Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống điện mặt trời độc lập tại tỉnh Thừa Thiên Huế

Chia sẻ: Xedapbietbay Xedapbietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:116

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT phù hợp với điều kiện khí hậu và phụ tải ngôi nhà (tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng, tính toán ắc quy lưu trữ, tính toán bộ chuyển đổi điện DC-AC, tính toán bộ điều khiển sạc). Tính toán công suất tối ưu hệ thống ĐMT độc lập (công suất pin mặt trời, công suất ắc quy) cho 3 vị trí tại trạm khí tượng: thành phố Huế, huyện Nam Đông và huyện A Lưới.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống điện mặt trời độc lập tại tỉnh Thừa Thiên Huế

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS. Khương Anh Sơn. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Huế, ngày 29 tháng 5 năm 2016 Tác giả Luận văn Nguyễn Hoàng Phương PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Huế, các thầy cô giáo phòng Đào tạo sau đại học, toàn thể các thầy cô giáo khoa Cơ khí - Công nghệ đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Khương Anh Sơn đã dành nhiều thời gian tâm huyết, trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài và hoàn chỉnh luận văn Thạc sĩ chuyên nghành Kỹ thuật Cơ khí và Cơ kỹ thuật. Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn gia đình và bạn bè đã luôn đồng hành, động viên, khích lệ, sẻ chia và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn. Huế, ngày 29 tháng 5 năm 2016 Tác giả Luận văn Nguyễn Hoàng Phương PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iii TÓM TẮT ĐỀ TÀI Lý do chọn đề tài Nước ta có tiềm năng khá lớn về nguồn năng lượng mặt trời (NLMT). Trong những năm gần đây, các hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLMT nói chung và hệ thống điện mặt trời (ĐMT) nói riêng đã được triển khai. Tuy nhiên, việc ứng dụng chưa phát triển, chưa được sâu rộng. Rào cản lớn của dạng năng lượng đầy tiềm năng này là giá thành chi phí đầu tư ban đầu khá cao. Đồng thời các nghiên cứu về ĐMT phục vụ sinh hoạt chưa nhiều, chưa tính hết sự phụ thuộc vào khí hậu cho từng khu vực, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật với việc phân tích kinh tế của hệ thống. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống ĐMT độc lập thỏa mãn được các điều kiện nêu trên là cần thiết nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống điện mặt trời độc lập tại tỉnh Thừa Thiên Huế”. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu thực trạng sử dụng hệ thống ĐMT tại Thừa Thiên Huế. - Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT phù hợp với điều kiện khí hậu và phụ tải ngôi nhà (tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng, tính toán ắc quy lưu trữ, tính toán bộ chuyển đổi điện DC-AC, tính toán bộ điều khiển sạc). - Tính toán công suất tối ưu hệ thống ĐMT độc lập (công suất pin mặt trời, công suất ắc quy) cho 3 vị trí tại trạm khí tượng: thành phố Huế, huyện Nam Đông và huyện A Lưới. Đối tượng nghiên cứu - Hệ thống ĐMT độc lập - Các hộ gia đình, đơn vị sản xuất công suất nhỏ Phạm vi nghiên cứu - Hệ thống ĐMT độc lập cung cấp điện cho phụ tải một ngôi nhà, hoặc phụ tải nhỏ ở một khu vực lựa chọn tại Thừa Thiên Huế. - 3 vị trí tại đài khí tượng thành phố Huế, huyện Nam Đông và A lưới Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập số liệu - Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết - Phương pháp chuyên gia - Phương pháp tính toán và phân tích PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iv Nội dung và kết quả nghiên cứu - Tính toán hệ thống ĐMT độc lập cho hộ gia đình - Tính toán các thành phần của hệ thống ĐMT độc lập cung cấp cho phụ tải ngôi nhà tại một khu vực của tỉnh Thừa Thiên Huế. - Tính toán công suất pin mặt trời, ắc quy của hệ thống ĐMT lập cho một khu vực tại Thừa Thiên Huế. - Phân tích chi phí vòng đời và tính kinh tế của hệ pin mặt trời - Thiết kế và tính toán trạm sạc NLMT cho xe điện tham quan Đại Nội Huế tại bến xe Nguyễn Hoàng, thành phố Huế. Kết luận - Tìm hiểu về thực trạng sử dụng NLMT trên thế giới, Việt Nam và tỉnh Thừa Thiên Huế. - Đánh giá hiện trạng sử dụng hệ thống ĐMT tại Thừa Thiên Huế. - Dùng thuật toán di truyền để tối ưu các thông số như công suất dàn pin mặt trời và công suất ắc quy. - Tính toán công suất và phân tích kinh tế cho các hệ thống ĐMT độc lập của các hộ ở 3 khu vực. - Thiết kế và tính toán trạm sạc NLMT cho xe điện tham quan Đại nội Huế tại bến xe Nguyễn Hoàng, thành phố Huế. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii TÓM TẮT ĐỀ TÀI ....................................................................................................... iii MỤC LỤC ....................................................................................................................... v DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................................xi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................... 1 2. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................................... 1 2.1. Mục tiêu chung ......................................................................................................... 1 2.2. Mục tiêu cụ thể ......................................................................................................... 1 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................... 2 3.1. Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................... 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................................... 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................ 3 1.1. Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu ........................................................................ 3 1.1.1. Khái niệm về năng lượng Mặt Trời ....................................................................... 3 1.1.2. Sự cần thiết phát triển năng lượng mặt trời ........................................................... 3 1.1.3. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời ................................................................. 3 1.1.4. Khái quát về Pin NLMT ........................................................................................ 4 1.2. Cơ sở thực tiễn của các vấn đề nghiên cứu ........................................................... 11 1.2.1 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới ......................................... 11 1.2.2. Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trong nước .......................................... 17 1.2.3. Trạm sạc năng lượng mặt trời cho xe ô tô điện ................................................... 31 1.2.4. Nhận xét và đề nghị hướng nghiên cứu ............................................................... 34 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................................................................... 36 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vi 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 36 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 36 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 36 2.2. Nội dung nghiên cứu chính .................................................................................... 36 2.3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 36 2.3.1. Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập số liệu ................................................. 36 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết .......................................................... 36 2.3.3. Phương pháp chuyên gia ..................................................................................... 37 2.3.4. Phương pháp tính toán và phân tích .................................................................... 37 CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .......................................... 38 3.1. Đặc điểm địa bàn nghiên cứu ................................................................................. 38 3.2. Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập .................................................................... 42 3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời độc lập .................. 42 3.2.2. Cấu trúc của hệ thống năng lượng mặt trời độc lập ............................................ 42 3.2.3. Những tiện ích mà điện năng lượng mặt trời mang lại........................................ 48 3.2.4. Tình hình phát triển điện mặt trời ở Thừa Thiên Huế ......................................... 49 3.3. Mô hình và thuật toán ............................................................................................. 57 3.3.1. Mô hình dàn pin Mặt Trời ................................................................................... 57 3.3.2. Mô hình ắc quy .................................................................................................... 58 3. 3.3. Mô hình độ tin cậy .............................................................................................. 58 3.3.4. Mô hình kinh tế ................................................................................................... 59 3.3.5. Hàm mục tiêu và hàm ràng buộc ......................................................................... 60 3.4. Áp dụng các thuật toán di truyền trong tính toán tối ưu hệ thống NLMT. ............ 61 3.4.1. Thuật toán di truyền ............................................................................................. 61 3.4.2. Kết quả tính toán tỷ lệ tối ưu từ thuật toán di truyền .......................................... 62 3.5. Thiết kế mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập cho hộ gia đình ...... 65 3.5.1. Hệ thống điện mặt trời độc lập ............................................................................ 65 3.5.2. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................. 67 3.5.3. Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT độc lập ........................... 68 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vii 3.5.4. Tính toán hệ thống ĐMT cho các hộ dân tại ở thành phố Huế năm 2015 .......... 72 3.5.5. Tính toán hệ thống ĐMT cho một hộ dân tại huyện Nam Đông và huyện A Lưới năm 2015 ....................................................................................................................... 84 3.5.6. Tính toán công suất hệ thống ĐMT có xét đến ảnh hưởng của tỷ lệ lạm phát và chiết khấu ....................................................................................................................... 85 3.5.7. Tính toán trạm sạc năng lượng mặt trời cho xe điện tại bến xe Nguyễn Hoàng . 90 3.6. Nhận xét và thảo luận ............................................................................................. 95 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 97 5.1. Kết luận................................................................................................................... 97 5.2. Kiến nghị ................................................................................................................ 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 98 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
viii DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải nghĩa AQ : Ắc quy BCĐ : Bộ chuyển đổi nguồn điện BD&SC : Bảo dưỡng và sửa chữa CPVĐ : Chí phí vòng đời PAQ : Dung lượng ắc quy ĐMT : Điện mặt trời LOLH : Độ tin cậy cung cấp điện NLMT : Năng lượng mặt trời NL : Năng lượng NLTT : Năng lượng tái tạo GA : Thuật toán di truyền SOC : Tình trạng sạc điện PV :Tấm pin quang điện PMT : Pin mặt trời PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Xếp hạng các nhà máy điện mặt trời làm việc trên nguyên lý công nghệ quang điện...................................................................................................................... 16 Bảng 1.2. Số liệu về bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam ...................................................... 19 Bảng 1.3. Lượng tổng bức xạ Mặt Trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta, đơn vị: MJ/m2/ngày.................................................... 20 Bảng 3.1. Tần suất (%) xuất hiện lượng mưa tháng ≥ 100mm ..................................... 39 Bảng 3.2. Lượng mây tổng quan trung bình.................................................................. 40 Bảng 3.3. Số ngày nhiều mây trung bình ...................................................................... 40 Bảng 3.4. Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm .................................................. 41 Bảng 3.5. Các thông số kỹ thuật của mô đun pin Mặt Trời .......................................... 44 Bảng 3.6. Các tham số mô phỏng của ắc quy................................................................ 58 Bảng 3.7. Kích thước tối ưu của hệ thống NLMT độc lập tai 3 khu vực Khu vực thành phố Huế.......................................................................................................................... 63 Bảng 3.8. Chi phí của các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập .......................... 71 Bảng 3.9. Nhu cầu sử dụng các thiết bị điện của ngôi nhà ........................................... 72 Bảng 3.10. Lựa chọn các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 1 ..... 74 Bảng 3.11. Nhu cầu sử dụng các thiết bị điện của ngôi nhà ......................................... 76 Bảng 3.12. Tính toán công suất trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 2 .............. 77 Bảng 3. 13. Lựa chọn các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 2 .... 77 Bảng 3.14. Chi phí các thành phần của hệ thống NLMT cho hộ dân 2. ....................... 78 Bảng 3.15. Nhu cầu sử dụng các thiết bị điện của ngôi nhà ......................................... 78 Bảng 3. 16. Tính toán công suất trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 2 ............. 79 Bảng 3. 17. Lựa chọn các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 3 .... 79 Bảng 3.18. Chi phí các thành phần của hệ thống NLMT cho hộ dân 3. ....................... 80 Bảng 3.19. Bảng tổng hợp các chi phí của ba ngôi nhà (VNĐ) .................................... 81 Bảng 3.20. Bảng chi phí 1 kW tiền điện dùng điện lưới ............................................... 82 Bảng 3.21. So sánh cho phí 1 kWh của các hộ khi dùng hệ thống ĐMT và điện lưới . 83 Bảng 3.22. Nhu cầu sử dụng các thiết bị điện ngôi nhà của hộ dân 1 ........................... 84 Bảng 3.23. Tính toán công suất trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 1 .............. 84 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
x Bảng 3.24. Tính toán công suất trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 1 .............. 84 Bảng 3.25. Tính toán công suất trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 1 .............. 85 Bảng 3.26. Tính toán các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập ........................... 85 Bảng 3.27. Tính toán các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập ........................... 86 Bảng 3.28. Tính toán các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập ........................... 87 Bảng 3.29. Tính toán các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập ........................... 88 Bảng 3.30. Tính toán các thành phần trong một trạm sạc xe điện ................................ 94 Bảng 3.31. Tính toán các thành phần trong ba trạm sạc xe điện ................................... 94 Bảng 3.32. Tính toán chi phí các thành phần trong ba trạm sạc xe điện ....................... 94 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
xi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Hệ 2 mức năng lượng ...................................................................................... 4 Hình 1.2. Các vùng năng lượng ....................................................................................... 5 Hình 1.3. Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời ........................................................... 6  (Eg ) Hình 1.4. Quan hệ ................................................................................................. 7 Hình 1.5. Pin mặt trời ...................................................................................................... 7 Hình 1.6. Quá trình tạo Mô đun ...................................................................................... 8 Hình 1.7. Cấu tạo Mô đun Mặt Trời ................................................................................ 9 Hình 1.8.Tình hình xây dựng các nhà máy ĐMT trong các năm 2001-2015 ............... 12 Hình 1.9. Đầu tư và công suất điện pin Mặt Trời xây dựng thêm hàng năm (GW) trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013 ....................................................................................... 13 Hình 1.10. Diễn biến chi phí 1 Wp điện mặt trời và xây dựng các tấm pin trên thế giới ....................................................................................................................................... 13 Hình 1.11. Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ ............................................................. 15 Hình 1.12. Các tấm pin silicon tại trạm điện Mặt trời nổi Kasai Nhật Bản ................. 16 Hình 1.13. Bản đồ bức xạ mặt trời của Việt Nam. ........................................................ 18 Hình 1.14. Bếp nấu ăn NLMT . .................................................................................... 22 Hình 1.15. Bếp nấu ăn kiểu hộp .................................................................................... 22 Hình 1.16. Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tại Bệnh viện Đa khoa Gia Đình Đà Nẵng ......................................................................................................................... 23 Hình 1.17. Máy sấy lúa dùng NLMT do Giáo viên trường Đại học Nông Lâm Huế thiết kế ........................................................................................................................... 24 Hình 1.18. Thiết bị chưng lọc nước ngọt từ nước biển, sử dụng năng lượng Mặt Trời 25 Hình 1.19. Khởi công Dự án cung cấp điện điện bằng NLMT tại Quảng Bình............ 26 Hình 1.20. Khởi công xây dựng nhà máy điện mặt trời Thiên Tân tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi ........................................................... 26 Hình 1.21. Dàn pin và ắc quy rích trữ điện năng tại Đồn Biên Phòng Khiểng Phước . 29 Hình 1.22. Hệ thống bơm trực tiếp từ nắng 1.5HP để phục vụ tưới tiêu cho vườn thanh long . .............................................................................................................................. 30 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
xii Hình 1.23. Dàn pin NLMT và bộ chuyển đổi tại khu công nghiệp Nhơn TRạCH Đồng Nai ................................................................................................................................ 30 Hình 1.24. Hệ thống các cột đèn điện sử dụng điện Mặt Trời . ................................... 31 Hình 1.25. Hệ thống điện mặt trời trên nóc tòa nhà Bộ công thương Hà Nội . ............ 31 Hình 1.26. Trạm sạc ô tô điện Tesla tại Mỹ .................................................................. 32 Hình 1.27. Trạm sạc Energies-sol ................................................................................. 33 Hình 1.28. Trạm sạc NLMT của hãng xe BMW ........................................................... 33 Hình 1.29. Trạm sạc NLMT của hãng xe Mitsubishi .................................................... 34 Hình 1.30. Trạm sạc NLMT của hãng xe Toyota ......................................................... 34 Hình 3.1. Biểu đồ của hệ thống NLMT độc lập ............................................................ 43 Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống ĐMT độc lập cho ngôi nhà................................................... 43 Hình 3.3. Ắc quy............................................................................................................ 45 Hình 3.4. Bộ điều khiển sạc cho pin mặt trời ................................................................ 47 Hình 3.5. Bộ kích điện DC-AC ..................................................................................... 48 Hình 3.6. Chuyển mạch tự động .................................................................................... 48 Hình 3.7. Nhiệt độ trung bình của Thừa Thiên Huế năm 2013 .................................... 49 Hình 3.8. Nhiệt độ trung bình của Thừa Thiên Huế năm 2014 ..................................... 50 Hình 3.9. Nhiệt độ trung bình của Thừa Thiên Huế năm 2015. .................................... 50 Hình 3.10. Hệ thống pin NLMT ở bán đảo Sơn Chà, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế................................................................................................................................. 51 Hình 3.11. Đèn NLMT thắp sáng bán đảo Sơn Chà, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế................................................................................................................................. 51 Hình 3.12. Hệ thống năng lượng điện mặt trời tại Đồn Biên Phòng Hồng Thái huyện A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế với công suất 4 kW ........................................................... 52 Hình 3.13. Hệ thống năng lượng mặt trời tại khách sạn Riverside Resort Huế. ........... 52 Hình 3.14. Dàn pin được lắp trên tàu cá ở huyện Phú Lộc .......................................... 53 Hình 3.15. Cột đèn chiếu sáng đường phố sử dụng pin NLMT tại đường Tôn Đức Thắng, Tp. Huế .............................................................................................................. 54 Hình 3.16. Cột đèn tín hiệu giao thông ứng dụng pin NLMT tại đường Tăng Bạt Hổ,Tp. Huế .................................................................................................................... 54 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
xiii Hình 3.17. Cột đèn tín hiệu giao thông ứng dụng NLMT tại đường Đào Duy Anh, Tp.Huế ........................................................................................................................... 55 Hình 3.18. Cột đèn vàng tại ngã tư Phạm Văn Đồng và Lưu Hữu Phước, Tp.Huế ...... 55 Hình 3.19. Đèn NLMT tại Trung tâm bảo trợ trẻ em ở Thủy Xuân, Tp.Huế ............... 55 Hình 3.20. Hệ thống nước nóng NLMT 10.000 lít tại khách sạn MORIN ở Huế........... 57 Hình 3.21. Bản đồ địa lý các huyên của tỉnh Thừa Thiên Huế ..................................... 62 Hình 3.22. Góc nghiêng  của hệ thống ĐMT .............................................................. 67 Hình 3.23. Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời ............................................................... 68 Hình 3.24. Biểu đồ so sánh chi phí 1kW điện khi dùng điện NLMT và điện lưới ....... 83 Hình 3.25. So sánh ảnh hưởng của tỷ lệ lạm phát và tỉ lệ lãi suất đến công suất của hệ thống NLMT độc lập ..................................................................................................... 86 Hình 3.26. So sánh ảnh hưởng của tỷ lệ lạm phát và tỉ lệ lãi suất đến công suất của hệ thống NLMT độc lập ..................................................................................................... 87 Hình 3.27. So sánh ảnh hưởng của tỷ lệ lạm phát và tỉ lệ lãi suất đến công suất của hệ thống NLMT độc lập ..................................................................................................... 88 Hình 3.28. So sánh ảnh hưởng của tỷ lệ lạm phát và tỉ lệ lãi suất đến công suất của hệ thống NLMT độc lập ..................................................................................................... 89 Hình 3.29. So sánh ảnh hưởng của tỷ lệ lạm phát và tỉ lệ lãi suất đến công suất của hệ thống NLMT độc lập ..................................................................................................... 89 Hình 3.30. Dàn xe điện phục vụ tham quan Đại Nội Huế ............................................. 90 Hình 3.31. Bến xe Nguyễn Hoàng – Nơi tập kết đưa đón khách của xe điện ............... 91 Hình 3.32. Trạm sạc SUDI ............................................................................................ 92 Hình 3.33. Mô hình trạm sạc cho xe điện tại bến xe Nguyễn Hoàng, TP. Huế ............ 95 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Năng lượng mới là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia khi nguồn năng lượng hóa thạch có hạn, khiến nguy cơ thiếu năng lượng trầm trọng. Việc tìm kiếm và khai thác nguồn năng lượng mới là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng đối với các nước. Những chất thải từ các nguồn năng lượng hóa thạch đã ảnh hưởng lớn đến môi trường. Vì vậy, điện NLMT được xem là lựa chọn thay thế điện lưới quốc gia ở các nơi phát triển điện lưới không khả thi về mặt kinh tế. Nước ta có tiềm năng khá lớn về nguồn NLMT. Trong những năm gần đây, các hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLMT nói chung và hệ thống ĐMT nói riêng đã được triển khai. Tuy nhiên, việc ứng dụng chưa phát triển, chưa được sâu rộng mà mới chỉ dừng ở quy mô các dự án dành cho người nghèo được chính phủ và các tổ chức nước ngoài tài trợ. Hoặc một số cơ quan nhà nước, các hộ gia đình đã tự phát và đi tiên phong trong vấn đề sử dụng. Một trong những rào cản lớn của dạng năng lượng đầy tiềm năng này là giá thành chi phí đầu tư ban đầu khá cao, đại đa số người dân chưa nhận thức được lợi ích của nó, chưa tìm hiểu kỹ công nghệ, tính năng kỹ thuật và quy trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị nên chưa mặn mà với việc đầu tư xây dựng. Đồng thời các nghiên cứu về hệ thống ĐMT phục vụ sinh hoạt chưa nhiều, chưa tính hết sự phụ thuộc vào khí hậu cho từng khu vực, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật với việc phân tích kinh tế của hệ thống. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống ĐMT độc lập thỏa mãn được các điều kiện nêu trên là cần thiết nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống điện mặt trời độc lập tại tỉnh Thừa Thiên Huế”. 2. Mục tiêu của đề tài 2.1. Mục tiêu chung Nghiên cứu thiết kế hệ thống ĐMT độc lập nhằm thỏa mãn chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật phù hợp với điều kiện khí tượng của từng vùng tại Thừa Thiên Huế để làm cơ sở xây dựng các giải pháp thúc đẩy phát triển sử dụng NLMT cho phát điện. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu thực trạng sử dụng hệ thống ĐMT tại Thừa Thiên Huế. - Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT phù hợp với điều kiện khí hậu và phụ tải ngôi nhà (Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng, Tính toán ắc quy lưu trữ, Tính toán bộ chuyển đổi nguồn điện, Tính toán bộ điều khiển sạc) cho 3 vị trí tại trạm khí tượng: thành phố Huế, huyện Nam Đông và huyện A lưới. - Tính toán công suất tối ưu hệ thống ĐMT độc lập (công suất pin mặt trời, công suất ắc quy) cho một khu vực tại Thừa Thiên Huế. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
2 - Thiết kế và tính toán trạm sạc NLMT cho xe điện tham quan Đại nội Huế tại bến xe Nguyễn Hoàng, thành phố Huế. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nhiên cứu của đề tài làm cơ sở khoa học cho sự phát triển nghiên cứu ứng dụng khai thác ĐMT. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả tính toán, thiết kế hệ thống ĐMT độc lập phù hợp với điều kiện thời tiết một số vùng của Thừa Thiên Huế, thỏa mãn chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật. - Giúp cho các cán bộ kỹ thuật, người dân hiểu rõ được tính năng kỹ thuật của hệ thống, từ đó dễ dàng lựa chọn và vận hành, bảo dưỡng thiết bị. - Góp phần khuyến khích thúc đẩy phát triển ứng dụng khai thác ĐMT tại Thừa Thiên Huế để bảo vệ môi trường. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu 1.1.1. Khái niệm về năng lượng mặt trời Năng lượng (NL) mặt trời thu được trên trái đất là NL của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng NL này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Có thể trực tiếp thu lấy NL này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển NL các photon của mặt trời thành điện năng, như trong pin mặt trời. NL của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước nóng bằng mặt trời, hoặc làm sôi nước trong các nhà máy nhiệt điện của tháp mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa mặt trời. 1.1.2. Sự cần thiết phát triển năng lượng mặt trời Trong quá trình phát triển, các quốc gia luôn đặt vấn đề an toàn NL lên hàng đầu. Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống của người dân ngày càng tăng cao nên nhu cầu sử dụng NL ngày càng tăng. Nguồn NL truyền thống đang sử dụng chủ yếu là dầu, than đá, khí ga. Nguồn NL hóa thạch này đang được khai thác và sử dụng mạnh mẽ nên đang cạn kiệt dần, dẫn đến mất an ninh NL ở nhiều quốc gia, khu vực và quốc tế; Việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch quá mức đã phát thải khí nhà kính làm trái đất nóng lên gây ra biến đổi khí hậu đã tác động không nhỏ đến đời sống, môi trường của con người; Sự biến động giá cả của dầu mỏ trên thế giới đã tác động đến giá của nguồn cung NL.Vì vậy, việc phát triển khai thác năng lượng tái tạo (NLTT), đặc biệt là NLMT đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển. 1.1.3. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời Ngày nay, con người đã ứng dụng NLMT trong nhiều lĩnh vực như: sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc NLMT, chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng và sinh hoạt, bình nước nóng, sấy thực phẩm, nấu ăn, chạy và sạc xe điện (xe ô tô, xe đạp), sản xuất hydro, sưởi ấm, máy bay, đèn giao thông, chiếu sáng, đồng hồ, bảng quảng cáo, sạc pin, thuyền, túi xách, sân vận động,… [5]. Người ta sử dụng 2 công nghệ để phát điện đó là: Công nghệ quang điện và Công nghệ hội tụ NLMT. Công nghệ NLMT có 2 hình thức hoạt động, hoặc thụ động, hoặc chủ động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối NLMT. Kỹ thuật NLMT chủ động bao gồm việc sử dụng các tấm pin quang điện và các tấm thu nhiệt để khai thác NL. Còn kỹ thuật NLMT thụ động có thể minh họa bằng việc hướng một tòa nhà về phía mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc ánh sáng phân tán PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
4 và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên trong ngôi nhà đó để khai thác một cách hiệu quả lượng nhiệt thu được từ mặt trời. 1.1.4. Khái quát về Pin NLMT Pin NLMT thường gọi là pin mặt trời hay pin quang điện, bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. 1.1.4.1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên, cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Xét một hệ 2 mức NL điện tử E1 < E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có NL hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức NL E2. Ta có phương trình cân bằng NL: Hình 1.1. Hệ 2 mức năng lượng Hv = E2 – E1 Trong các vật thể rắn, do tương tác rất, mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức NL của nó bị tách ra nhiều mức sát nhau và tạo thành các vùng NL. Vùng NL thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức NL Ev. Vùng NL phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có NL là Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với NL là Eg, trong đó không có mức NL cho phép nào của điện tử . Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có NL hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
5 Hình 1.2. Các vùng năng lượng Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình: Ev +hv → e- + h+ Điều kiện để điện tử có thể hấp thu NL của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/>= Ec – Ev. Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+: c = hc h = c = 1,24 (m) Ec − Ev E g Eg Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng NL: điện tử e- giải phóng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - 10-1giây và gây ra dao động mạnh (photon). NL bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg. Tóm lại, khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặ hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
6 Hình 1.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 1.1.4.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết  của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống 2 mức sau: c Eg  J 0 ( )d =  0  hc   J ( )   d 0 0 Trong đó: J 0 ( ) là mật độ photon có bước  ; J 0 ( )d là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng  :  + d ; hc /  là NL của photon; PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
7 c Eg =  J 0 ( )d là NL hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình 0  quang điện,  J 0 ( ) hc  d là tổng NL của các photon tới hệ. 0    Như vậy hiệu suất  là một hàm của E g (hình1.4). Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất   0.44 Hình 1.4. Quan hệ giữa hiệu suất và năng lượng hữu ích 1.1.4.3. Cấu tạo pin mặt trời Hiện nay nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ các tinh thể silic chia thành 3 loại: * Đơn tinh thể mô đun sản xuất dựa trên quá trình Crochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có mặt trống ở góc nối các mô đun [12] Hình 1.5. Pin mặt trời PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma