Báo cáo tính toán chi phí điện năng cho hệ thống điện năng lượng tái tạo

Do đó, mô hình nuôi tôm công nghệ cao kết hợp với điện năng lượng mặt trời đang trở nên “hot” hơn bao giờ hết ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long hiện nay Cùng với tính thực tế của vấn đề

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Báo Cáo Tính Toán Chi Phí Điện Năng Cho Hệ Thống Điện Năng

Lượng Tái Tạo

Môn : Năng Lượng Tái Tạo GVHD : Thầy Phạm Quốc Khanh SVTT : Trần Nguyễn Tùng Lâm 22842028

TP Biên Hòa, tháng 12 năm 2023

2

LỜI MỞ ĐẦU

Những ngày qua cùng với xu hướng sử dụng nguồn năng lượng thiên nhiên thân thiện môi trường và được khuyến khích từ chính phủ, các dự án điện năng lượng mặt trời ngày càng phổ biến, phát triển đa dạng đặc biệt là các dự án kết hợp sản xuất nông nghiệp Từ nhu cầu đó bắt đầu xuất hiện các mô hình như điện áp mái trên các trang trại gia súc, các trang trại trồng cây xen kẽ các tấm pin mặt trời hay điện mặt trời với nuôi thủy sản

Mô hình nổi bật nhất giữa nuôi thủy sản và điện mặt trời chính là nuôi tôm công nghệ cao Mô hình này mang lại doanh thu cao lại có thể tận dụng tối ưu nguồn điện từ năng lượng mặt trời Do đó, mô hình nuôi tôm công nghệ cao kết hợp với điện năng lượng mặt trời đang trở nên “hot” hơn bao giờ hết ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long hiện nay

Cùng với tính thực tế của vấn đề này, em xin thực hiện đề tài “Tính toán chi phí điện

năng cho hệ thống điện năng lượng tái tạo” cùng với sự giúp đỡ và giải đáp thắc mắc tận

tình của thầy Phạm Quốc Khanh Em xin cảm ơn thầy!

Rất mong thầy đánh giá giúp em để còn sửa được những sai sót và hoàn thiện kiến thức của mình hơn

Sinh viên

Trần Nguyễn Tùng Lâm

3

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG NLTT 5

2.1 Năng lượng mặt trời 5

2.2 Năng lượng gió 9

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CHI PHÍ VẬN HÀNH 11

3.1 Tính toán công suất chênh lệch 11

3.2 Tính toán chi phí 13

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

Hình 1: hệ thống sục khí tiên tiến cho trang trại nuôi tôm có sự tham gia của năng lượng tái tạo

Hệ thống điện này gồm có sự tham gia của năng lượng gió, năng lượng mặt trời, Pin lưu trữ, mát phát điện diesel, tải (chiếu sáng, bơm nước, hệ thống sử lý nước thải, máy khí nén, máy điện phân ), không có sự tham gia của hệ thống điện lưới quốc gia

Hệ thống điện gió có công suất 34 kW

Hệ thống điện mặt trời có công suất 58 kWp

Dung lượng hệ thống Pin lưu trữ 96 kWh

Máy phát điện diesel có công suất 50 kW

Tổng công suất tải 50 kW tại mọi thời điểm trong năm

Nguyên lý hoạt động của hệ thống này là sử dụng điện chủ yếu từ hệ thống năng lượng tái tạo (mặt trời và gió) Khi hệ thống năng lượng tái tạo không thể cung cấp đủ công suất cho phụ tải, nguồn điện từ hệ thống lưu trữ pin sẽ được sử dụng Nếu pin hết hoặc không

đủ điện, máy phát điện sẽ bật để cấp nguồn cho phụ tải Khi hệ thống năng lượng tái tạo tạo

ra nhiều điện hơn mức tiêu thụ điện của người tiêu dùng yêu cầu, lượng điện dư thừa được tạo ra sẽ được nạp vào hệ thống lưu trữ pin Khi hệ thống lưu trữ pin đầy, năng lượng dư thừa lượng điện sẽ bị xả ra ngoài.

Hình ảnh tấm pin năng lượng mặt trời dùng trong hệ thống

Hệ thống điện mặt trời tạo ra công suất lớn nhất là 58kW, với mỗi tấm pin có Pmax=250 W thì hệ thống cần sử dụng 232 tấm pin

Để tìm được điểm công suất cực đại của tấm pin, em xin phép sử dụng phần mềm Matlap để mô phỏng thực hiện tìm Pmax

6

Ta chọn bộ inverter cho cả hệ thống:

Biến tần hòa lưới iMars BG60KTR 60KW 3 Pha 380V

Thông số kỹ thuật đầu vào:

Đầu vào (DC)

Điện áp khởi động (V)/Điện áp làm việc tối

Hệ số công suất -0.8 ~ +0.8 (có thể điều chỉnh)

Độ méo sóng hài nhỏ hơn 3% (công suất danh định) Dải điện áp AC tối ưu (V)/Tần số 230/400V, 3L+N+PE/3L+PE, 50Hz/60Hz

Hiệu suất

Bảo vệ Giám sát cách ly DC, lỗi nối đất, bảo vệ cách

ly, quá áp, dòng ngắn mạch Hiển thị Màn hình LCD 3.5 inch, hỗ trợ bàn phím

backlit

Chuẩn truyền thông RS485, WIFI, Ethernet (tự chọn), PLC

carrier communication(tự chọn)

Ta thấy công suất PV ngõ vào tối đa của bộ inverter là 60 kW > 58 kW

Cần phải phân bố đều các dãy với số lượng tấm PV bằng nhau nên chọn hệ thống

PV bao gồm 29 chuỗi, mỗi chuỗi mắc nối tiếp 8 tấm PV

Kiểm tra công suất của hệ thống: P =8*29*250=58000(W)

Kiểm tra lại điện áp cực đại của hệ thống PV:

Trong đó:

Pw: công suất hệ thống điện gió tạo ra

V: Tốc độ gió thực tế

Vi: Tốc độ gió tuabin gió quay tạo ra điện

Vr: Tốc độ gió định mức của tuabin gió

Vo: Tốc độ gió bắt đầu dừng quay máy phát điện gió

Pr: Công suất định mức của hệ thống điện gió

Bảng thông số của hệ thống tuabin điện gió

10

Nguyên lý vận hành của hệ thống năng lượng gió:

Trường hợp 1: Nếu tộc độ gió thực tế nhỏ hơn tốc độ gió bắt đầu tạo ra điện năng hoặc lớn hơn tốc độ gió bắt đầu dừng máy phát điện gió thì công suất gió bằng

Ta sẽ áp dụng tính công suất gió ở giờ đầu tiên là:

Giờ đầu tiên có v = 5.46 m/s Mà: 3≤5.46≤13

Vậy công suất điện gió của giờ đầu tiên là:

Pim (t): Công suất không cân bằng và cần được cung cấp từ bộ lưu trữ (W)

Pgen (t): Tổng công suất phát điện của gió và mặt trời (W)

Pload (t): công suất của hệ thống sục khí (W)

Nếu công suất năng lượng tái tạo lớn hơn công suất phụ tải thì không cần bật máy phát điện Tuy nhiên, nếu công suất của hệ thống năng lượng tái tạo không đủ cung cấp cho phụ tải thì máy phát điện sẽ được bật để bổ sung lượng điện

Khi công suất của hệ thống phát điện tái tạo lớn hơn nhu cầu tải, tỉ lệ nạp đầy của bộ lưu trữ được xác định theo phương trình

SOC(t) = SOC (t -1) *(1-σbat) + Pim (t)*ηbat / Ebat Ngược lại, nếu công suất hệ thống phát điện không đủ cấp cho tải, bộ lưu trữ

xả công suất ra bù đắp lượng thiếu hụt, khi đó tỉ lệ nạp đầy của bình được xác định theo phương trình

SOC(t) = SOC (t -1) *(1 - σbat) + Pim (t) / (ηbat *Ebat) Trong đó:

SOC(t): Trạng thái sạc hệ thống pin tại thời điểm t

SOC (t -1): Trạng thái sạc hệ thống pin tại thời điểm t-1 trước đó

σbat: Tốc độ tự xả theo giờ của hệ thống pin (%/ h)

SOCmin ≤ SOC(t) ≤ SOCmax

Pch ≤ Pchmax

Pdis ≤ Pdismax

Hệ thống lưu trữ được đề xuất là sử dụng các bình ác quy chì nhằm tiết giảm chi phí mua sắm Công suất nạp xả cực đại của hệ thống bình axit chì được giới hạn trong 10% dung lượng hệ thống lưu trữ Công suất nạp xả của hệ thống lưu trữ được xác định lần lượt trong 2 phương trình

Pchmax=0,1*Ebat

Pdismax=0,1*Ebat

Bảng thông số hệ thống lưu trữ điện năng:

SOCmin Trạng thái pin thấp nhất của hệ thống pin 0.2 SOCmax Trạng thái pin cao nhất của hệ thống pin 0.9

FCDG : Suất tiêu hao nhiên liệu của máy phát điện diesel (L/h).

𝑃𝑟𝑎𝑡𝑒: Công suất đầu ra định mức của máy phát điện diesel (kW)

PDG : Công suất đầu ra thực tế của máy phát điện diesel (kW).

c1 : Hệ số chặn và độ dốc của đường cong tiêu thụ nhiên liệu c2 : Hệ số chặn và độ dốc của đường cong tiêu thụ nhiên liệu Công suất đầu ra thực tế của máy phát điện được tính theo công thức:

PDG= -Pim-Pdis

Trong đó:

Pdis:Công suất xả của hệ thống lưu trữ

Tính toán chi phí vận hành của hệ thống trong 200 giờ:

Trong giờ đầu tiên ta có:

Ppv=0 W Pw=2127.2 W Vậy tổng công suất ntll là: Pgen=0+2127.2=2127.2 (W)

Ta có công suất chênh lệch và cần được cung cấp từ bộ lưu trữ và máy phát:

Pim= Pgen-𝐏𝐥𝐨𝐚𝐝

Ƞ =2127.2 - 𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎

𝟎,𝟗𝟖 =-48893.1 (W)

14

Công suất của hệ thống là 50kW tại mọi thời điểm:

Công suất xả tối đa của hệ thống lưu trữ là:

𝐏𝐝𝐢𝐬𝐦𝐚𝐱=0,1*Ebat=0,1.96000=9600 (W) Tại thời điểm trước giờ đầu tiên trang thái của pin là hoàn toàn đầy=>SOC(0)=SOCmax =0,9

=>Pdis=𝐏𝐝𝐢𝐬𝐦𝐚𝐱=9600 W Vậy công suất cần xả ra để nạp cho hệ thống của máy phát là:

PDG=-Pim-Pdis=48893.1-9600=39293.1 W

Từ đó ta tính được suất tiêu hao nhiên liệu của máy phát ở giờ đầu tiên là:

FCDG=c1*𝐏𝐃𝐆𝐫𝐚𝐭𝐞+c2*PDG=0.08145*50+0.2461*39,293=13.74 L Vậy chi phí nhiên liệu cho cho máy phát giờ đầu tiên là:

Trạng thái còn lại của hệ thống pin sau khi xả là:

SOC(1) = SOC (0)*(1 - σbat ) + Pim (t) / (ηbat *Ebat )

=0,9*(1-0,02) - 𝟒𝟖𝟖𝟗𝟑.𝟏

𝟎,𝟗.𝟗𝟔𝟎𝟎𝟎=0.31610763888

Ở giờ thứ 2:

Ppv=0 W Pw= 796.7 W Vậy tổng công suất ntll là:

Pgen=0+796.7=796.7 (W)

SOC(1)= 0.31610763888>SOCmin Vậy công suất cần xả ra để nạp cho hệ thống của máy phát là:

PDG=-Pim-Pdis=50223.6-9600= 40623.60981W

Từ đó ta tính được suất tiêu hao nhiên liệu của máy phát ở giờ đầu tiên là:

FCDG=c1*𝐏𝐃𝐆𝐫𝐚𝐭𝐞+c2*PDG=0.08145*50+0.2461* 40,623=14 L Vậy chi phí nhiên liệu cho cho máy phát giờ thứ hai là:

Trạng thái còn lại của hệ thống pin sau khi xả là:

SOC(2) = SOC (1)*(1 - σbat ) + Pim (t) / (ηbat *Ebat )

=0,316*(1-0,02) - 𝟓𝟎𝟐𝟐𝟑.𝟔

𝟎,𝟗.𝟗𝟔𝟎𝟎𝟎= -0.27161166666 Trạng thái của hệ thống pin sau khi xả ở giờ thứ hai là:

SOC(2)= -0.27161166666≤SOCmin Vậy bộ lưu trữ không thể xả năng lượng cho hệ thống cho đến khi được sạc lại Suy ra từ giờ thứ ba nếu công suất năng lượng tái tạo lớn hơn công suất hệ thống thì suất tiêu hao của nhiên liệu của máy phát bằng 0 Còn nếu công suất năng lượng tái tạo nhỏ hơn công suất hệ thống thì công suất của máy phát phải tạo ra bằng với lượng công suất chênh lệch (-Pim = Pđg)

16

Bảng tính toán suất tiêu hao nhiên liệu của máy phát điện diesel tại mỗi thời điểm:

Giờ

Vận tốc(m/s) P gió(w)

23

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Bài tiểu luận của em đã trình bày một phương pháp để tính toán thiết kế tối ưu

hệ thống Hybrid gồm năng lượng mặt trời, Diesel và bộ dự trữ Phương pháp tối ưu

có ràng buộc được sử dụng và xây dựng trên phần mềm Matlab để tìm ra dung lượng tối ưu của bộ dự trữ, số lượng pin mặt trời cũng như công suất cực đại lớn nhất của

hệ thống năng lượng mặt trời

Kết quả mô phỏng phân bố công suất của hệ thống trong một ngày cũng thể hiện được hệ thống vận hành ổn định, an toàn, tận dụng được tối đa công suất từ nguồn tái tạo và hạn chế sử dụng Diesel, giảm lượng khi thải CO2 đáng kể

Kết quả đạt được đã chứng tỏ rằng sử dụng một hệ thống hybrid là kinh tế, hiệu quả và giảm khí thải Co2 cho môi trường hơn so với việc chỉ dùng Diesel

Để hệ thống hoạt động hiệu quả hơn, lưới điện phải được đấu nối vào hệ thống điện quốc gia Giảm chi phí vận hành phát điện diesel hoặc tăng công suất hệ thống điện năng lượng tái tạo để giảm chi phí

Từ đây đề xuất một giải pháp sử dụng năng lượng tái tạo cho các vùng sâu, vùng xa và hải đảo của Việt Nam

https://drive.google.com/file/d/1oE7tvbABn-QrWA7TYU8owNttUX2yI2_i/view

https://drive.google.com/file/d/1oE8cS-XMrLSekSd4phRmxWGmI_QAhTqy/view

25