong dải 10-1-10 µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ

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:

q = φD_T .C0.(T/100)4 (1.1)

Ở đây: φD_T là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời

φD_T = β2/4 (1.2)

β là góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’

C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

T ≈ 5762 oK – nhiệt độ bề mặt mặt trời xem như vật đen tuyệt đối)

Vậy: q=(

2.3,14.32 360.60 ) 4

2

.5,67 (5762100)4≈1353 W/m2

Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng

thay đổi, do đó q cũng là hằng số mặt trời

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

Hình 1.1 Góc nhìn mặt trời

DUT.LRCC

Khi truyền qua lớp khí quyển bao quanh trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ

và tán xạ bởi tầng ozôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền xuống trái đất

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng không có mây ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2

Hình 1.2 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái đất

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 66,50 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 sự dao động quan trọng về độ dài ngày đêm trong năm

1.2.1.3 Tính toán năng lượng mặt trời

- Cường độ bức xạ mặt trời trên trái đất chủ yếu phụ thuộc hai yếu tố: Góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của 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

- Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau: Eng = Eo(1+0,033cos

, W/m2 (1.3) Trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm

DUT.LRCC

- Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ và bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang:

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

+ 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)

+ Cường độ bức xạ (W/m2 là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích bề mặt

+ ăng lượng bức xạ (J/m2 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 bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian

+ 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 quan hệ về góc mặt trời,

nó không đồng nghĩa với giờ trong 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 như Hình 1.3

Hình 1.3 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng

+ Góc vĩ độ Φ là vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam

đường đường xích đạo trái đất, với hướng bắc là hướng dương

-90o ≤ Ф ≤ 90o

DUT.LRCC

+ Góc nghiêng β là góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm

ngang

0 ≤ β ≤ 90o

+ Góc phương v của bề mặt γ là 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 hướng tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay

về phía đông

-180o≤ γ ≤ 180o

+ Góc giờ ω là 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 15o cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+)

+ Góc tới θ là góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó + Góc thiên đỉnh θz là 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 là góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức

là góc phụ của góc thiên đỉnh

+ Góc phương v mặt trời γ z là góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia bức

xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang

+ Góc lệch δ là 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

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

cosθ = cosθz.cosβ + sinθz.sinβ.cos γ z- γ (1.4)

- Năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ được xác định:

E0.gio=112.3600E0(1+0,033.360n

365) *cos cos (sinω1-sinω2)+ ω1-ω2

180 sin sin + (1.5)

- 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 thành phần chính đó là trực xạ và tán xạ Tán xạ tổng hợp từ 3 thành phần:

+ Thành ph n tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ

vòm trời

+ Thành ph n tán xạ xung quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời

xung quanh tia mặt trời

+ Thành ph n tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân trời

DUT.LRCC

- Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ Rg (còn gọi là albedo – suất phân chiếu) của mặt đất

Hình 1.4 Các thành ph n bức xạ lên bề mặt nghiêng

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 bề mặt khác lân cận Er:

E∑ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er (1.6) 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:

E τ = En.sinφ τ (1.7)

φ τ = ω τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất

ω=2

τn= 2

24.3600 =7,72.10-5 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 đo lường thực tế tại vĩ độ cần xét

1.2.1.4 hai thác năng lượng mặt trời

- Khai thác trực tiếp nhiệt năng từ năng lượng mặt trời:

+ Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

+ Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời

+ Hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời

+ Hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời

+ Động cơ stirling dùng năng lượng mặt trời

+ Thiết bị lạnh dùng năng lượng mặt trời

+ Nhà máy nhiệt điện mặt trời

đẳng hướng

g

DUT.LRCC

- Khai thác trực tiếp điện năng từ năng lượng mặt trời:

+ Sử dụng hệ thống pin quang điện

1.2.2 ản u t điện năng t năng lượng mặt trời

1.2.2.1 Các phương pháp khai thác

Hiện nay việc sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời tập trung chủ yếu vào hai phương pháp sau:

- Điện mặt trời tập trung

Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP-Concentrated Solar Power) sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho một nhà máy nhiệt điện thông thường

- Pin quang điện

Là thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời sang điện năng bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện

1.2.2.2 T nh h nh sản uất điện t pin quang điện các nước trên thế giới

Trong bối cảnh hiện nay, khi các nguồn năng lượng hóa thạch dần cạn kiệt, tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng tăng, ảnh hưởng của biến đổi khí hậu diễn biến ngày càng gay gắt, yêu cầu phát triển năng lượng để đáp ứng nhu cầu thì không hề giảm Trước thực trạng đó, năng lượng tái tạo nói chung và điện mặt trời nói riêng được nhiều nước trên thế giới lựa chọn nghiên cứu đầu tư xây dựng Tiềm năng bức xạ mặt trời khác nhau tại mỗi vị trí cụ thể trên bản đồ thế giới Do vậy, mỗi quốc gia có mỗi chiến lược phát triển khác nhau, nhất là ở các nước phát triển với tiêu chí sử dụng nguồn năng lượng sạch để thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Hình 1.5 iểu đồ thể hiện sự phát triển của điện năng trên thế giới

DUT.LRCC

1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại iệt am

- Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời theo tổ chức NREL ước tính công suất đạt 842.394.205,6 MWh/năm, đứng thứ hạng 66/248 trên thế giới về tiềm năng Vị trí địa lý về nguồn năng lượng tái tạo trải dài từ

vĩ độ 8o27’ Bắc đến 23o23’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao

Bản đồ tiềm năng của hệ thống quang điện tại Việt Nam

Hình 1.6 Bản đồ bức xạ mặt trời các vùng ở Việt Nam

- Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam Trung bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5 kWh/m2/ngày

Trạm biến áp 500kV Pleiku – Gia Lai

DUT.LRCC

ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, và vào khoảng 4 kWh/m2

/ngày ở các tỉnh miền Bắc Từ dưới vĩ tuyến 17 trở vào phía nam, bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất

ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa

Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500 ÷ 1700 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000 - 2600 giờ mỗi năm

Bảng 1.1 ố liệu bức ạ các ở các khu vực nước ta

Vùng Giờ nắng trong

năm (giờ

Cường độ ứ xạ (kWh/m2, ngày) ng dụng

Bảng 1.2 Bảng số liệu về tiềm năng năng lượng mặt trời TBA 500kV Pleiku

Địa danh Tọa độ Số giờ năng

trong năm (h)

Bức xạ bình quân năm (kWh/m2, ngày)

Bảng 1.3 Kế hoạch phát triển điện mặt trời của Việt am đến 2030

NĂM Đơn vị 2017 2020 2025 2030 Công suất

Không

DUT.LRCC

Với mục tiêu trên, tính đến hết ngày 31/12/2019 đã có 90 nhà máy điện mặt trời, với tổng công suất khoảng 4.696 MW đã được đóng điện thành công Như vậy nguồn điện mặt trời đã chiếm tỷ lệ 8.39% công suất đặt của hệ thống điện Việt Nam

Theo đó, dự kiến, trong năm 2020, tiếp tục đóng điện đưa vào vận hành thêm 28 nhà máy điện mặt trời, với tổng công suất 1.529 MW, nâng tổng số nhà máy điện mặt trời trong toàn hệ thống lên 118 nhà máy

1.3 Hệ thống pin mặt trời

1.3 Pin mặt trời (Solar Cell)

1.3.1.1 Cấu tạo ph n loại

Cấu tạo pin mặt trời: Gồm hai thành phần chính là lớp bán dẫn và điện cực kim loại, giữa lớp bán dẫn P-N gọi là lớp tiếp xúc nơi di chuyển các điện tích tự do Chúng được liên kết thành từng lớp mỏng xếp chồng lên nhau và còn được gọi là tế bào quang điện Photovoltaic cells

Hình 1.7 Cấu tạo của pin mặt trời

Ph n loại: Vật liệu chủ yếu chế tạo pin năng lượng mặt trời đều là silic dạng tinh

thể Chia thành 3 loại như sau:

+ Pin năng lượng mặt trời mono đơn tinh thể hay còn gọi là Monocrystalline Chúng được cắt từ các thỏi silic hình ống, các tấm đơn tinh thể này có các mặt trống ở góc nối các module Một tinh thể hay tinh thể đơn module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đó là quy trình điều chế silic đơn tinh thể Silic là một nguyên liệu quan trọng trong việc chế tạo các vi mạch bán dẫn Đơn tinh thể loại này có hiệu suất cao nên chúng thường rất đắt tiền

+ Pin năng lượng mặt trời poly đa tinh thể hay còn gọi là polycrystalline Loại

DUT.LRCC

Poly được làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy, được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn

+ Pin năng lượng mặt trời dạng phim mỏng hay còn gọi là thin film Là dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất Tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần

phải cắt từ thỏi silicon

1.3.1.2 gu ên lý hoạt động

iệu ứng quang điện trong là hiện tượng khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời,

điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon h và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một hiệu điện thế

V ng hóa tr là vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái

cân bằng, mà mặt trên của nó có mức năng lượng là Ev

V ng d n là vùng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ chiếm một phần, mặt

dưới của vùng năng lượng là Ec

để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, k hiệu là h+

Lỗ trống di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:

Ev +h → e- + h+ (1.8) Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử – lỗ trống là hv = ≥ Eg = Ec - Ev Suy ra bước sóng

DUT.LRCC

tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e

- h+ :

λc= hc

Ec-Ev =hc

Eg= 1,24Eg [µm] (1.9) Các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng Ec, còn lỗ trống sẽ chuyển đến mặt Ev, chu kỳ phục hồi là

10-12 → 10-1 giây

Hình 1.9 gu ên lý hoạt động của pin mặt trời

1.3.1.3 Tấm pin mặt trời (Solar Module)

Được cấu tạo từ các pin mặt trời hay còn gọi là tế bào quang điện và một số phụ kiện đi kèm Mục đích để phù hợp với điều kiện về dòng điện và điện áp định mức của thiết bị đầu ra của nguồn, điều kiện môi trường và một số tiêu chuẩn kỹ thuật khác

Hình 1.10 Cấu tạo của tấm pin mặt trời

DUT.LRCC

1.3.1.4 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

- Mạch điện tương đương

Với mạch điện tương đương của pin mặt trời Trong đó dòng I tại đầu ra bằng với dòng ánh sáng sinh ra IL trừ đi tổng của dòng diode ID và dòng rò shunt ISH Điện trở nối tiếp RS biểu diễn cho điện trở nội của dòng điện chạy qua và phụ thuộc vào chiều dày lớp tiếp giáp p-n, tạp chất và điện trở tiếp xúc

Ở pin PV l tưởng, RS=0 (không hao phí) và RSH =  (không có rò nối đất) Ở loại chất lượng cao 1 inch2, pin silicon, RS thay đổi từ 0.05 đến 0.10Ω và RSH từ 200 đến 300 Ω

Hiệu quả của bộ biến đổi PV có độ nhạy nhỏ ở RS, nhưng không nhạy ở RSH Sự tăng nhỏ của RS có thể làm giảm đáng kể đầu ra PV.[7]

Hình 1.11 ơ đồ mạch điện tương đương của pin mặt trời

Ở mạch tương đương, dòng chuyển đến tải bằng dòng IL phát ra bởi cường độ chiếu sáng, nhỏ hơn dòng diode ID và dòng rò shunt ISH Điện áp hở mạch của pin được tạo thành khi dòng tải bằng 0 và có công thức cho sau đây:

VOC=V+IRSH (1.10) Dòng tải có thể biểu diễn: I= IL- ID[eQVOC K.T-1] - VOC

RSH (1.11) Trong đó:

ID là dòng diode bão hòa

Q =1,6.10-19C là điện tích electron

là hằng số đường cong thực nghiệm

k=1,38.10-23J/K là hằng số Boltzmann

T là nhiệt độ tuyệt đối K

- Điểm làm việc MPP Maximum Power Point)

Nhiệt độ không gian xung quanh và cường độ chiếu sáng thường xuyên thay đổi Điều đó có nghĩa là đặc tuyến PV thường xuyên thay đổi và điểm làm việc cho tải bất

kỳ cũng thay đổi nhà sản xuất cung cấp đường cong I-V cho mỗi PV

Hầu hết các đặc tuyến PV thì cường độ dòng điện Isc luôn luôn tỉ lệ độ chiếu

DUT.LRCC

nắng Nghĩa là khi cường độ bức xạ thay đổi thì dòng Isc cũng thay đổi theo tỉ lệ

(1.12) Trong đó:

+ Isc : Dòng ngắn mạch ứng với cường độ bức xạ trên tấm pin tại thời điểm xét + Isc-max : Dòng ngắn mạch ứng với cường độ bức xạ cực đại 1000W/m2)

+ Insolation: Cường độ bức xạ trên tấm pin tại thời điểm xét

+ Insolationmax: Cường độ bức xạ cực đại

Thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại hiện nay có hai phương pháp chính là thuật toán nhiễu loạn, quan sát P O Perturbance Observation và thuật toán điện dẫn gia tăng INC Incremental Conductance) Thuật toán INC có ưu điểm hơn thuật toán P&O chẳng hạn như: dao động quanh điểm công suất cực đại hẹp và ít hơn thuật toán P&O; giảm thiểu được hao tổn công suất phát do dao động quanh điểm công suất cực đại ít hơn thuật toán P&O Vì vậy, việc áp dụng thuật toán INC trong điều khiển MPPT sẽ cho hiệu quả tốt hơn thuật toán P&O

Hình 1.12 Đường cong đặc tính V- của hệ thống năng lượng mặt trời và P mp -V mp của

thiết b PPT

1.3.2 ệ thống pin quang điện

1.3.2.1 Thành ph n chính của hệ thống

- Mảng pin mặt trời Array Solar Panels)

+ Là hệ thống gồm các tấm pin mặt trời được nối tiếp hoặc nối song song tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật ở phía đầu ra

+ Công thức tính toán tuân theo định luật m

ạch nối tiếp: Int=I1=I2=…=In (1.13)

Unt= ∑n Uk

k=1 (1.14) Một chuỗi bao gồm các Modules nối tiếp với nhau Điện áp của chuỗi bằng tổng

DUT.LRCC

điện áp của các modules và dòng điện của chuỗi chính là dòng điện nhỏ nhất trong các Module của chuỗi

Hình 1.13 Các Modules giống nhau mắc nối tiếp

ạch song song: Iss= ∑n Ik

k=1 (1.15)

Uss=U1=U2=…=Un (1.16)

Hình 1.14 Các Modules giống nhau mắc song song

Một mảng bao gồm các modules kết hợp nối tiếp và song song để tạo ra dòng điện và điện áp ra phù hợp với yêu cầu của ứng dụng Các modules được nối với nhau tạo thành một chuỗi và các chuỗi nối song song với nhau tạo thành một mảng

DUT.LRCC

Hình 1.15 Các Modules nối thành mảng

+ Chức năng: Cung cấp điện áp và công suất phù hợp cho bộ chuyển đổi DC-DC hoặc DC- C để làm việc đúng với đặc tính kỹ thuật

- Bộ chuyển đổi DC –DC (Converter)

+ Là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều để có điện áp phù hợp cung cấp cho tải một chiều hoặc nạp vào bộ trữ điện

+ Nguyên l cấu tạo: điều khiển bằng xung đến các IGBT, MOSFET hoặc linh kiện bán dẫn có chức năng tương tự thông qua các PIC vi xử l để cung cấp điện áp và dòng điện đầu ra phù hợp

- Bộ trữ điện BESS Battery Energy Storage System

+ Là thiết bị lưu trữ điện năng để cung cấp cho tải khi cần thiết hoặc dự trữ một

phần điện năng dư thừa tức thời

+ Cấu tạo: Gồm có các ắc-quy được nối tiếp hoặc nối song song tùy thuộc vào

đặc tính làm việc tải phía đầu ra và nguồn nạp đầu vào

Hình 1.16 Sơ đồ ngu ên lý của bộ chu ển đổi C- C nạp ac-quy

DUT.LRCC

- Bộ biến tần Inverter

Hình 1.17 ơ đồ ngu ên lý của bộ biến t n 3 pha hệ thống mặt trời nối lưới

+ Biến tần là thiết bị biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều

+Nguyên l cấu tạo: Điều khiển đóng mở, thay đổi độ rộng xung đến các

MOSFET, IGBT hoặc các linh kiện bán dẫn có chức năng tương tự thông qua các PIC

vi xử l và được điều chỉnh điện áp phù hợp với tải Biến tần pin quang điện còn có tích hợp bộ MPPT

1.3.2.2 Các dạng hệ thống điện mặt trời

- Hệ thống điện mặt trời độc lập (off-grid)

Một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập được sử dụng để thay thế hoặc bổ sung cho các nguồn năng lượng truyền thống Hệ thống này thường được sử dụng ở nhưng nơi vùng sâu, vùng xa nơi mà không có điện lưới Hệ thống độc lập sử dụng năng lượng mặt trời có thể cung cấp trực tiếp cho các tải một chiều DC, hoặc tải xoay chiều AC thông qua bộ chuyển đổi (inverter), hoặc hệ thống có thể sử dụng thêm bộ

dự trữ để tích lũy sử dụng trong những thời điểm không có mặt trời hoặc lúc điện năng

dư thừa Hệ thống này có thể chỉ bao gồm một PV module, bộ lưu điện, bộ biến đổi điện áp 1 chiều và biến tần; nhưng cũng có thể là một hệ thống có công suất lớn phối hợp với thiết bị điều khiển và các nguồn phát dự phòng(diesel)

- Hệ thống điện mặt trời có kết lưới (on-grid)

Khác với hệ thống cô lập là được thiết kế để thay thế cho nguồn điện lưới, hệ thống kết lưới thường được sử dụng trong những nơi luôn có sẵn lưới hệ thống nhưng thay vì sử dụng các hệ thống lưu trữ để tích lũy năng lượng dư thừa từ mặt trời, thì lượng thừa này sẽ bán ngược về lưới Nói một cách khác, lưới điện có thể coi như là một bộ dự trữ lớn, khi công suất dư thừa có thể truyền ngược về cho lưới Một ưu điểm lớn của việc này đó là hệ thống này có thể không đủ lớn để cung cấp cho tải như trong hệ thống cô lập Phụ tải lúc này có thể được cung cấp từ hệ thống năng lượng mặt trời, hoặc lưới, hoặc cả hai; điều này có nghĩa là hệ thống này có thể lớn hoặc nhỏ tùy theo nhu cầu Thông thường hệ thống này bao gồm hệ thống pin mặt trời, bộ

DUT.LRCC

chuyển đổi và các thiết bị đo lường Ngoài ra, còn có một số thành phần như cáp, hộp ghép nối, thiết bị bảo vệ, thiết bị chống sét

Trong hệ thống năng lượng mặt trời có kết lưới, người ta còn chia ra thành 2 loại:

hệ thống năng lượng mặt trời tập trung và hệ thống năng lượng mặt trời phân tán

- Hệ thống điện mặt trời tập trung có kết lưới

Hệ thống điện truyền thống bao gồm các nhà máy điện lớn như thủy điện, nhiệt điện, … cung cấp cho tải thông qua các đường dây truyền tải và hệ thống phân phối Công suất được truyền từ các nhà máy điện cung cấp cho tải thông qua các đường dây truyền tải và phân phối Tương tự, hệ thống nhà máy điện mặt trời cũng hoạt động như vậy, tức là công suất từ các nhà máy này cũng được truyền tải qua các đường dây đến

hộ tiêu thụ Hệ thống này có thể nhỏ khoảng 50kWp cho đến lớn khoảng 60MWp Ngoài ra, còn có những nhà máy lớn hơn 1GWp có thể hoàn thành trong tương lai

- Hệ thống điện mặt trời phân tán

Hệ thống này thường được chia thành 2 loại: thương mại và khu dân cư

Hệ thống thương mại thường lớn hơn 10kWp được bố trí trên các tòa nhà thương mại, nhà máy, xí nghiệp, trung tâm mua sắm, văn phòng…Điện năng được tạo ra bởi

hệ thống này chủ yếu là đáp ứng nhu cầu của tải trong tòa nhà, vì thế không có bán năng lượng dư thừa về cho lưới

Hệ thống dành cho khu dân cư thường nhỏ hơn thương mại, khoảng từ 1 đến 5kWp Điện năng được tạo ra cung cấp cho các hoạt động trong nhà nếu có dư thừa sẽ chuyển về cho lưới để cung cấp cho nhà kế bên

- Nhược điểm của năng lượng mặt trời

Hệ thống điện mặt trời chiếm diện tích tương đối lớn Bởi vì ánh sáng mặt trời chiếu sáng từ vũ trụ tới trái đất, đi qua bầu khí quyển, năng lượng sẽ giảm làm cho diện tích đất chiếm của hệ thống điện mặt trời có thể rất lớn Diện tích đất chiếm của mỗi công suất điện mặt trời 10kW ước cần 50-60 m2, công suất phát điện trên diện tích 1.0 m2-1.2 m2 là khoảng 200W

Điện mặt trời chỉ có thể sử dụng vào ban ngày Do đó, nói chung hiệu quả phát điện tương đối thấp, sự phụ thuộc vào khu vực khá mạnh Vị trí địa lý khác nhau và khí hậu khác nhau, làm cho nguồn ánh sáng mặt trời ở tất cả các vùng khác nhau rất lớn Hệ thống điện mặt trời chỉ được sử dụng trong các khu vực giàu năng lượng mặt trời thì hiệu quả của nó mới có thể tốt

Hệ thống điện mặt trời tương đối thích hợp cho những nơi có số giờ nắng trung bình năm lớn Ví dụ ở khu vực miền Trung, miền Nam của Việt Nam

DUT.LRCC

1.4 Kết luận Chương 1

Trong chương 1 đã giới thiệu về năng lượng tái tạo và năng lượng mặt trời, cấu tạo hệ thống pin mặt trời, 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 tối ưu của hệ thống

DUT.LRCC

CHƯ NG 2

C SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

ĐIỆN NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI

2.1 Mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới

2 ơ đ hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ

2.1.1.1 Cấu tạo

Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới có dự trữ cấu tạo gồm các phần tử chính sau:

- Hệ thống pin mặt trời: Gồm các tấm pin mặt trời được ghép song song và nối

tiếp với nhau tùy yêu cầu của hệ thống năng lượng mặt trời

- Tủ đấu nối DC: Gồm các thiết bị đóng cắt, cầu chì bảo vệ, thiết bị đo đếm nguồn

điện một chiều

- Hệ thống biến tần: Gồm một hay nhiều biến tần quang điện

- Tủ đấu nối AC: Gồm các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, thiết bị đo đếm nguồn điện

xoay chiều

- Tủ phân phối điện chính: Gồm các thiết bị đo lường, giám sát và điều khiển hệ

thống

- Hệ thống biến tần-sạc: Gồm một hoặc nhiều biến tần hoạt động hai chiều

- Hệ thống acquy: Gồm nhiều acquy kết nối song song và nối tiếp với nhau tùy

yêu cầu của hệ thống

Hình 2.1 ơ đồ mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời có hệ thống dự trữ làm việc theo thuật toán tối ưu kinh tế và kỹ thuật, sao cho chi phí vận hành là thấp nhất và đảm bảo tuổi thọ hệ thống cao nhất có thể

DUT.LRCC

Hình 2.2 Biểu đồ điện năng hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ

- Ban ngày

+ Tải sử dụng điện năng từ hệ thống điện mặt trời (phần màu hồng)

+ Lượng điện năng mặt trời dư thừa được sạc vào hệ thống lưu trữ hoặc đưa lên lưới điện (phần màu xanh lá cây)

+ Điện năng mặt trời thiếu, tải lấy thêm từ hệ thống lưu trữ (phần màu cam)

- Ban đêm:

- Tải sử dụng điện năng từ hệ thống lưu trữ (phần màu cam)

- Nếu hệ thống lưu trữ cạn kiệt, tải lấy điện năng từ lưới (phần màu đỏ)

2.1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ

Phụ tải được cung cấp điện năng

liên tục, ổn định hơn so với hệ thống

không có dự trữ

Hệ thống có thể cung cấp điện

khi lưới điện mất điện

Hệ thống làm việc kinh tế hơn so

Hình 2.3 ơ đồ mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới không có dự trữ

Hình 2.4 Biểu đồ điện năng của hệ thống điện mặt trời nối lưới không có dự trữ

+ Tải sử dụng điện năng từ hệ thống điện mặt trời (phần màu hồng)

+ Lượng điện năng mặt trời dư thừa sẽ được đưa lên lưới điện (phần màu xanh lá cây)

+ Điện năng mặt trời thiếu, tải lấy thêm điện năng từ lưới (phần màu đỏ)

Ban đêm:

+ Không có mặt trời, tải sử dụng điện năng lấy từ lưới điện (phần màu đỏ)

DUT.LRCC

2.1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điện mặt trời nối lưới không có hệ thống dự trữ

Hệ thống đơn giản nên vận hành ổn định

và tin cậy Tổn thất điện năng thấp hơn so

với hệ thống có dự trữ

Chi phí đầu tư thấp hơn hệ thống có dự

trữ

Hệ thống không có dự trữ nên không đảm bảo tính cấp điện liên tục khi lưới điện mất điện

2.2 Tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời

Để thiết kế một hệ thống điện mặt trời bao gồm nhiều bước, từ tính toán lựa chọn công suất hệ thống pin mặt trời (bộ pin, lựa chọn bộ điều khiển nếu có hệ thống dự trữ , inverter,… đến việc tính toán lắp đặt các hệ giá đỡ pin mặt trời, hệ định hướng đặt pin mặt trời theo vị trí mặt trời tracking , nhà xưởng đặt thiết bị,…Trong phần này, đề tài chỉ trình bày những bước cơ bản nhất trong việc thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới

- Bước 1: Tính phụ tải điện theo yêu cầu:

Giả sử cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có công suất tương ứng P1, P2, P3,…

và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1, t2, t3,…

Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải:

Eng=P1.t1+P2.t2+P3.t3+…= ∑ Pki=1 i.ti (2.1)

Từ Eng nếu nhân với số ngày trong tháng hoặc trong năm ta sẽ tính được nhu cầu điện năng trong các tháng hoặc cả năm

- Bước 2: Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ec:

Việc tính chọn điện năng sản xuất của hệ thống Ec trong 1 ngày trung bình của hệ thống nối lưới là tùy thuộc vào nhu cầu của nhà đầu tư mong muốn, diện tích giới hạn

để lắp dàn pin và điều kiện ràng buộc của hệ thống lưới đấu nối

- Bước 3: Tính công suất của dàn pin mặt trời:

Công suất của dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại đạt được, đó chính là công suất của dàn pin trong điều kiện chuẩn STC (Standard Test

Eβ [Wh/m2 cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang, giá trị này đo được thực tế tại điểm đặt hệ thống PV

DUT.LRCC

m là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T được tính như sau:

m=1+Pc(T-T0) (2.3) Với :

T là nhiệt độ làm việc thường xuyên của tấm pin

P c là hệ số nhiệt độ của pin mặt trời

- Bước 4: Tính số module mắc song song và nối tiếp:

Các giá trị đặc trưng cơ bản của module:

+ U làm việc tối ưu: Vm

+ I làm việc tối ưu : Im

+ Công suất đỉnh : Pm

Số module cần dùng trong hệ thống: N= P WP

Pm (2.4) Với N=NS.NP

Số module mắc nối tiếp: NS= V

Vm (2.5) + Trong đó V: điện áp yêu cầu của hệ thống pin mặt trời

Số module mắc song song: NP= NN

S (2.6)

- Bước 5: Tính dung lượng của hệ thống acquy chỉ sử dụng trong hệ thống điện

năng lượng mặt trời có dự trữ

Dung lượng của hệ thống acquy được tính theo công thức:

C= Eout D

VX bDOS (2.7) Trong đó:

D: số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng)

b: hiệu suất nạp phóng điện của acquy

DOS: độ sâu phóng điện thích hợp (khoảng 0,6 - 0,7)

Vx: điện áp của bộ acquy được chọn theo điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu đã

chọn

- Bước 6: Chọn hệ thống biến đổi nguồn điện

Đối với hệ thống điện năng lượng mặt trời có dự trữ: Việc chọn hệ thống biến

tần/sạc phải tải đủ công suất để nạp/xả của hệ thống acquy, chọn hệ thống biến tần

quang điện phải tải đủ công suất của hệ thống pin

Đối với hệ thống điện năng lượng mặt trời không có dự trữ: Việc chọn hệ thống

biến tần quang điện phải tải đủ dòng công suất từ hệ thống pin mặt trời

Khi chọn hệ thống biến đổi nguồn điện DC- C thì cần phải có điều kiện ràng

buộc để đấu nối hệ thống lưới điện như công suất, điện áp, tần số, hệ số công suất, thời

DUT.LRCC