Tài liệu Thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời cấp điện cho trường đại học phạm văn đồng quảng ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ VÕ HOÀNG HẢI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG TỈNH QUẢNG NGÃI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ VÕ HOÀNG HẢI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG TỈNH QUẢNG NGÃI CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60. 58. 02. 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. DƢƠNG MINH QUÂN Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Trong luận văn có trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam, của một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lƣợng mặt trời, tham khảo một số luận văn. Tác giả luận văn VÕ HOÀNG HẢI MỤC LỤC Trang TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................ IV DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ VIII DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ IX MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................ 4 1.1 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ...................................................... 4 1.2. BỨC XẠ MẶT TRỜI .............................................................................................. 6 1.3. TÍNH TOÁN BỨC XẠ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ............................................ 9 1.3.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ .....................................................................9 1.3.2. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang ...............................11 1.3.3. Tổng cƣờng độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất .....................................12 1.4. CÁC ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................................. 14 1.5. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 15 CHƢƠNG 2:TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH QUẢNG NGÃI VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TẠI TRƢỜNG ĐAI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG - QUẢNG NGÃI......................................................................... 16 2.1 TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI QUẢNG NGÃI: ....................... 16 2.2. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN, KHẢ NĂNG CUNG CẤP VÀ TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI. .......................... 21 2.2.1. Thông tin chung ...................................................................................................21 2.2.2. Sơ đồ tổ chức .......................................................................................................21 2.2.3. Năng lƣợng cung cấp và tiêu thụ .........................................................................23 2.3 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TẠI TRƢỜNGĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI . .................................................................................. 25 2.3.1. Số liệu thu thập và biểu đồ phụ tải ngày của Nhà trƣờng ...................................25 2.3.2. Hệ thống thiết bị Nhà trƣờng ...............................................................................26 2.4. Kết luận.................................................................................................................277 CHƢƠNG 3:CÁC MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG ........................................ 29 MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG .............................................................................. 29 3.1. MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG ..... 29 3.1.1. Mô hình biến đổi độc lập không kết lƣới ............................................................29 3.1.2. Mô hình biến đổi có kết lƣới ...............................................................................31 3.2. CÁC BƢỚC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG .............................................................. 32 3.2.1. Các lƣu ý ..............................................................................................................32 3.2.2. Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời ...................................32 3.2.3. Các bƣớc thiết kế .................................................................................................34 3.3. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 38 CHƢƠNG 4:ÁP DỤNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................ 40 PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI .................................................................................... 40 4.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI: .......................... 40 4.1.1. Lựa chọn mô hình biến đổi năng lƣợng mặt trời thành điện năng ......................40 4.1.2. Xác định vị trí lắp đặt và quy mô công suất ........................................................41 4.2 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ............................................................... 43 4.2.1 Hệ thống pin .........................................................................................................43 4.2.2. Bộ biến đổi điện mặt trời .....................................................................................49 4.2.3 Tủ đấu nối DC và thiết bị giám sát Webbox ........................................................50 4.3. TỔNG HỢP PHƢƠNG ÁN TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ......................................... 52 CHƢƠNG 5:MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI,PHÂN TÍCH KẾT QUẢ. TÍNH TOÁN CHI PHÍ DỰ ÁN ...................................................... 55 5.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN LẮP ĐẶT ............................................................. 55 5.1.1 Giới thiệu phần mềm PVsyst ................................................................................55 5.1.2 Mô phỏng hệ thống pin năng lƣợng mặt trời lắp đặt ............................................55 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................................................................................... 58 5.2.1 Quá trình làm việc của hệ thống ...........................................................................58 5.2.2 Sản lƣợng điện và hiệu suất ..................................................................................61 5.3. TỔNG MỨC ĐẦU TƢ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI .................................... 66 5.3.1. Chi phíđầu tƣ xây dựng ......................................................................................66 5.3.2. Chi phí vận hành, bảo dƣỡng và nhân viên: .......................................................68 5.3.3. Các chi phí khấu hao hằng năm (CPKH) ............................................................68 5.3.4 Phân tích tính hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời ....................................68 5.4 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 70 TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNGMẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG – QUẢNG NGÃI Học viên: Võ Hoàng Hải - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 Khóa: 34DCH.QNg Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt –Nhu cầu phụ tải ngày càng tăng cao công thêm sự thiếu hụt nhiên liệu hóa thạch làm cho các vấn đề cung điện năng gặp nhiều ảnh hƣởng. Đồng thời, với Quyết định 28/2014/QĐ-TTg cho thấy giá điện ngày một tăng cao và theo một lộ trình do EVN đề xuất. Điều này đòi hỏi các phụ tải sử dụng nhiều năng lƣợng phải có các giải pháp tiết kiệm hoặc có các dạng năng lƣợng thay thế với giá thành rẻ hơn. Hiện nay, các dạng năng lƣợng tái tạo đang phát triển mạnh mẽ, trong đó có loại hình năng lƣợng mặt trời lắp mái, một giải pháp ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi và là giải pháp tốt giảm thiểu sự phụ thuộc vào lƣới điện. Đối với trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi, nhà trƣờng muốn đƣa dạng năng lƣợng mặt trời lắp mái vào sử dụng để chủ động hơn và giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện phân phối 22kV của địa phƣơng, đồng thời góp phần nhỏ trong sự phát triển của năng lƣợng tái tạo và giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trƣờng. Từ các số liệu thu thập đƣợc, luận văn đã trình bày cách thức thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lƣới dạng lắp mái. Quá trình thiết kế đƣợc trình bày rõ ràng và áp dụng vào thực tế cho trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi. Các kết quả đƣợc đƣa ra phân tích về hai phƣơng diện kỹ thuật và kinh tế thông qua phầm mềm PVsyst, từ đó dƣa ra hƣớng phát triển tiếp theo. Từ khoá – Năng lƣợng tái tạo; Pin mặt trời; hệ thống mặt trời lắp mái; Trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng; PVsyst. CALCULATION AND PROPOSITION OF ENERGY SAVING SOLUTIONS FOR PHAM VAN DONG UNIVERSITY – QUANG NGAI Summary - The increasing demand along with extra load and the shortage of fossil fuels lead to power supply problems. At the same time, according to the Circula No.28/2014/QD-TTg, electricity price are rising on a roadmap proposed by EVN. This requires energy-intensive loads to consume cost-effective alternatives or alternative energy at lower cost. Nowadays, renewable energy are developing rapidly, including solar rooftops -a method that is commonly being used and a best solution to minimize grid dependence. In terms of Pham Van Dong University - Quang Ngai province, the universitydesires to put solar rooftops into use to be more active in energy consumption and reduce the dependence on local power distribution 22kV. In addtion, the university might be a contributor for the development of renewable energy and minimize negative impacts on the environment. From the data collected, the article presents how to design rooftop solar panelsystem. The design process is clearly presented and applied in practice to Pham Van Dong University Quang Ngai. The results are analyzed following the technical-economic criteria through the PVsyst software, resulting to the next developing direction. Keywords – calculation and proposition; energy saving solutions; energy saving; Pham Van Dong University; Energy saving study. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 4.1 4.2 4.3 4.4 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 Tên bảng Trang Đặc trƣng tổng nhiệt độ trung bình năm ở các khu vực Quảng Ngãi Đổ ẩm trung bình tháng, năm (%) Bức xạ tổng cộng thực tế tháng và năm (kWh/m2) Bức xạ tổng cộng thực tế trung bình ngày tại một số địa điểm trong tỉnh Quảng Ngãi Kết quả tính toán bức xạ mặt trời Bảng tổng kết điện năng trong năm 2017 Bảng tổng hợp công suất (kW) các giờ trong ngày tại Trƣờng (trung bình) Danh mục các loại đèn chiếu sáng Danh mục các thiết bị phục vụ toàn trƣờng Bảng số liệu thống kê phụ tải Tiết diện dây chọn lựa Thông số kỹ thuật bộ biến đổi điện mặt trời SMC 5000A Tủ đấu nối DC Thông số kỹ thuật của Webbox Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống mặt trời tại nhà trƣờng Tổng hợp thông số một nhóm Sản lƣợng điện năng sản xuất và tổn hao trong toàn hệ thống Chiphí giacông, lắp dựng giá đỡ ắcquy dànpinmặt trời (PXD) Chiphímuathiếtbị Hệ thống pin mặt trời (PTB) Chi phí tƣ vấn đầu tƣ xây dựng (PĐT) Các phụ phí phát sinh khác ( PK) Bảng tổng kết cho việc lắp đặt hệ thống pin mặt trời 16 17 17 18 20 23 25 26 26 33 38 50 51 52 52 57 65 67 67 67 68 69 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 1.1 1.3 1.4 Tên bảng Bên ngoài mặt trời Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển Dải bức xạ điện từ Góc nhìn mặt trời Quá trình truyền năng lƣợng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của 1.5 Trái Đất 1.6 Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng 1.7 nghiêng 1.8 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán 1.9 Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng 1.10 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng 2.1 Bản đồ phân bố tổng xạ trung bình năm (kcal/cm2/năm) Bản đồ phân bố số giờ nắng trung bình năm của khu vực Quảng 2.2 Ngãi 2.3 Trụ sở Trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng – Quảng Ngãi 2.4 Sơ đồ tổ chức Nhà Trƣờng 2.5 Đồ thị phụ tải tháng của Trƣờng 2.6 Sơ đồ nối điện toàn trƣờng 2.7 Đồ thị phụ tải ngảy của Trƣờng 3.1 Hai mô hình sử dụng hệ thống PV độc lập 3.2 Mô hình biến đổi độc lập 3.3 Hệ thống PV độc lập có nguồn lƣu trữ 3.4 Hệ thống PV có nguồn cấp dự phòng 3.5 Mô hình hệ thống PV độc lập kết hợp với điện lƣới 3.6 Mô hình hệ thống PV liên kết với điện lƣới 3.7 Góc nghiêng β của hệ thống 3.8 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời 3.9 Bộ chuyển đổi DC-AC 4.1 Mô hình hệ thống cung cấp điện từ năng lƣợng mặt trời 4.2 Mặt bằng vị trí khảo sát lắp đặt pin 4.3 Tấm pin mặt trời ZBR-300M 4.4 Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của pin mặt trời 4.5 Đặc tính tầm khi bức xạ thay đổi ( ở nhiệt độ 25oC ) Đặc tính tấm pin thông qua mô phỏng khi nhiệt độ thay đổi (ở bức 4.6 xạ 1000W/m2) 4.7 Các thức đặt tấm pin Trang 5 5 6 7 8 9 10 12 13 14 19 19 21 22 23 24 25 29 29 30 31 31 32 34 34 37 40 41 43 45 46 47 48 4.8 Các chi tiết lắp đặt hệ thống pin 4.9 Sơ đồ đấu nối dàn pin mặt trời vào hệ thống 4.10 Mô hình kết nối dạng chuỗi (string inverter) Sơ dồ đấu nối dàn năng lƣợng mặt trời vài hệ thống điện của nhà 4.11 trƣờng 5.1 Địa điểm lắp đặt pin 5.2 Dữ liệu về bức xạ và nhiệt độ tại vị trí lắp đặt 5.3 Mô phỏng góc nghiêng lắp đặt hệ thống pin 5.4 Mô phỏng cách thức lắp đặt hệ thống pin 5.5 Quá trình mô phỏng thông số pin và bộ chuyển đổi (cho 1 nhóm) 5.6 Đồ thị phân bố nhiệt độ làm việc của 1 nhóm pin 5.7 Đồ thị phần bố bức xạ làm việc của 1 nhóm pin 5.8 Đồ thị phân bố điện áp làm việc của 1 nhóm pin 5.9 Đồ thị phân bố công suất đầu ra 1 nhóm pin (hệ thống biến tần) 5.10 Đồ thị công suất các nhóm pin qua các tháng 5.11 Sản lƣợng điện năng của một nhóm pin qua các tháng 5.12 Hiệu suất chuyển đổi của nhóm pin qua các tháng 5.13 Thông số cụ thể về sản lƣợng điện phát ra của nhóm pin 5.14 Biểu đồ tổn thất trong nhóm pin 49 50 51 53 55 56 56 57 58 59 59 60 60 61 62 62 63 64 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Năng lƣợng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con ngƣời và là một yếu tố không thể thiếu đƣợc của hoạt động kinh tế. Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo nhu cầu năng lƣợng cho phát triển kinh tế, xã hội ngày càng tăng mạnh, việc đáp ứng nhu cầu năng lƣợng thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc gia và nó đang trở thành một vấn đề bức thiết toàn cầu. Nguồn năng lƣợng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt, đồng thời ô nhiễm môi trƣờng ngày càng trở nên nghiêm trọng. Nhu cầu tìm ra loại năng lƣợng mới, xanh sạch và có thể tái tạo đƣợc,…thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch truyền thống là bài toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển nhƣ Anh, Mỹ, Pháp và các quốc gia đang phát triển nhƣ Việt Nam … Hiện nay, trƣớc thách thức về thay đổi khí hậu, cạn kiệt nguồn tài nguyên khoáng sản, các nguồn năng lƣợng tái tạo và năng lƣợng sạch dần đƣợc đƣa vào để thay thế cho các nguồn năng lƣợng khoáng sản.Một trong các nguồn năng lƣợng đó là nguồn năng lƣợng mặt trời. Việc nghiên cứu sử dụng pin năng lƣợng mặt trời ngày càng đƣợc quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lƣợng và vấn đề cấp bách về môi trƣờng hiện nay. Năng lƣợng mặt trời đƣợc xem nhƣ là dạng năng lƣợng ƣu việt trong tƣơng lai, đó là nguồn năng lƣợng sạch, sẵn có trong thiên nhiên. Do vậy năng lƣợng mặt trời ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc trên thế giới. Việt nam đƣợc xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về NLMT, đặc biệt ở miền Trung và miền Nam, với cƣờng độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2.Với ƣu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời đầy tiềm năng này. Những năm gần đây, việc nghiên cứu, sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời đang đƣợc nhà nƣớc quan tâm. Tuy nhiên, dù có nguồn tài nguyên năng lƣợng mặt trời lớn nhƣng sau một thời gian phát triển, việc ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời vào cuộc sống cũng chƣa cao và chƣa đƣợc khai thác hiệu quả do thiếu kinh phí và chƣa đƣợc phổ biến rộng rãi. Tỉnh Quảng Ngãi là khu vực miền Trung của Việt Nam, nơi có tổng số giờ nắng và cƣờng độ bức xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ 5 kWh/m2/ngày), đƣợc đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lƣợng mặt trời. Do đó việc chọn đề tài “Thiết kế hệ thống Pin năng lượng mặt trời cấp điện cho trường Đại học Phạm Văn Đồng Quảng Ngãi”vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng điện nhƣng không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lƣới, đồng thời góp phần vào việc nghiên cứu và nhân rộng mô hình sử dụng năng lƣợng sạch trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi. 2 2. Mục đích nghiên cứu Xuất phát từ thực tế về nhu cầu năng lƣợng gần đây ở Việt Nam ngày càng tăng caodẫn đến tình trạng thiếu hụt điện năng và kết quả là ngành điện phải thực hiện tiết giảm điện, phải cắt điện luân phiên phụ tải sử dụng điện tại thời điểm thời tiết nắng nóng, khô hạn làm ảnh hƣởng đến nhu cầu sử dụng năng lƣợng. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu giải pháp sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời thành điện năng cung cấp cho tòa nhà của trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng, giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hoàn toàn nguồn năng lƣợng tiêu thụ từ lƣới điện đồng thời từng bƣớc góp phần tăng tỷ trọng sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời và giảm tác động đến môi trƣờng. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu - Nguồn bức xạ mặt trời tại nơi triển khai mô hình hệ thống điện dùng năng lƣợng mặt trời. - Nhu cầu điện năng trong các tòa nhà. - Hệ thống chiếu sáng tại toà nhà. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Tổng quan về năng lƣợng mặt trời. Khảo sát, phân tích hiện trạng sử dụng năng lƣợng tại toà nhà trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng, tìm hiểu các mô hình biến đổi năng lƣợng mặt trời thành điện năng để triển khai áp dụng tạitoà nhà trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Khảo sát thực địa. - Trên cơ sở phân tích lý thuyết và các mô hình biến đổi năng lƣợng mặt trời thành điện năng, kết hợp với phƣơng pháp tính toán triển khai tại toà nhàtrƣờng Đại học Phạm Văn Đồng. 5. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài Từ thực tiễn và cụ thể là những đặc điểm, đặc trƣng của năng lƣợng mặt trời trong bối cảnh nguồn năng lƣợng truyền thống ngày một cạn kiệt cùng với vấn đề ô nhiễm môi trƣờng bắt buộc con ngƣời phải đi tìm tòi khám phá và khai thác các nguồn năng lƣợng mới - nguồn năng lƣợng tái tạo thân thiện với môi trƣờng phục vụ cho nhu cầu năng lƣợng ngày một tăng của con ngƣời. Với quan niệm không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện năng từ lƣới, an toàn cho môi trƣờng”. Tác giả muốn nghiên cứu triển khai giải pháp ứng dụng nguồn năng 3 lƣợng mặt trời không chỉ tại toà nhà trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng mà còn ứng dụng cho các khu vực chƣa có nguồn điện lƣới và các tòa nhà có sử dụng nguồn năng lƣợng lớn trên địa bàn tỉnh nhƣ tòa nhà của các khách sạn, bệnh viện, trƣờng học,…. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn đƣợc trình bày thành 5 chƣơng và đƣa ra Kết luận: Chƣơng 1: Lý thuyết tổng quan về năng lƣợng mặt trời Trình bày lý thuyết tổng quan về năng lƣợng mặt trời, nguyên lý chuyển đổi quang năng thành điện năng, các loại vật liệu sử dụng trong pin năng lƣợng mặt trời, các yếu tố ảnh hƣởng đến sự phát điện của hệ thống năng lƣợng mặt trời, ... Chƣơng 2: Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Quảng Ngãi, tình hình sử dụng năng lƣợng tại toà nhà trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng Giới thiệu khái quát về Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Quảng Ngãi; Nêu Tình hình sử dụng năng lƣợng tại trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng - Quảng Ngãi, tìm hiểu hiện trạng cung cấp và tiêu thụ năng lƣợng tại trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng, đồng thời đo đạc, nắm bắt các số liệu cần thiết từ các thiết bị tiêu thụ năng lƣợng để phục vụ cho việc thiết kế. Chƣơng 3: Các mô hình sử dụng năng lƣợng mặt trời Trình bày các loại mô hình hệ thống năng lƣợng mặt trời, phân tích ƣu điểm và nhƣợc điểm của từng mô hình. Từ đó đƣa ra lựa chọn mô hình thiết kế cho hệ thống năng lƣợng mặt trời lắp đặt tại trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng. Chƣơng 4: Áp dụng tính toán thiết kế hệ thống năng lƣợng mặt trời cấp điện cho trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng. Áp dụng lý thuyết từ chƣơng đã trình bày. Sử dụng phần mềm PVsyst tiến hành tính toán, thiết kế hệ thống sử dụng năng lƣợng mặt trời tại trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng - Quảng Ngãi. Chƣơng 5:Mô phỏng hệ thống pin năng lƣợng mặt trời, phân tích kết quả. Tính toán chi phí dự án. 4 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu về năng lƣợng mặt trời Mặt trời - ngôi sao trong trung tâm Thái dƣơng hệ và là nguồn cung cấp năng lƣợng, ánh sáng tự nhiên cho Trái đất.Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lƣợng khổng lồ và một phần nguồn năng lƣợng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta.Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta.Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng sạch đƣợc xem là vô tận và nó là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng khác trên trái đất.Đối với cuộc sống con ngƣời, năng lƣợng mặt trời là 1 nguồn năng lƣợng tái tạo quý báu. Nguồn năng lƣợng thay thế này đã và đang đƣợc các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.Con ngƣời đã biết tận hƣởng nguồn năng lƣợng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm.Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lƣợng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lƣợng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Mặt trời là một khối khí hình cầu có đƣờng kính khoảng 1,4 triệu km (lớn hơn 110 lần đƣờng kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vƣợt qua khoảng này đến Trái đất). Thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao, nhiệt độ bề mặt khoảng 5762 oK. Bao gồm 92,1 % Hydro và gần 7,8 % Hêli, 0,1 % là các nguyên tố khác. Mỗi giây, mặt trời phát một khối năng lƣợng khổng lồ vào Thái Dƣơng Hệ. Tuy nhiên chỉ một phần nhỏ tổng lƣợng bức xạ đến đƣợc trái đất. Tuy nhiên phần năng lƣợng này đƣợc xem là vô cùng lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển của Trái Đất. Một phần bức xạ mặt trời phản xạ lại về không gian bề mặt các đám mây, 99% bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất. Trái đất chuyển động quanh Mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của nó.Thời gian quay một vòng quanh Mặt trời của Trái đất mất 365 ngày và 1/4 vòng quanh trục của nó.Chuyển động quay quanh Mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động quay quanh trục tạo nên ngày và đêm trên Trái đất.Trục quay của Trái đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đông và mùa hè. 5 Hình 1.1. Bên ngoài mặt trời Khí quyển Trái Đất là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và đƣợc giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất. Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng cách hấp thụ các bức xạ tia cực tím của mặt trời và tạo ra sự thay đổi về nhiệt độ giữa ngày và đêm. Bầu khí quyển không có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ trụ nhƣng mật độ không khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao. Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy lƣợng Ôzôn trong tầng thấp nhất của khí quyển (tầng đối lƣu hình 1.2) ngày càng tăng.Nhiệt lƣợng bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion và electron.Vì thế ngƣời ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này (hình 1.2). Hình 1.2. Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển Càng lên cao khí quyển càng mỏng và không có một ranh giới rõ ràng phân biệt giữa khí quyển của trái đất và không gian. Ngƣời ta xác định rằng khí quyển chuẩn của 6 trái đất có độ cao 800km. 1.2. Bức xạ mặt trời Nguồn năng lƣợng bức xạ của mặt trời chủ yếu là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro (4 hạt Hydro tổng hợp thành 1 hạt Heli và bức xạ ra năng lƣợng) Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bƣớc sóng. Độ dài bƣớc sóng (m) Hình 1.3. Dải bức xạ điện từ Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.3), từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lƣợng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bƣớc sóng dài. Nhƣ vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bƣớc sóng dài hơn.Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra. Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, đƣợc tính theo công thức: 4  T  2 q  φDT .C0 .   [W / m ]  100  Trong đó: D-T: hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời φ D T β2  4 (1.2) (1.3) 7 β - góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’ nhƣ hình 1.4 C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối. T ≈ 5762 oK - nhiệt độ bề mặt Mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối). Hình 1.4: Góc nhìn mặt trời 2  2.3,14.32    5762 4 360.60  q .5,76.( )  1353 [W / m2 ] (1.4) 4 100 Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhƣng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và đƣợc gọi là hằng số mặt trời. Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nƣớc và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lƣợng đƣợc truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên ôxy phân tử bình thƣờng O2 phân ly thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bƣớc sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ nhƣ các hạt rời rạc - photon) có năng lƣợng nhƣ vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tƣơng tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhƣng với mức độ thấp hơn so với ôxy, dƣới tác dụng của các photon với bƣớc sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân tách O3 thành O2 và O xảy ra. Nhƣ vậy hầu nhƣ toàn bộ năng lƣợng của bức xạ tử ngoại đƣợc sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lƣợng nhỏ hơn. 8 Hình 1.5. Quá trình truyền năng lƣợng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất Phần năng lƣợng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2 (hình 1.5). Yếu tố cơ bản xác định cƣờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đƣờng nó đi qua. Sự mất mát năng lƣợng trên quãng đƣờng đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5o (hình 1.6) và thực tế xem nhƣ không đổi trong không gian. Sự định hƣớng nhƣ vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm. 9 23,50 66,50 Cực Nam 23,5 0 23,50 23,50 Cực Bắc Cực Bắc Hình 1.6. Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm 1.3. Tính toán bức xạ năng lƣợng mặt trời Cƣờng độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đƣờng đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa phƣơng từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cƣờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đƣờng nó đi qua. Sự mất mát năng lƣợng trên quãng đƣờng đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phƣơng trình sau: 360.n   Eng  Eo 1  0,033.cos [W / m 2 ] (1.5)  365   Trong đó: Eng: bức xạ ngoài khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm. 1.3.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ Một số khái niệm cơ bản: - Hệ số khối không khí m: là tỷ số giữa khối lƣợng khí quyển theo phƣơng tia bức xạ truyền qua và khối lƣợng khí quyển theo phƣơng thẳng đứng (tức là khi Mặt trời ở thiên đỉnh). Nhƣ vậy m =1 khi Mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh θz là 600. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosθz. Còn đối với các góc θz >700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải đƣợc đƣa vào tính toán. Riêng đối với trƣờng hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m =0. - Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận đƣợc khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây là dòng bức xạ có hƣớng và có thể thu đƣợc ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ). - Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận đƣợc sau khi hƣớng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tƣợng, tán xạ còn đƣợc gọi là bức 10 xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra). - Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên một bề mặt nằm ngang, thƣờng gọi là bức xạ cầu trên bề mặt). - Cường độ bức xạ (W/m2): là cƣờng độ năng lƣợng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tƣơng ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cƣờng độ bức xạ cũng bao gồm cƣờng độ bức xạ trực xạ Etrx, cƣờng độ bức xạ tán xạ Etx và cƣờng độ bức xạ quang phổ Eqp. - Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lƣợng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, nhƣ vậy năng lƣợng bức xạ là một đại lƣợng bằng tích phân của cƣờng độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thƣờng là 1 giờ hay 1 ngày). - Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ƣớc giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của ngƣời quan sát. Giờ mặt trời là thời gian đƣợc sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ. Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể đƣợc xác định theo các góc đặc trƣng sau (hình 1.7.); - Góc vĩ độ φ: vị trí góc tƣơng ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đƣờng xích đạo trái đất, với hƣớng phía bắc là hƣớng dƣơng: - 900 ≤ φ ≤ 900 Hình 1.7. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng - Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phƣơng nằm ngang. 0 ≤ β ≤ 1800 (β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hƣớng xuống phía dƣới). - Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đƣờng kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hƣớng chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông. -1800 ≤ γ ≤ 1800 - Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của kinh tuyến địa phƣơng do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+).