BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TÓM TẮT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
THUỘC CHƯƠNG TRÌNH
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2018
XÁC LẬP MÔ HÌNH VÀ CÁC THÔNG SỐ
CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
LIÊN THÔNG HYBRID BIOGAS-NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU
KIỆN SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG Ở NÔNG
THÔN VIỆT NAM
Mã số: CTB2018-DNA.04
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. BÙI THỊ MINH TÚ
Đà Nẵng, 07/2020
DANH SÁCH THAM GIA
• Các cá nhân tham gia:
o PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu, Khoa Điện, Trường Đại học Bách
khoa, Đại học Đà Nẵng.
o ThS. Võ Anh Vũ, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học
Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
o TS. Cao Xuân Tuấn, Đại học Đà Nẵng.
o TS. Lê Minh Tiến, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học
Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
o ThS. Trần Anh Tuấn, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa,
Đại học Đà Nẵng.
o KS. Vũ Vân Thanh, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại
học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
• Đơn vị phối hợp chính:
o Trung tâm Năng lượng mới, Trường Đại học Bách khoa, Đại
học Đà Nẵng
i
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................ 3
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................. 3
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................... 4
5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI ......................................................................................... 5
CHƯƠNG 1 ..................................................................................................... 7
TỔNG QUAN .................................................................................................. 7
Tình hình nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo trên thế 1.1
giới ........................................................................................ 7
Tình hình nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo ở Việt 1.2
Nam ....................................................................................... 8
Cơ cấu nguồn điện ở Việt Nam và quy hoạch phát triển đến 1.3
năm 2030 .............................................................................. 8
Một số mô hình năng lượng tái tạo đang được sử dụng ..... 11 1.4
Kết luận chương .................................................................. 11 1.5
CHƯƠNG 2 ................................................................................................... 12
KHẢO SÁT NHU CẦU NĂNG LƯỢNG CHO SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG
Ở MỘT SỐ KHU VỰC NÔNG THÔN VIỆT NAM .................................. 12
Tình hình tiêu thụ điện của hộ gia đình .............................. 12 2.1
Tình hình tiêu thụ điện của hộ sản xuất kinh doanh ........... 12 2.2
Tình hình tiêu thụ điện của hộ chăn nuôi ........................... 12 2.3
Dự báo tăng trưởng nhu cầu tiêu thụ điện và mức công suất 2.4
đỉnh ..................................................................................... 12
ii
2.5 Kết luận chương .................................................................. 12
CHƯƠNG 3 ................................................................................................... 13
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG TÁI TẠO ........................................................................................ 13
Tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam .......... 13 3.1
Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống năng lượng mặt trời .. 15 3.2
Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống năng lượng biogas .... 15 3.3
Kết luận chương .................................................................. 15 3.4
CHƯƠNG 4 ................................................................................................... 17
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HYBRID PHÙ HỢP VỚI CÁC
YÊU CẦU SỬ DỤNG Ở NÔNG THÔN VIỆT NAM ................................ 17
Hệ thống năng lượng tái tạo qui mô nhỏ ............................ 17 4.1
Đề xuất mô hình phối hợp năng lượng mặt trời và năng 4.2
lượng biogas ....................................................................... 18
Thiết kế hệ thống phối hợp năng lượng mặt trời và năng 4.3
lượng biogas ....................................................................... 19
Thiết kế phần cứng .............................................................. 22 4.4
Thiết kế phần mềm .............................................................. 25 4.5
Kết luận chương .................................................................. 28 4.6
CHƯƠNG 5 ................................................................................................... 29
THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .............. 29
Thi công hệ thống ............................................................... 29 5.1
Vận hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống ....................... 31 5.2
Kết luận chương .................................................................. 33 5.3
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................... 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 36
iii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Đơn vị: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Xác lập mô hình và các thông số cơ bản của hệ thống năng
lượng liên thông hybrid biogas-năng lượng mặt trời phù hợp với điều kiện sản
xuất và đời sống ở nông thôn Việt Nam.
- Mã số: CTB2018-DNA.04
- Chủ nhiệm: PGS.TS. Bùi Thị Minh Tú
- Thành viên tham gia:
o PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu, Khoa Điện, Trường Đại học Bách
khoa, Đại học Đà Nẵng.
o ThS. Võ Anh Vũ, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học
Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
o TS. Cao Xuân Tuấn, Đại học Đà Nẵng.
o TS. Lê Minh Tiến, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học
Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
o ThS. Trần Anh Tuấn, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa,
Đại học Đà Nẵng.
o KS. Vũ Vân Thanh, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại
học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
- Cơ quan chủ trì: Đại học Đà Nẵng
- Thời gian thực hiện: từ tháng 8 năm 2018 đến tháng 8 năm 2020.
2. Mục tiêu:
Xác lập thông số đầu vào để tính toán, thiết kế hệ thống năng lượng hybrid biogas-năng lượng mặt trời phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau.
iv
3. Tính mới và sáng tạo:
Các giải pháp sử dụng năng lượng tái tạo ở nước ta hiện nay đa phần là các
giải pháp độc lập. Các nguồn năng lượng này được sử dụng riêng lẽ, phần năng
lượng dư thừa được tích lũy trong bình điện. Đề tài đã nghiên cứu, thiết kế hệ
thống điều khiển kết hợp năng lượng mặt trời và biogas để cung cấp điện năng
phù hợp với điều kiện sản xuất và đời sống ở nông thôn. Hai nguồn năng lượng
này liên thông với nhau. Ban ngày công suất điện mặt trời dư thì dùng để sản
xuất hydrogen. Ban đêm nguồn hydrogen này được dùng để làm giàu biogas
chạy máy phát điện. Hệ thống hoàn toàn tự động, đảm bảo tính ổn định trong
việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng điện.
Hệ thống kết hợp năng lượng tái tạo liên thông như vậy sẽ hoạt động hiệu
quả hơn hệ thống năng lượng tái tạo độc lập.
4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu:
Đề tài đã khảo sát tình hình sử dụng điện thực tế của các hộ gia đình,
hộ kinh doanh và hộ chăn nuôi ở Hòa Vang (Đà Nẵng), Cẩm Thanh (Hội An)
và Phong Điền (Huế) nhằm xác định mức công suất đỉnh của các hệ thống năng
lượng mặt trời phù hợp. Đề tài cũng thiết kế hệ thống điều khiển phối hợp các
nguồn năng lượng mặt trời và biogas hoàn toàn tự động, có tính ổn định cao.
5. Sản phẩm:
- 01 bài báo trong tạp chí quốc tế (danh mục SCOPUS):
[1] Minh Quan Duong, Le Hong Lam, Bui Thi Minh Tu, Giap Quang
Huy, and Nguyen Huu Hieu, “A Combination of K-Mean Clustering and Elbow
Technique in Mitigating Losses of Distribution Network”, GMSARN
International Journal 13 (2019) 153 - 158.
- 01 bài báo trong tạp chí quốc gia:
[1] Bùi Thị Minh Tú, “Xác lập mô hình và các thông số cơ bản của hệ
thống năng lượng mặt trời phù hợp với điều kiện đời sống ở nông thôn Việt
v
Nam”, Tạp chí Khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng. Vol. 17, No. 9, 2019,
trang 40-44.
- Sản phẩm đào tạo: 1 học viên cao học đã bảo vệ:
[1] Ngô Thị Ánh Tuyết, đề tài: “Nghiên cứu giải pháp phối hợp năng
lượng mặt trời và điện lưới trong sinh hoạt”, năm bảo vệ: 2019.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả
năng áp dụng:
Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để xây dựng các hệ thống
năng lượng tái tạo liên thông tại khu vực nông thôn miền Trung Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho
sinh viên đại học và sau đại học cũng như các nghiên cứu liên quan khác.
Ngày tháng 7 năm 2020
Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài
PGS.TS. Bùi Thị Minh Tú
vi
RESEARCH RESULT INFORMATION
1. General information:
- Project title: Establishing models and basic parameters of the biogas-solar
hybrid energy system applying in rural Vietnam area.
- Code number: CTB2018-DNA.04
- Project Leader: Bùi Thị Minh Tú
- Members:
o Assoc.Prof.Dr. Nguyễn Hữu Hiếu, Faculty of Electric, Danang
University of Science and Technology, University of Danang.
o Msc. Võ Anh Vũ, Faculty of Transportation, Danang
University of Science and Technology, University of Danang.
o Dr. Cao Xuân Tuấn, University of Danang.
o Dr. Lê Minh Tiến, Faculty of Transportation, Danang
University of Science and Technology, University of Danang.
o Msc. Trần Anh Tuấn, Faculty of Electric, Danang University
of Science and Technology, University of Danang.
o Eng. Vũ Vân Thanh, Faculty of Electronic and
Telecommunication, Danang University of Science and
Technology, University of Danang.
- Implementing institution: The University of Danang
- Duration: from 08/2018 to 08/2020
2. Objective(s):
Establishing input parameters to calculate and design a hybrid biogas-solar
energy system which is suitable for different purposes.
3. Creativeness and innovativeness:
Most of renewable energy solutions today are independent ones. These energy
sources are used individually, the excess energy is accumulated in the battery
vii
or wasted. This project has studied and designed control systems for combining
solar energy and biogas energy to provide electricity which is suitable for
production conditions and rural life. These two energies are connected. During
the day, excess solar power is used to produce hydrogen. At night this hydrogen
is used to enrich biogas to generate electricity. The system is fully automated,
ensuring stability in providing energy for electrical equipment.
Such a combined renewable energy system is more efficient than an
independent renewable energy system.
4. Research results:
This project collected the actual electricity use of households, small
business and farms in Hoa Vang (Da Nang), Cam Thanh (Hoi An) and Phong
Dien (Hue) to determine the peak power of suitable solar systems. The project
also designed the control system to coordinate solar and biogas sources. The
designed systems can operate automatically, with high stability.
5. Products:
- 01 international article:
[1] Minh Quan Duong, Le Hong Lam, Bui Thi Minh Tu, Giap Quang
Huy, and Nguyen Huu Hieu, “A Combination of K-Mean Clustering
and Elbow Technique in Mitigating Losses of Distribution Network”,
GMSARN International Journal 13 (2019) 153 - 158.
- 01 national article:
[1] Bùi Thị Minh Tú, “Xác lập mô hình và các thông số cơ bản của hệ
thống năng lượng mặt trời phù hợp với điều kiện đời sống ở nông thôn
Việt Nam”, Tạp chí Khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng. Vol. 17,
No. 9, 2019, pp. 40-44.
- Educational result: 1 graduate student successfully defended:
viii
[1] Ngô Thị Ánh Tuyết, Project title: “Nghiên cứu giải pháp phối hợp
năng lượng mặt trời và điện lưới trong sinh hoạt”, Year: 2019.
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
The proposed model can be installed for households in rural areas in
Central Vietnam.
Research results can be used as reference material for postgraduate
and graduate students as well as and other related studies.
ix
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việt Nam là một trong 5 quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến
đổi khí hậu. Hạn hán bất thường, thiếu nước ngọt cho sản xuất và đời sống, xâm
nhập mặn, nước biển dâng lấn chiếm một số vùng đất vùng Tây Nam Bộ…
trong những năm gần đây đã cho thấy những tác động của biến đổi khí hậu đến
nước ta sớm hơn dự kiến. Hơn ai hết, chúng ta cần có những chủ trương, quyết
sách về chiến lược an ninh năng lượng để đảm bảo sự phát triển bền vững của
đất nước.
Nước ta đã khai thác gần như hết tiềm năng thủy điện. Chính phủ đã quyết
định dừng dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Ninh Thuận. Tương lai
năng lượng nước ta phụ thuộc nhiều vào các nguồn năng lượng tái tạo. Sự tồn
tại bền vững của loài người trên hành tinh phụ thuộc vào sự bền vững của nguồn
năng lượng. Các quốc gia phát triển đang đẩy mạnh việc tìm kiếm và ứng dụng
các nguồn năng lượng tái tạo để giảm dần sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, cấu trúc lại cơ cấu năng lượng trong
đó nhiên liệu tái tạo thay thế dần nhiên liệu hóa thạch sẽ kéo dài thời gian ổn
định của nhiệt độ bầu khí quyển tránh hiểm họa bùng nổ khí hậu, ảnh hưởng
đến sự tồn vong của loài người văn minh trên quả đất. Đó là những cam kết của
COP21 mà Việt Nam là một trong những quốc gia tham gia.
Các quốc gia công nghiệp phát triển đã bắt đầu sử dụng điện năng từ năng
lượng mặt trời và sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Nguồn
biogas cung cấp cho các động cơ này thường lấy từ các trạm sản xuất tập trung.
Các quốc gia đang phát triển trong đó có Việt Nam, nguồn biogas rất phân tán,
1
qui mô thay đổi trong phạm vi rộng. Trong những năm gần đây, nhóm nghiên
cứu Động cơ biogas của Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu phát triển công nghệ
cải tạo động cơ truyền thống thành động cơ biogas để kéo máy phát điện ở nông
thôn. Công nghệ này phát huy tác dụng tốt ở các trại chăn nuôi, nơi có nguồn
biogas đủ lớn. Ở các hộ gia đình, do hầm biogas có dung tích bé nên nếu chỉ sử
dụng nguồn biogas thì không đủ công suất mà cần phối hợp sử dụng với một
nguồn năng lượng khác, trong đó điện mặt trời rất nhiều hứa hẹn.
Mới đây nhất, ngày 11/4/2017 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết
định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt
trời tại Việt Nam. Điều này cho thấy quyết tâm của Chính phủ trong tìm kiếm
các nguồn năng lượng tái tạo thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống
để đảm bảo an ninh năng lượng. Bên cạnh các dự án điện mặt trời lớn, việc
nghiên cứu sử dụng hiệu quả điện mặt trời ở qui mô nhỏ, phân tán cũng là giải
pháp thiết thực, phù hợp với lợi thế nước ta.
Nước ta có gần 75% dân số sống ở nông thôn. Nhu cầu năng lượng cho sản
xuất và đời sống ở khu vực này rất lớn nhưng phân tán. Nếu áp dụng giải pháp
năng lượng tái tạo giúp cho mỗi hộ dân vùng nông thôn có thể tự túc được năng
lượng cho sản xuất và sinh hoạt thì nước ta tiết kiệm được một lượng lớn điện
năng sản xuất từ các nguồn năng lượng khác.
Việc kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo điện mặt trời, điện gió, biogas,
thủy điện nhỏ cũng đã được áp dụng ở nước ta. Tuy nhiên việc kết hợp này mới
được thực hiện bằng phương thức ĐỘC LẬP, nghĩa là các nguồn điện này được
sử dụng riêng rẽ, việc tích lũy năng lượng (nếu có) thông qua accu. Đây là một
trong những lý do kỹ thuật làm hạn chế tính thực tiễn của giải pháp ứng dụng
năng lượng tái tạo.
Chương trình nghiên cứu này đề xuất công nghệ hệ thống kết hợp (hybrid)
2
sử dụng năng lượng mặt trời và biogas để cung cấp điện năng phù hợp với điều
kiện sản xuất và đời sống ở nông thôn. Hai nguồn năng lượng này LIÊN
THÔNG với nhau. Ban ngày công suất điện mặt trời dư thì dùng để sản xuất
hydrogen. Ban đêm nguồn hydrogen này được dùng để làm giàu biogas chạy
máy phát điện. Hệ thống kết hợp năng lượng tái tạo liên thông như vậy sẽ hoạt
động hiệu quả hơn hệ thống năng lượng tái tạo độc lập.
Nhu cầu sử dụng năng lượng ở nông thôn rất đa dạng: phục vụ sinh hoạt
gia đình; phục vụ chăn nuôi, trồng trọt; phục vụ xay xát; phục vụ sản xuất thủ
công truyền thống… Điều kiện sẵn có để sản xuất năng lượng tái tạo cũng rất
khác nhau. Vì thế cần có nghiên cứu tính toán nhu cầu năng lượng, khả năng
có thể sản xuất biogas, năng lượng mặt trời trong những trường hợp cụ thể để
thiết kế hệ thống năng lượng tái tạo hybrid phù hợp. Nghiên cứu này cung cấp
thông số đầu vào cần thiết để thiết kế, lựa chọn các thông số chính của sản phẩm
chương trình nghiên cứu.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Xác lập thông số đầu vào để tính toán, thiết kế hệ thống năng lượng hybrid
biogas-năng lượng mặt trời phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau ở
nông thôn
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
• Điện mặt trời
• Nhiên liệu biogas
• Phối hợp sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng biogas để phục
vụ sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn
3
• Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là một phần của hệ thống năng
lượng hỗn hợp liên thông năng lượng mặt trời/năng lượng biogas.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
• Địa bàn nông thôn nghiên cứu thí điểm thuộc các địa phương Quảng
Nam và Đà Nẵng.
• Công suất của hệ thống nhỏ hơn 10kW.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1. Cách tiếp cận
- Tổng hợp kinh nghiệm trên thế giới về sử dụng năng lượng tái tạo, phân
tích những điều kiện khí hậu đặc thù của Việt Nam để lựa chọn loại năng lượng
tái tạo phù hợp để nghiên cứu ứng dụng ở nông thôn Việt Nam.
- Phân tích cơ cấu năng lượng ở nước ta, các chủ trương, chính sách của
Chính phủ về ứng dụng năng lượng tái tạo để xác lập mục tiêu nghiên cứu, góp
phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
- Phân tích những bất cập trong việc sử dụng các nguồn năng lượng tạo
tại độc lập về công suất, lưu trữ, đầu tư… để lựa chọn phương án phối hợp sử
dụng năng lượng tái tạo phù hợp.
4.2. Phương pháp nghiên cứu
- Khảo sát thực tế về nhu cầu năng lượng trong phạm vi địa bàn nghiên
cứu thí điểm.
- Khảo sát, đánh giá điều kiện thực tế, tiềm năng sản xuất và ứng dụng
năng lượng tái tạo cho sản xuất và sinh hoạt trên địa bàn nghiên cứu thí điểm.
- Tính toán, so sánh điều kiện kỹ thuật, đầu tư để xác định các thông số
cơ bản của hệ thống năng lượng hybrid phù hợp với các mục đích sử dụng năng
lượng khác nhau ở nông thôn.
4
5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Nội dung đề tài được chia làm 5 chương
Chương 1: Tổng quan.
Chương này sẽ trình bày tổng quan về tình hình ứng dụng năng lượng tái
tạo trên thế giới, tiềm năng sử dụng năng lượng tái tạo trong sản xuất và đời
sống ở Việt Nam. Chương này cũng phân tích cơ cấu nguồn điện của Việt Nam,
các chính sách của Chính phủ về khuyến khích đầu tư phát triển năng lượng tái
tạo cũng như đề xuất các phương án phối hợp sử dụng kết hợp các nguồn năng
lượng khác nhau phục vụ nhu cầu đời sống và sinh hoạt.
Chương 2: Khảo sát nhu cầu năng lượng cho sản xuất và đời sống ở một
số khu vực nông thôn Việt Nam.
Chương này đề cập tới nhu cầu thực tế sử dụng năng lượng của một số
vùng nông thôn miền Trung Việt Nam, phân tích sự thay đổi nhu cầu năng
lượng theo các yếu tố như đặc điểm kinh tế của từng khu vực hoặc sự thay đổi
thời tiết trong năm.
Chương 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ thống năng lượng
tái tạo
Chương này sẽ giới thiệu về khả năng khai thác năng lượng mặt trời ở
các khu vực khác nhau cũng như các yếu tố cần quan tâm khi thiết kế hệ thống
năng lượng mặt trời. Nội dung chương cũng đề cập đến khả năng sản xuất biogas
của các hộ gia đình, các cơ sở sản xuất, chế biến khác nhau ở nông thôn.
Chương 4: Thiết kế hệ thống năng lượng hybrid phù hợp với các yêu cầu
sử dụng ở nông thôn Việt Nam
5
Từ những phân tích về nhu cầu cũng như khả năng cung cấp năng lượng
tái tạo, chương này giới thiệu một số thiết kế của hệ thống năng lượng hybrid
biogas-năng lượng mặt trời phù hợp với các nhu cầu khác nhau ở nông thôn Việt
Nam.
Chương 5: Đánh giá hoạt động của hệ thống
Chương này bao gồm các phân tích, đánh giá về hoạt động của hệ thống
thử nghiệm được chế tạo, bao gồm các tính ổn định của hệ thống điện mặt trời,
tính tự động của hệ thống chia/bù công suất và hệ thống giám sát từ xa.
Các kết luận về hiệu quả và khả năng ứng dụng của hệ thống cũng như các
tồn tại và hướng giải quyết được đề cập trong phần kết luận và hướng phát triển
của đề tài.
6
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
Để góp phần giảm sự lệ thuộc vào năng lượng hóa thạch và bảo vệ môi
trường, nhiều quốc gia trên thế giới từ lâu đã nghiên cứu áp dụng năng lượng
tái tạo trong sản xuất và đời sống. Tỉ trọng năng lượng tái tạo ngày càng tăng
dần trong tổng năng lượng sử dụng trên phạm vi toàn cầu. Điều này một mặt là
do sự phát triển của khoa học công nghệ làm cho giá thành của năng lượng tái
tạo giảm xuống nhanh chóng và mặt khác, nhờ vào chính sách của các quốc gia
khuyến khích đầu tư nghiên cứu phát triển và ứng dụng các nguồn năng lượng
tái tạo.
1.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo trên thế giới
Năng lượng tái tạo nói chung có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời. Đối
với hành tinh của chúng ta thì đó là nguồn năng lượng vĩnh cửu (đối với thời
gian tồn tại của hệ mặt trời). Sử dụng năng lượng tái tạo không phát thải chất
khí gây hiệu ứng nhà kính, góp phần hạn chế sự gia tăng nhiệt độ khí quyển.
Trong số những dạng năng lượng tái tạo được khai thác rộng rãi hiện nay thì
điện mặt trời, điện gió, biomass, biogas, biofuel chiếm tỉ trọng lớn nhất. Các
nước phát triển đã và đang phối hợp áp dụng các dạng năng lượng tái tạo này
với các nguồn năng lượng truyền thống để sản xuất điện năng, phục vụ giao
thông vận tải…
Bên cạnh xây dựng những nhà máy năng lượng tái tạo lớn, tùy thuộc
và tiềm lực kinh tế và điều kiện thực tế của mình, mỗi quốc gia có một chính
sách riêng về phát triển công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo ở qui mô nhỏ như
các cụm dân cư, các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ, các hộ dân…
7
Tình hình nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo ở Việt Nam 1.2
Việt Nam là một nước nông nghiệp, có nguyên liệu để sản xuất năng
lượng sinh học khá dồi dào. Những sản phẩm từ chăn nuôi, trồng trọt sẽ cung
cấp nguyên liệu khổng lồ cho sản xuất khí sinh học. Trong cả nước, sản phẩm
phụ của nông nghiệp có khả năng cung cấp nhiên liệu cho điện sinh khối từ 8-
11 triệu tấn. Riêng sản lượng trấu có thể thu gom ở Đồng bằng sông Cửu Long
lên tới 1,4 đến 1,6 triệu tấn. Bên cạnh đó, rác thải sinh hoạt nếu được xử lí tốt
cũng là nguồn nhiên liệu đầu vào để sản xuất khí biogas. Tổng sản lượng biogas
có thể sản xuất mỗi năm ở nước ta có thể lên đến 4 tỷ m3.
Mặt khác nước ta nằm trong vùng nhiệt đới có bức xạ mặt trời lớn. Tại
các tỉnh Tây Nguyên và Nam Trung Bộ, số giờ nắng đạt từ 2.000-2.600
giờ/năm. Bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2, chiếm khoảng 2.000-5.000
giờ/năm. Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng thời gian qua, các sản phẩm sử dụng
năng lượng mặt trời vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ tập trung tại nông
thôn, miền núi-nơi mức sống tương đối thấp. Hiện nước ta có hơn 3.000 hộ dân
vùng sâu, vùng xa được điện khí hóa bằng hệ điện mặt trời gia đình, 8.500 hộ
sử dụng điện mặt trời qua các trạm sạc ắc quy…
1.3 Cơ cấu nguồn điện ở Việt Nam và quy hoạch phát triển đến năm
2030
Việt Nam là một trong những nước đang phát triển ở Đông Nam Á có
mức độ gia tăng nhu cầu sử dụng điện khá cao, tốc độ tăng trưởng điện thương
phẩm bình quân giai đoạn 2016-2020 khoảng 10%, đồng thời tỷ trọng năng
lượng hóa thạch sử dụng trong phát điện vẫn còn khá lớn (Hình 1).
8
CƠ CẤU NGUỒN ĐIỆN QUÝ I/2019
Năng lượng tái tạo 1%
Khác 2%
Tua bin khí & Đuôi hơi, chạy dầu 20%
Nhiệt điện 47%
Thủy điện 30%
Hình 1: Cơ cấu nguồn điện Việt Nam quý 1/2019 (theo EVN).
Nhằm bảo đảm cung cấp đủ điện với chất lượng ngày càng cao, đa dạng
về nguồn gốc, giá thành hợp lý hợp lý; giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn điện
sản xuất từ than nhập khẩu, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, giảm nhẹ
biến đổi khí hậu, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế - xã hội bền vững;
hình thành và phát triển hệ thống điện thông minh, có khả năng tích hợp với
nguồn năng lượng tái tạo có tỷ lệ cao, chính phủ đã ban hành Quy hoạch phát
triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030 (Quy hoạch VII
điều chỉnh) (Hình 2, Hình 3). Theo đó, điện sản xuất và nhập khẩu năm 2020
khoảng 265 - 278 tỷ kWh; năm 2025 Khoảng 400 - 431 tỷ kWh và năm 2030
khoảng 572 - 632 tỷ kWh; tổng công suất lắp đặt năm 2020 là 60.000 MW, năm
2025 là 96.500MW và sẽ tăng lên 129.500 MW vào năm 2030.
9
QUY HOẠCH ĐIỆN VII ĐIỀU CHỈNH
2020 (265 tỷ kWh)
2025 (400 tỷ kWh)
2030 (572 tỷ kWh)
.
5 5
.
2 3 5
3 9 4
.
2 5 2
.
.
.
.
1 9 1
.
4 7 1
8 6 1
6 6 1
.
% Ệ L Ỉ T
4 2 1
7 0 1
.
.
.
9 6
5 6
7 5
.
.
.
4 2
6 1
2 1
0
0
H Ạ T N H Â N
T H Ủ Y Đ I Ệ N
N H I Ệ T Đ I Ệ N K H Í
N H Ậ P K H Ẩ U
N H I Ệ T Đ I Ệ N T H A N
N Ă N G L Ư Ợ N G T Á I T Ạ O
ĐIỆN NĂNG
Hình 2: Quy hoạch điện VII điều chỉnh (điện năng).
QUY HOẠCH ĐIỆN VII ĐIỀU CHỈNH
2020 (60.000 MW)
2025 (96.500 MW)
2030 (129.500 MW)
.
3 9 4
.
.
7 2 4
6 2 4
.
1 0 3
.
.
.
1 1 2
1 2
.
.
.
9 6 1
6 5 1
9 4 1
7 4 1
.
5 2 1
% Ệ L Ỉ T
9 9
.
.
.
.
6 3
4 2
5 1
2 1
0
0
H Ạ T N H Â N
N H Ậ P K H Ẩ U
T H Ủ Y Đ I Ệ N
N H I Ệ T Đ I Ệ N K H Í
N H I Ệ T Đ I Ệ N T H A N
N Ă N G L Ư Ợ N G T Á I T Ạ O
CÔNG SUẤT
Hình 3: Quy hoạch điện VII điều chỉnh (công suất).
10
1.4 Một số mô hình năng lượng tái tạo đang được sử dụng
1.4.1. Hệ thống năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là ánh sáng và nhiệt từ mặt trời được khai thác
bằng các công nghệ khác nhau. Hệ thống điện mặt trời là các hệ thống chuyển
đổi ánh sáng mặt trời thành điện, hoặc trực tiếp bằng cách sử dụng pin mặt
trời (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập trung (CSP). Hệ
thống CSP sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một
khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. Nhiệt tập trung sau
đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho một nhà máy điện thông
thường. Trong khi đó, pin mặt trời, hay tế bào quang điện (PV) trực tiếp chuyển
đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện
1.4.2. Hệ thống năng lượng biogas
Biogas có thể được dùng để sản xuất điện năng, nấu nướng, sưởi ấm, đun nước nóng hay cấp nhiệt. Khi nén biogas trong bình áp suất cao nó có thể thay thế khí thiên nhiên để chạy ô tô bằng động cơ nhiệt hay bằng pin nhiên liệu. Biogas cũng có thể được tinh luyện đạt tiêu chuẩn khí thiên nhiên, gọi là biomethane khi lọc bỏ các tạp chất như carbonic, nước, H2S, các hạt rắn. Nếu hệ thống cấp ga cho phép, biomethane có thể được hòa chung vào mạng lưới cấp ga thành phố. Nhiên liệu biogas nén ngày càng được sử dụng phổ biến.
1.5 Kết luận chương
Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần, giá nhiên liệu ngày một
gia tăng gây ảnh hưởng đến sự ổn định của mọi nền kinh tế trên thế giới.
Nước ta có tiềm năng dồi dào về năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, biogas,... Chính phủ cũng đã có những chính sách nhằm ưu tiên khai thác các nguồn năng lượng này để phục vụ đời sống và sản xuất. Tuy nhiên, việc sử dụng và phối hợp hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau đòi hỏi phải có nhiều nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa nhằm khắc phục các nhược điểm của mỗi loại năng lượng tái tạo và đạt hiệu quả sử dụng cao nhất.
11
CHƯƠNG 2
KHẢO SÁT NHU CẦU NĂNG LƯỢNG CHO SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG Ở MỘT SỐ KHU VỰC NÔNG THÔN VIỆT NAM
Số liệu tiêu thụ điện trong giai đoạn 2016-2018 tại một số khu vực nông
thôn Việt Nam được thu thập. Bằng việc phân tích các số liệu này, có thể thấy
được mức tăng trưởng của điện năng tiêu thụ, công suất đỉnh của các hộ gia
đình cũng như hộ sản xuất kinh doanh và hộ chăn nuôi.
2.1 Tình hình tiêu thụ điện của hộ gia đình
2.2 Tình hình tiêu thụ điện của hộ sản xuất kinh doanh
2.3 Tình hình tiêu thụ điện của hộ chăn nuôi
2.4 Dự báo tăng trưởng nhu cầu tiêu thụ điện và mức công suất đỉnh
Việc thiết kế các hệ thống năng lượng mặt trời ngoài đảm bảo nhu cầu
hiện tại cũng còn phải xét đến sự tăng trưởng của nhu cầu tiêu thụ điện trong
tương lại.
2.5 Kết luận chương
Việc thiết kế các hệ thống năng lượng tái tạo cần xét đến nhu cầu thực
tế và dự báo tăng trưởng của nhu cầu tiêu thụ điện của người sử dụng. Việc
khảo sát này nhằm đảm bảo các hệ thống được thiết kế và lắp đặt không những
đáp ứng đầy đủ nhu cầu về điện năng của người sử dụng mà còn đảm bảo tính
kinh tế và nhu cầu phát triển trong tương lai.
12
CHƯƠNG 3
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Các hệ thống năng lượng tái tạo chịu ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố khác nhau. Đối với hệ thống năng lượng mặt trời, có thể kể đến các yếu tố như điều kiện môi trường, cường độ sáng, nhiệt độ,... Đối với hệ thống năng lượng biogas, cần phải quan tâm đến các yếu tố tạp chất, áp suất nén,... Nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, các yếu tố này cần phải được nghiên cứu, tính toán khi thiết kế các hệ thống năng lượng tái tạo.
3.1 Tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam
Việt Nam là một nước nông nghiệp, có nguyên liệu để sản xuất năng
lượng sinh học khá dồi dào. Những sản phẩm từ chăn nuôi, trồng trọt sẽ cung
cấp nguyên liệu khổng lồ cho sản xuất khí sinh học. Trong cả nước, sản phẩm
phụ của nông nghiệp có khả năng cung cấp nhiên liệu cho điện sinh khối từ 8-
11 triệu tấn. Riêng sản lượng trấu có thể thu gom ở Đồng bằng sông Cửu Long
lên tới 1,4 đến 1,6 triệu tấn. Bên cạnh đó, rác thải sinh hoạt nếu được xử lí tốt
cũng là nguồn nhiên liệu đầu vào để sản xuất khí biogas. Tổng sản lượng biogas
có thể sản xuất mỗi năm ở nước ta có thể lên đến 4 tỷ m3.
Ngoài ra, nước ta nằm trong vùng nhiệt đới có bức xạ mặt trời lớn với
sự chênh lệch đáng kể giữa các địa phương: cường độ bức xạ ở phía Nam
thường cao hơn phía Bắc. Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày trong năm
thay đổi từ 3,3 kWh/ m2 ở phía bắc đến 5,7 kWh/m2 ở phía nam (Error!
Reference source not found.). Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời không chỉ
nhiều mà còn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ
mùa khô sang mùa mưa. Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1600-
1800 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào
khoảng 1700-2600 giờ mỗi năm (Error! Reference source not found.), tiềm
13
năng chuyển đổi quang năng-điện năng ở nước ta có thể lên đến 4.6 kWh/kWp
(Hình 4).
Hình 4: Bản đồ tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam (theo globalsolaratlas.info).
14
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống năng lượng mặt trời
3.1.1. Hiệu suất chuyển đổi quang năng-điện năng của tấm pin mặt
trời
3.1.2. Sự suy giảm hiệu suất của tấm pin mặt trời
3.2.2.1. Suy giảm hiệu suất theo thời gian sử dụng
3.2.2.1. Suy giảm hiệu suất do nhiệt độ môi trường
3.1.3. Các nguyên nhân gây suy giảm hiệu suất khác
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống năng lượng biogas
3.2.1. Ảnh hưởng của các tạp chất có mặt trong biogas
3.2.2. Yêu cầu lọc biogas trong thực tế sử dụng
3.2.3. Nén biogas
3.2.4. Lưu trữ biogas
3.4 Kết luận chương
Khi thiết kế các hệ thống năng lượng tái tạo, cần quan tâm đến những
yếu tố ảnh hưởng đến mức độ hiệu quả của việc chuyển đổi năng lượng thành
dạng năng lượng theo yêu cầu cũng như việc lưu trữ. Các hệ thống năng lượng
mặt trời ở nước ta thường chỉ đạt 75-85% hiệu quả tối đa theo thiết kế do chịu
ảnh hưởng của yếu tố thời tiết, nhiệt độ. Tương tự như vậy, nếu không lọc hoặc
nén biogas sẽ làm giảm hiệu quả của việc sử dụng biogas. Tuy nhiên, khi áp
suất nén càng cao thì yêu cầu về thiết bị lưu trữ của khí càng khắt khe để đảm
bảo tính an toàn.
Với đa số hộ dân ở khu vực nông thôn có mức công suất đỉnh dưới 2
kW, xét đến các dự báo về sự tăng trưởng nhu cầu điện năng cũng như công
suất đỉnh, một hệ thống năng lượng mặt trời với quy mô 3kWp có thể đáp ứng
hầu hết nhu cầu.
15
Với hộ kinh doanh hoặc chăn nuôi nhỏ, có thể thiết kế các hệ thống
năng lượng tái tạo có mức công suất đỉnh không vượt quá 5kWp. Trong khi đó,
với hộ chăn nuôi thông thường, mức công suất đỉnh 7kWp có thể đáp ứng được
phần lớn nhu cầu về điện năng.
16
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HYBRID PHÙ HỢP VỚI CÁC YÊU CẦU SỬ DỤNG Ở NÔNG THÔN VIỆT NAM
Nước ta có gần 75% dân số sống ở nông thôn. Nhu cầu năng lượng cho
sản xuất và đời sống ở khu vực này rất lớn nhưng phân tán. Nếu áp dụng giải
pháp năng lượng tái tạo giúp cho mỗi hộ dân vùng nông thôn có thể tự túc được
năng lượng cho sản xuất và sinh hoạt thì nước ta tiết kiệm được một lượng lớn
điện năng sản xuất từ các nguồn năng lượng khác.
Việc kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo điện mặt trời, điện gió,
biogas, thủy điện nhỏ cũng đã được áp dụng ở nước ta. Tuy nhiên việc kết hợp
này mới được thực hiện bằng phương thức độc lập, nghĩa là các nguồn điện này
được sử dụng riêng rẽ, việc tích lũy năng lượng (nếu có) thông qua ắc quy. Đây
là một trong những lý do kỹ thuật làm hạn chế tính thực tiễn của giải pháp ứng
dụng năng lượng tái tạo. Nếu có thể kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo liên
thông với nhau (hệ thống hybrid), hệ thống sẽ hoạt động hiệu quả hơn hệ thống
năng lượng tái tạo độc lập.
4.1 Hệ thống năng lượng tái tạo qui mô nhỏ
Các nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng ở qui mô nhỏ hiện nay
thường theo phương thức độc lập, nghĩa là các nguồn năng lượng được sử dụng
riêng rẽ. Các nguồn năng lượng này không liên thông với nhau. Hình 5 giới
thiệu sơ đồ sử dụng năng lượng mặt trời và biogas cho hộ gia đình. Hai nguồn
năng lượng này không kết hợp liên thông với nhau. Điều này không cho phép
tận dụng tính ưu việt của từng dạng năng lượng tái tạo, đặc biệt là việc lưu trữ
năng lượng luôn là vấn đề phức tạp và tốn kém.
17
Đề xuất mô hình phối hợp năng lượng mặt trời và năng lượng 4.2
biogas
Hình 5 giới thiệu mô hình đề xuất hệ thống năng lượng hybrid kết hợp liên thông giữa pin mặt trời và máy phát điện biogas. Nguyên lý của hệ thống
là lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng hydrogen thay vì lưu trữ vào bình accu như giải pháp truyền thống. Khi công suất của năng lượng mặt trời lớn hơn công suất của tải tiêu thụ, phần công suất dư thừa sẽ được dùng để cung cấp cho bình điện phân nước. Hydrogen nhận được từ điện phân nước sẽ làm giàu biogas cung cấp cho động cơ máy phát điện. Khi công suất tải vượt quá công suất của năng lượng mặt trời, máy phát điện sử dụng động cơ biogas đã được làm giàu hydro sẽ được khởi động, bù vào phần công suất bị thiếu, đảm bảo cho tải tiêu thụ được hoạt động ổn định. Như vậy hệ thống sẽ làm việc linh hoạt, có thể sử dụng năng lượng tái tạo cả ban ngày lẫn ban đêm và trong các điều kiện thời tiết khác nhau.
18
Hình 5: Sơ đồ hệ thống năng lượng hybrid mặt trời/biogas.
4.3 Thiết kế hệ thống phối hợp năng lượng mặt trời và năng lượng
biogas
Theo các phân tích về nhu cầu tiêu thụ điện năng ở chương 2, để đáp
ứng nhu cầu tiêu thụ điện năng của hộ gia đình, ta có thể thiết kế hệ thống có công suất đỉnh 3kWp. Ngoài ra, để đáp ứng cho hộ sản xuất, kinh doanh hoăc chăn nuôi nhỏ, hệ thống có công suất đỉnh 5kWp là phù hợp và hệ thống 7kWp thì phù hợp với các hộ chăn nuôi.
Hệ thống bao gồm 3 nguồn năng lượng cung cấp chính: hệ thống năng
lượng dự trữ (từ lưới điện quốc gia hoặc bình điện), điện mặt trời và điện biogas.
Điện mặt trời sẽ được chuyển đổi DC/AC thông qua bộ Inverter để cung cấp
cho tải, công suất của tấm pin Solar và công suất tiêu thụ của tải được đo đạc
theo thời gian thực. Các giá trị đo đạc từ cảm biến sẽ định kỳ gửi dữ liệu về
19
node trung tâm thông qua module LoRa và cập nhật vào hệ thống lưu trữ dữ
liệu.
Khi công suất tải (Pload) bé hơn công suất của hệ thống năng lượng
mặt trời (Psolar), hệ thống sẽ ngắt động cơ biogas và đóng tải là máy điện phân
nước, nhằm cung cấp phần công suất dư thừa này để điện phân nước, tạo hydro
làm giàu cho khí biogas. Ngược lại, khi công suất tải lớn hơn công suất của hệ
thống năng lượng mặt trời, hệ thống sẽ đóng van khí gas, khởi động động cơ
biogas và ngắt tải là máy điện phân nước.
Để tránh hiện tượng động cơ biogas khởi động và tắt liên tục trong
trường hợp năng lượng mặt trời không ổn định, thông thường vào những thời
điểm mây che, hay tải đột biến cần công suất lớn trong khoản thời gian ngắn,
thì bộ điều khiển trung tâm sẽ ưu tiên sử dụng hệ thống năng lượng dự trữ trước
và duy trì trong khoảng thời gian nhất định. Nếu trong khoảng thời gian đó mức
năng lượng của pin solar vẫn không đủ thì mới khởi động động cơ biogas. Ngoài
ra, để đảm bảo tính ổn định cho hệ thống và tuổi thọ cho tải tiêu thụ, trước khi
đóng công tắc cung cấp điện cho tải từ máy phát biogas, hệ thống phải kiểm tra
xem máy phát đã chạy ổn định chưa. Nếu chưa, sẽ lặp lại quá trình khởi động
hệ thống máy phát điện này. Trong thời gian chờ đợi, phần công suất thiếu được
lấy từ hệ thống bình điện (hoặc điện lưới trong trường hợp không có hệ thống
bình điện dự phòng).
Tất cả các tham số đo đạt và thu thập, điều khiển đều được cập nhật và
lưu trữ trên web server, có thể truy cập và quản lý từ xa.
20
Hình 6:Thiết kế đề xuất hệ thống phối hợp năng lượng mặt trời và biogas.
21
4.4 Thiết kế phần cứng
4.4.1. Node trung tâm
4.4.1.1. Sơ đồ node trung tâm
Hình 7 biểu diễn sơ đồ khối xử lý trung tâm của hệ thống, bao gồm
khối xử lý trung tâm PIC18F4550, khối LoRa, Khối SIM808 (GPRS), Khối
ESP8266(WiFi) và khối nguồn.
Hình 7: Sơ đồ khối xử lý trung tâm của hệ thống.
4.4.1.2. Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm của hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC18F4550.
Các thông số của vi điều khiển bao gồm: Vdd = 5V, tần số hoạt động 48MHz,
bộ nhớ flash 32Kb, bộ nhớ SRAM 2Kb, tạo dao động bằng thạch anh 20MHz,
các chân reset ở mức 0. Vi điều khiển này sử dụng chuẩn giao tiếp ICSP để nạp
chương trình thông qua các chân: VPP, VCC, GND, PGD, PGC, PGM.
22
4.4.1.3. Khối LoRa
Khối Lora chuyển dữ liệu thu thập được từ các cảm biến đo đạc về node
trung tâm. Dữ liệu này được cập nhật và lưu trữ trên server và có thể được truy
cập trực tuyến để giám sát và quản lý hệ thống từ xa.
4.4.1.4. Khối Sim 808
Sim808 là chip tích hợp cả GSM, GPS nên chúng tôi chọn dùng để làm
mạch truyền dữ liệu GPRS thông qua anten GSM và định vị node mạng thông
qua anten GPS.
4.4.1.5. Khối nguồn:
Điện áp nguồn hoạt động cho Sim808 từ 3,4V đến 4,4V. Dòng hoạt
động tối đa là 2A. Điện áp hoạt động ổn định là 4V. Vì vậy ta chọn IC nguồn
là IC MIC29302 để làm nguồn cung cấp cho mạch sim.
4.4.1.6. Khối giao tiếp
Để giao tiếp với vi điều khiển thì SIM808 sẽ sử dụng 2 chân TX, RX
nối chéo với 2 chân TX, RX của vi điều khiển theo chuẩn UART. Nhưng do
điện áp hoạt động của vi điều khiển là 5V, còn điện áp hoạt động của SIM808
là 4V nên để giao tiếp được thì ta cần phải làm một mạch chuyển đổi mức tín
hiệu từ 5V xuống 4V và ngược lại.
4.4.1.7. Khối Sim Card
Socket thẻ sim sẽ được kết nối qua SIM808 thông qua chân SIM_VDD,
SIM_RST, SIM_CLK, SIM_PRE, SIM_DATA, GND. Ngoài ra ta có điện áp
SIM_VDD từ 1,8V đến 3V nên ta chọn diode zener 2,2V để bảo vệ thẻ sim khi
điện áp vượt quá ngưỡng.
23
4.4.1.8. Sơ đồ hoàn thiện của khối SIM808
4.4.1.9. Khối Wifi (ESP8266)
Esp8266 dùng 2 chân GPIO4, GPIO5 để giao tiếp với PIC18F4550,
thông qua chuẩn giao tiếp UART. Mục đích thu nhận dữ liệu từ vi điều khiển
PIC truyền qua để gửi lên website, đồng thời thông báo cho PIC tình trạng kết
nối wifi và dữ liệu cấu hình từ web cho hệ thống.
4.4.1.10. Khối nguồn
Mạch hạ áp LM2596 là mạch nguồn giảm áp sử dụng IC ổn áp
LM2596.
Mạch ổn áp có chức năng tạo ra điện áp nhỏ hơn điện áp đầu vào và
luôn duy trì mức áp này mặc dù áp đầu vào tăng/giảm.
4.4.2. Node cảm biến
4.4.2.1. Sơ đồ node cảm biến
Về cơ bản node cảm biến là phiên bản đơn giản hóa của node trung
tâm. Khối nguồn và khối LoRa giống ở node trung tâm. Khác biệt là ở node
cảm biến chúng ta sẽ có khối cảm biến riêng. Nhiệm vụ đo đạt các thông số như
dòng điện, điện áp, công suất tiêu thụ của tải tiêu thụ xoay chiều, điện áp dòng
điện một chiều của Pin năng lượng, từ đó tính toán điều khiện để đóng ngắt các
van, contactor đảm bảo duy trì ổn định công suất điện cung cấp cho tải và nếu
dư nguồn năng lượng mặt trời sẽ nạp cho máy điện phân dự phòng.
4.4.2.2. Sơ đồ nguyên lý node cảm biến
Node cảm biến được thiết kế:
• Ngõ vào kết nối với các cảm biến đo các tham số như: áp và dòng 1
chiều cho Pin năng lượng mặt trời và giao tiếp với khối đo công suất
tiêu thụ, dòng điện, điện áp tải xoay chiều PZEM017.
24
• Ngõ ra kết nối với mạch điều khiển đóng ngắt van điện dùng cung cấp
khí Gas cho động cơ máy phát Biogas, đồng thời đóng ngắt mạch khởi
động cho động cơ Biogas. Ngoài ra còn điều khiển 2 contactor xoay
chiều nhằm đóng ngắt điện xoay chiều từ máy phát và đóng ngắt điện
xoay chiều cung cấp cho máy điện phân.
4.5 Thiết kế phần mềm
4.5.1. Thuật toán chương trình cho node trung tâm và node cảm
biến
4.5.1.1. Node cảm biến
Hình 8: Sơ đồ thuật toán node cảm biến.
25
4.5.1.2. Node trung tâm
Hình 9: Lưu đồ thuật toán khối đọc dữ liệu cảm biến (PIC18F4550).
26
Hình 10: Lưu đồ thuật toán chương trình cập nhật dữ liệu trên Firebase.
27
4.6 Kết luận chương
Từ việc phân tích nhu cầu sử dụng và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ
thống năng lượng tái tạo, các hệ thống năng lượng có công suất đỉnh khác nhau
được đề xuất nhằm phục vụ các nhu cầu sử dụng khác nhau: hệ thống 3kWp
cho hộ tiêu thụ, 5kWp cho hộ sản xuất, kinh doanh hoặc chăn nuôi nhỏ và 7kWp
cho hộ chăn nuôi quy mô trung bình. Về cơ bản các hệ thống này khác biệt ở
số tấm pin mặt trời cần lắp đặt và công suất của động cơ phát điện chạy bằng
biogas (9 tấm cho hệ thống 3kWp, 15 tấm cho hệ thống 5kWp và 21 tấm cho
hệ thống 7kWp).
Về hệ thống điều khiển, ở đây sử dụng khối xử lý trung tâm
PIC18F4550 để thực hiện việc xử lý thông tin và điều khiển kết nối. Các công
nghệ giao tiếp, truyền dẫn LoRa, GPRS, Wifi cũng được sử dụng để truyền dữ
liệu và thực hiện việc giám sát hệ thống. Hệ thống có thể vận hành ở chế độ tự
động hoàn toàn hoặc bị can thiệp từ xa theo yêu cầu của người sử dụng qua hệ
thống giám sát.
28
CHƯƠNG 5
THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Trên cơ sở phân tích dữ liệu tiêu thụ điện năng thực tế, có tính đến quy
hoạch phát triển hệ thống điện, các mô hình hệ thống năng lượng hybrid mặt
trời-biogas phù hợp với nhiều mục địch sử dụng khác nhau đã được đề xuất.
Nội dung chương này trình bày phần thi công hệ thống điều khiển và đánh giá
hoạt động của hệ thống.
5.1 Thi công hệ thống
5.1.1. Thi công node cảm biến
5.1.2. Thi công node trung tâm
5.1.3. Lắp đặt thử nghiệm hệ thống
Hệ thống được lắp đặt và chạy thử nghiệm tại khu C, trường Đại học
Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Việc lắp đặt bao gồm lắp đặt và kết nối hệ thống
pin mặt trời, hệ thống bình điện lưu trữ, động cơ biogas, hệ thống điện phân
nước và hệ thống điều khiển, giám sát.
Hình 11: Hệ thống pin solar được lắp đặt thử nghiệm.
29
Hình 12: Các contactor đóng/ngắt thiết bị.
Hình 13: Hệ thống điều khiển và truyền dữ liệu.
30
5.1.4. Xây dựng website giám sát và quản lý
Hình 14: Giao diện website giám sát và quản lý.
Website quản lý (http://vvtsmart.com/monitorEnergy/) được viết trên
nền tảng ReactJS, là một trong các nền tảng xây dựng website có nhiều ưu điểm
tại thời điểm hiện nay.
Thông tin hiển thị trên website bao gồm dữ liệu thời gian thực về điện
áp, cường độ dòng điện và công suất của pin mặt trời, tải tiêu thụ, tình trạng sử
dụng năng lượng của hệ thống. Website còn cho phép người sử dụng có thể
điều khiển các contactor một cách chủ động và cài đặt giờ hoạt động cưỡng bức
cho các nguồn năng lượng.
5.2 Vận hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống
5.2.1. Kết quả vận hành thử nghiệm hệ thống
Hình 15 trình bày kết quả đo đạc công suất năng lượng mặt trời tạo ra
từ hệ thống pin được lắp đặt, công suất tải tiêu thụ và phần công suất thiếu được
bù từ máy phát điện bằng động cơ biogas.
31
Solar
2500
So sánh công suất pin solar, tải tiêu thụ và công suất bù
load
2000
1500
Công suất bù Accqui/biogas
1000
500
0
0 3 h 8
9 5 h 8
8 2 h 9
7 5 h 9
5 5 h 0 1
4 1 h 6 1
6 2 h 0 1
4 2 h 1 1
3 5 h 1 1
2 2 h 2 1
1 5 h 2 1
0 2 h 3 1
9 4 h 3 1
8 1 h 4 1
7 4 h 4 1
6 1 h 5 1
5 4 h 5 1
3 4 h 6 1
2 1 h 7 1
1 4 h 7 1
0 1 h 8 1
9 3 h 8 1
Hình 15: So sánh công suất pin solar, tải tiêu thụ và công suất bù.
Tại những thời điểm công suất pin solar bị sụt giảm do yếu tố thời tiết
nhưng tải vẫn yêu cầu có công suất cung cấp thì phần công suất thiếu hụt này
được cung cấp một cách tự động từ bình điện và máy phát điện chạy bằng
biogas. Hệ thống hoạt động ổn định, hiệu quả, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra
ban đầu.
5.2.2. Tính ổn định của hệ thống
Việc khởi động của máy phát điện chạy bằng biogas tùy thuộc vào
khoảng cách giữa các lần hoạt động liên tiếp của máy. Nếu khoảng cách này
càng dài, việc khởi động càng gặp nhiều khó khăn, có thể phải khởi động nhiều
lần để máy có thể hoạt động ổn định. Vì vậy, để đảm bảo tính ổn định của hệ
thống cũng như đảm bảo tuổi thọ cho tải, việc đóng contactor nối máy phát với
tải chỉ được thực hiện khi đảm bảo được máy phát đã hoạt động ổn định. Việc
này có thể được thực hiện thông qua đo đạc điện áp đầu ra của máy.
32
Hơn nữa, để tránh tình trạng khởi động động cơ liên tục trong thời gian
ngắn do sự sụt giảm công suất thoáng qua của tấm pin solar do bị che phủ bởi
mây, ta có thể cài đặt thời gian chờ tối thiểu trước khi khởi động động cơ. Nếu
vượt quá khoảng thời gian này mà vẫn thiếu công suất thì động cơ sẽ được khởi
động. Phần công suất thiếu hụt sẽ được bù từ bình điện dự trữ (hoặc lưới điện
trong trường hợp không có bình điện). Thời gian chờ tùy thuộc vào yếu tố thời
tiết, thời điểm trong năm và có thể được cài đặt thông qua website quản lý hệ
thống.
5.3 Kết luận chương
Hệ thống năng lượng liên thông hybrid biogas-năng lượng mặt trời
được thiết kế, lắp đặt và vận hành thử nghiệm. Các kết quả đo đạc được lưu trữ
và quản lý trực tuyến. Việc giám sát và điều khiển hệ thống được thực hiện tự
động hoàn toàn hoặc do người sử dụng điều khiển cưỡng bức. Hệ thống hoạt
động ổn định, đảm bảo các yêu cầu thiết kế. Tùy thuộc vào yếu tố thời gian,
thời tiết, việc cài đặt khoảng thời gian chờ phù hợp để khởi động động cơ biogas
làm tăng hiệu quả sử dụng động cơ, tăng tính ổn định của hệ thống và tuổi thọ
của tải tiêu thụ.
33
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Tỉ trọng năng lượng tái tạo ngày càng tăng dần trong tổng năng lượng
sử dụng trên phạm vi toàn cầu. Điều này một mặt là do sự phát triển của khoa
học công nghệ làm cho giá thành của năng lượng tái tạo giảm xuống nhanh
chóng và mặt khác, nhờ vào chính sách của các quốc gia khuyến khích đầu tư
nghiên cứu phát triển và ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo.
Bên cạnh xây dựng những nhà máy năng lượng tái tạo lớn, tùy thuộc
và tiềm lực kinh tế và điều kiện thực tế của mình, mỗi quốc gia có một chính
sách riêng về phát triển công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo ở qui mô nhỏ như
các cụm dân cư, các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ, các hộ dân… Trên thực tế, các nguồn
năng lượng tái tạo qui mô nhỏ đang được sử dụng hầu hết theo phương thức
độc lập nên không tận dụng được hết các ưu điểm của các nguồn năng lượng
này. Hệ thống năng lượng tái tạo liên thông biogas-năng lượng mặt trời được
đề xuất trong đề tài này đã phối hợp 2 nguồn năng lượng tái tạo nhằm tận dụng
hết các ưu điểm của mỗi nguồn năng lượng.
Để nâng cao hiệu quả kinh tế, khi thiết kế hệ thống cần tính đến các
yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi và lưu trữ năng
lượng cũng như tầm nhìn phát triển của nhu cầu sử dụng năng lượng. Để đáp
ứng nhu cầu của hộ gia đình ở nông thôn, hệ thống có công suất đỉnh 3kWp là
phù hợp. Đối với hộ kinh doanh hoặc chăn nuôi nhỏ, hệ thống đề xuất cần có
công suất đỉnh 5kWp trong khi 7kWp là công suất đỉnh được đề xuất cho hộ
chăn nuôi qui mô lớn.
34
Hệ thống điều khiển phối hợp máy phát điện chạy bằng biogas và năng
lượng mặt trời bao gồm mạch vi xử lý để điều khiển việc đóng ngắt, khối truyền
dữ liệu nhằm truyền dữ liệu về server phục vụ việc giám sát và điều khiển từ
xa hệ thống. Hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động hoặc có thể được điều khiển
từ xa theo yêu cầu của người sử dụng.
Mặt khác, để đảm bảo tính ổn định của hệ thống cũng như tuổi thọ của
thiết bị, hệ thống năng lượng dự trữ (bình điện hoặc lưới điện quốc gia) cũng
được đề xuất sử dụng kết hợp như 1 nguồn năng lượng dự phòng trong thời
gian chuyển đổi giữa các nguồn năng lượng hoặc thời gian sụt áp ngắn.
Tuy nhiên, khoảng thời gian phụ thuộc vào nguồn năng lượng dự phòng
này còn phụ thuộc vào yếu tố thời tiết, khí hậu, thời gian. Để xác định được
khoảng thời gian phù hợp, cần có các khảo sát chi tiết hơn.
35
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Bộ Công thương (2011), Quy hoạch phát triển Điện lực Quốc gia giai
Nguyễn Ngọc Hoàng (2015), Báo cáo ngành Điện – Thông điệp từ thị
Bùi Huy Phùng (2013), “Phát triển năng lượng và Chiến lược tăng
Quyết định số 428/QĐ-TTg, 2016, Phê duyệt điều chỉnh quy hoạch
Nguyễn Ngọc Thông (1998), “Xây dựng tập số liệu bức xạ Việt Nam
Trung tâm Điều độ Hệ thống Điện Quốc gia (2015), Báo cáo tổng kết
Trung tâm Phát triển Sáng tạo Xanh (GreenID) (2016), Đính chính
Solar Cell Efficiency, PVEducation, pveducation.org.
[1] đoạn 2011-2020, có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII). [2] Sở công thương Đà Nẵng, Báo cáo quy hoạch tổng thể phát triển ngành công nghiệp thành phố Đà Nẵng đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030, 10/2016. [3] trường cạnh tranh. [4] Lê Tấn Lộc, Tạ Văn Đa (2012), Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ khai thác năng lượng gió và năng lượng mặt trời tại Thanh Hóa, Báo cáo kết quả đề tài khoa học công nghệ [5] trưởng xanh ở Việt Nam”, Tạp chí Khoa học năng lượng. [6] phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030. [7] thời kỳ 1961-1990”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Tổng cục, Hà Nội. [8] hàng năm, 2015. [9] những hiểu lầm về năng lượng tái tạo tại Việt Nam. [10] 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. [11] 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. [12] [13] K.S. Reddy, S. Aravindhan, Tapas K. Mallick: Investigation of performance and emission characteristics of a biogas fuelled electric generator
36
integrated with solar concentrated photovoltaic system. Renewable Energy 92 (2016) 233-243 [14] S. Upadhyay, M.P. Sharma, A review on configurations, control and sizing methodologies of hybrid energy systems, Renew. Sustain. Energy Rev. 38 (2014) 47-63. [15] Y. Sebnem, H. Selim, A review on the methods for biomass to energy conversion systems design, Renew. Sustain. Energy Rev. 25 (2013) 420-430. [16] M. Rahman, M. Mahmodul, J.V. Paatero, 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 (2014) 35-45. [17] T.K. Mallick, N. Sarmah, S.N. Banerjee, L. Micheli, K.S. Reddy, P.C. Ghosh, G. Walker, S. Choudhury, M. Pourkashanian, J. Hamilton, D. Giddings, M. Walker, K. Manickam, A. Hazara, S. Balachandran, S. Lokeswaran, D. Grant, W. Nimmo, A.K. Mathew, Design concept and configuration of a hybrid renewable energy system for rural electrification in India through Bio-CPV project, in: IVth International Conference on Advances in Energy Research, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai, 2013, pp. 1-8. [18] Zhao Jianbiao, Ma Fanhua, Xiong Xingwang, Deng Jiao, Wang Lijun, Naeve Nashay, et al. Effects of compression ratio on the combustion and emission of a hydrogen enriched natural gas engine under different excess air ratio. Energy 2013; 59:658-65. [19] Biffiger H, Soltic P. Effects of split port/direct injection of methane and hydrogen in a spark ignition engine. Int J Hydrogen Energy 2015;40: 1994- 2003. [20] Park C, Kim C, Choi Y, Won S, Moriyoshi Y. The influences of hydrogen on the performance and emission characteristics of a heavy duty natural gas engine. Int J Hydrogen Energy 2011; 36:3739-45. [21] Ma F, Wang M, Jiang L, Deng J, Chen R, Naeve N, et al. Performance and emission characteristics of a turbocharged spark-ignition hydrogen enriched compressed natural gas engine under wide open throttle operating condi- tions. Int J Hydrogen Energy 2010; 35:12502- 9.
37
[22] Salazar V, Kaiser S. Influence of the flow field on flame propagation in a hydrogen-fueled internal combustion engine. SAE Int J Engines 2011;4(2): 2376e94. http://dx.doi.org/10.4271/2011-24-0098. [23] Di Iorio S, Sementa P, Vaglieco BM. Experimental investigation on the com- bustion process in a spark ignition optically accessible engine fueled with methane/hydrogen blends. Int J Hydrogen Energy 2014; 39:9809-23. [24] Gerke U, Steurs K, Rebecchi P, Boulouchos K. Derivation of burning velocities of premixed hydrogen/air flames at engine-relevant conditions using a single- cylinder compression machine with optical access. Int J Hydrogen Energy 2010; 35:2566-77. [25] Wang S, Ji C. Cyclic variation in a hydrogen-enriched spark-ignition gasoline engine under various operating conditions. Int J Hydrogen Energy 2012;37: 1112-9. [26] Green, M. A.; Emery, K.; Hishikawa, Y.; Warta, W. (2010). "Solar cell efficiency tables (version 36)". Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 18 (5): 346. doi:10.1002/pip.1021 [27] Indra Bahadur Karki, Effect of Temperature on the I-V Characteristics of a Polycrystalline Solar Cell, Journal of Nepal Physical Society, August- 2015, Vol. 3, No. 1, pp 35-40. [28] Solar Cell Efficiency, PVEducation, pveducation.org.
