Tính toán thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho khu dân cư

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 21 (1) (2021) 65-76 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘC LẬP CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHU DÂN CƯ Lê Thành Trí, Phạm Thị Xn Hoa* Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Email: hoaptx@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 07/10/2020; Ngày chấp nhận đăng: 05/3/2021 TÓM TẮT Nhu cầu sử dụng điện ngày tăng khu vực dân cư vùng xa hải đảo nơi công tác quy hoạch phát triển lưới điện quốc gia gặp nhiều khó khăn hay khơng thể đưa đến Để giải vấn đề đó, việc sử dụng hệ thống nguồn lượng tái tạo kết hợp với với lưu trữ máy phát điện diesel để thay cho mạng điện quốc gia đáp ứng nhu cầu sử dụng điện phụ tải giải pháp thiết thực Bài báo trình bày việc thiết kế tối ưu mạng điện nhỏ độc lập bao gồm pin quang điện, ắc quy tích trữ lượng điện máy phát dự phịng diesel Mạng điện độc lập đáp ứng nhu cầu cho phụ tải sinh hoạt gia đình tiêu thụ 12,5 kWh/ngày Sử dụng phần mềm tối ưu hóa cho hệ thống nguồn lượng tái tạo PVsyst để thu kết khả thi mặt kỹ thuật mặt kinh tế Từ khóa: Nguồn lượng tái tạo, pin quang điện, nghịch lưu, ắc quy tích trữ lượng, tổn thất hệ thống ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, nhà nghiên cứu cho thấy tác động tiêu cực nhiên liệu hóa thạch môi trường thiếu hụt nhiên liệu ngày tăng [1] Vì vậy, số nghiên cứu thực để tìm nguồn lượng thay cho nhiên liệu hóa thạch Trong số nguồn lượng thay thế, lượng tái tạo thu hút ý nhà nghiên cứu giới [2], lượng tái tạo có ưu điểm không cạn kiệt, không gây ô nhiễm môi trường Hệ thống nguồn lượng tái tạo bao gồm pin mặt trời (photovoltaics - PV), tua bin gió, thủy điện, sinh khối, thủy triều, sóng địa nhiệt… Nghiên cứu chọn lượng mặt trời thành phần lượng hệ thống lượng đề xuất phù hợp với việc cung cấp điện cho khu dân cư lưới [3, 4] mạng điện độc lập cung cấp điện hiệu cho khu vực xa xôi dân cư thưa thớt Trong mạng điện này, điện phát hệ thống mặt trời không đủ để cung cấp cho phụ tải sản lượng điện thiếu hụt cung cấp máy phát điện diesel Ngược lại, lượng điện tạo hệ thống mặt trời lớn giá trị yêu cầu phụ tải lượng điện thừa tích lũy vào ắc quy tích trữ để sử dụng cần thiết [5] Hiện có nhiều nghiên cứu thực để xem xét hiệu việc thiết kế hệ thống nguồn lượng tái tạo Hầu hết nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế hệ thống nguồn lượng tái tạo micro-grid [6, 7] Một số nhà nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý lượng cho khu du lịch sinh thái, khu nghỉ mát quy mơ nhỏ đến trung bình Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống nguồn lượng tái tạo phức tạp, thơng số tính tốn thiết kế thực tế có ̣số sai số lớn làm ảnh hưởng đến chất 65 Lê Thành Trí, Phạm Thị Xuân Hoa lượng tuổi thọ hệ thống, hiệu suất chuyển đổi, chi phí đầu tư, vận hành, bảo trì, thay sửa chữa Ngun nhân cường độ xa ̣mặt trời thay đổi theo không gian thời gian, độ nghiêng pin quang điện lắp đặt Do đó, việc tính tốn thiết kế hệ thống nguồn lượng tái tạo bằng cơng cu ̣ bình thường gặp khó khăn nhiều thời gian Vì vậy, sử dụng phần mềm để tính tốn thiết kế nhằm giải vấn đề khó khăn Hiện nay, giới có nhiều phần mềm sử dụng để tính tốn, thiết kế ṭ hống nguồn lượng tái tạo, có phần mềm PVsyst Pvsol sử dụng phổ biến khu vực Châu Âu số nước khác giới [8] Trong viết này, tác giả sử dụng phần mềm PVsyst phiên 7.0 để thiết kế mô ṭ hống điện lượng mặt trời áp mái khu vực Củ Chi THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP 2.1 Cấu trúc hệ thống lượng mặt trời độc lập đề xuất Cấu trúc hệ thống lượng mặt trời độc lập đề xuất thể Hình Hình Cấu trúc hệ thống lượng mặt trời độc lập đề xuất Hệ thống lượng mặt trời độc lập bao gồm nguồn phát điện nhỏ (microsource) là: lượng mặt trời, máy phát điện diesel dự phòng, hệ thống tích trữ lượng nghịch lưu Cấu trúc với microsource kết nối bus DC nghịch lưu, ắc quy tích trữ giúp ổn định điện áp ngõ vào nghịch lưu 2.2 Thông số phụ tải Công suất phụ tải tiêu thụ thu thập dùng phần mềm Pvsyst 7.0 để thể lại bằng đồ thị phụ tải ngày đêm thể Hình 66 Tính tốn thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho khu dân cư Hình Đồ thị phụ tải theo thời gian 2.3 Thông số xạ mặt trời Dữ liệu mặt trời năm thể Hình Dữ liệu tài nguyên mặt trời cho khu vực Củ Chi lấy từ phần mềm PVsyst, quan sát đồ thị Hình ta thấy cường độ xạ mặt trời nằm khoảng từ kWh/m2/ngày Hình Đồ thị xạ mặt trời Sản lượng điện hệ thống pin mặt trời (photovoltaics - PV) ước tính phương trình sau [9]: E = A r  G  p (1) Trong đó: E lượng điện (kWh), A tổng diện tích pin mặt trời (m2), r sản lượng pin mặt trời (%), G xạ mặt trời trung bình hàng năm nghiêng (W/m2) p hệ số tổn thất (%) Công suất tối đa từ pin mặt trời tính bằng cách sử dụng phương trình sau [10]: Pmp =  PV  G  A (2) Trong đó: A diện tích bề mặt mô đun PV (m2), Pmp lượng tối đa từ pin mặt trời (W), ηPV hiệu suất silicon, Gβ xạ mặt trời (W/m2) 2.4 Thông số máy phát điện diesel Hiệu suất máy phát điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch chạy bằng diesel biểu diễn phương trình sau [10]: 67 Lê Thành Trí, Phạm Thị Xuân Hoa T =  B +G (3) Trong đó: ηT tổng hiệu suất, ηB hiệu suất nhiệt (%) ηG hiệu suất phát điện (%) 2.5 Thơng số ắc quy tích trữ điện (batteries) Trạng thái nạp xả ắc quy tích trữ điện viết theo phương trình sau [11]: Trong suốt trạng thái sạc: SC (t + 1) = SC (t ) 1 −  (t ) + iB (t )(t )C (t ) / CB  (4) Trong suốt trạng thái xả: SC (t + 1) = SC (t ) 1 −  (t ) + iB (t )(t )D (t ) / CB  (5) Trong đó: SOC trạng thái điện tích, σ(t) tốc độ xả định kỳ hàng giờ, iB dòng điện pin, CB dung lượng định mức pin (Ahr), ηC hiệu suất sạc ηD hiệu suất xả KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Lựa chọn thông số hệ thống 3.1.1 Thông số phụ tải tiêu thụ hộ gia đình + Tổng điện phu ̣ tải tiêu thụ ngày: 12,5 kWh/ngày + Tổng điện phu ̣ tải tiêu thụ tháng: 375 kWh/tháng Hình Khai báo thông số phụ tải 3.1.2 Định hướng lắp đặt tối ưu hệ thống pin quang điện Hệ thống pin quang điện PV lắp áp mái nhà với góc nghiêng 10 độ, phần mềm PVsyst cho thấy với góc nghiêng pin hấp thụ xạ tốt cho tổn hao thấp thể Hình 68 Tính tốn thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho khu dân cư Hình Cài đặt định hướng lắp đặt pin quang điện 3.1.3 Lựa chọn pin quang điện Chọn loại pin quang điện: JKM 250P-60, 250 Wp hãng sản xuất Jinkosolar, Vmpp= 25,7 V Voc= 42,3 V Hình Lựa chọn pin quang điện Sản lượng định mức toàn hệ thống pin 3,5 kWp/ngày, có dãy, dãy có mơ đun 69 Lê Thành Trí, Phạm Thị Xuân Hoa 3.1.4 Chọn máy phát dự phòng (diesel) Chọn máy phát dự phịng loại StdGenerator1_5.GEN, cơng suất 1,5 kW Hình Lựa chọn máy phát dự phịng 3.1.5 Chọn loại pin tích trữ (batteries) Chọn loại pin tích trữ Li NMC 5,9 kWh, điện áp 51,8 V Hình Lựa chọn pin tích trữ điện 3.2 Kết thiết kế hệ thống phần mềm PVsyst 3.2.1 Phân bố lượng xạ điện hệ thống tạo năm Tổng lượng xạ tới bề mặt pin quang điện diện tích trung bình m2 nằm dãy giá trị từ 0,5 kWh/m2/ngày đến 7,4 kWh/m2/ngày Tuy nhiên, điểm phân bố dày nằm khoảng từ kWh/m2/ngày đến 7,4 kWh/m2/ngày Điện tạo hệ thống ngày phân bố từ kWh/ngày đến 22 kWh/ngày thể Hình 70 Tính tốn thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho khu dân cư Hình Biểu đồ phân bố lượng xạ ngày 3.2.2 Kết điện tạo hệ thống Hình 10 Sản lượng điện tạo hệ thống Hình 10 cho thấy sản lượng điện tạo toàn hệ thống, nhu cầu sử dụng điện không thay đổi sản lượng điện cung cấp qua tháng lại khác lượng xạ mặt trời hàng tháng khác nên sản lượng điện cung cấp khác qua tháng Tổn thất điện dãy pin 0,9 kWh/kWp/ngày, tổn thất điện hệ thống ắc quy 0,26 kWh/kWp/ngày, điện cung cấp đến tải tiêu thụ 3,59 kWh/kWp/ngày Vậy kWp sinh 3,59 kWh/ngày Sản lượng định mức toàn hệ thống pin 3,5 kWp/ ngày sinh 12,56 kWh/ngày để cung cấp cho tải tiêu thụ ngày, năm hệ thống sinh 4586 kWh/năm 71 Lê Thành Trí, Phạm Thị Xuân Hoa Hình 11 Hiệu suất hệ thống Hình 11 cho thấy tỷ số hiệu suất hệ thống: PR = 71,1% tỉ số sử dụng lượng mặt trời 99,3% Bảng Điện tạo hệ thống cung cấp cho phụ tải lưới Bảng cho thấy điện tạo hệ thống thay đổi theo tháng, điện cung cấp cho tải tiêu thụ năm 4614,5 kWh/năm, ngày cung cấp cho tải tiêu thụ 12,6 kWh/ngày Lưu đồ Hình 12 cho thấy tồn hệ thống tạo 6282 kWh/năm, phần hiệu suất bị giảm do: nhiệt độ pin, cường độ xạ, chất lượng mô đun, khả hấp thụ ánh sáng, mô đun không đồng tổn thất dây dẫn 1369 kWh/năm; phần tổn thất trình hoạt động nghịch lưu 211 kWh/năm; cuối phần tổn thất nạp xả ắc quy tích trữ lượng 88 kWh/năm Vì vậy, lượng điện hệ thống đưa đến tải tiêu thụ cịn 4614 kWh/năm 72 Tính tốn thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho khu dân cư Hình 12 Lưu đồ tổn thất hệ thống cho năm 3.2.3 Phân tích kinh tế Vòng đời dự án được xem xét 25 năm, hàm mục tiêu hàm chi phí hàng năm hệ thống, chủ yếu sử dụng pin lượng PV Kết tính tốn phần mềm PVsyst cho chi phí lắp đặt, chi phí vận hành, bảo trì chi phí thay thiết bị thời gian vận hành Chi phí pin mặt trời, pin lưu trữ, máy phát dự phòng chuyển đổi lấy trang web nhà sản xuất, tuổi thọ thiết bị hệ thống xem nhau, ngoại trừ ắc quy tích trữ lượng 73 Lê Thành Trí, Phạm Thị Xn Hoa Hình 13 Chi phí thành phần hệ thống 74 Tính tốn thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho khu dân cư Hình 14 Phân tích kinh tế KẾT LUẬN Bài báo ứng dụng phần mềm PVsyst việc thiết kế hệ thống điện lượng mặt trời độc lập để cung cấp cho hộ tiêu thụ khu vực Củ Chi Từ kết mô nêu thấy phần mềm giải vấn đề như: định hướng lắp đặt tối ưu cho hệ thống pin quang điện, tính tốn thơng số tổn thất, định kích cỡ tối ưu cho thiết bị hệ thống phân tích đánh giá thơng số hệ thống, chi phí lắp đặt, chi phí vận hành, bảo trì chi phí thay thiết bị Mục tiêu lớn với lượng xạ mặt trời khu vực Củ Chi tương đối cao nên điện pin mặt trời tạo cung cấp đủ cho hộ tiêu thụ mà khơng cần đến máy phát diesel từ giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu diesel giảm thải khí CO2 mơi trường Tuy nhiên, chi phí đầu tư thành phần hệ thống tương đối lớn, giá bán điện lượng mặt trời áp mái nước ta thấp dẫn đến việc áp dụng hệ thống lượng mặt trời áp mái kết hợp với tích trữ lượng nguồn dự phòng thực tế khu vực Củ Chi không hiệu mặt kinh tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Stigka E.K., Paravantis J.A., Mihalakakou G.K - Social acceptance of renewable energy sources: A review of contingent valuation applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 32 (C) (2014) 100-106 Sangeeta, Moka S., Pande M., Rani M., Gakhar R., Sharma M., Rani J., Bhaskarwar A.N - Alternative fuels: an overview of current trends and scope for future, Renewable and Sustainable Energy Reviews 32 (C) (2014) 697-712 75 Lê Thành Trí, Phạm Thị Xuân Hoa Mokheimer E.M.A, Sahin A.Z., Al-Sharafi A., Ali A.I - Modeling and optimization of hybrid wind–solar-powered reverse osmosis water desalination system in Saudi Arabia, Energ Conver Manage 75 (C) (2013) 86-97 Shezan S., Das N., Mahmudul H - Techno-economic analysis of a smartgrid hybrid renewable energy system for Brisbane of Australia, Energy Procedia 110 (C) (2017) 340-345 Georg A., Sebastian Z., Hendrik A., Dirk Uwe S - Comparison of different operation strategies for PV battery home storage systems including forecast-based operation strategies, Applied Energy 229 (C) (2018) 884-899 Shezan S.K.A, Farzana M., Hossain A., Ishrak A - Techno-economic and feasibility analysis of a micro-grid wind-DG-battery hybrid energy system for remote and decentralized areas, International Journal of Advances in Engineering & Technology (6) (2015) 874-888 Shezan S.A., Das N - Optimized hybrid wind-diesel energy system with feasibility analysis, Technology and Economics of Smart Grids and Sustainable Energy (1) (2017) International Finance Corporation - A project developer’s guide to utility-scale solar photovoltaic power plants, Washington D.C (2015) 112-115 Tansu F., Ümmühan Başaran F., and Ömer Nezih G - Solar radiation to power generation models for one-axis tracking PV system with on-site measurements from Eskisehir, Turkey, E3S Web of Conferences 22 (2017) 00046 10 Shezan SK.A - Optimization and assessment of an off‐grid photovoltaic‐diesel‐ battery hybrid sustainable energy system for remote residential applications, Environmental Progress & Sustainable Energy 38 (6) (2017) 216-223 11 Yashwant Sawle, S.C Gupta, Aashish Kumar Bohre - PV-wind hybrid system: A review with case study, Cogent Engineering (1) (2016) 1189305 ABSTRACT CALCULATION AND DESIGN OF AN ISLAND-MODE ELECTRICAL POWER SYSTEM SUPPLY TO THE RESIDENTIAL AREA Le Thanh Tri, Pham Thi Xuan Hoa* Ho Chi Minh City University of Food Industry *Email: hoaptx@hufi.edu.vn The demand for electricity of residential areas is increasing in remote areas or islands where the planning and development of the national grid is difficult or impossible To solve these problems, the use of a system of renewable energy sources combined with storage and diesel generators to replace the national grid, and meets the electricity needs of the load is one of the most practical solutions This paper presents the optimal design of a small independent electrical network consisting of photovoltaic cells, electric energy storage accumulators and a diesel backup generator This independent power network can meet the needs for the household's daily load that consumes 12.5 kWh per day Use optimization software for the PVsyst renewable energy sources system to get the most technically and economically feasible results Keywords: Renewable energy sources, photovoltaic batteries, inverters, electrical energy storage batteries, system losses 76 ... kWh/năm Vì vậy, lượng điện hệ thống đưa đến tải tiêu thụ 4614 kWh/năm 72 Tính tốn thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho khu dân cư Hình 12 Lưu đồ tổn thất hệ thống cho năm 3.2.3 Phân... kWh/m2/ngày Điện tạo hệ thống ngày phân bố từ kWh/ngày đến 22 kWh/ngày thể Hình 70 Tính tốn thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho khu dân cư Hình Biểu đồ phân bố lượng xạ ngày 3.2.2 Kết điện. .. thọ thiết bị hệ thống xem nhau, ngoại trừ ắc quy tích trữ lượng 73 Lê Thành Trí, Phạm Thị Xn Hoa Hình 13 Chi phí thành phần hệ thống 74 Tính toán thiết kế hệ thống điện độc lập cung cấp điện cho