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

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 i 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 ii 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 1.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo trên thế giới ........................................................................................ 7 1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo ở Việt Nam ....................................................................................... 8 1.3 Cơ cấu nguồn điện ở Việt Nam và quy hoạch phát triển đến năm 2030 .............................................................................. 8 1.4 Một số mô hình năng lượng tái tạo đang được sử dụng ..... 11 1.5 Kết luận chương .................................................................. 11 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 2.1 Tình hình tiêu thụ điện của hộ gia đình .............................. 12 2.2 Tình hình tiêu thụ điện của hộ sản xuất kinh doanh ........... 12 2.3 Tình hình tiêu thụ điện của hộ chăn nuôi ........................... 12 2.4 Dự báo tăng trưởng nhu cầu tiêu thụ điện và mức công suất đỉnh ..................................................................................... 12 iii 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 3.1 Tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam .......... 13 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống năng lượng mặt trời .. 15 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống năng lượng biogas .... 15 3.4 Kết luận chương .................................................................. 15 CHƯƠNG 4 ................................................................................................... 17 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HYBRID PHÙ HỢP VỚI CÁC YÊU CẦU SỬ DỤNG Ở NÔNG THÔN VIỆT NAM ................................ 17 4.1 Hệ thống năng lượng tái tạo qui mô nhỏ ............................ 17 4.2 Đề xuất mô hình phối hợp năng lượng mặt trời và năng lượng biogas ....................................................................... 18 4.3 Thiết kế hệ thống phối hợp năng lượng mặt trời và năng lượng biogas ....................................................................... 19 4.4 Thiết kế phần cứng .............................................................. 22 4.5 Thiết kế phần mềm .............................................................. 25 4.6 Kết luận chương .................................................................. 28 CHƯƠNG 5 ................................................................................................... 29 THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .............. 29 5.1 Thi công hệ thống ............................................................... 29 5.2 Vận hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống ....................... 31 5.3 Kết luận chương .................................................................. 33 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................... 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 36 iv 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. v 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 vi 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. Cơ quan chủ trì Ngày tháng 7 năm 2020 Chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Bùi Thị Minh Tú vii 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 viii 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: ix [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. 1 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, 2 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) 3 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 4 • 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. 5 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 x