Nghiên cứu về hiện tượng cảm ứng sét lên các hệ thống pin NLMT

LVThs GVHD: TS.Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 12 1.1 Lý thuyết tượng điện áp khí 12 1.1.1 Sự hình thành giơng sét 12 1.1.2 Tích điện đám mây 13 1.1.3 Hiện tượng phóng điện 14 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời 15 1.2.1 Cấu tạo vật lý pin quang điện 15 1.2.2 Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời 18 1.3 Các nghiên cứu tượng cảm ứng điện từ sét lên pin mặt trời 22 1.3.1 Cảm ứng điện từ nguồn dòng lên vòng dây lý tưởng 22 1.3.2 Tính tốn dịng cảm ứng pin theo phương pháp giải tích 24 1.3.3 Tính tốn dịng cảm ứng pin theo phương pháp số 32 1.3.4 Ảnh hưởng xung sét lên hiệu suất đặc tính pin 38 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM VÀ SỰ CỐ TẠI NMĐMT SƠN MỸ 3.1 41 2.1 Tổng quan phần mềm tính tốn 41 2.1.1 Phần mềm Matlab Matlab Simulink 41 2.1.2 Phần mềm Atair Feko 43 2.2 Tổng quan cố NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 47 2.2.1 Nhà máy điện mặt trời Sơn Mỹ 3.1 47 2.2.2 Sự cố sét đánh NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 49 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ CÁC CƠNG THỨC TÍNH TỐN VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TÍNH TỐN 52 3.1 Mô lại cố xảy NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 52 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThs GVHD: TS.Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc 3.1.1 Tính tốn phương pháp giải tích 52 3.1.2 Tính tốn phương pháp số 56 3.1.3 Kết luận kết tính tốn mơ lại cố 61 3.2 Tính tốn dịng cảm ứng phương pháp giải tích với trường hợp dịng sét khác 61 3.3 Tính tốn dịng cảm ứng phương pháp số trường hợp với dòng sét khác 66 3.3.1 Dòng cảm ứng sét qua Bypass Diode 66 3.3.2 Cường độ trường từ trường điện cảm ứng lên pin 69 3.4 Tổng hợp đánh giá phân tích kết 79 3.4.1 So sánh kết tính tốn phương pháp 79 3.4.2 So sánh kết tính tốn với thí nghiệm thực tế 79 3.4.3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng dòng sét kết luận 82 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP 85 4.1 Đề xuất giải pháp 85 4.2 Tính tốn đánh giá ảnh hưởng giải pháp 85 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90 5.3 Kết luận 90 5.4 Hướng phát triển luận văn 91 QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO 96 QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 96 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThs GVHD: TS.Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc DANH MỤC VIẾT TẮT • • • • • • • • • • • • • • • • QHĐ ĐC : Điều chỉnh quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011- 2020 có xét đến năm 2030 Thủ tướng phủ phê duyệt định số 428/QĐ-TTg ngày 18/03/2016 HTĐ : Hệ thống Điện ĐZ, ĐD : Đường dây MBA, TBA : Máy biến áp, trạm biến áp NMĐ : Nhà máy điện NMNĐ : Nhà máy thủy điện NMĐMT : Nhà máy điện mặt trời NLMT : Năng lượng mặt trời ĐMTAM : Điện mặt trời áp mái NMĐG : Nhà máy điện gió NLTT : Năng lượng tái tạo FEM : Phương pháp phần tử hữu hạn FDTD : Phương pháp sai phân hữu hạn ESE : Phát tia tiên đạo sớm PV : Tấm pin lượng mặt trời JB : Hộp nối Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThs GVHD: TS.Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Q trình hình thành mây giơng tích điện đám mây 12 Hình 1.2: Phân bố điện tích đám mây 14 Hình 1.3: Sự hình thành tia sét từ mây xuống đất 15 Hình 1.4: Cấu tạo pin lượng mặt trời 16 Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động tế bào quang điện 18 Hình 1.6: Mơ hình mạch tương đương cho pin lượng mặt trời 19 Hình 1.7: Xuất điểm nhiệt (hotspot) pin Bypass Diode pin bị hư hỏng 20 Hình 1.8: Bypass Diode hoạt động để dẫn dịng khơng cho qua chuỗi tế bào bị che khuất 21 Hình 1.9: Đặc tính V-I tế bào quang điện có khơng có Bypass Diode 21 Hình 1.10: Bypass Diode hộp nối pin NLMT 22 Hình 1.11: Mơ hình hóa dịng sét vịng dây pin 22 Hình 1.12: Mơ hình hóa pin kim thu sét 25 Hình 1.13: Mơ hình hóa pin kim thu sét xét đến tác động khung 25 Hình 1.14: Bypass Diode phân cực ngược 26 Hình 1.15: Bypass Diode phân cực thuận [25] 27 Hình 1.16: Mạch với bypass diode phân cực ngược xuất dòng cảm ứng sét 30 Hình 1.17: Mạch với bypass diode phân cực thuận xuất dòng cảm ứng sét 30 Hình 1.18: Kết chạy tính tốn mơ trường hợp dịng sét có trị đỉnh 100kA (10/350 µs) [25] 31 Hình 1.19: Kết chạy tính tốn mơ trường hợp dịng sét có trị đỉnh 25kA (0.25/100 µs) [25] 31 Hình 1.20: Kết chạy tính tốn mơ trường hợp dịng sét có trị đỉnh 100kA (10/350 µs) [25] 32 Hình 1.21: Kết chạy tính tốn mơ trường hợp dịng sét trị đỉnh 25kA (0.25/100 µs) [25] 32 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThs GVHD: TS.Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Hình 1.22: Mơ tả đại lượng tính tốn khơng gian Oxyz 33 Hình 1.23: Xét đoạn dịng điện vi phân không gian 33 Hình 1.24: Thay phần tử dịng điện i (ρ ′, ϕ ′, z, t − r / v) đoạn đường dây 34 Hình 1.25: Vi phân dB3 mật độ từ thông cho nhánh nằm ngang 36 Hình 1.26: Chia nhỏ mặt phẳng vòng dây dẫn 38 Hình 1.27: Mơ hình thí nghiệm tác động xung cao áp lên pin NLMT 38 Hình 1.28: Đặc tính V-I hiệu suất pin NLMT sau thí nghiệm 39 Hình 1.29: Các vết nứt sau pin NLMT gây dò dòng xung lớn gần pin 39 Hình 1.30: Sơ đồ bố trí pin nguồn xung sét 40 Hình 2.1: Logo phần mềm Matlab 41 Hình 2.2: Mơ hình pin NLMT Matlab Simulink 43 Hình 2.3: Logo phần mềm Altair Feko 43 Hình 2.4: Ứng dụng phần mềm Altair Feko phân tích trường điện từ 46 Hình 2.5: NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 nhìn từ cao 47 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí hệ thống kim thu sét tia tiên đạo sớm ESE vùng bảo vệ 47 Hình 2.7: Lắp đặt hệ thống kim thu sét tia tiên đạo sớm ESE nhà máy 48 Hình 2.8: Thiết bị SPD tủ bảng điện 48 Hình 2.9: Khu vực bị sét đánh NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 49 Hình 2.10: Vị trí pin xảy tượng cảm ứng sét 49 Hình 2.11: Hình ảnh hồng ngoại pin cho thấy nhiệt hộp kết nối 50 Hình 2.12: Bypass Diode nhiệt dẫn đến hư hỏng hộp kết nối 50 Hình 2.13: Vết phóng điện bề mặt khung pin bị cố 51 Hình 3.1: Cấu tạo pin JAM72S01-375 thông số NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 52 Hình 3.2: Bố trí Bypass Diode bên pin 52 Hình 3.3: Kết tính tốn với dịng sét 18kA (25/100 µs) trường hợp cố NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 56 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThs GVHD: TS.Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Hình 3.4: Mơ hình hóa lớp cấu tạo pin NLMT phần mềm Altair Feko 57 Hình 3.5: Thư viện loại vật liệu đặc tính phần mềm Altair Feko 57 Hình 3.6: Mơ vòng dây liên kết chuỗi tế bào quang điện Bypass Diode phần mềm Altair Feko 58 Hình 3.7: Khai báo dịng sét miền tần số tính tốn phần mềm Altair Feko (Dạng sóng 8/20  s ) 58 Hình 3.8: Mơ hình pin nguồn sét mô phần mềm Altair Feko 59 Hình 3.9: Dịng cảm ứng sét qua Bypass Diode vị trí 3m so với sét đánh 60 Hình 3.10: Kết phân bố điện vịng dây bề mặt pin 60 Hình 3.11: Kết điện đầu Diode vị trí cách sét đánh 3m 60 Hình 3.12: Định nghĩa giá trị tính tốn phương pháp giải tích 62 Hình 3.13: Kết tính tốn với dịng sét 25kA (25/100 µs) 65 Hình 3.14: Kết tính tốn với dịng sét 50kA 65 Hình 3.15: Kết tính tốn với dịng sét 100kA 66 Hình 3.16: Kết tính tốn dịng cảm ứng sét qua Bypass Diode pin cách vị trí sét đánh 3m phương pháp số 67 Hình 3.17: Kết tính tốn dịng cảm ứng sét qua Bypass Diode pin cách vị trí sét đánh 5m phương pháp số 67 Hình 3.18: Kết tính tốn dịng cảm ứng sét qua Bypass Diode pin cách vị trí sét đánh 7m phương pháp số 68 Hình 3.19: Kết tính tốn dịng cảm ứng sét qua Bypass Diode pin cách vị trí sét đánh 10m phương pháp số 68 Hình 3.20: Kết tính tốn dịng cảm ứng sét qua Bypass Diode pin cách vị trí sét đánh 15m phương pháp số 69 Hình 3.21: Mơ tả đại lượng tính tốn khơng gian Oxyz 69 Hình 3.22: Kết tính tốn cường độ trường điện vòng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 3m phương pháp số 70 Hình 3.23: Kết tính tốn cường độ trường điện trường từ bề mặt pin pin cách vị trí sét đánh 3m phương pháp số 70 Hình 3.24: Kết tính tốn cường độ trường từ vòng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 3m phương pháp số 71 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThs GVHD: TS.Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Hình 3.25: Kết tính tốn cường độ trường điện vòng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 5m phương pháp số 71 Hình 3.26: Kết tính tốn cường độ trường điện trường từ bề mặt pin pin cách vị trí sét đánh 5m phương pháp số 72 Hình 3.27: Kết tính tốn cường độ trường từ vịng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 5m phương pháp số 72 Hình 3.28: Kết tính tốn cường độ trường điện vịng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 7m phương pháp số 73 Hình 3.29: Kết tính tốn cường độ trường điện trường từ bề mặt pin pin cách vị trí sét đánh 7m phương pháp số 73 Hình 3.30: Kết tính tốn cường độ trường từ vòng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 7m phương pháp số 74 Hình 3.31: Kết tính tốn cường độ trường điện vòng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 10m phương pháp số 74 Hình 3.32: Kết tính tốn cường độ trường điện trường từ bề mặt pin pin cách vị trí sét đánh 10m phương pháp số 75 Hình 3.33: Kết tính tốn cường độ trường từ vòng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 10m phương pháp số 75 Hình 3.34: Kết tính tốn cường độ trường điện vòng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 15m phương pháp số 76 Hình 3.35: Kết tính tốn cường độ trường điện trường từ bề mặt pin pin cách vị trí sét đánh 15m phương pháp số 76 Hình 3.36: Kết tính tốn cường độ trường từ vịng dây điểm gần sét đánh pin cách vị trí sét đánh 15m phương pháp số 77 Hình 3.37 : Cấu hình thí nghiệm dịng cảm ứng sét lên pin NLMT [33] Trong đó, dịng xung thí nghiệm có giá trị cực đại 4kA có dạng sóng hình : 80 Hình 3.38: Dịng xung thí nghiệm dòng cảm ứng sét lên pin NLMT 80 Hình 3.39: Dịng cảm ứng đo đạc từ thí nghiệm Bypass Diode [33] 81 Hình 3.40: Dịng cảm ứng sét tính tốn phương pháp giải tích cho trường hợp thí nghiệm (Dịng sét đỉnh 4kA, khoảng cách 1m) 81 Hình 3.41: Dịng cảm ứng sét tính tốn phương pháp giải tích cho trường hợp thí nghiệm (Dịng sét đỉnh 4kA, khoảng cách 1m) 82 Hình 3.42: Xác suất dòng sét theo biên độ cực đại [32] 83 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThs GVHD: TS.Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Hình 4.1: Kích thước vị trí lắp đặt Bypass Diode VSB2045-MB3 85 Hình 4.2: Đặc tính nhiệt độ - hiệu suất tổn thất – dòng phân cực thuận Bypass Diode VSB2045-MB3 86 Hình 4.3: Cửa sổ cài đặt đặc tính Cells module PV Cells – Matlab Simulink 87 Hình 4.4: Cửa sổ cài đặt đặc tính Bypass Diode Matlab Simulink 87 Hình 4.5: Mơ hình mơ hiệu ứng bóng che Matlab Simulink 88 Hình 4.6: Đặc tuyến V-I pin trước sau thay Bypass Diode 88 Hình 4.7: Đặc tuyến P-V pin trước sau thay Bypass Diode 89 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc MỞ ĐẦU Phần mở đầu giới thiệu tổng quan đề tài nghiên cứu mà luận văn thực I Lý chọn đề tài Sét hay tia sét tượng phóng điện khí đám mây đất hay đám mây mang điện tích khác dấu đơi cịn xuất trận phun trào núi lửa hay bão bụi (cát) Đối với pin lượng mặt trời, việc bảo vệ chống sét thiếu tiếp xúc gần trực tiếp môi trường bên pin lượng mặt trời Nhu cầu nghiên cứu cố đưa biện pháp bảo vệ vấn đề cần thiết cấp bách phát triển mạnh mẽ nguồn NLTT đặc biệt nguồn lượng mặt trời Nhiệm vụ có tính khả thi cao phù hợp bám sát với thực tiễn, đặc biệt sau cố nhà máy điện mặt trời Sơn Mỹ 3.1 ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản lượng điện nhà máy Các cố giông sét pin mặt trời ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện bán chi phí sửa chữa thay góp phần không nhỏ làm giảm doanh thu, lợi nhuận thu Đưa biện pháp bảo vệ hiệu giúp bảo vệ thiết bị có cố giông sét giúp làm giảm chi phí sửa chữa bảo hành tăng sản lượng điện bán Từ góp phần nâng cao hiệu hoạt động sản xuất kinh doanh công ty Theo tình hình phát triển nay, tương lai, hệ thống điện Việt Nam xây dựng thêm nhiều nhà máy NLTT với quy mô lớn dẫn đến nhiều khu vực lắp đặt pin lượng mặt trời NLTT đặc biệt NLMT dùng để thay phần nguồn lượng truyền thống lượng than khí đốt cạn kiệt Do đó, việc nghiên cứu tượng độ sét lên pin cần thiết Nhận thấy ảnh hưởng tượng độ sét lên pin mặt trời, nội dung luận văn tập trung nghiên cứu tượng đồng thời đưa giải pháp để giảm thiểu ảnh hưởng tượng Để quản lý tốt nhà máy điện mặt trời, cần giảm thiểu tác động làm suy giảm hiệu thời gian hoạt động nhà máy điện mặt trời Một rủi ro sét đánh – tượng phổ biến tự nhiên Tất thành phần nhà máy điện mặt trời liên kết điện với nên phận có rủi ro ảnh hượng đến thành phần khác Mặc khác, panel dây dẫn nằm ngồi trời (ở vùng trống trải, cao), hòa mạng với hệ thống điện AC nên khả bị sét đánh trực tiếp gián tiếp xuống hệ thống lớn Các tế quang điện Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc thành phần khác bị hư hỏng bị sét đánh vào, tối thiểu bị suy giảm hiệu suất hoạt động chúng tác động áp lan truyền gây Kết cuối thời gian sử dụng bị rút ngắn lại, tốn chi phí thay sửa chữa, hiệu suất đầu tư khơng cịn tính toán ban đầu, đặc biệt gián đoạn hệ thống gây ảnh hưởng cho hoạt động khác Do đó, cần có giải pháp bảo vệ tổng thể đầy đủ nhà máy điện mặt trời chống tác động sét đánh Trên giới, hệ thống nhà máy điện mặt trời lắp đặt chống sét theo tiêu chuẩn IEC 62305 Part - Supplement : 2014 - Lightning and Overvoltage Protection for Photovoltaic Power Supply Systems Thống kê cho thấy sét đánh trực tiếp lan truyền chiếm khoảng 26% số cố xảy nhà máy điện mặt trời Các nghiên cứu giải pháp thiết bị cho chống sét hệ thống điện mặt trời đẩy mạnh nhà cung cấp lớn Dehn, Iskra, Eaton, Schneider Để thực đề tài, bước phải tìm hiểu rõ tượng độ sét xảy pin NLMT, hiểu định nghĩa kỹ thuật, phương pháp thực hiện, kết thu để đưa nhận xét đánh giải pháp để giảm thiểu ảnh hưởng tượng lên thiết bị pin NLMT Từ kiến thức từ đó, tiến hành thực mô phần tử trong pin, tính tốn trường hợp gây nên tượng để tìm khoảng điện áp dịng điện cảm ứng lên thiết bị Từ kết thu mô phỏng, báo cáo đưa giải pháp để giảm thiểu ảnh hưởng chọn thiết bị phù hợp pin NLMT II Mục tiêu nghiên cứu Việc phân tích tượng cảm ứng sét cho hệ thống pin lượng mặt trời Việt Nam mới, dù có số đề tài nghiên cứu chưa thật đầy đủ Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu chi tiết tượng cảm ứng sét cho hệ thống pin lượng mặt trời - Đánh giá cố cảm ứng sét đánh Nhà máy điện Mặt trời Sơn Mỹ 3.1 - Mô tượng độ cảm ứng sét lên phần tử pin sét đánh (dựa cố Nhà máy điện Mặt trời Sơn Mỹ 3.1) - Đề xuất phương án bảo vệ, giải vấn đề hư hỏng gây tượng độ cảm ứng sét - Mơ có giải pháp đưa đánh giá hiệu giải pháp III.Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Các hệ thống lượng mặt trời trình cảm ứng điện từ lên hệ thống Trang 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS Hình 3.41: GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Dòng cảm ứng sét tính tốn phương pháp giải tích cho trường hợp thí nghiệm (Dịng sét đỉnh 4kA, khoảng cách 1m) Sai số so với kết thí nghiệm thực tế phương pháp giải tích % Sai _ so = ( I giaitich 20.249 − 1) 100 = ( − 1) 100 = 3.968(%) I diode _1 + I diode _ + I diode _ 19.592 + 19.001 + 19.835 3 Sai số so với kết thí nghiệm thực tế phương pháp số % Sai _ so = ( I pp _ so 20.2046 − 1) 100 = ( − 1) 100 = 3.741(%) I diode _1 + I diode _ + I diode _ 19.592 + 19.001 + 19.835 3 Sai số so với kết thực nghiệm [33] nhỏ (< 5%) Do đó, mơ hình mơ với lời giải theo phương pháp giải tích phù hợp với kết từ thí nghiệm thực tế Đồng thời, mơ hình sử dụng phương pháp số có độ xác cao so với mơ hình tính tốn phương pháp giải tích 3.4.3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng dòng sét kết luận Sau đó, ta cần xem xét xác suất biên độ cực đại dòng sét xảy tự nhiên [32] nhằm đánh giá mức độ tác động xác suất gây nguy hiểm dòng sét cảm ứng lên Bypass Diode Trang 82 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Hình 3.42: Xác suất dịng sét theo biên độ cực đại [32] Bảng tóm tắt đánh giá xác suất mức độ ảnh hưởng dòng cảm ứng sét lên Bypass Diode sau Bảng 3.3: Tổng hợp kết dòng qua Bypass Diode phân loại theo dòng sét khoảng cách từ pin đến vị trí sét đánh 25kA/30% 50kA/10% 100kA/1% Dòng qua Bypass Diode [A] theo khoảng cách đến vị trí sét đánh 3m 5m 7m 10m 15m Phương pháp số 53.4984 32.8943 18.5535 9.60381 4.37222 106.582 65.5336 36.9632 19.1332 8.71056 211.09 129.791 73.2073 37.8941 17.2514 25kA/30% 50kA/10% 100kA/1% Phương pháp giải tích 43.686 24.143 15.691 106.66 66.156 33.051 211.66 139.17 67.889 Dòng sét/Xác suất 9.473 18.631 37.138 4.888 9.587 15.39 *Ghi chú: Mức độ nguy hiểm biểu thị theo gam màu Khi khoảng cách từ pin đến vị trí sét đánh lớn 15m, Bypass Diode gần chịu ảnh hưởng không đáng kể từ dòng sét cảm ứng biên độ dòng sét cảm ứng nhỏ so với dòng ngắn mạch pin dòng phân cực thuận cực đại Bypass Diode Trang 83 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Đối với khoảng cách từ 10m – 15m, dịng sét có biên độ lớn (>100kA) gây nguy hiểm lên Bypass Diode tế bào quang điện Tuy nhiên, trường hợp có biên độ lớn (≥100kA) có xác suất tương đối thấp (≤1%) Do đó, chưa cần có biện pháp bảo vệ cho pin nằm vùng khoảng cách từ 10m – 15m so với kim thu sét Trong khoảng cách từ 7m - 10m, mức độ nguy hiểm dòng sét cảm ứng lên Bypass Diode tăng dần Khi dòng sét rơi vào giá trị ≥50kA với xác suất trung bình vào khoảng ≤10%, dịng cảm ứng sét lớn so với dòng phân cực thuận cực đại Bypass Diode (20A) số trường hợp Bypass Diode chịu đựng (20A ~ 40A) xung sét không kéo dài Đối với xung sét có biên độ lớn (≥100kA), Bypass Diode có khả bị hư hỏng cao Vì vậy, cân nhắc không xem xét biện pháp bảo vệ cho pin thuộc khu vực Khi khoảng cách từ pin đến vị trí sét đánh rơi vào khoảng từ 5m - 7m, dòng sét rơi vào giá trị ≥50kA với xác suất trung bình vào khoảng ≤ 10% dịng sét cảm ứng vượt giá trị xung chịu đựng Bypass Diode (>40A) Đồng thời, với dịng sét có giá trị ≥ 25kA có xác suất xảy cao ≤ 30%, dòng sét cảm ứng lớn so với dòng phân cực thuận cực đại Bypass Diode (20A) Do đó, cần thiết nghiên cứu biện pháp bảo vệ cho Bypass Diode dải khoảng cách Đối với khoảng cách 3m - 5m, xét dịng sét có giá trị ≥ 25kA có xác suất xảy cao ≤ 30% dịng sét cảm ứng vượt giá trị xung chịu đựng Bypass Diode (>40A) Vì vậy, khả xảy cố Bypass Diode lớn Đề xuất nghiên cứu biện pháp bảo vệ cho Bypass Diode dải khoảng cách Khơng tính tốn với trường hợp khoảng cách < 3m độ cao kim thu sét ESE trường hợp gây tượng bóng che pin Tuy nhiên, số trường hợp pin đặt gần kim thu sét ESE lý tiết kiệm bố trí mặt Cần xem xét nghiên cứu giải pháp giảm dòng cảm ứng sét gia tăng khoảng cách từ pin đến kim thu sét dịng cảm ứng sét trường hợp lớn Trang 84 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc CHƯƠNG 4.1 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP Đề xuất giải pháp Từ kết tính tốn chương trước cho thấy, khoảng cách từ pin đến vị trí sét đánh nhỏ 7m dịng sét cảm ứng có khả gây hư hỏng lên pin NLMT Vì vậy, cần thiết phải có giải pháp để giảm thiểu tượng cần có thay thiết bị có khả chịu dịng lớn Luận văn đề xuất giải pháp thay Bypass Diode có khả chịu dịng xung cao, sau tính tốn mô nhằm đánh giá hiệu giải pháp 4.2 Tính tốn đánh giá ảnh hưởng giải pháp Việc thay Bypass Diode cần thực hợp lý để đảm bảo không làm giảm hiệu suất pin NLMT có tượng bóng che Đồng thời, Bypass Diode phải có khả chịu dịng xung lớn có chi phí thay kinh tế Bypass Diode lựa chọn Diode VSB2045-MB3 hãng Vishay (Loại Bypass Diode có khả chịu dịng xung cao) Kích thước vị trí lắp đặt Bypass Diode thể hình Hình 4.1: Kích thước vị trí lắp đặt Bypass Diode VSB2045-MB3 Thơng số chi tiết Bypass Diode VSB2045-MB3 thể chi tiết bảng sau Bảng 4.1: Thông số Bypass Diode VSB2045-MB3 Thông số cực đại ( Nhiệt độ vận hành TA = 25 °C) Thông số Ký hiệu VSB2045 Mã ký hiệu Diode V2045 Điện áp phân cực ngược cực đại VRRM 45 Đơn vị V Trang 85 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Thông số cực đại ( Nhiệt độ vận hành TA = 25 °C) IF(AV) 20 A Dòng xung cực đại IFSM Dải nhiệt độ vận hành Dải nhiệt độ lưu trữ TOP TSTG 250 -40 to +150 -40 to +175 A °C °C Nhiệt độ đảo chiều dẫn tới hạn TJ (3) ≤ 200 °C Dòng phân cực thuận cực đại Xem xét đặc tính nhiệt độ - hiệu suất tổn thất – dòng phân cực thuận Bypass Diode VSB2045-MB3 chi tiết hình sau Hình 4.2: Đặc tính nhiệt độ - hiệu suất tổn thất – dòng phân cực thuận Bypass Diode VSB2045-MB3 Dòng xung cực đại chịu đựng Bypass Diode VSB2045-MB3 lên tới 250A Từ kết phân tích tính tốn chương 3, Bypass Diode VSB2045-MB3 có khả đảm bảo vận hành an tồn, tin cậy trường hợp cách vị trí sét đánh ≥ 3m Tuy nhiên, thay Bypass Diode cần lưu ý đến tổn thất Bypass Diode hiệu suất pin có tượng bóng che Sử dụng công cụ Simulink phần mềm Matlab tính tốn Simulink mơi trường lập trình đồ họa dựa MATLAB để lập mơ hình, mơ phân tích hệ thống động lực học đa miền Giao diện cơng cụ sơ đồ khối đồ họa thư viện khối tùy chỉnh Matlab Simulink có sẵn khối PV Cells lựa chọn theo model từ nhà sản xuất khác (JA Solar, Canadian Solar, SunPower, Panasonic ) với ngõ vào bao gồm xạ nhiệt độ pin Đầu khối PV Cells bao gồm dịng, áp cơng suất ngõ Trang 86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Hình 4.3: Cửa sổ cài đặt đặc tính Cells module PV Cells – Matlab Simulink Do tác dụng Bypass Diode việc tăng hiệu suất pin có hiệu ứng bóng che, luận văn xây dựng mơ hình Matlab Simulink mơ tượng bóng che pin NLMT Trong đó, pin NLMT có Bypass Diode riêng biệt cho chuỗi 20 Cells Đặc tính Bypass Diode cài đặt Matlab Simulink theo cửa sổ bên Hình 4.4: Cửa sổ cài đặt đặc tính Bypass Diode Matlab Simulink Trang 87 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Xây dựng hồn chỉnh mơ hình mơ tượng bóng che pin mặt trời Chi tiết mơ hình thể hình Hình 4.5: Mơ hình mơ hiệu ứng bóng che Matlab Simulink Kết tính tốn đặc tuyến V-I đặc tuyến P-V pin cho trước sau thay Bypass Diode thể chi tiết đồ thị sau Hình 4.6: Đặc tuyến V-I pin trước sau thay Bypass Diode Trang 88 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Hình 4.7: Đặc tuyến P-V pin trước sau thay Bypass Diode Kết tính tốn cho thấy thay Bypass Diode làm tăng hiệu suất pin có hiệu ứng bóng che (khoảng 5%) Do đó, việc thay Bypass Diode không làm ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc pin Tuy nhiên, giải pháp thay Bypass Diode có chi phí tương đối cao thực quy mơ lớn Chi phí cho Bypass Didoe 0.6186 Dollars/1 Diode tương đương 14183 đồng/1 Diode [34] Quy đổi theo pin có chi phí thay Bypass Diode vào khoảng 42549 đồng/ pin Đối với NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 với 130000 pin có tổng cơng suất 50MWp, ước tính có khoảng 60000 pin cách vị trí kim thu sét ESE khoảng < 7m cần thay Do đó, ước tính riêng chi phí mua sắm thay lên tới 2,552 tỷ đồng chưa kể đến chi phí nhân cơng chi phí tạm dừng sản xuất điện Từ phân tích trên, giải pháp thay Bypass Diode mang tính hiệu cao mặt kỹ thuật Bypass Diode thay có khả chịu dòng xung cảm ứng lên đến 250A, đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy trường hợp cách vị trí sét đánh ≥ 3m làm tăng hiệu suất pin có hiệu ứng bóng che Thay Bypass Diode đặc biệt phù hợp với hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ (đặc biệt hệ thống điện mặt trời áp mái) Trang 89 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc CHƯƠNG 5.3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn “Nghiên Cứu Về Hiện Tượng Cảm Ứng Sét Lên Các Hệ Thống Pin Năng Lượng Mặt Trời” trình bày lý thuyết tượng cảm ứng sét lên hệ thống pin lượng mặt trời phương pháp nghiên cứu tượng này, từ thực đánh giá tượng trường hợp khác Dựa cố xảy NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 cho thấy dòng cảm ứng sét gây hư hỏng mức độ lớn đến pin mặt trời, đặc biệt Bypass Diode Đồng thời, số kết thí nghiệm thực tiễn mô cho thấy suy giảm hiệu suất pin trước tác động trường điện trường từ cảm ứng sét gây lên tế bào quang điện Kết nghiên cứu tính tốn cường độ dịng điện cảm ứng, cường độ trường điện trường từ cảm ứng sét gây lên bề mặt lên chuỗi tế bào quang điện pin theo khoảng cách khác từ vị trí bị sét đánh đến vị trí pin Trong đó, cường độ dịng điện cảm ứng sét gây tính phương pháp bao gồm phương pháp số phương pháp giải tích Luận văn sử dụng phần mềm Matlab cho phương pháp giải tích xây dựng mơ hình khơng gian chiều phần mềm Altair Feko (Student Version) cho phương pháp số Trong đó, kết tính tốn phương pháp so sánh với thí nghiệm thực tế [33] có độ sai lệch nhỏ Từ cho thấy mơ hình xây dựng cơng thức tính tốn theo phương pháp số phương pháp giải tích phù hợp với thực nghiệm Kết nghiên cứu cho thấy khoảng cách 7m bắt đầu có nguy xảy hư hỏng Bypass Diode gây dòng cảm ứng sét Khi khoảng cách 5m xác suất xảy nguy gây hư hỏng Bypass Diode đặc biệt tăng cao Do đó, cần thiết phải có giải pháp nhằm tránh tượng xảy cố NMĐMT Sơn Mỹ 3.1 Từ kết nghiên cứu, đề xuất giải pháp thay Bypass Diode có khả chịu dòng xung cao (250A) đánh giá ảnh hưởng giải pháp Giải pháp thay Bypass Diode giúp Bypass Diode chịu dòng cảm ứng sét gây vị trí ≥ 3m Đồng thời, làm tăng hiệu suất pin có hiệu ứng bóng che (khoảng 5%) Tuy nhiên, cần có đánh giá chi tiết mặt kinh tế trước áp dụng giải pháp, đặc biệt hệ thống lớn nhà máy điện mặt trời Trang 90 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS 5.4 GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc Hướng phát triển luận văn Việc tính tốn giải pháp để giảm thiểu ảnh hưởng tượng cảm ứng sét lên hệ thống pin lượng mặt trời, luận văn thực tính tốn giải pháp thay Bypass Diode Ngoài giải pháp trên, số giải pháp khác cấu trúc lại vòng dây dẫn pin, áp dụng lồng Faraday cho hệ thống pin lượng mặt trời chưa mô đánh giá Đồng thời, mô thêm tượng độ khác liên quan đến tượng sét đánh phóng điện ngược, điện áp tạm thời v/v tượng suy giảm hiệu suất pin tượng cảm ứng điện từ gây sét Trang 91 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] International Energy Agency, “Renewables 2017 - Analysis and Forecasts to 2022,” 2017 [Online] Available: https://www.iea.org/Textbase/npsum/ renew2017MRSsum.pdf [2] BYD Company, BYD P6C-36 Series-3BB, BYD, Shenzhen, 2013 [Online] Available: http://www.byd.com/br/pv/download/Spec/en/tuv/p6c36/BYD 3BB PV Module TUV 40mm (P6C-36-Black) Oct.2013.pdf [3] T Gill, “Initial Steps in the Development of a Comprehensive Lightning Climatology of South Africa,” Master’s thesis, School of Geography, Archaeology and Environmental Studies: Climatology Research Group, 2009 [Online] Available: https://core.ac.uk/download/pdf/39666083.pdf [4] Arup (2014) A 75MW photovoltaic power plant including over 300,000 PV modules Arup [Online] Available: https://www.arup.com/projects/kalkbult-pv [5] D M Romps, J T Seeley, D Vollaro, and J Molinari, “Projected increase in lightning strikes in the united states due to global warming,” Science, vol 346, no 6211, pp 851–854, 2014 [Online] Available: http: //science.sciencemag.org/content/346/6211/851 [6] N Reeve and R Toumi, “Lightning activity as an indicator of climate change,” Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, vol 125, no 555, pp 893– 903, 2006 [Online] Available: https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ qj.49712555507 [7] H Volland, Handbook of atmospheric electrodynamics Boca Ratona: CRC Press, 1995 [8] C Price and D Rind, “A simple lightning parameterization for calculating global lightning distributions,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol 97, no D9, pp 9919–9933, 1992 [Online] Available: https://agupubs.onlinelibrary wiley.com/doi/abs/10.1029/92JD00719 [9] K M Coetzer, A J Rix, and P G Wiid, “Impulse generator design to investigate indirect lightning strike effects on utility-scale photovoltaic installations,” in Proc 26th South African Universities Power and Engineering Conference, Johannesburg, 2018, pp 181–185 [10] Y Tu, C Zhang, J Hu, S Wang, W Sun, and H Li, “Research on lightning overvoltages of solar arrays in a rooftop photovoltaic power Trang 92 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc system,” Electric Power Systems Research, vol 94, pp 10 – 15, 2013, lightning Protection of Advanced Energy Systems [Online] Available: http: //www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378779612001976 [11] G M Masters, Renewable and Efficient Electric Power Systems, 2nd ed Hoboken: Wiley-Interscience, 2004 [12] W Smith, “Effect of light on selenium during the passage of an electric current,” International Journal of Science, vol 7, p 303, 1873 [Online] Available: http://dx.doi.org/10.1038/007303e0 [13] “Discovery of the photovoltaic (pv) effect,” 2018 [Online] Available: http: //solarcellcentral.com/history page.html [14] ST Microelectronics, How to choose a bypass diode for a silicon panel junction box, Geneva, 2011 [Online] Available: https://www.st.com/content/ccc/resource/ technical/document/application note/cc/6a/fe/6d/f6/17/40/3c/DM00034029.pdf/ files/DM00034029.pdf/jcr:content/translations/en.DM00034029.pdf [15] A I Watson, R E L´opez, and R L Holle, “Diurnal Cloud-to-Ground Lightning Pat- terns in Arizona during the Southwest Monsoon,” Monthly Weather Review, vol 122, no 8, pp 1716–1725, 1994 [Online] Available: https://journals.ametsoc.org/doi/ abs/10.1175/15200493%281994%29122%3C1716%3ADCTGLP%3E2.0.CO%3B2 [16] V A Rakov and M A Uman, Lightning: Physics and Effects Cambridge University Press, 2006 [Online] Available: https://books.google.co.za/books?id= TuMa5lAa3RAC [17] D J Malan, “Physics of lightning,” Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, vol 90, no 384, p 221, 1964 [Online] Available: https://rmets onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/j.1477-8696.1964.tb02110.x [18] S E Reynolds, M Brook, and M F Gourley, “Thunderstorm charge separation,” Journal of Meteorology, vol 14, no 5, pp 426–436, 1957 [Online] Available: https://doi.org/10.1175/1520-0469(1957)014(0426:TCS)2.0.CO;2 [19] T Takahashi, “Riming electrification as a charge generation mechanism in thunderstorms,” Journal of the Atmospheric Sciences, vol 35, no 8, pp 1536– 1548, 1978 [Online] Available: https://doi.org/10.1175/15200469(1978)035(1536: REAACG)2.0.CO;2 [20] E R Jayaratne and C P R Saunders, “Thunderstorm electrification: The effect of cloud droplets,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol 90, no D7, pp 13 063–13 066, 1985 [Online] Available: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/ doi/abs/10.1029/JD090iD07p13063 [21] C P R Saunders, H Bax-norman, C Emersic, E E Avila, and N E Castellano, “Laboratory studies of the effect of cloud conditions on graupel/crystal Trang 93 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc charge transfer in thunderstorm electrification,” Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, vol 132, no 621, pp 2653–2673, 2007 [Online] Available: https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1256/qj.05.218 [22] S C Sherwood, V T J Phillips, and J S Wettlaufer, “Small ice crystals and the climatology of lightning,” Geophysical Research Letters, vol 33, no 5, 2006 [Online] Available: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2005GL025242 [23] D E Proctor, “Regions where lightning flashes began,” Journal of Geophysical Research, vol 96, no D3, p 5099, 1991 [Online] Available: https: //agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/90JD02120 [24] V Cooray, “Energy dissipation in lightning flashes,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol 102, no D17, pp 21 401–21 410, 1997 [Online] Available: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/96JD01917 [25] “Damages at Bypass Diodes by Induced Voltages and Currents in PV Modules Caused by Nearby Lightning Currents” - H Haeberlin - Berne University of Applied Sciences [26] "Interference Voltages induced by Magnetic Fields of Simulated Lightning Currents in Photovoltaic Modules and Arrays" - Proc 17th EU PV Conf., Munich, Germany, 2001 [27] Calculation of Transient Magnetic Field and Induced Voltage in Photovoltaic Bracket System during a Lightning Stroke - School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, [28] Formisano, A.; Petrarca, C.; Hemandez, J.C.; Munoz-Rodriguez, F.J Assessment of induced voltages in common and differential-mode for a PV module due to nearby lightning strikes, IET Renew Power Gener 2019, 13, 1369–137 [29] Rubinstein, M.; Uman, M.A Methods for calculating the electromagnetic fields from a known source distribution IEEE Trans Electromagn Compat 1989, 31, 183–189 [30] William, H.H., Jr.; John, B Engineering Electromagnetics, 7th ed.; McGraw Hill Company, Inc.: New York, NY, USA, 2005; pp 243–308 [31] Feng, C.Z.; Ma, X.K Introduction to Engineering Electromagnetic Field; High Education Press: Beijing, China, 2004; pp 188–189 [32] Stochastic Efficiency Evaluation of the Lightning Protection System of Base Station - Adnan Mujezinović, Nedis DautbašićMaja Muftić DedovićZijad Bajramović [33] Investigating Lightning Induced Currents in Photovoltaic Modules - Kurt Michael Coetzer;Pieter Gideon Wiid;Arnold Johan Rix Trang 94 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS [34] GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc https://www.digikey.com/en/products/detail/vishay-general-semiconductor-diodesdivision/VSB2045Y-M373/4933466?utm_campaign=buynow&utm_medium=aggregator&WT.z_cid=ref_fi ndchips_standard&utm_source=findchips [35] Đồ Án Mơn Học - Phân Tích Hoạt Động Sét Trên Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long Dựa Trên Dữ Liệu Định Vị Sét Và So Sánh Với Dữ Liệu Của Hệ Thống Blitzortung - Nguyễn Thành Tâm - ĐHBK TP Hồ Chí Minh Trang 95 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trần Hữu Phúc LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Trần Hữu Phúc Ngày, tháng, năm sinh: 25/11/1997 Nơi sinh: Đồng Nai Địa liên lạc: Số 11, Đường số 198, Quận 9, TP Hồ Chí Minh Số điện thoại: 033 382 1909 QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO 2015 – 2019: Học kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật điện, khoa Điện – Điện tử, đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 08/11/2019: Tốt nghiệp kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật điện, khoa Điện – Điện tử, đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 01/2020– tại: Học thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện, khoa Điện – Điện tử, đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC 05/09/2019 – tại: Kỹ sư Phòng Nghiên cứu Hệ thống điện, Trung tâm Đào tạo Nghiên cứu Phát triển, Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện (EVNPECC2) Trang 96 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... đánh giá cảm ứng điện từ việc phân tích kết tính tốn Kết nghiên cứu tượng cảm ứng sét lên hệ thống pin lượng mặt trời cho thấy nguy xuất cảm ứng sét gây cố làm hư hỏng thiết bị hệ thống pin NLMT. .. (NMĐMT) hệ thống điện mặt áp mái (ĐMTAM) V Phương pháp nghiên cứu Để thực đề tài ? ?Nghiên Cứu Về Hiện Tượng Cảm Ứng Sét Lên Các Hệ Thống Pin Năng Lượng Mặt Trời” luận văn sử dụng phần mềm Matlab... với nghiên cứu thực nghiệm trình bày báo khoa học Đề xuất giải pháp tính tốn, mơ sau thực giải pháp VI Bố cục luận văn Tên luận văn ? ?Nghiên Cứu Về Hiện Tượng Cảm Ứng Sét Lên Các Hệ Thống Pin