Tài liệu Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sức gió và mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho bộ biến đổi dc ac

i .. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ MINH ĐỨC NGHIÊN CỨU HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VÀ MẶT TRỜI CÓ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN 2016 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Ngô Minh Đức, học viên lớp cao học K16 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp TS. Đặng Danh Hoằng, tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sức gió và mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho bộ biến đổi DC/AC”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS. Đặng Danh Hoằng. Nội dung luận văn chỉ tham khảo và trích dẫn các tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 03 năm 2016 Học viên Ngô Minh Đức iii LỜI NÓI ĐẦU Từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng nguồn phát điện theo công nghệ sạch. Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, V.V... Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia, mạng điện thông minh...Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc điểm của các dạng nguồn này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định, tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày nay, các nguồn năng lượng sạch phát triển dưới dạng các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ có cơ hội được hiện thực hóa nhờ sự tiến bộ của các bộ biến đổi bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển hiện đại. Hiện tại, mô hình mạng điện phân tán có sự tham gia của nguồn máy phát điện sức gió và pin mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến. Trong đó, phụ tải điện có thể bao gồm cả phụ tải một chiều và phụ tải xoay chiều: - Nguồn cấp từ phía máy điện sức gió và pin mặt trời có ý nghĩa tận dụng nguồn năng lượng tại chỗ góp phần giảm áp lực nguồn phát trên lưới, thực hiện tái cấu trúc lưới điện phân phối mang lại lợi ích cả về kinh tế và kỹ thuật cho hệ thống điện quốc gia. - Nguồn cấp từ phía điện lưới sẽ phát huy tác dụng nhằm đảm bảo cấp điện khi các nguồn điện từ năng lượng tái tạo (máy điện sức gió và pin mặt trời) không đáp ứng đủ hoặc hoàn toàn nhu cầu sử dụng điện của hộ tiêu thụ. Việt Nam nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa có thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Vì vậy, vấn đề tiếp cận các nguồn điện năng lượng tái tạo (Solar Energy or Wind Energy Source) cho nghiên cứu và ứng dụng trong hệ thống điện Việt Nam là vấn đề cấp thiết trong giai đoạn hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sử dụng năng lượng gió và mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho bộ biến đổi DAC” là xây dựng một mô hình khai thác một cách hiệu quả nhất cho các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo và cụ thể là cho hai dạng điển hình nhất phù hợp với điều iv kiện thực tế ở Việt Nam là máy điện sức gió và pin mặt trời. Trong đó, đề xuất phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho điều khiển bộ biến đổi DC/AC. Nội dung luận văn được trình bày thành 4 chương: - Tổng quan về năng lượng tái tạo - Mô hình hệ nguồn phát điện sử dụng năng lượng mặt trời - Mô hình hệ nguồn phát điện sử dụng năng lượng gió - Hệ nguồn phát điện lai sử dụng pin mặt trời và máy điện gió Trong đó, áp dụng hệ điều khiển hiện đại cho các bộ biến đổi DAC trong máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) và mô hình hóa mô phỏng hệ máy phát DFIG trong một số chế độ vận hành thực tế. Do kiến thức còn hạn chế, bản thân chưa thể nghiên cứu được hết khối lượng kiến thức liên quan đến đề tài. Nên nội dung luận văn không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót. Em kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ phía các Thầy Cô và người đọc quan tâm. Nhân đây, em xin trân thành cám ơn Nhà trường, các thầy cô và cán bộ Phòng Ban chức năng đã tạo điều kiện cho lớp học K16 nói chung và bản thân em hoàn thành khóa học. Đặc biệt em xin trân thành cám ơn thầy giáo TS. Đặng Danh Hoằng, người đã dành nhiều thời gian và sự giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 03 năm 2016 Học viên Ngô Minh Đức v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................iii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO .......................................... 1 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG[8] ........................................................................................ 1 1.2 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ..................................................................................... 3 1.2.1 Năng lượng mặt trời .......................................................................................... 4 1.2.2 Thủy điện nhỏ ................................................................................................... 6 1.2.3 Năng lượng gió ................................................................................................. 8 1.2.4 Năng lượng địa nhiệt ...................................................................................... 10 1.2.5 Năng lượng sinh khối (BIOMASS) ................................................................ 11 1.3 MÔ HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 12 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...................................................................................... 15 CHƯƠNG 2. NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI .............................................................. 16 2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI [1-4] ....................................................................... 16 2.1.1 Quang phổ mặt trời ......................................................................................... 16 2.1.2 Vị trí mặt trời tại các thời điểm trong ngày .................................................... 18 2.2 PIN MẶT TRỜI [1-3] ........................................................................................... 20 2.2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 20 2.2.2 Quang phổ mặt trời tác động đến PV cell ....................................................... 21 2.2.3 Tế bào quang điện (PV cell) ........................................................................... 22 2.2.3.1 Sơ đồ mạch điện tương đương của một PV cell .......................................... 23 2.2.3.2 Những ảnh hưởng khác tác động đến PV Cell ............................................ 26 2.2.4 Phương thức tổ hợp nguồn PV từ cells đến modules đến arrays .................... 29 2.2.4.1 Tổ hợp các Cell thành Module .................................................................... 30 2.2.4.2 Tổ hợp các modules thành Arrays ............................................................... 30 2.2.4.3 Thử nghiệm đường cong V-I của pin mặt trời trong điều kiện tiêu chuẩn .......... 32 2.2.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và cường độ ánh sáng đến đặc tính V-I của PV module ............................................................................................................................... 33 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................................ 35 CHƯƠNG 3. NGUỒN PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ ............................................................. 36 3.1 NĂNG LƯỢNG GIÓ [1-4], [8] ............................................................................ 36 3.2 TURBINE GIÓ [1-4], [8] ...................................................................................... 37 3.3 CÔNG SUẤT GIÓ [1-4] ....................................................................................... 41 3.4 MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ (WG) [1-4] ........................................................... 42 vi 3.4.1 Các máy phát đồng bộ .................................................................................... 42 3.4.2 Máy phát cảm ứng không đồng bộ ................................................................. 43 3.4.3 Máy phát không đồng bộ cảm ứng từ hai phía - DFIG................................... 44 3.5 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI [1-4] ............................ 46 3.5.1 Tầm quan trọng của sự thay đổi tốc độ rotor .................................................. 46 3.5.2 Các hệ thống kết nối lưới gián tiếp ................................................................. 48 3.6 CÔNG SUẤT GIÓ TRUNG BÌNH [1-4].............................................................. 48 3.7 ƯỚC TÍNH GẦN ĐÚNG NĂNG LƯỢNG GIÓ [1-4] ......................................... 49 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................................ 49 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN LAI SỬ DỤNG PIN MẶT TRỜI VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ ........................................................................................... 50 4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 50 4.2 HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN LAI PIN MẶT TRỜI VÀ MÁY ĐIỆN GIÓ[5-8] ..... 51 4.2.1 Mô hình hóa hệ thống ..................................................................................... 51 4.2.2 Nguồn pin mặt trời và bộ biến đổi DC/DC (Converter) ................................. 53 4.2.2.1 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly .............................................................. 54 4.2.2.2 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly .................................................................... 59 4.2.2.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC ................................................................... 59 4.2.3 Máy phát điện sức gió và các bộ biến đổi AC/DC/AC................................... 61 4.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DFIG [6-7] ................. 65 4.3.1 Phép biến đổi hệ tọa độ .................................................................................. 65 4.3.2 Mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)[6-7] .......................... 67 4.3.3 Mô hình điều khiển phía máy phát Converter 2 [6-7] .................................... 69 4.3.4 Mô hình điều khiển phía lưới Converter 1, [6-7]........................................... 75 4.4 MÔ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG [8] ................. 77 4.4.1 Cấu trúc mô phỏng.......................................................................................... 77 4.4.2 Mô phỏng hoạt động của hệ nguồn lai ............................................................ 78 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................................ 84 KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 85 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 85 KIẾN NGHỊ ................................................................................................................ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 87 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời .........................................5 Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam ...................6 Bảng 1.3 Sự phát triển điện gió giai đoạn từ 1985 đến 2004 ..........................................9 Bảng 1.4 Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam ......................................11 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nhu cầu năng lượng trên thế giới ................................................................................ 4 Hình 1.2 Tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới ................................................................... 4 Hình 1.3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 2000-2011 trên thế giới .......................... 9 Hình 1.4 Mô hình mạng điện độc lập nguồn pin mặt trời cấp điện cho một hộ gia đình ......... 13 Hình 1.5 Mô hình mạng điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ công suất từ 100 kW đến 2000 kW cấp điện cho thôn bản ............................................................................................................... 14 Hình 1.6 Mô hình mạng hỗn hợp có điều tiết (thông minh) năng lượng giữa nguồn năng lượng tái tạo và lưới kết nối ................................................................................................................ 14 Hình 2.1 Quang phổ phát ra từ một vật đen ở nhiệt độ 288 K ................................................. 17 Hình 2.2 Quang phổ của bức xạ mặt trời tương ứng với một vật đen ở 5800K ....................... 18 Hình 2.3 Mô tả vị trí của mặt trời theo góc độ cao và góc phương vị ...................................... 18 Hình 2.4 Mô tả các khái niệm về kinh tuyến mặt trời, kinh tuyến địa phương và góc giờ ...... 19 Hình 2.5 Quang phổ mặt trời tại AM 1.5 ................................................................................. 22 Hình 2.6 Tác động của photon tạo ra các cặp electron-lỗ gần đường giao nhau, điện trường trong vùng nghèo sẽ đẩy lỗ vào vùng p và đẩy electron vào vùng n của PV cell .................... 23 Hình 2.7 Mô tả mạch điện nguồn PV với tải và quy ước chiều của dòng điện. ....................... 23 Hình 2.8 Sơ đồ mạch tương đương đơn giản cho một PV cell................................................. 23 Hình 2.9 Sơ đồ mô tả hai thông số quan trọng đối với PV cell là dòng ngắn mạch ISC và điện áp hở mạch VOC ............................................................................................................................. 24 Hình 2.10 Biểu diễn mối quan hệ dòng – áp của PV cell cho hai điều kiện "dark" (không được chiếu sáng) và “light” (được chiếu sáng). ................................................................................ 25 Hình 2.11 Điện áp và công suất của PV cell phụ thuộc cường độ sáng w/m2 ......................... 25 Hình 2.12 Mạch tương đương của một chuỗi các PV cell nối tiếp khi có hiệu ứng che khuất và giải pháp khắc phục .................................................................................................................. 26 Hình 2.13 Mô phỏng đặc tính của Array có các module nhận được cường độ chiếu xạ không đều nhau.................................................................................................................................... 27 Hình 2.14 Mô hình một PV cell tổng quát trong thực tế gồm đầy đủ cả RP và RS. ................. 28 Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ V-I cho một PV cell tổng quát ................................. 29 có Rp = 1 và RS = 0.05. ....................................................................................................... 29 Hình 2.16 Những tổ hợp cơ bản của pin mặt trời cell, module, và array ................................. 30 Hình 2.17 Mô tả tổ hợp 36 cells mắc nối tiếp. ......................................................................... 30 Hình 2.18 Sơ đồ nối và đặc tính V-I của array gồm 3 module nối tiếp.................................... 31 Hình 2.19 Sơ đồ nối và đặc tính V-I của array gồm 3 module song song................................ 31 Hình 2.20 Hai phương thức tổ hợp cho array với 6 modules ................................................... 32 ix Hình 2.21 Mô tả thí nghiệm mạch điện nguồn PV và tải ......................................................... 33 Hình 2.22 Mô tả đặc tính V-I ; P-V và điểm công suất tối đa (MPP) của một PV module ..... 33 Hình 2.23 Mô tả đặc tính của một PV module khi thay đổi cường độ ánh sángvà khi thay đổi nhiệt độ PV (đo tại tiếp giáp của PV) ....................................................................................... 34 Hình 3.1 Tốc độ phát triển năng lượng gió trên thế giới .......................................................... 36 Hình 3.2 Các nước dẫn đầu về năng lượng gió năm 2012 ....................................................... 37 Hình 3.3 Mô hình kết cấu một số loại turbine trục ngang và trục đứng ................................... 38 Hình 3.4 Một số kiểu dáng mới của turbine trục đứng ............................................................. 38 Hình 3.5 Turbine trục ngang..................................................................................................... 40 Hình 3.6 Mô hình turbine và tổ hợp phễu đón gió ................................................................... 41 Hình 3.7 Một số loại máy phát dùng trong hệ phát điện turbine gió ........................................ 42 Hình 3.8 Mô hình máy phát đồng bộ 3 pha và turbine sức gió ................................................ 43 Hình 3.9 Mô tả nguyên lý cấu tạo phần stator và rotor của máy điện không đồng bộ ............. 44 Hình 3.10 Các chế độ vận hành của DFIG [7] ......................................................................... 45 Hình 3.11 Mô tả dòng chảy năng lượng ở các chế độ trên đồng bộ và dưới đồng bộ.............. 45 Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ gió và hiệu suất cánh với 3 cấp tốc độ rotor .............. 47 Hình 3.13 Biểu đồ xác định thời điểm chuyển cấp tốc độ rotor để đạt hiệu xuất cánh cao nhất .................................................................................................................................................. 47 Hình 3.14 Mô hình turbine – máy phát cảm ứng kết nối lưới gián tiếp ................................... 48 Hình 4.1 Mô hình hệ thống và cấu trúc điều khiển mạng điện nguồn lai PV-DFIG-B ............ 50 Hình 4.2 Mô hình hệ thống mạng điện nguồn lai PV-DFIG-B ................................................ 51 Hình 4.3 Biểu đồ năng lượng hệ nguồn lai pin mặt trời và máy phát điện sức gió .................. 52 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ............................................................................. 54 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost ..................................................................................... 55 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost ......................................................................... 56 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Curk ............................................................................. 56 Hình 4.8 Sơ đồ mạch bộ Curk khi khoá SW mở thông dòng ................................................... 57 Hình 4.10 Bộ chuyển đổi DC-DC có cách ly ........................................................................... 59 Hình 4.11Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp .......................................................... 60 Hình 4.13 Mô hình máy phát điện kiểu DFIG.......................................................................... 61 Hình 4.14 Hệ thống máy phát điện turbine gió gió .................................................................. 62 Hình 4.15 Các vùng làm việc của một turbine gió ................................................................... 63 Hình 4.16 Các phương pháp điều khiển DFIG ......................................................................... 65 Hình 4.17 Biến đổi các hệ trục tọa độ ...................................................................................... 66 Hình 4.18 Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát ...................................................................... 70 Hình 4.19 Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát .......................................................... 71 x Hình 4.20 Mạch điện phía lưới a) và mô hình phía lưới b) ...................................................... 75 Hình 4.21 Cấu trúc mô phỏng hoạt động chính của hệ thống .................................................. 78 Hình 4.22 Mô phỏng tốc độ rotor thay đổi theo tốc độ gió ...................................................... 79 Hình 4.23 Mô phỏng điện áp 3 pha stator của DFIG ............................................................... 79 Hình 4.24 Mô phỏng dòng stator có giá trị biên độ thay đổi .................................................... 80 Hình 4.25 Mô phỏng dòng stator có tần số không đổi và biên dạng luôn sin (trích trong khoảng thời gian từ 4,0s đến 4,2s .......................................................................................................... 80 Hình 4.26 Mô phỏng dòng điện rotor phát lên lưới quaInverter 1 ........................................... 80 Hình 4.27a Mô phỏng dòng điện trao đổi giữa lưới và Inverter 1 ............................................ 81 Hình 4.7b Mô phỏng dòng và áp 3 pha giữa Converter 1 với lưới để thấy rõ sự đổi chiều dòng điện tại 3,3s ............................................................................................................................... 81 Hình 4.29 Mô phỏng dòng Converter 2 đcưa vào mạch kích từ rotor tại các thời điểm tốc độ rotor thay đổi qua điểm đồng bộ ............................................................................................... 82 Hình 4.30 Mô phỏng dòng một chiều giữa Inverter 2 và ắc quy .............................................. 82 Hình 4.31 Mô phỏng điện áp một chiều đo trên ắc quy ........................................................... 83 Hình 4.32 Mô phỏng dung lượng đo trên ắc quy thay đổi theo chế độ tích phóng năng lượng trao đổi với mạch rotor của DFIG ............................................................................................ 83 Hình 4.32a Khi Vdc=1 (pu), dòng điện qua Converter 1 phát vào lưới không có đổi chiều ... 84 Hình 4.32b Khi tăng Vdc=1,1 (pu), dòng điện qua Converter 1 phát vào lưới tăng lên .......... 84 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG[8] Để tồn tại và phát triển, từ xa xưa loài người đã biết sử dụng nhiều dạng năng lượng khác nhau. Theo đà phát triển của lịch sử, con người đã phát hiện và sử dụng thêm nhiều dạng năng lượng khác. Năng lượng là động lực cho mọi hoạt động vật chất và tinh thần của con người. Trình độ sản xuất phát triển ngày càng cao càng tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra thách thức to lớn đối với môi trường sống. Trong thực tế, mọi thực thể đều hàm chứa năng lượng và chúng chỉ có thể được giải phóng năng lượng khi thỏa mãn những điều kiện nhất định. Ví dụ như than, gỗ hay các khí đốt sẽ giải phóng nhiệt năng khi bị đốt cháy, nước sẽ chuyển hóa từ thếnăng sang động năng trên các dòng chảy, gió sẽ chuyền động năng khi tác động lên cánh buồm hay turbine, kim loại nặng sẽ giải phóng năng lượng nhiệt khổng lồ trong lò phản ứng hạt nhân, V.V. Các quá trình chuyển hóa năng lượng có thể là diễn ra theo quy luật tự nhiên, hoặc có thể diễn ra một cách cưỡng bức bởi tác động của con người. Từ lâu con người đã biết khai thác và sử dụng năng lượng trong tự nhiên và phương thức sửv dụng ngày càng tiến bộ. Ngày nay vấn đề năng lượng càng trở nên có tính chất sống còn đối với nhân loại, bởi vì: một mặt nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, mặt khác sự phát triển của sản xuất và các hoạt động của con người đặt ra những vấn đề hết sức cấp bách về nhu cầu năng lượng, làm mất cân bằng cung - cầu và có nguy cơ hủy hoại môi trường nghiêm trọng. Đứng trước bối cảnh này, nhiệm vụ chung của nhân loại là phải thực hiện tốt đồng thời hai vấn đề: thứ nhất là phải sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả; thứ hai là phải nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng thay thế có đủ tiềm năng và thân thiện với môi trường. Hiện tại, các dạng năng lượng được con người sử dụng là rất phong phú, chúng có thể được phân biệt theo nhiều góc nhìn khác nhau. 2  Phân biệt theo bản chất và nguồn gốc hình thành: - Nhóm 1: Năng lượng tự nhiên (năng lượng sơ cấp), ví dụ như than đá, dầu mỏ, đặc biệt là các kim loại nặng (năng lượng hạt nhân), năng lượng gió, năng lượng mặt trời, V.V - Nhóm 2: Năng lượng nhân tạo (năng lượng thức cấp), ví dụ như điện năng, nhiệt năng, cơ năng, quang năng, V.V.  Phân biệt theo hàm lượng (trữ năng): - Nhóm 3: Chất giàu năng lượng, ví dụ như than đá, dầu mỏ, đặc biệt là các kim loại nặng (năng lượng hạt nhân) - Nhóm 4: Các chất nghèo năng lượng, ví dụ như các chất đốt có nguồn gốc từ thảo mộc, biomass, than bùn, V.V.  Phân biệt theo vị trí có: - Nhóm 5: Năng lượng tập trung: như các mỏ than, dầu, khí đốt hay thủy điện lớn, V.V. - Nhóm 6: Năng lượng phân tán: như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện dòng suối, thủy điện thủy triều, thủy điện sóng biển, V.V.  Phân biệt theo tiềm năng và khả năng tái tạo: -Nhóm 7: Năng lượng hữu hạn (không có khả năng tái tạo), ví dụ như than, dầu mỏ, khí đốt, kim loại nặng, V.V. - Nhóm 8: Năng lượng có khả năng tái tạo hoặc không cạn kiệt, ví dụ như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng đại dương, năng lượng dòng chảy, biomass, biogas, V.V.  Phân biệt theo khái niệm mới: -Nhóm 9: Năng lượng mới, đó là dạng năng lượng mới tìm ra, mới được phát minh. Hiện tại trong thời điểm này con người chưa khẳng định phát minh thêm được dạng năng lượng mới nào, có chăng là đang phôi thai như TOKAMAK đó là một dạng mặt trời nhân tạo. Còn lại là một số dạng năng lượng được nhân tạo hóa theo những công nghệ mới như: biomass, pin nhiên liệu, V.V. Đôi khi, người ta cũng gọi một số dạng năng lượng tái tạo (nhóm 8) mới được khai thác sử dụng là năng lượng mới. 3 - Nhóm 10: Năng lượng truyền thống, đó là những dạng năng lượng tự nhiên (nhóm 1) đã được khai thác sử dụng từ lâu và giữ vai trò chủ đạo cho đến những năm gần đây.  Phân biệt theo tác động môi trường: - Nhóm 11: Năng lượng có ảnh hưởng đến ô nhiêm môi trường, ví dụ như than đá, dầu mở, khí đốt, các hồ đập thủy điện lớn, V.V. - Nhóm 12: Năng lượng thân thiện với môi trường hay còn có nhiều tên gọi khác là năng lượng sạch, năng lượng xanh. Đó là năng lượng mà sạch trong mọi công đoạn từ khai thác đến vận chuyển, sử dụng và sau sử dụng, ví dụ như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng đại dương, thủy điện nhỏ, biomass, V.V. 1.2 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các ứng dụng cho một mục đích nào đó của con người. Các quy trình này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong chu trình thời gian ngắn và liên tục còn diễn tiến trong một thời gian dài trên trái đất (ví dụ như biomass, phong năng, thủy năng dưới các dạng sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…). Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê qua biểu đồ trên hình 1.1 và hình 1.2. 4 Hình 1.1 Nhu cầu năng lượng trên thế giới Hình 1.2 Tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới Trong phần thổng quan, xin phép được giới thiệu khái quát một số dạng năng lượng tái tạo đang được ứng dụng phổ cập trên trên giới và bước đầu áp dụng có hiệu quả ở Việt Nam, với công nghệ khai thác là chuyển hóa thành điện năng nhằm bổ sung công suất cho hệ thống điện quốc gia. Cụ thể là: Năng lượng mặt trời, Năng lượng gió, Thủy năng (thủy điện nhỏ), Năng lượng địa nhiệt, Năng lượng sinh khối. 1.2.1 Năng lượng 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. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu độ C. Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa. Như vậy năng lượng mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người. Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2đo được tại gianh giới ngoài cùng của khí quyển trái đất, đó chính là nguồn gốc của mọi sự sống trên trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của trái đất một phần năng lượng mặt trời bị hấp thụ. Kết quả tính toán cho thấy năng lượng mặt trời phân bố trên bề mặt trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu. Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ mặt trời (BXMT) thành điện năng (pin mặt trời). Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm 5 nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa mặt trời, v.v... Trường hợp khác, 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, v.v. Tiềm năng của năng lượng mặt trời trên thế giới: Tiềm năng về năng lượng mặt trời của các nước trên thế giới là rất lớn. Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1.1. Bảng 1.1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời Khu vực Bức xạ Mặt trời [1000 TWh] Chỉ số chất lượng Công suất có thể trung bình DNI khai thác [kWh/tháng/năm] [1000 TWh/năm] North America 11,500 2410 1,150 South America 13,500 2330 1,350 Africa/Europe/Asia 73,500 2600 7,350 Pacific 23,000 2950 2,300 Total 121,500 12,150 Tiềm năng của năng lượng mặt trời ở Việt Nam: Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh), bảng 1.2. 6 Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam Giờ nắng Bức xạ Khả năng trong năm kcal/cm2/năm ứng dụng Đông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt Vùng 1.2.2 Thủy điện nhỏ Thuỷ điện trên đất liền được hình thành từ năng lượng của các dòng chảy. Từ năng lượng của dòng chảy,turrbine sẽ sinh ra cơ năng làm quay máy phát điện. Ngoài ra còn phải kể đến các thủy điện được khai thác từ năng lượng đại dương, đó là từ năng lượng sóng biển, từ năng lượng thủy triều và từ năng lượng của các dòng hải lưu, V.V. Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú ý phát triển rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường. Các trạm thủy điện nhỏ trên đất liền không có yêu cầu cao về công trình thủy công như đập chắn, hồ chứa, bể xả, các quy trình điều tiết mức nước. Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ thống turbine - máy phát điện, biến đổi thủy năng thành điện năng. Các trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini) có thể không có đập chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi. Còn thủy điện đại dương lại có ưu thế to lớn là không chiếm dụng diện tích mặt đất, chủ yếu khai thác nguyên dạng các điều kiện địa lý tự nhiên, hoặc là có cải tạo nhưng không đáng kể. Tiềm năng của thuỷ điện nhỏ trên thế giới: Trong những năm gần đây, các thuỷ điện nhỏ đã đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho nhiều nước trên thế giới. Ở các nước phát triển, tổng công suất của các thuỷ điện nhỏ trong mỗi nước đã vượt quá 1 triệu kW (Mỹ, Canađa, Thụy Điển, Tây Ban Nha, Pháp, Italia). Việc sử dụng các trạm thuỷ điện nhỏ không những 7 tiết kiệm các nguồn năng lượng truyền thống khác mà còn góp phần làm sạch môi trường, làm giảm hẳn lượng phát thải khí điôxít cácbon... Tiềm năng kinh tế của các nhà máy thủy điện toàn thế giới vào khoảng 7300 TWh/năm. Trong số này, 32% là đã khai thác, trong đó có sự đóng góp của thuỷ điện nhỏ. Ước tính đến năm 2010 từ thuỷ điện nhỏ lượng điện sẽ nhận được 220 TWh/năm, còn tổng công suất của chúng sẽ đạt đến 55 GW. Hiện nay, Trung Quốc là nước đi đầu trong việc phát triển thuỷ điện nhỏ, với tổng công suất các thuỷ điện nhỏ đã đạt hơn 13 triệu kW. Ở nhiều nước khác như Hà Lan, Bỉ, Belaruxia,… mặc dù điều kiện tự nhiên không thuận lợi cho việc xây dựng thuỷ điện nhỏ, nhưng phát triển thuỷ điện nhỏ vẫn được định hướng ưu tiên. Nguyên nhân là các thuỷ điện nhỏ không những góp phần tiết kiệm các nguồn năng lượng khác như than, dầu mỏ, khí đốt v.v... mà còn nhu cầu nguồn năng lượng điện tại chỗ cho các vùng sâu, vùng xa và góp phần bảo vệ môi trường. Một trạm thuỷ điện nhỏ với công suất 1 MW có thể cung cấp nguồn điện 6000 MWH/năm mà không làm tổn hại đáng kể môi trường xung quanh, trong khi một nhà máy nhiệt điện chạy bằng than cùng cho một lượng điện như thế sẽ phát tán ra không khí 4000 tấn điôxit cácbon/năm. Viện nghiên cứu năng lượng điện của Mỹ đã có tính toán về năng lượng điện sóng biển dọc theo bờ biển của U.S. có thể sản xuất ra khoảng 2100TWh/năm. Sản lượng đó chiếm một nửa yêu cầu sử dụng điện của nước Mỹ. Ở nước Anh, giới chuyên gia ước tính rằng, nước biển có thể đảm bảo cho họ tới 25% nhu cầu năng lượng cần thiết. Việc phát triển các dự án năng lượng sóng biển được thực hiện ở châu Âu và châu Mỹ. Ở châu Âu các thiết bị điện sóng biển đã được thử nghiệm từ năm 60 của thế kỷ trước. Ở Tây ban nha trong các năm 2011-2020 Viện Kế hoạch Năng lượng Tái tạo đã mạnh dạn đầu tư nghiên cứu phát triển tương đối mạnh năng lượng sóng biển, đã thực hiện nhiều dự án. Người ta tính toán rằng ở Tây Ban Nha có thể đảm bảo 42.3% năng lương điện tiêu thụ là năng lượng tái tạo vào năm 2020. Hiện có nhiều công nghệ để biến năng lượng sóng biển vào thực tiễn. Pháp chế tạo và lắp đặt thủy điện hải lưu ở cửa sông từ năm 1967.Công trình đó đến nay vẫn còn hoạt động và có công suất 240 MW. Những nhà máy điện cùng loại thí điểm cũng xuất hiện ở Trung Quốc, Ấn Độ, Canađa và Liên bang Nga. Tiềm năng của thuỷ điện nhỏ ở Việt Nam: 8 Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều. Hàng năm mạng lưới sông suối vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m3 nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng 37.500 m3/giây. Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng. Tập đoàn Ðiện lực Việt Nam cùng nhiều doanh nghiệp trong và ngoài ngành điện cũng mạnh dạn tự đầu tư xây dựng các thủy điện công suất vừa và nhỏ, với gần 300 dự án có tổng công suất lắp máy khoảng 2.500 MW đến 3.000 MW, tương ứng với lượng điện hàng năm khoảng 10 tỷ kWh. Đối với thủy điện đại dương, Việt Nam có một tiềm năng rất với hơn 3000 km bờ biển kèm theo một vùng lãnh hải dọc suốt chiều dài đất nước. Tuy nhiên thủy điện đại dương đòi hỏi một trình độ công nghệ và năng lực quan lý vận hành ở mức độ cao hơn so với thủy điện trên đất liền. 1.2.3 Năng lượng gió Gió là dòng chuyển dời của các khối khí mang năng lượng mà các thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng. Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận được bức xạ của mặt trời và thêm vào đó là bức xạ mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực. Do đó, hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch chuyển của các khối không khí tạo thành gió. Mặt khác, trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 23o5 so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất quay xung quanh mặt trời. Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. Như vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái đất. Tiềm năng điện gió của một số nước trên thế giới: Điện gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong những năm gần đây. Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai năng lượng gió trên thế giới giai đoạn 2000-2011. 9 Hình 1.3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 2000-2011 trên thế giới Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch với công suất từ 200-300 kW. Từ năm 2000 đến 2006 công suất các turbine gió được tăng lên nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2 MW, lớn có thể đến 15 MW được áp dụng tại Hoa kỳ. Ngày nay, tổng công suất turbine gió trên thế giới ước tính đạt 93.849 MW, trong đó châu Âu chiếm tới 65%. Đan Mạch là nước sử dụng năng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng điện quốc gia. Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm 1% tổng điện năng quốc gia. Ấn Độ đứng thứ tư trên thế giới về năng lượng gió với 8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% tổng công suất toàn quốc. Tiềm năng điện gió của Việt Nam: Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 8o đến 23o vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa. Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc và gió Tây Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6 m/s (ở độ cao 10-12m). Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6- 8 m/s. Như vậy, tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu ở cùng độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng điện gió có hiệu quả. Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua số liệu về sự phát triển điện gió của Tổng Cục Khí tượng Thủy văn như bảng 1.4 Bảng 1.3 Sự phát triển điện gió giai đoạn từ 1985 đến 2004 Năm Công suất (kW) Đường kính rotor (m) 1985 50 15 10 1989 300 30 1992 500 37 1994 600 46 1998 1500 70 2003 3000-3600 90-104 2004 4500-5000 112-128 1.2.4 Năng lượng địa nhiệt Nhiệt năng trong lòng đất hay còn gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà trái đất có được từ các phản ứng hạt nhân âm ỉ dưới lòng đất. Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng trái đất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng trái đất trong quá trình nguội dần hình thành các vùng nhiệt dư phân tán ở nhiều nơi trong kiến tạo của vỏ trái đất. Mỗi vùng có đặc điểm về cấu trúc vật chất và quá trình nhiệt có hầu như không giống nhau . Địa nhiệt có thể được xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa và lớn trong nhiều các lĩnh vực, đặc biệt kể ra ở đây là điện địa nhiệt. Tiềm năng của địa nhiệt trên thế giới: Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên thế giới được xây dựng từ năm 1904 ở Italia. Trong khi đó, nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ được xây dựng từ năm 1922 cung cấp nhiệt và điện cho khu nghỉ mát. Nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất thế giới The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW được xây dựng từ năm 1960. Điện lực Bắc Califonia có các nhà máy điện địa nhiệt có tổng công suất 740 MW. Hoa Kỳ là nước khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế giới. Năm 2005 Hoa Kỳ đã hợp đồng xây dựng các nhà máy địa nhiệt tổng công suất 500 MW cho 11 nước. Mehicô là nước khai thác địa nhiệt thứ ba trên thế giới, năm 2007 đã lắp đặt 959 MW, chiếm 3,24% điện năng toàn quốc. Iceland cũng là nước có tiềm năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm 19,1% và nhiệt năng chiếm 87%. Nguồn địa nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện năng. Tiềm năng địa nhiệt thế giới khoảng 100 GW và đã được sử dụng vì mục đích thương mại trên 70 nước. Năng lượng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu cầu năng lượng của thế giới. Tiềm năng của địa nhiệt ở Việt Nam: