Tài liệu điều khiển ổn định lưới điện cụ bộ vi lưới có các nguồn năng lượng tái tạo

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ––––––––––––––––––––––––– VŨ VĂN ĐỨC ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LƯỚI ĐIỆN CỤC BỘ (VI LƯỚI) CÓ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 8 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI Thái Nguyên, 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu tham khảo khác nhau. Qua số liệu thu thập thực tế, tổng hợp lại, không sao chép bất kỳ luận văn nào trước đó và dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Lại Khắc Lãi - Giảng viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Các số liệu và những kết quả trong luận văn là trung thực, các đánh giá, kiến nghị đưa ra xuất phát từ lý thuyết và thực nghiệm; kết quả nghiên cứu này chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ và công nhận bởi “Hội Đồng đánh giá luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật”. Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên./. Tác giả luận văn Vũ Văn Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho công tác được tốt hơn. Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học đã giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền đề cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: PGS.TS. Lại Khắc Lãi đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo, nhiệt tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này; Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc sĩ; Các đồng chí lãnh đạo và tập thể cán bộ công nhân viên của Công ty Điện lực Bắc Kạn đã giúp đỡ tác giả thực hiện việc nghiên cứu, thu thập các số liệu để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này; các đồng nghiệp là những người đã hoàn thành chương trình cao học, đã dành thời gian đọc, đóng góp, chỉnh sửa cho luận văn thạc sĩ này hoàn thiện tốt hơn; Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động viên tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này; Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, các bạn bè, đồng nghiệp, gia đình và người thân để bản luận văn này hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cám ơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. vii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................... 2 3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2 5. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương .................................................................. 2 CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ...................................................... 4 1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo................................................................ 4 1.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo .................................................................. 4 1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo.................................................................... 5 1.1.3. Vai trò và lợi ích của năng lượng tái tạo ................................................. 8 1.2. TIỀM NĂNG VÀ VẤN ĐỀ KHAI THÁC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ở VIỆT NAM ................................................................... 9 1.2.1. Tiềm năng................................................................................................ 9 1.3.2. Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam .................................. 13 1.2.3. Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam ..................... 15 1.3. KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO DƯỚI DẠNG ĐIỆN NĂNG ..... 16 1.3.1. Hệ thống điện gió .................................................................................. 16 1.3.2. Điện mặt trời ......................................................................................... 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1......................................................................... 22 CHƯƠNG 2: LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ....................................... 23 2.1. VAI TRÒ CỦA LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRONG QUÁ TRÌNH SỬ DỤNG ĐIỆN NĂNG .................................................................. 23 2.1.1. Các đặc trưng của điện năng ................................................................. 23 2.1.2. Nhu cầu lưu trữ điện năng ..................................................................... 23 2.2. CÁC HÌNH THỨC LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG ... 25 2.2.1. Acqui ..................................................................................................... 25 2.2.2. Pin nạp xả .............................................................................................. 30 2.3. BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ................................................. 34 2.3.1. Tổng quan.............................................................................................. 34 2.3.2. Cấu tạo của bánh đà lưu trữ năng lượng ............................................... 35 2.3.3. Nguyên lý hoạt động của bánh đà lưu trữ năng lượng.......................... 36 2.3.4. Đặc điểm của bánh đà lưu trữ năng lượng ............................................ 37 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2......................................................................... 37 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH VI LƯỚI CÓ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ........................................................................... 38 3.1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 38 3.1.1. Khái niệm về vi lưới (Microgrids) ........................................................ 38 3.1.2. Xu hướng phát triển của vi lưới có sự tham gia của các nguồn năng lương tái tạo..................................................................................................... 39 3.1.3. Thị phần của lưới điện siêu nhỏ ............................................................ 41 3.1.4. Đặc điểm của vi lưới có sự tham gia của các nguồn năng lương tái tạo ...... 41 3.1.5. Tính cấp thiết phải ổn định điện áp và công suất vi lưới có nguồn năng lượng tái tạo ............................................................................................ 41 3.2. CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG VI LƯỚI ............ 42 3.2.1. Tầm quan trọng của ổn định chất lượng điện năng trong vi lưới ......... 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3.2.2. Các giải pháp và sơ đồ ổn định chất lượng điện năng trong vi lưới ..... 42 3.3. HỆ THỐNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG VI LƯỚI .. 44 3.3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ......................................................................... 44 3.3.2. Cấu trúc phần điện của hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng .............. 45 3.3.3. Nguyên lý điều khiển hoạt động của FESS trong vi lưới ..................... 47 3.4. ĐIỀU KHIỂN BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG VI LƯỚI ......................................................................................................... 48 3.4.1. Xây dựng mô hình toán của hệ thống FESS ......................................... 49 4.4.2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống FESS ............................................. 57 3.5. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlap Simulink ............................. 57 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3......................................................................... 61 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DER (Distributed Ennergy resouces) Nguồn năng lượng phân tán ESS (Energy Storage System) Hệ thống lưu trữ năng lượng FESS (Flywheel Energy Storage Hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng System) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam ........................ 10 Bảng 1.2: Công suất năng lượng tái tạo khai thác tại Việt Nam ................... 14 Bảng 3.1: Chu kỳ đóng/cắt các van trong mỗi sector ..................................... 56 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cối xay gió ...................................................................................... 17 Hình 1.2: Cánh đồng điện gió tại Tây Ban Nha .............................................. 18 Hình 1.3: Công viên quang điện Lieberose 71,8 MW (Đức).......................... 20 Hình 1.4: Nhà máy điện mặt trời đầu tiên ở Ninh Thuận ............................... 21 Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống lưu trữ năng lượng trong lưới điện .................... 24 Hình 2.2: Cấu tạo của bánh đà lưu trữ năng lượng ......................................... 35 Hình 3.1: Mô hình một vi lưới ........................................................................ 38 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng tái tạo nối lưới có FESS ............. 43 Hình 3.3: FESS nối với vi lưới........................................................................ 44 Hình 3.4: Cấu trúc của hệ thống FESS 2 cấp .................................................. 46 Hình 3.5: Hệ thống điện gió nối lưới tích hợp FESS ...................................... 47 Hình 3.6: Hệ thống điện mặt trời nối lưới tích hợp FESS .............................. 47 Hình 3.7a,b: Đường cong công suất tức thời của FESS trong hệ thống lai .... 48 Hình 3.8: Sơ đồ mạch lực hệ thống FESS ...................................................... 49 Hình 3.9: Các véc tơ không gian của SVM .................................................... 54 Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển FESS ................................................................. 57 Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ FESS trong vi lưới có nguồn phát PV ................... 58 Hình 3.12: Sợ thay đổi tốc độ góc của bánh đà .............................................. 59 Hình 3.13: Đáp ứng từ thông máy điện nối với bánh đà ................................ 60 Hình 3.14: Đáp ứng của thành phần dòng điện iq của FESS .......................... 60 Hình 3. 15: Đáp ứng công suất của FESS ....................................................... 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lưới điện siêu nhỏ (vi lưới) là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (DER - distributed energy resources) cung cấp cho một số phụ tải và hệ thống đo đếm, hệ thống này có thể hoạt động như một lưới điện độc lập hoặc dễ dàng tách khỏi lưới điện phân phối hiện hành. Hoạt động của microgrids mang lại lợi thế khác biệt cho khách hàng và nhà cung cấp, như cải thiện hiệu quả năng lượng, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng tổng thể, giảm tác động môi trường, cải thiện độ tin cậy của nguồn cung, lợi ích vận hành mạng như giảm tổn thất, giảm tắc nghẽn, kiểm soát điện áp hoặc bảo mật cung cấp và thay thế cơ sở hạ tầng điện hiệu quả hơn. Ngoài ra còn có một khía cạnh triết học, bắt nguồn từ niềm tin rằng các hệ thống được kiểm soát tại địa phương có nhiều khả năng đưa ra các lựa chọn cân bằng khôn ngoan, chẳng hạn như giữa các khoản đầu tư vào hiệu quả và công nghệ cung ứng. Microgrids có thể điều phối tất cả các tài sản này và trình bày chúng với megagrid theo cách thức và ở quy mô phù hợp với hoạt động lưới điện hiện tại, do đó tránh được các khoản đầu tư lớn không cần thiết để tích hợp các nguồn lực phi tập trung mới nổi. Sự tham gia của các nguồn năng lương tái tạo có mang lại nhiều lợi ích và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên mạng lưới này cũng có những mặt hạn chế phải khắc phục, đó là sự thiếu ổn định của các nguồn phát: + Năng lượng mặt trời: Phụ thuộc bức xạ nhiệt của mặt trời + Năng lượng gió: Phụ thuộc tốc độ gió + Năng lượng thuỷ triều: Phụ thuộc lưu lượng dòng thuỷ triều + Địa Nhiệt: Phụ thuộc dòng nhiệt khai thác được từ lòng đất + Thuỷ điện: Phụ thuộc dòng chảy và lưu lượng nước các sông suối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Chính những phụ thuộc này có thể gây ra những biến động đột ngột, ảnh hưởng không nhỏ đến sự ổn định của các nguồn phát điện (Công suất, điện áp…) dẫn đến sự thiếu ổn định của vi lưới. Do đó ổn định điện áp và công suất vi lưới là việc hết sức cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Phân tích đề xuất giải pháp kỹ thuật ổn định điện áp và công suất vi lưới khi có biến động đột ngột của nguồn phát sử dụng năng lượng tái tạo. 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các vi lưới có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo. 4. Phương pháp nghiên cứu + Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: Bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành… +Mô hình hóa và mô phỏng: Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết 5. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương - Chương 1: Trình bày một số nét tổng quan về năng lượng tái tạo, tiềm năng và vấn đề khai thác năng lượng tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam; đặc biệt đi sâu tìm hiểu việc khai thác năng lượng gió và năng lượng mặt trời dưới dạng điện năng, những phân tích này được dùng làm cơ sở cho những vấn đề được đề cập và giải quyết ở các chương sau. - Chương 2: Trình bày tầm quan trọng của việc lưu trữ năng lượng điện nhằm tiết kiệm điện năng cân bằng cung - cầu điện năng trong mọi thời điểm (giờ cao điểm cũng như giờ không cao điểm); Các hình thức lưu trữ điện năng truyền thống và bánh đà lưu trữ năng lượng, làm cơ sở cho việc đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng điện của vi lưới sẽ được trình bày ở chương 3. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn - Chương 3: Trình bày những nét tổng quan về vi lưới, đặc điểm và tính cấp thiết phải có giải pháp làm mịn dao động điện áp và năng lượng trong vi lưới; đề xuất giải pháp sử dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong vi lưới có các nguồn năng lượng tái tạo; tính toán, mô hình hóa, mô phỏng cho một trường hợp cụ thể. Kết quả mô phỏng cho thấy có thể sử dụng bánh đà lưu trũ năng lượng để khắc phục sự thiếu hụt năng lượng tức thời trong vi lưới. - Phần kết luận chung: Trình bày tóm tắt những nội dung chính luận văn đã làm được và kiến nghị những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện và áp dụng vào thực tiễn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo 1.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn, theo hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất. Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ. Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch). Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận. Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất. Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng. Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái. Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại "vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này. 1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo bao gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều (sóng), thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, nhiên liệu sinh học. Theo nguồn gốc xuất xứ ta phân năng lượng tái tạo thành 3 loại như sau: a) Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng 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 năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng 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 Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứngdụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn b) Nguồn gốc từ nhiệt năng của Trái Đất Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng Trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của mặt Trời. Địa nhiệt có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: Nhà máy điện địa nhiệt; Sưởi ấm địa nhiệt. c) Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều. Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía Mặt Trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời. d) Các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ Ngoài các nguồn năng lượng nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng: • Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lượng lắc lư của tay khi con người hoạt động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con quay. Năng lượng này được dùng để làm chuyển động kim đồng hồ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn • Một số động cơ có rung động lớn được gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và tạo nguồn điện phụ. Tinh thể này cũng có thể được gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên của người để phát điện cho các thiết bị cá nhân nhỏ như PDA, điện thoại di động... • Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nước hay các nguồn nước chảy, khi nước đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp. • Các ăngten thu dao động điện từ (thường ở phổ radio) trong môi trường sang năng lượng điện xoay chiều hay điện một chiều. Một số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu năng lượng sóng vi ba phát ra từ điện thoại để phát sáng, hoạt động theo cơ chế này. 1.1.3. Vai trò và lợi ích của năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời. Trong các mô hình tính toán trên lý thuyết người ta cũng đã cố gắng chứng minh là với trình độ công nghệ ngày nay, mặc dầu là bị thất thoát công suất và nhu cầu năng lượng ngày một tăng, vẫn có thể đáp ứng được toàn bộ nhu cầu về năng lượng điện của châu Âu bằng các tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi hay là bằng các tuốc bin gió được lắp đặt ngoài biển (off-shore). Sử dụng một cách triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lượng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu cầu nước nóng.Việc sử dụng năng lượng tái tạo sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So sánh với các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi trường. Nhưng các ưu thế về sinh thái này có thực tế hay không thì cần phải xem xét Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn sự cân đối về sinh thái trong từng trường hợp một. Thí dụ như khi sử dụng sinh khối phải đối chiếu giữa việc sử dụng đất, sử dụng các chất hóa học bảo vệ và làm giảm đa dạng của các loài sinh vật với sự mong muốn giảm thiểu lượng CO2. Việc đánh giá các hiệu ứng kinh tế phụ cũng còn nhiều điều không chắc chắn. Sử dụng năng lượng tái tạo rộng rãi và liên tục có thể tác động đến việc phát triển của khí hậu Trái Đất về lâu dài. Có thể hình dung đơn giản: Dòng chuyển động của gió sẽ yếu đi khi đi qua các cánh đồng cánh quạt gió, nhiệt độ không khí giảm xuống tại các nhà máy điện mặt trời (do lượng bức xạ phản xạ trở lại không khí bị suy giảm). 1.2. TIỀM NĂNG VÀ VẤN ĐỀ KHAI THÁC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ở VIỆT NAM 1.2.1. Tiềm năng Nguồn năng lượng hóa thạch của nước ta đang suy giảm dần do trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ năng lượng này đang gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Với điều kiện thiên nhiên và thổ nhưỡng, Việt Nam được đánh giá là quốc gia không chỉ phong phú về nguồn năng lượng hóa thạch mà còn rất tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo (NLTT). Thậm chí, theo đánh giá của ông Roman Ritter, một chuyên gia về năng lượng tái tạo, Việt Nam có thể đảm bảo 100% điện từ NLTT. Việc phát triển năng lượng tái tạo sẽ góp phần giảm tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính. Nguồn năng lượng tái tạo phân bổ rộng khắp trên toàn quốc. Ước tính tiềm năng sinh khối từ các sản phẩm hay chất thải nông nghiệp có sản lượng khoảng 10 triệu tấn dầu/năm. Khí sinh học xấp xỉ 10 tỉ m3 năm có thể thu được từ rác, phân động vật và chất thải nông nghiệp. Thuỷ điện nhỏ (<30MW) hơn 4,000MW. Nguồn năng lượng mặt trời phong phú với bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m2 /ngày. Bên cạnh đó, với vị trí địa lý hơn 3,400km đường bờ biển giúp Việt Nam có tiềm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn năng rất lớn về năng lượng gió ước tính khoảng 500-1000 kWh/m2/năm. Những nguồn năng lượng tái tạo này được sử dụng sẽ đáp ứng được nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh. Khả năng khai thác cụ thể được liệt kê trong bảng 1.1. Bảng 1.1: Tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam STT Loại nguồn Khả năng Tiềm năng khaithácSX điện(MW) + Kỹ thuật:>4.000 1 Thủy điện nhỏ > 4.000 MW + Kinh tế: 2.200 + Để khai thác hơn cần hỗ trợ giá. Khu vực/đối tượng sửdụng Khu vực miền núi: Đông Bắc; Tây Bắc, Bắc Trungbộ; Nam Trung Bộ; Tây Nguyên. Cho nối lưới và lưới điện mini 2 Gió + Miền trung, tây + Kinh tế: không nguyên,các đảo > 30.000 MW kinh tế ở giá bán + Các khu vực ven hiện nay. Cần hỗ trợ biển vànơi có gió địa hình khác > 15 MW cho khu 3 Mặt trời 4-5 vực ngoài lưới. kWh/m2/ngày + Để phát triển cần hỗ trợ. + Nhiệt mặt trời: Tất cảcác khu vực dân cư + Điện mặt trời: Khu vựcdân cư ngoài lưới Sinh khối 4 +Gỗ củi 600-700 MW Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Cho hộ gia đình, tiểu thủcông nghiệp các tỉnh http://lrc.tnu.edu.vn STT Loại nguồn Khả năng khaithácSX Tiềm năng điện(MW) Khu vực/đối tượng sửdụng Trấu: Khu vực ĐB +Phụ phẩm nôngnghiệp + Trấu: 197 - 225 sông Mê Kông + Bã mía: 221 - 276 Bã mía: Khu vựcchế biếnđường Sinh học + Hộ gia đình nông 5 +Khí sinh học > 570 triệum3 58 +Nhiên liệu sinh Chưa xác học thôn + Trang trại, khu vực chế biến định Chưa xác định + Giao thông v ận tải + Sản xuất điện 6 Địa nhiệt < 400 MW + Không kinh tế với Khu vực miền giá điện hiện nay. Trung, Tây Cần hỗ trợ Bắc 7. Thủy triều > 100 MW Chưa xác định Các tỉnh duyên hải 8. Rác thải sinh hoạt 350 MW 222 Các khu đô thị Thủy điện nhỏ: Với thủy điện nhỏ, thời gian qua đã khai thác khoảng 50% tiềm năng, các nguồn còn lại ở các vùng sâu, vùng xa, khu vực không thuận lợi, giá khai thác cao. Theo các báo cáo đánh giá gần đây nhất thì hiện nay có trên 1.000 địa điểm đã được xác định có tiềm năng phát triển thủy điện nhỏ, qui mô từ 100kW tới 30MWvới tổng công suất đặt trên 7.000MW, các vị trí này tập trung chủ yếu ở vùng núi phía Bắc, Nam Trung Bộ và Tây Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Năng lượng gió: Theo Tài liệu "Bản đồ Năng Lượng Gió Khu Vực Đông Nam Á" công bố vào năm 2001, Việt Nam có một tiềm năng vô cùng lớn cho việc khai triển điện gió thương mại. Trong các nghiên cứu gần đây, tiềm năng điện gió qui mô lớn được đánh giá có công suất lý thuyết lên đến 120-160 GW, với phần lớn các tiềm năng khai thác nằm dọc ở khu vực bờ biển Đông-Đông Nam. Tiềm năng to lớn về năng lượng gió dọc bờ biển Trung-Nam Bộ là từ cơ chế gió mùa trong khu vực. Các dãy núi cao ở Trung và Nam Bộ nằm ở một vị trí đặcbiệt thuận lợi do chúng hình thành một hàng rào cản gió gần như thẳng góc với hướng gió mùa Đông Bắc trong khoảng tháng 10 đến tháng 5, và từ Tây Nam trong khoảng tháng 6 đến tháng 9 mỗi năm. Được đánh giá là quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng gió nhưng hiện tại số liệu về năng lượng gió của Việt Nam chưa được hệ thống đầy đủ bởi còn thiếu điều tra và đo đạc. Số liệu đánh giá về tiềm năng năng lượng gió có sự dao động khá lớn. Theo các báo cáo thì tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tập trung nhiều nhất tại vùng duyên hải miền Trung, miền Nam, Tây Nguyên và các đảo. Năng lượng sinh khối: Là một nước nông nghiệp, Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng sinh khối. Khả năng khai thác bền vững nguồn sinh khối chosản xuất năng lượng ở Việt Nam đạt khoảng 150 triệu tấn mỗi năm. Việc sản xuất nhiên liệu sinh học đã được thí điểm và sản xuất thương mại. Trong sản xuất điện từ năng lượng sinh khối, một số dự án tiêu biểu tại Việt Nam là công nghệ đồng phát nhiệt điện từ bã mía và trấu. Năng lượng mặt trời: Việt Nam có bức xạ Mặt Trời vào loại cao trên thế giới,với số giờ nắng dao động từ 1.600 - 2.600 giờ/năm, đặc biệt là khu vực phía Nam. Việt Nam hiện có trên 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng mặt trời. Tính trung bình toàn quốc thì bức xạ Mặt Trời dao động từ 3,8-5,2 kWh/m2/ngày. Tiềm năng điện Mặt Trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn