Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng năng lượng bền vững ngày càng tăng cao, năng lượng mặt trời nổi lên như một giải pháp quan trọng và tiềm năng tại Việt Nam. Theo báo cáo, Việt Nam có lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4 kWh/m²/ngày, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời áp mái. Đặc biệt, việc tích hợp hệ thống pin lưu trữ năng lượng (Battery Energy Storage System - BESS) với hệ thống quang điện mặt trời (Photovoltaic - PV) nối lưới dân dụng đang được quan tâm nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm chi phí và phát thải khí nhà kính.

Luận văn tập trung thiết kế hệ thống PV-BES công suất 230 kWp cho tòa nhà Thư viện Đại học Quốc tế Miền Đông (EIU), tỉnh Bình Dương, với mục tiêu chính là phát triển giải pháp quản lý năng lượng hiệu quả, đảm bảo cung cấp điện ổn định cho phụ tải tòa nhà, đồng thời giảm phát thải và tối ưu chi phí đầu tư. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát hiện trạng tòa nhà, lựa chọn thành phần hệ thống, thiết kế thuật toán điều khiển, mô phỏng hiệu suất bằng các phần mềm chuyên dụng như HOMER, MATLAB và PVSyst, và đánh giá kinh tế kỹ thuật.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại các công trình dân dụng, góp phần vào mục tiêu phát thải ròng bằng không của Việt Nam đến năm 2050. Đồng thời, kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà đầu tư, kỹ sư và sinh viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện và năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết năng lượng mặt trời và quang điện (PV): Năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng qua hiệu ứng quang điện, với công suất cực đại của hệ thống PV được xác định theo bức xạ mặt trời và hiệu suất của tấm pin. Các công thức tính toán công suất và năng lượng điện sản xuất được áp dụng để dự đoán sản lượng điện hàng năm.

  • Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS): Sử dụng pin lithium-ion (LiFePO4) với các đặc tính về mật độ năng lượng, hiệu suất chuyển đổi và tuổi thọ. Hệ thống BESS giúp lưu trữ điện năng dư thừa từ PV để sử dụng khi thiếu sáng hoặc nhu cầu cao.

  • Thuật toán điều khiển MPPT (Maximum Power Point Tracking): Thuật toán Perturb and Observe (P&O) được sử dụng để tối ưu hóa công suất đầu ra của tấm pin mặt trời trong điều kiện biến đổi bức xạ và nhiệt độ.

  • Mô hình hệ thống PV-BES nối lưới: Bao gồm các thành phần chính như tấm pin mặt trời, bộ biến tần, bộ lưu trữ pin, hệ thống quản lý pin (BMS) và kết nối với lưới điện dân dụng. Mô hình này cho phép điều khiển dòng điện, sạc/xả pin và đồng bộ hóa với lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo các bước:

  • Thu thập dữ liệu: Khảo sát hiện trạng tòa nhà Thư viện EIU, thu thập dữ liệu tiêu thụ điện, diện tích mái, điều kiện bức xạ mặt trời tại Bình Dương.

  • Lựa chọn thành phần hệ thống: Chọn tấm pin mặt trời JAM72-S03-400-PR của JA Solar với công suất 400 Wp, hiệu suất 20,5%, và pin lithium-ion LFP phù hợp với yêu cầu lưu trữ.

  • Thiết kế thuật toán điều khiển: Áp dụng thuật toán P&O để theo dõi điểm công suất tối đa, đồng thời thiết kế bộ điều khiển inverter ba pha để đảm bảo chất lượng điện năng và đồng bộ với lưới.

  • Mô phỏng hệ thống: Sử dụng phần mềm HOMER để mô phỏng cấu trúc hệ thống và đánh giá hiệu suất, PVSyst để phân tích chi tiết sản lượng điện và tổn thất, MATLAB để mô phỏng thuật toán điều khiển.

  • Phân tích kinh tế kỹ thuật: Tính toán chi phí đầu tư, thời gian hoàn vốn dựa trên giá điện bình quân 2000 VNĐ/kWh và chi phí lắp đặt khoảng 12 triệu đồng/kWp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 1/2024, hoàn thành thiết kế và mô phỏng vào tháng 5/2024, bảo vệ luận văn tháng 6/2024.

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống PV-BES công suất 230 kWp tại tòa nhà thư viện, lựa chọn dựa trên nhu cầu tiêu thụ điện khoảng 230 kWh/ngày và diện tích mái phù hợp 957 m². Phương pháp chọn mẫu là khảo sát thực tế kết hợp mô phỏng kỹ thuật để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất sản lượng điện của hệ thống PV-BES: Mô phỏng bằng PVSyst cho thấy hệ thống có thể sản xuất trung bình khoảng 900 kWh/ngày, đáp ứng khoảng 75% nhu cầu điện của tòa nhà thư viện. Hiệu suất chuyển đổi của tấm pin đạt 20,5%, với tổn thất hệ thống khoảng 25%.

  2. Quản lý năng lượng và thuật toán điều khiển: Thuật toán P&O giúp duy trì công suất tối đa trong điều kiện bức xạ thay đổi, mô phỏng MATLAB cho thấy hệ thống có thể điều chỉnh dòng điện sạc/xả pin hiệu quả, giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng độ ổn định điện áp lưới.

  3. Phân tích kinh tế: Tổng chi phí đầu tư ước tính khoảng 2,7 tỷ đồng cho hệ thống 230 kWp, với thời gian hoàn vốn dự kiến từ 4 đến 5 năm dựa trên giá điện 2000 VNĐ/kWh. So với hệ thống không có lưu trữ, hệ thống PV-BES có lợi thế về tính linh hoạt và giảm phát thải khí nhà kính.

  4. Tác động môi trường: Hệ thống giúp giảm phát thải CO2 ước tính khoảng 150 tấn/năm so với sử dụng điện lưới truyền thống, góp phần vào mục tiêu phát thải ròng bằng không của Việt Nam.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy hệ thống PV-BES công suất 230 kWp phù hợp với điều kiện thực tế của tòa nhà thư viện EIU, đáp ứng phần lớn nhu cầu điện và nâng cao tính ổn định nguồn điện. Việc sử dụng thuật toán P&O giúp tối ưu hóa công suất đầu ra trong điều kiện bức xạ biến động, phù hợp với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Bình Dương.

So sánh với các nghiên cứu trong khu vực và quốc tế, hệ thống thiết kế có hiệu suất và chi phí cạnh tranh, đồng thời mang lại lợi ích kinh tế và môi trường rõ rệt. Việc tích hợp pin lưu trữ giúp giảm sự phụ thuộc vào lưới điện, tăng khả năng tự chủ năng lượng và giảm chi phí điện trong giờ cao điểm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sản lượng điện hàng tháng, biểu đồ trạng thái sạc/xả pin theo giờ, và bảng phân tích chi phí đầu tư so với lợi ích tài chính hàng năm để minh họa hiệu quả và tính khả thi của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt hệ thống PV-BES công suất 230 kWp tại tòa nhà thư viện EIU: Thực hiện trong vòng 12 tháng, nhằm đáp ứng nhu cầu điện và giảm phát thải, do Ban Quản lý dự án và Khoa Kỹ thuật Điện chủ trì.

  2. Áp dụng thuật toán điều khiển MPPT P&O nâng cao: Tối ưu hóa công suất đầu ra và quản lý pin hiệu quả, cập nhật phần mềm điều khiển định kỳ, do nhóm kỹ thuật vận hành đảm nhiệm.

  3. Đào tạo nhân sự vận hành và bảo trì hệ thống: Tổ chức khóa đào tạo chuyên sâu về quản lý năng lượng và bảo trì hệ thống PV-BES trong 6 tháng đầu sau lắp đặt, do nhà thầu và trường Đại học phối hợp thực hiện.

  4. Theo dõi và đánh giá hiệu quả vận hành định kỳ: Thiết lập hệ thống giám sát từ xa, báo cáo hàng quý về sản lượng điện, chi phí và phát thải, nhằm điều chỉnh kịp thời các giải pháp vận hành, do Ban Quản lý dự án và phòng Kỹ thuật chịu trách nhiệm.

  5. Khuyến khích mở rộng ứng dụng hệ thống PV-BES tại các tòa nhà khác trong khuôn viên EIU: Dựa trên kết quả thành công, xây dựng kế hoạch mở rộng trong 3 năm tới, góp phần phát triển năng lượng xanh bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo và lưu trữ năng lượng tại các công trình công cộng và dân dụng.

  2. Kỹ sư và chuyên gia thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời: Tham khảo quy trình thiết kế, lựa chọn thành phần và thuật toán điều khiển để áp dụng cho các dự án tương tự.

  3. Nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của hệ thống PV-BES để quyết định đầu tư và phát triển các dự án năng lượng mặt trời áp mái.

  4. Sinh viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điện và năng lượng tái tạo: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các giải pháp năng lượng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống PV-BES là gì và có ưu điểm gì so với hệ thống PV thông thường?
    Hệ thống PV-BES là sự kết hợp giữa hệ thống năng lượng mặt trời và bộ lưu trữ pin, giúp lưu trữ điện năng dư thừa để sử dụng khi thiếu sáng hoặc nhu cầu cao, tăng tính ổn định và giảm chi phí điện. Ví dụ, hệ thống PV-BES tại EIU giúp giảm phát thải CO2 và tiết kiệm chi phí điện.

  2. Thuật toán MPPT P&O hoạt động như thế nào trong hệ thống PV?
    Thuật toán P&O liên tục điều chỉnh điện áp đầu ra của tấm pin để tìm điểm công suất tối đa, tối ưu hóa sản lượng điện trong điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi. Đây là phương pháp phổ biến nhờ tính đơn giản và hiệu quả.

  3. Chi phí đầu tư cho hệ thống PV-BES 230 kWp tại EIU là bao nhiêu và thời gian hoàn vốn?
    Tổng chi phí đầu tư khoảng 2,7 tỷ đồng, với thời gian hoàn vốn dự kiến từ 4 đến 5 năm dựa trên giá điện bình quân 2000 VNĐ/kWh và sản lượng điện hàng ngày khoảng 900 kWh.

  4. Hệ thống PV-BES có thể hoạt động độc lập khi mất điện lưới không?
    Hệ thống được thiết kế để ưu tiên cấp nguồn cho tải và có khả năng lưu trữ điện năng, tuy nhiên việc hoạt động độc lập hoàn toàn phụ thuộc vào dung lượng pin và thiết kế hệ thống. Ở EIU, hệ thống hỗ trợ ổn định nguồn điện trong thời gian ngắn khi mất điện.

  5. Làm thế nào để bảo trì và vận hành hệ thống PV-BES hiệu quả?
    Cần thực hiện kiểm tra định kỳ các thành phần như tấm pin, bộ biến tần, pin lưu trữ và hệ thống điều khiển. Đào tạo nhân sự vận hành và sử dụng hệ thống giám sát từ xa giúp phát hiện sớm sự cố và tối ưu hiệu suất.

Kết luận

  • Thiết kế hệ thống PV-BES công suất 230 kWp cho tòa nhà Thư viện EIU đáp ứng khoảng 75% nhu cầu điện, nâng cao tính ổn định và giảm phát thải khí nhà kính.
  • Thuật toán điều khiển MPPT P&O hiệu quả trong việc tối ưu hóa công suất đầu ra trong điều kiện bức xạ biến đổi.
  • Tổng chi phí đầu tư ước tính 2,7 tỷ đồng, thời gian hoàn vốn từ 4 đến 5 năm, phù hợp với điều kiện kinh tế địa phương.
  • Hệ thống góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo và quản lý năng lượng thông minh tại các công trình dân dụng.
  • Đề xuất triển khai thực tế, đào tạo nhân sự và mở rộng ứng dụng trong khuôn viên EIU trong thời gian tới.

Để tiếp tục phát triển, cần tiến hành lắp đặt thực tế, theo dõi vận hành và đánh giá hiệu quả lâu dài. Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà đầu tư quan tâm liên hệ để hợp tác và ứng dụng giải pháp năng lượng bền vững này.