Nghiên cứu giải pháp phối hợp năng lượng mặt trời và điện lưới trong sinh hoạt.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ THỊ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ĐIỆN LƯỚI TRONG SINH HOẠT Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số : 8520203 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng – Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS BÙI THỊ MINH TÚ Phản biện 1: NGUYỄN DUY NHẬT VIỄN Phản biện 2: NGÔ VĂN SỸ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 12 tháng 05 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng, trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN  Thư viện Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Khai thác nguồn lượng tái tạo xu hướng phát triển giới Việt Nam, đặc biệt lượng mặt trời để bổ sung, thay phần lượng hóa thạch dần cạn kiệt, không gây tác động tới môi trường, giá thành lúc rẻ theo phát triển vật liệu công nghệ bán dẫn nhu cầu thực cần thiết quốc gia Năng lượng điện mặt trời có nhiều ưu điểm: dễ dàng lắp đặt mái nhà cao tầng, khu đất trống hiệu sản xuất nông nghiệp kinh tế khơng cao, tác động tới mơi trường, dự trữ nguồn vô tận Ở nước ta việc sử dụng lượng điện mặt trời ngày phát triển Do đó, đề tài “Nghiên cứu giải pháp phối hợp lượng mặt trời điện lưới sinh hoạt ” 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 kết hợp với lưới điện dùng sinh hoạt nhằm giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hồn toàn vào nguồn lượng từ lưới điện giảm tác động đến môi trường Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Năng lượng mặt trời, hệ thống lưu trữ lượng mặt trời, hệ thống đo đạc công suất tiêu thụ lượng, hệ thống phối hợp nguồn lượng - Phạm vi nghiên cứu: Sự vận hành chuyển đổi quang – điện năng, phương thức đo công suất điện chiều lượng mặt trời đo đạc công suất tiêu thụ điện theo thời gian thực, đề xuất hệ thống kết hợp lượng mặt trời điện lưới sinh hoạt phù hợp với điều kiện môi trường Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn số thiết bị có sẵn thị trường, đề xuất mơ hình thử nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài nghiên cứu đề xuất mơ hình phương pháp phối hợp Đánh giá nhu cầu sử dụng lượng địa phương, đề xuất triển khai mơ hình thực tế Kết nghiên cứu triển khai áp dụng thực tế Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, luận văn gồm có chương:  Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI  Chương 2:TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM  Chương 3: MƠ HÌNH PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TRUYỂN THỐNG  Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHỐI HỢP Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan lượng mặt trời 1.1.1 Đặt vấn đề Đẩy mạnh sử dụng lượng tái tạo ( NLTT) xu nước giới vai trò quan trọng tính ưu việt chúng, đặc biệt bối cảnh công nghệ sản xuất điện từ NLTT phát triển nhanh, dần đảm bảo khả cạnh tranh với nguồn lượng truyền thống Chính vậy, việc gia tăng tỷ lệ điện sản xuất từ NLTT đòi hỏi tất yếu cho phát triển hệ thống điện, cần đưa vào cụ thể Quy hoạch nguồn điện Việt Nam 1.1.2 Quy hoạch cấu nguồn điện Việt Nam Theo quy hoạch điện VII điều chỉnh, năm 2020 nhu cầu điện Việt Nam đạt 265 tỷ kWh đến năm 2030 đạt 572 tỷ kWh Tổng công suất lắp đặt năm 2020 60.000 MW tăng lên 129.500 MW vào năm 2030, nhiệt điện than chiếm tỷ trọng ngày cao năm 2030 1.1.3 Tiềm năng lượng tái tạo Việt Nam Tiềm năng lượng mặt trời khai thác vào xạ mặt trời Tính trung bình tồn quốc lượng xạ mặt trời 4-5kWh/m2 ngày.Theo đánh giá, vùng có số nắng từ 1800 giờ/năm trở lên coi có tiềm để khai thác sử dụng 1.2 Mơ hình hệ thống lượng mặt trời 1.2.1 Hệ thống Điện mặt trời hòa lưới Điện lượng mặt trời thu từ pin (Solar Panel) điện chiều, qua hịa lưới (Inverter ), có chức đổi từ điện DC – AC pha tần số với điện lưới, sau hệ thống hịa chung với điện lưới quốc gia 1.2.2 Hệ thống Điện mặt trời độc lập Hệ thống điện mặt trời độc lập bao gồm thành phần bản: Pin mặt trời (Solar Panels), Ắc quy lưu trữ điện (Accu), điều khiển sạc điện từ pin mặt trời vào Accu (Solar Charger), chuyển điện từ Accu thành điện xoay chiều cấp cho thiết bị (Inverter), dây dẫn linh kiện đồng 1.2.3 Hệ thống Điện mặt trời Hybrid Hệ thống điệnnăng lượng mặt trời Hybrid giải pháp sử dụng nguồn lượng mặt trời để chuyển thành nguồn điện xoay chiều cung cấp cho phụ tải ưu tiên, phụ tải ưu tiên thiết bị cần trì nguồn điện liên tục, hệ thống đồng thời sạc cho lưu trữ (Ắc quy) 1.3 Ứng dụng IoT giám sát hệ thống lượng mặt trời Mạng lưới vạn vật kết nối internet mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt IoT (Internet of Things) kịch giới, mà đồ vật, người cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thơng tin, liệu qua mạng mà không cần đến tương tác trực tiếp người với người, hay người với máy tính 1.4 Kết luận chương Thơng qua tìm hiểu hệ thống mơ hình hệ thống lượng mặt trời ưu điểm giúp tiết kiệm điện, giảm khí thải CO2 phát sinh,thì có khuyết điểm chung việc kết hợp nguồn lượng : lượng mặt trời, lượng điện lưới nguồn lượng xanh ( gió, Bioga, điện phân H2) để đảm bảo tối ưu công suất cung cấp cho tải suốt thời gian hoạt động ngày đêm chưa đáp ứng Vì cần có nghiên cứu để giải việc bù công suất điện mặt trời cần Chương TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM 2.1 Cường độ xạ lượng mặt trời theo khu vực Việt Nam - Vùng Tây Bắc:Lượng tổng xạ trung bình ngày lớn vào khoảng 5,234 kWh/m2/ngày trung bình năm 3,489 kWh/m2/ngày - Vùng Bắc Bộ Bắc Trung Bộ: Số nắng trung bình thấp tháng 2, khoảng 2h/ngày, nhiều vào tháng với khoảng – 7h/ngày trì mức cao từ tháng - Vùng Trung Bộ: Trung bình từ tháng đến tháng 9, thời gian nắng từ – h/ngày với lượng tổng xạ trung bình 3,489 kWh/m2/ngày (có ngày đạt 5,815 kWh/m2/ngày) - Vùng phía Nam: Cường độ xạ trung bình thường lớn 3,489 kWh/m2/ngày 2.2 Khai thác lượng mặt trời Đà Nẵng Đà Nẵng có tiềm phát triển lượng mặt trời (NLMT) lớn, với số nắng trung bình 177 giờ/tháng cường độ xạ trung bình 4,89kWh/m2/ngày 2.3 Kết luận chương Miền Trung Việt Nam đặc biệt khu vực Nam Trung Bộ có tiềm NLMT đáng kể Ngồi việc tiếp tục mở rộng triển khai ứng dụng lượng mặt trời quy mô nhỏ, bước đầu miền Trung bắt đầu xây dựng số nhà máy điện mặt trời.Với điều kiện tự nhiên thuận lợi, suất đầu tư cho điện mặt trời cao nên nhà đầu tư chưa thật yên tâm Tiềm NLMT khẳng định mức cao nhiều khu vực thuộc tỉnh ven biển miền Trung với tổng lượng xạ năm từ 1300 kWh/m2 đến 2400 kWh/m2 có xu hướng tăng từ Bắc vào Nam Chương MƠ HÌNH PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG 3.1 Phân tích thực tế nhu cầu tiêu thụ lượng sinh hoạt Thực việc phân tích số liệu theo dõi mức tiêu thụ điện Hịa Vang, huyện nơng thôn thành phố Đà Nẵng từ ngày 01/2016 đến 08/2018 Dữ liệu thu thập bao gồm công suất sử dụng (tính kWh) cơng suất tối đa (tính kW) 12949 người dùng Hình 3.1 Năng lượng điện tiêu thụ Hòa Vang (01/2016-08/2018) 3.2 Đề xuất mơ hình phối hợp lượng mặt trời điện lưới Từ ý tưởng kết hợp lượng mặt trời điện lưới, nhằm tối đa hóa việc sử dụng lượng mặt trời giảm thiểu phụ thuộc vào điện, luận văn đề xuất hệ thống hình 3.3 Inverter chuyển đổi Hình 3.3.Sơ đồ khối hệ thống phối hợp lượng mặt trời điện lưới 3.3 Kết luận chương Hệ thống đề xuất hoạt động với việc kết hợp nguồn cung cấp lượng mặt trời nguồn điện lưới nhằm đảm bảo công suất tiêu thụ cho tải tăng hiệu suất sử dụng nguồn lượng mặt trời Giúp tiết kiệm lượng hiệu đồng thời tăng khả sử dụng nguồn lượng sạch, đảm bảo giảm khí thải CO2 phát sinh dạng lượng khác, bảo vệ môi trường sống Hệ thống đề xuất cịn có khả kết hợp với nhiều dạng lượng khác lượng gió, Biogas, hay điện phân H2 tăng hiệu sử dụng hệ thống Chương THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHỐI HỢP 4.1 Thiết kế thi công phần cứng 4.1.1 Thiết kế thi công khối xử lý trung tâm Hiện vi điều khiển sử dụng chuẩn giao tiếp ICSP để nạp chương trình thơng qua chân: VPP, VCC, GND, PGD, PGC, PGM vi điều khiển Hình 4.1.Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển PIC18F4550 4.1.2 Mạch sim808 Hình 4.2 Sơ đồ khối mạch Sim 808 4.1.2.1 Khối nguồn Sơ đồ nguyên lý IC MIC29302 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC MIC29302 10 4.1.2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch Sim808 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Sim808 4.1.3 Mạch thẻ nhớ SD card Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc SD card Nguồn cho SD card nằm khoảng 2,7V đến 3,6V nên ta chọn nguồn 3,3V để cấp cho SD card thông qua IC nguồn LM1117 loại 3,3V Tuy nhiên, vi điều khiển dùng mức điện áp 5V nên để giao tiếp vi điều khiển với SD card, thực gián tiếp thông qua chíp buffer 74HVC125 11 4.1.4 Mạch nguồn 5V Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5v dùng LM2596 4.1.5 Khối wifi Esp8266 dùng chân GPIO4, GPIO5 để giao tiếp với PIC18F4550, thông qua chuẩn giao tiếp UART Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch ESP8266 4.1.6 Đo dòng áp chiều PIN lượng mặt trời 4.1.6.1 Đo dòng PIN lượng mặt trời Đề tài thử nghiệm với hệ thống PIN lượng mặt trời 1KW sử dụng PIN 330W có thơng số sau: + Điện áp lớn nhất: 45.3Vdc + Dịng điện ngắn mạch: 9.23A 12 Hình 4.12.1Tấm PIN lượng mặt trời ACS712 IC cảm biến dịng tuyến tính dựa hiệu ứng Hall Chân ACS712 xuất tín hiệu analog chân Vout biến đổi tuyến tính theo Ip(dịng điện cần đo) lấy mẫu thứ cấp DC(hoặc AC) phạm vi cho phép Hình 4.13 Module cảm biến dịng 4.1.6.2 Đo điện áp PIN lượng mặt trời Giá trị điện áp tối đa đầu vào 50V ( Pin lượng mặt trời tạo lớn 45.3V), ta thiết kế cầu trở cho hạ áp 50V tương ứng 5V Hình 4.14Sơ đồ cầu trở hạ áp 4.1.7 Đo dòng, áp cơng suất tải xoay chiều Hình 4.15 Module đo dịng, áp cơng suất tải xoay chiều 13 Modul PZEM004T với thông số sau:  Điện áp đo hoạt động: 80 ~ 260VAC / 50 - 60Hz, sai số 0.01  Dòng điện đo hoạt động: ~ 100A, sai số 0.01  Công suất đo hoạt động: ~ 26000W  Năng lượng đo hoạt động: 0~9999kWh  Giao tiếp UART mức logic TTL 5VDC baudrate mặc định 9600, 8,  Có opto cách ly an tồn mạch đo mạch nhận tín hiệu UART 4.2 Thiết kế phần mềm 4.2.1 Lưu đồ thuật toán chương trình a Đối với vi điều khiển PIC18F4550 PNLMT> Ptải Hình 4.16 Lưu đồ thuật tốn chương trình PIC18F4550 14 b Đối với node MCU ESP8266 Hình 4.17 Lưu đồ thuật tốn Node MCU 8266 4.2.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình 4.2.2.1 Lưu đồ thuật tốn khởi tạo hệ thống Hình 4.18 Lưu đồ thuật toán khởi tạo hệ thống 15 4.2.2.2 Lưu đồ thuật toán lưu liệu vào thẻ SD Hình 4.19 Lưu đồ thuật tốn lưu liệu vào thẻ SD 4.2.2.3 Lưu đồ thuật toán gửi liệu lên webSever a Trường hợp kết nối wifi bị lỗi hệ thống gửi liệu lên websever thơng qua module Sim808 Hình 4.20 Lưu đồ thuật toán gửi liệu lên Sever 16 b Trường hợp kết nối wifi bình thường Hình 4.21 Lưu đồ thuật tốn chương trình truyền lên web thơng qua wifi 4.3 Thiết kế xây dựng server website - Để thực đề tài Web server phải đáp ứng yêu cầu sau:  Nhận liệu từ node cảm biến lưu vào sở liệu  Hiển thị vị trí node lên google map nhúng trang web  Liên tục hiển thị thông số đo đạc website  Xử lý gửi cảnh báo EMAIL thông số vượt ngưỡng - Hiện website mà hệ thống triển khai giám sát: http://vvtsmart.com/p-monitor/ 17 4.3.1 Hosting 4.3.2 Cơ sở liệu (database) 4.3.3 Trang chủ 4.4 Sản xuất thử nghiệm hệ thống điều khiển Sử dụng phần mềm Altium 17.0 để layout mạch in, việc xếp khối mạch phải ý vị trí module Sim Wifi tránh xa đường tín hiệu cảm biến, tín hiệu điều khiển Hình 4.28 Bo mạch hệ thống Hình 4.29 Bo mạch hệ thống3D 18 Thi cơng board mạch Hình 4.30 Bo mạch sau hồn thiện 4.5 Triển khai thử nghiệm hệ thống Kết nối mạch điều khiển với hệ thống điện mặt trời, điện lưới tải theo sơ đồ mơ tả sau: Hình 5.1 Sơ đồ mô tả kết nối hệ thống 19 Đấu nối hệ thống thực tế:  Pin mặt trời chọn VSUN 360-72Mcó tham số kỹ thuật: VSUN 360-72M (Tấm pin lượng mặt trời Mono 360W VSUN) Thông số kỹ thuật: - Max.power:360W Voc:47,3VDC Isc:9,67A Vmpp:38,63V Impp:9,33A Trọng lượng: 22kg Kích thước: 1956x990x40 Hình 5.2 Tấm Pin lượng mặt trời  Với Inverter chọn loại 4Kw có tham số: Bộ điều khiển nạp chuyển đổi nguồn 4000W - Rated Power: 5Kva/4000w - DC input: 48v - AC output: 230VAC, 50Hz21,7A - Solar charger mode: Rated current: 60A System Voltage: 48Vdc Max.solar volt: 145V -  Ắc quy VISION 150Ah kín khí Hình 5.3 Inverter 20 - Nạp kích: 14.1V-14.7V - Nạp Thường: 13.2V-13.8V Dịng nạp lớn nhất: 45A Hình 5.4 Ắc quy VISION  Tủ điện đấu nối hệ thống bao gồm: - Một contactor ba pha( sử dụng pha), với nguồn điều khiển 220V/50Hz điều khiển mạch trung tâm thông qua Relay - Một mạch trung tâm với vi điều khiển PIC18F4550, module wifi, module Sim808 - Một module ACS712 đo dòng điện chiều - Một module PZEM004T đo thông số tải xoay chiều - Ổ cắm nhằm cắm tải xoay chiều để đo thơng số V,I,P,E Hình 5.5 Tủ điện Thực phép đo dịng điện, điện áp, cơng suất tải chiều động điện DC, với nguồn cung cấp 29.6V dòng tiêu thụ động 1.39A 21 Hình 5.7 Các thơng số nguồn DC SUPPLY với tải DC motor Kết đo mạch truyền lên máy tính thơng qua chuẩn UART, dùng phần mềm Hercules để hiển thị kết truyền lên máy tính nhằm kiểm tra sai số kết đo Tiến hành đo liên tục nhiều lần cho kết sau: Hình 5.8 Kết đo thông số nguồn DC với tải động DC Sai số đo điện áp lớn cho 30 lần đo là: 0.2V Sai số đo dòng điện DC lớn 30 lần đo thử nghiệm là: 0.26A Tiến hành tiếp với 25V 1.37A 22 Hình 5.9 Giảm nguồn cung cấp 25VDC dòng 1.37A Kết đo mạch: Hình 5.10 Kết đo lần Tiến hành giảm Vsupply cịn 12Vdc 0.95A Hình 5.11 Giảm Vsupply cịn 12Vdc 0.95A Hình 5.12 Kết đo Tiếp tục hệ thống tiến hành đo điện áp, dịng điện, cơng suất lượng tiêu thụ tải xoay chiều, tiến hành với tải từ 45W đến 1000W Kết đo sau: 23 Hình 5.13 Tải tiêu thụ Hình 5.14 Kết đo 4.6 Kết luận chương Mạch điều khiển hệ thống phối hợp sau hoàn thành đảm bảo hoạt động ổn định, thơng số đo đạt như: dịng, áp chiều từ nguồn POWER SUPPLY, kết đo sai số nhỏ, dịng, áp, cơng suất lương tiêu thụ tải đo thông qua module PZEM004T cho kết sai số datasheet nhà cung cấp 24 KẾT LUẬN Vì lý hệ thống PIN lượng mặt trời chưa thiết lập kịp với thời gian làm đề tài nên báo cáo đề cập phần đo đạt điều khiển chuyển mạch hòa lưới, với tham số đầu vào giả lập nguồn DC supply, ngõ tải xoay chiều cấp nguồn điện lưới để đo tham số điện áp, dịng điện, cơng suất lượng tiêu thụ Đề tài ứng dụng IOT việc giám sát cài đặt tham số cho hệ thống từ xa Các kết đo mạch đo nguồn chiều bao gồm điện áp, dịng điện cơng suất với sai số lớn 3%, với tải xoay chiều mạch đo với sai số phụ thuộc Module PZEM 004T điện áp dòng điện 1% Với sai số hệ thống đảm bảo việc điều khiển hịa lưới hay hoạt động độc lập tương đối xác, đảm bảo tính liên tục khả tiết kiệm lượng hiệu Đối với hệ thống giám sát liệu thông qua Wifi/ GPRS ổn định, liệu gửi lên server liên tục không gián đoạn, ưu điểm việc kết hợp hai đường truyền khác hệ thống IOT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Hệ thống đề xuất hồn tồn tự động cung cấp lượng hiệu có độ tin cậy cao cho nhu cầu sử dụng bình thường Ngồi ra, hệ thống giám sát sử dụng để theo dõi thay đổi nguồn cung cấp lượng mặt trời để việc sửa đổi hệ thống thực cần thiết Hệ thống mở rộng cách bổ sung thêm lượng tái tạo khí sinh họcBIOGAS, lượng gió, nhằm để giảm thiểu phụ thuộc vào lưới điện ... nước ta việc sử dụng lượng điện mặt trời ngày phát triển Do đó, đề tài ? ?Nghiên cứu giải pháp phối hợp lượng mặt trời điện lưới sinh hoạt ” giải pháp tiết kiệm, sử dụng hiệu lượng đồng thời góp... TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI  Chương 2:TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM  Chương 3: MƠ HÌNH PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TRUYỂN THỐNG ... 3.1 Năng lượng điện tiêu thụ Hịa Vang (01/2016-08/2018) 3.2 Đề xuất mơ hình phối hợp lượng mặt trời điện lưới Từ ý tưởng kết hợp lượng mặt trời điện lưới, nhằm tối đa hóa việc sử dụng lượng mặt