Thiết kế hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời tại trường cao đẳng nghề việt nam hàn quốc quảng ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ TẤN THÁI THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM HÀN QUỐC QUẢNG NGÃI Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số : 60 52 02 02 TÓM TẮTLUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng – Năm 2017 Công trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: GS TS LÊ KIM HÙNG Phản biện 1: TS Nguyễn Hữu Hiếu Phản biện 2: TS Nguyễn Lương Mính Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 05 tháng 01 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự phát triển kinh tế kéo theo tốc độ thị hóa nhanh chóng, hàng loạt tòa nhà cao tầng đầu tư xây dựng nguyên nhân khiến Việt Nam đứng trước nguy cân đối nghiêm trọng cung cầu nguồn lượng Trong tiết kiệm lượng tiêu thụ quan, trường học chưa quan tâm nhiều Vị trí Trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi thuộc miền Trung Việt Nam Nơi có vị trí địa lý gần xích đạo, có tổng số nắng cường độ xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ KWh/m2/ngày), đánh giá khu vực có tiềm lớn lượng mặt trời Với lý trên, đề tài “Thiết kế hệ thống sử dụng lượng mặt trời trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi” vừa giải pháp tiết kiệm, sử dụng hiệu lượng đồng thời góp phần thực cơng tác bảo vệ mơi trường, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng ảnh hưởng đến tình hình biến đổi khí hậu tồn cầu Mục đích nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu sử dụng nguồn lượng mặt trời thành điện nhiệt cung cấp cho khu nhà Trường Giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hoàn toàn nguồn lượng tiêu thụ từ lưới điện giảm tác động đến môi trường Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Nguồn xạ mặt trời nơi triển khai mơ hình hệ thống điện nhiệt dùng lượng mặt trời - Nhu cầu điện nhiệt tòa nhà - Hệ thống chiếu sáng trường 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Tổng quan lượng mặt trời, tìm hiểu mơ hình biến đổi lượng mặt trời thành điện nhiệt với hệ thống chiếu sáng tiết kiệm lượng để triển khai áp dụng Trường CĐN Việt Nam-Hàn Quốc-Quảng Ngãi Phƣơng pháp nghiên cứu Trên sở phân tích lý thuyết mơ hình biến đổi lượng mặt trời thành nhiệt điện năng, kết hợp với công cụ phần mềm để tính tốn triển khai Trường CĐN Việt Nam-Hàn Quốc-Quảng Ngãi Ý nghĩa thực tiễn khoa học đề tài Tác giả muốn nghiên cứu triển khai ứng dụng nguồn lượng mặt bước tiên phong công tác ứng dụng nguồn lượng tái tạo tỉnh nhà Cấu trúc luận văn Luận văn trình bày thành chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết lượng mặt trời Chương 2: Các mơ hình sử dụng lượng mặt trời Chương 3: Phân tích thực trạng sử dụng lượng mặt Trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi Chương 4:Áp dụng tính tốn, thiết kế hệ thống lượng mặt trời Trường Cao đẳng nghề Viêt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu lƣợng mặt trời Mặt trời phát nguồn lượng khổng lồ phần nguồn lượng truyền xạ đến trái đất Trái đất Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, xạ mặt trời yếu tố định cho tồn sống hành tinh Hình 1.1 Bên ngồi mặt trời 1.2 Bức xạ mặt trời Phần lượng xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất ngày quang đãng thời điểm cao vào khoảng 1.000W/m2 (hình 1.5) Yếu tố xác định cường độ xạ mặt trời điểm Trái đất quãng đường qua Sự mát lượng quãng đường gắn liền với tán xạ, hấp thụ xạ phụ thuộc vào thời gian ngày, mùa, vị trí địa lý Hình 1.5 Quá trình truyền lượng xạ mặt trời qua lớp khí Trái đất 1.3 Tính toán xạ lƣợng mặt trời Quan hệ xạ mặt trời ngồi khí thời gian năm xác định theo phương trình sau: 360.n   E ng  Eo 1  0,033.cos [W / m ] (1.4) 365   Với Eng xạ ngồi khí đo mặt phẳng vng góc với tia xạ vào ngày thứ n năm 1.3.1 Tính tốn góc tới xạ trực xạ Hình 1.7 Quan hệ góc hình học tia xạ mặt trời mặt phẳng nghiêng Tia xạ mặt trời chiếu xuống mặt phẳng nghiêng phân tích hình 1.7 1.3.2 Bức xạ mặt trời ngồi khí lên mặt phẳng nằm ngang 1.3.3 Tổng cường độ xạ mặt trời lên bề mặt Trái đất Tổng xạ mặt trời lên bề mặt đặt mặt đất bao gồm hai phần trực xạ tán xạ Thành phần tán xạ phức tạp Có thể xem xạ tán xạ tổng hợp thành phần: Thành phần tán xạ đẳng hướng, thành phần tán xạ quanh tia thành phần tán xạ chân trời (hình 1.8) Hình 1.8 Sơ đồ phân bố thành phần xạ khuếch tán 1.4 Các ứng dụng lƣợng mặt trời 1.5 Kết luận Ở chương 1, tác giả trình bày sở lý thuyết lượng mặt trời: Giới thiệu cấu tạo mặt trời; Bức xạ mặt trời; Các bước tính tốn lượng xạ mặt trời Để từ làm sở cho việc đo đạc thông số thực tế nhằm tính tốn, thiết kế thiết bị cách hiệu Chƣơng CÁC MƠ HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 2.1 Mơ hình biến đổi lƣợng mặt trời thành điện 2.1.1 Mơ hình biến đổi độc lập khơng kết lưới a) Mơ hình H T ả i D C Hình 2.1.Mơ hình sử dụng hệ thống PV độc lập DC b) Mơ hình Hình 2.2.Hệ thống PV độc lập DC & AC c) Mơ hình Hình 2.3.Hệ thống PV có lưu trữ lượng Ƣu điểm Có khả lưu trữ lượng dư thừa Nhƣợc điểm Ứng dụng Chỉ dùng cho TB cần nguồn DC (a) Giá thành cao (a)& (b) phải đầu tư hệ thống Acquy nhiều (dự phòng) Áp dụng rộng rãi cho trang trại chưa có điện lưới d) Mơ hình Hình 2.4.Mơ hình hệ thống PV độc lập kết hợp với nguồn dự phòng Ƣu điểm Nhƣợc điểm Ứng dụng Có khả lưu trữ lượng dư thừa Duy trì cấp điện thời tiết xấu Giá thành cao phải đầu tư thêm nguồn dự phòng dung lượng Acquy lớn Áp dụng rộng rãi cho tòa nhà, trang trại, hộ chưa có điện lưới Thường cơng suất hệ thống PV khơng lớn e) Mơ hình Hình 2.5.Mơ hình hệ thống PV độc lập kết hợp với điện lưới Ƣu điểm Nhƣợc điểm Ứng dụng Có khả lưu trữ lượng dư thừa Vận hành linh hoạt điện lưới Giá thành cao, phải xác định nhóm phụ tải dùng điện HT PV  Sơ đồ cung cấp điện phức tạp Áp dụng rộng rãi cho tịa nhà, trang trại, hộ có điện lưới 2.1.2 Mơ hình biến đổi có kết lưới a) Mơ hình Hình 2.6.Mơ hình hệ thống PV có lưới Ƣu điểm Nhƣợc điểm Ứng dụng Có khả lưu trữ lượng dư thừa Vận hành linh hoạt, giảm tối đa lượng điện tiêu thụ từ lưới  giảm hóa đơn tiền điện Giá thành cao Áp dụng rộng rãi cho tòa nhà, trang trại, hộ tiêu thụ điện nhiều có điện lưới 2.2 Các bƣớc tính tốn thiết kế hệ thống biến đổi lƣợng mặt trời thành điện 2.2.1 Các lưu ý 2.2.2 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện MT 2.2.3 Các bước thiết kế a) Lựa chọn sơ đồ khối b Tính tốn hệ nguồn điện pin mặt trời  Tính phụ tải điện yêu cầu  Tính lượng điện mặt trời cần thiết Ecấp  Tính cơng suất dàn pin mặt trời Wp (Peak Watt)  Tính số modun mắc song song nối tiếp  Dung lượng acquy tính theo Ampe-giờ, Ah  Các điều phối lượng 2.3 Mơ hình biến đổi lƣợng mặt trời thành nhiệt 2.3.1 Cơ sở lý thuyết Khác với pin mặt trời, thiết bị nhiệt mặt trời nhận xạ nhiệt mặt trời tích trữ lượng dạng nhiệt Thiết bị nhiệt mặt trời có nhiều loại khác tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng chúng Tuy nhiên, hầu hết chúng hoạt động dựa ngun lý hiệu ứng lồng kính (hình 2.11) Hinh 2.11.Hiệu ứng lồng kính 2.3.2 Các mơ hình cấp nước nóng dùng lượng mặt trời a) Hệ thống cung cấp nước nóng có nhiệt độ thấp Hình 2.12 Mơ hình cung cấp nước nóng dùng NLMT nhiệt độ thấp a1 Bề mặt hấp thụ a2 Khung đỡ Collector a3 Cách nhiệt Collector a4 Bình chứa a5 Ống nối Collector bình chứa Hệ thống cung cấp nước nóng có nhiệt độ thấp dùng lượng mặt trời (hình 2.10) sử dụng rộng rãi sinh hoạt gia đình nhà hàng, khách sạn với mục đích tắm giặt, rửa chén bát, hâm nước bể bơi hâm nóng nước trước lúc nấu nhằm 11 trường cao đẳng nghề công lập, thuộc hệ thống giáo dục quốc dân, đơn vị nghiệp có thu, trực thuộc UBND tỉnh Quảng Ngãi 3.1.2 Sơ đồ tổ chức 3.1.3 Năng lực cung cấp Trường CĐN Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi cấp từ nguồn lưới điện sau: + Từ trạm biếm áp 110kV Quảng Phú + Đường dây 22kV trạm biến áp Trường CĐN Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi 22/0.4kV 3.1.4 Năng lực tiêu thụ Căn vào số liệu chi trả cho điện nước năm 2015, số liệu tổng hợp bảng 3.1, hình 3.3 hình 3.4 Trong tiêu thụ chủ yếu cho văn phòng dạy học Bảng 3.1.Bảng tổng kết điện lượng nước tiêu thụ năm 2015 Tháng Điện tiêu thụ (kWh) Lƣợng nƣớc tiêu thụ (m3) 27.012 900 27.243 960 27.511 950 28.910 1000 29.034 1020 26.211 980 12.748 450 13.089 410 25.564 880 10 27.218 900 11 28.021 920 12 28.273 930 Tổng 300.834 10.300 Ghi 3.2 Phân tích trạng sử dụng lƣợng trƣờng CĐN Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi 3.2.1 Số liệu thu thập biểu đồ phụ tải ngày thành phần phụ tải Nhà trường Dựa vào số liệu đo đạc khu vực có thiết bị tiêu thụ 12 lượng điện sử dụng lượng điện, ta có bảng tổng hợp công suất đồ thị phụ tải ngày tồn Trường bảng 3.2 hình 3.8 Bảng 3.2 Bảng tổng hợp công suất (kW) ngày Trường(trung bình) Giờ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Khu nhà Hiệu 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 23 25 27 19 0 24 25 23 17 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 Nhà thực hành khối A 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 01 85 87 81 67 0 72 76 74 56 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 Ký túc xá Tổng 3.1 3.0 2.6 1.9 1.9 2.4 2.6 0.3 0.3 0.1 3.5 7.7 7.6 2,1 2.1 1.7 2.8 7.3 8.2 8.1 7.2 7.6 4.4 2.5 3.45 3.35 2.95 2.25 2.25 2.6 2.6 108.3 112.3 108.1 89.5 7.7 7.6 98.1 103.1 98.7 75.8 7.3 8.55 8.45 7.55 7.95 4.75 2.85 Hình 3.5 Đồ thị phụ tải ngày Trường 13 3.3 Đánh giá trạng hệ thống cung cấp điện tiêu thụ điện trƣờng cđn việt nam – hàn quốc – quảng ngãi 3.3.1 Những mặt tích cực tồn quản lý sử dụng điện Trường CĐN Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi * Những mặt tích cực - Hệ thống chiếu sáng bảo vệ điều khiển theo hoạt động cảm ứng ánh sáng rơ le thời gian - Các phòng, khoa, trung tâm thiết kế chiếu sáng tự nhiên - Văn phòng làm việc tận dụng ánh sáng tự nhiên cách bố trí bàn làm việc gần cửa sổ - Có quy trình rõ việc sử dụng thiết bị điện * Những mặt tồn - Tiêu thụ điện Trường chưa hợp lý 3.3.2 Nguyên nhân Qua trình khảo sát nghiên cứu cho thấy tổn thất điện Nhà trường số nguyên nhân sau: - Các thiết bị điện phần lớn lựa chọn lắp đặt chưa có tính tốn xác sở khoa học - Ý thức tiết kiệm điện đa số cán bộ, giáo viên, nhân viên chưa cao 3.4 Kết luận Trong chương tác giả thể hiện trạng sử dụng lượng Nhà trường Đồng thời đo đạc, nắm số liệu cần thiết từ thiết bị tiêu thụ lượng đánh giá mặt tích cực, tồn việc sử dụng lượng Trường Với đặc điểm địa lý nằm khu vực nội chí tuyến với thời gian nắng ngày dài, Trường CĐN Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi hoàn toàn phù hợp việc triển khai mơ hình sử dụng lượng mặt trời Đó bước tất yếu nhằm tiết kiệm lượng chủ động việc cung cấp lượng Trường CĐN Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi 14 Chƣơng ÁP DỤNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI TRƢỜNG CĐN VIỆT NAM – HÀN QUỐC – QUẢNG NGÃI 4.1 Đặc điểm địa lý 4.2 Nhu cầu lƣợng 4.2.1 Nhu cầu điện Các thiết bị sử dụng điện Nhà trường thống kê chi tiết bảng 3.3 bảng 3.4 4.2.2 Nhu cầu nhiệt Tòa nhà Hiệu Khu nhà Ký túc xá thiết kế xây dựng với phong cách đại có trang bị hệ thống điện đại Tổng số phòng Khu nhà Ký túc xá là: Số phòng: x 10 = 50 (căn phòng) Số học sinh, sinh viên Ký túc xá: 50 x =300 (HS,SV) Theo tiêu chuẩn cấp nước trung bình 25 lít nước nóng/người/một ngày đêm Như khối lượng nước nóng cần cung cấp cho Khu nhà Ký túc xá là: 300 x 25 = 7.500 (lít) 4.3 Triển khai mơ hình sử dụng lƣợng hiệu chiếu sáng 4.3.1 Sử dụng chiếu sáng tự nhiên 15 Hình 4.1 Sử dụng hướng ánh sáng cơng trình xây dựng 4.3.2 Thiết bị hẹn giờ, chuyển mạch ánh sáng khuếch tán mờ cảm biến 4.4 Triển khai mơ hình biến đổi lƣợng mặt trời thành nhiệt 4.4.1 Chọn mơ hình biến đổi lượng mặt trời thành nhiệt cho hệ thống nước nóng 4.4.2 Tính tốn cụ thể cho hệ thống a) Tính tốn tiêu kỹ thuật - Cường độ xạ trung bình năm nơi lắp đặt: R = 4,425(kWh/m2) - Tổng lượng nước nóng cần thiết : G = 7.500 (Lít,kg) - Nhiệt độ nước nóng u cầu: tnn = 60 (oC ) - Nhiệt độ nước lạnh cung cấp: tnl = 25 (oC ) - Chọn mẫu hệ thống có dải hấp thụ đan xen vào dãy ống, với loại có hiệu suất là: η = 40 % = 0,4 Nhiệt dung riêng trung bình nước Cn = 1,16 Wh/kg.0C Với số liệu ta tính lượng nhiệt cần thiết ngày là: ( ) [kWh/ngày] (theo công thức 2.31) ( )  [Wh/ngày] = 304,5 [kWh/ngày] Và diện tích bề mặt Collector cần thiết: ( ) [ m2] (theo công thức 2.32)  ( ) [ m2] Vậy cần phải có 172 m2 Collector để cung cấp 7.500 lít nước 16 nóng 600C ngày Kích thước chuẩn Collector m2, số lượng Collector cần dùng là: [cái] Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp nước nóng NLMT(cho 01 khối nhà Ký túc xá) b) Tính tốn tiêu kinh tế Bảng 4.1 Chi phí đầu tư hệ thống cung cấp nước nóng NLMT TT Tên thiết bị Collector Bồn nước nóng 2500 lít Bình nước nóng 200 lít Áp tơ mát dây dẫn Ống dẫn nước nóng phụ kiện (ước tính) Tổng chi phí Đơn vị Số lƣợng Bộ 86 4.500.000 387.000.000 Cái 04 23.000.000 92.000.000 Cái 10 10.000.000 100.000.000 Bộ 10 1.200.000 12.000.000 Đơn giá Thành tiền (vnđ) 60.000.000 651.000.000 c) Đánh giá tiêu kinh tế Thời gian hoàn vốn (PP) hệ thống cung cấp nóng lượng mặt trời 17 (năm) Số tiền tiết kiệm sử dụng hệ thống cung cấp nước nóng lượng mặt trời năm: 152.645.850 - 33.073.267,5 = 119.572.582,5 VNĐ/năm 4.5 Triển khai mơ hình biến đổi lƣợng mặt trời thành điện 4.5.1 Lựa chọn mơ hình biến đổi lượng mặt trời thành điện Sơ đồ hệ thống (hình4.3) bao gồm đường tải pha 220V, 50Hz; Các nguồn điện từ pin mặt trời, ắc quy biến đổi thành điện xoay chiều 220V – 240V, 50Hz nhờ biến đổi điện sau đưa vào đường trục 220V, 50Hz Các biến đổi hoạt động theo chiều ngược lại Ví dụ: Khi ắc quy đói, điện từ pin mặt trời nguồn lưới nạp cho ắc quy Hệ thống cịn lấy điện từ lưới pin mặt trời ắc quy không đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải Hình 4.3 Mơ hình hệ thống cung cấp điện từ lượng mặt trời 18 4.5.2 Xác định quy mô công suất Công suất đỉnh dàn pin mặt trời hệ thống cấp điện cho Nhà trường khoảng 89,93 kWp cho năm 2016 4.5.3 Lựa chọn giải pháp công nghệ Tác giả lựa chọn dàn pin có cơng suất 160Wp điện áp dàn 35,1V Pin mặt trời dung loại tinh thể Si, hiệu suất cao, tuổi thọ 20 năm Cần có 560 pin mặt trời cơng suất 160 Wp – 35,1 V tổ hợp thành 56 dãy đấu nối song song tạo thành hệ thống có cơng suất 89,6 kWp 4.5.4 Sản lượng điện dàn pin mặt trời sản xuất 4.5.5 Hệ thống kho ắc quy Chọn 17 nhóm ắc quy 1000Ah/48V, dung lượng thực ắc quy 17000Ah/48V, thời gian dự phòng thật ắc quy 1,54 ngày 4.5.6 Bộ biến đổi điện mặt trời Hệ thống pin mặt trời biến đổi lượng mặt trời thành điện chiều, cần phải có biến đổi điện chiều từ pin mặt trời thành điện xoay chiều 220V để cấp cho phụ tải 4.5.7 Bộ biến đổi điện ắc quy Hệ thống ắc quy đối nối với hệ thống qua biến đổi hoạt động hai chiều, biến đổi nguồn điện chiều từ ắc quy thành điện xoay chiều 220VAC 50 - Hz để cung cấp điện cho phụ tải, đồng thời nạp điện cho ắc quy cạn điện từ pin mặt trời dư thừa nạp vào ắc quy.Trong hệ thống này, sử dụng biến đổi Sunny Island SI 5048 4.5.8 Đánh giá tiêu kinh tế Các thành phần: Điện tiêu thụ, sản lượng điện mặt trời hệ thống cung cấp, phần chênh lệnh lượng điện cung cấp tiêu thụ liệt kê bảng 4.8 ... hình sử dụng lượng mặt trời Chương 3: Phân tích thực trạng sử dụng lượng mặt Trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi Chương 4:Áp dụng tính tốn, thiết kế hệ thống lượng mặt trời Trường. .. có tiềm lớn lượng mặt trời Với lý trên, đề tài ? ?Thiết kế hệ thống sử dụng lượng mặt trời trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc – Quảng Ngãi? ?? vừa giải pháp tiết kiệm, sử dụng hiệu lượng đồng... CĐNVIỆT NAM - HÀN QUỐC – QUẢNG NGÃI 3.1 Giới thiệu tổng quan trƣờng CĐN Việt Nam- Hàn QuốcQuảng Ngãi 3.1.1 Thông tin chung Trường Cao đẳng nghề Việt Nam- Hàn Quốc- Quảng Ngãi nằm thành phố Quảng Ngãi,