Đặt vấn đề Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng tái tạo vô tận thiên nhiên mang đến cho con người. Nó được kỳ vọng sẽ vượt cả thủy điện, và là nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới vào năm 2030. Việc phát triển nguồn điện từ các dạng năng lượng tái tạo như NLMT để loại bỏ khí thải carbon nhằm thực hiện hóa mục tiêu Net zero (giảm khí thải về 0) là xu thế của ngành năng lượng thế giới. Để đạt mục tiêu giảm thiểu khí thải cacbon đã được đặt ra trên phạm vi quốc tế cho năm 2050, quá trình chuyển đổi năng lượng sẽ chiếm một vai trò quan trọng.
Thật không may, năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời và năng lượng gió, về bản chất là không liên tục. Trong thế giới thực, mặt trời không chiếu sáng 24 giờ một ngày, và khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời vào những ngày nhiều mây giảm đáng kể, thực sự điều này cũng đúng với năng lượng do gió tạo ra [1]. Khi bị những đám mây che khuất làm giảm hiệu suất làm việc của các tấp pin, vì vậy khả năng cung cấp năng lượng sẽ không đáp ứng được nhu cầu năng lượng để cung cấp điện năng cho việc hoà lưới. Để khắc phục vấn đề này, và theo đuổi sự phụ thuộc ngày càng tăng vào các nguồn năng lượng mới, việc đầu tư vào hệ thống lưu trữ năng lượng là ưu tiên hàng đầu [2,3].
Xuất phát từ thực tế này, nhiều quốc gia trên thế giới đã kết hợp quá trình tăng tỷ lệ nguồn năng lượng tái tạo với việc đầu tư vào hệ thống lưu trữ năng lượng. Hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ góp phần giảm công suất cực đại vào giờ cao điểm của hệ thống điện, giảm tình trạng lưới điện bị quá tải, hoặc giảm nhu cầu đầu tư nguồn điện và hạ tầng lưới điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải cho một số ít giờ cao điểm, qua đó nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điện. Hiện nay, tại Việt Nam đa phần dự án, nhất là điện mặt trời áp mái công suất nhỏ của các hộ gia đình đều dùng bộ biến tần hòa lưới, không có bộ lưu trữ điện. Tuy nhiên từ năm 2021, khuyến khích việc phát triển điện mặt trời áp mái hoàn toàn dừng hẳn, lý do là chưa có giá mua điện mặt trời thay thế.
Vì thế các hộ gia đình đang dần chuyển sang lắp đặt hệ thống pin lưu trữ, các lỗi bên trong cell pin, lỗi mạch sạc pin có thể ảnh hưởng đế nhiệt độ pin. Các lỗi phổ biến làm nhiệt độ pin tăng cao: tiếp đất, pin bị chập, 2 thông gió kém hoặc hệ thống làm mát không đủ làm mất khả năng điều tiết sạc. Theo dõi nhiệt độ pin có thể xác định được các lỗi này và cảnh báo trước khi xảy ra hiện tượng thoát nhiệt. Nếu nhiệt độ của pin không được theo dõi và điều chỉnh thích hợp, có thể dẫn đến hư hỏng, pin bị biến dạng cơ học, bị phù, một số trường hợp nghiêm trọng như cell pin bị vỡ, làm rò rỉ hóa chất, cháy nổ,.
Các hệ thống giám sát các thiết bị điện của NLMT có lưu trữ hiện nay tập trung giám sát các thông số bao gồm nhiệt độ thiết bị đóng cắt, đồng hồ đo chất lượng điện, máy biến áp, bộ biến tần. Giám sát môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ tấm pin. Các hệ thống đó còn tích hợp giám sát điện năng tại các vị trí phân tán, giám sát các chỉ số từ các thiết bị đo điện năng. Giám sát trạng thái pin thông minh với phân tích dự đoán và cảnh báo trước khi hỏng hóc.
Những hệ thống giám sát này có nhược điểm là bỏ qua việc giám sát nhiệt độ các thiết bị điện của hệ thống điện như các thanh cái của thiết bi đóng cắt hay dây dẫn cao áp truyền tải điện năng sau biến tần và trạm biến áp. Khi hệ thống vận hành truyền tải điện năng, các thanh cái hay dây dẫn điện của hệ thống biến tần (Inverter), trạm biến áp hay đầu vào và đầu ra của các thiết bị đóng cắt sẽ sinh ra nhiệt năng. Việc giám sát nhiệt độ thiết bị điện và các điểm tiếp xúc dây dẫn là rất quan trọng [6]. Nhiệt độ trong hệ thống điện là một trong những vấn đề quan trọng cần phải giám sát thường xuyên.
Bên cạnh các điều kiện ở trạng thái ổn định, chế độ nhiệt quá độ của thanh cái có ảnh hưởng quan trọng đến toàn bộ hệ thống cung cấp điện. Do đó, một hệ thống giám sát nhiệt độ trực tuyến của thanh cái đã được phát triển [7]. Tại các vị trí tiếp điểm bị lỗi, kết nối không tốt sẽ làm cho giá trị điện trở tiếp xúc các mối nối tăng lên, điều này sẽ dẫn đến giá trị nhiệt độ tăng, gây nguy cơ cháy nổ cao. Theo dõi nhiệt liên tục là giải pháp hiệu quả nhất cho phép người dùng: giảm rủi ro cho người vận hành và thiết bị, giúp ngăn ngừa sự cố kết nối, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến cho các cài đặt quan trọng, tối ưu hóa chi phí bảo trì.
Ngày nay với việc phát triển mạnh của kỷ nguyên kỹ thuật số, áp dụng vào ngành năng lượng tái tạo. Bây giờ, các kỹ sư và công nhân vận hành các hệ thống điện NLMT không còn phải áp dụng các phương pháp thủ công dùng chuẩn đoán, bảo trì hệ thống nữa. Thay vào đó, là sự thay thế của các hệ thống điều khiển – giám sát, giúp chúng ta 3 phân tích và đánh giá và đưa ra cảnh báo tình trạng của hệ thống. Với mong muốn đưa ra được giải pháp tối ưu, em đã hình thành ý tưởng để đưa ra được những giải pháp kỹ thuật, đề xuất những điểm mới trong ứng dụng công nghệ cao cho việc giám sát nhiệt độ các thiết bị điện của hệ thống điện mặt trời có lưu trữ sử dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại.
Mục tiêu đề tài Đồ án này đi thiết kế, chế tạo một bộ giám sát nhiệt độ cho các thiết bị điện. Hệ thống gồm hai thành phần đó là phần Phát và phần Thu. Giữa phần Phát và Thu được liên kết với nhau qua mô-đun Bluetooth. Bộ Thu có thêm mô-đun Wifi và tạo giao diện WebServer bằng ngôn ngữ HTML.
Những kết quả dữ liệu đã được kết nối thông qua mạng Interner. Bộ giám sát này được đề xuất cho hệ thống Điện mặt trời có lưu trữ. Nhằm đảm bảo cho hệ thống lưới điện mặt trời lưu trữ được hoạt động ổn định lâu dài, cũng nhằm dự báo các nguyên nhân gây hỏng hóc và mất ổn định tác động lên hệ thống. Giải pháp đề xuất bao gồm 2 thành phần chính: Bộ phát dùng vi điều khiển Arduino Nano với cảm biến đo nhiệt độ MLX90614- DCI [8,9] và mô-đun BLE ( Bluetooth Low Energy – Bluetooth 4.
Bộ thu bao gồm mô-đun Bluetooth nhận dữ liệu, mô- đun Esp8266 và tạo giao diện WebServer bằng ngôn ngữ HTML cho phép hiển thị và truy xuất dữ liệu nhiệt độ đo đạc thông qua địa chỉ IP của Web. Mục tiêu mà đề tài đang hướng đến cần giải quyết được các bài toán như: • Đo và giám sát được nhiệt độ 03 điểm ứng với 03 thanh cái của đầu vào, đầu ra thiết bị đóng cắt. • Truyền và nhận dữ liệu nhiệt độ giữa hai thiết bị bộ thu và bộ phát qua Bluetooth. • Kết nối bộ thu dữ liệu với mạng Wifi cục bộ của trang trại điện NLMT có lưu trữ.
• Hiển thị nhiệt độ của 03 điểm đó lên màn hình LCD 1602 có trên bộ thu. • Hiển thị giá trị nhiệt độ 03 điểm đó lên Web Server do ESP8266 có trong bộ thu tạo ra. • Ghi các giá trị nhiệt độ đó vào thẻ nhớ để dễ dàng truy suất trên máy tính hoặc Web Server. • Cảnh báo nhiệt độ quá giới hạn bằng màu sắc trên Web và còi có trong bộ thu.
Nội dung nghiên cứu Để hoàn thành đồ án “Giám sát nhiệt độ cho các thiết bị điện của hệ thống điện mặt trời có lưu trữ” sẽ phải thực hiện các nội dung như sau: • Nghiên cứu tài liệu về giao tiếp không giây và mạng Internet, các chuẩn giao tiếp và phần mềm. • Nghiên cứu mô hình điều khiển. • Lựa chọn và thiết kế mạch phần cứng cho mô hình. • Thi công phần cứng, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng thiết bị.
• Thử nghiệm điều chỉnh hệ thống cũng như chương trình để tối ưu. • So sánh đánh giá các thông số mô hình với thực tế. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẠNG TRUYỀN THÔNG CHO NLMT CÓ LƯU TRỮ 2. Tổng quan về giám sát nhiệt độ thiết bị điện hệ thống điện mặt trời có lưu trữ 2.
Giới thiệu về hệ thống điện mặt trời có lưu trữ Một hệ thống năng lượng mặt trời có lưu trữ bao gồm các tấm pin quang điện PV (Photovoltaic) có đầu ra được kết nối với bộ chuyển đổi DC-DC, bộ điều khiển sạc và thiết bị lưu trữ năng lượng ESS (Energy Storage Systems). Bộ chuyển đổi DC-DC tăng hoặc giảm điện áp đầu ra của mảng PV đến mức tương thích hơn với bộ điều khiển sạc, bộ điều khiển sạc điều chỉnh dòng điện và điện áp cung cấp cho pin để duy trì tuổi thọ của pin và tránh làm hỏng hệ thống pin lưu trữ [12. Đầu ra của bảng điều khiển năng lượng mặt trời ở dạng DC mà phần lớn phụ tải kết nối với mạng hệ thống điện ở dạng xoay chiều. Do đó, chúng ta cần chuyển đổi công suất đầu ra một chiều thành điện xoay chiều.
Vì vậy, biến tần được sử dụng trong các nhà máy điện mặt trời [14-16] theo Hình 2.1 Năng lượng mặt trời với hệ thống lưu trữ điện năng 2. Giám sát nhiệt độ cho các thiết bị điện Phương pháp giám sát nhiệt độ tại các thiết bị điện hiện nay sử dụng chủ yếu là các thiết bị gián tiếp như súng đo nhiệt độ hồng ngoại và camera chụp ảnh nhiệt (Hình 2. Giải pháp này có ưu điểm là vận hành đơn giản nhưng hạn chế của nó là không thể giám sát nhiệt độ một cách liên tục và tốn chi phí thuê nhân công. Gần đây, đã có một số giải pháp tiên tiến được giới thiệu để giám sát nhiệt độ thiết bị điện như dùng cảm biến nhiệt gắn trực tiếp lên điểm nối dây dẫn để đo nhiệt độ, kết hợp với bộ thiết bị phụ trợ kết nối không dây để thu thập dữ liệu.