Nghiên cứu về năng lượng tái tạo và ứng dụng năng lượng mặt trời cho hệ thống điện diesel xã đảo thạnh an huyện cần giờ TP HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐOÀN TUẤN KIỆT NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN DIESEL XÃ ĐẢO THẠNH AN HUYỆN CẦN GIỜ - TP.HCM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐOÀN TUẤN KIỆT NGHIÊN CỨU VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN DIESEL XÃ ĐẢO THẠNH AN - HUYỆN CẦN GIỜ - TP.HCM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Ngơ Cao Cường CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Ngô Cao Cường Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: Chủ tịch: TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1: TS Huỳnh Châu Duy Phản biện 2: TS Võ Hoàng Duy Ủy viên: TS Huỳnh Quang Minh Ủy viên, thư ký: TS Nguyễn Hùng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn TS Nguyễn Thanh Phương TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày tháng năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đoàn Tuấn Kiệt Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23/8/1982 Nơi sinh: Tp.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 118 103 1027 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN DIESEL XÃ ĐẢO THẠNH AN - HUYỆN CẦN GIỜ - TP.HCM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nội dung: Nghiên cứu lượng tái tạo ứng dụng lượng mặt trời để cung cấp điện cho xã đảo Thạnh An, huyện Cần Giờ - Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp, phân tích điều kiện thực tế, tính toán đề xuất phương án - Kết đạt được: Đưa phương án sử dụng điện mặt trời nối lưới cho lưới điện điện diesel hữu xã đảo Thạnh An, huyện Cần Giờ nhằm nâng cao độ tin cậy, giảm tổn thất giảm chi phí bù lỗ nhà nước III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: / / V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Ngô Cao Cường CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học vi ên thực hi ện Luận văn Đoàn Tuấn Ki ệt ii LỜI CÁM ƠN Trong trình thực luận văn này, nhận giúp đỡ, hướng dẫn tận tình Q Thầy Cơ khoa Cơ – Điện – Điện tử, Phòng Quản lý khoa học Đào tạo Sau Đại học Ban Giám hiệu Trường Đại Học Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM Qua đây, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Q Thầy Cơ Ban Giám hiệu nhà trường giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Và đặc biệt gửi lời cảm ơn đến TS Ngô Cao Cường, người tận tình giúp đỡ hướng dẫn, dìu dắt tơi bước suốt trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin gởi lời cảm ơn đến toàn thể bạn học viên lớp Cao học11SMĐ Trường Đại Học Kỹ thuật Cơng nghệ Tp.HCM khóa 2011-2013 động viên, khích lệ giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành luận văn Xin cảm ơn gia đình, bạn bè ln bên tơi, động viên giúp đỡ tơi Đồn Tuấn Kiệt - Tp.Hồ Chí Minh, tháng năm 2013 TÓM TẮT Năng lượng mặt trời nói nguồn lượng sạch, có trữ lượng lớn gần vơ hạn Trong tương lai, nguồn lượng Việc ứng dụng nguồn lượng tái tạo hướng tất yếu cấp thiết địa phương có mức tiêu thụ lượng nhiều nước Tp.HCM Huyện Cần Giờ huyện nhiều khó khăn nhiều mặt Tp.HCM, đặc biệt xã đảo huyện Hiện việc cung cấp điện cho xã đảo hạn chế cơng suất thời gian cung cấp số không nhỏ hộ dân chưa cung cấp điện Chính mục tiêu lớn luận văn tìm phương án khả thi để cải thiện tình trạng cung cấp điện nay, góp phần nâng cao đời sống người dân xã đảo Bên cạnh giảm thiểu chi phí vận hành nâng cao khả cung cấp điện hệ thống điện, đầu tư thêm công suất nguồn phát đổi trang thiết bị, lưới điện Nguồn lượng thay chọn để tính tốn lượng mặt trời ABSTRACT Solar energy can be said to clean energy, with huge reserves of almost limitless In the future, it will be the main source of our energy The use of renewable energy sources is an indispensable and urgent for a local consumption power most of the country such as HCMC Can Gio district is still difficult in many aspects of HCM city, particularly on the island communes Currently, the power supply for the island communes is very limited in capacity as well as time and also provides a significant number of families there is no power supply So the biggest goal of this thesis is to find out a feasible way to improve the power supply situation at present, contribute to improving the livelihoods of island communes Besides reducing operating costs and improving the ability of the system to provide electric power, more invest in capacity source and innovate equipment, power grids The alternative energy sources was chosen to calculate in this thesis is solar energy MỤC LỤC Chương 0: Mở đầu 0.1 Lý chọn đề tài: 0.2 Lịch sử nghiên cứu 0.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 0.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 0.5 Phương pháp nghiên cứu: 0.6 Bố cục luận văn: Chương 1: Năng lượng tái tạo lượng mặt trời 1.1 Khủng hoảng lượng lượng tái tạo 1.2 Ưu điện mặt trời 1.3 Bức xạ mặt trời 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Bức xạ mặt trời Việt Nam 10 1.4 Tình hình phát triển điện mặt trời giới 13 1.5 Mái nhà điện mặt trời giới 13 Chương 2: Hệ điện mặt trời 16 2.1 Giới thiệu chung 17 2.2 Hệ pin mặt trời (máy phát quang điện) 18 2.3 Hệ điều khiển 20 2.3.1 Hệ điều khiển nạp (regulator) 20 2.3.2 Bộ biến điện DC-AC (INVERTOR) 21 2.4 Hệ tồn trữ lượng 21 2.5 Hệ thiết bị sử dụng 22 Chương 3: Mái nhà điện mặt trời nối lưới 23 3.1 Giới thiệu chung mái nhà điện mặt trời nối lưới 24 3.2 Sơ đồ kết nối mái nhà mặt trời 24 5.6.2 Hệ 27.000Wp Hệ sử dụng PMT có cơng suất 180 Wp (thơng số kỹ thuật trình bày phần trước) ghép nối với sử dụng Solar Inverter Sunny Mini Central 9000TL a Thông số kỹ thuật hình dáng Sunny Mini Central 9000 TL:   Ngõ vào DC: - Công suất DC cực đại : 9.300 W - Điện áp ngõ vào tối đa - Dãy điện áp điểm công suất cực đại : 333 V… 500 V - Điện áp ngõ vào thấp - Số lượng đầu vào dò tìm điểm cơng suất cực đại: kênh - Dòng ngõ vào cực đại kênh ngõ vào DC: 28 A Ngõ AC: - Công suất định mức : 700 V : 333 V : 9,000 W - Công suất ngõ AC tối đa : 9,000 VA - Điện áp AC danh định : 220 V, 230 V - Dãy điện áp hòa lưới thiết bị : 180 V – 260 V - Tần số nguồn điện : 50 Hz, 60 Hz - Tần số hòa lưới thiết bị : 45.5 Hz – 64.5 Hz - Dòng ngõ cực đại : 40 A Sunny Mini Central 9000TL có đặt điểm cần lưu ý thiết kế: công suất lớn PMT ngõ vào 9,300 Wp, dãy điện áp dò tìm điểm cơng suất cực đại 333 V đến 500 V Có kênh vào cho PMT, kênh có dòng tối đa 28 A Công suất AC ngõ tối đa 9,000 VA Điện áp lưới phải từ: 180 V – 260 V, tần số phải từ 45.5 Hz đến 54.5 Hz hòa lưới Dòng cực đại ngõ 40 A Hình 5.15: Sunny Mini Central 9000TL Hình 5.16: Thơng số kỹ thuật Sunny Mini Central 9000TL/10000TL/11000TL b Tính tốn chọn số lượng PMT kết nối vào Solar Inverter Sunny Mini Central SMB 9000TL: Sunny Mini Central 9000TL có công suất lớn PMT ngõ vào 9.300 Wp, PMT 180 Wp/tấm, số lượng PMT= 9.300/180 ≈ 51 Sunny Mini Central 9000TL có kênh ngõ vào PMT, kênh có dòng tối đa 28 A, điện áp dò tìm điểm cơng suất cực đại 333 V – 500 V PMT 180 Wp có Voc = 44.6 V, Vmpp = 36 V, Impp = 5,01 A Do ta chọn phương án dùng 50 PMT, chia làm dãy, dãy 10 ghép nối tiếp Mỗi dãy kết nối vào kênh Sunny Mini Central 9000TL, thơng số PMT kênh SMC 9000TL là: - Điện áp hở mạch: 44.6 V x 10 = 446 V - Điện áp điểm công suất cực đại: 36 V x 10 = 360 V - Dòng điểm công suất cực đại: 5.01 A x = 5.01 A - Công suất cực đại: 180 Wp x 10 = 1.800 Wp Thơng số hồn tồn phù hợp với thông số ngõ vào Sunny Mini Central 9000TL  Vậy tổng công suất PMT đưa vào cho Sunny Mini Central 9000TL là: 1800 x = 9.000 Wp Để kết nối vào hệ thống điện pha lưới điện, ta dùng Sunny Mini Central 9000TL thành cụm, Sunny Mini Central 9000TL kết nối vào pha lưới điện  Khi tổng cơng suất PMT cụm gồn Sunny Mini Central 9000TL là: 9.000 Wp x = 27.000 Wp Hiệu suất Solar Inverter Sunny Mini Central 9000TL vào khoảng 97.6%, cơng suất hòa lưới mổi cụm trường hợp nắng tốt là: 27.000 W x 97.6% = 26.352 W 5.7 Sơ đồ kết nối pin mặt trời vào lưới điện pha: Sơ đồ kết nối pin mặt trời cho Solar Inverter Sunny Mini Central 9000TL sơ đồ kết nối cụm Sunny Mini Central 9000TL vào lưới pha sau: Hình 5.18: Sơ đồ kết nối PMT lưới pha cho cụm Sunny Mini Central SMC 9000TL 5.8 Hệ thiết bị hệ mặt trời nối lưới sử dụng xã đảo Thạnh An Thiết bị hệ thống điện mặt trời nối lưới xã đảo Thạnh An mô tả tổng hợp theo bảng sau: ST T S T Đ ổố ị n a gl Đ2 7, Ủy Ban 5, T r2 7, Tr1 5, T r1 5, N1 h 5, Tổ 11 ng 4, S ố l S ố l ợ 5.9 Sơ đồ tổng thể hệ điện mặt trời hoà lưới máy phát pha Sơ đồ tổng thể cho thiết kế: Hình 5.19: Sơ đồ kết nối ĐMT nối lưới lưới 114.480 Wp (khơng có Backup) xã đảo Thạnh An- Cần Giờ - Tp.HCM 5.10 Hiệu đầu tư hệ mặt trời nối lưới sử dụng xã đảo Thạnh An Hệ thống không sử dụng Accu Battery Inverter nên khơng tốn chi phí bảo trì thay Accu Giá thành xây dựng hệ thống lại khoảng 6USD/ Wp - Tổng công suất pin mặt trời hệ thống: - Tổng giá thành dự kiến: 114,480 Wp 114,480 Wp x usd/Wp = 686,880 usd ≈ 14,424,480,000 đ - Tổng cơng suất hòa lưới trung bình ngày (trung bình 5h nắng/ngày): 114,480 x = 572,400 Wh - Tổng cơng suất hòa lưới trung bình năm: 572,400 Wh x 365x10-3 = 208,926 KWh - Tổng số tiền hệ pin mặt trời sản xuất năm tính theo giá sản xuất trạm phát điện diesel Thạnh An: 208,926 KWh x 8,478 đ/KWh = 1,771,274,628 đ - Tổng số tiền giảm bù lổ năm cho trạm phát điện diesel Thạnh An sử dụng hệ điện mặt trời này: 208,926 KWh x 7,129 đ/KWh = 1,489,433,454 đ - Thời gian hoàn vốn hệ thống: 14,424,480,000 đ / 1,771,274,628 đ ≈ 8.1 năm - Ngoài lắp đặt hệ điện mặt trời nối lưới, giảm công suất phát máy phát Diesel, từ tăng tuổi thọ giảm chi phí bảo trì cho máy phát 5.11 Ý nghĩa kinh tế, xã hội mơi trường Điện khí hóa ấp xã đảo Thạnh An, thể ưu tiên, quan tâm nhà nước địa bàn khó khăn, xa xơi hẻo lánh, bị ngăn cách sông nước, tạo điều kiện cải thiện đời sống văn hóa tinh thần, thúc đẩy phát triển kinh tế cho người dân hải đảo, cù lao Đồng thời phù hợp với chủ trương, sách Đảng, Nhà nước, UBND Tp.HCM ngành điện phát triển NLTT, sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, đặc biệt ưu tiên phát triển NLTT cho địa bàn khơng có điều kiện đấu nối lưới điện quốc gia Ngồi ra, dự án góp phần giảm khí thải tạo hiệu ứng nhà kính, giảm tác hại thay đổi khí hậu, bảo vệ mơi trường, bảo vệ rừng Cần Giờ- phổi Tp.HCM Chương 6: Kết luận Kiến nghị 6.1 Kết luận Năng lượng mặt trời nói nguồn lượng sạch, có trữ lượng lớn gần vô hạn Trong tương lai, nguồn lượng Mặc dù nghiên cứu khai thác từ sớm đến ngày việc khai thác sử dụng lượng mặt trời nhiều hạn chế, trữ lượng người khai thác khiêm tốn so với tiềm mà mang lại, đặt biệt phương pháp khai thác chuyển đổi trực tiếp thành lượng điện để phục vụ cho sống Trong nghiên cứu luận văn này, tác giả chủ yếu tập trung vào tổng hợp kiến thức khoa học nghiên cứu, ứng dụng giới khai thác lượng mặt trời phân tích điều kiện để phát triển lượng mặt trời để cung cấp điện tìm phương án cho tốn thực tế giảm tải cho hệ thống máy phát diesel xã Thạnh An, huyện Cần Giờ đồng thời giảm chí phí bù lỗ hàng năm nhà nước để cung cấp điện cho nhân dân xã đảo Thạnh An tiền đề sở việc đánh giá áp dụng lượng mặt trời rộng rãi Tp.HCM thời gian tới Việc sử dụng cụm PMT theo tính tốn đồng thời giúp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện hệ thống điện hữu: giảm sụt áp cuối đường dây, giảm tổn thất đường dây, giảm thời gian hoạt động liên tục máy phát diesel Việc tính tốn cơng suất vị trí lắp đặt cụm PMT tùy thuộc vào diện tích mái nhà quan để lựa chọn công suất thiết bị phù hợp nhằm đạt hiệu cao Hạn chế phần nghiên cứu luận văn sử dụng nghiên cứu thiết bị có sẵn để ứng dụng tính tốn cho hệ thống điện từ máy phát Diesel hữu Bên cạnh chưa tính tốn đến hiệu kỹ thuật, giảm tổn thất 6.2 Kiến nghị, đề xuất Việc đẩy mạnh khai thác sử dụng lượng tái tạo tất yếu khoa học đại bối cảnh khủng hoảng nguồn lượng truyền thống tác động tiêu cực đến môi trường từ việc sử dụng nguồn lượng truyền thống Là thành phố động, trung tâm kinh tế - khoa học kỹ thuật đồng thời trung tâm tiêu thụ lượng nhiều nước, mà việc ứng dụng nguồn lượng tái tạo hướng tất yếu cấp thiết Tp.HCM Trong phạm vi hẹp luận văn này, tác giả nghiên cứu ứng dụng lượng mặt trời mà chưa tính đến phương án điện gió xã đảo Thạnh An có tiềm điện gió lớn Qua nội dung nghiên cứu cho thấy việc đầu tư điện mặt trời theo phương án đề tài hoàn toàn khả thi mang lại hiệu cao, có tính ứng cao thực tiễn nên cần quan tâm nghiên cứu, tính tốn thêm để áp dụng vào thực tế Cần Giờ xã đảo, huyện đảo, vùng sâu, vùng xa gặp khó khăn việc cung cấp điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Quang Dũng, (1992), Điện Mặt trời, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [2] Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên, (2006) Cơ sở lượng tái tạo, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [3] Đặng Đình Thống, Cơng nghệ pin mặt trời học kinh nghiệm từ Việt Nam, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [4] Nguyễn Duy Thiện, (2001) Kỹ thuật sử dụng lượng mặt trời, Nhà xuất Xây dựng [5] www.ievn.com.vn, Viện lượng tái tạo Việt Nam, 2013 [6] www.moit.gov.vn, Bộ Công Thương, 2013 [7] http://www.gso.gov.vn, Tổng cục Thống kê, 2013 [8] www.SMA.de, SMA Solar Technology AG, 2013 [9] Báo cáo Kinh tế - Kỹ thuật, Dự án “Xây dựng Hệ thống điện mặt trời cấp điện cho ấp Thiềng Liềng, xã Thạnh An, huyện Cần Giờ” – Trung tâm Năng lượng Phát triển nông thôn (RERD), 2011 [10] Báo cáo kết sản xuất, kinh doanh vận hành điện Trạm Diesel Thạnh An năm 2012 Đội Vận Hành lưới điện Trạm Diesel Thạnh An, thuộc Điện lực Duyên Hải, Cần Giờ [11] Mohammed S EL-Moghany, Sun and Maximum Power Point Tracking in Solar Array Systems Using Fuzzy Controllers Via FPGA, Faculty of Engineering, The Islamic University – Gaza [12] Pave1 Yu Vorobiev, Jesus Gonzalez-Hemhdez , Yuri V Vorobiev; Optimization of the Solar Energy Collection in Tracking and Non-Tracking Photovoltaic Solar System; 2004 st International Conference on Electrical and Electronics Engineering [13] Wu Chun-Sheng, Wang Yi-Bo , Liu Si-yang , Peng Yan-chang and Xu HongHua, Study on Automatic Sun-tracking Technology in PV Generation, DRPT2008 6-9 April 2008 Nanjing China [14] Cristinel Dorofte&, Uffe Borup, Frede Blaabjerg; A combined two-method MPPT control scheme for grid-connected photovoltaic systems [15] R Sridhar, S Jeevananthan, N T Selvan and P V Sujith Chowdary, “Performance improvement of a photovoltaic array using MPPT P&O technique”, IEEE Int Conf Communication Control and Computing Technologies, ICCCCT 2010, pp 191-195, 2010 [16] N M Razali and N A Rahim, “DSP-based maximum peak power tracker using P&O algorithm”, IEEE First Conf Clean Energy and Technology, CET 2011, pp 34-39, 2011 [17] M.B Bana Sharifian “Single - Stage grid connected photovoltaic system with Reactive power control and adaptive predictive current controller” Journal of applied sciences (8): 1593-1509, 2009 [18] Mayssa Farhat, Lassad Sbita “Advanced Fuzzy MPPT Control Algorithm for Photovoltaic Systems” Science Academy Transactions on Renewable Energy Systems Engineering and Technology Vol.1, No 1, March 2011 [19] R Belaidi, M Fathi, A Haddouche, A Chikouche, G Mohand Kaci and Z Smara, “Study and Simulation of a Mppt controller based on Fuzzy logic controller for photovoltaic system” IGEC-VI-2011-208 [20] Sree Manju B, Ramaprabha R, Mathur B.L “Design and Modeling of Standalone Solar Photovoltaic Charging System” International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 18–No.2, March 2011 [ ] …… ... VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐOÀN TUẤN KIỆT NGHIÊN CỨU VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN DIESEL XÃ ĐẢO THẠNH AN - HUYỆN... Tp. HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 118 103 1027 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN DIESEL XÃ ĐẢO THẠNH AN - HUYỆN CẦN GIỜ - TP. HCM. .. CẦN GIỜ - TP. HCM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nội dung: Nghiên cứu lượng tái tạo ứng dụng lượng mặt trời để cung cấp điện cho xã đảo Thạnh An, huyện Cần Giờ - Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp,