Thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới tại công ty TCIE đà nẵng (tt)

Mục tiêu nghiên cứu: Việc đề xuất xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời phục vụ sản xuất với các mục tiêu sau: - Giảm trừ điện năng tiêu thụ từ lưới điện xuống, tự chủ một phần nguồn nă

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ TRƯỜNG GIANG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

TẠI CÔNG TY TCIE ĐÀ NẴNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Phan Đình Chung

Phản biện 1: GS.TS Lê Kim Hùng

Phản biện 2: TS Vũ Phan Huấn

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

ngày 20 tháng 3 năm 2021

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm học liệu và truyền thông tại Trường Đại học Bách khoa –

Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong tương lai, năng lượng mặt trời sẽ là một xu thế mới, đó

là dạng năng lượng sạch, có sẵn trong tự nhiên với mật độ tập trung cao Do vậy năng lượng mặt trời đã và ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới Hiện nay, ở Việt Nam, nguồn cung cấp điện chưa phát triển kịp theo tốc độ phát triển của phụ tải Hơn nữa, nhà nước đang khuyến khích việc huy động các nguồn năng năng lượng tái tạo (năng lượng gió và mặt trời…) không chỉ ở phương diện nguồn cung cấp mà còn ở phương diện ở hộ tiêu thụ

Theo kế hoạch, trong năm 2019, nhà máy sẽ nâng cấp và mở rộng quy mô của xưởng thân xe để sản xuất dòng xe mới phục vụ thị trường Do vậy, công suất và sản lượng điện năng tiêu thụ của nhà máy sẽ còn cao hơn nữa khi việc mở rộng xưởng thân xe hoàn thành Theo dự kiến, công suất của toàn nhà máy sẽ đạt trên 5 MW và sản lượng điện tiêu thụ mỗi tháng có thể đạt đến hơn 500 MWh Như vậy, việc cải tạo bổ sung nguồn cung cấp điện cho nhà máy để đáp ứng nhu cầu trên là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Việc đề xuất xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời phục vụ sản xuất với các mục tiêu sau:

- Giảm trừ điện năng tiêu thụ từ lưới điện xuống, tự chủ một phần nguồn năng lượng

- Cắt giảm chi phí tiêu thụ điện năng từ lưới, giảm chi phí đầu vào

- Làm tiền đề để thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo trong khu vực

- Nâng cao hình ảnh của nhà máy hiện đại, chuyên nghiệp, thân thiện với môi trường

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng: nguồn điện cung cấp cho nhà máy TCIE thành phố

Đà Nẵng

Phạm vi: hệ thống điện mặt trời

4 Phương pháp nghiên cứu:

Khảo sát vị trí địa lý, cơ sở vật chất, nhu cầu điện năng của nhà máy

Tính toán, thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới

Sử dụng phần mêm PVSYST để mô phỏng sản lượng và hiệu quả kinh tế của hệ thống

5 Ý nghĩa khoa học, tính thực tiễn và phương hướng phát triển:

Ý nghĩa khoa học: đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời

trong khu vực và các thông số cần thiết của hệ thống điện mặt trời

Tính thực tiễn: tận dụng nguồn năng lượng tái tạo, đảm bảo đủ

nguồn cung cấp cho nhà máy trong giai đoạn mở rộng sản xuất và

giảm chi phí điện năng tiêu thụ

Phương hướng phát triển:mục tiêu tương lai sẽ tiến tới tận

dụng triệt để nguồn bức xạ mặt trời cụ thể là tận dụng nhiệt năng để cung cấp cho hệ thống các lò đun, lò sấy trong nhà máy, giảm thiểu việc thu nhiệt từ khí ga để đảm bảo an toàn trong sản xuất, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường

6 Cấu trúc của luận văn:

Mở đầu

Chương 1: Nhu cầu điện năng và tiềm năng năng lượng tái tạo tại nhà máy sản xuất ô tô TCIE Đà Nẵng

Chương 2: Tính toán hệ thống năng lượng mặt trời

Chương 3: Đề xuất giải pháp kết nối

CHƯƠNG 1 NHU CẦU ĐIỆN NĂNG VÀ TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG TÁI

TẠO TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT Ô TÔ TCIE ĐÀ NẴNG

1.1 Giới thiệu nhà máy

1.1.1 Bộ máy tổ chức

1.1.2 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất

1.1.3 Mặt bằng sản xuất

Tòa nhà văn phòng: 1200 𝑚2 Xưởng lắp ráp: 5800 𝑚2

Xưởng Logicstic: 3200 𝑚2 Xưởng kiểm tra: 560 𝑚2

Xưởng thân xe: 5900 𝑚2 Đường thử: 1000 m

Xưởng sơn: 6400 𝑚2 Bãi chứa xe:15400 𝑚2

1.2 Nhu cầu điện năng của nhà máy

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống điện của nhà máy

Hình 1.4 Sản lượng điện tiêu thụ của nhà máy

200 kW

1.3 Tiềm năng năng lượng tái tạo tại nhà máy:

1.3.1 Đề xuất các phương án bổ sung nguồn cung cấp điện cho nhà máy

a Sử dụng máy biến áp:

b Sử dụng hệ thống năng lượng gió:

c Sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời:

1.3.2 Tiềm năng năng lượng tái tạo tại nhà máy

a Tiềm năng năng lượng mặt trời:

Tại khu vực thành phố Đà Nẵng thời gian nắng nhiều nhất vào các tháng giữa năm với khoảng 8 – 10h.ngày, với lượng cường độ bức xạ trung bình trên 2,46 kWh.m2.ngày (có ngày đạt 5,98 kWh.m2.ngày) Do đó, tiềm năng về năng lượng mặt trời ở Đà Nẵng rất lớn

Hình 1.10 Biểu đồ cường độ bức xạ mặt trời tại công ty TCIE

b Tiềm năng năng lượng gió:

1.3.3 Lựa chọn phương án thực hiện

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI

LƯỚI TẠI CÔNG TY

2.1 Tính toán hệ thống điện mặt trời

2.1.1 Mặt bằng hệ thống

2.1.2 Sơ đồ nguyên lý mô tả hệ thống

Sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời độc lập không kết nối lưới:

là hệ thống điện mặt trời được sử dụng để cung cấp điện năng cho các thiết bị điện độc lập, không sử dụng điện từ lưới

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập không kết nối lưới

Sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp bù lưới: là hệ

thống điện mặt trời có kết hợp thêm bộ bù điện năng từ lưới khi điện năng từ các tấm pin sản sinh yếu

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập có bù điện lưới

2.1.3 Cấu trúc hệ thống

a Modules tấm pin năng lượng mặt trời:

Tấm pin mặt trời đơn tinh thể (Mono – SI)

Tấm pin mặt trời đa tinh thể (Poly –SI)

Tấm pin dạng màng mỏng (Thin film)

Tấm pin mặt trời dạng tinh thể cô đặc (CVP và HCVP)

Căn cứ theo quyết định 11/QĐ – TTg của thủ tướng chính phủ

về cơ chế hỗ trợ phát triển hệ thống điện mặt trời thì hiêu suất của module pin phải đạt hiệu suất 15% trở lên và thông qua đặc điểm của từng loại tấm pin, đề xuất sử dụng loại tấm pin đa tinh thể do giá thành thấp, hiệu suất đạt yêu cầu, vị trí lắp đặt rộng rãi, quang đãng

b Bộ chuyển đổi điện (Inverter):

Cơ sở để lựa chọn inverter cho hệ thống:

- Công suất lớn nhất của dãy tấm pin năng lượng mặt trời

- Giải điện áp làm việc của inverter

- Hiệu suất của inverter

Có 3 loại cấu trúc biến tần phổ biến thường được sử dụng cho

hệ thống điện mặt trời qui mô vừa và lớn:

Biến tần chuỗi (string inverter):

Biến tần tập trung (central inverter)

Biến tần vi mô (micro inverter)

2.1.4 Tính toán công suất, cấu hình hệ thống và xây dựng

Điện năng tiêu thụ (kWh)

Điện năng tiêu thụ (kWh)

Đồ thị phụ tải toàn nhà máy:

Với tổng công suất đặt của hệ thống điện măt trời dự kiến cho toàn nhà máy là: 3036,9 kWp

Hình 2.10 Đồ thị phụ tải toàn nhà máy

- Diện tích trung bìnhcủa tấm pin khoảng: 1,7 𝑚2

Do đó, ta cấu hình hệ thống qua số lượng tấm pin và inverter:

- Chọn các tấm pin có công suất đặt lớn hơn 300 Wp

- Chọn cụm inverter có tổng công suất lớn hơn 3340,6 KW

Cấu hình tấm pin:

Mô hình mạch điện tương đương của tấm pin

Hình 2.11: Mô hình mạch điện tương đương của tấm pin Trên thị trường, ta lựa chọn 2 loại tấm pin có công suất đỉnh

310 Wp của 2 hãng JINKO SOLAR và LG ELECTRONIC

Kiến nghị chọn loại JKM310M-60 của hãng JINKO SOLAR

với các lý do sau:

- Hiệu suất chuyển đổi quang năng H% cao

- Diện tích các tấm pin nhỏ hơn giúp tiết kiệm diện tích lắp đặt

- Giá thành rẻ hơn, giảm thời gian thu hồi vốn

Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật, loại pin LG 310N1K-A5 của hãng LG ELECTRONIC lại có ưu điểm cao hơn, tấm pin vận hành

tối ưu và ổn định hơn khiến tuổi thọ kéo dài hơn:

biến tần có công suất 680kW của hãng GE POWER CONVERSION

Kiến nghị sử dụng inverter model Conext Core XC680 của

hãng Schneider với các lý do sau:

- Dải điện áp phù hợp với loại tấm pin đã chọn (điện áp tối thiểu của inverter thấp, tránh trường hợp suy giảm điện áp của chuỗi tấm pin khi nhiệt độ ngoài trời tăng cao)

- Công suất cực đại đầu vào DC lớn, tăng tỉ lệ quá tải cho phép của inverter

- Điện áp đầu ra AC phù hợp với điện áp lưới

- Hiệu suất chuyển đổi DC-AC cao

Cấu hình hệ thống:

Số tấm pin trong 1 chuỗi (n):

Hình 2.14 Sơ đồ đấu nối giữa các thiết bị

Chọn cáp điện đấu nối:

Chọn thiết bị bảo vệ:

2.2 Sử dụng phần mềm PVSYST để mô phỏng hệ thống đánh giá tình hình thời tiết và tính toán sản lượng điện hàng năm

2.2.1 Giới thiệu phần mềm PVSYST:

2.2.2 Thiết lập thông số cho phần mềm PVSYST:

a Tạo cơ sở dữ liệu:

Vị trí địa lý:

b Thiết kệ hệ thống nối lưới:

Xác định phương vị:

Thiết lập hệ thống:

Theo như cấu hình tính toán các thông số, số lượng, cách ghép

nối các thiết bị như đã tính toán ở mục I.4.2, ta nhập các thông số đó

vào phân mềm PVsyst để chạy mô phỏng

Bảng 2.6: Thông số chung của hệ thống

Số tấm pin ghép nối tiếp.chuỗi.mảng 22

Số chuỗi tấm pin ghép song song.mảng 100

Tính toán tổn thất:

IAM losses: tổn thất do góc tới tại bề mặt kính của tấm pin Thermal parameter: tổn thất do sự gia tăng nhiệt độ của tế bào quang điện

Module – LID – Mismatch: tổn thất do ghép nối thiết bị không phù hợp

Ohmic losses: tổn thất phía DC và AC

Ảnh hưởng của bóng che phủ

c.Thiết lập đồ thị phụ tải:

2.2.3 Mô phỏng hệ thống

a Kết quả mô phỏng

Thông số mô phỏng chính của hệ thống pin mặt trời:

Điện năng sản sinhcó ích 5049 MWh.năm, chiếm tỉ lệ 82,74%

tổng điện năng có thể tạo ra của hệ thống

Điện năng sản sinh khả dụng (hệ thống cấp cho phụ tải): 3686,2 MWh.năm, đáp ứng tỉ lệ 64,13% điện năng mà phụ tải yêu cầu

DUT.LRCC

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP KẾT NỐI

Để đấu nối hệ thống điện mặt trời vào phụ tải nhà máy, ta cần khảo sát mặt bằng, vị trí điểm đấu nối sao cho phù hợp về mặt kỹ thuật và hiệu quả khi hoạt động Do đó các tiêu chí sau cần được xem xét để hệ thống được tối ưu nhất:

- Hệ thống cáp dẫn điện của doanh nghiệp vẫn còn đủ khả năng chịu tải

- Tổn thất công suất thấp nhất

- Công suất phát lên lưới lớn nhất

- Hệ số công suất toàn nhà máy đạt 0,9 – 0,95

3.1 Giới thiệu phần mềm ETAP

3.2.Thực hiện mô phỏng

Ta xét trường hợp nhà máy đầy tải và hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời thu được bức xạ cực đại trong ngày và inverter ở chế

độ phát tối đa công suất

3.2.1.Xây dựng mô hình hệ thống điện của nhà máy:

3.2.2 Phương án đấu nối 1:

a Đề xuất:

Đề xuất đấu nối cả 5 mảng vào thanh góp 0,4 kV và truyền tải qua 2 đường dây cáp 8x300 mm2và 6x300 mm2 đến 2 thanh góp của nhánh B1 và B3

DUT.LRCCHình 3.3: Mô phỏng hệ thống điện của doanh nghiệp sau khi đấu nối

thêm hệ thống điện mặt trời theo phương án 1

b Điều chỉnh chế độ phát của inverter:

3.2.3 Phương án đấu nối 2:

a Đề xuất:

Đề xuất đấu nối 1 mảng trực tiếp vào tủ đấu nối tại ngay phân xưởng thân xe, 1 mảng đấu nối tại phân xưởng lắp ráp, 3 mảng còn lại được đấu chung vào thanh góp 0,4 kV và truyền tải theo 2 dây cáp 8x300 mm2và 6x300 mm2 đến 2 thanh góp của nhánh B1 và B3 Phương pháp này giúp giảm được tổn thất công suất của 2 mảng do giảm được khoảng cách truyền tải Tuy nhiên, việc đặt các tủ inverter nằm rải rác khiến việc quản lý và vận hành gặp khó khăn

b Điều chỉnh chế độ phát của inverter:

Hình 3.4 Mô phỏng hệ thống điện của doanh nghiệp sau khi đấu nối

thêm hệ thống điện mặt trời theo phương án 2

3.3 So sánh và lựa chọn phương án

Phương án 1:

Ưu điểm:Hệ thống tủ inverter tập trung, thuận tiện cho việc

quản lý và vận hành, cấu trúc lưới đơn giản, dễ thi công

Nhược điểm:

- Sử dụng thanh góp lớn hơn do số lượng inverter tâp trung nhiều (5 inverter)

- Tổn thất công suất trong mạng lớn hơn phương án 2

- Công suất phát lên lưới thấp

- Sử dụng dây dẫn dài hơn để kết nối với tủ phân phối

Phương án 2:

Ưu điểm:

- Tổn thất công suất thấp hơn phương án 1

- Công suất phát lên lưới cao

- Sử dụng thanh góp nhỏ hơn (3 inverter)

- Đấu nối trực tiếp vào tủ phân phối ở cụm phụ tải, sử dụng dây dẫn ngắn hơn

Nhược điểm:Tủ inverter phân bố rải rác, ít thuận tiện cho vận

Công suất phát của inverter 645 + j212 650 + j188

Tổng tổn thất công suất trong mạng 116,73 + j184,2 42,22 + j20,64

Kết luận: xét theo trường hợp nhà máy đầy tải và hệ thống

điện mặt trời phát tối đa công suất, dựa trên kết quả mô phỏng, phương án 2 có công suất phát lên lưới cao và tổn thất công suất trong mạng thấp hơn phương án 1 nên ta chọn phương án 2 Và dựa trên mạng điện thực tế của doanh nghiệp thì phải điều chỉnh inverter

ở chế độ phát với hệ số công suất cosφ bằng 0,96

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ, KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

4.1 Đánh giá tính kinh tế

Mục tiêu của đánh giá tính kinh tế của dự án là xem xét các phương án kinh tế, tài chính (đầu tư hoàn toàn hoặc vay vốn).Thông qua đó, nhà đầu tư có thểxem xét tính hiệu quả và khả thi của dự án

4.1.1 Các thông số tính toán

Dòng chi của dự án

- Chi phí mua thiết bị: + Module pin: 1 151 590 USD (0,338 USD.Wp)

+ Inverter: 238 000 USD (0,069 USD.WAC)

- Mua vật liệu phụ trợ: 107000 USD

- Chi phí lắp đặt và thử nghiệm, hiệu chỉnh: 145 700 USD

- Chi phí vận chuyển: 25780 USD

Tổng chi phí đầu tư: 1 668 070 USD

- Chi phí vận hành, bảo dưỡng, khấu hao thiết bị, cơ sở vật chất hàng năm: 172 440 USD Chi phí này được ước tính bằng 10% giá trị của phần xây dựng và thiết bị của dự án trong năm đầu và tăng 1% trong những năm tiếp theo cho đến hết tuổi thọ dự án (20 năm)

- Chi phí khấu hao thiết bị, chiếm 1% chi phí dự án qua từng năm

Dòng thu của dự án:

- Với việc dư thừa điện năng trong những ngày có bức xạ lớn,

hệ thống có thể phát năng lượng điện dư thừa lên lưới điện Giá bán điện của hệ thống nối lưới là 2086 đồng/kWh (0,0935 USD) Giá điện sản xuất cho mỗi kWh của giờ cao điểm là 3076 đồng (0,133

Ngoài ra ta còn phải xét đến tỉ lệ tăng giá điện qua các năm Dựa trên biểu giá điện từ năm 2009 đến 2019, ta có thể lấy tỉ lệ tăng giá điện bình quân qua các năm là 10%

Sau khi nhập các thông số cài đặt về tính kinh tế, ta tiến hành

mô phỏng để kiểm tra kết quả Ở đây ta xem xét hai trường hợp là công ty đầu tư 100% vốn và sử dụng vay 70% vốn ngân hàng với mức lãi suất 8%.năm với kì hạn trả trong 10 năm

4.1.2 Công ty đầu tư hoàn toàn 100% vốn:

Bảng 4.1 Kết quả tính toán tính kinh tế mô hình vay vốn 100%

Lợi nhuận tiết kiệm khi kết thúc dự án

Lợi nhuận tiết kiệm trung bình mỗi năm

9773597,1 USD

488 679,9 USD

4.1.3 Công ty thực hiện vay 70% vốn:

Bảng 4.2: Kết quả tính toán tính kinh tế mô hình vay vốn 70%

Lợi nhuận tiết kiệm khi kết thúc dự án

Lợi nhuận tiết kiệm trung bình mỗi năm

Điện năng được sản xuất từ hệ thống điện mặt trời sẽ thay thế điện năng sản xuất từ các nguồn của lưới điện (nhiệt điện, thủy điện), các nguồn này có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao hơn do lượng 𝐶𝑂2phát thải nhiều hơn (điển hình là từ các nhà máy nhiệt điện) Lượng 𝐶𝑂2phát thải phụ thuộc vào 4 yếu tố chính:

- Sản lượng điện hàng năm của hệ thống PV

4.1.5 So sánh hiệu quả giữa 2 loại tấm pin đã chọn:

Về mặt kỹ thuật, loại pin LG 310N1K-A5 của hãng LG ELECTRONIC lại có ưu điểm cao hơn Do đó, ta kiểm tra lại để so sánh hiệu quả giữa hai loại tấm pin đã chọn ở mục I.4.2 a.: