Tài liệu Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ và nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯU VĂN DOANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THỦY ĐIỆN NHỎ VÀ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH CHO THỦY ĐIỆN NHỎ CÓ KÊNH DẪN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TS. Đỗ Trung Hải TS. Ngô Đức Minh PHÒNG ĐÀO TẠO TS. Đặng Danh Hoằng THÁI NGUYÊN 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Lưu văn Doanh, học viên lớp cao học K16 chuyên ngành Kỹ thuật điện, sau thời gian 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. Ngô Đức Minh, em đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ và nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh. Nội dung luận văn có 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 23 tháng 01 năm 2016 Học viên Lưu Văn doanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường. Sự quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa Điện, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS. Ngô Đức Minh và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Hệ thống điện. Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa K16 - KTĐ đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng, xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn! Học viên Lưu Văn Doanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU ....................................................................viii LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG THỦY ĐIỆN NHỎ .............. 3 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ..................................... 3 1.1.1 khái niệm về năng lượng tái tạo ....................................................................... 3 1.1.2 Các dạng năng lượng tái tạo phổ biến .............................................................. 4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1........................................................................................ 14 CHƯƠNG 2. THỦY ĐIỆN NHỎ ......................................................................... 16 2.1 TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ ............................................................ 16 2.1.1 Điện thủy triều................................................................................................ 16 2.1.2 Thủy điện hải lưu ........................................................................................... 19 2.1.3 Thủy điện sóng biển ....................................................................................... 21 2.1.4 Thủy điện dòng suối (kênh dẫn) .................................................................... 25 2.2 MÔ HÌNH THỦY ĐIỆN NHỎ KIỂU KÊNH DẪN......................................... 28 2.2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 28 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện nhỏ ........................................................ 28 2.2.3 Tính toán kỹ thuật .......................................................................................... 30 2.2.4 Turbine thủy điện nhỏ .................................................................................... 32 CHƯƠNG 3. MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ ................................ 36 3.1 MÔ HÌNH MẠNG ĐIỆN THỦY ĐIỆN NHỎ ................................................. 36 3.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 36 3.1.2 Phân tích hoạt động của sơ đồ ........................................................................ 37 3.1.3 Đề suất ứng dụng BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ ................... 43 3.2 HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG ẮC QUY (BESS) ........................ 43 3.3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 43 3.3.2 Bộ biến đổi công suất ..................................................................................... 44 3.3.3 Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất.................................................... 47 3.3.4 Kho tích trữ năng lượng một chiều.................................................................. 48 3.3 MÔ HÌNH BESS TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ ........ 52 3.3.1 Mô hình hóa BESS ......................................................................................... 52 3.3.2 Phương pháp điều khiển BESS ...................................................................... 57 3.3.2.1 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển .................................................................. 57 3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS.............................................................. 65 3.3.4 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp ....................................................................... 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv 3.3.5 Thiết kế bộ điều khiển công suất tác dụng ..................................................... 74 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3........................................................................................ 75 CHƯƠNG 4. HÓA PHỎNG HOẠT ĐỘNG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ ............................................................................................................. 76 4.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG............................................................. 76 4.2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG ....................................................... 82 4.2.1 Phân tích động học của bộ điều khiển dòng kiểu PI và kiểu D-B ................. 82 4.2.2 Phân tích chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động ........................... 82 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4........................................................................................ 86 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Tình hình NLTT trên toàn cầu (thống kê năm 2006) .................................... 3 Hình 1. 2 Minh họa sự hình thành gió ........................................................................... 5 Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới .......... 5 Hình 1. 4 Các hệ thống khai thác năng lượng Mặt trời ................................................. 7 Hình 1. 5 Năng lượng địa nhiệt và công nghệ điện địa nhiệt ...................................... 11 Hình 1. 6 Một số hình ảnh về thủy điện nhỏ dòng suối .............................................. 13 Hình 2. 1 Một số hình ảnh về thuỷ điện thuỷ triều...................................................... 16 Hình 2. 2 Cơ chế vận hành turbine nước ..................................................................... 17 Hình 2. 3 Cơ chế vận hành turbine phát điện kiểu khí ................................................ 18 Hình 2. 4 Một số dòng hải lưu lớn trên thế giới .......................................................... 19 Hình 2. 5 Trạm phát điện hải lưu SeaGen, Bắc Ailen ................................................. 19 Hình 2. 6 Mô tả năng lượng của sóng biển nhà máy thuỷ điện sóng biển .................. 21 Hình 2. 7 Máy phát điện sóng biển cánh ngầm ........................................................... 22 Hình 2. 8 Mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp Cockrell Raft ...................... 22 Hình 2. 9 Cơ cấu DEXA 2 phao .................................................................................. 23 Hình 2. 10 Mô tả sự truyền lực trong DEXA Converler trong suốt ¼ chu kỳ sóng ... 23 Hình 2. 11 Mô tả quan hệ lực tạo ra với bước sóng .................................................... 24 Hình 2. 12 Mô tả nguyên tắc sinh công....................................................................... 24 Hình 2. 13 Một số hình ảnh về nhà máy thuỷ điện kênh dẫn ...................................... 26 Hình 2. 14 Mô hình nhà máy thuỷ điện kênh dẫn ...................................................... 27 Hình 2. 15 Mô hình trạm thủy điện nhỏ ...................................................................... 28 Hình 2. 16 Mô tả sự biến đổi năng lượng mà turbine nhận được ............................... 29 Hình 2. 17 Minh họa các giá trị HG và HN ................................................................ 29 Hình 2. 18 Biểu diễn quan hệ tổn thất đường ống phụ thuộc loại ống ....................... 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi Hình 2. 19 Phương pháp đo lưu tốc ............................................................................ 32 Hình 2. 20 Mô hình turbine Pelton nhiều vòi phun ..................................................... 33 Hình 2. 21 Turbine Right-Angle-Drire ....................................................................... 35 Hình 3. 1 Mô hình tổng quát mạng điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ. ....................... 36 Hình 3. 2 Mô hình một số của trạm thủy điện nhỏ kênh dẫn ...................................... 37 Hình 3. 3 Đặc tính ổn định tần số theo tải. .................................................................. 38 Hình 3. 4 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS .................................................. 43 Hình 3. 5 Mô hình mạch lực của BESS ...................................................................... 44 Hình 3. 6 Cấu trúc và ký hiệu IGBT ........................................................................... 44 Hình 3. 7 Sơ đồ khai triển cấu tạo và mô tả nguyên lý làm việc của IGBT ............... 45 Hình 3. 8 Đặc tính đóng mở van IGBT ....................................................................... 46 Hình 3. 9 Sơ đồ tương đương của ắcquy ..................................................................... 49 Hình 3. 10 Quá trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dòng phóng .......................... 50 Hình 3. 11 Sự phụ thuộc của công suất vào dòng điện phóng .................................... 52 Hình 3. 12 Mô tả BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ .................................. 52 Hình 3. 13 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS .............................................................. 53 Hình 3. 14 Mô hình tín hiệu trung bình bộ biến đổi BESS trong tọa độ abc ............. 54 Hình 3. 15 Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới ...... 56 Hình 3. 16 Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace .......................... 56 Hình 3. 17 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ ...... 57 Hình 3. 18 Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp ........................ 58 Hình 3. 19 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL ............................................. 59 Hình 3. 20 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng 60 Hình 3. 21 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van.......................... 62 Hình 3. 22 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ .................................................. 63 Hình 3. 23 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 ....................................................... 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii Hình 3. 24 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1 ............................................... 64 Hình 3. 25 Mô phỏng dạng sóng biến điệu vector SVM ............................................ 65 Hình 3. 26 Cấu trúc khử tương tác 2 thành phần dòng iBd và iBq ............................. 66 Hình 3. 27 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS..................... 67 Hình 3. 28 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat ...................... 69 Hình 3. 29 Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh Dead-Beat.......... 70 Hình 3. 30 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat ........................................... 71 Hình 3. 31 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng .................................................... 75 Hình 4. 1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐTĐN công suất 85 kVA ............... 76 Hình 4. 2 Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV ................................................... 77 Hình 4. 3 Cấu trúc mạch lực của BESS ...................................................................... 79 Hình 4. 4 Khối đo lường.............................................................................................. 80 Hình 4. 5 Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B ......... 81 Hình 4. 6 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện vòng trong kiểu D-B ............................. 81 Hình 4. 7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B ............................ 82 Hình 4. 8 Mô phỏng trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ mất nguồn tạm thời trường hợp dùng bộ điều khiển D-B .................................................................. 83 Hình 4. 9 Mô phỏng trị tức thời điện áp trên tải trong các chế độ mất nguồn tạm thời .......... 83 trường hợp dùng bộ điều khiển D-B ......................................................................... 83 Hình 4. 10 Mô phỏng dòng điện phóng nạp của ắcquy trong các chế độ mất nguồn tạm thời trường hợp dùng bộ điều khiển D-B ........................................................... 84 Hình 4. 11 Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B84 Hình 4. 12 Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s .......... 85 trường hợp dùng bộ điều khiển D-B ......................................................................... 85 Hình 4. 13 Mô phỏng chế độ BESS khi bù công suất đỉnh khi động cơ khởi động . 85 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1. 1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời................................7 Bảng 1. 2 Tỷ lệ năng lượng của một số cây trồng .............................................. 10 Bảng 2. 1 Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước ....................... 27 Bảng 3.1. Các số liệu tính toán mạng điện ........................................................ 40 Bảng 3.2. Các số liệu tính toán mạng điện ........................................................ 42 Bảng 3. 3 Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector ........... 65 Bảng 4. 1 Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện ...................................... 77 Bảng 4. 2 Thông số mạch điều khiển dòng kích từ máy phát.............................. 78 Bảng 4. 3 Thông số đường dây ......................................................................... 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, 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 tính 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, đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống (mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện năng). Đặc biệt, trong bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần thiết sự kết hợp với các bộ biến đổi, kho lưu trữ năng lượng và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ nguồn. Xuất phát từ những phân tích trên, đề tài luận văn được định hướng nghiên cứu về phát triển các nguồn thủy điện nhỏ, đại diện cho những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn ở Việt Nam. Đề xuất giải pháp khắc phục một số nhược điểm căn bản của thủy điện nhỏ. Tìm hiểu nắm vững mô hình đối tượng nghiên cứu, đó là một mạng điện phân tán có nguồn thủy điện nhỏ có kênh dẫn. Phân tích ưu nhược điểm hệ thống, đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng điện ăng và tính ổn định động cho hệ thống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích kỹ lưỡng về đối tượng nghiên cứu nghiên cứu, chỉ ra những nhược điểm cần khắc phục và đề xuất giải pháp khác phục. Để thực hiện mục tiêu này, luận văn cần giải quyết các vấn đề chính sau: - Giới thiệu tổng quan về năng lượng tái tạo và sự cần thiết phát triển các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng là trong tâm nghiên cứu của đề tài này. - Phân tích thủy điện nhỏ kiểu có kênh dẫn và xây dựng mô hình mạng điện độc lập nguồn cung cấp là thủy điện nhỏ. - Đề xuất giải pháp khắc phục các nhược điểm của nguồn thủy điện nhỏ trong hoạt động của mạng điện độc lập. - Phân tích các khối chính trong mô hình xây dựng. Đặc biệt, xây dựng cấu trúc thiết bị kho lưu trữ năng lượng ắc quy (tên tiếng Anh là Battery Energy Storage System; viết tắt là BESS) và xây dựng các chức năng của BESS đáp ứng cho các yêu cầu đặt ra cho mục tiêu là nâng cao ổn định và chất lượng điện năng cung cấp đối với thủy điện nhỏ. - Mô hình hóa mô phỏng hệ thống mạng điện độc lập nguồn thủy điện nhỏ kết hợp với BESS. Các kết quả mô phỏng thu được nhằm minh chứng cho các nghiên cứu lý thuyết đồng thời khẳng định một tương lai cho phát triển nguồn thủy điện nhỏ. Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng, nhưng do trình độ còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những sai sót. Nhân đây, em xin được bầy tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến Nhà trường, các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp trong lớp, Ban lãnh đạo và cán bộ công tác tại trạm SVC Thái Nguyên và đặc biệt là TS. Ngô Đức Minh, người thầy đã đóng góp nhiều thời gian và công sức giúp em hoàn thành luận văn này. Thái nguyên, ngày tháng 12 năm 2015 Học viên Lưu Văn Doanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG THỦY ĐIỆN NHỎ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1.1 khái niệm về 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 sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật 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 thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như biomass, phong năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất. Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ trên hình 1. 1. Hình 1. 1 Tình hình NLTT trên toàn cầu (thống kê năm 2006) Trong đó: 770 GW Thủy điện lớn 235 GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời điện nhiệt 74 GW NL Gió 73 GW Thủy điện nhỏ 45 GW NL Sinh khối điện 39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL Địa nhiệt 0,3, 0,4 GW Pin Mặt trời Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu và đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó, việc tìm kiếm các công nghệ sử dụng 4 NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, biomass, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới. Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành tựu đáng kể. Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục. Việc khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn. Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn. Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới. Đó là mô hình tất yếu của một tương lai gần. Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Metan hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều sóng biển, V.V. 1.1.2 Các dạng năng lượng tái tạo phổ biến 1- 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 5 gió. Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 23,45 o so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời. Điều này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về thời tiết, khí hậu theo mùa, hình 1. 2. Hình 1. 2 Minh họa sự hình thành gió 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. Năng lượng gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong khoảng 10 năm gần đây. Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới. Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 6 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 tăng nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2 MW, lớn có thể đến 5 MW. 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. Ấn Độ đứng thứ tư trên Thế giới về năng lượng gió với 8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng điện. Công nghệ khai thác năng lượng gió: Như vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lượng mà các thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng. Từ cổ xưa đến nay đã hình thành nhiều công nghệ khai thác năng lượng gió (NLG): - NLG – chuyển động tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lượn - NLG – chuyển động quay – Máy xay gió - NLG – chuyển động quay – Máy phát điện. 2- 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 0C. 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/m2 , 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 7 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, như pin Mặt trời, hình 1.4. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm 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. Hình 1. 4 Các hệ thống khai thác năng lượng Mặt trời 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. 2: Bảng 1. 1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời Khu vực Bắc Mỹ Nam Mỹ Châu Âu, Châu phi, Châu Á Thái Bình Dương Tổng cộng Bức xạ Mặt trời [1000 TWh] 11,500 13,500 73,500 23,000 121,500 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Chỉ số chất lượng trung bình DNI [kWh/tháng/năm] 2410 2330 2600 2950 Công suất có thể khai thác [1000 TWh/năm] 1,150 1,350 7,350 2,300 12,150 http://www.lrc.tnu.edu.vn 8 Công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời: Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóng phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái đất. Muốn khai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng của các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trên các nguyên tắc chủ yếu sau: - BXMT - điện năng – phụ tải điện. - BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt. - BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện. Năng lượng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau tùy theo mục đích người sử dụng. Đối với ngành hệ thống điện, chỉ tập trung nghiên cứu đến khả năng chuyển hóa BXMT- điện năng- phụ tải điện dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng quang điện trong thiết bị pin quang điện hay thường gọi là pin Mặt trời, tiếng anh là Photo Voltaics (viết tắt là PV ). 3- Năng lượng sinh khối (Biomass) Biomass có sự khác biệt đáng kể với các nguồn tái tạo khác ở chỗ nó là một dạng một nhiên liệu có thể được lưu trữ và sử dụng để phát điện khi có yêu cầu, cũng giống như nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, có điểm khác là, biomass thường bị hạn chế bởi mật độ năng lượng (nhiệt hàm) của nhiên liệu được lưu trữ. Vì vậy, nó phải được sản xuất và tiêu thụ nội địa, tiêu thụ năng lượng kết hợp với bán kính sử dụng trong phạm vị sử dụng các sản phẩm chính của nó. Điều này có nghĩa rằng các đơn vị phát điện sinh khối là tương đối nhỏ so với cây trồng thông thường, (dựa trên chuỗi cung ứng địa phương cho nguyên liệu) và có các đặc điểm thuận lợi cho hình thành các trạm phát cục bộ. Có ba công nghệ chuyển đổi nhiệt hóa cơ bản sử dụng biomass rắn như một nhiên liệu chính để sản xuất điện, cụ thể là đốt trực tiếp, khí hoá và nhiệt phân. Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối chất lỏng như bùn thải để sản xuất methane qua quá trình tiêu hóa yếm khí đang ngày càng phổ biến. Sản xuất điện sử dụng biomass rắn vẫn là một ngành công nghiệp phát triển và như một hệ quả là không cạnh tranh về giá điện từ nhiên liệu hóa thạch mà không đòi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 9 hỏi bất cứ sự hỗ trợ tài chính hoặc chính sách của chính phủ. Tuy nhiên, không so sánh với năng lượng hạt nhân và các nhà máy điện than sạch theo công nghệ mới, hay các trạm phát điện chạy khí ga hiện đại đáp ứng tiêu chuẩn môi trường và tính kinh tế hiện nay. Với sự hỗ trợ đúng trên thế giới hiện nay, việc kết hợp giữa nhiên liệu than với sinh khối đang là một chủ đề thương mại hấp dẫn. Về lâu dài, lưới có kết nối điện sinh khối (sử dụng đầy đủ các công nghệ có thể) có thể trở nên cạnh tranh; tiềm năng lớn nhất là quy mô nhỏ thế hệ nhúng sử dụng khí hóa, nhiệt phân hoặc tốc độ cao động cơ hơi nước cây trồng dựa. Trong ngắn hạn, quy mô nhỏ (100 - 500 kW) nhà máy chuyên dụng để sử dụng trên các trang trại hoặc bằng công nghiệp nông thôn có tiềm năng lớn nhất. Trong trung hạn khi tăng nhu cầu điện có thể gây ra cho lưới các áp lực về quá tải và không đáng tin cậy, từ đó với công suất hơn hơn (1-20 MWe) được cung cấp bổ sung từ nguồn điện sinh khối có thể trở thành một lựa chọn hấp dẫn để ổn định lưới điện. Biomass đã trở nên ít quan trọng như các nước đã công nghiệp hóa và hiện chiếm ít hơn 3% năng lượng trong thế giới phát triển. Ngược lại các nước đang phát triển vẫn chủ yếu dựa vào gỗ và sinh khối tự nhiên khác với hơn 30% năng lượng của họ cần được cung cấp từ các nguồn này. Tất nhiên với dân số tăng nguồn cung cấp này là không bền vững. Trớ trêu thay, các nước công nghiệp cần phải thực hiện việc tăng sử dụng sinh khối, và các khu vực kém phát triển hạn chế sử dụng nguồn tài nguyên này đến một mức độ bền vững. Một trong những tính năng chính của sinh khối là năng lượng tiêu hao trong phát triển nó, tức là trồng cây, tưới nước, sử dụng hóa chất và thuốc trừ sâu để nâng cao năng suất, thu hoạch, sấy, vv, không phải là không đáng kể. Cụ thể đối với sản xuất ethanol sử dụng làm nhiên liệu cho giao thông vận tải, các nhà máy lọc dầu chính họ là đốt bằng nhiên liệu hóa thạch để lên men các cây trồng và thanh lọc ethanol từ các sản phẩm của quá trình lên men. Một báo cáo của Bộ Nông nghiệp Mỹ nhận thấy năng lượng từ ethanol sinh học ngô chỉ khoảng 8% trong dư thừa của sản xuất năng lượng đầu vào và một bài báo gần đây trong khoa học thấy rằng tỷ lệ năng lượng là netpositive khi tiết kiệm năng lượng từ "đồng sản phẩm" cho gia súc thức ăn được đưa vào. Các nỗ lực đang được thực hiện để sản xuất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 10 ethanol sinh học từ cây xenlulo và không phải từ quá trình lên men. Điều này hứa hẹn sẽ tạo ra gấp đôi lượng ethanol mỗi ha cây trồng. Khung cảnh tươi sáng hơn rất nhiều nếu sinh khối được sử dụng để tạo ra điện, đặc biệt là trong các nhà máy điện phân cấp nhỏ. Những lợi ích từ cây trồng mang lại được sử dụng ngay tại địa phương. Sự lựa chọn của cây trồng cũng là quan trọng trong hiệu quả của giảm thiểu CO2. Bảng 1.4 so sánh tỷ lệ năng lượng ra năng lượng trong một số loại cây trồng dựa trên báo cáo DTI URN 01/797. Mía và liễu là cây ưa thích ở các vĩ độ tương tự như châu Âu và khác. Hiện nay, việc sử dụng bã mía ở Anh là kết hợp đốt cùng với than trong các nhà máy điện hiện có. Bảng 1. 2 Tỷ lệ năng lượng của một số cây trồng Loại cây Miscanthus (Mía) Willow (Dương liễu) Hemp (Dầu gai) Wheat (Lúa mì) Oilseed rape (cải dầu) Tỷ lệ % 32.5 30.0 8.5 8.8 3.8 Quy mô sản xuất nhiên liệu sinh học lớn không chỉ tốn kém năng lượng nhưng nó có thể có tác động xấu đến môi trường và xã hội. Phát triển như vậy đòi hỏi nguồn nước đáng kể với kết quả là mực nước ngầm trong khu vực canh tác mãnh liệt đã được hạ xuống đến mức không thể chấp nhận. Mở rộng các loại cây nhiên liệu sinh học cũng có thể tăng tốc độ phá rừng nhiệt đới với các liên kết giảm sự hấp thụ CO2 và đe dọa tuyệt chủng của hàng ngàn loài động vật và thực vật. Nếu cây trồng đó được khuyến khích thông qua các khoản trợ cấp, thiếu lương thực có thể xảy ra nếu đất trước đây được sử dụng để sản xuất lương thực bị mất. Có thể kết luận rằng hướng phát triển bomass, có thể gây ra những tác động môi trường nghiêm trọng trừ khi được sử dụng một cách khôn ngoan. 4- Năng lượng địa nhiệt Nhiệt năng của Trái 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, hình 1.6. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái đất sẽ tắt dần và nhiệt độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 11 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 các lĩnh vực như: - Nhà máy điện địa nhiệt - Trung tâm địa nhiệt Hình 1. 5 Năng lượng địa nhiệt và công nghệ điện địa nhiệt Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên Thế giới được xây dựng từ năm 1904 ở Italia. 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 California 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 87% nhiệt năng. 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. Công nghệ khai thác năng lượng địa nhiệt: Có hai loại nguồn địa nhiệt: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn