Hệ thống pin năng lượng mặt trời là một hệ thống thu thập và chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng. Nó được cấu thành bởi các tấm pin năng lượng mặt trời (hay còn gọi là tấm pin quang điện) được lắp đặt trên mái nhà hoặc mặt đất, và được kết nối với các thiết bị điện tử để chuyển đổi năng lượng từ tấm pin thành điện năng sử dụng. Hệ thống pin năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần chính sau: + Tấm pin mặt trời: đây là thành phần quan trọng nhất của hệ thống, nó được làm bằng tinh thể silicon hoặc các chất bán dẫn khác, có khả năng thu nhận ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng. + Bộ điều khiển: bộ điều khiển giúp quản lý điện năng được sản xuất bởi tấm pin và điều chỉnh điện năng đó để phù hợp với nhu cầu sử dụng. + Bộ lưu trữ: năng lượng được sản xuất bởi hệ thống pin mặt trời có thể được lưu trữ trong các pin hoặc ắc quy để sử dụng trong các trường hợp khi không có ánh sáng mặt trời. + Hệ thống inverter: hệ thống inverter giúp chuyển đổi điện năng mặt trời từ dạng DC sang AC để sử dụng cho các thiết bị điện gia dụng hoặc công nghiệp. + Bộ giám sát: bộ giám sát giúp giám sát hiệu suất của hệ thống pin mặt trời và cung cấp thông tin về năng lượng được sản xuất, tiêu thụ và lưu trữ. Hệ thống pin năng lượng mặt trời là một giải pháp thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí điện năng trong dài hạn. Nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng như cung cấp điện cho các gia đình, doanh nghiệp, hoặc các thiết bị cảm biến ngoài trời, hệ thống đèn chiếu sáng, hay các hệ thống tàu thuỷ và máy bay không người lái.
GIỚI THIỆU CHUNG
Đặc điểm phân xưởng
Kích thước của phân xưởng: dài a = 40 m, rộng b = 16m, cao H = 5,5m
Phân xưởng có 1 cửa chính để ra vào và bên trong chứa thiết bị gồm 15 thiết bị (từ
Xưởng thuộc loại hình công nghiệp sản xuất, môi trường trung bình: khô ráo, thoáng, ít bụi, sạch.
Sơ đồ mặt bằng và bố trí của phân xưởng
Hình 1.1 Sơ đồ mặt bằng và bố trí phân xưởng
Trang 1 Đồ thị phụ tải
Đồ thị phụ tải của phân xưởng
Hình 1.2 Đồ thị phụ tải của phân xưởng
Tọa độ vị trí phân xưởng
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Giới thiệu hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hệ thống pin năng lượng mặt trời là một hệ thống thu thập và chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng Nó được cấu thành bởi các tấm pin năng lượng mặt trời (hay còn gọi là tấm pin quang điện) được lắp đặt trên mái nhà hoặc mặt đất, và được kết nối với các thiết bị điện tử để chuyển đổi năng lượng từ tấm pin thành điện năng sử dụng
Hệ thống pin năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần chính sau:
+ Tấm pin mặt trời: đây là thành phần quan trọng nhất của hệ thống, nó được làm bằng tinh thể silicon hoặc các chất bán dẫn khác, có khả năng thu nhận ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng
+ Bộ điều khiển: bộ điều khiển giúp quản lý điện năng được sản xuất bởi tấm pin và điều chỉnh điện năng đó để phù hợp với nhu cầu sử dụng
+ Bộ lưu trữ: năng lượng được sản xuất bởi hệ thống pin mặt trời có thể được lưu trữ trong các pin hoặc ắc quy để sử dụng trong các trường hợp khi không có ánh sáng mặt trời
+ Hệ thống inverter: hệ thống inverter giúp chuyển đổi điện năng mặt trời từ dạng DC sang AC để sử dụng cho các thiết bị điện gia dụng hoặc công nghiệp
+ Bộ giám sát: bộ giám sát giúp giám sát hiệu suất của hệ thống pin mặt trời và cung cấp thông tin về năng lượng được sản xuất, tiêu thụ và lưu trữ
Hệ thống pin năng lượng mặt trời là một giải pháp thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí điện năng trong dài hạn Nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng như cung cấp điện cho các gia đình, doanh nghiệp, hoặc các thiết bị cảm biến ngoài trời, hệ thống đèn chiếu sáng, hay các hệ thống tàu thuỷ và máy bay không người lái
Tính đến cuối năm 2016, tổng công suất lắp đặt các hệ thống pin quang điện mặt trời trên toàn thế giới là 320 GWe (tăng rất mạnh so với tổng công suất đặt
227 GWe đến cuối năm 2015), chiếm xấp xỉ 1,3% tổng công suất lắp đặt điện toàn cầu Trong đó, tổng công suất đặt của toàn châu Âu và riêng Đức lần lượt là 106
GWe và 41 GWe Đức vẫn là quốc gia dẫn đầu thế giới về công suất lắp đặt pin quang điện mặt trời trong 10 năm qua, theo sau lần lượt là Trung Quốc, Nhật Bản, Ý và Mỹ Tuy nhiênTốc độ tăng trưởng gộp hằng năm của công suất đặt hệ thống pin quang điện là 40% trong giai đoạn 2010-2016 Tổng công suất tiêu thụ điện từ hệ thống pin quang năng trong năm 2016 là 333 TWh, trong đó châu Âu chiếm xấp xỉ một phần ba
Hình 2.1 Công suất lắp đặt tích lũy hệ thống quang điện mặt trời
Trung Quốc và Đài Loan hiện dẫn đầu thế giới về sản lượng module pin quang điện (chiếm 68% thị phần thiết bị module pin quang điện), theo sau là Châu Á - Thái Bình Dương và Trung Á (14%); châu Âu và Bắc Mỹ chia sẻ lần lượt 4% và 6% trong thị trường này (xem hình 2.2)
Liên quan đến công nghệ pin quang điện mặt trời, các công nghệ pin quang điện silic chiếm đến 94% tổng sản phẩm pin toàn cầu trong năm 2016 Chỉ tính riêng công nghệ pin silic đa tinh thể đã chiếm đến 70% tổng sản phẩm pin toàn cầu Công nghệ pin quang điện màng mỏng (thin-film) chia sẻ xấp xỉ 6% thị trường pin quang điện trong năm 2016 (xem hình 2.3)
Hình 2.2 Sản lượng sản phẩm module pin quang điện
Hình 2.3 Thị phần pin năng lượng mặt trời theo công nghệ
Về hiệu suất của các công nghệ pin quang năng mặt trời, công nghệ silic đơn tinh thể vẫn đang dẫn đầu thế giới với hiệu suất 26.7%, kế đến là công nghệ silic đa tinh thể với 21.9% Trong số các công nghệ pin màng mỏng thì công nghệ
CIGS đang dẫn đầu với 21.7%, công nghệ CdTe đang theo sau với 21% Xét về hiệu suất module thì toàn bộ các công nghệ đều tăng hiệu suất: hiệu suất của các công nghệ module pin silic tăng từ 12% lên 17% (riêng công nghệ siêu đơn tinh thể tăng lên 21%); hiệu suất module của công nghệ pin màng mỏng CdTe tăng từ
9% lên 16% Ngoài ra, kết quả nghiên cứu tại các phòng nghiên cứu lớn trên thế giới cho biết: các công nghệ pin đa tiếp giáp (multi-junction solar cells) đã đạt đến hiệu suất 46%; hiệu suất của các công nghệ tập trung đã đạt đến 38.9% (xem hình
Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới
Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống pin quang điện mặt trời nối lưới
Hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới (Grid-tied solar system) là một hệ thống sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời để sản xuất điện và kết nối với lưới
Trang 7 điện của nhà cung cấp điện địa phương Đây là hệ thống phổ biến nhất hiện nay và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới
Cấu trúc của hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới gồm có các thành phần sau:
+ Tấm pin mặt trời (Solar panel): Đây là thành phần chính của hệ thống, chịu trách nhiệm thu thập năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng
+ Bộ biến đổi (Inverter): Bộ biến đổi chuyển đổi điện năng một chiều (DC) được sản xuất bởi tấm pin thành điện năng xoay chiều (AC) phù hợp với lưới điện địa phương
+ Hệ thống đo lường và điều khiển (Monitoring and control system): Hệ thống này cho phép người dùng quan sát và điều khiển hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới Nó cũng cung cấp thông tin về sản lượng điện năng sản xuất bởi hệ thống
+ Máy đo đếm (Meter): Máy đo đếm đo lường và ghi lại lượng điện năng được sản xuất bởi hệ thống pin năng lượng mặt trời Thông tin này được gửi đến nhà cung cấp điện để tính toán số tiền khách hàng phải trả hoặc được trả về cho khách hàng nếu họ sản xuất nhiều điện năng hơn họ sử dụng
+ Hệ thống giá đỡ và kết nối (Mounting and connection system): Hệ thống này bao gồm các phụ kiện và giá đỡ giúp tấm pin năng lượng mặt trời được cố định vững chắc trên mái nhà hoặc trên mặt đất và được kết nối với lưới điện
Hệ thống PV nối lưới kết nối trực tiếp lên mạng điện phân phối và không đòi hỏi có nguồn pin dự trữ Đối với hệ thống này, điện sản xuất ra được sử dụng trực tiếp hoặc bán trực tiếp lên lưới điện theo nguyên tắc:
- Khi công suất tiêu thụ bằng công suất hòa lưới thì tải tiêu thụ điện hoàn toàn từ hệ thống pin mặt trời
- Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất hòa lưới thì tải tiêu thụ sử dụng một phần điện lưới
- Khi công suất tải tiêu thụ nhỏ hơn công suất hòa lưới thì sản lượng điện mặt trời sản xuất ra sẽ nối lưới và bán trực tiếp lên lưới phân phối của điện lực địa phương Đặc điểm quan trọng của hệ thống PV nối lưới là hệ thống sẽ không hoạt động khi mất điện lưới để đảm bảo điện sản xuất ra không đưa lên lưới , đảm bảo an toàn cho việc bảo trì sửa chữa đường dây và hệ thống Bên cạnh đó , ưu điểm của hệ thống PV nối lưới bao gồm:
- Hệ thống tinh giản hơn so với hệ thống PV độc lập
- Giảm bớt chi phí lưu trữ năng lượng (pin dự trữ), chi phí bảo trì và sữa chữa nguồn dự trữ
- Hiệu quả về việc sử dụng năng lượng cao
- Tận dụng được hạ tầng lưới điện hiện hữu
2.2.1 Panel mặt trời (Solar panel)
Là thiết bị nhận trực tiếp bức xạ mặt trời, chuyển hóa quang năng mặt trời thành dòng điện một chiều theo hiệu ứng quang điện Lượng điện chuyển hóa nhiều hay ít (công suất ngõ ra của tấm pin) phụ thuộc vào hiệu suất của tấm panel và công nghệ bán dẫn sử dụng Các tấm panel thường được lắp đặt trên mái nhà (đối với quy mô hộ gia đình) và lắp đặt trên mái bãi đỗ xe, nhà xưởng (đối với quy mô thương mại hoặc công nghiệp) Thông thường, các tấm panel pin quang điện được thiết kế ở điện áp một chiều chuẩn như 12, 24 và 48 V Các tấm panel cũng có thể
Trang 9 được kết nối với nhau tạo thành chuỗi module có công suất lớn Các thông số quan trọng của tấm panel pin quang điện bao gồm: điện áp ngắn mạch định mức, điện áp vận hành định mức, dòng điện vận hành định mức, dòng điện ngắn mạch định mức, công suất đỉnh
Hình 2.6 Tấm pin quang điện mặt trời
2.2.2 Bộ hòa lưới điện mặt trời (Inverter)
Nguyên lý hoạt động của bộ hòa lưới điện mặt trời nối lưới (Inverter)
Nhiệm vụ chính của bộ nguồn là chuyển đổi điện một chiều từ tấm các tấm
PV thành điện xoay chiều chuẩn cung cấp trực tiếp cho tải hoặc phát điện vào lưới điện
Bộ đổi nguồn sử dụng cho hệ thống điện mặt trời nối lưới thường đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật rất cao để hạn chế các tác động ngược từ lưới phân phối, và để tạo ra dòng điện và điện áp chuẩn phù hợp với lưới điện Thông thường thì các bộ chuyển đổi nguồn của hệ thống nối lưới được lập trình phần mềm giám sát và điều khiển vậnhành để đảm bảo an toàn và độ tin cậy vận hành
Phân loại bộ hòa lưới điện mặt trời
Phân loại bộ hòa lưới điện mặt trời được thực hiện dựa trên một số tiêu chí như công suất, cách thức hoạt động và tính năng
+ Phân loại theo công suất:
-Bộ hòa lưới nhỏ (Small-scale solar inverter): Dành cho hộ gia đình hoặc doanh nghiệp có nhu cầu sử dụng điện năng nhỏ Công suất từ 1 kW đến 10 kW
-Bộ hòa lưới trung (Medium-scale solar inverter): Dành cho doanh nghiệp có nhu cầu sử dụng điện năng vừa Công suất từ 10 kW đến 100 kW
-Bộ hòa lưới lớn (Large-scale solar inverter): Dành cho nhà máy điện mặt trời, công suất từ 100 kW trở lên
+Phân loại theo cách thức hoạt động:
-Bộ hòa lưới dạng đơn (Single-phase solar inverter): Dùng cho các hệ thống điện nhỏ và đơn pha Thường có công suất từ 1 kW đến 10 kW
-Bộ hòa lưới dạng ba (Three-phase solar inverter): Dùng cho các hệ thống điện lớn và ba pha Thường có công suất từ 10 kW trở lên
+Phân loại theo tính năng:
-Bộ hòa lưới có tích hợp bộ lưu điện (Hybrid solar inverter): Có thể lưu trữ điện năng dư thừa vào các thiết bị lưu trữ để sử dụng sau này
- Bộ hòa lưới có tích hợp công nghệ điều khiển thông minh (Smart solar inverter): Có thể tự động điều chỉnh công suất đầu ra và tương tác thông minh với lưới điện
Hiện nay, một số bộ lưới điện mặt trời phổ biến trên thị trường như:
SolarEdge: Lưới hòa lưới SolarEdge được phát triển để tối đa hóa hiệu suất tối ưu của các tấm pin mặt trời và điều khiển từng tấm pin một để đảm bảo điều khiển hiệu suất tối đa
Mặt bằng lựa chọn
+ Diện tích mặt bằng của phân xưởng: 640 m2
+ Tọa độ của mặt bằng:
Thiết kế hệ thống pin quang điện mặt trời
Hình 3.11 Lưu đồ tính toán lựa chọn thông số ký thuật hệ thống
Bước 1: Chọn diện tích đạt panel PV, công nghệ và công suất
Với hệ thống quy mô thương mại: Quy mô thương mại được hiểu là các hệ thống panel PV được gắn trên mái công trình, làm mái bãi đậu xe của các toà
Trang 13 nhà thương mại, nhà xưởng của xí nghiệp công nghiệp Diện tích đặt panel phổ biến từ vài trăm đến vài ngàn mét vuông Tương ứng, công suất hệ thống panel
PV khoảng vài trăm kWp đến vài MWp
Bước 2 Lựa chọn cấu trúc inverter
Khái niệm về hệ thống PV được xác định bởi thành phần của hệ thống inverter
Sự kết nối các module để tạo thành các chuỗi và sự kết nối song song các chuỗi này cần được phối hợp tối ưu với inverter Inverter có thể ở được kết nối thành hệ thống inverter tập trung cho toàn bộ hệ thống pin quang điện, inverter dạng chuỗi cho từng chuỗi riêng lẻ hoặc inverter dạng module cho từng module riêng lẻ
Hình 2.12 Tập hợp các dạng inverter tương ứng với các ứng dụng có quy mô khác nhau
Bước 3 Tính chọn thông số kỹ thuật inverter
Chọn số lượng và công suất định mức của inverter:
Số lượng và công suất định mức của inverter được xác định bởi công suất tổng của hệ thống PV và sự lựa chọn dạng hệ thống inverter (tập trung hay phân tán) – hình 11
Khuyến cáo từ các hãng sản suất, ở mức trung bình, công suất DC định mức của dãy PV lớn hơn khoảng 5% công suất định mức AC của inverter Tổng quát, lựachọn công suất inverter theo phạm vi sau:
Tỷ số giữa công suất PV (Wp) và công suất AC định mức inverter được gọi là hệ số công suất inverter
Hệ số này thường nằm trong khoảng
Số lượng module tối đa trên một chuỗi:
𝐶 mod.max : số lượng module tối đa trên một chuỗi [module/chuỗi];
𝐶 max.INV : điện áp tối đa của inverter [V];
𝑉OC(mod–t°min).INV : điện áp hở mạch của module tại nhiệt độ ban ngày thấp nhất trong năm [V];
Số lượng tối thiểu module trên 1 chuỗi:
Trên thực tế, các giá trị điện áp của module ở các nhiệt độ khác nhau không được nhà sản xuất cung cấp đầy đủ Ta có thể nội suy những giá trị này từ các số liệu trong STC (Standard test conditions) của thiết bị do nhà sản xuất cung cấp
Bước 4: Kiểm tra về không gian lắp đặt
Kiểm tra xem không gian lắp đặt có đủ không? Nếu đủ thì sang bước 5, còn không đủ thì quay lại bước 1
Bước 5 Tính chọn tiết diện dây dẫn (cable)
Việc chọn tiết diện cáp dẫn điện cho dãy PV rất quan trọng, nếu chọn tiết diện nhỏ sẽ không an toàn, và gây ra tổn thất điện áp và công suất rất lớn cho dãy PV - vốn dĩ đã không được cao
Giảm tổn thất điện áp
Tiết diện dây dẫn phải được chọn sao cho tổn thất điện áp tối đa phía DC và AC của hệ thống PV là mỗi phía 1% của giá trị điện áp định mức trong điều kiện STC
Bước 6 Bảo vệ chống sét, nối đất
Bảo vệ chống sét cho hệ thống PV nối lưới bao gồm chống sét trực tiếp và chống sét lan truyền/cảm ứng (quá điện áp thiên nhiên) Người đọc có thể tham khảo các tài liệu hướng dẫn chống sét truyền thống hay giải pháp chống sét toàn diện 6 điểm được trình bày tại rất nhiều sách tham khảo và giáo trình khác nhau thuộc chuyên ngành kỹ thuật điện, điện - điện tử, hay tài liệu hướng dẫn liên quan thuộc bộ tiêu chuẩn IEC
Hệ thống nối đất an toàn cho hệ thống PV nối lưới cũng như các hệ thống nối đất an toàn khác, bao gồm 2 hệ thống nối đất độc lập: nối đất an toàn vỏ thiết bị Rđ ≤ 10 Ω, và hệ thống nối đất chống sét Rđ ≤ 10 Ω
Hai hệ thống được kết nối đẳng thế Để thiết kế chi tiết 2 hệ thống này,tương tự như với hệ thống chống sét, người đọc cũng có thể tham khảo từ rất nhiều nguồn tài liệu khác nhau
2.4.2 Thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời
2.4.2.1 Yêu cầu phụ tải thiết kế
Công suất của phân xưởng tương đối lớn nên tận dụng tối đa diện tích của nó
Vị trí lắp đặt là vị trí phân xưởng: Mỹ Hòa, Ninh Hải, Ninh Thuận
Diện tích lắp đặt PV 2.5x256 = 633 m2 ( dự kiến)
Hình 2.13 Tọa độ vị trí lắp đặt pin mặt trời trên Pvsyst
Dùng pin First solar FS-6440-P Oct 2020 , 440Wp 156V
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của PV
Hiệu suất chuyển đổi bức xạ mặt trời 17.8%
Loại: Đa tinh thể 264 cell
Bảo hành sản phẩm 12 năm
Bảo hành hiệu suất 25 năm
2.4.2.3 Lựa chọn công nghệ Inverter
Với công suất hệ PV là 110 kWp ( dự kiến bằng 70% công suất tải :
Ta lựa chọn loại biến tần Sungrow SG110CX 100kW 3 Pha 380V
Bảng 2.2 Bảng giá của biến tần
Sungrow SG100CX 110kW 3 Pha 380V
Số đầu vào trên mỗi MPPT: 2
Bảng 2.3 Thông số chi tiết của biến tần
Số lượng tối đa module mắc nối tiếp trên một chuỗi được tính trog trường hợp một ngày nắng, hệ thống PV bị ngắt ra khỏi lưới do sự cố Khi đó PV hở mạch
Trang 23 và nếu là ngày có nhiệt độ thấp nhất trong năm thì điện áp của dãy PV là lớn nhất, giá trị tối đa này cần lớn hơn hoặc bằng điện áp DC tối đa của Inverter
2.4.2.5 Chi tiết tính toán số lượng Strings và số lượng module trên 1 Strings
Với đặc điểm biến tần Sungrow SG100CX 100kW 3 Pha 380V , có 8 MPPT
(MPPT là quản lí và tìm công suất cực đại của 1 string) và mỗi MPPT có 8 đầu vào, tổng cộng ta có thể kết nối đến biến tần 64 Strings độc lập không nối tiếp, do đặc điểm đó ta sử dụng mô hình Strings inverter cho hệ thống PV
Tính strings và số lượng pin
Số lượng tấm PV tối đa trong 1 chuỗi:
+ Nmax= VMPP Voltage range (inverter) / Vmp (pin, NOCT) = (1000-200)/184
+ Mmax= Số đầu dò MPPT(8) x Số đầu vào trên mỗi MPPT(8) = 64
Ta cần lựa chọn số lượng tấm PV trong 1 chuỗi lớn phù hợp với giá trị để inverter hoạt động hết công suất
2.4.2.6 Lập phương án đặt PV lên mái
Pin được lắp ở hai nửa mái của xưởng, với góc nghiêng của pin đúng như góc nghiêng của mái là 15 độ và hai nửa mái nghiêng hoàn toàn về hướng Đông và Tây
Hình 2.15 Bố trí pin năng lượng mặt trời trên 2 mái
Từ kết quả tính toán số tấm PV ở trên và bố trí lắp đặt trên mái dự án ta có cách cấu hình panel và inverter như sau:
+ 64 strings kết nối vào 1 inverter, tổng 64 strings
Bảng 2.4 Kết quả tính toán hệ thống pin mặt trời
PV modules Make & Model First solar FS-6440-P 440Wp, 156V
Công nghệ module Đa tinh thể
Số modules nối tiếp trên 1 chuỗi 4
Số mạch song song ( số chuỗi) 64
Inverter make & model Sungrow SG100CX 100kW 3 Pha 380V
Dãy điện áp dc mppt 200-1000V
Dòng điện dc trên 1 inverter max 235A Điện áp dc max 1000V
Sơ đồ đi dây của hệ thống:
Sơ đồ bố trí, kết nối String và bố trí các tủ, Inverter
Hình 2.16 Kết quả mô phỏng
Chọn dây dẫn cho hệ thống
Khi có dòng điện chạy qua , cáp và dây dẫn sẽ bị phát nóng Nếu nhiệt độ tăng quá cao thì chúng có thể bị hư hỏng cách điện hoặc giảm tuổi thọ và độ bền cơ học của kim loại dẫn điện Theo thực tế dây/ cáp được lựa chọn lắp đặt khác với điều kiện định mức nên phải thêm hệ số hiệu chỉnh K
𝐼 lvmax : Dòng làm việc cực đại
K : Tích các hệ số hiệu chỉnh
- Đối với dây/ cáp trên không hoặc là không chôn trong đất : K = K1.K2.K3
+ K1: Thể hiện ảnh hưởng của cách lắp đặt
+ K2: Thể hiện ảnh hưởng tương hổ của hai mạch đặt liền kề nhau
+ K3: Thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ trương ứng với dạng cách điện
- Đối với dây/ cáp chôn ngầm trong đất: K = K4.K5.K6.K7
+ K4: Thể hiện ảnh hưởng của cách lắp đặt
+ K5: Thể hiện ảnh hưởng của số dây đặt liền kề nhau
+ K6: Thể hiện ảnh hưởng của đất chôn cáp
+ K7: Thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đất
+ Cáp kết nối của 1 chuỗi PV:
Dòng đi qua mỗi tấm panel là 2.382 A, 1 chuỗi được ghép nối tiếp với 4 tấm panel, sẽ cho dòng đi qua là 2.382A
Thiết kế dây không chôn ngầm nên K = K1.K2.K3 Tra bảng 8.10; 8.11;
8.12 sách giáo trình cung cấp điện – PGS.TS Quyền Huy Ánh Chọn K1 = 0.95,
𝐾 0.8835 + Chọn dây cáp cadivi 2.5 mm2
+ Tiêu chuẩn áp dụng: IEC60332-1-2, IEC 611034-2
+ Để tương lai mở rộng dự án pin và giảm tổn hao dây dẫn thì chọn 4 mm2 →
Chọn dây cáp cadivi 4 mm2
+ Cáp từ 1 chuỗi string đến Inverter
Dòng đi qua mỗi tấm panel là 2.382 A, 1 chuỗi được ghép nối tiếp với 4 tấm panel, sẽ cho dòng đi qua là 2.382A → Dòng điện đi tới Interver là 2.382A
➔ Chọn cáp giống như cáp kết nối của 1 chuỗi PV
+ Chọn dây cáp cadivi 4 mm2
+ Chọn CB: In=Isc*1.25 = 2.55*1.25 = 3.2 (A) → Chọn CB MCB DC Schneider
+ Cáp AC từ Inverter lên lưới
+ Chọn cầu chì phía DC
Tính toán dựa theo tiêu chuẩn NEC điều 690.8(A)(2) đối với 1 string ( dùng
Dòng ngắn mạch tối đa 𝐼max = (𝐼sc) ∗ 1.25 = 2.382 ∗ 1.25 = 3 (𝐴)
Theo điều 690.9(B)(1) các thiết bị bảo vệ quá dòng (OCPD) cần có dòng định mức không nhỏ hơn 1.25% dòng ngắn mạch liên tục tối đa của hệ thống
Hay cầu chì không thể tải liên tục dòng ngắn mạch lớn hơn 80% dòng định mức ghi trên nhãn
Do đó, dòng định mức của cầu chì In = Imax*1.25 = 3*1.25 = 3.75 (A)
Chọn cầu chì Cầu chì Omega OMG-FS32M RT18-32 4A
Hệ thống nối đất TT cũng được khuyên dùng đối với biến tần (bảng 3.1 giáo trình An toàn điện- Quyền Huy Ánh-Sư phạm kỹ thuật)
Ta lựa chọn thiết kế hệ thống nốt đất theo sơ đồ TT
Hệ thống TT thường được sử dụng cho mạng điện ít cần sự kiểm tra hay mạng điện có thể mở rộng, cải tạo ví dụ như mạng điện công cộng
2.5.1.1 Xác định tiết diện dây PE
- Phương pháp đơn giản hóa Đối với hệ thống PV panel của chúng ta có:
- Dây PE cái tấm pin: Sph ≤ 16mm2 nên s ph = s pE = 4mm2
- Từ inverter đến tủ AC: dây pha là 25mm2 s ph = s pE = 16mm2
+ Nối đất mạch vòng: Các điện cực nối đất được đặt theo chu vi công trình cần bảo vệ ( cách mép ngoài từ 1 đến 1.5m) khi phạm vi công trình rộng
Từ các đường cong phân bố điện áp, có thể nhận thấy trị số điện áp bước giảm đi nhiều so với các hình thức nối đất tập trung, đồng thời trị số điện áp tiếp xúc cũng được giảm thấp
Hình 2.18 Nối đất mạch vòng
➔ Ta lựa chọn kiểu nối đất mạch vòng cho hệ thống cọc nối đất
2.5.1.3 Tính toán điện trở nối đất
+ Rc, Rth lần lượt là điện trở nối đất của hệ thống cọc và hệ thống thanh (dây) nối đất
+ R HT là điện trở nối đất của hệ thống
+ r c là điện trở nối đất của một cọc
+ rtlà điện trở của thanh(dây đặt nằm ngang)
+ ηc là hệ số sử dụng cọc chôn thẳng đứng
+ η th là hệ số sử dụng thanh(dây) nằm ngang η c 𝑣à η th Tra bảng 3.8 GT An toàn điện – Quyền Huy Ánh Đối với hệ thống PV năng lượng mặt trời có Uht ≤ 1000V nối đất trực tiếp và có cấp điện áp là 220/380V thì điện trở HT cần nhỏ hơn hoặc bằng 10 Ω
Hệ thống cọc được đặt theo chu vi độ dài 47.5m (47.5m+4x1.5m khoảng cách với công trình), khoảng cách giữa 2 cọc là 6m), có 10 cọc
Thông số HT Đơn vị
Tiết diện cáp liên kết cọc 50 mm2 Đường kính cáp đồng trần 8.0 mm
Chiều dài cọc (L) 3.00 m Đường kính cọc (d) 16 mm
Chiều dài dây đồng trần (Lt) 22 m
Cáp và cọc đặt ở độ sâu (h) 0.8 m
Các thông số ta lựa chọn như bảng trên
Từ các công thức đã nêu ở phần trước ta có các thông số sau: Điện trở suất tính toán của đất: Ptt = kmxP Điện trở suất 1 cọc: r = c P × [ln ( 4L )] × 2h+L
2L 1.36×d 4h+L Điện trở suất hệ thống cọc: R c = r c n×ηc Điện trở thanh dây: r t = P L t × [ln ( 4L ) − 1]
Trang 41 Điện trở hệ thống thanh (dây): Rth = r t n th Điện trở hệ thống nối đất: RHT = R c ×R th
Bảng 6 Thông số số tính toán điện trở nối đất
R HT 5.8 Đối với hệ thống PV có U ≤ 1000V yêu cầu điện trở nối đất nhỏ hơn 10 Ω
Nên với R hệ thống bằng 5.8Ω thỏa mãn điều khiện trên.
Thiết kế chống sét trực tiếp
Bán kính bảo vệ của kim chống sét ESE được xác định theo công thức:
+ h: là chiều cao đặt kim ESE so với mặt phẳng được bảo vệ (m)
+ ΔL: là độ lợi khoảng cách (m) được xác định:
V: là tốc độ phát triển của tia niên đạo đi lên thường là (1.1 : 1.2)m/μs ΔT: là thời gian phóng điện sớm, tùy thuộc loại đầu kim (10,25,30,40,50,60 μs)
+ D là khoảng cách phóng điện (m):
I: là biên độ dòng sét cực đại (kA), tương ứng với mức bảo vệ Với phòng khám này, ta chọn I=3kA
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Tổng quan năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của không khó di chuyển trong bầu khí quyển của trái đất Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, trái đất xoay quanh mặt trời Vì vậy năng lượng gió là hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời
3.1.2 Năng lượng gió ở Việt Nam
Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa và bờ biển dài hơn 3.200 km, hơn nữa còn có cả gió mùa Tây Nam thổi vào mùa hè, tốc độ gió trung bình ở biển Đông Việt Nam khá mạnh Vì vậy, nhờ vào vị trí địa lý mà tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam là rất triển vọng Việt Nam là nước có tiềm năng năng lượng gió tốt nhất trong 4 nước (Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam) với 39% lãnh thổ có tốc độ gió lớn hơn 6m/s tại độ cao 65 m, tương đương với 513 GW Đặc biệt, hơn 8% lãnh thổ, tương đương 112 GW được đánh giá là có tiềm năng năng lượng gió tốt (Bảng 1) Ước tính trên đất liền, Việt Nam có thể phát triển khoảng 30 GW điện gió
Cùng với tiềm năng điện gió ngoài khơi, chúng ta có thể phát triển khoảng 100
GW công suất điện gió
Bảng 3.1 Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam ở độ cao 65m
Hiện có 9 nhà máy/trang trại điện gió đang vận hành với tổng công suất
304,6 MW (Bảng 2), trong đó lớn nhất là trang trại điện gió Bạc Liêu với gần 100
MW, nhỏ nhất là nhà máy điện gió Phú Quý 6 MW nối lưới độc lập (không nối lưới điện quốc gia) trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, còn lại là 7 nhà máy điện gió quy mô công suất nhỏ dưới 50 MW
Bảng 3.2 Các nhà máy / trang trại điện gió đang vận hành
Bên cạnh đó, 18 dự án nhà máy/trang trại điện gió đã được khởi công và đang trong quá trình xây dựng với tổng công suất 812 MW (Bảng 3), trong đó có
2 dự án có công suất từ 100 MW trở lên là Bạc Liêu 3 và Khai Long (Cà Mau), còn lại 16 dự án có quy mô công suất nhỏ từ 20 MW đến 65 MW
Bảng 3.3 Các nhà máy/trang trại điện gió đang xây dựng
Các thành phần của hệ thống phát điện gió
- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển
- Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay
- Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ
- Controller: Bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng
- Gear box: Hộp số Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút,
Trang 46 tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền, nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió
- Generator: Máy phát Phát ra điện
- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp
- Nacelle: Vỏ Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc
- Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục
- Tower: Trụ đỡ Nacelle Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép
Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin gió
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió Đặc điểm turbine gió:
- Turbine bắt đầu tăng tốc chậm , 3 hoặc 5 lưỡi quạt gió tùy chọn cho các khu vực tốc độ gió khác nhau, nhu cầu sử dụng năng lượng gió cao hay thấp
- Dễ dàng cài đặt, ống hoặc mặt bích kết nối tùy chọn
- Lưỡi quạt gió sử dụng công nghệ mới ép phun chính xác, phù hợp với hình dạng khí động học tối ưu hóa và cấu trúc, trong đó tăng cường sử dụng năng lượng gió và sản lượng hàng năm
- Cấu trúc đúc hợp kim nhôm, với 2 vòng bi xoay, làm cho sản phẩm chịu được sức gió mạnh hơn và chạy một cách an toàn hơn
- Được cấp bằng sáng chế máy phát điện xoay chiều nam châm vĩnh cửu với stato đặc biệt, có hiệu quả giảm mô-men xoắn, cũng phù hợp với bánh xe gió và máy phát điện, và đảm bảo hiệu suất của toàn bộ hệ thống
- Điều khiển, biến tần có thể được thay đổi dòng điện tùy theo nhu cầu cụ thể của khách hàng
- Ổn định, an toàn, tiếng ồn thấp
- Đảm bảo chất lượng CE / chứng nhận ISO
Phân loại: Có 2 loại turbin
- Turbin trục đứng (VAWT - Vertical axis Wind turbine)
- Turbin trục ngang (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine)
Bảng so sánh 2 Turbine trục đứng và trục ngang
Bộ điều khiển (Controller) là bộ chỉnh lưu biến dòng điện xoay chiều của turbine gió thành dòng điện 1 chiều để nạp cho acquy, có chức năng kiểm soát tự
Trang 50 động các quá trình nạp và phóng điện của bộ acquy Bộ điều khiển theo dõi trạng thái của acquy thông qua hiệu điện thế trên các điện cực của nó
Khi gió quá lớn hay acquy đã được nạp đầy thì bộ điều khiển có chức năng cắt toàn bộ tải ra khỏi máy phát để bảo vệ acquy tránh nạp quá no và chuyển toàn bộ năng lượng sang bộ tiêu tán năng lượng (DumpLoad) Ngoài ra trong trường hợp gió quá lớn vượt mức an toàn, với các turbine gió loại nhỏ không có chế độ tự điều chỉnh trục cánh, bộ điều khiển có chức năng hãm điện từ làm cho turbine gió quay chậm lại hay ngừng quay, bảo vệ cho turbine tránh hư hỏng
Turnine gió quay tạo ra dòng điện AC sau đó qua bộ controller dòng điện được biến đổi thành DC Dòng điện DC sẽ đi vào bộ inverter hoà lưới và được biến đổi thành dòng xoay chiều AC, cùng pha cùng tần số với lưới điện Hệ thống sẽ hoà chung với lưới điện quốc gia cùng cung cấp điện cho các thiết bị điện
3.2.5 Hệ thống dự trữ năng lượng
Gồm nhiều bình acquy khô nối tiếp nhau dùng để dự trữ nguồn điện 1 chiều
Mổi khi turbine gió không hoạt động hay hoạt động yếu, hệ thống này sẽ cung cấp điện cho bộ phận chuyển đổi điện 1 chiều (DC) ra điện xoay chiều (AC) Bình acquy thường dùng loại acquy khô dễ bảo quản, bảo trì, an toàn hơn mặc dù giá trị
Trang 51 bình nhiều hơn acquy nước Số bình acquy phụ thuộc vào bộ chuyển đổi điện DC ra AC Dung lượng bình ắc quy thông dụng là 200Ah.
Thiết kế lắp đặt hệ thống điện gió quy mô nhỏ
Khi đó, diện tích mỗi tuabin gió là:
Diện tích mỗi tuabin = π * (đường kính) 2
=> Chọn diện tích mỗi tuaine là 16 𝑚 2 để đảm bảo độ an toàn
=> Kích thước diện tích của mỗi tuabine là 4x4
Vậy, để đặt 16 tuabin gió có công suất mỗi tuabin là 3 kW và có đường kính cánh là 4m trên 1 diện tích Phân bố thành 4 dãy mỗi dãy 4 tuabine so le nhau
Diện tích = (16 + 1(vị trí so le) + 1(vị trí so le) ) x 16 = 288 [𝒎 𝟐 ]
Như vậy, để đặt 16 tuabin gió có công suất mỗi tuabin là 3 kW và có đường kính cánh là 4m trên 1 diện tích, ta cần có diện tích khoảng 288 𝒎 𝟐 và sắp xếp các tuabin theo lưới hình vuông phân bố thành 4 dãy mỗi dãy 4 tuabine với khoảng cách giữa các tuabin là 4m so le nhau Như hình vẽ bên dưới:
Hình: Bố trí lắp đặt điện gió 3.3.1 Chon mô hình hệ thống máy phát điện gió
Chọn turbin gió phát điện bằng phương pháp sử dụng hệ thống phát điện gió nối lưới
Hình 3.1 Mô hình hệ thống điện gió
Năng lượng do turbine gió phát ra dòng điện xoay chiều, sau đó sẽ cung cấp cho phụ tải và dumpload (tải tiêu thụ dự phòng), do nguồn gió là nguồn năng lượng không ổn định nên cần phải nối với nguồn điện lưới để hoà vào lưới Trường hợp hộ tiêu thụ cần tiêu thụ điện năng sử dụng lớn, mà năng lượng gió cung cấp không đủ thì mua điện lại từ lưới điện, trong trường hợp nhu cầu tiêu thụ điện ít, mà lượng điện gió sản xuất ra nhiều thì có thể phát lên lưới điện, bán lại cho điện lưới
• Ưu điểm: mô hình này thường được sử dụng phổ biến hiện nay do dễ lắp đặt, thích hợp cho những vùng đồi núi, vùng biển nơi có nhiều gió
• Nhược điểm: chi phí đầu tư cao, phải bảo trì các thiết bị theo định kỳ, phải xử lý các phế liệu sau khi hết tuổi thọ
3.3.2 Thông số ban đầu tại nơi lắp đặt hệ thống điện gió
Ta có tốc độ gió trung bình 1 năm tại tỉnh Ninh Thuận là:
𝜋 2 tb 𝜋 2 Tốc độ gió trung bình trong 1 ngày tại Ninh Thuận
Tốc độ gió trung bình theo tháng tại Ninh Thuận
Ta có tốc độ gió trung bình 1 ngày tại Ninh Thuận là:
24 Công suất gió trung bình 1 ngày:
Tốc độ gió trung bình theo thời trong 1 ngày
3.3.3 Tính toán hệ thống điện gió bằng phần mềm Homer Pro
Bảng 3.4 Số liệu tốc độ gió, sản lượng điện theo giờ trong 1 ngày
Hình 3.3 Đồ thị công suất gió theo giờ trong 1 ngày
Hình 3.6 Sơ đồ đấu nối hệ thống điện gió
NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI
Tổng quan
Là năng lượng thu được từ các phụ phẩm nông nghiệp, chất thải sinh học
Than củi và dầu sinh học, là những ví dụ về nhiên liệu sinh học, lần lượt được làm từ gỗ và những loại hạt của cây trồng Sinh khối là vật liệu hữu cơ dự trữ ánh sáng mặt trời dưới dạng năng lượng hoá học, năng lượng từ mặt trời được
"giữ" lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai đoạn phát triển của chúng
Khi được đốt cháy, năng lượng hoá học này được giải phóng dưới dạng nhiệt dùng để nấu nướng, sưởi ấm và làm nhiên liệu
Khi thực vật sinh trưởng, chúng hấp thụ khí các-bon-níc (CO2) trong môi trường và dự trữ nó thông qua quá trình quang hợp Một lượng CO2 tương đương được giải phóng khi thực vật bị phân huỷ tự nhiên hoặc đốt cháy Điều đó có nghĩa là năng lượng sinh khối không đóng góp vào quá trình phát thải khí nhà kính.
Hiện trạng đóng góp của năng lượng sinh khối của Việt Nam
4.2.1 Năng lượng sinh khối tại Việt Nam
Tiềm năng sinh khối tại Việt Nam
Tiềm năng về NLSK của Việt Nam được đánh giá là rất đa dạng và có trữ lượng khá lớn Theo tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khối vào khoảng 118 triệu tấn/năm bao gồm khoảng 40 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 6 triệu tấn bã mía và trên 50 triệu tấn vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ
Nguồn sinh khối chủ yếu của nước ta gồm gỗ và phụ phẩm cây trồng, trong đó gồm rừng tự nhiên, rừng trồng, cây trồng phân tán, cây công nghiệp và cây ăn quả, phế phẩm gỗ công nghiệp
Bảng 4.1 tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp
Hiện trạng sử dụng năng lượng sinh khối của Việt Nam
Nói như vậy để thấy rằng, tiềm năng năng NLSK của Việt Nam là rất lớn và nếu tận dụng được nguồn năng lượng này sẽ góp phần quan trọng giải quyết bài toán đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia Cùng với đó, theo đánh giá của nhiều chuyên gia, việc phát triển được năng NLSK sẽ không chỉ giúp tận dụng được kho dự trữ sinh học vô cùng phong phú của Việt Nam mà còn cải thiện sinh kế của người nông dân hiện vẫn chiếm một tỷ trọng lớn trong cơ cấu dân số, đa phần tập trung ở vùng sâu, vùng xa Ngoài ra, phát triển năng NLSK còn có thể giúp cải thiện chi phí, tăng hiệu quả sản xuất kinh doanh cho các doanh nghiệp thuộc các ngành: năng lượng, nông nghiệp, lâm nghiệp, biển; nghiên cứu, đào tạo, sáng chế…
Trong đó, cung cấp sản phẩm, thiết bị, máy móc, công nghệ, dịch vụ năng lưong sinh khối là một trong số các hướng đi phù hợp với xu thế phát triển kinh tế, xã hội chính trị hiện nay, tạo ra lợi nhuận lớn cho doanh nghiệp, nhất là nguồn cung có đồng đều trên cả nước, phù hợp nhu cầu cho các loại dự án lớn nhỏ Đặc biệt, phát triển năng NLSK không chỉ là vấn đề năng lượng mà còn là vấn đề xử lý chất thải gây ảnh hưởng đến môi trường hiện nay và trong tương lai Hiện Hà
Nội và Hồ Chí Minh mỗi ngày thải trên 7.000 tấn rác mỗi ngày, nếu phát triển năng
NLSK tại Việt Nam thì vấn đề môi trường sẽ có cơ hội được giải quyết dứt điểm, góp phần vào việc phát triển năng lượng bền vững của Việt Nam Chất thải nông nghiệp tính riêng ở đồng bằng sông Cửu Long đã hàng chục triệu tấn mỗi năm, chưa kể hàng trăm héc-ta rừng cho hàng trăm mét khối củi, gỗ hằng năm, NLSK khổng lồ ấy chưa được tận dụng làm năng lượng tái tạo xanh - sạch…
Tổng nguồn sinh khối vào khoảng 118 triệu tấn/năm bao gồm khoảng 40 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 6 triệu tấn bã mía và trên 50 triệu tấn vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ Nguồn sinh khối chủ yếu của nước ta gồm gỗ và phụ phẩm cây trồng, trong đó gồm rừng tự nhiên, rừng trồng, cây trồng phân tán, cây công nghiệp và cây ăn quả, phế phẩm gỗ công nghiệp Theo Viện Năng lượng - Bộ Công
Thương, tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng lên đến gần 25 triệu tấn, tương đương với 8,8 triệu tấn dầu thô Riêng tiềm năng năng lượng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp của nước ta gồm rơm, rạ, trấu, bã mía và các loại nông sản khác lên đến
Trang 63 gần 53,5 triệu tấn, tương đương với 12,8 triệu tấn dầu thô Ðặc biệt nguồn năng lượng này sẽ liên tục được tái sinh và tăng trưởng đều đặn trong vòng 30 năm
- Tiềm năng lớn chưa được khai thác
- Nhu cầu ngày càng tăng, cùng với sự tăng trưởng kinh tế xã hội của đất nước, nhu cầu ứng dụng các công nghệ năng lượng sinh khối ngày càng lớn
- Các chính sách và thể chế đang từng bước hình thành tạo thuận lợi cho phát triển năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng sinh khối nói riêng
- Môi trường quốc tế thuận lợi, năng lượng tái tạo ngày càng được quan tâm và đầu tư phát triển
- Kế hoạch hành động năng lượng giai đoạn 2005 – 2010 của các nước
ASEAN,trong đó, đề ra mục tiêu đạt ít nhất 10% điện tái tạo trong cơ cấu sản xuất điện
- Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm đến việc phát triển năng lượng sinh khối ở
- Nhiều công nghệ đã được hoàn thiện, ứng dụng thương mại nên Việt Nam có thể nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ
□ Sự cạnh tranh về nhu cầu nguyên liệu sinh khối
□ Sự cạnh tranh về chi phí công nghệ
□ Trở ngại về môi trường, mặc dù có những ưu điểm vượt bậc về môi trường so với năng lượng hóa thạch, nhưng NLSK cũng có một số tác động môi trường sau
□ Thiếu nhận thức xã hội về năng lượng sinh khối
□ Thiếu các chính sách và thể chế cụ thể của chính phủ
4.2.2 Lợi ích của năng lượng sinh khối tại Việt Nam
Lợi ích về mặt Kinh tế - Xã hội
Giảm thiểu sự phụ thuộc vào than đá các nhiên liệu hóa thạch: Sự phụ thuộc quá mức vào than đá trong những thập kỷ vừa qua là nguyên nhân dẫn đến sự cạn kiệt về trữ lượng của các nguồn nhiên liệu này Cùng tìm hiểu thêm về nội dung này trong bài viết: Chất đốt Biomass (Sinh khối) thay thế nhiên liệu than đá truyền thống
Năng lượng sinh khối có thể tăng cường an ninh năng lượng quốc gia: Từ khi năng lượng sinh khối được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bản địa của nhiều nước châu Á, loại nhiên liệu này có vai trò là nhiên liệu thay thế cho than đá và các nhiên liệu hóa thạch, giảm sự phụ thuộc nhập khẩu than đá và tăng cường an ninh năng lượng quốc gia
Khuyến khích sự tham gia của các xí nghiệp vừa và nhỏ:
Khác với nhiên liệu dầu và khí, thậm chí là than đá, việc sản xuất năng lượng sinh khối sẽ không đòi hỏi đầu tư và xây dựng các nhà máy xử lý tổng hợp lớn Vì vậy, đầu tư cho năng lượng sinh khối có thể mở ra các cơ hội tham gia của các công ty trong nước
Nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp: Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lương thực thực phẩm, nguyên liệu công nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp năng lượng sạch cho xã hội, đóng góp vào việc giảm thiểu khí nhà kính và khí độc hại Trong những năm qua, Thuận Hải nhận thấy việc phát triển năng lượng sinh khối đã đóng góp một phần đáng kể vào sự phát triển của nền nông nghiệp nước nhà
Lợi ích về mặt môi trường
Sử dụng năng lượng sinh khối so với than đá, xăng dầu giảm khoảng được
70% khí CO2 và 30% khí độc hại, do năng lượng sinh khối chứa một lượng cực
Trang 65 nhỏ lưu huỳnh, chứa 11% oxy, nên cháy sạch hơn năng lượng sinh khối phân hủy sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nước và đất
Các sản phẩm nhiên liệu từ sinh khối
4.3.1 Các sản phẩm nhiên liệu khí từ sinh khối
Khí sinh học đã sinh ra bởi một máy phân hủy có thể được dùng để sản xuất nhiệt hoặc phát điện – hoặc trong nhiều trường hợp là cả hai Nó có thể được sử dụng trong những động cơ đốt trong cỡ lớn để chạy những máy phát điện, với động cơ làm nguội bằng nước và khí thải cung cấp nhiệt cho máy chưng cất Nếu nó được lọc để loại bỏ cacbon đioxit và hydro sunphit, khí sinh học cũng giống khí thiên thể được sử như nhiên liệu xe cộ Hầu hết những động cơ mồi bằng tia lửa có thể được chuyển sang chế độ hoạt động hai nhiên liệu, như vài công ty rác cống đã làm cho những máy móc
4.3.2 Những sản phẩm nhiên liệu lỏng từ sinh khối
□ Nhiệt phân để sản xuất dầu sinh học
Nhiệt phân là phương pháp đơn giản nhất và gần như chắc chắn là cổ nhất của việc xử lý một nhiên liệu để sản xuất một nhiên liệu tốt hơn Cách xử lý truyền
Trang 66 thống mà biến gỗ thành than củi, ngày nay được gọi là nhiệt phân chậm (slow pyrolysis), thì rất lãng phí năng lượng, như chúng ta đã thấy
□ Lên men để sản xuất ethanol
Lên men là một quá trình xử lí kỵ khí sinh học trong đó các loại đường (thí dụ như C6H12O6) được biến thành cồn bởi hoạt động của những vi sinh vật, thường là men Sản phẩm được yêu cầu, ethanol (C2H5OH), được tách ra từ những thành phần khác bởi sự chưng cất Không như methanol, ethanol không thể thay thế hoàn toàn cho xăng dầu, nhưng nó có thể được dùng như một dầu lửa (gasoline) mở rộng: xăng dầu chứa đến 26% ethanol – hoặc có thể hơn trong tương lai Với những thay đổi động cơ phù hợp (chỉnh lại máy, …) nó cũng có thể được sử dụng trực tiếp
□ Những loại dầu thực vật đến diesel sinh học
Những loại dầu là hợp chất được gọi là những triglixerit, chất mà những phân tử to lớn là kết quả của những axit hữu cơ khác nhau đã kết hợp với glixerin
(một loại cồn) Những thành phần chính của dầu diesel, thường được gọi là các ête, là những axit hữu cơ kết hợp với những chất khác, những loại cồn thắp sáng Quá trình chuyển đổi, được gọi là sự chuyển đổi ete hóa (transesterification), gồm việc thêm methanol hoặc ethanol vào dầu thực vật Tại châu Âu, tiềm năng của ete metyla bã nho (rape methyl ester – RME) từ bã nho đã phát triển trên phần đất trừ ra đã sinh lợi Tại Pháp toàn bộ diesel chứa 5% RME,và dầu từ bã nho tại vương quốc Anh được xuất khẩu sang Pháp Tại Mỹ, sản phẩm được dựa vào dầu từ đậu nành và tái chế dầu ăn Chính phủ vương quốc Anh cũng thích thú lựa chọn này cho những dầu thải từ các cửa hàng khoai tây rán,
Ví dụ về việc tính toán, khai thác năng lượng từ sinh khối
4.4.1 Cách tính toán xây dựng hầm biogas
Ngoài việc sản xuất điện năng, từ sinh khối ( phân đông vật) có thể chuyển hóa thành khí gas như đã nói ở trên để phục vụ nhu cầu sinh hoạt trong đời sống được sử dụng phổ biến Có thể phân loại thành 2 dạng bể biogas là dạng vòm cố định và bể biogas theo dạng mái vòm nổi
4.4.2 Nhà máy phát điện trấu và bã mía
Hệ thống phát điện sinh khối với nhiên liệu bã mía và trấu
Hệ thống phát điện sinh khối bao hàm các yếu tố: thu gom nhiên liệu, vận chuyển nhiên liệu và xử lý nhiên liệu trong quá trình phát điện Hệ thống phát điện sinh khối được mô tả tổng quan như:
□ Các yếu tố của hệ thống phát điện sinh khối
Chu trình công nghệ khí hoá sinh khối BIG/CCa
Chu trình công nghệ khí hoá sinh khối với áp suất khí quyển BIG/CCp
- Nhà máy điện chỉ phải tính đến các yếu tố cấu thành chi phí như:
+ Chi phí thu mua nhiên liệu trấu, thu mua nhiên liệu bã mía
+ Chi phí vận chuyển nhiên liệu trấu, vận chuyển nhiên liệu bã mía
+ Chi phí khấu hao đầu tư nhà máy điện sinh khối, lãi suất ngân hàng
+ Chi phí vận hành và bảo trì bảo dưỡng
- Chi phí vận chuyển nhiên liệu :
- Khấu hao chi phí đầu tư
Tính toán thiết kế năng lượng sinh khối
4.5.1 Chọn công nghệ phát điện
Hình 4.1 Chu trình công nghệ khí hóa sinh khối với áp suất khí quyển BIG/CCp
4.5.2 Tính khối lượng càn thiết để phát công suất định mức
Do sản lượng phế phẩm của 1 năm lấy từ các nguồn ở ngoài để làm nguồn nhiên liệu để cung cấp năng lượng cho máy phát vào khoảng 2150 tấn mỗi năm
Theo công thức, có nhiều dữ kiện chưa có sẵn hoặc đo đặc được
Nên chọn các hiệu suất như các hệ thống khác : 𝜂 = 44%
Có công suất phát: 𝑃 phát = 2150∗4500∗0.44
Hình 4.2 Các dạng lò sinh khối Chọn máy phát điện có công suất 50kW và chọn lò đốt mã hiệu STECH BN180.
Tính toán mô phỏng trên ETAP
Mô phỏng phân bố công suất và chiều dòng điện
Hình : Mô phỏng phân bố công suất và chiều dòng điện Tính toán ngắn mạch và chọn CB:
Hình : Tính toán ngắn mạch và chọn CB
Từ đó, có bảng chọn máy phát, chọn cáp và chọn CB dựa trên phần mềm ETAP
Hình 4.3 Sơ đồ nối dây của hệ thống năng lượng sinh khối
Hình: Sơ đồ bố trí trên mặt bằng của 3 hệ thống năng lượng tái tạo
TÍNH TOÁN KINH TẾ
Tính toán tiền điện phải trả nếu không sử dụng hệ thống năng lượng tái tạo
Hình 5.1 Đồ thị phụ tải
Bảng 5.1 Giá bán điện theo bậc
Giá bán lẻ điện sinh hoạt Giá bán điện (VNĐ/kWh)
Bậc 6: Cho kWh từ 401 trở lên 3,015
Trang 78 Đồ thị phụ tải
Bảng 5.2 Tiền điện phải trả nếu có hệ thống năng lượng tái tạo
Lượng điện tiêu thụ 1 ngày (kWh) 2,117
Bảng 5.3 Tiền điện phải trả sau khi lắp hệ thống năng lượng tái tạo
Lượng điện sản xuất được 1 năm (kWh) 791,780
Bảng 5.4 Tỷ lệ tăng giá điện hằng năm
Tính toán chi phí lắp đặt hệ thống
5.2.1 Chi phí lắp đặt hệ thống điện năng lượng tái tạo
Bảng 5.5 Chi ohis lắp đặt hệ thống năng lượng tái tạo
Hệ thống Chi phí (VNĐ) Điện mặt trời 1,107,587,500 Điện gió 2,008,842,000 Điện sinh khối 2,450,000,000
Chi phí khấu hao tài sản cố định:
𝐶DE: chi phí khấu hao tài sản cố định hằng năm
𝑐 asset : tổng chi phí đầu tư lắp đặt tài sản
𝐿: thời gian sử dụng tài sản
Chi phí khấu hao tài sản cố định được trình bày trong bảng sau:
Bảng 5.6 Chi phí khấu hao hằng năm của hệ thống
Hệ thống Giá trị (VNĐ)
Thời gian khấu hao (năm)
Chi phí khấu hao (VNĐ) Điện mặt trời 1,107,587,500 10 110,758,750 Điện gió 2,008,842,000 10 200,884,200 Điện sinh khối 2,450,000,000 10 245,000,000
5.2.2 Chi phí vận hành trong năm
Bảng 5.7 Chi phí vận hành hằng năm của hệ thống
Chi phí Thành tiền (VNĐ)
Hiệu giá thu hồi thuần NPV
Hiệu giá thu hồi thuần là hiệu số của tổng hiện giá thu hồi và tổng giá vốn đầu tư, tức là tổng giá tiền lời sau khi đã hoàn đủ vốn NPV được tính theo công thức sau: n n
R t : giá trị thu hồi tại năm thứ t (VNĐ) n: thời gian đầu tư (năm) i: Lãi suất chiết khấu (%/năm) việc tính toán trên cho biết được tổng hiện giá tiền lời sau khi đã hoàn đủ vốn, cụ thể là:
- Nếu 𝑁𝑃𝑉 > 0 thì dự án có lời
- Nếu 𝑁𝑃𝑉 < 0 thì dự án đang lỗ
- Nếu 𝑁𝑃𝑉 = 0 thì dự án thu hồi đủ vốn
Suất thu hồi nội bộ IRR
IRR viết tắt của cụm từ Internal Rate of Return có nghĩa là tỷ lệ hoàn vốn nội bộ hay chính là tỷ lệ lợi nhuận của một doanh nghiệp dùng để lập ngân sách và đánh giá hiệu quả đầu tư kinh doanh Ngoài ra, IRR còn được dùng để phân tích tài chính, ước tính khả năng sinh lời của các khoản đầu tư n Ct
• t là thời gian tính dòng tiền
• n là tổng thời gian thực hiện dự án
• r là tỷ lệ chiết khấu
• Ct là dòng tiền thuần tại thời gian t
• C0 là chi phí ban đầu để thực hiện dự án
Bảng 5.8 NPV, IRR của dự án đang đầu tư
Mô phỏng hệ thống năng lượng tái tạo bằng phần mềm Homer Pro
Hình 5.2 Xây dụng dựng mô mô phỏng
Hình 5.3 Kết quả mô phỏng
Sau khi mô phỏng ta được kết quả như sau:
Bảng 5.8 Số lượng thiết bị lắp đặt hệ thống
Hê thống Thiết bị Số lượng Điện mặt trời Tấm pin 256 Điện gió Tuabine gió 35 Điện sinh khối Máy phát 50 kW 1
Sản lượng điện của toàn hệ thống sản xuất được trong 1 năm
Hình 5.4 Sản lượng điện của hệ thống trong 1 năm
Sản lượng của hệ thống điện mặt trời
Hình 5.5 Sản lượng điện mặt trời trong 1 năm
Sản lượng của hệ thống điện gió
Hình 5.6 Sản lượng điện gió trong 1 năm
Sản lượng điện của hệ thống sinh khối
Hình 5.7 Sản lượng điện sinh khối trong 1 năm
Hình 5.8 Thời gian hoàn vốn sau khi mô phỏng
CÁC PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH
Mô phỏng bàng phần mềm ETAP
Sơ đồ vận hành hệ thống lưới điện năng lượng tái tạo bằng phần mềm ETAP
Hình 6.2 Mô hình mô phỏng ETAP
Từ mô hình, nhập chiều dài dây dẫn theo đúng như sơ đồ nguyên lý đã vẽ và chọn thông số dây cáp, CB dựa vào tính năng tính toán tự động trong ETAP
Trường hợp 1: Bình thường, hệ thống sử dụng nguồn từ lưới điện cấp, các
CB của máy phát điện sinh khối 50kW, gió được cắt Hệ thống pin năng lượng mặt trời hoạt động vào những ngày có nắng, năng lượng qua bộ sạc vào cấp cho pin dự phòng rang 88
Hình: 6.3 Mô phỏng sự phân bố công suất ở trường hợp 1
Hình 6.4 Mô phỏng ngắn mạch ở trường hợp 1
Trường hợp 2: Khi có sự cố từ nguồn lưới, hệ thống sẽ chuyển sang lấy nguồn từ các hệ thống tự cấp, cấp điện cho nhà xưởng
Cụ thể là máy phát sinh khối sẽ hoạt động để cấp nguồn cho tải
Hình 6.5 Mô phỏng sự phân bố công suất ở trường hợp 2
Hình 6.6 Mô phỏng ngắn mạch ở trường hợp 2
Trường hợp 3: Khi vào những ngày thời tiết tốt, hệ thống pin mặt trời và hệ thống năng lượng gió sẽ cấp nguồn cho hệ thống tải nhà xưởng, pin mặt trời không sạc cho pin dự trữ nữa Năng lượng sẽ qua bộ Inverter cấp nguồn cho tải và dùng thêm năng lượng từ hệ thống năng lượng gió
Hình 6.7 Mô phỏng sự phân bố công suất ở trường hợp 3
Hình 6.8 Mô phỏng ngắn mạch ở trường hợp 3
Chọn dây và CB dựa vào phần mềm ETAP
CB Converter1 0.69kV max, 2P, 7.5kA, 100A
CB PIN1 0.69kV max, 2P, 85kA, 100A
CB PIN3 0.69kV max, 2P, 85kA, 100A
CB NLMT 0.69kV max, 2P, 7.5kA, 100A
CB MBA 0.69kV max,3P, 12.5kA, 500A
CB Gen1 0.69kV max, 2P, 40kA, 350A
CB Gen2 0.69kV max, 2P, 40kA,350A
CB NLSK 0.69kV max, 2P, 40kA,350A
CB Wind1 0.69kV max, 2P, 85kA,100A
CB Wind2 0.69kV max, 2P, 85kA,100A
CB NLG 0.69kV max, 2P, 40kA,100A
CB Load Tong 0.69kV max, 2P, 85kA,250A
CB Load1 0.69kV max, 2P, 40kA,100A
CB Load2 0.69kV max, 2P, 40kA,100A
CB Load3 0.69kV max, 2P, 40kA,100A
