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

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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng, 2019 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS BÙI THỊ MINH TÚ Đà Nẵng – Năm 2019 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ĐIỆN LƯỚI TRONG SINH HOẠT Học viên: Ngô Thị Ánh Tuyết Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 8520203 Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Thế giới tiến xa việc sử dụng lượng tái tạo, đặc biệt lượng mặt trời Công nghệ lượng tái tạo sách phủ khuyến khích sử dụng nguồn lượng để đảm bảo phát triển bền vững yếu tố thúc đẩy việc áp dụng lượng tái tạo Trong quy mô nhỏ, nguồn lượng tái tạo thường độc lập, có nghĩa nguồn lượng sử dụng cô lập [12, 13] Điều dẫn đến người khó khăn riêng nguồn lượng đáp ứng nhu cầu người dùng Trong đề tài đề xuất giải pháp kết hợp lượng mặt trời với điện Hệ thống đề xuất đo lường nguồn cung cấp lượng sử dụng lượng theo thời gian thực để xác định xem có cần thêm nguồn điện hay khơng đáp ứng yêu cầu cách sử dụng nguồn điện từ lưới điện Trong trường hợp lượng mặt trời vượt yêu cầu, lượng vượt lưu trữ hệ thống lưu trữ lượng riêng biệt Hệ thống đề xuất hoàn toàn tự động cung cấp lượng đáng tin cậy cho việc sử dụng bình thường Ngồi ra, hệ thống giám sát sử dụng để theo dõi thay đổi nguồn cung cấp lượng mặt trời để sửa đổi hệ thống tự chế cần thiết Từ khóa – lượng mặt trời; lượng tái tạo; hệ thống lượng thông minh; điện lưới; IoT RESEARCH SOLUTIONS FOR SOLAR AND ELECTRIC NETWORKING IN ACTIVITIES Abstract -The world is moving far away from using renewable energy, especially solar power Renewable energy technologies and government policies that encourage the use of these sources of energy to ensure sustainable development are key factors driving adoption of renewable energy In the small-scale, renewable energy sourcesare often independent, meaning that energy sources are used in isolation [12, 13] This leads to the difficulty forusers when the each of the energy sources alone cannot meet the demand of the user In this topic proposed a solution that can combine solar power with electricity The proposed system measures the solar power supply and the power usage on real-time to determine if additional power is required and can fulfills that requirement by using power from electricity grid In case of solar energy exceeds the requirement, the exceeded energy can be stored in separated energy storage system The proposed system is fully automatic and can provide reliable power for the normal usage In addition, a monitoring system is used to keep track of the variation of solar power supply so that system modification bemade if needed Key words–solar energy; renewable energy; smart energy system; electricity grid; internet of things iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan lượng mặt trời 1.1.1 Đặt vấn đề .4 1.1.2 Quy hoạch cấu nguồn điện Việt Nam 1.1.3 Tiềm năng lượng tái tạo Việt Nam 1.2 Mơ hình hệ thống lượng mặt trời .8 1.2.1 Hệ thống Điện mặt trời hòa lưới .8 1.2.2 Hệ thống Điện mặt trời độc lập .9 1.2.3 Hệ thống Điện mặt trời Hybrid .10 1.3 Ứng dụng IoT giám sát hệ thống lượng mặt trời 11 1.4 Kết luận chương .12 CHƯƠNG TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜIỞ MIỀN TRUNG VIỆT NAM 14 2.1 Cường độ xạ lượng mặt trời theo khu vực Việt Nam 15 2.2 Khai thác lượng mặt trời Đà Nẵng 17 2.3 Kết luận chương .18 CHƯƠNG MƠ HÌNH PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG 19 3.1 Phân tích thực tế nhu cầu tiêu thụ lượng sinh hoạt 19 3.2 Đề xuất mơ hình phối hợp lượng mặt trời điện lưới 20 3.3 Kết luận chương .23 iv CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHỐI HỢP 24 4.1 Thiết kế thi công phần cứng 24 4.1.1 Thiết kế thi công khối xử lý trung tâm 24 4.1.2 Mạch sim 808 24 4.1.3 Mạch thẻ nhớ SD card 28 4.1.4 Mạch nguồn 5V 28 4.1.5 Khối wifi .29 4.1.6 Đo dòng áp chiều PIN lượng mặt trời 30 4.1.7 Đo dịng, áp cơng suất tải xoay chiều 31 4.2 Thiết kế phần mềm 33 4.2.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình 33 4.2.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình 35 4.3 Thiết kế xây dựng server website 38 4.3.1 Hosting 39 4.3.2 Cơ sở liệu (database) .41 4.3.3 Trang chủ 42 4.4 Sản xuất thử nghiệm hệ thống điều khiển 42 4.5 Triển khai thử nghiệm hệ thống .44 4.6 Kết luận chương………………………………………………………………… 50 KẾT LUẬN 50 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current CSP Concentrated Solar Power DC Direct Current GPS Global Positioning System GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications ICPS In-Circuit Serial Programming IoT Internet of Things NLMT Năng lượng mặt trời NLTT Năng lượng tái tạo PV Photovoltaic SPI Serial Peripheral Interface UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1 Tiềm lý thuyết điện mặt trời 1.2 Tiềm giảm chi phí sản xuất điện từ lượng mặt trời gió, 2015-2025 2.1 Số liệu xạ mặt trời Việt Nam 16 2.2 Lượng tổng xạ xạ mặt trời trung bình ngày tháng năm số địa phương nước ta (đơn vị: 16 MJ/m2/ngày) vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Cơ cấu công suất điện năm 2014 1.2 Mơ hình hệ thống điện mặt trời hịa lưới 1.3 Mơ hình hệ thốngđiện mặt trời độc lập 1.4 Mơ hình hệ thống điện mặt trời Hybrid 10 1.5 Mơ hình hệ thống IoT 11 2.1 Bản đồ xạ mặt trời Việt Nam 14 2.2 Đồ thị xạ mặt trời Đà Nẵng phân bố /tháng 17 2.3 Tương quan tổng lượng xạ tháng -Y (KWh/m2) tổng nắng tháng - X (giờ) 18 3.1 Năng lượng điện tiêu thụ Hòa Vang (01/2016-08/2018) 20 3.2 Phân bố công suất tiêu thụ đỉnh 20 3.3 Sơ đồ khối hệ thống phối hợp lượng mặt trời điện lưới 21 3.4 Sơ đồ khối thực chức hệ thống kết hợp 22 3.5 Các thông số đo đạc thu thập website 23 3.6 So sánh công suất theo thời gian 23 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển PIC18F4550 24 4.2 Sơ đồ khối mạch Sim 808 25 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC MIC29302 25 4.4 Sơ đồ nguyên lý truyền tín hiệu từ SIM sang vi điều khiển 26 4.5 Sơ đồ nguyên lý nhận tín hiệu RX từ vi điều khiển sang SIM 26 4.6 Sơ đồ nguyên lý kết nối SIM card Sim808 27 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Sim808 27 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc SD card 28 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5v dùng LM2596 28 4.10 Mạch nguồn đề xuất nhà sản xuất 29 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch ESP8266 29 4.12 Tấm PIN lượng mặt trời 30 4.13 Module cảm biến dòng 30 viii Số hiệu hình Tên hình Trang 4.14 Sơ đồ cầu trở hạ áp 31 4.15 Module đo dòng, áp công suất tải xoay chiều 32 4.16 Lưu đồ thuật tốn chương trình PIC18F4550 33 4.17 Lưu đồ thuật toán Node MCU 8266 34 4.18 Lưu đồ thuật toán khởi tạo hệ thống 35 4.19 Lưu đồ thuật toán lưu liệu vào thẻ SD 36 4.20 Lưu đồ thuật toán gửi liệu lên Sever 37 4.21 Lưu đồ thuật tốn chương trình truyền lên web thông qua wifi 38 4.22 Giao diện Hosting 39 4.23 Nơi lưu trữ, update file nguồn (sources code) 40 4.24 Nơi quản lí, lưu trữ sở liệu (database) 40 4.25 Cấu trúc sở liệu bảng thông số hệ thống 41 4.26 Một số thông số đo được, lưu trữ HOSTING 41 4.27 Giao diện trang chủ website 42 4.28 Bo mạch hệ thống 42 4.29 Bo mạch hệ thống3D 43 4.30 Bo mạch sau hoàn thiện 43 4.31 Sơ đồ mô tả kết nối hệ thống 44 4.32 Tấm Pin lượng mặt trời 44 4.33 Inverter 45 4.34 Ắc quy VISION 45 4.35 Tủ điện 45 4.36 Sai số mạch đo điện áp chiều 46 4.37 Các thông số nguồn DC SUPPLY với tải DC motor 46 Kết đo thông số nguồn DC với tải động DC 4.38 (thay cho PIN lượng mặt trời tải INVERTER chuyển đổi DC/AC) 47 4.39 Giảm nguồn cung cấp 25VDC dòng 1.37A 47 4.50 Kết đo lần 48 4.51 Giảm Vsupply 12Vdc 0.95A 48 4.52 Kết đo 48 50 Hình 4.55 Kết thu website Các giá trị đo thường xuyên cập nhật lên website theo địa vvtsmart.com/pmonitor, thời gian cập nhật, ngưỡng cài đặt nguồn ngõ vào chiều ngưỡng công suất tải xoay chiều thay đổi web vào vị trí setting 1, 2,3… Hình 4.56 Vị trí setting 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 điện, điện áp chiều từ nguồn POWER SUPPLY, kết đo sai số nhỏ, dòng điện, điện áp, công suất lượng tiêu thụ tải đo thông qua Module PZEM004T cho kết sai số datasheet nhà cung cấp 51 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, dòng điện, công 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 hòa 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 52 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Hệ thống đề xuất hoàn 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 học Biogas, lượng gió, nhằm để giảm thiểu phụ thuộc vào lưới điện 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ Công thương (2011), Quy hoạch phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn [2] 2011-2020, có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII) Nguyễn Ngọc Hoàng (2015), Báo cáo ngành Điện – Thông điệp từ thị trường cạnh tranh [3] Lê Tấn Lộc, Tạ Văn Đa (2012), Nghiên cứu xây dựng sở liệu phục vụ khai thác lượng gió lượng mặt trời Thanh Hóa, Báo cáo kết đề tài khoa học công nghệ [4] Bùi Huy Phùng (2013), “Phát triển lượng Chiến lược tăng trưởng xanh Việt Nam”, Tạp chí Khoa học lượng [5] [6] [7] [8] [9] Quyết định số 428/QĐ-TTg, 2016, Phê duyệt điều chỉnh quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 Nguyễn Ngọc Thơng (1998), “Xây dựng tập số liệu xạ Việt Nam thời kỳ 1961-1990”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Tổng cục, Hà Nội Trung tâm Điều độ Hệ thống Điện Quốc gia (2015), Báo cáo tổng kết hàng năm, 2015 Trung tâm Phát triển Sáng tạo Xanh(GreenID) (2016), Đính hiểu lầm lượng tái tạo Việt Nam Trung tâm số liệu khí tượng thủy văn, 2014 Tiếng Anh [10] Industrial development planning report,Industrial and commercial office of Danang, 10/2016 [11] International Renewable Energy Agency (IRENA) (2016), The power to change: Solar and Wind cost reduction potential to 2025 [12] M Rahman, M Mahmodul, J.V Paatero (2014), “Hybrid application of biogas and solar resources to fulfil household energy needs: a potentially viable option in rural areas of developing countries, Renew”, Energy 68, tr 35-45 [13] S Upadhyay, M.P Sharma (2014), “A review on configurations, control and sizing methodologies of hybrid energysystems, Renew”, Sustain Energy Rev 38, tr.47-63 [14] Solar Cell Efficiency, PVEducation, pveducation.org 54 Trang web [15] http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/93911/MICROCHIP/PIC18F4550.html [16] https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=MIC29302&sField=2 [17] https://www.robotshop.com/media/files/pdf/sim808-gps-module-datasheet.pdf DAI HOC DA NANG TRU'ONG DAI HQC BACH KHOA LONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM Doc lap - Ttr - 1-14nh phtic S6: (20 A /QD-DHBK Da Nang, ngayen thaag/10 nam 2618 QUYET DINH Vt viec giao cue tai va trach nhiOt ctia nguiri huang dan lu:in van th#c si HIEU TRU'ONG TRU'ONG DIM HOC BACH KHOA Can cir Nghi dinh s6 32/CP ngdy 04/4/1994 cna Chinh phu ve viec thant lAp Dai h9c Da Nang; Can cir Thong tu s6 08/2014/TT-BGDDT 20/3/2014 cilE B6 truang B6 Gido dye va DAo tao ye viec ban hanh Quy the to chirc va hoat dOng cita dai hoc yang va cac Ca sa giao duc dai hoc that-1h vien; Quyet dinh so 6950/QD-DHDN 01/12/2:014 oh Giant doc Dai hoc DA Nang ve viec ban hAnh Quy dinh nhiem vu, quyen han cua Dai h9c DA Nang, cac ca sa giao chic dai h9c vien va cac dan vi tryc thu6c; Can cir Th6ng tu s6 15/2014/TT-BGDDT 15/5/2014 ca- B6 tnrang B6 Giao dijc va DAo tao ye viec ban hanh Quy the Dao tao trinh d6 than si; Quyet dinh s6 598/QD-DHBK 27/12/2016 cua Hieu tru6ng Tru6ng Dai h9c Bach khoa ye viec ban hanh Quy dinh ciao tao trinh d6 thac si; Can cir Quyet dinh s6 1891/DHBK-DT 12/09/2017 dm Hieu trtrang Trubng Dai hoc Bach Khoa ve viec cong nhAn hoc vien cao hoc trung tuyen; Can dr TO trinh s6 07/DTVT 17/10/2018 oh khoa Dien tir - Vien thong ve viec Quyet dinh giao de tai va ngtr6i huang clan luAn van thac si cho h9c vien cao h9c chuyen nganh Ky thuAt dien tir, khoa 35; Xet de nghi cua Truang Phong DAo tao, QUYET DINH: Diki Giao cho h9c vien cao h9c Ngo Thi Anh Tuyk, lop K35.KDT, chuyen nganh Ky thudt dien ter, tIrkrc hien de tai luAn van "Nghien ceru giai phap phoi hop Wing luting mat treri va dien ltrol sinh hoat", duai su huang dan cua PGS.TS Bid Thi Minh Tei, Trw&ng Dal hoc Bach Khoa - Dal hoc Da Nang Di&I Hoc vien cao h9c va ngu6i huang clan co ten a Dieu dugc huang cac quyen1gi va thirc hien nhiem vu theo clang quy the dAo tao thac si hien hAnh cila 36 Gido clijc va Dao tao, quy dinh dao tao thac si cua Tru6ng Dai hoc Bach khoa Ditu Cac Ong/BA Truang PhOng Dao tao, Truang ph6ng hoach — Tai chinh, Truang khoa Dien tir - Vie'n thong, ngu6i huong clan luAn van va h9c vien co ter a Dieu can cir Quyet dinh thi hanh./ KT HIEU TRUO'NG HIEU TRUO'NG c:)Q c VA o Ndi nh(in: • 9c NG ° - Nhu dien 3; 20 TRUCIH3NG A - Luu: VT, Phang DT TS Phan Minh Mc ... THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Trong chương trình bày tổng quan lượng mặt trời, mơ hình hệ thống lượng mặt trời ứng dụng IoT giám sát hệ thống lượng mặt trời  Chương 2:TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI... lượng mặt trời theo khu vực Việt Nam, khai thác lượng mặt trời Đà Nẵng  Chương 3: MƠ HÌNH PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TRUYỂN THỐNG Chương đề xuất giải pháp kết hợp lượng. .. vượt lượng Pin lượng mặt trời tạo ra, hệ thống kết hợp kích hoạt để lấy lượng ngắn từ lưới điện kết hợp với lượng mặt trời để cung cấp cho tải trường hợp lượng cung cấp cho tải kết hợp từ lượng mặt