Đề tài “nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời và đề xuất giải pháp quản lý, kinh doanh cho năng lượng mặt trời cho thành phố Lạng Sơn” là một trong những giải pháp về đáp ứng nguồn cung cấp điện, giảm tổn thất điện năng, qua đó nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện, tiết kiệm nguồn tài nguyên, tận dụng tốt nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng ảnh hưởng đến tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay.
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Bùi Tuấn Ngọc
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO THÀNH PHỐ LẠNG SƠN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
QUẢN LÝ, KINH DOANH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN
Thái Nguyên - năm 2020
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Nguyễn Như Hiển Các nội dung nghiên cứu, số liệu và kết quả nghiên cứu trong đề tài này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một luận văn nào trước đây Các số liệu trong bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, đánh giá, nhận xét đã được chính tác giả thu thập từ nhiều nguồn thông tin khác và đã nêu rõ trong tài liệu tham khảo Ngoài ra, đề tài cũng sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, tổ chức cơ quan khác nhau và cũng đã thể hiện trong phần tài liệu tham khảo
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng cũng như kết quả luận văn của mình./
Thái Nguyên, ngày 02 tháng 7 năm 2020
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Bùi Tuấn Ngọc
Trang 3
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn của mình, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp, động viên từ các quý thầy, cô trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, từ các bạn đồng nghiệp và người thân trong gia đình
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Như Hiển đã tận tình hướng dẫn, luôn hỗ trợ và khích lệ trong suốt thời gian làm luận văn để tôi có thể hoàn thành được luận văn của mình
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy trong khóa học chuyên ngành Kỹ thuật điện Các thầy cô đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo của khoa Điện và phòng Đào tạo Nhà trường đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành nội dung luận văn
Thái Nguyên, ngày 02 tháng 7 năm 2020
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Bùi Tuấn Ngọc
Trang 4MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN………1
LỜI CÁM ƠN……… 2
MỤC LỤC………3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT……….6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU………6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ……… …7
MỞ ĐẦU……… 8
Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ……… ……11
1.1 Giới thiệu về hệ thống điện tỉnh Lạng Sơn và thành phố Lạng Sơn ………11
1.1.1 Giới thiệu về hệ thống điện tỉnh Lạng Sơn………11
1.1.2 Giới thiệu khái quát về Điện lực thành phố Lạng Sơn……… …13
1.2 Vai trò, đặc điểm và hiện trạng cấp điện của các tỉnh Đông Bắc và thành phố Lạng Sơn……… ……14
1.2.1 Vai trò và đặc điểm………14
1.2.2 Hiện trạng cấp điện cho khu vực Đông Bắc và tỉnh Lạng Sơn……….…15
1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại các tỉnh Đông Bắc……….…15
1.2 Vai trò của năng lượng mặt trời của thành phố Lạng Sơn……… …16
1.3 Một số lưu ý về năng lượng mặt trời tại thành phố Lạng Sơn……….……18
1.3.1 Tư vấn về lắp điện mặt trời……… ……18
1.3.2 Chi phí lắp 1 hệ thống điện năng lượng mặt trời hoàn chỉnh………21
1.3.3 Lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời……… …21
1.3.4 Thu hồi vốn khi lắp hệ thống năng lượng mặt trời………24
1.4 Kết luận chương 1………25
Chương 2 Nghiên cứu cấu trúc hệ điện mặt trời nối lưới có lưu trữ… …26
2.1 Giới thiệu……… …26
2.1.1 Nguyên lý hoạt động……….…26
2.1.2 Các mô hình lắp đặt……… …26
2.1.2.1 Mô hình nối lưới trực tiếp (On Grid)……….………27
2.1.2.2 Mô hình năng lượng mặt trời độc lập (Off Grid)……… ……27
Trang 52.1.2.3 Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)……… ………27
2.2 Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời……….…28
2.2.1 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời nối lưới……….……….28
2.2.2 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời độc lập……… ……….29
2.2.3 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời lai……… …….30
2.3 Hệ năng lượng điện mặt trời nối lưới có lưu trữ……… ……31
2.3.1 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic)……….…… 31
2.3.2 Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC).……… ……35
2.3.3 Nghịch lưu nối lưới (Grid Tie Inverter)………39
2.3.3.1 Nghịch lưu dòng một pha……… …….39
2.3.3.2 Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa……….…………40
2.3.3.3 Nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu………41
2.3.3.4 Mạch công suất của bộ nghịch lưu (cầu H)………42
2.3.4 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp……….……43
2.3.4.1 Dạng sóng sin mô phỏng……… …43
2.3.4.2 Dạng sóng sin chuẩn……….….43
2.3.5 Lọc sóng hài……… ……44
2.3.5.1 Khái niệm về sóng hài………45
2.3.5.2 Nguyên nhân phát sinh sóng hài………46
2.3.5.3 Tác hại sóng hài……….…….46
2.3.5.4 Giải pháp lọc sóng hài………46
2.3.6 Nguồn điện một chiều (Ắc quy)………47
2.3.6.1 Giới thiệu chung về Ắc quy………47
2.3.6.2 Tiêu chuẩn ắc quy……… ……….48
2.3.7 Hệ thống điều khiển……… …….50
2.3.7.1 Điều khiển điện áp một chiều……….51
2.3.7.2 Điều khiển nghịch lưu một pha……… ………51
2.4 Kết luận chương 2………53
2.4.1 Căn cứ để chọn hệ thống điện mặt trời lai………53
2.4.2 Để thiết kế được hệ thống điều khiển………55
Trang 6Chương 3 Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý, kinh doanh năng
lượng mặt trời cho thành phố Lạng Sơn……….56
3.1 Đặt vấn đề……….56
3.1.1 Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời……….……… 56
3.1.2 So sánh về ưu nhược điểm một số hệ thống năng lượng mặt trời…… 59
3.1.2.1 Hệ thống NLMT độc lập (Off Grid Solar System)……….59
3.1.2.2 Hệ thống NLMT nối lưới trực tiếp (On Grid System)………… ……59
3.1.2.3 Hệ thống kiểu kết hợp, vừa lưu trữ vừa hòa lưới……… ……60
3.1.3 Các văn bản pháp quy về điện mặt trời mái nhà……… ….…60
3.2 Quan điểm và định hướng phát triển NL tái tạo ở VN đến 2030 và tầm nhìn đến 2050……… …61
3.2.1 Giai đoạn từ nay đến 2030……… … 62
3.2.2 Định hướng đến 2050……… …… 62
3.3 Thực trạng phát triển NL mặt trời ở Việt Nam và thành phố Lạng Sơn……… 65
3.3.1 Thực trạng phát triển NL mặt trời ở Việt Nam……….….…65
3.3.2 Tình hình phát triển điện mặt trời ở Thành phố Lạng Sơn………… ….68
3.4 Đề xuất một số giải pháp QL và KD NLMT ở thành phố Lạng Sơn… …70
3.4.1 Công tác tuyên truyền……… … 71
3.4.2 Việc thực hiện thủ tục của ngành Điện……….….74
3.4.3 Công tác kinh doanh, cung cấp thiết bị, phụ kiện, giá cả……… …75
3.4.4 Giải pháp hỗ trợ về tài chính……… … 77
3.4.5 Công tác quản lý vận hành điện mặt trời……… ….…77
3.5 Kết luận……… …79
Kết luận và Kiến nghị………80
Tài liệu tham khảo……….82
Trang 7DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam
NLTT Năng lượng tái tạo
NLMT Năng lượng mặt trời
DANH MỤC BẢNG, BIỂU
Bảng 1.1: Công suất mang tải đường dây……… …………11 Bảng 1.2: Số liệu bức xạ của cả nước ……… …….16 Bảng 2.1: Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H……….….… 42 Bảng 2.2: Dạng sóng của một số loại phi tuyến……….….………47 Bảng 2.3: Khả năng khởi động ban đầu của ắc quy……… …….49 Bảng 2.4: Khả năng phóng điện của ắc quy……….………….… 50
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Bản đồ số liệu bức xạ năng lượng mặt trời Việt Nam…… ….…… 17
Hình 1.2: Hệ pin năng lượng mặt trời.……….… 20
Hình 1.3: Pin loại Pin Mono và poly ……….…….22
Hình 2.1: Mô hình nối lưới trực tiếp……… 27
Hình 2.2: Mô hình năng lượng mặt trời độc lập ……….28
Hình 2.3: Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)………28
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới ………29
Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập 30
Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời lai 30
Hình 2.7: Các tấm pin mặt trời ……… 31
Hình 2.8: Mô hình tương đương của module PV………33
Hình 2.9: Các họ đặc tính của PV……… 35
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck………36
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp……… …37
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost……… 38
Hình 2.13: Bộ chuyển đổi DC/DC có cách ly……….………39
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 40
Hình 2.15: Sơ đồ nghịch lưu môt pha có điểm giữa………41
Hình 2.16: Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu……….……42
Hình 2.17: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc….…42 Hình 2.18: Sóng sin mô phỏng, thuần sin và xung vuông……… …44
Hình 2.19: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM……… ……44
Hình 2.20: Mô dạng tín hiệu méo gây bởi song hài………45
Hình 2.21: Cấu tạo Ắc quy……… ……48
Hình 2.22: Cấu trúc ĐK điện áp một chiều sử dụng bộ điều khiển PI… …… 51
Hình 2.23: Sơ đồ khối nghịch lưu một pha……….…51
Hình 2.24: Mạch vòng điều khiển dòng điện……….…….52
Hình 2.25: Mạch vòng điều khiển công suất……… …….52
Hình 2.26: Sơ đồ điều khiển hệ thống pin mặt trời nối lưới có lưu trữ…… …53
Trang 9MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu sử dụng điện của người dân, các tổ chức ngày càng tăng cao về chất và lượng Trong khi đó, nguồn năng lượng cơ bản (than đá, thủy điện, dầu khí…) phục vụ việc sản xuất điện ngày càng hạn hẹp Đây là một trong những thách thức lớn đối với ngành Điện Thêm vào đó, vấn đề tiết kiệm năng lượng, sử dụng năng lượng điện hiệu quả chưa thực sự được người dân quan tâm nhiều, chưa áp dụng triệt để, rộng rãi
Thành phố Lạng Sơn là địa bàn có sự tăng trưởng phát triển kinh tế lớn nhất trong tỉnh Lạng Sơn Dân số tập trung đông, tập trung nhiều cơ quan, tổ chức hành chính, doanh nghiệp với nhu cầu sử dụng điện lớn, có nhiều thiết bị điện hiện đại, yêu cầu cao về chất lượng điện năng Thành phố nằm ở trung tâm của tỉnh, thuộc phía Đông Bắc của cả nước, có vị trí địa lý thuận lợi, tổng số giờ nắng và cường độ bức xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ 4kWh/m2/ngày), được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời
Với những lý do trên, đề tài “nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời và đề xuất giải pháp quản lý, kinh doanh cho năng lượng mặt trời cho thành phố Lạng Sơn” là một trong những giải pháp về đáp ứng nguồn cung cấp điện, giảm tổn thất điện năng, qua đó nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện, tiết kiệm nguồn tài nguyên, tận dụng tốt nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng ảnh hưởng đến tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay
2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1 Đối tượng nghiên cứu:
- Nguồn năng lượng tái tạo của thành phố Lạng Sơn và tiềm năng về điện mặt trời trên địa bàn thành phố Lạng Sơn
- Đánh giá khả năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp cho một số phụ tải tại Thành phố Lạng Sơn, Tỉnh Lạng Sơn
Trang 102.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
+ Cấu trúc bộ nguồn năng lượng mặt trời khi vận hành độc lập và nối lưới
- Về thực tiễn:
Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý, kinh doanh năng lượng mặt trời cho thành phố Lạng Sơn
3 Phương pháp nghiên cứu
* Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sử dụng kết hợp 2 phương pháp
nghiên cứu khảo sát, lý thuyết và thực tiễn nhằm có những đánh giá để đưa ra tính khả thi trong việc áp dụng khai thác nguồn năng lượng mặt trời cho thành phố Lạng Sơn
* Các công cụ, thiết bị nghiên cứu: Sử dụng các phần mềm phục vụ cho
khảo sát đánh giá kết quả lý thuyết và thực tiễn
4 Kết cấu của luận văn
Dự kiến kết cấu luận văn như sau:
Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Vai trò của năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng của thành phố Lạng Sơn
Chương 2 Nghiên cứu cấu trúc hệ điện mặt trời lai
Nghiên cứu mô hình đặc trưng là nguồn năng lượng mặt trời tập trung hay phân tán dưới dạng lai
Trang 11Chương 3 Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý, kinh doanh năng lượng mặt trời cho thành phố Lạng Sơn
Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật, kinh tế và kinh doanh điện mặt
trời từ các nguồn độc lập và nối lưới trên địa bàn thành phố Lạng Sơn
Kết luận và kiến nghị
Trang 12Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu về hệ thống điện tỉnh Lạng Sơn và thành phố Lạng Sơn
1.1.1 Giới thiệu về hệ thống điện tỉnh Lạng Sơn
* Về nguồn điện:
Lạng Sơn gồm có 05 nhà máy điện: NĐ Na Dương (110MVA); TĐ Cấm Sơn (4,5MW), TĐ Bản Quyền (1MW), TĐ Bắc Khê (2,4MW), TĐ Thác Xăng (20MW) Tổng công suất 137,9MVA, tuy nhiên chủ yếu phụ thuộc Nhà máy nhiệt điện Na Dương, các nguồn thủy điện tính ổn định không cao
* Về lưới điện 110kV:
Gồm 08 đoạn ĐZ 110kV, có liên kết với các tỉnh Bắc Giang, Quảng Ninh và Cao Bằng, giữa các trạm 110 đều có kết nối mạch vòng Các đường dây 110kV trên địa bàn mang tải từ 50- 75% tải định mức, dây dẫn chủ yếu AC150, AC185 Công suất phụ tải toàn tỉnh đạt Pmax = 167 MW, không tính phụ tải chuyên dùng thì
Pmax = 152 MW/công suất đặt 04 TBA là 250MVA (chiếm 61%) Trong đó riêng TBA 110kV Thành phố hiện đang vận hành đầy tải (95%), mặc dù đã được TBA Đồng Đăng san tải 2 huyện phía Bắc (Văn Lãng, Tràng Định) và thị trấn Đồng Đăng
(MVA)
Pmax (MW)
Mang tải (%)
(Ước đến tháng 12/2020 tổng công suất đạt 175MW)
Khu vực Lạng Sơn chưa có TBA 220kV, tổng công suất tiêu thu trên địa bàn là 167 MW lớn hơn công suất các nguồn phát Do đó phải nhận công suất từ
cả 03 mạch liên kết 110kV Lạng Sơn – Quảng Ninh, Lạng Sơn – Bắc Giang,
Trang 13Lạng Sơn – Cao Bằng Điện áp nguồn cấp không ổn định, trong quá trình vận hành nhiều lần phải mở vòng phía Bắc Giang để tránh sự cố do quá tải dây AC150 đoạn Bắc Giang quản lý (4 tháng đầu năm mở vòng 10 lần), dẫn đến điện áp thấp 98kV÷105kV trên các TBA 110kV Hữu Lũng, Đồng Bành, Đồng
Mỏ Điện áp đầu các xuất tuyến 35kV đạt 33,5÷36kV (trong khi theo tiêu chuẩn vận hành thì yêu cầu giờ cao điểm là 37,5kV ÷ 38,5kV)
- Lưới 110kV không ổn định, kết lưới yếu, phải nhận công suất từ cả 03 mạch liên kết 110kV Quảng Ninh, Bắc Giang, Cao Bằng
- Ngoài ra thời gian tới triển khai dự án xuất tuyến sau TBA 220kV Lạng Sơn mở vòng mạch Lạng Sơn – Đồng Đăng (hướng Cao Bằng) 50 ngày Mất nguồn Cao Bằng cấp sang, Bắc Giang sẽ phải cấp cho Lạng Sơn nhiều hơn, dẫn đến nguy cơ quá tải đoạn Bắc Giang, phải mở vòng để tránh sự cố Khi đó điện
áp vận hành dự kiến chỉ đạt 92÷94kV
* Lưới điện trung áp:
- Lưới điện trung áp với khối lượng 2.813,9km trải dài trên địa bàn rộng với 19 xuất truyến 35kV, 07 xuất tuyến 22kV, 10 xuất tuyến 10kV, các đường dây trung áp mang tải 60-80% Có 05 điểm liên lạc liên tỉnh với cả 05 tỉnh tiếp giáp (Cao Bằng, Bắc Kạn, Bắc Giang, Quảng Ninh, Thái Nguyên) và 13 liên lạc nội tỉnh
- Có những đường dây trung áp dài liên huyện, nguồn cấp điện hiện phải phụ thuộc vào các Công ty lân cận, tính chủ động không cao, điện áp thấp Mặc
dù có các mạch vòng, nhưng đa số bán kính cấp điện lớn, điện áp thấp, truyền tải công suất hạn chế Các đường dây 35kV trải dài liên huyện không khai thác được hết công suất đặt của các MBA 110kV Các đường dây có chiều dài từ 500km÷600km, bán kính cấp điện trên 100km, điện áp cuối nguồn thấp 32÷33kV
* Lưới điện hạ áp: Tổng chiều dài đường dây hạ áp bán lẻ là 5.266,32km
trong đó khu vực thành thị là 769,9 km, khu vực nông thôn là 4498,46km
Thuận lợi: Lưới hạ áp khu vực thành thị đường dây đảm bảo kỹ thuật Giai đoạn 2010 - 2019, một số khu vực lưới điện hạ thế tỉnh Lạng Sơn đã được đầu tư
Trang 14và cải tạo bởi các chương trình sửa chữa thường xuyên, sửa chữa lớn, cải tạo chống quá tải Đặc biệt là các năm từ 2013 đến 2016 các dự án công trình đầu
tư, cải tạo được đẩy mạnh (theo các nguồn vốn thuộc dự án DEP 1, DEP 2, ĐTXD, ADB, cải tạo lưới điện hạ áp nông thôn)
Khó khăn: Lưới điện khu vực thị trấn, thành Phố hiện nay có hiện tượng đầy tải dây dẫn Lưới hạ áp khu vực nông thôn bán kính lớn (trung bình 1,7km,
cá biệt có nơi 3-5km) Lưới điện hạ áp sau tiếp nhận cũ nát, dây dẫn trần, tiết diện nhỏ và nhiều mối nối, chưa có nguồn vốn đầu tư, cải tạo sửa chữa Trong
đó riêng phần lưới không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tối thiểu còn 584,3km
1.1.2 Giới thiệu khái quát về Điện lực Thành phố Lạng Sơn
- Về lưới điện: lưới điện thành phố gồm có cấp điện áp trung thế 22kV,
35kV và hạ thế 0,4kV Trong đó:
+ Lưới 35KV: Gồm 01 lộ đường dây trung thế 35kV (373 E13.2) được cấp điện từ trạm 110kV E13.2 thành phố Lạng Sơn Đây là lộ có bán kính cấp điện dài, cấp điện cho thành phố Lạng Sơn, cấp đến huyện Cao Lộc, Lộc Bình
và Đình Lập, với bán kính cấp điện là hơn 70km Do bán kính cấp điện lớn nên xác suất xảy ra sự cố mất điện lớn, ảnh hưởng đến tình hình cấp điện cho các hộ tiêu thụ
+ Lưới 22KV: Gồm 04 lộ đường dây trung thế 22kV (471, 473, 474, 476 E13.2) được cấp điện từ trạm 110kV E13.2 thành phố Lạng Sơn Các lộ đã được xây dựng và vận hành từ nhiều năm, hiện tại đều đang đầy tải
Trang 15+ Lưới điện hạ thế 0,4KV: toàn địa bàn thành phố có gần 200 trạm biến
áp công cộng và gần 100 trạm biến áp chuyên dùng của khách hàng Trong đó, tại các trạm biến áp công cộng, cơ bản lưới điện hạ thế đều đã được đầu tư, cải tạo nên chất lượng điện năng đảm bảo tiêu chuẩn vận hành, cung cấp điện ổn định, tin cậy Tuy nhiên, vẫn còn nhiều lưới điện của trạm biến áp có bán kính cấp điện lớn hơn tiêu chuẩn (>500m), nhiều lưới điện hạ thế đã đầy tải, một số
có hiện tượng quá tải cục bộ và giờ cao điểm tối
Nhu cầu sử dụng điện trong thành phố đạt 34% so với toàn tỉnh Lạng Sơn, tiêu chuẩn cấp điện sinh hoạt khu vực nội thị đạt khoảng 228kWh/người/năm
- Chiếu sáng công cộng: Điện chiếu sáng công cộng địa bàn thành phố Lạng Sơn được cấp chủ yếu qua các trạm biến áp chiếu sáng đô thị, dưới sự quản lý của UBND thành phố Lạng Sơn Việc chiếu sáng công cộng từ nguồn điện khác hầu như rất ít
1.2 Vai trò, đặc điểm và hiện trạng cấp điện của các tỉnh Đông Bắc và thành phố Lạng Sơn
1.2.1 Vai trò và đặc điểm
Vai trò: việc cấp điện ở các tỉnh Đông Bắc, đặc biệt là tỉnh có biên giới
như Lạng Sơn có vai trò nhất định như sau:
- Thứ nhất, là cấp điện phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất, kinh doanh của người dân, doanh nghiệp, góp phần phát triển kinh tế, xã hội, xây dựng đất nước giàu đẹp
- Thứ hai, là cấp điện phục vụ cho cơ quan, chính quyền quản lý nhà nước (UBND, các Sở, ban, ngành của tỉnh…) nhằm đảm bảo duy trì các hoạt động quản lý của Nhà nước
- Thứ ba, là cấp điện cho người dân, các cơ sở vật chất khu vực biên giới, phục vụ mục đích an ninh, kinh tế Đây cũng là một trong những vai trò trọng tâm của cấp điện
Đặc điểm: Các tỉnh thuộc Đông Bắc (gồm Lạng Sơn) chủ yếu có đặc
điểm cấp điện tương đồng Lưới điện đa số là hình tia, số lượng trạm biến áp
Trang 16220kV, 110kV ít Đường dây trung thế thường hình tia, kéo dài, chất lượng điện năng ở cuối nguồn có nhiều thời điểm không đảm bảo tiêu chuẩn vận hành
1.2.2 Hiện trạng cấp điện cho khu vực Đông Bắc và tỉnh Lạng Sơn
Với số lượng trạm biến áp truyền tải 110kV ít, lưới điện chủ yếu hình tia, vào giờ cao điểm tối trong ngày, nhiều hộ tiêu dùng ở cuối nguồn phải sử dụng điện năng với chất lượng không đảm bảo tiêu chuẩn Một số khu vực lưới điện quá tải cục bộ vào giờ cao điểm tối, đặc biệt là khu vực thành phố, thị trấn Khi lưới điện quá tải, Aptomat tác động cắt gây mất điện, ảnh hưởng đến sinh hoạt, kinh doanh, sản xuất của các hộ tiêu dùng Bên cạnh đó, tại khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa, do đặc thù sử dụng điện của hộ tiêu thụ, tình trạng non tải máy biến áp vẫn còn phổ biến và kéo dài trong ngày Tại đây, dân cư thưa thớt, rải rác, chủ yếu sinh sống bằng nghề nông, lâm nghiệp, nhu cầu tiêu thụ điện ít
cả về thời gian và công suất Đa số các máy biến áp phân phối chỉ đạt tối đa khoảng 70% tải vào giờ cao điểm tối Vào các thời điểm khác, công suất sử dụng của trạm chủ yếu chỉ <30% công suất định mức Hầu hết các tỉnh miền núi Đông Bắc vẫn còn khu vực vùng sâu, vùng xa khó khăn, các hộ dân chưa có điện lưới quốc gia, phải sử dụng máy phát điện nhỏ lẻ, Acquy tích điện để phục
vụ sinh hoạt (chủ yếu là chiếu sáng)
Nhìn chung, việc cấp điện ở khu vực Đông Bắc, trong đó có tỉnh Lạng Sơn, vẫn còn gặp nhiều khó khăn
1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại các tỉnh Đông Bắc
Tiềm năng điện năng lượng mặt trời ở các tỉnh Đông Bắc khá phong phú với số giờ nắng trong năm cao (khoảng 1.600 - 1.800 giờ), lượng bức xạ mặt trời khoảng 4 - 4,5 kWh/m2/ngày Trong đó, ở khu vực Đông Bắc, số giờ nắng trong năm khoảng 1.600 - 1.750 giờ, nắng nhiều từ khoảng tháng 5 trở đi với khoảng 6
- 7 giờ/ngày, duy trì ở mức cao từ tháng 7 Nhờ có tổng số giờ nắng và lượng bức xạ mặt trời cao, việc lắp đặt điện mặt trời tại Đông Bắc mang lại giá trị kinh
tế rất khả quan
Đông Bắc có hai mùa ít nắng (mùa thu và mùa đông) nhưng điện mặt trời
là quang điện, cứ có ánh sáng thì pin năng lượng mặt trời sẽ tạo ra điện năng
Trang 17Chính vì vậy, trong hai mùa này, hệ thống điện năng lượng mặt trời vẫn hoạt động, chỉ là sản lượng điện tạo ra sẽ giảm (khoảng 50%) Nhưng trong hai mùa này, nhu cầu điện trong gia đình cũng thường giảm nhiều; vì thế gia đình nào lắp điện mặt trời vẫn có thể vừa sử dụng điện “sạch” vừa dùng điện từ điện lưới quốc gia Theo các chuyên gia, tổng số giờ nắng và bức xạ mặt trời tại Việt Nam
dù ở khu vực nào cũng cao hơn các nước châu Âu và Bắc Mỹ Ở châu Âu mỗi năm có đến 6 tháng mùa đông, ngày ngắn đêm dài nhưng họ vẫn đầu tư phát triển điện mặt trời Do đó, ở Đông Bắc, dù thời gian hoàn vốn sẽ dài hơn một chút so với miền Nam và Nam Trung Bộ nhưng bài toán kinh tế khi đầu tư điện mặt trời hộ gia đình vẫn đảm bảo
Số liệu bức xạ của cả nước ta như sau:
Bảng 1.2 Số liệu bức xạ của cả nước
năm
Cường độ BXMT (kWh/m2, ngày)
Ứng dụng
Đông Bắc 1600 - 1750 3,3 – 4,1 Trung bình Tây Bắc 1750 - 1800 4,1 – 4,9 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700 - 2000 4,6 – 5,2 Tốt
Tây Nguyên và
Nam Trung Bộ 2000 - 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt
Nam Bộ 2200 - 2500 4,3 – 4,9 Rất tốt
Trung bình cả nước 1700 - 2500 4,6 Tốt
1.2 Vai trò của năng lượng mặt trời của thành phố Lạng Sơn: được coi là
nguồn năng lượng gần như vô tận, năng lượng mặt trời mang lại rất nhiều ứng dụng về mặt năng lượng, cụ thể:
Năng lượng mặt trời tạo ra các máy nước nóng sử dụng nguồn nhiệt từ
mặt trời để sử dụng trong sinh hoạt, kinh doanh, sản xuất
Trang 18Hình 1.1: Bản đồ số liệu bức xạ năng lượng mặt trời Việt Nam
Hệ thống sưởi ấm từ năng lượng mặt trời áp dụng trong xây dựng, sử dụng các vật liệu nhiệt khối như đá, xi măng, nước
Hệ thống xử lý nước sử dụng nhiệt mặt trời và điện năng lượng mặt trời
để khử mặn hoặc khử khuẩn
Bếp năng lượng mặt trời, người ta cũng sử dụng kỹ thuật hội tụ ánh sáng mặt trời để tạo nhiệt phục vụ nấu ăn, điển hình là các bếp công nghiệp công nghệ Ấn Độ đang phục vụ tới 35.000 suất ăn mỗi ngày
Lợi ích to lớn từ điện năng lượng mặt trời
Điện năng lượng mặt trời là nguồn điện được chuyển đổi từ năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng Do vậy với năng lượng mặt trời, chúng ta có một nguồn tài nguyên gần như vô tận để khai thác
Trang 19Ý nghĩa kinh tế của điện năng lượng mặt trời
Với nguồn cung cấp ngày càng lớn về nguyên vật liệu, chi phí sản xuất pin năng lượng mặt trời đang ngày càng giảm Đồng thời với sự phát triển của công nghệ ngày càng cao, sản lượng điện do pin mặt trời cung cấp đang tăng dần theo thời gian góp phần giảm chi phí tiêu thụ điện
An ninh năng lượng
Một trong những vai trò quan trọng nữa là điện năng lượng mặt trời trong tương lai có thể thay thế các hình thức sản xuất điện khác từ việc đốt nguyên liệu hóa thạch cũng như hạn chế thủy điện làm thay đổi hệ sinh thái
Lợi ích môi trường của điện năng lượng mặt trời
Điện năng lượng mặt trời được công nhận là nguồn năng lượng xanh, sạch
và thân thiện với môi trường, công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời cũng dần hoàn thiện, theo thống kê các năm gần đây, lượng phát thải khí CO2 trung bình của điện năng lượng mặt trời là 41g/kWh so với điện than là 820g/kWh và dầu khí là 490g/kWh
Ngoài ra, điện năng lượng mặt trời được ứng dụng sâu rộng trong đời sống của con người từ sinh hoạt đến sản xuất, có khả năng triển khai với quy mô rất đa dạng và phù hợp với mọi đối tượng
1.3 Một số lưu ý về năng lượng mặt trời tại thành phố Lạng Sơn
Tại thành phố Lạng Sơn, khi muốn sử dụng một hệ thống năng lượng mặt trời thì trước hết cần giải quyết tốt một số vấn đề sau:
1.3.1 Tư vấn về lắp điện mặt trời:
- Lắp đặt các tấm pin:
Thành phố Lạng Sơn nằm ở trung tâm tỉnh Lạng Sơn, phía Bắc của cả nước Do vị trí địa lý của nước ta nằm ở bán cầu Bắc nên việc lắp đặt các tấm pin năng lượng sẽ được lắp nghiêng 10-150 về phía nam và vuông góc với hướng đông và tây (không lệch về phía nào) để hứng ánh sáng mặt trời là tốt nhất
Thêm vào đó, do đặc tính của các tấm pin là công suất phát điện sẽ bị hạn chế khi bị nóng lên do vậy khi lắp các giá đỡ tấm pin thì phải căn cứ theo vị trí,
Trang 20địa thế lắp đặt để tính toán độ cao, độ cứng của giá đỡ so với mái nhà, xưởng Ví dụ: nếu mái nhà, xưởng được làm bằng bê tông và các công trình xung quanh ảnh hưởng khiến sự lưu thông, tản nhiệt kém thì độ cao của giá đỡ tấm pin có thể làm cao đến 1,2-1,5 mét Nếu mái nhà, xưởng được làm bằng vật liệu ngói gốm thì sự tản nhiệt tốt hơn nên độ cao của giá đỡ cũng chỉ cần thấp hơn Nếu đây là khu vực thường có gió mạnh trong năm thì cần tăng cường thêm độ cứng của khung giá đỡ (thêm thanh nối, giằng hoặc kích thước của các thanh thép làm khung)
- Số lượng tấm pin: Tùy theo nhu cầu công suất sử dụng, lắp đặt và khả
năng lắp đặt (diện tích mái nhà, xưởng) mà số lượng tấn pin năng lượng mặt trời
có thể ít hoặc nhiều Thêm vào đó, công suất của mỗi tấm pin cũng ảnh hưởng đến số lượng tấm pin cần lắp Năm 2019, tại miền Bắc, khi điện năng lượng mặt trời bắt đầu được bộ Chính phủ cho phép ký hợp đồng bán điện giữa ngành Điện
và cá nhân, tổ chức thì các hệ thống điện năng lượng mặt trời dần được lắp đặt nhiều hơn ở các tỉnh miền Bắc, trong đó có Lạng Sơn và chủ yếu là khu vực thành phố Lạng Sơn Thời điểm này, các tấm pin được lắp đặt chủ yếu là có công suất nhỏ (245-:-325 kWp) nên với một lượng công suất vừa hoặc nhỏ nhưng số lượng tấm pin nhiều, chiếm nhiều diện tích Đến đầu năm 2020, các tấm pin công suất lớn hơn đã được sản xuất và lắp đặt (công suất 425kWp) với diện tích của một tấm là không đổi, qua đó tiết kiệm diện tích lắp đặt hơn, cho phép mở rộng tổng công suất một cách dễ dàng hơn Trong tương lai gần, với sự phát triển của khoa học công nghệ, công suất của mỗi tấm pin có thể sẽ tiếp tục lớn hơn và đáp ứng kịp thời nhu cầu của người sử dụng So với nhiều tỉnh Đồng bằng, thành phố Lạng Sơn có mật độ dân và mật độ cơ sở hạ tầng vừa phải, diện tích mặt bằng mỗi cơ sở hạ tầng cơ bản đáp ứng tốt cho nhu cầu lắp đặt điện năng lượng mặt trời Tuy nhiên, với sự phát triển của kinh tế xã hội, mật độ dân
và mật độ cơ sở hạ tầng ngày một tăng Lúc đó, nhu cầu sử dụng tấm pin có công suất lớn sẽ rất thiết thực
- Lắp đặt bộ điều khiển và chuyển đổi nguồn: theo nguyên lý, năng
lượng từ ánh sáng mặt trời sẽ được tấm pin mặt trời hấp thụ và chuyển đổi thành
Trang 21năng lượng điện với nguồn điện là một chiều Do vậy để có thể sử dụng hoặc hòa lưới điện quốc gia thì cần chuyển đổi thành điện xoay chiều với các thông
số cơ bản phù hợp Bộ chuyển đổi nguồn (thường gọi là Inverter) có tác dụng chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều
Đồng thời, bộ Inverter còn có tác dụng hòa nguồn điện sau chuyển đổi với lưới điện quốc gia thông qua bộ hòa được tích hợp sẵn Với những bộ Inverter thông minh còn điều tiết cả luồng công suất, ưu tiên năng lượng mặt trời sử dụng cho các thiết bị nội bộ của hộ lắp đặt, khi công suất không dùng hết thì mới phát ngược lại lên lưới điện Thêm vào đó, tuy theo công suất sử dụng mà bộ Inverter có thể là loại 3 pha hay 1 pha
Tại thành phố Lạng Sơn, cả 2 loại 1 pha và 3 pha đều được sử dụng cho các hộ tiêu thụ Thông thường, với các hệ thống có công suất nhỏ (~ 5kWP) và chỉ có thiết bị 1 pha thì bộ Inverter được sử dụng Bộ Inverter này có ưu điểm nhỏ, gọn, tiêu thụ năng lượng ít, lắp đặt đơn giản, dễ vận hành, sử dụng, tuy nhiên chỉ phù hợp với hệ thống có công suất nhỏ
Hình 1.2: Hệ pin năng lượng mặt trời
Với những hệ thống điện năng lượng mặt trời công suất lớn (trên 10kWp) hoặc hộ tiêu thụ có thiết bị 3 pha, Inverter 3 pha sẽ được sử dụng Inverter 3 pha với những ưu điểm như công suất lớn, hoạt động tin cậy, lắp đặt đơn giản, dễ vận hành, sử dụng rất phù hợp với các hệ thống lớn, yêu cầu cao, đa dạng Bộ
Trang 22chỉ có nhược điểm là giá thành cao hơn và công suất tiêu thụ (tổn hao điện năng) lớn hơn
Hiện nay, do sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất thiết bị điện năng lượng mặt trời cũng như do nhu cầu của hộ tiêu dùng, các thiết bị như pin mặt trời, bộ Inverter đề được sản xuất hợp bộ nên việc lắp và cài đặt rất dễ dàng Chỉ với thao tác đấu nối cơ bản là có thể hoàn thành việc đấu nối, lắp đặt bộ Inverter Điểm cộng của nhiều bộ Inverter hiện nay là có kết nối Wifi, từ đó cho phép người sử dụng có thể dễ dàng truy cập vào Inverter để giám sát tình trạng làm việc của hệ thống cũng như thống kê, theo dõi diễn biến công suất, điện năng mà hệ thống sản sinh ra Tại thành phố Lạng Sơn, việc sử dụng các bộ Inverter như vậy là rất phù hợp và thuận tiện do đa số các hộ sử dụng đều là những người am hiểu cơ bản về công nghệ thông tin, đồng thời lại bận rộn, các
bộ Inverter thường lại được lắp đặt ở vị trí trên tầng cao của cơ sở hạ tầng, không thuận tiện để giám sát trực tiếp Trong trường hợp chức năng Wifi bị lỗi, người sử dụng vẫn có thể giám sát trực tiếp tại màn hình hiện thị của Inverter, tuy chỉ có thể xem được các thông số cơ bản và không có biểu đồ thống kê
1.3.2 Chi phí lắp 1 hệ thống điện năng lượng mặt trời hoàn chỉnh:
Điện mặt trời áp mái cho gia đình: với công suất lắp đặt từ 2-5kWp, mỗi kWp cần diện tích khoảng 6-7m2 và mỗi ngày sản xuất được từ 4-6kWh (tùy chất lượng tấm pin, các thành phần khác trong hệ thống điều kiện nắng) sẽ có suất đầu tư từ 15-18tr/1kWp cho các sản phẩm tốt, và từ 20-25tr cho các sản phẩm cao cấp có tiêu chuẩn chất lượng vượt trội, thời gian bảo hành lâu Thêm vào đó, với sự phát triển của công nghệ và công suất sản xuất, số lượng các nhà máy sản xuất, số lượng pin mặt trời cung cấp ra thị trường ngày càng tăng, giá thành sẽ ngày càng rẻ
1.3.3 Lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời:
Hiện tại, loại pin năng lượng mặt trời có ba loại: mono (đơn tinh thể), poly (đa tinh thể) và thin-film (màng mỏng) Những tấm pin mặt trời này khác nhau về cách chúng được tạo ra, hình dạng, hiệu suất, giá thành và cách lắp đặt
Trang 23Tùy thuộc vào nhu cầu mà bạn có thể cân nhắc lựa chọn một loại phù hợp nhất, cụ thể:
Pin Mono và Poly
Hình 1.3: Pin loại Pin Mono và poly
Cả hai loại pin mặt trời mono và poly đều có các solar cell (tế bào quang điện) làm từ các tấm silic Để tạo ra một tấm pin mono và poly, các tấm wafer (miếng silic mỏng chừng 0.76 mm) được lắp thành các hàng và cột để tạo thành một hình chữ nhật, sau đó được phủ bằng một tấm kính và đóng khung lại với nhau
Trong khi cả hai loại pin mặt trời này đều có các cell được làm từ silic, các tấm mono và poly khác nhau trong thành phần của chính silic Pin mặt trời mono được cắt từ một tinh thể silic đơn, tinh khiết Còn pin mặt trời Poly bao gồm các mảnh tinh thể silic được nung chảy trong khuôn trước khi được cắt thành tấm wafer
Pin Thin-film
Không giống như các tấm pin mặt trời mono và poly, các tấm pin film được làm từ nhiều loại vật liệu Loại pin mặt trời Thin-film phổ biến nhất được làm từ cadmium Telluride (CdTe) Để tạo ra loại pin thin film này, các nhà sản xuất đặt một lớp CdTe giữa các lớp màng dẫn trong suốt giúp thu ánh sáng mặt trời Loại công nghệ Thin-film này cũng có một lớp kính trên cùng để bảo
Thin-vệ
Trang 24Các tấm pin mặt trời Thin-film cũng có thể được chế tạo từ silic vô định hình (a-Si), tương tự như thành phần của các tấm mono và poly Mặc dù loại pin Thin-film này có silic trong thành phần nhưng chúng không được tạo thành từ các tấm silic cứng Thay vào đó, chúng bao gồm silic không kết tinh được đặt trên thủy tinh, nhựa hoặc kim loại
Cuối cùng là Copper Indium Gallium Selenide (CIGS), một loại công nghệ Thin-film phổ biến khác Các tấm pin CIGS có tất cả bốn thành phần được đặt giữa hai lớp dẫn điện (ví dụ như thủy tinh, nhựa, nhôm hoặc thép) và các điện cực được đặt ở mặt trước và mặt sau để thu dòng điện
Khi tiến hành chọn loại pin năng lượng mặt trời để lắp đặt bạn phải quyết định dựa theo yếu tố tài chính, tình hình thực địa và vị trí lắp đặt Mỗi loại mono, poly và thin-film đều có những ưu và nhược điểm riêng
Chủ sở hữu có mặt bằng lớn, nhiều không gian cho các tấm pin mặt trời
có thể chọn lắp đặt các tấm poly có hiệu suất trung bình với chi phí thấp hơn Nếu bạn có không gian hạn chế bạn có thể chọn lắp đặt các tấm pin mặt trời mono, hiệu suất cao hơn
Vị trí địa lý cũng ảnh hưởng tới việc loại loại pin Trong thực tế, pin mặt trời mono tốt hơn pin poly ở hiệu suất chuyển đổi ở những nơi có bức xạ mặt trời yếu (khoảng 3.8 - 4.8kWh/m2/ngày) Khu phía miền Nam nước ta có cường
độ bức xạ mặt trời cao nhất cả nước (từ 4.8 – 5.6kWh/m2/ngày), và miền Bắc là (từ 3.8 - 4.7kWh/m2/ngày) Ngoài ra, miền Nam có nhiệt độ cao hơn nên phải tính tới yếu tố suy giảm hiệu suất do nhiệt độ Thêm nữa là yếu chi phí đầu tư cho hệ thống sử dụng pin poly thấp hơn Vì vậy, pin poly nên sử dụng ở miền Nam và mono nên sử dụng ở miền Bắc
Pin thin-film ít dùng trong thực tế ở Việt Nam vì chúng cần quá nhiều diện tích lắp đặt và hiệu suất chuyển đổi thấp Chúng có thể được sử dụng ở những nơi không thể chịu được trọng lượng của các hệ thống thiết bị năng lượng mặt trời truyền thống Ngoài ra, các tấm pin thin-film đôi khi có thể là một giải pháp hữu ích cho các hệ mặt trời di động như trên xe hoặc thuyền
1.3.4 Thu hồi vốn khi lắp hệ thống năng lượng mặt trời:
Trang 25Cách tính lợi ích kinh tế và thời gian thu hồi vốn như sau, gồm 2 lợi ích chính:
+ Thứ nhất: đó là lợi nhuận có được từ lượng điện năng do hệ thống điện mặt trời sản sinh ra, cá nhân (tổ chức) sử dụng không hết và bán lại cho ngành Điện Sản lượng điện năng này sẽ được đo đếm, ghi nhận lại bởi công tơ 2 chiều của ngành Điện đã lắp cho cá nhân (tổ chức) Tùy theo công suất của hệ thống điện mặt trời và thời tiết (cường độ ánh sáng, nhiệt độ không khí, mùa) mà lượng điện năng hệ thống sản sinh ra có thể cao hoặc thấp Và còn tùy thuộc vào công suất sử dụng của hộ tiêu thụ mà lượng điện năng dư thừa, bán lại cho ngành Điện trong một ngày là lớn hay nhỏ Theo số lượng thống kê tại 1 hộ gia đình có lắp hệ thống điện mặt trời, công suất 12,75 kWp thì tại ngày cao điểm nhất trong năm, hệ thống sản sinh ra lượng điện năng là 58kWh, lượng điện năng dư thừa, bán lại cho ngành Điện là 36 kWh, ứng với số tiền ngành Điện trả cho hộ dân là:
36 x 1943 đồng x 110% = 76.943 đồng
Nếu tính trung bình cả năm, lượng điện bán cho ngành Điện là 70% lượng điện năng trên thì số tiền tương ứng cả năm là 19.659.000 đồng
+ Thứ hai: đó là lợi nhuận quy đổi do chênh lệch giá điện bậc thang đối
hộ sinh hoạt Xét hộ tiêu thụ nói trên, khi chưa lắp điện mặt trời, tháng cao điểm trong năm (mùa hè), hộ sử dụng lượng điện năng là 650 kWh, giá bậc thang cao nhất (chưa gồm VAT) là 2927 đồng/kWh) Khi lắp điện mặt trời, lượng điện năng mà hộ dân mua từ ngành Điện chỉ là 350 kWh, giảm 300 kWh, ứng với tiền điện giảm được là 960.000 đồng Nếu tính trung bình là 70% số lượng trên thì tính cho cả năm hộ đó tiết kiệm được 8,071 triệu đồng
Như vậy, tổng lợi nhuận quy đổi được từ hệ thống điện mặt trời là:
Trang 261.4 Kết luận chương 1
Như vậy, với đặc điểm tình hình lưới điện tỉnh Lạng Sơn, tình hình cấp điện trên địa bàn, những ưu điểm, thuận lợi trong việc phát triển điện mặt trời của địa bàn thành phố Lạng Sơn, tính năng, công nghệ hiện đại của hệ thống điện mặt trời hiện nay thì việc phát triển, mở rộng điện năng lượng mặt trời, từng bước đưa điện mặt trời thành nguồn năng lượng điện chính của thành phố Lạng Sơn, của tỉnh và của Quốc gia sẽ có nhiều cơ sở để trở thành hiện thực
Trang 27Chương 2 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI
LAI (HYBRID) 2.1 Giới thiệu:
Ứng dụng công nghệ chuyển hóa quang năng thành điện năng đã trở thành
xu thế mới để dần thay thế các nguồn điện sử dụng tài nguyên môi trường Hệ thống điện mặt trời mái nhà với công suất nhỏ, tiện dụng, điện mặt trời (ĐMT) lắp trên mái nhà không chỉ giúp tiết kiệm chi phí, mà còn góp phần giảm áp lực
về đầu tư nguồn điện, giảm ô nhiễm môi trường Ưu thế của nó thể hiện như sau:
- Điện mặt trời mái nhà là giải pháp năng lượng mặt trời cho hộ gia đình, doanh nghiệp là nguồn năng lượng tái tạo thực sự, chuyển hóa quang năng thành điện năng, tận dụng ánh sáng mặt trời, thân thiện với môi trường
- Sử dụng nguồn "nguyên liệu" gần như là vô tận - ánh sáng mặt trời, sử dụng trong gia đình, doanh nghiệp giúp giảm sâu hóa đơn tiền điện hằng tháng
- Chi phí bảo trì, bảo dưỡng cực thấp Người dùng chỉ cần giữ hệ thống sạch sẽ (vệ sinh 2-3 lần/năm) Hệ thống điện mặt trời mái nhà không có các bộ phận chuyển động gây hao mòn, do đó chi phí bảo dưỡng gần như là không có
- Công nghệ phát triển điện mặt trời phát triển rất nhanh và không ngừng tiến bộ Những đổi mới của công nghệ càng ngày sẽ càng làm cho hiệu quả của các tấm pin mặt trời tăng lên
Trang 28Có ba mô hình chính: Mô hình các hệ thống khác nhau của điện mặt trời như mô hình nối lưới trực tiếp; Mô hình năng lượng mặt trời nối lưới có lưu trữ
- dùng hệ thống lưu trữ nguồn điện; Mô hình kết hợp lưu trữ và nối lưới trực tiếp
2.1.2.1 Mô hình nối lưới trực tiếp (On Grid)
Năng lượng mặt trời được hấp thu trực tiếp qua tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện một chiều DC Sau đó thông qua bộ chuyển đổi điện hòa lưới (DC/AC inverter on grid) Dòng điện được chuyển đổi thành điện xoay chiều AC, cùng pha, cùng tần số với điện lưới quốc gia Hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới quốc gia cùng cung cấp điện cho các thiết bị điện
Hình 2.1: Mô hình nối lưới trực tiếp
2.1.2.2 Mô hình năng lượng mặt trời độc lập (Off Grid)
Nó gần tương tự hệ thống điện nối lưới không dự trữ Tuy nhiên, có thêm
hệ thống ắc quy lưu trữ như trên Hình 2.2 Dành cho những thiết bị quan trọng cần nguồn điện ổn định như camera quan sát, modum internet, máy tính, hoặc dành cho toàn bộ tải của hệ thống (chỉ dành cho những yêu cầu đặc biệt)
2.1.2.3 Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)
Đây là mô hình tích hợp của hai mô hình trên như trên Hình 2.3 Lượng điện mặt trời sau khi thu được nhờ pin năng lượng sẽ được nạp vào acquy Khi acquy đã đầy, lượng điện dư vẫn là điện 1 chiều sẽ được chuyển thành xoay
Trang 29chiều Điện xoay chiều được chuyển đến tải Nếu điện sử dụng từ tải vẫn còn dư thì sẽ chuyển lên lưới điện quốc gia
Hình 2.2: Mô hình năng lượng mặt trời độc lập
Hình 2.3: Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)
2.2 Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời
Từ các mô hình năng lượng mặt trời nói trên, ta đi xây dựng cấu trúc khối các hệ năng lượng mặt trời như sau:
2.2.1 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời nối lưới
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới được biểu diễn trên Hình 2.4, gồm các khối chức năng chính sau:
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);
Trang 30- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;
- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới
- Khối đồng bộ hóa lưới (PWM);
- Khối điều khiển chung hệ thống
2.2.2 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời độc lập
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời độc lập được biểu diễn trên Hình 2.5, gồm các khối chức năng chính sau:
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối tích lũy năng lượng một chiều (Ắc quy);
- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);
- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để cho lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;
- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;
- Khối điều khiển nghịch lưu (PWM);
- Khối điều khiển chung hệ thống
Trang 31Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập
2.2.3 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời lai
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời lai được biểu diễn trên Hình 2.6, gồm các khối chức năng chính sau:
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);
- Khối tích lũy năng lượng một chiều (Ắc quy);
- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;
Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời lai
- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;
- Khối đồng bộ hóa lưới (PWM);
- Khối điều khiển chung hệ thống
Trang 322.3 Hệ năng lượng điện mặt trời nối lưới có lưu trữ
Hệ năng lượng điện mặt trời nối lưới có lưu trữ có mô hình như trên Hình 2.2 và cấu trúc thể hiện như Hình 2.6 Sau đây, ta đi xét cụ thể từng khối của hệ điện mặt trời nối lưới có lưu trữ
2.3.1 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic)
- Khái niệm
Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều tế bào quang điện ( gọi là solar cells) như trên hình 2.7 Tế bào quang điện này là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là đi ốt quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện
Hình 2.7: Các tấm pin mặt trời
Các chỉ số cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm pin thay đổi phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện này được ghép lại thành một khối để trở thành pin mặt trời ( thông thường sẽ từ
60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin)
Tấm pin năng lượng mặt trời là vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng được lắp trong hệ thống điện mặt trời Nếu như thủy điện thì tạo ra điện từ nước, nhiệt điện thì từ than còn pin năng lượng mặt trời sẽ tạo ta nguồn điện từ ánh sáng của mặt trời Đây là điểm đặc biệt và cũng là ưu thế của pin mặt trời, tận dụng tốt nguồn ánh sáng vô tận và quý giá để sản xuất ra năng lượng phục vụ nhu cầu của con người
Thêm vào đó, tấm pin mặt trời không chỉ làm việc khi có ánh nắng mặt trời mà ngày cả khi thời tiết có nhiều mây, tấm pin năng lượng mặt trời vẫn sẽ
Trang 33làm việc tốt Trong thực tế, tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra điện từ ánh sáng, không phải từ năng lượng nhiệt Vì vậy nó sẽ sản xuất điện tốt hơn trong khu vực mát, lạnh so với các khu vực nóng với cùng một lượng ánh sáng mặt trời Giá tấm pin năng lượng mặt có thể lên tới 2.500.000 VND/tấm
Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lượng điện mà pin mặt trời phát ra trên tổng số năng lượng của ánh sáng mặt trời trong phạm vị 1m² Hiệu suất của
pin mặt trời thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin
Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời Năng lượng mặt trời được tạo ra từ các tế bào quang điện (PV) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do lợi thế như không cần chi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắng mặt của bộ phận chuyển động Về lý thuyết đây là một nguồn năng lượng lý tưởng Tuy nhiên, để
hệ thống này được triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giải quyết một số vấn đề như: Giảm chi phí lắp đặt; tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng
và các vấn đề liên quan đến sự tương tác với các hệ thống khác
- Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời
Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên Hình 2.8 Ta có:
Trang 34
d c
độ tuyệt đối của tế bào (0K); Vd là điện áp trên điôt (V); Rp là điện trở song song
Hình 2.8: Mô hình tương đương của module PV
Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức (2.2)
I T T I G (2.2) Với: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K); Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ
250C và bức xạ mặt trời 1kW/m2); G là bức xạ mặt trời kW/m2
Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu thức (2.3)
g ref c
qV
kF T T c
Trang 35là điện áp hở mạch của tế bào Từ các biểu thức (2.1), (2,2), (2.3), (2.4) ta có thể xây dựng được mô hình mô phỏng modul PV trên Matlab Trong các mô hình
đó, các đầu vào là bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tế bào quang điện, các đầu ra
là áp và dòng PV Các thông số của mô hình thường được lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp
Công suất của pin được tính theo công thức:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theo nhiệt độ
- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời
- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm PV Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi
là điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point)
2.3.2 Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC)
- Chức năng
Bộ biến đổi một chiều một chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều
về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường 300 - 600V) và duy trì ổn định điện áp đó để hòa vào thanh cái một chiều (DC- Bus) cùng với điện áp của các nguồn năng lượng tái tạo khác (nếu có) Đồng thời thông qua bộ biến đổi DC/DC này để thực hiện điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống
Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều
Trang 36chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:
Bộ tăng áp Boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC
- Các loại bộ biến đổi DC/DC không cách li
+ Mạch Buck
Sơ đồ nguyên lý mạch buck được chỉ ra trên Hình 2.10 Khóa K trong
mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được
Trang 37đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:
số đóng cắt
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Điot khép kín mạch Như vậy cuộn kháng và tụ điện
có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng
Công thức (2.7) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM
Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất, bộ Buck còn thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dòng điện vào không liên tục vì khoá điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt
Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa
Trang 38điện tử Bộ Buck có thể làm việc làm việc trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điện áp nạp ắc quy thấp dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp + Mạch Boost
Sơ đồ nguyên lý mạch boock như Hình 2.11
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt tới tải
UU
1 D
Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục
để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo
+ Mạch Buck - Boost:
Có sơ đồ nguyên lý như Hình 2.12
Trang 39Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost
Từ công thức (2.9): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa
có thể tăng và giảm điện áp vào
Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó
sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điot phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do
đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian
Ta có công thức:
in out
U DU
Trang 40Hình 2.13: Bộ chuyển đổi DC/DC có cách ly
Bộ chuyển đổi DC-DC được mô tả trong Hình 2.13 Chúng bao gồm một tụ lọc đầu vào C1, 6 chuyển mạch dùng MOSFET (M1-M6), hai điôt chỉnh lưu, D1
và D2, một biến áp cao tần với hệ số biến áp bằng K và một tụ hóa C2
Máy biến áp cung cấp điện áp cách ly giữa bảng mạch PV và lưới, nâng cao độ an toàn cho toàn hệ thống Điện cảm rò (Lk) được sử dụng như 1 phần
tử chuyển đổi nguồn Sự điều khiển chuyển đổi pha thích hợp giữa những chân cầu vào (M1-M4) và những chân kích hoạt chỉnh lưu (M5-M6) cho phép định hướng dòng điện của biến áp, vì vậy có thể đạt được chuyển đổi với điện áp và dòng điện bằng 0 (Zero current Zero Voltage Switching - ZCZVS)
2.3.3 Nghịch lưu nối lưới (Grid Tie Inverter)
Bộ nghịch lưu (Inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC)
từ thanh cái một chiều thành dòng điện xoay chiều (AC) và kết nối với lưới Khác với bộ nghịch lưu làm việc nối lưới có lưu trữ, nghịch lưu nối lưới phải đảm bảo chuẩn kết nối lưới về biên độ, tần số và góc pha, đồng thời phải điều chỉnh được dòng công suất bơm vào lưới
Tùy theo yêu cầu của phụ tải mà ta thiết kế bộ nghịch lưu là một pha hay ba pha Trong phạm vi của đề tài ta chỉ nghiên cứu bộ nghịch lưu một pha
2.3.3.1 Nghịch lưu dòng một pha:
Là mạch nghịch lưu có điện cảm L bằng vô cùng ở đầu vào, làm cho tổng trở trong của nguồn có giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng Hình 2.14 trình bày sơ đồ nguyên lý và mạch điện tương đương của Nghịch lưu nguồn dòng 1