Nghiên cứu ứng dụng điện mặt trời cung cấp cho phòng máy chủ trường đại học nha trang

i GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh MỞ ĐẦU  GIỚI THIỆU CHUNG Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng Mặt Trời, đặc biệt ở miền Trung và miền Nam của đất nước, với cường độ bức xạ Mặt Trời trung bình khoảng 5 kWh/m 2 , ở các vùng phía Bắc cường độ bức xạ Mặt Trời thấp hơn, ước tính khoảng 4 kWh/m 2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân. Ở Việt nam, bức xạ Mặt Trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ/năm. Năng lượng Mặt Trời có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng lượng Mặt Trời được khai thác để sản xuất điện và cung cấp nhiệt.  TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp thời nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Trường Đại học Nha Trang bao gồm nhiều khu giảng đường, ký túc xá, thư viện và nhiều khu thí nghiệm, hành chính khác nên nhu cầu sử dụng điện là rất lớn. Mặt khác, cơ sở vật chất của trường ngày càng được mở rộng. Cụ thể là việc xây thêm các khu ký túc xá, nhà đa năng và các phòng thí nghiệm khiến cho nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao với phụ tải lớn. Từ những tình hình thực tế trên việc thay thế nguồn điện lưới đang sử dụng bằng điện Mặt Trời sẽ góp phần tiết kiệm tiền điện cho nhà trường, tạo môi trường học tập cho sinh viên, đồng thời có tác dụng giáo dục sinh viên học sinh trong vấn đề tiết kiệm năng lượng và sử dụng nguồn năng lượng sạch, mới. Hưởng ứng và chấp hành chủ trương, chính sách của Nhà nước về tiết kiệm điện năng, sử dụng nguồn năng lượng sạch, chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu. Chủ động nắm bắt và ứng dụng những thành tựu công nghệ của nhân loại vào phục vụ cuộc sống và công việc của chúng ta. ii GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh  NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI  Nhiệm vụ “Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ Trường Đại học Nha Trang”  Phạm vi Đề tài thực hiện trong phạm vi trường Đại học Nha Trang.  Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Biến năng lượng Mặt Trời thành năng lượng điện là một dạng năng lượng sạch, thân thiện với môi trường không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, cũng như không làm thay đổi hệ sinh thái trong khu vực, điều này đang phù hợp với xu thế phát triển nguồn năng lượng của quốc gia và thế giới. Dự án sử dụng điện Mặt Trời hòa lưới điện với mục đích làm phổ biến hơn việc sử dụng năng lượng sạch, cung cấp môi trường hiện đại, thuận lợi cho quá trình làm việc của cán bộ nhân viên và học tập nghiên cứu của sinh viên khoa Điện-Điện tử. Đề tài được nghiên cứu và ứng dụng ngay tại trường Đại học Nha Trang. Dự án “Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ Trường Đại học Nha Trang” mang nhiều ý nghĩa ứng dụng và giáo dục về tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn năng lượng sạch cho mọi người. Là cơ sở để không chỉ ở phòng Máy Chủ của Trường Đại học Nha Trang mà còn mở rộng ra nhiều khu vực khác nữa. Góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng của các đề tài nghiên cứu khoa học gắn liền với nhu cầu thực tế từ các cơ sở sản xuất ở địa phương có tiềm năng về điện Mặt Trời trong cả nước.  LỜI CÁM ƠN Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS. Trần Tiến Phức đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án Tốt Nghiệp, để em có thể hoàn thành đồ án một cách tốt nhất với hiệu quả cao nhất. Xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho em suốt 4 năm đại học, để em đủ kiến thức để hoàn thành đồ án. iii GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh Xin cám ơn các bác, các chú, các anh trong Tổ bảo vệ và Tổ điện và Trung tâm Máy tính Trường Đại học Nha Trang đã nhiệt tình giúp đỡ nhiều vấn đề liên quan đến đồ án, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án của mình. Xin cám ơn toàn thể các bạn trong lớp 53DDT đã góp ý, chia sẻ một phần công việc của đồ án. Do quá trình thực hiện đồ án có nhiều vấn đề nằm ngoài kiến thức chuyên ngành, phải vừa làm vừa tìm hiểu nghiên cứu, nên chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót. Rất mong sự góp ý nhiệt tình từ thầy cô và các bạn trong khoa để đồ án được hoàn thiện hơn nữa. Nha Trang, ngày tháng năm 2015 Sinh viên CAO VĂN THỊNH iv GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòng máy chủ Trường Đại học Nha Trang” là đồ án tốt nghiệp được thực hiện với mục đích ứng dụng nguồn năng lượng Mặt Trời vào cuộc sống, biến nguồn năng lượng Mặt Trời thành điện năng cung cấp cho phòng Máy Chủ của trường. Cải tạo hệ thống điện vốn có của phòng Máy Chủ Trường Đại học Nha Trang, thay vào đó bằng hệ thống điện Mặt Trời, năng lượng sạch, không phát thải, an toàn, tiết kiệm. Xây dựng hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới điện cung cấp phòng máy chủ Trường Đại học Nha Trang là một đồ án thực tiễn, giáo dục ý thức của sinh viên và cán bộ viên chức nhà trường về bảo vệ môi trường, hạn chế sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch, hạn chế chất thải, tận dụng và ứng dụng rộng rãi các nguồn năng lượng sạch như năng lượng Mặt Trời, năng lượng Gió. Hưởng ứng chủ trương và chính sách của Nhà nước về tiết kiệm điện năng, sử dụng nguồn năng lượng sạch, chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu, chủ động nắm bắt và ứng dụng những thành tựu về khoa học – công nghệ vào cuộc sống hằng ngày. Mục tiêu của đề tài là khảo sát thực trạng hệ thống điện tại phòng máy chủ, lấy số liệu đo dòng điện, điện áp, công suất. Từ những số liệu đó, tiến hành thiết kế hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới. Sau đó xây dựng một hệ thống thực tế quy mô nhỏ nằm trong phạm vi dự án. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện cũng gặp những vấn đề liên quan cần giải quyết, những kiến thức liên ngành ở những khía cạnh và lĩnh vực khác nhau. Vì vậy, việc hoàn thành đồ án chỉ dừng lại ở mức thành công nhất định, đòi hỏi mở rộng và hoàn chỉnh hơn sau này. v GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh MỤC LỤC MỞ ĐẦU i TÓM TẮT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH BẢNG viii DANH MỤC HÌNH ix TỔNG QUAN 1 CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 3 1.1. PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3 1.1.1. Cấu tạo 3 1.1.1.1. Vật liệu 3 1.1.1.2. Nguyên lý cấu tạo 4 1.1.2. Nguyên lý hoạt động 5 1.1.3. Ứng dụng 10 1.1.3.1. Sản xuất điện năng từ Pin Năng lượng Mặt Trời 11 1.1.3.2. Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông 12 1.2. THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG AC-QUY (ACU) 14 1.2.1. Tổng quan về ACU 14 1.2.2.1. Cấu tạo 14 1.2.2.2. Dung lượng ACU 16 1.2.2. Phóng nạp ACU 17 1.2.2.1. Phóng điện ACU 17 1.2.2.2. Nạp điện ACU 18 1.2.3. Chế độ vận hành ACU 19 1.2.4. Bộ điều khiển sạc ACU 20 1.3. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 22 1.3.1. Phân loại hệ thống điện Mặt Trời 22 1.3.1.1. Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (off grid solar system) 22 1.3.1.2. Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới (on grid solar system) 23 1.3.1.3. Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 24 1.3.2. Một số hệ thống điện Mặt Trời đã đưa vào hoạt động trên thế giới 24 vi GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh 1.3.2.1. Hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đình hòa lưới tại Nhật 24 1.3.2.2. Hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đình tại Đức 25 1.3.2.3. Mô hình điện Mặt Trời tại Việt Nam 26 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CUNG CẤP CHO PHÒNG MÁY CHỦ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 29 2.1.1. Lựa chọn sơ đồ khối 29 2.1.2. Tính toán phụ tải điện yêu cầu 30 2.1.3. Tính toán lựa chọn PNLMT 30 2.1.4. Tính toán lựa chọn Inverter 32 2.1.5. Tính toán lựa chọn ACU 34 2.1.6. Tính toán lựa chọn bộ điều khiển sạc ACU (Solar charge controller) . 35 2.1.7. Vị trí lắp đặt 35 2.2. Khảo sát hệ thống điện tại phòng máy chủ 37 2.3. Thiết kế hệ thống điện mặt cung cấp cho Phòng Máy chủ 41 2.3.1. Lựa chọn mô hình cung cấp điện 41 2.3.2. Tính tổng điện năng tiêu thụ của tất cả các thiết bị mà hệ thống Solar phải cung cấp 43 2.3.3. Tính số Watt-hour các tấm pin Mặt Trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày 44 2.3.4. Tính toán chọn Inverter 44 2.3.5. Tính toán ắc quy (ACU) 45 2.3.6. Tính toán bộ điều khiển nạp ACU 45 2.3.7. Tính toán bộ hòa lưới 45 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM 46 3.1. Tính toán bằng phần mềm PVGIS 46 3.2. Tính toán bằng phần mềm PV Calculator 48 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT HIỆU SUẤT INVERTER CỦA BỘ BACK-UPS PRO 1400 50 4.1. BACK-UPS PRO 1400 50 4.2. Nguyên lý hoạt động 50 4.3. Khảo sát hiệu suất ủa bộ Inverter 51 4.3.1. Tiến hành đo mẫu 1 52 vii GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh 4.3.2. Tiến hành đo mẫu 2 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57 viii GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh DANH SÁCH BẢNG Bảng Trang Bảng 1.1:Tỷ trọng bình ACU ở 25 0 C 15 Bảng 1. 2: Dòng nạp của một số ACU 19 Bảng 1.3: Kết quả đo lần 1 ngày 5 tháng 2 năm 2015 38 Bảng 1.4: Kết quả đo lần 2 ngày 24 tháng 4 năm 2015 38 Bảng 1.5: Kết quả đo lần 3 ngày 25 tháng 4 năm 2015 39 Bảng 1.6: Kết quả đo lần 4 ngày 26 tháng 4 năm 2015 40 Bảng 1.7: Kết quả so sánh điện năng tạo ra và bức xạ của hệ thống 48 Bảng 1.8: Kết quả đo UPS 1 53 Bảng 1.9: Kết quả đo UPS 2 53 ix GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh DANH MỤC HÌNH Hình Trang Hình 1. 1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT 4 Hình 1. 2: Cấu tạo Pin năng lượng Mặt Trời 5 Hình 1.3: Trạng thái hai mức năng lượng của Electron 6 Hình 1. 4: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn 7 Hình 1. 5: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp xúc p - n 7 Hình 1. 6: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng Mặt Trời 8 Hình 1.7: Pin quang điện được ghép từ nhiều lớp 9 Hình 1.8: Pin quang điện nhiều lớp hấp thụ cả dãi phổ của ánh sáng Mặt Trời 10 Hình 1.9: Sân vân động sử dụng năng lượng Mặt Trời tại Ý 11 Hình 1.10: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam 12 Hình 1.11: Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông 13 Hình 1.12: Cấu tạo ACU chì - acid 15 Hình 1.13: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp 16 Hình 1.14: Quá trình phóng điện của ACU 17 Hình 1.15: Quá trình nạp điện cho ACU 19 Hình 1.16: Hệ thống điện Mặt Trời độc lập 22 Hình 1.17: Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới 23 Hình 1.18: Mô hình điện Mặt Trời hộ gia đình tại Nhật Bản 25 Hình 1.19: Điện Mặt Trời hộ gia đình tại Đức 26 Hình 1.20: Phát triển điện Mặt Trời tại Việt Nam 28 Hình 2.1: Hướng lắp đặt hệ thống với góc nghiêng β 36 x GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh Hình 2.2: Thiết bị đo công suất kiểu kẹp HIOKI 3286-20 37 Hình 2.3: Sơ đồ khối mô hình điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 41 Hình 2.4: Mô hình điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 42 Hình 3.1: Vị trí lắp đặt hệ thống trên Google Map 46 Hình 3.2: Nhập thông số vào phần mềm PVGIS 47 Hình: 3.3: Kết quả tính toán sử dụng phần mềm PV Calculator 49 Hình 4.1: BACK-UPS PRO 1400 50 Hình 4.2: Nguyên lý hoạt động của bộ UPS 51 Hình 4.3: Kết nối hệ thống Back-UPS Pro 1400 51 Hình 4.4: Lắp đặt đồng hồ đo dòng điện DC vào Back-UPS Pro 1400 52 Hình 4.5: Điện áp và dòng điện AC sau khi qua bộ Inverter 52 [...]... đại học Nha Trang tọa lạc ở vị trí khá thuận lợi, gần biển, thoáng đãng, cao và lượng nắng trong năm cũng đáng kể, phù hợp cho việc phát triển điện Mặt Trời Việc phát triển các hệ thông điện Mặt Trời ở nơi đây có nhiều thuận lợi Vì vậy cần phát triển nhiều hơn nữa các hệ thông điện mặ trời phục vụ cuộc sống Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòng Máy chủ Trường Đại học. .. Trường Đại học Nha Trang là một dự án ứng dụng điện Mặt Trời vào cuộc sống hằng ngày, chấp hành chủ trương của nhà nước về tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn năng lượng sạch, chống phát thải, tạo môi trường sạch, đẹp, hiện đại cho nhà Trường GVHD: Ts Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh 3 CHƯƠNG 1 CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Pin năng lượng Mặt Trời (PNLMT)[7]... có điện lưới hoặc có điện lưới nhưng không ổn định 1.3.1.2 Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới (on grid solar system) Hình 1.17: Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới Nguyên lý hoạt động: Điện (DC) từ pin Mặt Trời sẽ được chuyển đổi nhờ bộ kích điện hòa lưới, cùng pha cùng tần số với điện lưới rồi được hòa vào điện lưới Khi năng lượng Mặt Trời đủ lớn thì tải sẽ được ưu tiên cung cáp điện năng từ pin, khi điện. .. pin) Sau đó điện từ ắc quy sẽ được nghịc lưu lên điện xoay chiều (AC) thông qua bộ kích điện cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ điện Ưu điểm: + Phù hợp với những vùng chưa có điện lưới + Độc lập với điện lưới, nên có thể sử dụng cho các ứng dụng lưu động Nhược điểm: + Chi phí đầ tư ban đầu cao GVHD: Ts Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh 23 + Hiệu suất chuyển điện đổi thấp Ứng dụng: + Sử dụng cho vùng... động: + Điện (DC) từ pin sẽ được đưa qua bộ kích điện hòa lưới để hòa vào lưới đồng thời nạp vào ắc quy Nếu mất điện lưới và điện từ tấm pin cung cấp không đủ thì điện từ bình ắc quy sẽ qua bộ kích điện thành điện xoay chiều cung cấp cho tải Đây là hệ thống kết hợp từ hai hệ thống trên nên kết hợp ưu nhược điểm của hai hệ thống kể trên Ứng dụng: + Dùng cho các đối tượng đòi hỏi được cung cấp điện liên... đa dạng được chia theo mục đích sử dụng, một số hệ thống điện Mặt Trời cơ bản: 1.3.1.1 Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (off grid solar system) Hình 1.16: Hệ thống điện Mặt Trời độc lập Nguyên lý hoạt động: Hệ thống pin năng lượng Mặt Trời sẽ nhận bức xạ Mặt Trời và chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) Nguồn điện DC này sẽ được nạp vào bình ắc quy (để lưu trữ điện) thông qua bộ điều khiển sạc (có... xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam a) Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời nối lưới trên nóc nhà Bộ Công Thương b) Hệ thống sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời trên sân thượng Intel Việt Nam 1.1.3.2 Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông Sử dụng năng lượng Mặt Trời làm nguồn năng lượng vận hành các phương tiện giao thông là một hướng phát triển trong lĩnh vực tìm kiếm và sử dụng. .. tại quốc gia này FiT cho ngành năng lượng Mặt Trời cho phép chính phủ hỗ trợ giá điện sản xuất từ năng lượng Mặt Trời khi các doanh nghiệp tư nhân muốn đầu tư vào ngành năng lượng Mặt Trời trong nước Nội dung của FiT cho ngành năng lượng Mặt Trời là, chính phủ Nhật Bản sẽ mua mức giá điện sản xuất từ năng lượng Mặt Trời cao hơn so với giá thị trường, khoảng 40 Yen/kWh (0,50 USD/kWh) cho các dự án xây... trình điện mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo, huyện Cần Giờ cung cấp điện cho 50% số hộ dân sống trên đảo Năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại buôn Chăm, xã Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện mặt trời Gần đây, dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự án phát điện. .. sử dụng điện Mặt Trời trên mái nhà Nếu giá điện sẽ tiếp tục tăng trung bình hàng năm thì tới năm 2025 người dân Đức phải trả 40 cent Euro cho mỗi kWh sử dụng điện từ điện lưới quốc gia Theo tính toán một cách bình thường, thì khi đó giá thành mỗi Kwh của điện Mặt Trời chỉ còn là 7-8 cent Euro GVHD: Ts Trần Tiến Phức SVTH: Cao Văn Thịnh 26 Hình 1.19: Điện Mặt Trời hộ gia đình tại Đức 1.3.2.3 Mô hình điện . nghiên cứu của sinh viên khoa Điện- Điện tử. Đề tài được nghiên cứu và ứng dụng ngay tại trường Đại học Nha Trang. Dự án Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ Trường Đại học. Nhiệm vụ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ Trường Đại học Nha Trang  Phạm vi Đề tài thực hiện trong phạm vi trường Đại học Nha Trang.  Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC. án tốt nghiệp “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòng Máy chủ Trường Đại học Nha Trang là một dự án ứng dụng điện Mặt Trời vào cuộc sống hằng ngày, chấp hành chủ trương của nhà