Giải pháp xây dựng hệ thống pin mặt trời kết hợp nguồn diesel hiện có cấp điện cho huyện đảo lý sơn quảng ngãi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI NGỌC PHƯƠNG GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP NGUỒN DIESEL HIỆN CÓ CẤP ĐIỆN CHO HUYỆN ĐẢO LÝ SƠN - QUẢNG NGÃI Chuyên ngành:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

MAI NGỌC PHƯƠNG

GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP NGUỒN DIESEL HIỆN CÓ CẤP ĐIỆN CHO HUYỆN ĐẢO

LÝ SƠN - QUẢNG NGÃI

Chuyên ngành: Mạng và Hệ thống điện

Mã số: 60.52.50

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2013

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐOÀN ANH TUẤN

Phản biện 1: TS TRẦN TẤN VINH

Phản biện 2: TS NGUYỄN LƯƠNG MÍNH

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 25 tháng 5 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại Học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định, việc vận chuyển khó khăn, tốn kém đặc biệt là tới những vùng sâu,

xa, hải đảo… thì nhiều nguồn năng lượng thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu đặc biệt là nguồn NLMT Việc tiếp cận để tận dụng nguồn NLMT không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp giảm thiểu việc ô nhiễm môi trường

Huyện Lý Sơn là một huyện đảo được tách ra từ huyện Bình Sơn- tỉnh Quảng Ngãi năm 1993, cách đất liền 30km Huyện nằm ở phía Đông Bắc tỉnh Quảng Ngãi, có tọa độ địa lý từ 15032’ đến

150058’ Vĩ độ Bắc và 10905’ đến 109014’ Kinh độ Đông, nằm án ngữ con đường ra biển Đông của khu vực kinh tế trọng điểm miền Trung qua cửa ngõ Dung Quất

Khu vực huyện đảo Lý Sơn có diện tích tự nhiên 9,97 km2, gồm 3 xã An Hải, An Vĩnh (thuộc đảo lớn) và An Bình (đảo bé), dân

số toàn huyện hơn 20.000 người, với hơn 4.000 hộ Do cách xa đất liền nên Lý Sơn vẫn chưa được kết nối với lưới điện quốc gia Nguồn cung cấp điện duy nhất cho đảo là từ nhà máy điện Diesel Lý Sơn Đặc điểm của nguồn phát điện Diesel là nếu huy động phát thường xuyên thì các tổ máy rất dễ xảy ra sự cố dẫn đến có thể ngừng cung cấp điện toàn bộ Huyện

Với lợi thế nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời trung bình cao 4,71 kWh/m2.ngày, việc xây dựng HTPMT kết hợp với nguồn Diesel hiện có tại đảo có thể xem là một giải pháp hợp lý nhằm tăng độ tin cậy cung cấp điện và mang lại những lợi ích thiết

thực về mọi mặt cho toàn huyện

2 Mục đích nghiên cứu

Việc nghiên cứu giải pháp xây dựng HTPMT kết hợp nguồn Diesel hiện có cấp điện cho huyện đảo Lý Sơn- tỉnh Quảng Ngãi đóng vai trò hết sức quan trọng trong sự phát triển mọi mặt về vật chất cũng như tinh thần của người dân trên đảo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Huyện đảo Lý Sơn- tỉnh Quảng Ngãi

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu, lựa chọn HTPMT, hệ thống kho ắc quy, các hệ thống biến đổi, điều khiển và các giải pháp đấu nối Phân tích các chế độ làm việc của hệ thống điện ở Lý Sơn trước và sau khi xây

dựng HTPMT

Tính toán hiệu quả kinh tế khi xây dụng thêm HTPMT kết hợp nguồn Diesel hiện có tại đảo Lý Sơn

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về NLMT và các mô hình biến đổi NLMT thành điện năng

Thu thập, thống kê số liệu về cường độ bức xạ mặt trời vào các tháng trong nhiều năm tại huyện đảo Lý Sơn

Chọn địa điểm xây dựng HT PMT

Các giải pháp kỹ thuật công nghệ chủ yếu của HT Diesel

PMT-5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Từ thực tiễn nhu cầu tiêu thụ năng lượng của con người ngày một tăng dần trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống gây ô nhiễm môi trường và càng lúc càng cạn kiệt theo thời gian Vì thế,

chúng ta cần phải đi tìm và khai thác các nguồn năng lượng mới - nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường và một trong số

đó chính là nguồn NLMT

Từ thực tiễn Lý Sơn là một huyện đảo nằm cách xa đất liền chưa được kết nối với điện lưới quốc gia, nhà máy điện Diesel nơi đây hoạt động thiếu ổn định, không đủ công suất để đáp ứng nhu cầu phụ tải và chi phí sản xuất điện bằng dầu diesel cao do việc vận chuyển dầu ra đảo khó khăn, tốn kém và giá dầu trên thế giới có xu hướng tăng cao dần theo thời gian

Nội dung luận văn muốn nghiên cứu xây dựng một Diesel nhằm khai thác thế mạnh về tiềm năng mặt trời tại Lý Sơn, đồng thời cũng vừa tận dụng được cơ sở vật chất là các máy phát Diesel hiện có để giải quyết phần nào vấn đề thiếu điện của người dân trên đảo

HTPMT-6 Các nội dung nghiên cứu

Mở đầu

Chương 1: Hiện trạng cung cấp, sử dụng điện năng và nhu cầu xây dựng hệ thống điện mặt trời tại huyện đảo Lý Sơn, tỉnh quảng ngãi

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về NLMT Các khảo sát, thống kê tiềm năng bức xạ mặt trời tại huyện đảo Lý Sơn

Chương 3: Tính toán kết hợp HTPMT- Diesel tại huyện đảo

Lý Sơn và lựa chọn giải pháp kỹ thuật công nghệ chủ yếu

Chương 4: Tổng mức đầu tư và tính hiệu quả khi xây dựng HTPMT kết hợp nguồn Diesel hiện có tại huyện đảo Lý Sơn

Kết luận và kiến nghị

Các tài liệu tham khảo

Các phụ lục

CHƯƠNG 1 HIỆN TRẠNG CUNG CẤP, SỬ DỤNG ĐIỆN NĂNG VÀ NHU CẦU XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI TẠI HUYỆN

ĐẢO LÝ SƠN, TỈNH QUẢNG NGÃI

1.1 HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG ĐIỆN TẠI HUYỆN ĐẢO LÝ SƠN

Đường dây 22 kV:

- Đường dây trên không: Chiều dài tuyến 8.406 mét, dây dẫn 3M50

- Cáp ngầm: Chiều dài tuyến 356 mét, dây dẫn

XLPE/DSTA/PVC-3M120

Trạm biến áp phụ tải: Gồm 11 TBA 22/0,4 kV với tổng dung

lượng 2520 kVA

Đường dây 0,4 kV:

- Chiều dài tuyến 17.501 mét, cơ bản đảm bảo cung cấp điện

cho các khu dân cư

1.2 TÌNH HÌNH CUNG CẤP ĐIỆN VÀ KINH DOANH ĐIỆN

NĂNG

1.2.1 Tình hình cung cấp điện

Huyện đảo Lý Sơn chỉ được cấp điện từ 1 nguồn Diesel duy

nhất là Nhà máy điện Lý Sơn

Phụ tải trong huyện khoảng 1500 kW Từ ngày 3/07/2012 cho

đến nay, Điện lực Lý Sơn đã cấp điện liên tục cho nhân dân 06 giờ

một ngày và không cắt điện luân phiên như trước đây nữa Để cấp

điện được như vậy Điện lực Lý Sơn đã huy động, vận hành toàn bộ

công suất các tổ máy đang có tại huyện đảo, nếu 01 tổ máy bị sự cố

thì việc cấp điện cho nhân dân sẽ bị gián đoạn, lịch cấp điện luân

phiên phải được thực hiện

1.2.2 Tình hình kinh doanh điện năng

Số lượng khách hàng hiện nay trong toàn huyện khoảng 3.700

khách hàng Hằng năm, Công ty điện lực Quảng Ngãi phải bù lỗ

hàng chục tỷ đồng cho quá trình vận hành và phát điện bằng nguồn

phát Diesel

1.3 KHẢ NĂNG KẾT NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

Do cách xa đất liền nên Lý Sơn vẫn chưa được kết nối với lưới

điện quốc gia

1.4 NHỮNG YẾU TỐ THÚC ĐẨY SỰ PHÁT TRIỂN NLMT

Nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng cao

Nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống ngày càng giảm dần

và gây tác động xấu đến môi trường

1.5 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NLMT Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

1.5.1 Tình hình sử dụng NLMT ở Việt Nam

1.5.2 Tình hình sử dụng NLMT trên thế giới

1.6 NHU CẦU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CHO HUYỆN ĐẢO LÝ SƠN

Chưa kết nối được với điện lưới quốc gia

Nhà máy điện Diesel nơi đây cũ kỹ, hoạt động không ổn định, hiệu quả và không đủ công suất để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện của các hộ tiêu thụ

Có lợi thế nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao 4,71 kWh/m2.ngày

1.7 KẾT LUẬN

Hiện tại, nguồn phát điện ở Lý Sơn là các máy phát Diesel đã

cũ kỹ, dễ xảy ra sự cố khi hoạt động liên tục và gây ô nhiểm môi trường Trong xu thế giá dầu Diesel ngày càng tăng cao dẫn đến chi phí sản xuất điện lớn hơn nhiều so với giá thành bán điện cho khách hàng, vì thế hằng năm Công ty điện lực Quảng Ngãi phải bù lỗ hàng chục tỉ đồng để vận hành các tổ máy phát này

Do cách xa đất liền nên Lý Sơn chưa được kết nối với lưới điện quốc gia Giải pháp xây dựng HTPMT - Diesel nơi đây có thể xem là một giải pháp có nhiều ưu điểm nổi bậc như bảo vệ môi trường, tận dụng được cơ sở thiết bị là các tổ máy phát Diesel hiện có của đảo, giảm

sự phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn Diesel giá thành cao

2.2.1 Cấu tạo pin mặt trời

Hình 2.19- Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- Diesel

Hình 2.20- Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- gió-

Diesel

2.3.3 Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới

a Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới không dự trữ

Hình 2.21- Sơ đồ điển hình hệ thống NLMT kết nối lưới không dự trữ

b Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ

Hình 2.23- Sơ đồ minh họa hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ

2.4 CÁC KHẢO SÁT, THỐNG KÊ VỀ TIỀM NĂNG BỨC XẠ

MẶT TRỜI TẠI HUYỆN ĐẢO LÝ SƠN

Bảng 2.2a- Giá trị bức xạ mặt trời trung bình 6 tháng đầu năm tại Lý Sơn

Bảng 2.2b- Giá trị bức xạ mặt trời trung bình 6 tháng cuối năm tại Lý Sơn

Chương này giới thiệu cơ sở lý thuyết về NLMT, đưa ra các

mô hình biến đổi NLMT thành điện năng Trên cơ sở phân tích các

ưu, nhược điểm của tùng loại mô hình, điều kiện và cơ sở vật chất

hiện có tại huyện đảo Lý Sơn, tác giả đề xuất lựa chọn mô hình hệ

thống độc lập kết hợp giữa NLMT và nguồn phát điện Diesel Mô

hình kiểu này có đầy đủ lợi thế của các nguồn năng lượng tiềm năng,

hiện có tại địa phương và đặc biệt phù hợp ở những nơi mà điện lưới

khó vươn tới như huyện đảo Lý Sơn

Huyện đảo Lý Sơn thuộc khu vực có NLMT cao, cường độ

bức xạ mặt trời trung bình ngày khoảng 4,71 kwh/m2.ngày Đây là

điều kiện thuận lợi để khai thác và phát triển NLMT

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT HỢP HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI -

DIESEL TẠI HUYỆN ĐẢO LÝ SƠN VÀ LỰA CHỌN GIẢI

PHÁP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHỦ YẾU

3.1 LỰA CHỌN MÔ HÌNH HTPMT- DIESEL, VỊ TRÍ LẮP

ĐẶT HTPMT

3.1.1 Lựa chọn mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa PMT-Diesel đã nêu ở

chương 2 được đề suất lựa chọn làm sơ đồ hệ thống

Hình 3.1- Sơ đồ HTPMT kết hợp với nguồn Diesel

3.1.2 Vị trí xây dựng HTPMT

Qua quá trình khảo sát thực tế ta thấy rằng địa điểm thích hợp để

lắp đặt HTPMT đáp ứng các yêu cầu trên là tại thôn tây xã An Vĩnh

Hình 3.3- Sơ đồ mặt bằng lưới điện tại huyện đảo Lý Sơn

3.2 CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHỦ YẾU 3.2.1 Hệ thống PMT

Hiện nay, sản lượng phát của nhà máy điện Diesel Lý Sơn khoảng EĐ = 4.000.000 (kWh/năm) Dự kiến xây dựng HTPMT có sản lượng cần phát Ecấp = 1095,89 (kWh/ngày) đáp ứng khoảng 1/10 tổng sản lượng điện năng tiêu thụ hiện tại ở Lý Sơn

Tấm pin DYN300-24M có công suất 300 Wp và bộ biến đổi điện DC-AC SMC 11000TL-10 có công suất 11,4 kW được đề xuất lựa chọn

3.2.2 Bộ biến đổi điện DC-AC (Inverter)

Trong đề tài này, tác giả đề suất lựa chọn bộ biến đổi điện

DC-AC Sunny Mini Central 11000TL ( SMC 11000TL-10) có tích hợp sẵn thiết bị hòa lưới và bộ RS 485 để truyền thông tin đến bộ Sunny WebBox, có thể lắp cùng các bộ biến đổi điện

HT PMT có công suất 324 kWp gồm 1080 tấm pin được chia thành 90 dãy đấu song song, trong đó mỗi dãy gồm 12 tấm pin đấu nối tiếp với nhau 90 dãy pin này sẽ được chia thành 30 nhóm, trong

đó mỗi nhóm gồm 3 dãy pin đấu song song với nhau để đấu vào 30

bộ biến đổi điện DC-AC SMC 11000TL-10 Cuối cùng, các bộ biến đổi này sẽ được đấu nối vào bộ Sunny WebBox lắp đặt cùng với các

bộ biến đổi điện

Hình 3.5- Sơ đồ ghép nối các tấm PMT với bộ biến đổi điện DC-AC

Bảng 3.1- Điện năng HTPMT sinh ra trong 6 tháng đầu năm

181,16

134,05

111,86

92,75

71,21 1.719,15

xạ mặt trời thấp nên sản lượng điện năng HTPMT sinh ra là thấp nhất, các tháng 5,6,7,8 có sản lượng cao nhất; các tháng còn lại có sản lượng trung bình

3.2.3 Hệ thống kho ắc quy

Hệ thống ắc quy là thành phần rất quan trọng trong Diesel Chất lượng ắc quy sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình làm việc của hệ thống

HTPMT-Dung lượng của hệ thống ắc quy tính ra Ah, phụ thuộc vào hiệu điện thế V của hệ thống ắc quy, số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng) D, hiệu suất nạp phóng điện của ắc quy ηb,

độ sâu phóng điện thích hợp DOS (khoảng 0,6 ÷ 0,7) và được tính theo công thức sau:

out b

E DC

V.η DOS



[Ah] (3.2)

Để có điện áp 48 V cần ghép 24 ắc quy CL 3000 nối tiếp lại với nhau thành một dãy có dung lượng 3000Ah/48V

Số dãy bình ắc quy mắc song song:

Chọn nss = 15 Như vậy, cần ghép song song 15 dãy ắc quy 3000Ah/48V Trong đó dung lượng của mỗi bình là Cb tính ra [Ah] Khi đó, tổng số bình ắc quy CL 3000 cần lắp đặt được xác định:

n = nnt.nss = 24.15 = 360

Như vậy, hệ thống kho ắc quy lúc này có dung lượng 45.000Ah/48V gồm 360 ắc quy Vison CL3000 được lắp ghép với nhau thành 15 dãy song song, mỗi dãy gồm 24 ắc quy mắc nối tiếp

3.2.4 Bộ biến đổi điện ắc quy

Trong đề tài nầy, tác giả đề suất lựa chọn bộ biến đổi điện ắc quy là bộ Sunny Island SI 8.0H HTPMT cần xây dựng có công suất

Đây chính là hệ thống nhà máy điện Diesel của công ty điện

lực Lý Sơn hiện có đã nêu ở chương I

3.3 PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LƯỚI ĐIỆN

Điện năng trung bình HTPMT cung cấp là 417.753 kWh/năm

nên công suất phát trung bình của HTPMT khoảng 190 kW là nhỏ

hơn nhiều so với hệ thống Diesel có công suất khả dụng Pmax =

2260kW

HTPMT chỉ phát công suất tác dụng, trong khi đó phụ tải có

tiêu thụ công suất phản kháng Vì thế, cần đặt tụ bù để sinh công suất

phản kháng phát cho tải tiêu thụ tại vị trí của HTPMT

Bằng phần mềm PowerWord, tác giả mô phỏng chế độ làm

việc của hệ thống điện huyện đảo Lý Sơn trước và sau khi có

HTPMT ở 2 chế độ làm việc là phụ tải cực đại và cực tiểu Chọn Scb = 1000kVA, Ucb = 22kV

Bảng 3.4- Thông số dữ liệu nhánh nhập vào phần mềm PowerWord

Hình 3.9- Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện huyện đảo Lý Sơn ở chế độ

phụ tải cực đại khi có HTPMT

vì công suất phát của nhà máy Diesel lơn hơn nhiều so với HTPMT Sau khi xây dựng sơ đồ hệ thống và nhập đầy đủ các dữ liệu nút, nhánh ta tiến hành chạy phần mềm PowerWorld để mô phỏng và

so sánh hệ thống điện tại Lý Sơn trước và sau có HTPMT

Hình 3.8- Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện huyện đảo Lý Sơn ở chế độ

phụ tải cực đại khi chưa có HTPMT

Nhận xét:

Tổn thất công suất trong trường hợp không có HTPMT là

36,501 kW lớn hơn so với trường hợp có HTPMT là 25,350 kW

Điện áp tại các nút đều nằm trong phạm vi cho phép từ (0,95

1,05) pu

3.3.2 Chế độ phụ tải cực tiểu:

Tương tự như trường hợp chế độ phụ tải cực đại nhưng tải cực

tiểu chỉ lấy khoảng 50% công suất định mức các máy biến áp, cắt các

tụ bù ra khỏi tải vì trong trường hợp nầy nếu bù có thể làm tăng điện

áp tại các nút tải

Hình 3.10- Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện huyện đảo Lý Sơn ở chế

độ phụ tải cực tiểu khi chưa có HTPMT

Nhận xét:

Tổn thất công suất ở chế độ phụ tải cực tiểu trong trường hợp không có HTPMT là 9,976 kW lớn hơn so với trường hợp có HTPMT là 4,997 kW

Điện áp tại các nút đều nằm trong phạm vi cho phép từ (0,95 1,05)pu

Điện áp của các nút đều nằm trong phạm vi cho phép (0,95 1,05)pu

3.4 KẾT LUẬN

Ở chương này tác giả đã tính toán và đưa ra các giải pháp công nghệ chủ yếu để xây dựng HTPMT kết hợp nguồn Diesel hiện có tại huyện đảo Lý Sơn Khi kết nối HTPMT với lưới điện để vận hành, điện áp của các nút đều nằm trong phạm vi cho phép (0,95 1,05)pu

và tổn thất công suất giảm xuống so với trường hợp chỉ phát điện bằng máy phát Diesel như hiện tại

Hình 3.11- Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện huyện đảo Lý Sơn ở chế

độ phụ tải cực tiểu khi có HTPMT