Nghiên cứu, thiết kế lưới điện nhỏ (MG micro grid) sử dụng năng lượng mặt trời

LÊ THỊ HƢƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN Họ tên: Lê Thị Hƣơng TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LƢỚI ĐIỆN NHỎ (MGMICRO GRID) SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KHÓA 2012B LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ tên: Lê Thị Hƣơng TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LƢỚI ĐIỆN NHỎ (MG- MICRO GRID) SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN THẾ CÔNG Hà Nội –Năm 2014 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 11 1.1 Tổng quan 11 1.2 Các dạng lƣợng tái tạo [9], [10] 12 1.2.1 Năng lƣợng gió 12 1.2.2 Năng lƣợng mặt trời 13 1.2.3 Năng lƣợng thủy 16 1.2.4 Năng lƣợng sinh khối 17 1.2.5 Năng lƣợng từ sóng biển 18 1.2.6 Năng lƣợng địa nhiệt 18 1.3 Giới thiệu lƣợng mặt trời hệ thống pin mặt trời [1], [3], [9], [10] 19 1.3.1Mặt trời nguồn xạ Mặt trời 19 1.3.2 Ứng dụng lƣợng Mặt Trời 23 1.4 Thực trạng sử dụng lƣợng mặt trời [9], [10] 25 1.4.1 Pin quang điện 25 1.4.2 Nƣớc nóng dùng lƣợng mặt trời 26 1.5 Tiềm sử dụng lƣợng Việt Nam [9], [10] 27 1.6 Các dự án lƣợng mặt trời đƣợc thực 29 1.6.1 Các dự án lƣợng mặt trời giới 29 1.6.2 Một số dự án điện mặt trời Việt Nam 30 CHƢƠNG II: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG MICRO GRID CHO SIÊU THỊ BIG C DĨ AN 33 2.1Bài toán nối lƣới hệ thống Big C Dĩ An, Bình Dƣơng 33 2.2 Đặc tính chungcủa phần tử hệ thống lƣợng mặt trời nối lƣới 35 2.3Thiết kế thiết bị hệ thống lƣợng mặt trời Big C Dĩ An 39 2.3.1 Các bƣớc tính chọn khối hệ mặt trời 39 2.3.2 Thông số kỹ thuật thiết bị khối lựa chọn 48 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI TẠI BIG C DĨ AN BẰNG PHẦN MỀM PV SYST 52 3.1 Giới thiệu chƣơng trình PV SYST 52 3.2 Các bƣớc thiết kế hệ thống nối lƣới phần mềm PV syst 53 3.2.1 Thiết kế thông tin hệ thống 53 3.2.2 Thiết kế liên quan đến hƣớng hệ thống 59 3.2.3 Thiết kế hệ thống 59 3.3 Mô hệ thống lƣợng mặt trời Big C Dĩ An 61 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 65 4.1 Kết luận 65 4.2 Hƣớng phát triển đề tài 65 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc mặt trời 20 Hình 1.2: Lịch sử phát triển điện mặt trời (PV) Việt Nam, giai đoạn 1989-2008 26 Hình 1.3: Máy nƣớc nóng lƣợng mặt trời 27 Hình 1.4: Nhà máy điện mặt trời Ivanpah 29 Hình 1.5: Dự án lƣợng mặt trời Bộ Công Thƣơng 30 Hình 1.6: Dự án lƣợng mặt trời Trung tâm Hội Nghị Quốc Gia 31 Hình1.7: Dự án lƣợng mặt trời đảo Trƣờng Sa 31 Hình 2.1: Hệ thống lƣợng mặt trời hòa lƣới 34 Hình 2.2: Sơ đồ kết nối thiết bị Big C Dĩ An 35 Hình 2.3: Tấm pin PV, modun PV, String PV, Array PV 36 Hình 2.4: Đặc tính I-V điốt 37 Hình 2.5: Mô hình mạch pin mặt trời 37 Hình 2.6: Đặc tính công suất đặc tính I-V pin 38 Hình 2.7: Đặc tính dòng điện điện áp mắc nối tiếp song song pin 38 Hình 2.8: Đƣờng cong đặc tính pin mặt trời PV dải hoạt động biến tần 39 Hình 2.9: Hình ảnh pin mặt trời 1800 m2 43 Hình 2.10: Mái xe 1(45 pin) mái xe 2(110 pin) 44 Hình 2.11: Mái xe (120 pin) 44 Hình 2.12: Mái xe 4(136 pin) 45 Hình 2.13: Mái xe 5(152 pin) 45 Hình 2.14: Mái xe (168 pin) 45 Hình 2.15: Hộp phân phối bảo vệ DC 47 Hình 2.16: Kích thƣớc pin TSM-PC/PA 14 48 Hình 2.17: Hình ảnh biến tần Conext TL 49 Hình 2.18: Thiết kế hệ thống lƣợng mặt trời Big C Dĩ An 50 Hình 3.1: Giao diện phần mềm PVsyst 52 Hình 3.2: Mô tả góc phƣơng vị góc nghiêng 53 Hình 3.3: Minh họa hƣớng pin so với ánh sáng mặt trời 54 Hình 3.4: Đƣờng cong I-V với xạ thay đổi nhiệt độ không đổi 55 Hình 3.5: Đƣờng cong I-V với nhiệt độ thay đổi xạ không đổi 56 Hình 3.6: Công suất pin với nhiệt độ thay đổi xạ không đổi 56 Hình 3.7: Giao diện phần thiết kế dự án 57 Hình 3.8: Giao diện điền thông tin vị trí lắp pin 57 Hình 3.9: Giao diện điền thông tin liên quan đến vị trí địa lý 58 Hình 3.10: Giao diện phần thông số dự án 58 Hình 3.11: Giao diện liên quan đến góc nghiêng pin 59 Hình 3.12: Giao diện thông tin liên quan đến pin mặt trời inverter 60 Hình 3.13: Kết mô giãn đồ công suất hệ thống pin mặt trời phần mềm PV syst 62 Hình 3.14: Công suất hệ thống hiệu suất hệ thống 63 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Trung bình cƣờng độ xạ mặt trời tỉnh có đô thị lớn 28 Bảng 2.1: Số liệu kích thƣớc mái để xe 40 Bảng 2.2: Số lƣợng công suất pin sử dụng 41 Bảng 2.3: Số lƣợng công suất loại biến tần sử dụng 42 Bảng 2.4: Cách mắc inverter hệ thống lƣợng Big C Dĩ An 42 Bảng 2.5: Bảng thống kế thiết kế thiết bị hộp DC 46 Bảng 3.1: Bảng thống kê mô tả góc nghiêng phụ thuộc vào vĩ độ 55 LỜI CAM ĐOAN Kính gửi quý Thầy Cô! Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám Hiệu Thầy Cô trƣờng, đặc biệt Thầy Cô khoa Điện trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội, tận tình dạy, truyền đạt kiến thức nhƣ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập vừa qua Em xin cảm ơn Thầy Nguyễn Thế Công dành nhiều thời gian, công sức, quan tâm, theo dõi, tận tình hƣớng dẫn, động viên nhắc nhở em hòan thành tốt luận văn Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn tới tất bạn bè, ngƣời thân xung quanh động viên, giúp đỡ em nhiều trình học tập Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2014 Sinh viên Lê Thị Hƣơng TÓM TẮT LUẬN VĂN Năng lƣợng mặt trời nhƣ nhiều nguồn lƣợng khác nhƣ: Năng lƣợng gió, lƣợng thủy triều… Tuy không đề tài giới nhƣng Việt Nam vấn đề gần đƣợc quan tâm.Nhất nguồn lƣợng hóa thạch cạn kiệt dần, nhu cầu nguồn lƣợng tái tạo ngày lớn Luận văn “Nghiên cứu, thiết kế lƣới điện nhỏ (MG- Micro Grid) sử dụng lƣợng mặt trời”chỉ nghiên cứu mảng nhỏ hệ thống pin mặt trời, thiết bị đƣợc sử dụng hệ thống Luận văn gồm có chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan nguồn lƣợng mặt trời Chƣơng II: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống Micro Grid cho siêu thị Big C Dĩ An, Bình Dƣơng, Việt Nam Chƣơng III: Mô hệ thống lƣợng mặt trời Big C Dĩ An phần mềm PV Syst Chƣơng IV: Kết luận hƣớng phát triển đề tài Trong luận văn cố gắng đƣa vào nội dung phần lý thuyết quan trọng hệ thống pin mặt trời Đặc biệt chƣơng 2, nội dung nói phƣơng pháp thiết kế thiết bị đƣợc sử dụng hệ thống pin mặt trời Qua không muốn giới thiệu phƣơng pháp thiết kế thiết bị sử dụng hãng Schneider mà mong muốn ngƣời đọc xem nhƣ ví dụ để tìm hiểu phƣơng pháp thiết kế thiết bị nhiều hãng khác nhau, phụ thuộc vào nhu cầu nguồn kinh phí phía ngƣời đọc Phần mô hệ thống lƣợng mặt trời chƣơng chƣa thực hoàn thiện kết đo thực tế thông số ảnh hƣởng đến hệ thống nhƣng quan tâm đến lƣợng mặt trời thực tế cung cấp cho tải lấy làm ví dụ tham khảo Trong luận văn đánh giá ảnh hƣởng mặt điện đến lƣợng, tƣơng lai thêm phần đánh giá phần đến hệ thống ví dụ ảnh hƣởng áp lực gió tính toán góc nghiêng đặt pin… Trong tƣơng lai nên xem xét việc đầu tƣ thiết bị đo nhƣ nhật xạ kế (để đo xạ mặt trời) kết xác mô Mặc dù, kết tâm huyết nghiên cứu nhƣng không tránh khỏi đƣợc sai xót, xin quý thầy cô bạn đóng góp ý kiến 10 Bảng 3.1: Bảng thống kê mô tả góc nghiêng phụ thuộc vào vĩ độ Vị trí vĩ độ Góc nghiêng - 150 150 15 - 250 Bằng góc vĩ độ 25 -300 Thêm 50 so với vị trí vĩ độ 30 - 350 Thêm 100 so với vị trí vĩ độ 35 - 400 Thêm 150 so với vị trí vĩ độ 400 + Thêm 200 so với vị trí vĩ độ Dựa vào bảng phân tích ta thấy Big C Dĩ An có tọa độ: 10°54′58″Bắc; 106°47′11″Đông, nên góc nghiêng gắn pin mặt trời 150 để tối ƣu phát xạ tia nắng mặt trời vào pin lợi ích việc làm pin  Nhiệt độ xạ mặt trời ảnh hƣởng tới pin PV Tấm pin hoạt động phần tải phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ xạ mặt trời Hình 3.4: Đƣờng cong I-V với xạ thay đổi nhiệt độ không đổi 55 Nhƣ nói pin coi nhƣ điốt dòng quang điện sinh pin kết ánh sáng chiếu lên pin Dòng ngắn mạch pin tỉ lệvới xạ nhƣ Hình 3.5 Hinh vẽ phản ánh dòng điện giảm xạ mặt trời giảm Hình 3.5: Đƣờng cong I-V với nhiệt độ thay đổi xạ không đổi Hình 3.6: Công suất pin với nhiệt độ thay đổi xạ không đổi Hình 3.6 miêu tả công suất pin mặt trời giảm nhiệt độ giảm.Bắt đầu vào thiết kế hệ thống cách điền đầy đủ thông tin vị trí dự án 56 Hình 3.7: Giao diện phần thiết kế dự án Kích chuột vào “new project” để điền đầy đủ thông tin liên quan đến hệ thống Kích chuột “Site and Meteo” Hình 3.8: Giao diện điền thông tin vị trí lắp pin 57 Kích “open” điền thông tin liên quan nhƣ kinh độ, vĩ độ, chiều cao so với mực nƣớc biển Hình 3.9: Giao diện điền thông tin liên quan đến vị trí địa lý \ Hình 3.10: Giao diện phần thông số dự án 58 3.2.2 Thiết kế liên quan đến hƣớng hệ thống Phần mềm cho phép chọn cách thiết kế đặt pin mặt trời khác Ngƣời thiết kế phải xác định góc nghiêng đặt pin góc phƣơng vị vị trí đặt pin Với đồ án chọn sử dụng hƣớng pin cố định Các toán khác chọn pin lắp theo mùa,…Tấm pin nên lắp đối diện với Nam để thu đƣợc nhiều ánh sáng mặt trời nhất, tƣơng đƣơng với góc phƣơng vị 00 Góc nghiêng tối ƣu Bức xạ thu đƣợc lên pin nên nhiều Góc nghiêng gắn cố định đƣợc tối ƣu liên quan đến xạ theo mùa xạ trung bình năm Góc nghiêng tối ƣu βopt hình 3.11đƣợc xác định góc nghiêng ứng với xạ mặt trời lớn nhất, xắp xỉ vĩ độ vị trí lắp Hình 3.11: Giao diện liên quan đến góc nghiêng pin 3.2.3 Thiết kế hệ thống Đây phần quan trọng nhấttrong thiết kế lƣợng mặt trời phần mềm PV syst 59  Chọn modun PV Có thể chọn pin theo công suất nhà sản xuất công nghệ chế tạo Hình 3.12: Giao diện thông tin liên quan đến pin mặt trời inverter Ngƣời thiết kế cung cấp thông tin liên quan đến hệ thống nhƣ: công suất pin, cách mắc pin (song song, nối tiếp), công suất biến tần kèm theo số lƣợng Việc lựa chọn pin inverter phải thỏa mãn yêu cầu: Điện áp, dòng điện công suất  Điện áp dãy pin nằm dải MPPP biến tần  Số strings mắc song song không vƣợt dòng đầu vào inverter  Công suất đầu inverter định số mođun pin kết nối với 60 Sau bƣớc thiết kế trên, kết đƣa vào phần mềm hợp lý, kích “simulation” cho kết mô 3.3 Mô hệ thống lƣợng mặt trời Big C Dĩ An Thông số thiết kế đầu vào: Vị trí địa lý: Vĩ độ: 10054ꞌ Bắc Kinh độ: 106047ꞌ Đông Độ cao so với mực nƣớc biển 10m Đặt pin góc nghiêng 150, góc phƣơng vị 00 Số pin mặt trời, cách mắc số lƣợng inverter nhƣ đề cập mục 2.1 chƣơng II Kết mô giãn đồ công suất nhƣ hình 3.13: 61 Hình 3.13: Kết mô giãn đồ công suất hệ thống pin mặt trời phần mềm PV syst 62 Hình 3.14: Công suất hệ thống hiệu suất hệ thống Thất thoát lƣợng hệ thống lƣợng mặt trời việc giảm lƣợng đầu pin bao gồm thất thoát xạ, thất thoát nhiệt, thất thoat Ômic, thất thoát ghép đôi không đối xứng, thất thoát chất lƣợng hệ thống, thất thoát từ việc vệ sinh hệ thống, thất thoát thay đổi góc nghiêng Hiệu suất hệ thống Hiệu suất hệ thống đƣợc tính theo công thức: PR= Trong Yf: công suất cuối hệ thống Yr: công suất lý tƣởng Công suất lý tƣởng công suất hệ thống mà thất thoát.Giá trị PR đánh giá thất thoát hệ thống 63 Nhận xét kết mô Theo kết hình 3.13 công suất đầu hệ lƣợng mặt trời sau trừ thất thoát lƣợng khâu 275.9 MWh/1 năm, phù hợp với kết tính toán lý thuyết mục 2.3 chƣơng II Hiệu suất hệ thống ƣớc tính 78% Các yếu tố ảnh hƣởng đến công suất phát hệ mặt trời tổn thất nhiệt độ pin, thay đổi góc nghiêng, tổn thất pin mật độ xạ mặt trời, tổn thất inverter thời gian hoạt động 64 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 4.1 Kết luận Phần mô hệ thống lƣợng mặt trời chƣa thực hoàn thiện kết đo thực tế thông số ảnh hƣởng đến hệ thống nhƣng quan tâm đến lƣợng mặt trời thực tế cung cấp cho tải lấy làm ví dụ tham khảo Trong luận văn trình bày phƣơng pháp thiết kế thiết bị sử dụng hãng Schneider, ngƣời đọc xem nhƣ ví dụ để tìm hiểu phƣơng pháp thiết kế thiết bị nhiều hãng khác nhau, phụ thuộc vào nhu cầu nguồn kinh phí, yêu cầu kỹ thuật 4.2 Hƣớng phát triển đề tài Trong luận văn đánh giá ảnh hƣởng mặt điện yếu tố đến lƣợng, tƣơng lai thêm phần đánh giá phần đến hệ thống ví dụ ảnh hƣởng áp lực gió tính toán góc nghiêng đặt pin… Trong tƣơng lai nên xem xét việc đầu tƣ thiết bị đo nhƣ nhật xạ kế (để đo xạ mặt trời) kết xác mô 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO T Markvart.(2000), Solar Electricity, John Wiley and sons, ltd., US MICROGRIDS – Large Scale Integration of Micro-Generation to LowVoltage Grids”, EU Contract ENK5-CT-2002-00610, http://microgrids.power.ece.ntua.gr 3.National Electric Delivery Technologies Vision and Roadmap (2003), Department of Energy, November 2003, US 4.Trần Văn Thịnh (2009), Tính toán thiết kế thiết bị điều khiển Nhà xuất giáo dục Việt Nam, Hà Nội, Việt Nam 5.Website sản phẩm pin mặt trời hãng Trinasolar, www.trinasolar.com 6.TL inverter range, http://www.schneider.electric.com/site/home/index.cfm/vn/ Website phần mềm PVsyst, www.pvsyst.com 8.Website thông tin điều kiện địa hình khí hậu toàn giới, http://www.nasa.gov/ Website Viện Năng Lƣợng Việt Nam, http://www.ievn.com.vn/tin-tuc-dm/Nangluong-tai-tao-5-258.aspx 10 Website văn phòng tiết kiệm lƣợng thuộc Bộ Công Thƣơng Việt Nam,http://www.tietkiemnangluong.com.vn/home/ 66 PHỤ LỤC A 67 PHỤ LỤC B 68 PHỤ LỤC C 69 ... tái tạo ngày lớn Luận văn Nghiên cứu, thiết kế lƣới điện nhỏ (MG- Micro Grid) sử dụng lƣợng mặt trời chỉ nghiên cứu mảng nhỏ hệ thống pin mặt trời, thiết bị đƣợc sử dụng hệ thống Luận văn gồm... Hƣơng TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LƢỚI ĐIỆN NHỎ (MG- MICRO GRID) SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN... hệ thống pin mặt trời Đặc biệt chƣơng 2, nội dung nói phƣơng pháp thiết kế thiết bị đƣợc sử dụng hệ thống pin mặt trời Qua không muốn giới thiệu phƣơng pháp thiết kế thiết bị sử dụng hãng Schneider