Mô hình lưới Điện thông minh, phân tích nguồn dự trữ từ các trạm phát ứng dụng năng lượng mặt trời dành cho các bạn tham khảo làm đồ án
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH
LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH
1.1.1 Giới thiệu lưới điện thông minh a Khái niệm
Hệ thống điện là một hệ năng lượng đặc biệt được cấu trúc bởi nhiều thiết bị điện để tạo nên một mạng kín hoặc hở từ nơi cung cấp năng lượng đến các hộ tiêu thụ điện năng ở đó cho phép thực hiện các quá trình hình thành, biến đổi, truyền tải, dự trữ và tiêu thụ năng lượng điện Việc truyền dẫn và kết nối nhiều thiết bị điện với nhau trong một phạm vi nhất định tạo thành lưới điện
Về kết cấu, hệ thống điện luôn tồn tại hai phần mạch: mạch động lực và mạch điều khiển Mạch động lực thực hiện các quá trình năng lượng nên về kỹ thuật người ta luôn quan tâm đến hướng và công suất của dòng năng lượng, mạch điều khiển lại phải quan tâm đến hướng của dòng tín hiệu Hai mạch này kết hợp sẽ tạo nên những phẩm chất cho hệ thống điện, đồng thời mang lại hiệu quả kinh tế trong đầu tư, vận hành khai thác.
Lưới điện có nhiều cách phân loại:
+ Phân loại theo mạch vòng:
+ Phân loại theo chức năng:
+ Phân loại theo điện áp:
Lưới điện thông minh là một khái niệm khá mới nói về hệ thống lưới điện sử dụng công nghệ tiên tiến để tăng khả năng cung cấp năng lượng, chất lượng cung cấp năng lượng, độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống, kể từ khâu phát, khâu dẫn truyền tải tới khâu phân phối Lưới điện thông minh mang đến một cơ sở hạ tầng phân phối điện tốt hơn sơ với lưới điện thông thường. b Cơ sở hình thành lưới điện thông minh
Ngày nay, trong thời đại công nghệ kỹ thuật hiện đại, đã có những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động với khả năng ứng dụng các ý tưởng trong truyền thông, thông qua kết nối internet vạn vật đã làm thay đổi rất nhiều trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như đời sống Mặt khác, nhu cầu của xã hội về năng lượng với mức công suất tiêu thụ cũng như chất lượng nguồn năng lượng ngày một cao hơn nên việc xây dựng một lưới điện thông minh là điều hết sức cấp bách Hiện tại, lưới điện các quốc gia trên thế giới phát triển không đồng đều, chất lượng của mỗi nước mỗi khác nên rất nhiều nước thật sự có nhu cầu phải hiện đại hóa lưới điện hiện nay, đó là:
+ Cần phải nâng cao khả năng về công suất năng lượng để cung cấp cho các hộ tiêu thụ điện, nâng cao độ tin cậy của cung cấp điện, hiệu suất và độ an toàn cho lưới điện.
+ Cần phải phân bố lại bản đồ lưới điện với các trung tâm, nhà máy sản xuất điện, lưới truyền tải, các kho dự trữ, các hộ tiêu thụ để tạo nên một diện mạo mới trong đó có thể các hộ tiêu thụ vừa là khách hàng, lại vừa là nhà cung cấp, rút ngắn khoảng cách từ phát điện đến tiêu thụ điện (Để thực hiện được ý tưởng này thì về mặt kỹ thuật, phải cung cấp cho các hộ tiêu dùng các công cụ tương tác để biến đổi theo hai chiều, để quản lý và khai thác năng lượng một cách khoa học, an toàn và kinh tế).
Để đảm bảo an ninh năng lượng, cần phải đa dạng hóa các nguồn năng lượng bên phía người tiêu dùng Khách hàng sẽ có quyền lựa chọn nhà cung cấp điện với các nguồn điện đa dạng từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện nguyên tử, nhà máy thủy điện, nhà máy điện mặt trời, điện gió hay điện sinh học.
+ Hiện đại hóa lưới điện giúp tăng cường khả năng quản lý, vận hành, khai thác tối ưu hệ thống
+ Nâng cao hơn nữa an toàn cung cấp điện, đảm bảo an ninh năng lượng, khả năng phản ứng nhanh với những sự cố, rủi ro, khôi phục cấp điện trở lại một cách nhanh chóng trong những điều kiện bất lợi về thời tiết do thiên nhiên hoặc các lý do khác từ xã hội.
Từ việc xây dựng được lưới điện hiện đại sẽ góp phần can thiệp đến GDP của một quốc gia nhờ tối ưu mọi vấn đề chi phí kỹ thuật, khả năng quản lý hợp lý năng lượng, tạo ra nhiều việc làm mới liên quan đền ngành công nghiệp tái tạo năng lượng, các thiết bị điện, pin mặt trời, máy phát điện tuabin gió,… c Các mục tiêu của lưới điện thông minh
Lưới điện thông minh có 2 mục tiêu chính:
* Mục tiêu thứ nhất: giám sát hệ thống truyền tải, bảo đảm những yêu cầu về kỹ thuật tối ưu:
+ Giám sát theo thời gian thực các điều kiện của lưới điện.
+ Cải thiện tính năng chẩn đoán tự động các nhiễu loạn trên lưới, hỗ trợ người vận hành trong việc xử lý các vấn đề về kỹ thuật khi có phát sinh sự cố.
+ Tự động phản ứng với các lỗi trên lưới, cách ly các nhiễu loạn trên lưới nhằm ngăn chặn các lỗi lan truyền.
+ Có khả năng kết hợp các nhà máy điện mới vào lưới theo mô hình “Plug & Play”, giảm thời gian cần thiết để nghiên cứu kết nối cũng như nâng cấp vật lý các thiết bị trong lưới.
Tự động khôi phục lưới điện hiệu quả nhờ sự kết hợp giữa các cảm biến thông minh, hệ thống phân tích máy tính tân tiến và các thiết bị trạm hiện đại Hệ thống này có khả năng phát hiện và cách ly sự cố nhanh chóng, đồng thời định tuyến lại dòng điện thông qua các đường truyền khác, đảm bảo sự ổn định và phục hồi nguồn điện kịp thời cho khách hàng.
* Mục tiêu thứ hai: quản lý tiêu thụ năng lượng điện.
+ Lưới điện thông minh phải truyền tải được thông điệp tới người sử dụng hoặc đơn vị kinh doanh điện: điện năng rất đắt và không dễ truyền tải Điều này có thể thực hiện dễ dàng thông qua các bộ hiển thị, qua trình duyệt web hoặc qua phần mềm máy tính Mục tiêu là giúp khách hàng hiểu rõ tầm quan trọng của việc tiết kiệm điện.
+ Cho phép tự động giảm mức độ sử dụng điện năng của các hộ tiêu dùng khi chi phí điện tăng quá cao Có thể quản lý được vấn đề này thông qua khả năng liên kết dữ liệu giữa các đồng hồ đo thông minh và các thiết bị gia dụng của hộ tiêu dùng
+ Lưới điện thông minh sẽ tự động phát hiện các lỗi trên đường dây tải điện, xác định chính xác thiết bị lỗi và hỗ trợ đưa ra các thiết kế tối ưu để sửa chữa, khắc phục sự cố Lưới điện thông minh còn có thể cách ly vùng bị lỗi khỏi các vùng lân cận để tránh gây tổn thất lớn trên hệ thống
CÁC NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN THÔNG MINH
a Khái niệm nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện là nhà máy biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng, rồi thành điện năng. b Phân loại nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hữu cơ có thể chia làm các loại sau:
- Theo nhiên liệu sử dụng:
+ Nhà máy đốt nhiện liệu rắn.
+ Nhà máy đốt nhiên liệu lỏng.
+ Nhà máy đốt nhiên liệu khí.
Hình 8.1 Nguyên lý cấu tạo nhà máy nhiệt điện đốt than
- Theo Tuabin quay máy phát:
+ Nhà máy điện Tuabin hơi.
+ Nhà máy điện Tuabin khí.
+ Nhà máy điện Tuabin khí-hơi.
- Theo dạng năng lượng cung cấp:
+ Nhà máy điện ngưng hơi: chỉ cung cấp điện.
+ Nhà máy nhiệt điện rút hơi: trung tâm nhiệt điện cung cấp điện và nhiệt.
+ Nhà máy điện không khối. c Nhiên liệu sử dụng trong nhà máy nhiệt điện c1 Than đá:
Lượng than tiêu thụ hàng năm của dự án nhà máy nhiệt điện sẽ được mua trong nước hay nhập khẩu từ nước ngoài Phương thức vận chuyển có thể bằng tàu biển về cảng, sau đó than sẽ được vận chuyển bằng xe ôtô tải về nhà chứa than kín Than từ kho sẽ được chuyển qua băng tải kín và được kiểm soát bằng thiết bị cân trọng lượng,sau đó được nghiền mịn thành bột bằng máy xay, cuối cùng bột than được sấy khô bằng khí nóng trước khi thổi vào lò hơi để đốt Như vậy, bụi than phát sinh từ kho chứa phát tán ra ngoài không khí sẽ được kiểm soát một cách hiệu quả. c2 Dầu HFO
Dầu nặng Heavy Fuel Oil - HFO được sử dụng làm nhiên liệu đốt phát điện. Dầu nặng được mua ở thị trường trong nước hoặc nhập khẩu, sau đó được vận chuyển đến nhà máy bằng đường ống hay xì téc Tại nhà máy, dầu nặng sẽ được lưu trữ trong các bồn chứa. c3 Hóa chất
Các hoá chất sử dụng cho nhà máy nhiệt điện bao gồm chất khử oxy, phụ gia tẩy gỉ, amoniac, nhôm sulfat, muối sắt, axit clohydric, kiềm, … sẽ được nhập từ nước ngoài hay mua trong nước, sau đó được vận chuyển đến khu vực dự án bằng xe chuyên dụng hoặc xe tải Các loại nguyên liệu này sẽ được lưu trữ, bảo quản trong kho hoặc bồn chứa đặc biệt trong khu vực nhà máy Tất cả các nguyên liệu hoá chất trên cần được bảo quản, quản lý và xử lý cũng như tiêu huỷ theo đúng các quy phạm kỹ thuật của Việt Nam. d Ưu điểm và nhược điểm d1 Ưu điểm
Việt Nam là nước có nguồn nhiên liệu khá dồi dào Nguồn nhiên liệu than ở nước ta có trữ lượng rất lớn, nhất là nguồn nhiên liệu rắn và khí Nguồn nhiên liệu đã phát hiện cũng như còn tiềm tàng là rất phong phú Có thể xây dựng gần khu công nghiệp và nguồn cung cấp nhiên liệu nên giảm được chi phí xây dựng đường dây tải điện và chuyên chở nhiên liệu Thời gian xây dựng một nhà máy nhiệt điện ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng nhà máy thủy điện Có thể sử dụng được các nhiên liệu rẻ tiền như: than cám, than bìa ở các khu khai thác than Dầu nặng của các nhà máy lọc dầu, trấu của các nhà máy xay lúa… d2 Nhược điểm
+ Khí hậu cũng ảnh hưởng rất lớn đến nhà máy nhiệt điện, ở những vùng có nhiệt độ thấp thì hiệu suất của nhà máy nhiệt điện sẽ cao hơn nhà máy nhiệt điện đặt ở những vùng có nhiệt độ cao Đối với nước ta là một nước nằm trong vùng nhiệt đới nhiệt độ thay đổi theo mùa vì vậy khả năng làm việc của tuabin không được tốt do đó việc xây dựng nhà máy nhiệt điện cần phải khảo sát và tính toán để tìm được nhiệt độ thích hợp cho việc thiết kế cũng như việc lựa chọn và đặt thiết bị hợp lí nhất Quá trình khởi động chậm từ 6-8 giờ mới đạt được công suất tối đa, điều chỉnh công suất khó, khi giảm đột ngột công suất phải thải hơi nước ra ngoài vừa mất năng lượng vừa mất nước Đốt cháy nguyên liệu trong quá trình sản xuất (dầu, than, khí từ mỏ dầu ) do đó phụ thuộc vào nguồn cung các nguyện liệu này Khói thải, khí độc, của nhà máy nhiệt điện thải ra ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường tự nhiên, cũng như cuộc sống của con người xung quanh nhà máy Các nguồn phát thải bụi, khí độc từ nhà máy nhiệt điện như gồm: Khí thải lò hơi, khí thải từ các phương tiện vận chuyển, ô nhiễm không khí từ quá trình bốc xếp nguyên vật liệu và từ các nguồn khác Khí thải của nhà máy nhiệt điện có chứa các chất ô nhiễm có nồng độ cao Việc phát tán khí thải sẽ góp phần làm gia tăng mức độ ô nhiễm không khí tại khu vực dự án, đặc biệt là ảnh hưởng đến sức khỏe con người và các hệ sinh thái Trong tình hình nguồn nguyên liệu ngày càng cạn kiệt, giá thành cao sẽ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nhà máy (than đá, dầu mỏ sắp hết trong khoảng vài chục năm nữa) vì nguyên liệu bị đốt cháy sẽ mất đi không thể tái sinh như nước của thủy điện.
Tiếng ồn và độ rung là tác nhân gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe, đặc biệt là đối với người lao động trực tiếp và khu vực lân cận Tiếng ồn làm giảm hiệu suất công việc, gây suy giảm thính lực thậm chí dẫn đến điếc nghề nghiệp Trong khi đó, độ rung ảnh hưởng đến năng lực và độ chính xác, giảm thị lực và thính lực, đồng thời tăng nguy cơ tai nạn lao động.
1.2.2 Nhà máy thủy điện a Khái niệm
Nhà máy thủy điện đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất điện năng, được thiết kế với các thiết bị động lực như tuabin và máy phát điện, cùng hệ thống hỗ trợ đảm bảo vận hành an toàn và thuận tiện Các nhà máy thủy điện được phân loại dựa trên các tiêu chí khác nhau để đáp ứng nhu cầu và điều kiện cụ thể.
Nhà máy thủy điện được chia thành 3 loại cơ bản:
+ Nhà máy thủy điện ngang đập được xây dựng trong các sơ đồ khai thác thuỷ năng kiểu đập với cột nước không quá 35 - 40 m Bản thân nhà máy là một thành phần công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng, cửa lấy nước cũng là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy Do vị trí nhà máy nằm trong lòng sông nên loại nhà máy này còn được gọi là nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông.
+ Nhà máy thuỷ điện sau đập được bố trí ngay sau đập dâng nước Khi cột nước cao hơn 30 - 45 m thì bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình không thể là một thành phần của công trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ máy công suất lớn Nếu đập dâng nước là đập bê tông trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước tuabin được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường ống dẫn nước tuabin được bố trí trên mái hạ lưu của đập.
+ Nhà máy thuỷ điện đường dẫn trong sơ đồ khai thác thuỷ năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp, nhà máy thuỷ điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối. Cửa lấy nước đặt cách xa nhà máy Trong trường hợp công trình dẫn nước là không áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực; trong trường hợp công trình dẫn nước là đường hầm có áp thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm và là một công trình độc lập Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thuỷ điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể bố trí nhà máy thuỷ điện kiểu ngang đập. c Cấu trúc cơ bản của nhà máy thủy điện
Hình 1.2 trình bày kết cấu cơ bản của một nhà máy thủy điện Trong đó: 1-Tuabin, 2- Máy phát điện, 3- Van trước tuabin, 4- Máy biến áp, 5- Cáp dẫn điện máy phát, 6- Hệ thống làm mát máy phát, 7- Hệ thống đo lường và điều khiển, 8- Hệ thống cấp nước kỹ thuật, 9- Hệ thống nén khí, 10- Hệ thống kích từ, 11 Hệ thống dầu, 12-Cầu trục, 13- Phòng điều khiển trung tâm, 14- Trạm phân phối điện, 15- Đường dây cao áp, 16- Cửa van ống hút, 17- Thùng dầu áp lực, 18- Tủ điều tốc, 19- Máy tiếp lực,20- Hệ thống thoát nước
Hình 1.9 Sơ đồ vị trí thiết bị của một nhà máy thủy điện điển hình d Nguyên lý làm việc nhà máy thủy điện
- Nhà máy thủy điện hoạt động dựa trên nguyên lý thế năng nước.- Nước được tích ở hồ chứa thượng nguồn, sau đó chảy qua tuabin để làm quay rôto.- Rôto quay tương tác với stato, tạo ra sức điện động và điện năng ba pha.- Điện năng này cung cấp cho nhà máy thủy điện và phát lên lưới điện sau khi được biến áp tăng áp.
Hình 1.10 Sơ đồ làm việc của nhà máy thủy điện e Ưu điểm và nhược điểm e1 Ưu điểm:
+ Sử dụng nước tự nhiên để phát điện nên giá thành điện năng thủy điện rẻ hơn so với nhiệt điện (10 – 20%).
+ Hiệu suất nhà máy thủy điện cao hơn nhiệt điện.
+ Lượng điện tự dùng nhỏ (0,5 – 2%).
+ Thời gian mở máy nhanh (5 – 10 phút).
+ Không gây ô nhiểm môi trường do không phát thải khí.
+ Có khả năng trị thủy: Tích nước vào mùa lũ nên giảm lượng nước vùng hạ lưu. + Phục vụ tốt cho thủy lợi, nuôi trồng thủy sản.
+ Thuận tiện cho giao thông thủy vì dòng chảy ổn định hơn. e2 Nhược điểm
+ Thời gian xây dựng nhà máy thủy điện lâu, vốn đầu tư lớn chủ yếu vốn xây dựng phần thủy (hồ, nước, đập, cửa xả lũ, đường giao thông phục vụ cho chuyên chở thiết bị và xây dựng).
+ Chiếm diện tích để làm hồ chứa nước cho nhà máy thủy điện > phải di dân, xây dựng lại khu tái định cư, trồng lại rừng…
+ Nhà máy thường xây dựng ở nơi xa phụ tải ( thường ở các vùng đồi núi) > kèm theo các đường dây truyền tải điện cao áp.
1.2.3 Nhà máy điện nguyên tử a Khái niệm
Nhà máy điện nguyên tử là một hệ thống thiết bị điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sản sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng, sau đó năng lượng nhiệt này được các chất tải nhiệt trong lò (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng…) truyền tới thiết bị sinh điện năng như tuabin để sản xuất điện năng. b Phân loại
+ Phân loại theo mục đích sử dụng (lò hạt nhân thí nghiệm, lò phản ứng hạt nhân thương mại).
+ Phân loại theo chất tải nhiệt (lò khí, lò nước, lò kim loại… ).
+ Phân loại theo năng lượng của neutron (lò phản ứng neutron nhiệt, lò phản ứng neutron nhanh).
+ Phân loại theo công suất.
+ Phân loại theo thế hệ lò. c Nguyên lí hoạt động
Hình 1.11 Mô hình nhà máy điện nguyên tử
Từ lò phản ứng hạt nhân, nhiệt lượng được truyền đến chất tải nhiệt ở vòng tuần hoàn 1 Sau đó, chất tải nhiệt mang theo nhiệt đến bộ phận trao đổi nhiệt trong lò hơi Tại đây, nhiệt được truyền sang nước ở vòng tuần hoàn 2 Nước trong lò hơi sôi, tạo thành hơi nước Hơi nước đi vào tuabin, làm quay tuabin và tạo ra dòng điện.
CẤU TRÚC CHUNG CỦA LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH
Hình 1.5 trình bày một hệ thống điện thông minh được thiết kế bởi hãng ABB trong đó thấy khả năng đáp ứng kỹ thuật, đáp ứng các tính năng vận hành khai thác rất cao với cách thiết kế đa dạng và linh hoạt Điểm đặc biệt của hệ thống là nguồn phát điện kết hợp hết sức linh hoạt, hệ thống không chỉ khai thác các nguồn phát truyền thống mà còn tận dụng và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo, nguồn năng lượng thiên nhiên Lưới điện được thiết kế theo các mạch vòng trong đó sử dụng đa dạng các mức điện áp để truyền tải và sử dụng Lưới vòng lớn truyền tải khoảng cách xa sử dụng mức điện áp cao áp hoặc siêu cao áp.
Lưới nhỏ, lưới vùng miền sử dụng điện áp trung thế Ở các mắt lưới đề có đầy đủ các thành phần phát, dẫn, dự trữ, tiêu thụ…Các nguồn phát phân bố rải rác khắp nơi trong hệ thống, điều nay mang lại hiệu quả cấp điện, tính bền vững cho hệ thống, tính tác động nhanh và tin cậy…làm nên một hệ thống dồi dào công suất, an toàn trong khai thác, an toàn an ninh nguồn năng lượng và tránh đi nhiều những sự cố cũng như độ tin cậy cấp điện rất cao.
Ngoài ra, lưới điện còn một phần hết sức quan trọng đó là phần điều khiển đi kèm với mỗi thiết bị, mỗi hệ thống Với hệ thống điều khiển cho lưới quốc gia cho đến thời điểm hiện nay, các nước tiên tiến thường thực hiện việc điều khiển sử dụng hệ thống điều khiển phân tán với ứng dụng thông qua hạ tầng thông tin viễn thông với các kỹ thuật điều khiển hiện đại hiện nay.
1.3.1 Các mạch vòng quốc gia
Mạch vòng quốc gia là mạch được tạo bởi lưới điện kín, khoảng cách xa và rộng, năng lượng truyền dẫn thường trực với công suất lớn và rất lớn, điện áp sử dụng cao áp hoặc siêu cao áp tùy vào địa lý của mỗi nước Lưới quốc gia phổ biến là đường dẫn trên không với độ tin cậy cao, chỉ tiêu chất lượng tuyệt đối đảm bảo.
Hình 1.14 Mô hình lưới điện thông minh
Chính những yêu cầu này mà lưới quốc gia bao giờ cũng có một vai trò đặc biệt nó không những thể hiện năng lực điện khí hóa của mỗi đất nước mà nó còn góp phần trong ổn định kinh tế, chính trị nâng cao vị thế của quốc gia đó kể cả tham gia nâng cao năng lực quốc phòng.
Lưới quốc gia của Việt nam sử dụng điện áp siêu cao áp 500KV với hai mạch chạy dọc đất nước từ Bắc vào Nam.
1.3.2 Các mạch vòng vùng, miền
Mạch vòng vùng, miền có quy mô nhỏ trong giới hạn địa lý hoặc giới hạn hành chính cụ thể Mức điện áp có thể sử dụng trong giới hạn trung áp, các chỉ tiêu chất lượng lưới điện vẫn phải đáp ứng yêu cầu chung Tuy nhiên, về quy mô nhỏ cũng tương đồng với các yêu cầu về chất lượng thiết bị không đòi hỏi khắt khe như lưới quốc gia nhưng riêng các thiết bị bảo vệ để đảm bảo an toàn cho hệ thống thì vẫn không nằm ngoài quy định Việc xây dựng hệ thống vẫn trên cơ sở sử dụng mạch vòng và trong mắt lưới mạch vòng dù nhỏ đó vẫn phải có đầy đủ các tính năng vận hành, khai thác và đảm bảo cấp nguồn liên tục.
1.3.3 Khả năng phát triển của lưới điện thông minh Ở Việt Nam, việc ứng dụng lưới điện thông minh cho phép các hộ tiêu dùng, với nguồn điện năng tự sản suất được ngoài việc đáp ứng nhu cầu sử dụng nội bộ có thể phát ngược để bán cho các công ty mua bán điện Việc này sẽ giúp hạn chế được điện năng tiêu thụ lấy từ nguồn, kích thích phát triển các mô hình phát điện tư nhân và phong phú thêm nguồn cung cấp cho hệ thống.
Việc ứng dụng lưới điện thông minh ngoài việc đem lại lợi ích thiết thực cho ngành điện và người dùng mà còn giúp tạo ra thị trường cạnh tranh cung cấp sản phẩm phong phú về thiết bị, công nghệ, nguồn, tạo ra nhiều cơ hội trên thị trường ngành công nghiệp điện và đẩy mạnh phát triển cho các công ty trong nước.
Phát triển lưới điện thông mình gồm cả bốn khâu: phát điện, truyền tải, phân phối, tiêu thụ Một thiết kế cơ bản của Smart Grid có các đặc tính chính như sau:
+ Khả năng tự động khôi phục cung cấp điện khi có sự cố xảy ra mất điện đối với khách hàng.
+ Chống được sự tấn công cố ý đối với hệ thống cả về mặt vật lý và mạng máy tính. + Trợ giúp sự phát triển các nguồn điện phân tán (phát điện, dự trữ năng lượng, cắt giảm nhu cầu…).
+ Trợ giúp sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo.
+ Cung cấp khả năng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. + Tối ưu hóa vận hành hệ thống điện để giảm chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện.
+ Công cụ cơ bản của vận hành thị trường điện rộng rãi.
Việc thực hiện cùng lúc cả bốn khâu (phát, truyền tải, phân phối, tiêu thụ) đối với thực trạng lưới điện ở Việt Nam hiện nay là không thể thực hiện đuợc cả về mặt công nghệ, thiết bị và tài chính Vì vậy, cần có những giải pháp mang tính đột phá và ứng dụng công nghệ mới của các nước phát triển để đưa smart grid vào từng khâu
(phát, truyền tải, phân phối), phát triển từ từng vùng (các hộ tiêu thụ, các nhà máy hoặc một khu vực phụ tải) hoàn thiện từng bước, đánh giá hiệu quả, rút kinh nghiệm để có nhưng điều chỉnh cho phù hợp, từ đó triển khai mở rộng dần nhằm chủ động về mặt công nghệ và tài chính.
Chương một đã trình bày một số nội dung:
Giới thiệu lưới điện thông minh với các khái niệm, tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật.
Các loại nguồn phát trong lưới điện thông minh.
Mô hình của lưới điện thông minh.
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÔ TẬN
VIỆT NAM VỚI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mặt trời là một nguồn năng lượng khổng lồ Hoạt động của mặt trời thường xuyên tạo ra các dòng bức xạ có năng lượng lớn truyền vào không gian vũ trụ Song, phần bức xạ của mặt trời truyền tới trái đất chỉ là một phần rất nhỏ nhưng cũng đủ nuôi sống toàn bộ trái đất chúng ta và đươc coi là nguồn năng lượng vô tận Từ xa xưa, loài người đã biết tận dụng nguồn năng lượng quý giá này trong nhiều hoạt động thực tiễn nhằm cải tạo thiên nhiên, chinh phục vũ trụ, cải thiện và nâng cao chất lượng cuộc sống của mình Nắng là dòng bức xạ trực tiếp của mặt trời xuống trái đất, số giờ nắng thể hiện lượng ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu xuống bề mặt trái đất Trong đo đạc bức xạ mặt trời, trực xạ là nguồn bức xạ lớn nhất được đo trực tiếp từ nắng Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, do đó là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời (NLMT) Vì vậy, sử dụng NLMT như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư khu vực này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, việc ứng dụng NLMT ở Việt Nam nói chung cho đến nay chưa phát triển, nguyên nhân là chưa có nhiều nghiên cứu cụ thể tiềm năng năng lượng mặt trời cũng như khả năng đầu tư xây dựng những công trình thu năng lượng mặt trời
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch, tiềm năng thì vô tận và thân thiện với môi trường Việc khai thác sử dụng NLMT góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, giảm phát khí thải nhà kính, chất ô nhiễm không khí, bảo vệ môi trường và mang lại lợi ích kinh tế cao
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về tiềm năng NLMT với số liệu đo đạc trong một năm [10] tại đảo Cát Bà (Hải Phòng) từ tháng 4/2017-4/2018 cho thấy: Số giờ nắng trung bình trong tháng là 190,03 và một năm có trung bình 2.283.6 giờ nắng So với toàn quốc, số giờ nắng tại đảo Cát Bà ở mức trung bình cao (toàn quốc 1400 –
3000 giờ nắng/năm - khu vực Phan Thiết, Hàm Tân [11] ghi được số giờ nắng trên
2900 giờ/năm) So với kết quả của các nghiên cứu trước tại Hải Phòng, đảo Cát Bà có số giờ nắng [10] cao hơn so với giờ nắng của toàn thành phố Hải Phòng (1414,7 giờ nắng/năm) Ngoài ra, nhóm nghiên cứu về năng lượng mặt trời đã xây dựng và sử dụng các phương trình hồi quy tuyến tính với hệ số tương quan cao để ước tính tổng lượng bức xạ qua số giờ nắng tại những nơi không có số liệu đo đạc bức xạ.
CÁC HỆ THỐNG THU NHIỆT MẶT TRỜI SỬ DỤNG TRỰC TIẾP
Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng vẫn còn khiêm tốn Một trong những ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay là hệ thống Nhiệt mặt trời với các ứng dụng các thiết bị đun nước nóng, bếp đun bằng các dạng tấm thu NLMT, thiết bị sấy NLMT, thiết bị chưng cất nước dùng NLMT, thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT hay dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling)
2.2.2 Hệ thống đun nước nóng a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống
Bình năng lượng mặt trời hay còn gọi là máy nước nóng năng lượng mặt trời là thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp nước nóng sinh hoạt cho gia đình. Bản chất của bình năng lượng mặt trời giống như bình nóng lạnh sử dụng năng lượng điện còn ở đây sử dụng năng lượng mặt trời để đun nước Bình chứa nước được thiết kế có khả năng cách nhiệt tốt, nước được giữ nhiệt nhiều giờ (có thể đến gần 96h) sau khi ngừng cung cấp năng lượng mặt trời Chính nhờ ưu điểm vượt trội này mà thiết bị luôn có nước nóng để cung cấp cho sinh hoạt thường ngày của người sử dụng Bình nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động hoàn toàn bằng bức xạ mặt trời Chính vì nó không sử dụng điện nên thiết bị luôn hoạt động cho dù điện lưới bị cắt.
Cấu tạo phổ biết của các bình năng lượng mặt trời hiện nay có thể phân loại thành ba dòng sản phẩm phổ biến nhất: bình nước nóng năng lượng mặt trời ống chân không, bình năng lượng mặt trời ống dầu và bình năng lượng mặt trời sử dụng tấm phẳng Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng.
Hình 2.1 Hình ảnh ống chân không trong bình đun nước sử dụng năng lượng mặt trời
Bình năng lượng mặt trời ống chân không
Bình năng lượng mặt trời ống chân không hiện nay đang là loại được sử dụng nhiều nhất trên thị trường do khả năng hấp thụ nhiệt của thiết bị này rất tốt mà giá thành sản xuất của nó lại rất rẻ So với loại ống dầu và loại tấm phẳng thì chi phí sản xuất rẻ hơn rất nhiều lần
Thiết bị thu nhiệt: Cấu tạo của ống chân không như trong hình 2.1 Ống thuỷ tinh chân không thu nhiệt được cấu tạo nhiều lớp có vai trò hấp thu ánh sáng và biến thành nhiệt năng Cấu tạo của ống thuỷ tinh chân không bao gồm 2 lớp thuỷ tinh (lớp bên trong và lớp thuỷ tinh bên ngoài) và các lớp phủ kim loại Lớp thuỷ tinh bên ngoài thường được làm từ thuỷ tinh borosilicate (hoặc loại tương tự), là loại thuỷ tinh gần như trong suốt hoàn toàn để cho ánh sáng đi qua để chiếu tới mặt ngoài của ống thuỷ tinh bên trong Không gian giữa hai ống thuỷ tinh được hút chân không để đảm bảo cách nhiệt (gần như tuyệt đối) giữa ruột ống và lớp thuỷ tinh ngoài cùng Để có thể hấp thu nhiệt từ ánh sáng mặt trời, mặt ngoài của ống thuỷ tinh bên trong được phủ các lớp hợp kim, kim loại có khả năng hấp thu ánh sáng và chuyển thành nhiệt năng Tuỳ theo chất liệu, các lớp phủ hợp kim/kim loại trên bề mặt của ống thuỷ tinh bên trong có thể hấp thu tới 98% lượng ánh sáng chiếu vào Các lớp phủ kim loại này cũng được thiết kế, sản xuất để hạn chế tối đa khả năng bức xạ ngược nhiệt ra bên ngoài Môi trường giữa các lớp phủ kim loại này với ống thuỷ tinh bên ngoài là môi trường chân không nên nhiệt được giữ lại ở các lớp phủ kim loại này, sau đó sẽ được truyền vào bên trong Lớp thuỷ tinh bên trong thường được pha thêm kim loại nên có khả năng dẫn nhiệt tốt Nó hấp thu nhiệt từ các lớp phủ kim loại Ở các sản phẩm ống chân không thu nhiệt đơn giản thì ống thuỷ tinh bên trong sẽ truyền nhiệt trực tiếp vào nước (được dẫn vào) bên trong ống Ở môi trường nắng liên tục, nhiệt độ trong ống này có thể lên tới trên 90 độ C.
Ngoài việc dẫn nước trực tiếp vào ống chân không để thu nhiệt thì ở hiện nay thiết bị thu nhiệt còn chế tạo loại ống chân không có các lá nhôm ở mặt trong như hình 2.2 Nhôm, hợp kim nhôm có khả năng hấp thu cực tốt ánh sáng mặt trời, được thiết kế để hấp thu gần như hoàn toàn nhiệt năng từ ánh sáng Nhiệt năng này sau đó được truyền vào một ống dẫn nhiệt bằng đồng và làm ống dẫn nhiệt này nóng lên.
Hình 2.2 Hình ảnh ống chân không có các lá nhôm và thanh đồng
Những thí nghiệm thông thường với loại ống chân không này cho thấy, nhiệt độ của thanh đồng có thể lên tới trên 100 độ C Vấn đề còn lại chỉ là cách sử dụng nhiệt toả ra từ đầu thanh đồng này để đốt nóng nước Hình thức có thể là gắn trực tiếp đoạn thanh đồng này vào bình chứa nước hoặc vào một đường ống dẫn nước lạnh chạy qua để đun nước nóng lên.
Bình bảo ôn trong hệ thống máy nước nóng năng lượng mặt trời có chức năng tương tự như bình chứa của máy nước nóng điện Tuy nhiên, do đặc điểm nước nóng đạt được bằng năng lượng mặt trời không thể đạt nhiệt độ cao như nước nóng bằng điện nên dung tích bình bảo ôn thường lớn hơn, dao động từ 150 lít đến 200 lít, thậm chí có thể lớn hơn.
Cấu tạo các sản phẩm phổ biến hiện nay là nước trong bình chứa sẽ chảy trực tiếp vào trong các ống thu nhiệt để hấp thu nhiệt từ ruột ống (ống thuỷ tinh) Bình chứa này có cấu tạo rất đặc biệt và thường bao gồm ba lớp: Lớp trong cùng và lớp ngoài đều được làm từ Inox để không bị gỉ hay Oxy hoá Lớp ở giữa là một lớp bảo ôn được làm từ vật liệu đặc biệt có chức năng cách nhiệt Lớp bảo ôn này càng chất lượng thì khả năng giữ nhiệt càng cao Và có nhiều sản phẩm trên thị trường được quảng cáo là có khả năng giữ nhiệt tới 72h, thậm chí tới 96h (3-4 ngày).
Về nguyên lý hoạt động của loại bình năng lượng mặt trời này đều xuất phát từ nguyên lý thu nhiệt chung như trình bày trong hình 2.3
Các tấm pin mặt trời có nhiệm vụ thu năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt. Lượng nhiệt thu được truyền vào các ống dẫn nước làm cho nước trong ống nóng lên. Dựa theo nguyên lý đối lưu thì khi nước nóng lên thì sẽ nhẹ hơn hình 2.4 Chính vì vậy nước nóng sẽ nổi lên trên và chảy về van phía trên của bình chứa nước Nước lạnh sẽ chảy từ bình chứa vào các ống dẫn nhiệt thay thế nước nóng Quá trình làm nóng nước bằng năng lượng mặt trời cứ tiếp diễn liên tục Chỉ khi bình chứa nước nóng đầy thì van phía trên sẽ tự động đóng lại để giữ nhiệt cũng như giữ nước nóng không bị thoát ra ngoài.
Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống đung nước nóng
Hình 2.4 Nguyên lý đối lưu của nước
Bình năng lượng mặt trời ống dầu
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bình nước nóng năng lượng mặt trời ống dầu tương tự như bình ống chân không, nhưng có điểm khác biệt là ống chứa dầu thay vì rỗng Bình chứa nước và bình chứa dầu được nối với nhau bằng ống dẫn nhiệt Khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời, dầu trong ống hấp thụ năng lượng và truyền nhiệt đến thanh dẫn nhiệt Thanh dẫn nhiệt được đặt trong bình chứa nước, trực tiếp làm nóng nước.
Vì sử dụng dầu để dẫn nhiệt, mà dầu giữ nhiệt tốt hơn nên khi nắng tắt từ 1 đến
2 giờ hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động và đun nóng nước Thêm một ưu điểm nữa là bình năng lượng mặt trời ống dầu sẽ không trực tiếp tiếp xúc với nước nên thân ống sẽ không bị đóng cặn Chính vì vậy mà tuổi thọ sử dụng của loại thiết bị này sẽ lâu hơn. Tuy nhiên vì công nghệ sản xuất tiên tiến hơn nên giá cả của loại thiết bị này cũng cao hơn loại ống chân không.
Bình năng lượng mặt trời loại tấm phẳng
So với hai loại trên thì bình năng lượng mặt trời tấm phẳng có khả năng hấp thụ nhiệt rất tốt Vì cấu tạo và công nghệ khác nhau nên thiết bị này có khả năng hấp thụ nhiệt cao hơn loại chân không đến 25-30% Hình 2.5 là hình ảnh hệ thống năng lượng sử dụng loại tấm phẳng.
Hình 2.5 Hệ thống đun nước nóng sử dụng loại tấm phẳng
Hệ thống sử dụng các tấm phẳng để thu nhiệt từ năng lượng mặt trời Bên dưới tấm phẳng được đặt các đường ống zic zắc (hình 2.6) để sử dụng tối đa phần nhiệt tấm phẳng thu được Bên trong hệ thống được sử dụng thêm một chiếc bơm để đầy nước chảy liên tục qua hệ thống ống nước này Dòng nước sẽ chảy liên tục nên quá trình làm nóng nước của hệ thống nhanh hơn rất nhiều so với hai thiết bị trên.
Bình nước nóng năng lượng mặt trời tấm phẳng khác biệt với các loại bình năng lượng mặt trời khác ở chỗ được trang bị thêm bộ cảm biến nhiệt Bộ cảm biến này đóng vai trò điều khiển hoạt động của máy bơm, đảm bảo hiệu quả sử dụng năng lượng Cụ thể, khi không có nhiệt tỏa ra từ ánh nắng mặt trời (ban đêm), nhiệt độ nước trong đường ống thấp hơn nhiệt độ trong bể chứa, máy bơm sẽ tự động dừng hoạt động và bể chứa được khóa kín lại để giữ nhiệt, giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động loại tấm phẳng
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
3.1.1 Phân loại hệ thống năng lượng điện mặt trời
Khi nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời, người ta có thể phân chia chúng ra làm ba dạng:
+ Hệ thống độc lập (hệ thống ngoài lưới điện phân phối)
+ Hệ thống điện mặt trời nối lưới điện
+ Hệ thống nối với lưới điện có dự phòng (Hệ thống tương tác lưới)
3.1.2 Các thiết bị có trong hệ thống điện mặt trời
Hệ thống điện mặt trời cấu thành từ đa dạng thiết bị điện, tùy theo loại hệ thống mà số lượng thiết bị sẽ thay đổi Các thành phần cơ bản gồm:- Tấm pin mặt trời: chuyển đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng điện.
Cốt lõi của hệ thống điện mặt trời chính là các panel quang điện tạo ra điện năng từ ánh sáng mặt trời Năng lượng của mặt trời (ánh nắng) càng mạnh, công suất nhận được càng cao, dù panel mặt trời vẫn tạo ra điện năng trong bóng dâm Pin mặt trời được tạo từ hai chất bán dẫn có lớp tiếp xúc P-N Đặc điểm của tiếp giáp P – N để chế tạo Pin mặt trời là nó có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện
+ Tạo P người ta pha tinh thể bán dẫn Si với Bo (hóa trị 3)
+ Tạo N người ta tinh thể Si nguyên chất
Hình 3.1 Một số phương pháp đấu nối các tấm pin mặt trời
Năng lượng mặt trời càng mạnh, công suất nhận được càng cao (trong bóng râm vẫn tạo ra năng lượng điện) Các Panel mặt trời được ghép bởi các Pin (tế bào), nối với nhau Một tế bào tạo ra khoảng 0,5 Vôn Các Panel thường được ghép nối tiếp từ 34 acquy 12V Cách nối các pin thường kết hợp nối tiếp và song song để tạo nên điện áp và dòng đủ lớn theo yêu cầu sử dụng.
Hầu hết các panel mặt trời đều gồm các tế bào (pin) mặt trời riêng rẽ nối kết với nhau Pin mặt trời thông dụng hiện nay chỉ tạo ra điện áp khoảng 0.5V, do đó để có điện áp theo chuẩn (12V) thì phải nối tiếp các tế bào này với nhau
Thực tế để khi nhận tải định mức 12V thì các tế bào ghép nối tiếp lúc không tải phải đạt được điện áp nằm trong khoảng 14 đến 18V (thậm chí nhiều khi đo điện áp không tải trên các cực của panel đồng hồ chỉ thị đến 26V – điều này hết sức bình thường)
Việc mắc song song hay nối tiếp các panel là xuất phát từ yêu cầu thực tế. Muốn điện áp cao thì mắc nối tiếp các panel Hệ thống độc lập có thể chọn điện áp 24 – 48V Hệ thống nối lưới phải chọn điện áp lên đến vài trăm vol có nghĩa là phải nối nối tiếp nhiều các panel với nhau Bắc Mỹ thường chọn điện áp DC với giá trị 600V, châu Âu thường chọn 1000V Việc thực hiện điện áp cao mang lại ưu điểm là hiệu suất cao nhưng cũng có nhiều rủi ro trong quá trình lắp đặt, vận hành, khai thác đặc biệt là vấn đề an toàn cho người và cho thiết bị vì nó có thể gây chết người khi tiếp xúc trực tiếp, gây hư hỏng trên mạng dây giữa các panel đặc biệt là nếu xảy ra chạm chập thì hồ quang điện một chiều là nguy hiểm gây nên cháy, hỏa hoạn và bỏng…Một nhược điểm nữa của mạch nối tiếp đó là chỉ cần một phần từ trong hệ sự cố hoặc đơn giản là bị bóng che thì ngay lập tức cà hệ sẽ ngừng hoạt động
Muốn tăng dòng thì phải mắc song song các panel với điện áp không đổi Cấu hình này an toàn hơn tuy hiệu suất khai thác sẽ thấp.
Người ta chú ý đến việc mắc hỗn hợp trong đó nối tiếp từng đoạn và nối song song, tuy nhiên chi phí lắp đặt cao hơn và phải lựa chọn thực tế để tạo nên các nhánh cục bộ tương đương nhau về dòng, điện áp để không tạo nên quá chênh lệch trong các nhánh nối tiếp.
Trong những năm gần đây, do công nghệ biến tần phát triển nên người ta còn có một giải pháp mới đó là sử dụng hệ thống vi biến tần, tức là mỗi một panel có ngay một biến tần công suất nhỏ để chuyển đổi điện DC thành AC ở đầu ra Như vậy việc ghép nối các panel thực hiện ở phía xoay chiều, với mô hình này hệ có những ưu điểm nhất định đó là:
- Mỗi panel như một hệ độc lập nên vì lí do nào đó pâel này bị giảm công suất (do bóng che, do sự cố) công suất đầu ra giảm nhưng không làm ảnh hưởng đến hệ thống.
- Do không có điện áp DC giá trị cao chạy trên các panel nên an toàn hơn.
- Lắp đặt, chẩn đoán sự cố, bảo trì dễ dàng hơn.
- Dễ mở rộng hệ thống mỗi khi có điều kiện tài chính.
- Linh hoạt trong việc lắp đặt panel ở các vị trí khác nhau, góc quay và hướng quay khác nhau…
Tuy nhiên, hệ này cũng có một nhược điểm lớn đó là giá thành đầu tư cao nhất là với các hệ có số lượng các panel lớn.
Khi sử dụng nhiều panel thì sẽ tăng công suất cho hệ thống dù là mắc nối tiếp hay song song. b.Ac quy – kho lưu giữ năng lượng
Hình 3.2 Kho năng lượng dự trữ sử dụng acquy
Trong đa số các hệ thống điện năng lượng mặt trời dù là hệ độc lập hay hệ nối lưới thì việc tích lũy năng lượng tại một kho chứa là rất cần thiết Khi có kho chứa như vậy, năng lượng trong hệ ổn định và công suất dồi dào hơn là hệ không có kho chứa.Kho chứa này vừa đóng vai trò tải, vừa đóng vai trò nguồn, luôn luôn làm nhụt các xung đỉnh và là nơi tạo nên khả năng làm việc ổn định cho hệ Thường người ta sử dụng loại acquy axit làm kho chứa hình 3.2, nhiều trong số đó sử dụng loại acquy “chu tự như các pin mặt trời, ac quy cũng sẽ được lựa chọn sắp xếp và đấu nối nối tiếp (khi cần điện áp cao) hoặc song song (khi cần dòng cao) Dù là nối tiếp hay song song thì nội trở cũng như điện áp của mỗi acquy đều ảnh hưởng rất lớn đến hệ nên không thể sử dụng nhiều chủng loại acquy trong một hệ mà phải chọn đồng bộ các acquy (tốt nhất là sử dụng cùng một serie). b Bộ điều khiển – thiết bị tạo nên phương thức hoạt động của hệ thống
Trong hệ thống đầy đủ sẽ có nhiều bộ điều khiển với những chức năng khác nhau trong đó có điều khiển quá trình nạp điện vào acquy, điều khiển các khóa ở các chế độ khác nhau, điều khiển biến tần và hoạt động đồng bộ của các biến tần khi chuyển đổi từ điện DC sang AC hoặc hệ nối lưới vì vậy khi thiết kế một hệ bất kỳ nào cũng cần có cái nhìn tổng thể để tạo nên sự gọn gàng cho hệ thống, đồng bộ cho hệ thống và tránh lãng phí vốn đầu tư ban đầu Nếu dự án là một hệ lớn, nối lưới thì nên lựa chọn một bộ điều khiển trung tâm thay vì các bộ điều khiển riêng rẽ, làm như thế có thể tích hợp nhiều tính năng kể cả tính năng đo lường, giám sát và điều khiển d Bộ biến đổi – thiết bị điến đổi DC/AC (hình 3.3)
Bộ biến đổi là thiết bị chuyển đổi điện một chiều từ pin mặt trời thành điện xoay chiều để hòa lưới hoặc phục vụ tải xoay chiều Trong các hệ thống điện mặt trời, có sự lựa chọn cấu hình vi biến tần và biến tần trung tâm Việc lựa chọn này cần cân nhắc nhiều yếu tố để tối ưu hóa hệ thống Hiện nay, nhiều dự án điện mặt trời lựa chọn biến tần trung tâm nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu đáng kể.
Hình 3.3 Bộ biến đổi DC/AC sử dụng IGBT
Biến tần cho đến thời điểm hiện tại đã được chế tạo với tính năng tối ưu, giá thành phải chăng và khả năng an toàn trong vận hành khai thác rất cao Các biến tần cho hệ điện mặt trời này thường lựa chọn loại dùng Insulated Gate Bipolar transistor (IGBT) đây là loại transistor có cực điều khiển cách ly thuộc linh kiện bán dẫn công suất 3 cực IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải lớn của Transistor thông thường IGBT được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực bé Ưu điểm của IGBT là điều khiển đóng, cắt dễ dàng, quá trình quá độ ngắn, chịu được điện áp lớn hơn MOS, thường là 600V tới 1.5kV Tải dòng lớn, cỡ xấp xỉ 1KA Sụt áp nhỏ và hiệu suất cao Khi làm việc với hệ nối lưới thì biến tần IGBT rất linh hoạt trong các chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu đây chính là ưu điểm mà các hệ biến đổi khác khó có được IGBT cũng có một số hạn chế: Tần số thấp hơn so với MOS vì ở tần số cao sụt áp sẽ lớn Công suất xếp ở mức vừa và nhỏ Giá thành cao hơn so với MOSFET. e Phụ tải tiêu thụ
Phụ tải là mục tiêu chính của hệ thống điện, là yêu cầu mà hệ thống phải đáp ứng Thiết kế hệ thống điện phụ thuộc vào loại phụ tải, có thể được cấp điện xoay chiều (AC) hoặc một chiều (DC) Phụ tải DC có thể được kết nối trực tiếp với nguồn điện, nhưng phụ tải AC cần phải thông qua bộ biến đổi Khi kết nối phụ tải AC qua bộ biến đổi, cần chú ý đến công suất của phụ tải và công suất của bộ biến đổi, thường phải lựa chọn bộ biến đổi có công suất gấp 1,5 lần so với công suất của phụ tải.
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP (ngoài lưới điện)
3.2.1 Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập
Trạm điện mặt trời độc lập là kiểu hệ thống điện mặt trời thông dụng nhất trên phạm vi toàn cầu Mục đích chính là cung cấp điện năng ở nơi khó hoặc chưa có nguồn năng lượng khác.
Dù chỉ cấp điện cho đèn chiếu sáng, máy tính xách tay, hoặc toàn bộ ngôi nhà ở xa lưới điện, thì về cơ bản, các hệ thống độc lập đều hoạt động theo cùng một nguyên lý: panel mặt trời tạo ra điện năng, điện năng được lưu giữ trong ác quy, và sử dụng theo yêu cầu Thường hệ thống điện mặt trời có công suất không lớn, phụ tải cơ bản là đèn chiếu sáng, nếu có phụ tải xoay chiều thì phải có bộ biến đổi DC/AC, các phụ tải này cũng chỉ là các phụ tải có công suât nhỏ Hình 3.4 trình bày một hệ thống độc lập tiêu biểu.
Hình 3.4 Hệ thống điện mặt trời độc lập
Từ hình 3.4 thấy rằng, phụ tải ở đây có hai loại:
- Phụ tải một chiều nối trực tiếp vào lưới với điện áp VDC, tất nhiên là phải thiết kế điện áp DC của nguồn phù hợp với điện áp yêu cầu của phụ tải.
- Acquy được nạp thông qua bộ nạp chuẩn Trường hợp này thường tính toán lựa chọn bộ nạp là loại nạp bổ sung (chiếm 10% dung lượng) mà không tính toán theo phương thức nạp lần đầu Cách thực hiện nạp áp dụng phương thức nạp áp không đổi.
- Phụ tải sử dụng điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi converter thành điện áp VAC, việc chọn bộ biến đổi đã được trình bày trong phần sau.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập là hệ thống được ứng dụng phổ biến và thực tế là rộng rãi nhất vì nó mang tính độc lập cao, dễ thực hiện, quy mô hoàn toàn phù hợp với các hộ, cơ sở nhỏ, xa nguồn điện lưới, dễ tính toán, dễ đầu tư và an toàn trong vạn hành khai thác.
3.2.3 Tính kinh tế của hệ thống
Hệ thống mang tính kinh tế nhất, phù hợp với tất cả các đối tượng sử dụng, vốn đầu tư ban đầu thấp, rất thấp và hoàn toàn chủ động về thiết bị vật tư trong điều kiện hiện nay.
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
3.3.1 Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời nối với lưới điện
Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối với lưới điện đã rất thông dụng ở châu Âu, Hoa kỳ và gần đây là các nước chấu Á trong đó có Việt Nam Lợi ích của hệ này là giảm chi phí lắp đặt và có thêm thu nhập bằng cách bán điện trở lại cho các công ty cấp và truyền dẫn điện theo bảng giá cung cấp
Cấu trúc của hệ thống được trình bày trong hình 3.5
เห็นว่าพลังงานไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ผ่านเครื่องผสานกับระบบสาธารณูปโภค (ซึ่งในทางปฏิบัติคือตัวแปลง DC/AC และคอนโทรลเลอร์ผสานกับระบบสาธารณูปโภค) แรงดันไฟฟ้าสลับถูกส่งไปยังจุดเชื่อมต่อกับระบบจ่ายไฟฟ้าของรัฐที่มีทางแยกออกไปสองทาง:
- Cấp điện cho chính cơ sở đầu tư để tiêu thụ (tự dùng)
- Cấp lên lưới để bán (nếu năng lượng thừa)
Hình 3.5 Hệ thống điện mặt trời nối lưới Để theo dõi điện năng phát, số lượng tiêu thụ và số lượng bán ra thì hệ thống đã phải thiết kế với ba hệ đồng hồ đo công suất từ các ngả như trên hình vẽ.
Về kỹ thuật, đây là mô hình sản xuất điện một pha từ năng lượng mặt trời nên việc nối lưới này hoàn toàn đơn giản, không phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về điều kiện hòa lưới Ở các nước tiên tiến và luật cung cấp điện chặt chẽ thì việc nối lưới này sẽ đi kèm với một loạt yêu cầu về pháp lý, về an toàn và các yêu cầu khác
Lợi ích của các trạm điện mặt trời nối lưới là giảm phụ thuộc vào các công ty điện lực, đảm bảo được điện năng sản xuất theo phương thức thân thiện với môi trường Trạm điện mặt trời này hoạt động đặc biệt hiệu quả ở những nơi khí hậu nóng, có nhiều ánh nắng, nơi yêu cầu điện năng cao điểm trùng với những giờ nắng, nóng và nó cũng rất hiệu quả cho những người sử dụng điện năng thường xuyên vào ban ngày.
Một nhược điểm của hệ thống điện mặt trời hòa lưới là phụ thuộc vào nguồn điện lưới Khi hệ thống lưới bị mất điện, toàn bộ hệ thống điện mặt trời cũng sẽ ngừng hoạt động Để giải quyết vấn đề này, hệ thống có thể được thiết kế với các chuyển mạch độc lập, cho phép hệ thống tiếp tục hoạt động khi mất điện lưới.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới cũng là hệ thống được ứng dụng phổ biến và thực tế từng bước phát triển trở nên rộng rãi vì nó có nhiều mặt ưu việt, dễ thực hiện, quy mô hoàn toàn phù hợp với các hộ, các cơ sở sản xuất, có nguồn điện lưới, cũng rất dễ tính toán, dễ đầu tư Nếu một công ty vừa và nhỏ đầu tư theo hướng này trước hết là thấy lợi ích về kinh tế, thứ hai đây là một thông điệp rất tốt về bảo vệ môi trường, nhắc nhở nhân viên ý thức tiết kiệm năng lượng, nói được tiếng nói về ý thức bảo vệ môi trường với các khách hàng có liên quan, giao dịch, mang lại thương hiệu cho sản phẩm của công ty đồng thời bản thân công ty đã đóng góp vào việc bảo vệ môi trường, giảm tải cho địa phương nơi công ty đặt trụ sở ở những thời điểm cao điểm về cung cấp điện.
3.3.3 Tính kinh tế của hệ thống
Như đã phân tích ở trên, hệ thống mang lại hiệu quả kinh tế , phù hợp với tất cả các đối tượng sử dụng, vốn đầu tư ban đầu không cao và hoàn toàn chủ động về thiết bị vật tư trong điều kiện hiện nay.
HỆ THỐNG NỐI LƯỚI ĐIỆN CÓ DỰ PHÒNG (hệ thống tương tác lưới)
Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối với lưới điện và dự phòng sự cố - còn gọi là hệ thống tương tác lưới Cấu trúc của hệ thống phức tạp hơn vì phải thêm kho dự trữ năng lượng Năng lượng dư tại thời điểm thấp điêm được nạp vào kho lưu trữ, khi cần thiết bộ biến đổi sẽ làm nhiệm vụ nghịch lưu để cấp nguồn điện xoay chiều lên lưới Hình 3.6 trình bày về cấu hình này.
Hình 3.6 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có nguồn dự trữ
Từ hình vẽ, có thể thấy năng lượng điện từ hệ thống pin mặt trời được truyền tới bộ hòa lưới Tại bộ hòa lưới, một phần năng lượng được cung cấp trực tiếp cho hộ dân tiêu thụ (năng lượng tự dùng) thông qua hệ thống đồng hồ đo điện.
Hình 3.7 Lưới điện thông minh của Mỹ do ABB thiết kế cho bang Chicago
Hồ đo đếm W2, khi nguồn năng lượng dư thừa thì được nạp vào kho lưu trữ thường sử dụng bằng các acquy và ở những thời điểm thấp điểm, năng lượng dư thừa không sử dụng hết sẽ thông qua W0 cấp lên lưới để bán điện Hệ thống này hơn hẳn hệ nối lưới không dự trữ ở chỗ nguồn năng lượng từ acquy luôn sẵn sàng cấp trong trường hợp nguồn lưới bị sự cố Với tính chất như vậy, với hệ thống này còn có thể cho phép làm việc song song với các trạm phát dự phòng trong trường hợp lưới lỗi lâu dài.
Với hệ thống này, thường được cung cấp thêm các tính năng về điều khiển, giám sát và sử dụng với các hệ thông minh Biến tần trong trường hợp này sẽ làm việc hai chiều nên khả năng về điều khiển phải thực hiện với bài toán quy mô hơn và tối ưu hơn.
Trong thực tế, với các nước phát triển, lưới điện quốc gia đã xây dựng với cách tương tác thông minh, lúc đó năng lượng dự trữ là đủ lớn để khi có sảy ra lối lưới thì chính những kho dự trữ năng lượng này sẽ cấp nguồn từ các hệ thống acquy qua bộ biến đổi để đưa lên lưới dòng điện xoay chiều thay thế Hình 3.7 trình bày một hệ thống lưới điện thông minh của Mỹ với nguồn năng lượng dự trữ Energy Storage
Systems (ESS) được tính toán đặt nằm rải rác phân bố trên khắp các địa phương để tiện cấp lên lưới mà không phải vận tải điện năng đi xa Hệ thống cấp điện là những vòng khép kín Network Ring điều này tạo nên độ tin cậy cao cho lưới quốc gia Cũng trong hệ thống người ta nhận thấy nguồn điện được cấp rất đa dang: Nhiệt điện, thủy điện, nhà máy điện nguyên tử, phong điện, điện mặt trời… Hình 3.1 đã trình bày một trạm năng lượng dự trữ bằng acquy với ba tổ hợp lớn, mỗi tổ hợp bao gồm rất nhiều acquy mắc nối tiếp nhau để tạo nên điện áp một chiều cao Người ta đã biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều thông qua bộ biến đổi Converter
Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới có dự trữ là hệ mang tính tiên tiến hiện nay, nó được thiết kế cho lưới điện thông minh trong điều kiện ổn định về nguồn điện quốc gia Chính vì lí do này mà việc ứng dụng từng bước để xây dựng hệ thống ở mỗi quốc gia đang được triển khai, phát triển Năng lượng sạch lúc đó ngoài mặt trời còn có gió, sóng biển, thủy triều… sẽ được khai thác một cách tối ưu Chính vì những lý do này mà trong tương lai hệ cũng là hệ thống sẽ được ứng dụng phổ biến và phát triển Quy mô không còn dừng lại ở một địa phương nhỏ lẻ mà sẽ là quốc gia Hệ thống này sẽ có một đặc thù kỹ thuật cao, giúp cho lưới điện ổn định bền vững và mang lại hiệu quả về vận hành khai thác lớn.
3.4.3 Tính kinh tế của hệ thống
Như phân tích ở trên, hệ thống điện với nguồn năng lượng sạch như mặt trời rồi gió tự nhiên, sóng biển, thủy triều …sẽ mang lại hiệu quả kinh tế vô cùng lớn Tuy nhiên vì để có được những tính chất như đã nói ở trên thì vốn đầu tư xây dựng theo hệ thống này không phải là nhỏ Tuy vậy, ở một mức độ hạn chế hệ thống vẫn có thể thực hiện nhưng phải thêm các thiết bị phụ để điều khiển về công suất khi thực hiện cấp lên lưới trong tình trạng lưới bị lỗi.
