ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84) 2014, QUYỂN 1 39 NGHIÊN CỨU, LẮP ĐẶT MÔ HÌNH ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ NỐI LƯỚI ĐIỆN TIÊU THỤ RESEARCH AND INSTALLATION OF A M[.]
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 39 NGHIÊN CỨU, LẮP ĐẶT MƠ HÌNH ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ NỐI LƯỚI ĐIỆN TIÊU THỤ RESEARCH AND INSTALLATION OF A MODEL OF SOLAR ENERGY WITH CONSUMPTION ELECTRICITY GRID Lê Quang Nam1, Trần Thanh Sơn2 Sở Khoa học Công nghệ Tp Đà Nẵng; Email: namlq@danang.gov.vn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: ttson@hde.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày nội dung xây dựng hệ thống điện mặt trời nối lưới quy mơ nhỏ Trong đó, nhóm tác giả tập trung vào miêu tả đặc điểm công nghệ, thiết kế quy trình triển khai mơ hình điện mặt trời nối lưới Mơ hình lắp đặt vận hành thành công sở điển hình Bài báo nêu số kết đánh giá, phân tích tính ổn định ảnh hưởng hệ thống lên lưới điện tiêu thụ Các kết rằng, hệ thống điện mặt trời lắp đặt vận hành ổn định, an toàn cấp điện cho nhiều hộ tiêu thụ có tính chất khác Một điều bất tiện hệ thống nối lưới hệ thống không sản xuất điện điện lưới Abstract - This article presents the basic contents of building small scale grid-tied solar power systems Particularly, the authors focus on describing characteristics of technology, design and implementation process of grid-tied solar power models The model has been successfully implemented and operated in a typical unit The article also points out several assessments and analysis on the stability and the influence of the system on the consumption power grid The results show that the installed solar power system operated stably, safely,and provided power for many households with different properties One disadvantage of the system is that it will not produce electricity when the power grid is offn Từ khóa - lượng mặt trời; điện mặt trời; hệ thống nối lưới; hộ tiêu thụ; biến tần Key words - Solar energy; solar electricity; grid-tied system; consumer; inverter Đặt vấn đề Khai thác nguồn lượng tái tạo, đặc biệt lượng mặt trời để bổ sung, thay phần lượng hóa thạch dần cạn kiệt, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường nhu cầu thực cần thiết quốc gia [1] Ở Việt Nam, định hướng chiến lược phát triển lượng quốc gia mà phủ đề đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 rõ “phấn đấu tăng tỷ lệ nguồn lượng tái tạo lên khoảng 3% tổng lượng sơ cấp vào năm 2010, khoảng 5% vào năm 2020 khoảng 11% vào năm 2050” Ở tỉnh Nam Trung Nam nguồn lượng mặt trời phong phú, có tiềm khai thác nhằm bổ sung cho nhu cầu tiêu thụ điện địa phương Mặt khác, tiến công nghệ điện lượng mặt trời thời gian gần sở để triển khai mơ hình điện mặt trời nối lưới Việc triển khai mơ hình với giá thành hợp lý thúc đẩy hoạt động ứng dụng giảm phụ tải điện cho hệ thống lưới điện quốc gia Tuy nhiên, mơ hình điện mặt trời nối lưới triển khai phạm vi nghiên cứu hồn thiện Kết nghiên cứu, lắp đặt mơ hình điện mặt trời có nối lưới điện tiêu thụ 2.1 Khảo sát đánh giá tiềm năng lượng mặt trời thành phố Đà Nẵng 2.1.1 Khảo sát đánh giá tiềm năng lượng mặt trời Đà Nẵng Căn vào số liệu diện tích tự nhiên thành phố bảng số liệu xạ tổng cộng trung bình thành phố Đà Nẵng, nhóm tác giả tính tốn sơ tổng tiềm lý thuyết nguồn lượng mặt trời Xét hệ pin NLMT kWp lắp đặt phần diện tích đất liền (937,3.106 m2) thành phố Đà Nẵng, tổng tiềm NLMT lý thuyết trung bình tính cơng thức [2]: 𝐴𝐿𝑇 = 𝑄𝑇𝐵 𝑆𝐷𝑁 Trong đó: • 𝐴𝐿𝑇 : Tổng tiềm năng lượng lý thuyết; • 𝑄𝑇𝐵 : Tổng xạ trung bình; • 𝑆𝐷𝑁 : Diện tích tự nhiên Đà Nẵng (phần đất liền) 𝐴𝐿𝑇 = 4,89 (𝑘𝑊ℎ/𝑚2 /𝑛𝑔à𝑦) × 937,3.106 (𝑚2 ) = 4.583,4 106 (𝑘𝑊ℎ/𝑛𝑔à𝑦) Toàn tiềm lý thuyết ta dùng để sản xuất điện sử dụng công nghệ pin mặt trời với hiệu suất lớn 20% tiềm phát điện lượng mặt trời thu là: 𝐴′𝐿𝑇 = 4.583,4 × 106 (𝑘𝑊ℎ/𝑛𝑔à𝑦) × 20% = 916,7 106 (𝑘𝑊ℎ/𝑛𝑔à𝑦) = 334,6 109 (𝑘𝑊ℎ/𝑛ă𝑚) Nếu dùng lượng NLMT để sản xuất nhiệt với công nghệ hiệu ứng nhà kính, hiệu suất 40% tiềm nhiệt lượng mặt trời là: 𝑄𝐿𝐷𝑁 = 𝐴𝐿𝑇 × 40% = 4583,4 106 (𝑘𝑊ℎ/𝑛𝑔à𝑦) × 40% = 1833,4.106 (𝑘𝑊ℎ/𝑛𝑔à𝑦) = 6600,2 × 109 (𝐾𝐽/𝑛𝑔à𝑦) = 2.409 𝑥1012 (𝐾𝐽/𝑛ă𝑚) 2.1.2 Đánh giá tiềm kinh tế kỹ thuật Khi đánh giá tiềm kinh tế kỹ thuật lượng mặt trời cần phải quan tâm đến hạn chế điều kiện địa hình, điều kiện thi cơng, lắp đặt, sở hạ tầng, trình độ cơng nghệ… người ta khai thác phần tiềm lý thuyết Do triển khai mơ hình ứng dụng lượng mặt trời phải phân tích đẩy Lê Quang Nam, Trần Thanh Sơn 40 đủ yếu tố để cho khai thác phải đem lại hiệu kinh tế Tại Đà Nẵng, diện tích đất khu dân cư, đất chuyên dụng sở sản xuất chiếm 36% diện tích thành phố Trong đó, nguồn lượng mặt trời đem lại hiệu kinh tế, khả triển khai ứng dụng nơi có dân cư sinh sống Từ phân tích ta tính tốn sơ tiềm kinh tế - kỹ thuật sản xuất điện NLMT: 𝐴Đ = 𝐴′𝐿𝑇 𝑆𝑑𝑐 = 916,7 106 (𝑘𝑊ℎ/𝑛𝑔à𝑦) × 36% = 330.106 (𝑘𝑊ℎ/𝑛𝑔à𝑦) = 120,1 109 (𝑘𝑊ℎ/𝑛ă𝑚) Và tiềm kinh tế - kỹ thuật sản xuất nhiệt: 𝐾𝐽 𝑄𝑁 = 𝑄𝐿𝐷𝑁 𝑆𝑑𝑐 = 2409.1012 ( ) × 36% 𝑛ă𝑚 12 = 867,2.10 (𝐾𝐽/𝑛ă𝑚) So với nhu cầu tiêu thụ điện thành phố Đà Nẵng năm 2011 1,6 tỷ kWh, tiềm kinh tế kỹ thuật sản xuất điện lượng mặt trời gấp 68 lần lượng điện tiêu thụ Bên cạnh đó, dự án triển khai lắp đặt hệ nước nóng lượng mặt trời địa phương thời gian qua cho thấy tiềm ứng dụng nhiệt từ NLMT lớn hiệu Đà Nẵng Qua khẳng định Đà Nẵng có tiềm lớn việc ứng dụng NLMT việc đáp ứng nhu cầu lượng địa phương Ngoài ra, việc ứng dụng NLMT khắc phục tình trạng thiếu điện giảm áp lực phụ tải đỉnh kích cầu nhóm ngành sản xuất – kinh doanh cần tiêu thụ lượng lớn 2.2 Nghiên cứu, lắp đặt mơ hình điện lượng mặt trời quy mơ nhỏ có nối lưới điện Trong báo nhóm tác giả xây dựng hệ thống điện lượng mặt trời công suất 4000Wp có nối lưới điện tiêu thụ (GRID - TIE) cung cấp nguồn điện pha 220VAC/50HZ Sơ đồ đấu nối hệ thống trình bày Hình Hình Sơ đồ đấu nối thiết bị hệ thống * Nguyên lý hoạt động hệ pin NLMT GRID – TIE: Các pin lượng mặt trời IREX 250Wp chuyển hóa lượng mặt trời sang lượng điện chiều (DC), sau đưa vào chuyển đổi nguồn Inverter SMA Sunny Boy 4000TL (Grid-tie Inverter) nhằm chuyển đổi nguồn điện DC sang AC đấu nối vào lưới điện hộ tiêu thụ Các phụ tải tiêu thụ điện đơn vị triển khai ưu tiên sử dụng nguồn điện từ lượng mặt trời, thiếu bổ sung từ điện lưới Quốc gia, chế độ thông minh Grid-tie Inverter Chế độ hoạt động hệ thống điều khiển giám sát từ xa thông qua Sunny Wedbox (thiết bị kết nối điều khiển từ xa Inverter qua mạng Lan, Internet) * Đặc tính thiết bị hệ thống pin NLMT nối lưới: Bảng Thống kê thiết bị hệ thống Tên hàng hóa Ký hiệu, mã Tấm hấp thụ lượng mặt trời Irex 250Wp loại polycrystalline IR250P-60 TT SMA Sunny Boy 4000TL - Grid-tie Inverter, hiệu suất 97%, 4000W (Sunny Inverter4KGR) Thiết bị giám sát vận hành hệ thống điện mặt trời từ xa (hệ lớn) Sunny Webbox Đơn vị tính Số lượng Xuất xứ Tấm 16 Việt Nam SB 4000TL Bộ 01 Đức Sunny-Web Bộ 01 Đức Hệ thống 01 Việt Nam Cụm 01 Việt Nam Khung đỡ PV – thép nhúng kẽm nóng – kết cấu chịu gió cấp 12 – bao gồm móng (hệ khung SUP-PV cho 16 PV) Hình ảnh Tủ điện, dây điện, CB, ống luồng dây, Trong báo cáo “nghiên cứu, lựa chọn cơng nghệ điện mặt trời quy mơ nhỏ có nối lưới điện tiêu thụ”[2] đề tài này, nhóm tác giả phân tích ưu, nhược điểm loại thiết bị hệ pin NLMT (pin, inverter, hệ thống giám sát, ) đề xuất thiết bị phù hợp để xây dựng hệ thống điện NLMT nối lưới quy mô nhỏ Thông tin thiết bị nêu Bảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 41 Tất thiết bị lắp đặt Trung tâm Công nghệ Sinh học (TT CNSH) thuộc Sở Khoa học Cơng nghệ thành phố Đà Nẵng có địa phường Hòa Thọ Tây, quận Cẩm Lệ, thành phố Đà Nẵng 2.3 Khảo sát, đánh giá tính ổn định tác động hệ pin NLMT lên lưới điện tiêu thụ 2.3.1 Điện áp ngõ hệ pin NLMT Hình Biểu đồ tần số ngõ 2.3.3 Điện tạo từ hệ thống pin NLMT Điện sử dụng từ hệ thống ĐMT kWh 25 20 15 10 Hình Biểu đồ điện áp ngõ hệ pin NLMT 5/5/2014 4/5/2014 3/5/2014 2/5/2014 1/5/2014 30/4/2014 29/4/2014 28/4/2014 27/4/2014 26/4/2014 25/4/2014 24/4/2014 23/4/2014 22/4/2014 21/4/2014 20/4/2014 19/4/2014 Hình Biểu đồ điện áp ngõ hệ thống Hình thể điện áp hệ thống ương ứng với điện áp đầu vào Hình Điện áp ngõ hệ pin NLMT đo đạt giá trị cao 237,22V thấp 188,40V Giá trị trung bình điện áp đầu 222,1V Như nêu trên, điện áp đầu hệ thống có ổn định cao đảm bảo biên độ dao động điện áp nằm phạm vi cho phép tiêu chuẩn IEE 522-8 2.3.3 Tần số ngõ hệ thống Tương ứng với điện áp đầu vào Hình 3, Hình thể tần số dòng điện Tần số ngõ hệ điện NLMT đo với giá trị trung bình 50,13 Hz Giá trị tần số thấp 49,55Hz cao 50,45 Hz Biên độ dao động tần số mức 0,9 Hz Kết cho thấy độ ổn định tần số đầu khả đảm bảo biên độ dao động tần số nằm phạm vi cho phép tiêu chuẩn IEE 522-8 18/4/2014 Hình thể điện áp hệ pin NLMT 03 ngày liên tiếp 19-21/04/2014 Phân tích liệu cho thấy điện áp ngõ đo từ hệ pin NLMT đạt giá trị trung bình 410,39 V Giá trị cao đạt 485V thấp 200V Đối chiếu với thông số điện áp DC đầu vào thiết bị inverter SMA Sunny Boy 4000TL 175-480V thấy hệ thống điện mặt trời lắp đặt tạo nguồn điện 220V ổn định 2.3.2 Điện áp ngõ hệ thống Ngày/tháng/năm Hình Biểu đồ điện tạo Biểu đồ Hình cho thấy từ ngày 19/4/1014 đến ngày 27/4/2014 lượng điện sử dụng từ điện NLMT tương đối ổn định Điện trung bình thời gian nằm khoảng 16,5 kWh/ngày Đối với thời gian cịn lại hình trên, điện thay đổi theo chiều giảm giá trị nhiều Đối với kết phân tích điện áp hệ pin, điện áp ngõ hệ thống, tần số ngõ cho thấy tính ổn định cao Điện áp đầu trung bình hệ thống 222,1V tần số trung bình 50,1 Hz Các giá trị nằm trọng giới hạn cho phép tiêu chuẩn IEE 522-8 Tuy nhiên, yếu tố ảnh hưởng chung lên hệ pin NLMT yếu tố thời tiết, môi trường,…, hiệu suất hệ pin NLMT nối lưới (grid-tie) chịu tác động từ đặc tính mang tính đặc trưng riêng giá trị điện áp, tần số thông số nguồn đầu hệ thống lấy mẫu theo đặc tính lưới điện sở Do đó, trường hợp điện áp, tần số, sóng hài lưới điện bị thay đổi lớn, ngưỡng cho phép hay bị điện hệ thống tự khởi động lại tự ngắt theo chế độ bảo vệ mặc định Những lý giải thích rõ nguyên nhân cho giá trị thấp mà nhóm tác giả đo Cụ thể, Hình 5, ngày 18/4/2014 từ ngày 28/4 đến 5/5/2014, điện tiêu thụ có thay đổi theo xu hướng giảm phần Ngun nhân vào ngày 18/4/2014 điện lưới sở bị mất; ngày 5/5/2014 lượng điện sử dụng từ điện NLMT thấp điện áp lưới điện giảm sâu tác động máy khí: hàn, khoan, cắt q trình thi cơng TT CNSH gây tình trạng khởi động liên tục hệ pin NLMT từ ngày 28/4/2014 đến ngày 3/5/2014 lượng điện sử dụng ngày nghỉ lễ, tải sở dụng nên điện mà hệ pin NLMT cấp cho sở giảm theo Như vậy, trừ yếu tố ảnh hưởng mang tính hệ thống hệ pin NLMT lắp đặt TT CNSH có tính ổn định cao Lê Quang Nam, Trần Thanh Sơn 42 2.3.4 Đặc trưng điện áp, dòng tần số lưới điện chế độ có khơng kết nối với hệ pin NLMT a Không kết nối hệ pin a Có kết nối hệ pin Hình Đặc trưng điện áp, dòng tần số lưới điện chế độ có khơng kết nối với hệ pin NLMT Để phân tích tác động hệ pin NLMT lên lưới điện sở, nhóm tác giả phân tích đặc trưng điện áp, dòng tần số 02 chế độ: có khơng kết nối lưới điện với hệ pin NLMT Dữ liệu đo hai thời điểm liên tục thời điểm TT CNSH sử dụng tải bình thường thấy rõ tác động Theo kết Hình a b, điện áp, dòng tần số lưới điện chế độ khơng có kết nối với hệ pin NLMT có giá trị 219,3V - 217,1V, 45,81A 5,24A 50,1Hz – 50,1Hz Tương tự, điện tiêu thụ pha điện có kết nối với hệ pin NLMT cho thấy giá trị điện khơng có kết nối với hệ pin 9,2 kWh – 1,08 kWh Như trường hợp hệ pin NLMT cấp điện cho tải điện áp tần số có biến độ dao động nhỏ, không đáng kể Bên cạnh kết luận mức độ không gây ảnh hưởng lên lưới điện TT CNSH với việc so sánh điện áp, tần số thông số khác, nhóm tác giả phân tích nhu cầu tiêu thụ so với công suất tạo hệ pin NLMT Trung tâm Trong đó, kết phân tích cơng suất tiêu thụ đỉnh vào ngày làm việc tuần Trung tâm 41,2 kW công suất tiêu thụ đỉnh vào ngày không làm việc (thứ chủ nhật) từ đến 8,5 kW (do yêu cầu công nghệ, số thiết bị điều hịa phịng ni cấy, giàn đèn, tủ lạnh, … phải hoạt động 24/24 nên phải sử dụng lượng điện) Lượng công suất đỉnh tạo từ hệ thống pin mặt trời đo 3,4 kW Như vậy, công suất đỉnh tạo từ hệ thống điện NLMT chiếm tỉ lệ 45,33% giá trị phụ tải đỉnh vào ngày thứ 7, chủ nhật chiếm 8,23% giá trị phụ tải đỉnh vào ngày làm việc Do đó, điện tạo từ hệ thống điện mặt trời hỗ trợ giảm phụ tải cho hệ thống điện Trung tâm, khơng có q trình phát ngược lại ảnh hưởng lên lưới điện TT CNSH Kết luận - Điện áp đầu ra, tần số hệ thống ln trì mức trung bình 222,1V 50,13 Hz đáp ứng tiêu chuẩn IEE 522-8 yêu cầu đặt với hệ thống ĐMT lắp đặt - Đây hệ thống điện lượng mặt trời quy mơ nhỏ có nối lưới điện Quốc gia khơng có hệ thống trữ điện ắc quy lắp đặt Trung tâm Công nghệ Sinh học, giá trị điện tạo cao ngày cấp tải cho tịa nhà 21,49 kWh/ngày trung bình 11,44 kWh/ngày Sau thời gian đưa vào vận hành, tính đến ngày 3/6/2014, hệ pin NLMT nối lưới giúp tiết kiệm 540 kWh, giảm phát thải CO2 giảm chi phí tiền điện sử dụng cho đơn vị thụ hưởng - Từ kết liệu thu thập phân tích, hệ thống pin mặt trời nối lưới đáp ứng đầy đủ yêu cầu theo Điều 43 thông tư 32/2010/TT-BCT ngày 30 tháng năm 2010 việc quy định hệ thống điện phân phối - Khả đáp ứng tiêu chuẩn nối lưới inverter SMA Sunny Boy 4000TL chứng minh, kiểm nghiệm sử dụng rộng rãi nhiều nước Do đó, hệ thống nối lưới từ pin mặt trời dự án chắn hoạt động tốt với lưới điện Việt Nam - Hệ thống tự động ngưng hoạt động trường hợp điện lưới bị để đảm bảo an toàn cho lưới điện người sử dụng ưu điểm hệ thống nhược điểm điện lưới bị ngắt hộ tiêu thụ không sử dụng ĐMT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Foster, M Ghassemi, A Cota, “Solar Energy – Renewable energy and the environment”, CRC Press, 2010 [2] T T Sơn, “Khảo sát, đánh giá tiềm năng lượng mặt trời TP Đà Nẵng”, TT TKNL& TVCNCN, Sở KHCN ĐN, Báo cáo tổng kết [3] T T Sơn, “Nghiên cứu, lựa chọn cơng nghệ điện mặt trời quy mơ nhỏ có nối lưới điện tiêu thụ”, TT TKNL& TVCNCN, Sở KHCN ĐN, Báo cáo tổng kết [4] T T Sơn, “Đánh giá tính hiệu độ ổn định hệ thống diện lượng mặt trời grid-tie Trung tâm công nghệ sinh học Đà Nẵng”, TT TKNL& TVCNCN, Sở KHCN ĐN, Báo cáo tổng kết (BBT nhận bài: 22/10/2014, phản biện xong: 19/11/2014) ... trạng thiếu điện giảm áp lực phụ tải đỉnh kích cầu nhóm ngành sản xuất – kinh doanh cần tiêu thụ lượng lớn 2.2 Nghiên cứu, lắp đặt mơ hình điện lượng mặt trời quy mơ nhỏ có nối lưới điện Trong... Hz đáp ứng tiêu chuẩn IEE 522-8 yêu cầu đặt với hệ thống ĐMT lắp đặt - Đây hệ thống điện lượng mặt trời quy mô nhỏ có nối lưới điện Quốc gia khơng có hệ thống trữ điện ắc quy lắp đặt Trung tâm... dựng hệ thống điện lượng mặt trời cơng suất 4000Wp có nối lưới điện tiêu thụ (GRID - TIE) cung cấp nguồn điện pha 220VAC/50HZ Sơ đồ đấu nối hệ thống trình bày Hình Hình Sơ đồ đấu nối thiết bị