Đề tài Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 MỤC LỤC Nội dung phần Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI MỞ ĐẦU 1 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC CÁC BẢNG 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9 CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 11 1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo 11 1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo 11 1.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo 13 1.2. Vai trò của các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo hiện tại và trong tƣơng lai 20 1.2.1. Các ứng dụng của NLMT 20 1.2.2. Các ứng dụng của năng lượng gió 22 1.2.3. Các ứng dụng của năng lượng sinh khối 22 1.2.4. Các ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ 22 1.2.5. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt 23 1.2.6. Các ứng dụng của năng lượng đại dương 24 1.3. Năng lƣợng mới và tái tạo ở Việt Nam 24 1.3.1. Nguồn và tiềm năng 24 1.3.2. Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam 27 1.3.3. Triển vọng phát triển của NLTT 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 CHƢƠNG 2. NGUỒN NĂNG LƢỢNG GIÓ TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM 34 2.1. Vật lý học về năng lƣợng gió 34 2.1.1. Các đặc trưng cơ bản về năng lượng gió 34 2.1.2. Năng lượng gió 37 2.2. Tiềm năng năng lƣợng gió ở Việt Nam 39 2.2.1. Tốc độ gió, cấp gió 39 2.2.2. Chế độ gió ở Việt Nam 40 2.3. Sản xuất điện từ năng lƣợng gió ở Việt Nam 43 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỔNG QUÁT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ 46 3.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống phát điện bắng sức gió 46 3.1.1 Tổng quan về hệ thống 46 3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường 49 3.1.3 Cấp điều khiển hệ thống 53 3.2. Nghiên cứu về hệ thống Turbine gió 54 3.2.1. Mô tả Turbine 54 3.2.2. Vận hành turbine 56 3.3. Nghiên cứu về máy phát điện sử dụng năng lƣợng gió 59 3.3.1. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 59 3.3.2. Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu 63 CHƢƠNG IV. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Ở VÙNG NÚI VIỆT NAM 68 4.1. Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ 68 4.1.1. Tổng quan về hệ thống 68 4.1.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống 68 4.2. Thiết kế máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 1,5kW 70 4.2.2. Tính toán mạch từ 70 4.2.3. Tổn hao ở chế độ làm việc định mức 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 4.2.4. Các dặc tính làm việc của máy phát điện 81 4.2.5. Tính toán độ tăng nhiệt 81 4.2.6. Chỉ tiêu tiêu hao vật tư 83 4.2.7. Tổng kết các số liệu thiết kế 84 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 90 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT NLMT: Năng lƣợng mặt trời NLG: Năng lƣợng gió TL - HL: Thƣợng lƣu và hạ lƣu NLM & TT: Năng lƣợng mới và tái tạo NLTT: Năng lƣợng tái tạo PĐCSG: Phát điện chạy sức gió KĐB: Không đồng bộ KĐB - RDQ: Không đồng bộ rotor dây quấn DFIG: Máy phát không đồng bộ nguồn kép KĐB - RLS: Không đồng bộ rotor lồng sóc ĐK: ĐIều khiển NL: Nghịch lƣu MP: Máy phát HSCS: Hệ số công suất NLPL: Nghịch lƣu phía lƣới NLMP: Nghịch lƣu máy phát ĐB - KTVC: Đồng bộ kích thích vĩnh cửu CL: Chỉnh lƣu SG: Máy phát sức gió tạo năng lƣợng xoay chiều DSP: Bộ vi xử lý tín hiệu BĐKHT: Bộ điều khiển hiện trƣờng BĐKCT: Bộ điều khiển chƣơng trình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Nội dung Trang 1.1 Một số kết quả chính của hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam 2.1 Bảng cấp gió Beaufor 2.2 Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam 2.3 Bảng đo vận tốc gió trên độ cao 12m và 50m 4.1 Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung Quốc) 4.2 Các số liệu thiết kế của máy phát ĐB-KTVC 1,5kW Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình, đồ thị Nội dung Trang 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 1.2 Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si 1.3 Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng 1.4 Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NMT 2.1 Bề mặt cánh bánh công tác động cơ gió chiếm chỗ khi quay 3.1 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sức gió 3.2 Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát điện sức gió 3.3 Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường 3.4 Cấu trúc phần cứng card điều khiển 3.5 Cấu trúc của Module điện trở hãm 3.6 Các thành phần chính của Turbine WESTWIND 3.7 Hệ thống vành ghóp và thanh quét lấy điện (nằm trong thân Turbine) 3.8 Hệ thống lò xo lật cánh khi tốc độ gió quá lớn 3.9 Đuôi Turbine có thể tự gập khi gió mạnh khi gió mạnh hay gập bằng tay 3.10 Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát 3.11 Đặc tính công suất có thể khai thác được từ gió với các tốc độ khác nhau: Cần điều khiển máy phát sao cho luôn đạt mức tối đa 3.12 Phạm vi hoạt động của máy phát KĐB-RDQ (a) với Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 dòng năng lượng chảy ở chế độ MP thuộc phạm vi dưới (b) và trên đồng hồ (c) 3.13 Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng máy phát loại KĐB-RDQ 3.14 Máy phát đồng hồ kích thích vĩnh cửu có thể được sử dụng theo 1 trong 2 phương án: a) Điện áp MP được chỉnh lưu đơn giản; b) Điện áp MP được chỉnh lưu có ĐK tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ NL và MP 3.15 a) Hệ thống PĐCSG dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với bộ CL đơn giản nên phải có thêm mạch tải giả; b) Sơ đồ chi tiết của mạch tải giả 3.16 Hệ thống PĐCSG với dàn ắc-quy (có bộ ĐK nạp) và mạch tải giả sen giữa CL và NL 3.17 Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng MP loại ĐB-KTVC công suất nhỏ 4.1 Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ 4.2 Kích thước rãnh lồng dây 4.3 Kích thước thanh nam châm 1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió không ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian. Chính vì thế việc nhanh chóng điều tra, đánh giá để xác định các số liệu về tốc độ gió ở một khu vực cụ thể là việc làm rất cần thiết và quan trọng đối với công tác nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió. Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng như sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài. Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như đây là một lĩnh vực còn tương đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học KTCN Thái Nguyên, và đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Như Hiển đã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian qua. Thái nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2008 Vũ Thị Thanh Phương 2 TỔNG QUAN I. Tính cấp thiết của để tài: Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng song song với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phòng, sản xuất, công nghiệp, du lịch,... Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lên ngày một rõ rệt. Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá mạnh mẽ và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồn chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV. Hơn thế nữa từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hoá thạch. Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được nhiều nước trên thế giới đặc biệt được quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sức gió là để tạo ra hệ thống phát điện. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện nay. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Đánh giá và dự báo được tình hình nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện. Đồng thời nêu lên vai trò của các nguồn năng lượng mới và tái tạo hiện tại và trong tương lai - Ý nghĩa thực tiễn: Tìm ra được giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta hiện nay để lựa chọn xây dựng một hệ thống phát điện bằng nguồn phát năng lượng gió công suất nhỏ tương ứng với tiềm năng gió của Việt Nam, tạo điều kiện phát 3 triển kinh tế phù hợp với chiến lược phát triển của địa phương, nhất là ở những vùng núi mà điện lưới quốc gia chưa có khả năng vươn tới được. 3. Phương pháp nghiên cứu: Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: - Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng mới và tái tạo, hiện trạng về ứng dụng các nguồn NLM & TT trên thế giới và ở Việt Nam - Phân tích tiềm năng về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam để đưa ra biện pháp sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất - Xây dựng nghiên cứu cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện bằng sức gió - Tính toán, thiết kế hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ ở vùng núi Việt Nam, đặc biệt là vùng chưa có điện lưới quốc gia. 4. Nội dung nghiên cứu: Bản luận văn được chia làm 4 chương với nội dung như sau: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo 1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo a. Nguồn năng lượng mặt trời Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của sự sống trên trái đất. Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong phú mà thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta. Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ ặt 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. b. Nguồn năng lượng gió Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối không khí từ những khu vực có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra hiện tượng gió thổi đều khắp trên bề mặt địa cầu. c. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ Từ các con sông, suối chảy từ nguồn xuống biển đều mang theo một tiềm năng về năng lượng (gọi là thuỷ năng). Thông thường nguồn thuỷ năng phụ thuộc vào độ dốc sông suối và lưu lượng nước chảy qua. Nguồn thuỷ năng có thể phân bố đều hoặc không đều trên một đoạn sông suối. Để tập trung năng lượng của dòng chảy, nghĩa là để tạo được độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu người ta sử dụng một số phương pháp kiểu trạm thuỷ điện như: Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn, phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn và phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy. d. Nguồn năng lượng sinh khối Sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên cạn cũng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 như ở dưới nước, các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà phê..., các loại phế thải động vật như: phân người, phân gia súc, gia cầm.... Sinh khối là nguồn năng lượng đầu tiên của loài người và mặc dù ngày nay các nguồn năng lượng hoá thạch như: tha đá, dầu mỏ, khí đốt là các nguồn năng lượng chính nhưng sinh khối vẫn còn được sử dụng với một khối lượng và tỉ lệ khá lớn, nhất là ở các nước đang phát triển. Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh. Nó tồn tại và phát triển được trên hành tinh chúng ta là nhờ có ánh sáng mặt trời. Các loại thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời để thực hiện các phản ứng quang hợp, biến đổi các khoáng chất, nước và các nguyên tố vô cơ khác thành các chất hữu cơ. Phản ứng quang hợp còn là phản ứng cơ bản tạo ra thức ăn cho động vật. Nếu kể đến cả sản phẩm oxy của phản ứng quang hợp ta có thể nói rằng sinh khối nói chung và thực vật nói riêng có ý nghĩa quyết định đối với sự sống trên hành tinh chúng ta. Năng lượng sinh khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lượng hoá thạch đang bị khai thác cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề e. Nguồn năng lượng địa nhiệt Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên ở trong lòng quả đất, dưới một lớp vỏ không khí không dày lắm , nhiệt độ lên đến 10000C đến hơn 40000C. Còn ở lớp trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình quân trong năm là 150C, dưới lớp đó là một lớp có nhiệt độ bình quân là 5400C, còn tại lớp lõi trong nhiệt độ bình quân là 70000C. Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân, sự phân hủy các chất phóng xạ tiến hành thường xuyên trong lòng Trái đất như Thori (Th), Protactini (Pa), Urani (U)...vv, năng lượng do các phản ứng phóng xạ được tích tụ trong lòng quả đất hàng triệu năm với một lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp suất cao. Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy địa điểm) ta sẽ gặp tầng Thường ôn, tức là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Mặt Trời. Dưới tầng Thường ôn càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 Theo đánh giá của các chuyên gia, có khoảng 10% diện tích vỏ quả đất có chữa các nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng của nó. Các nguồn này có thể cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng rất lớn. f. Nguồn năng lượng đại dương Nguồn năng lượng này được chia thành 3 loại chính: Năng lượng thuỷ triều, năng lượng nhiệt đại dương và năng lượng sóng biển. Tiềm năng là vô cùng to lớn, gió thổi trên một khoảng không gian bao la trên các đại dương sẽ tạo ra sóng biển dữ dội, liên tục và mang theo một nguồn năng lượng có thể nói là vô tận. Thuỷ triều là kết quả giữa lực hút của mặt trời, mặt trăng với quả đất và do sự chuyển động của quả đất xung quanh mặt trời, cũng như sự quay xung quanh trục nghiêng của quả đất. Với năng lượng nhiệt đại dương có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả. Nhiệt độ đại dương không biến đổi nhiều từ ban ngày sang ban đêm và vì vậy có thể coi là nguồn nhiệt rất ổn định. tuy nhiên có thể sẽ thay đổi theo mùa và phụ thuộc vào khoảng cách đến xích đạo. Cuối cùng là năng lượng sóng biển, đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. 1.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo a. Công nghệ năng lượng mặt trời (NLMT) * Công nghệ nhiệt mặt trời - Hiệu ứng nhà kính: Hiệu ứng nhà kính là một trong những hiệu ứng quan trọng nhất được ứng dụng để khai thác năng lượng mặt trời (NLMT). Ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt trời như hình 1.1. Mặt trên hộp được đậy bằng tấm kính (1). Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2). Đáy trong của hộp được làm bằng tấm NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và được gọi là tấm hấp thụ (3). 4 1 2 3 TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô Tia s¸ng mÆt trêi 1 2 3 4 Hình 1.1. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Các tia bức xạ mặt trời có bước sóng  < 0,7m tới mặt hộp thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm này hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ nhiệt có bước sóng  > 0,7m , hướng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài được. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận bức xạ mặt trời nên tấm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được nhưng không thể ra đựơc. Đó là nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”. - Bộ thu phẳng: Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v... Đối với vật liệu ngoài thuỷ tinh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do đó hệ số truyền qua sau khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5  10%. Tấm hấp thụ là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao càng tốt, ví NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 dụ > 85%, thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao. Ngoài ra, tấm hấp thụ bằng vật liệu kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (ví dụ ống nước bằng kim loại nếu bộ thu dùng để đun nước nóng) được dễ dàng hơn. Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để giảm hao phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh. Vật liệu cách nhiệt thường dùng là “xốp bọt biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng tấm hoặc hạt,... cũng có thể dùng vật liệu khác như bông thuỷ tinh, mút, gỗ khô, mùn cưa,... Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt đến 100 115oC hoặc cao hơn. * Công nghệ điện mặt trời (ĐMT) - Công nghệ nhiệt điện mặt trời Người ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt trời (tracker) để hội tụ các tia mặt trời đúng diện tích cần thiết kế. Đối với các bộ thu không yêu cầu độ hội tụ cao thì sự định hướng bộ thu có thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày và có thể thực hiện bằng tay. Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần phải điều chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục. Đa số các bộ hội tụ này là các bộ hội tụ máng parabol, các tia sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu hội tụ, tại đường tiêu này nhiệt độ có thể đạt 4000C hay cao hơn. - Công nghệ pin mặt trời (PMT) Đây còn gọi là công nghệ pin quang điện, khác với công nghệ nhiệt điện mặt trời là năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ để tập trung ánh sáng mặt trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng thì ở công nghệ pin mặt trời, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời tới nó. Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào mặt trên của pin, ánh sáng sẽ tạo ra trong các lớp bán dẫn lân cận lớp tiếp xúc pn (4) các cặp điện tử – lỗ trống. Các cặp này NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 4 3 5 6 12 ¸nh s¸ng mÆt trêi 7 Líp chÊt chèng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng §iÖn cùc lưới mÆt trªn Líp b¸n dÉn n_Si 1 2 3 Líp tiÕp xóc b¸n dÉn p_n Líp b¸n dÉn p_Si §iÖn cùc dưới Bãng ®Ìn 4 5 6 7 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si là các hạt dẫn điện mang điện tích âm (điện tử) và điện tích dương (lỗ trống). Do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc bán dẫn, nên tại lớp tiếp xúc (4) đã có sẵn một điện trường tiếp xúc Etx. Điện trường này lập tức tách điện tử và lỗ trống trong các cặp điện tử, lỗ trống vừa được ánh sáng tạo ra và bắt chúng chuyển động theo các chiều ngược nhau để tạo thành dòng điện. Vì vậy nếu nối các điện cực trên và dưới bằng một dây dẫn có bóng đèn (7) thì sẽ có một dòng điện qua bóng đèn và đèn sáng. Hiện tượng chiếu ánh sáng vào lớp tiếp xúc bán dẫn pn ta thu được dòng điện ở mạch ngoài được gọi là hiệu ứng Quang - Điện. Như vậy pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện. b. Nguồn năng lượng gió Năng lượng gió (NLG) thường được khai thác từ các trạm đặt ở độ cao (20- 70)m so với bề mặt trái đất. Trên độ cao lớn (8-12)km gọi là tầng đối lưu, có gió thường xuyên hơn và gọi là dòng chảy luồng (hay luồng khí). Gió loại này có vận NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 tốc lớn (25-80)m/s, tiềm năng năng lượng của chúng lớn hơn nhiều. Đặc tính gió ở tầng này khác nhiều so với đặc tính gió trên mặt đất. Song sử dụng gió ở độ cao này gặp phải một số khó khăn rất lớn về mặt kỹ thuật khi chuyển tải điện từ độ cao lớn tới mặt đất. Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc. Dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất...), đồng thời các điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng. Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng của nó. Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời gian làm việc của tổ máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được. Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại (bão). Ngoài ra cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến đổi vận tốc gió trong khoảng thời gian xác định. Khi biết quy luật xác định và thông số của hàm này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được năng lượng sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu quả kinh tế...vv. c. Nguồn năng lượng sinh khối * Các công nghệ nhiệt hoá Công nghệ sinh hoá sử dụng các phản ứng lên men sinh khối như lên men rượu, lên men kỵ khí nhờ các chủng loại vi sinh để biến đổi sinh khối ở áp suất và nhiệt độ thấp thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc lỏng (ethanol, methanol…). * Các công nghệ biến đổi sinh hoá Ngược lại công nghệ nhiệt hoá sử dụng các quá trình nhiệt độ cao để biến đổi sinh khối nhờ các quá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí hoá, chất lỏng. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 d. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ * Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn Phương pháp này là đắp đập tạo nên độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu. Đập có nhiều loại: đập đất, đập đá và đập bêtông. Còn trạm thuỷ điện có thể bố trí sau đập hay trong lòng đập. Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện sau đập hay trạm thuỷ điện trong lòng đập. Vì độ cao đập hạn chế nên phương pháp này được sử dụng chỉ cho các đoạn sông suối có độ dốc nhỏ. Cột nước toàn phần của trạm thuỷ điện được xác định bằng hiệu mực nước thượng lưu và hạ lưu. * Phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn Phương pháp này sử dụng đường dẫn để tạo độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu. Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện đường dẫn. Đường dẫn có thể bằng đường ống hoặc kênh dẫn. Trạm thuỷ điện dạng này thích hợp với các con sông, suối có độ dốc lớn hay có bậc thác. * Phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy Phương pháp này tạo độ chênh mực nước bằng đập ngăn và bằng đường dẫn đối với đoạn sông có độ dốc khác nhau. Độ chênh mực nước của trạm bằng tổng độ chênh mực nước đập tạo nên và độ chênh của đường dẫn. Trạm thuỷ điện dạng này gọi là trạm thuỷ điện tổng hợp. Cột áp toàn phần được xác định bằng tổng cột áp do đập và đường dẫn tạo nên. e. Nguồn năng lượng địa nhiệt Địa nhiệt là nguồn năng lượng nhiệt tự nhiên ở trong lòng Quả đất. Có 4 loại nguồn địa nhiệt. Đó là: nguồn nước nóng, nguồn áp suất địa nhiệt, nguồn đá nóng khô, các núi lửa hoạt động và magma. Nguồn nước nóng là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao, các nguồn hơi nước hay hỗn hợp của chúng ở trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm. Nguồn áp suất địa nhiệt là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình và chứa khí metan hoà tan. Các nguồn này bị vỏ quả đất nén lại dưới áp suất cao dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích không NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 thấm nước. Các nguồn đá nóng khô bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao từ 900C đến 650 0 C. Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có nước nóng. Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá, tạo ra các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị nứt gãy để thu nhiệt. Năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động. Magma là đá nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy từ 7000C đến 16000C. Khi còn nằm dưới vỏ quả đất đá nóng chảy là một phần của vỏ quả đất có độ dày khoảng từ 24km đến 48km. Các nguồn Magma chứa một nguồn năng lượng khổng lồ, lớn nhất trong các nguồn địa nhiệt, nhưng nó ít khi ở gần mặt đất nên việc khai thác rất khó khăn. f. Nguồn năng lượng đại dương * Năng lượng thuỷ triều Năng lượng thuỷ triều có tính chu kỳ, có thể là nửa ngày, nửa năm hoặc dài hơn. Các chu kỳ này ảnh hưởng đến độ chênh lệch của thuỷ triều. Biên độ của các chu kỳ thuỷ triều tăng lên một cách rất đáng kể, ở một số vùng biển có địa hình đặc biệt như ở các cửa sông, ở các vịnh dạng hình phễu, ở các khu vực có các đảo hay các doi đất chia mặt biển thành từng ngăn tạo ra sự phản xạ và cộng hưởng sóng biển. * Năng lượng nhiệt đại dương Có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả. * Năng lượng sóng biển Đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. Tuỳ theo nguyên lý hoạt động mà các thiết bị khai thác sóng biển được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo theo từng loại khác nhau. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 1.2. Vai trò của các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo hiện tại và trong tƣơng lai Các nguồn năng lượng lượng mới và tái tạo (NLM & TT) đóng một vai trò hết sức quan trọng, bởi lẽ hiện nay hầu hết các nước đã và đang phát triển đều quan tâm đến vấn đề năng lượng. Chính sách an ninh năng lượng cũng như hoạch định các chính sách sử dụng tiết kiệm và phát triển nguồn năng lượng mới và tái tạo đang làm nóng các quốc gia này. Việc nghiên cứu để khai thác và ứng dụng các nguồn NLM & TT bổ sung cho các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt là một việc làm hết sức cần thiết và cấp bách. Sau đây ta đi nghiên cứu các ứng dụng của các nguồn NLM & TT để thấy rõ vai trò quan trọng của chúng. 1.2.1. Các ứng dụng của NLMT a. Sản xuất nước nóng Hình 1.3. Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng Về cơ bản một thiết bị sản xuất nước nóng là một bộ thu NMT. Trong thiết bị đun nước, người ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống kim loại (như các ống bằng đồng hay ống nước mạ kẽm, xem hình 1.3) và sau đó cho nước chảy qua hệ ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ được truyền qua thành ống vào nước và làm nước 4 1 2 3 5 N•íc nãng ra N•íc l¹nh vµo TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô 1 2 3 Tia s¸ng mÆt trêi èng dÉn n•íc kim lo¹i 4 5 (a) (b) NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 nóng dần lên. b. Sấy bằng nhiệt mặt trời Phần lớn các thiết bị sấy hiện đại đều sử dụng hiệu ứng nhà kính. Khí nóng được tạo ra trong bộ thu hoặc buồng thu nhiệt mặt trời và được cho thổi qua sản phẩm sấy theo chu trình đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức c. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại 1 1 2 3 3 4 5 Bé thu n¨ng lượng mÆt trêi B×nh tÝch nhiÖt B¬m hay qu¹t 1 2 3 Nguån ®èt dù phßng Hệ thèng èngế sưởi 4 5 Hình 1.4. Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NMT NMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn nuôi trong mùa đông. Hình 1.4 là một hệ thống sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại nhờ không khí nóng được sản xuất ra từ các bộ thu NMT. d. Nguồn điện pin mặt trời nối lưới Dàn pin mặt trời gồm nhiều modun pin mặt trời được ghép nối lại với nhau (nối nối tiếp, song song hay hỗn hợp) và lắp đặt trên mái nhà hay nơi có nắng suốt ngày. Khi có nắng dàn pin mặt trời phát ra dòng điện một chiều. Dòng điện này NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 được cho qua Bộ biến đổi điện (inverter) để biến đổi thành dòng điện xoay chiều (ví dụ dòng điện 220V, 50Hz) và qua công tơ điện CT1 đưa vào lưới điện quốc gia (hay địa phương). Trong phương pháp này mạng lưới điện quốc gia hay địa phương đóng vai trò như một hệ thống tích trữ điện năng (hay một nhà băng điện năng). Tuy nhiên phương pháp này chỉ ứng dụng được những khu vực có lưới điện. 1.2.2. Các ứng dụng của năng lượng gió a. Ứng dụng động cơ gió phát điện Động cơ gió phân làm 3 loại: Loại cánh dạng khí động, loại rôto cánh phẳng trục đứng và loại rôto cánh tròn trục đứng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của động cơ gió là để chạy máy phát điện. Các động cơ gió dùng để kéo máy phát điện thường là các máy ít cánh có số vòng quay tương đối lớn. Điều quan trọng khi dùng động cơ gió chạy máy phát điện là phải đảm bảo sự phối hợp tải giữa động cơ gió và máy phát điện, vì máy phát điện thường có tốc độ quay lớn hơn động cơ gió do đó cần sử dụng máy phát có tốc độ quay thấp hoặc sử dụng các bộ truyền trung gian như hộp số, đai truyền, biến tốc thuỷ lực,... b. Ứng dụng động cơ gió bơm nước Đây là ứng dụng quan trọng thứ hai của NLG. Người ta sử dụng các loại bơm khác nhau ghép nối với động cơ gió để bơm nước. Có thể chia động cơ gió bơm nước làm hai nhóm: Nhóm động cơ gió bơm nước cột áp thấp, lưu lượng lớn. Chiều cao bơm chỉ (1-2)m. Loại này hay dùng cho các vùng làm muối và tưới ruộng lúa. Nhóm thứ hai thuộc loại cột áp cao, lưu lượng nhỏ. Chiều cao cột nước đạt tới (15- 35)m. Loại này phục vụ chủ yếu tưới cà phê, hồ tiêu, chè trên các vùng cao nguyên. 1.2.3. Các ứng dụng của năng lượng sinh khối Khí sinh học có rất nhiều ứng dụng như thắp sáng, dùng làm nhiên liệu đun nấu, phát điện, v.v... Ngoài ra công nghệ khí sinh học còn là một công nghệ làm sạch môi trường. 1.2.4. Các ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ a. Tuabin nước chạy máy phát điện NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Tuabin được nối trực tiếp với máy phát điện hoặc gián tiếp thông qua các bộ truyền động. Công suất của máy phát điện sẽ được xác định theo công suất của tuabin, còn vòng quay của máy phát được chọn theo số vòng quay đồng bộ. b. Tuabin kéo bơm Để phục vụ cho việc cung cấp nước sinh hoạt và nước tưới cho vùng sâu, vùng xa, nơi có nguồn thuỷ năng nhỏ, người ta sử dụng tuabin để trực tiếp kéo bơm. Tổ hợp như vậy gọi là bơm thuỷ luân. Tuabin kéo bơm có hai loại: Buồng hở và buồng kín 1.2.5. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt Nhiệt từ các nguồn hay từ mỏ địa nhiệt có thể khai thác nhờ sử dụng một số chất lỏng tự nhiên của quả đất để làm chất làm việc vận chuyển nhiệt. Năng lượng nhiệt này có thể cho qua tuabin để phát điện hoặc dùng một cách trực tiếp cho các quá trình gia nhiệt hoặc chế biến nhiệt công nghiệp. Để khai thác các nguồn địa nhiệt người ta thường sử dụng phương pháp khoan như: khai tác dầu hay khí đốt. Đối với các nguồn địa nhiệt nông và nhiệt độ không cao (thấp hơn 1700C) thường người ta khai thác nhiệt một cách trực tiếp hoặc sử dụng gián tiếp qua bộ trao đổi nhiệt. Để sử dụng năng lượng điạ nhiệt có hiệu quả thông thường người ta sử dụng ngay tại chỗ, nơi có nguồn địa nhiệt khai thác, vì khi dẫn nhiệt đi xa (ống dẫn) hao phí nhiệt sẽ lớn. Năng lượng địa nhiệt có nhiệt độ thấp hay trung bình có thể dùng để sưởi ấm hay sản xuất nước nóng cho các mục đích sinh hoạt trong các gia đình hay các cơ sở công cộng như: trường học, bệnh viện, nhà hàng, khách sạn...vv. Các chất lỏng địa nhiệt cũng được dùng để tạo ra nguồn nhiệt cho các quá trình công nghiệp như sản xuất hoá chất hay đun nấu. Nhiệt và hơi nước từ nguồn địa nhiệt cũng được sử dụng cho công nghiệp thực phẩm, sản xuất hàng hoá tiêu dùng, sưởi ấm chuồng trại chăn nuôi gia súc, gia cầm hay sử dụng trong các nhà kính trồng rau quả...vv. Năng lượng địa nhiệt có thể dùng quay các động cơ tạo ra cơ năng. Trong các chất lỏng địa nhiệt còn chứa nhiều kim loại và khoáng chất quý NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 như: kali, cacbonat, bạc, bo, chì, kẽm...vv. Thu hồi các chất này khi khai thác các nguồn các nguồn địa nhiệt cũng là một nguồn sản phẩm phụ rất có giá trị. 1.2.6. Các ứng dụng của năng lượng đại dương a. Phát điện khi thuỷ triều lên, xuống hoặc cả hai chiều Khi thuỷ triều lên hoặc xuống người ta tạo ra sự chênh lệch giữa nước trong hồ với nước bên ngoài làm cho cột nước có độ cao xác định nhờ hệ thống các kênh dẫn. Sau đó mở các cửa kênh cho nước dẫn qua các tuabin và phát điện. Các tuabin làm việc đến khi nào cột nước giữa mực nước biển ngoài cửa kênh và trong hồ giảm một nửa thì dừng lại. b. Nhà máy nhiệt điện đại dương Nước nóng ở lớp nước bề mặt đại dương được dùng để làm nóng một lớp chất lỏng có nhiệt độ bay hơi thấp - chất lỏng này được gọi là chất lỏng làm việc – như Amoniac, Freon hay Propan. Chất lỏng làm việc khi đi qua buồng có áp suất thấp sẽ bị bốc hơi. Hơi này được cho qua tuabin làm quay tuabin phát điện, sau đó hơi đi qua buồng ngưng tụ được làm lạnh bằng nước biển lạnh lấy từ các tầng nước sâu và được bơm trở về buồng hoá hơi, ...vv Một ứng dụng khác là nước biển nóng được làm “bay hơi nổ” trong một buồng chân không. Hơi nước được dẫn để xả qua một tuabin hơi để phát điện, sau đó đi vào bình ngưng tụ dùng nước biển lạnh tự nhiên. Điều hấp dẫn của hệ thống này là hơi nước sau khi ngưng tụ trong buồng ngưng tụ là nước sạch đã được chưng cất. Nó có thẻ dùng như một nguồn nước sạch phục vụ sinh hoạt và công nghiệp. 1.3. Năng lƣợng mới và tái tạo ở Việt Nam 1.3.1. Nguồn và tiềm năng Việt nam được thiên nhiên ban tặng cho một tài nguyên năng lượng tái tạo (LNTT) rất đa dạng và khá dồi dào. Chúng ta có gần như tất cả các loại nguồn LNTT như nguồn năng lượng mặt trời, thuỷ điện nhỏ, gió, địa nhiệt, sinh khối, thuỷ triều, sóng biển và nhiệt đại dương với trữ lượng khá lớn. a. Năng lượng mặt trời Việt nam nằm trong vành đai nhiệt đới có vĩ độ từ 8 đến 23 độ Bắc nên có NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 năng lượng bức xạ mặt trời (NLMT) khá lớn. Tuy nhiên tuỳ thuộc vào điều kiện tự nhiên mà NLMT có sự biến đổi từ vùng này sang vùng khác. Vùng Đông Bắc là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh nhất của gió mùa Đông Bắc lạnh và ẩm nên NLMT thấp nhất cả nước. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 250 đến 400 cal/cm2. ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1600 đến 1900 giờ. Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai,... và vùng Bắc Trung Bộ có NLMT khá lớn. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 300 đến 500 cal/cm 2 .ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm khoảng 1800 đến 2100 giờ. Đặc điểm chung của bức xạ mặt trời ở miền Bắcc là có sự thay đổi rất rõ rệt giữa mùa Đông (tháng 12, 1, 2) và mùa Hè (tháng 5, 6, 7, 8). NLMT về mùa Hè nói chung lớn gấp 1,5 đến 2 lần so với mùa Đông. Từ Đà nẵng trở vào NLMT rất tốt và phân bố tương đối điều hoà trong suốt cả năm. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 350 đến 500 cal/cm2.ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2600 giờ. Đây là khu vực ứng dụng NLMT rất hiệu quả b. Thuỷ điện nhỏ Thuỷ điện nhỏ được hiểu là các trạm thuỷ điện có công suất dưới 10 MW. Do không cần phải xây dựng các hồ chứa nước lớn dẫn đến sự huỷ hoại môi trường cảnh quan nên thuỷ điện nhỏ được xếp vào NLTT. Việt Nam có nguồn tài nguyên thuỷ điện nhỏ rất lớn, tập trung chủ yếu ở vùng núi phía Bắc và biên giới phía Tây. Tổng tiềm năng thuỷ điện nhỏ được xác định khoảng 1800 đến 2000 MW, trong đó: * Loại có công suất 100 đến 10 000 MW có 500 trạm với tổng công suất 1400 đến 1800 MW, chiếm hơn 90% tổng tiềm năng thuỷ điện nhỏ . * Loại có công suất dưới 100 KW có khoảng 2500 trạm với tổng công suất 100 đến 200 MW, chiếm 7 đến 10% tổng công suất thuỷ điện nhỏ . * Đặc biệt các thuỷ điện cực nhỏ, dưới 5 KW đã được khai thác sử dụng rất rộng rãi để cấp điện sinh hoạt cho các hộ gia đình miền núi. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 c. Năng lượng gió Tiềm năng năng lượng gió (NLG) của Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu hết các khu vực trên đất liền có NLG thấp, khai thác không hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá. Tuy nhiên công suất lại không lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo NLG tốt hơn. Nơi có gió tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ gió trung bình năm đạt 7,1 đến 7,3 m/s. Tiếp đến là các khu vực các đảo Trường Sa, Phú Quý, Côn Đảo,...vv có tốc độ gió trung bình khoảng 4,0 đến 6,5 m/s. Cần nhấn mạnh rằng tiềm năng NLG ở nước ta chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về NLG chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm khí tượng - thuỷ văn, tức là chỉ đo được ở độ cao 10 đến 12m trên mặt đất. HIện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30 đến 50m. d. Năng lượng sinh khối Nước ta có diện tích rừng rất lớn lại là nước nông nghiệp nên có tiềm năng năng lượng sinh khối khá lớn. Sinh khối vẫn còn là nguồn năng lượng chính của nông thôn Việt Nam, nó chiếm khoảng 60 đến 70% tổng tiêu thụ năng lượng khu vực nông thôn. Tổng khả năng cung cấp sinh khối thực tế cho khu vực nông thôn, miền núi nước ta năm 2000 là 77 triệu tấn gỗ tương đương (Số liệu Viện Năng Lượng), trong đó sinh khối có nguồn gốc từ gỗ là 24,5 triệu tấn còn lại là phế thải nông, công nghiệp là 52,5 triệu tấn. Tính theo nhiệt năng, tỷ trọng của năng lượng từ gỗ củi là 38,5%, rơm rạ là 35,5%, vỏ trấu là 9,4%, bã mía là 3,6% và phế thải công nghiệp là 13%. Có hai nguồn sinh khối khá lớn là vở trấu và bã mía. Việt nam có khoảng 100 nhà máy xay xát, hàng năm thải ra khoảng 6,5 triệu tấn vỏ trấu. Nếu tận dụng để sản xuất điện có thể cung cấp 75 – 100MW. Tuy nhiên cho đến nay vẫn chỉ có một lượng trấu rất nhỏ được sử dụng để sản xuất gạch, ngói, gốm sứ và đun nấu trong gia đình. Ngoài ra chúng ta còn có 43 nhà máy mía đường, hàng năm thải ra 4,5 triệu tấn bã mía. Tiềm năng sản xuất điện từ bã mía là 200 – 250MW. Đến nay khoảng 70 đến 80 % lượng bã mía đã được sử dụng để sản xuất điện. e. Khí sinh học (Biomass) NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Nguyên liệu cho sản xuất khí sinh học là các phế thải của người và gia súc, gia cầm (phân người, trâu, bò, gà, vịt...) và các phế thải hữu cơ công, nông, lâm nghiệp. Tổng tiềm năng được tính toán là khoảng 10 000 triệu m3/năm, trong đó từ người là 624 triệu (6,3%), gia súc 3062 triệu (31%) và từ phế phẩm khác là 6269 triệu m3/năm (63%) (Số liệu Viện Năng Lượng). Công nghệ khí sinh học hiện đang rất phát triển ở nước ta. f. Năng lượng địa nhiệt Theo kết quả đã biết thì nước ta có khoảng 300 nguồn nước nóng có nhiệt độ từ 30 đến 1100C, trong đó khu vực Tây - Bắc có 78 nguồn (26%), Nam Trung Bộ có 61 nguồn (20%). Tuy nhiên phần lớn các nguồn có nhiệt độ cao lại nằm ở khu vực Nam Trung Bộ, chiếm 61% tổng số nguồn nhiệt độ cao trên cả nước. Tiềm năng năng lượng địa nhiệt nước ta dự tính khoảng 200 – 250 MW. g. Năng lượng đại dương Năng lượng đại dương bao gồm năng lượng thuỷ triều, sóng biển và nhiệt đại dương. Mặc dù nước ta có bờ biển dài trên 3000km và vùng biển rộng lớn, nhưng cho đến nay chưa có đánh giá về tiềm năng nguồn năng lượng to lớn này. Nhưng trong tương lai đây là nguồn năng lượng quan trọng cần nghiên cứu và khai thác. 1.3.2. Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam Mặc dù một số công nghệ NLTT đã được nghiên cứu ứng dụng ở nước ta từ những thập kỷ 60 (chủ yếu là thuỷ điện nhỏ) nhưng cho đến nay vẫn chưa có bước phát triển đáng kể. Tất cả các nghiên cứu ứng dụng đều mang tính tự phát, manh mún, qui mô nhỏ và trình độ còn thấp. Phần lớn các dự án NLTT thực hiện được là nhờ các nguồn tài trợ quốc tế. Các dự án từ nguồn kinh phí chính phủ Việt Nam là rất ít và rất nhỏ. Về mặt vĩ mô, cho đến nay nước ta vẫn chưa có một chính sách rõ ràng nào về NLTT và đó là nguyên nhân của tính tản mạn, cảm tính và tự phát của các hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLTT ở nước ta. Trong vài chục năm qua một số nhóm hoạt động trên lĩnh vực năng lượng, nhờ sự vận động của mình đã triển khai một số dự án về điện mặt trời, về thiết bị NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 nhiệt mặt trời, thuỷ điện nhỏ, khí sinh học và điện gió, ...Các kết quả về hoạt động nghiên cứu được cho trong bảng 1.1 TT Công nghệ Hiện trạng 1 Điện mặt trời Đã thiết kế lắp đặt khoảng 1,5 MW, trong đó khoảng 35% cho thông tin viễn thông, 30% cho giao thông đường thuỷ, 30% cho hộ gia đình và cơ quan, cộng đồng nông thôn vùng sâu, vùng xa, miền núi và 5% cho các ứng dụng khác. Các hệ thống lớn nhất là Trung tâm Hội nghị Quốc gia (150kWp), Mang Yang Gia Lai (100 kWp) Nhiệt mặt trời Chủ yếu là thiết kế, sản xuất, lắp đặt các thiết bị đun nước nóng sinh hoạt cho hộ gia đình, khách sạn, trường học, bệnh viện, ... khoảng 1,5 triệu m2 đã được lắp đặt 2 Thuỷ điện nhỏ * Đã xây dựng 300 trạm loại công suất <100kW và 90 trạm loại >100kW với tổng công suất 100MW. Hiện nay chỉ còn khoảng 100 trạm với tổng công suất 70MW đang hoạt động * Khoảng 13- 14 vạn gia đình khu vực miền núi đang sử dụng các máy thuỷ điện siêu nhỏ (công suất từ 200W đến vài kW) * Thuỷ điện nhỏ là công nghệ ưu tiên số một trong các công nghệ NLTT đối với Việt Nam 3 Năng lượng gió * Đã lắp đặt được 1 tua bin 800kW ở đảo Bạch Long Vĩ (2004) nhưng không có thông tin gì về hoạt động của hệ thống này * Khoảng 900 tuabin gió với công suất trong giải từ 150W đến 10kW đã được lắp đặt cấp điện cho các hộ gia đình hay cụm gia đình khu vực bờ biển, hải đảo,...Hiện nay chỉ còn khoảng 130 máy còn hoạt động NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 * Khoảng 10 hệ thống đo gió ở các độ cao từ 20 đến 50m đang hoạt động * Một số dự án đang được chuẩn bị: Phương Mai (Qui Nhơn) 15MW, Tu Bông (Khánh Hoà) 20MW 4 Sinh khối * 63% của 4,5 triệu tấn bã mía đã được sử dụng để phát điện 150 – 200MW * 23% của 6,5 triệu tấn trấu được dùng cho mục đích năng lượng * Dự án đang thực hiện: Nhà máy xử lý rác để sản xuất điện 15MW và phân hữu cơ NPK 1500-3000 tấn/năm đang thực hiện ở Thành Phố Hồ Chí Minh 5 Khí sinh học Khoảng 60 000 hầm khí sinh học có thể tích từ 3 đến 30m 3 đã được xây dựng và đang sản xuất khoảng 110 triệu m3 khí/năm, 70% là qui mô gia đình 6 Bếp đun cải tiến Đã nghiên cứu thiết kế chế tạo các bếp cải tiến có hiệu suất biến đổi năng lượng từ 25-30% Bảng1.1. Một số kết quả chính của hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam Các chương trình lớn đang triển khai hiện nay: - Chương trình hành động NLTT (REAP) do ngân hàng thế giới tài trợ về phát triển NLTT phục vụ điện khí hoá nông thôn (400 triệu USD) do Bộ Công Thương làm chủ đầu tư. - Chương trình điện mặt trời cho 300 xã miền núi, hải đảo khó khăn nhất (30 triệu USD ODA Phần Lan) do Uỷ Ban dân tộc làm chủ đầu tư. - Chương trình điện khí hoá nông thôn Việt Nam - Thuỵ Điển VSRE (5 triệu USD viện trợ không hoàn lại) do Bộ Công Thương làm chủ đầu tư. 1.3.3. Triển vọng phát triển của NLTT NLTT là sự lựa chọn của tương lai, là xu hướng chung của cả thế giới, là trách nhiệm của mọi quốc gia. Tại sao? NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 a. Nhu cầu tiêu dùng năng lượng của nhân loại tăng nhanh chóng Do dân số trên thế giới tăng không ngừng. Hiện nay là 6 tỉ người và còn tăng lên nữa. Mặt khác nhu cầu tiêu dùng năng lượng của con người cũng tăng cao. Trung bình một người hiện nay tiêu thụ gấp 15 lần so với một người cách đây 100 năm. Năm 2000 thế giới tiêu thụ 423x1012MJ. Tổng tiêu thụ năng lượng hiện nay trên toàn thế giới tăng 16 lần so với đầu thế kỷ 19. Hơn nữa càng vào các giai đoạn sau sự tiêu thụ năng lượng càng lớn. Chỉ trong khoảng thời gian từ 1970 đến năm 2000, tiêu thụ năng lượng thế giới đã tăng 2 lần. Xu hướng này vẫn tiếp tục mạnh mẽ mà chưa có dấu hiệu nào chậm lại. b. Nguồn năng lượng hoá thạch cạn kiện Có đến 80% tổng năng lượng sử dụng hiện nay là các nguồn năng lượng hoá thạch (than, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên ). Do mức tiêu thụ quá lớn và tăng quá nhanh như đã nói ở trên, nên nguồn năng lượng này đang cạn kiệt nhanh chóng . Hãy hình dung rằng, để hình thành được lượng than, dầu, khí đốt như thế giới chúng ta có, thiên nhiên cần một thời gian hàng 100 triệu năm. Nhưng để khai thác nó con người chỉ cần vài trăm năm. Theo số liệu công bố tại hội nghị quốc tế về năng lượng tại Bon, cộng hòa liên bang Đức tháng 10 – 2003, thì trữ lượng năng lượng hoá thạch của thế giới chỉ còn 34 triệu tỉ MJ (34x1012MJ), trong đó than chiếm khoảng 60% (19630x1012MJ), dấu các loại khoảng 22%(9185x1012MJ) và khí đốt còn 5110x1012MJ. Với mức tiêu thụ như năm 200 (423x1012MJ/năm) thì nguồn năng lượng hoá thạch còn lại chỉ đủ cho thế giới chúng ta sử dụng thêm khoảng 80 năm, trong đó than 200 năm, dầu khoảng 48 năm, khí đốt khoảng 15 năm và uranium còn 40 năm. Do nguồn cạn kiệt, trong khi đó nhu cầu tiêu dùng lại ngày càng tăng, nên giá năng lượng sẽ tăng cao. Đối với dầu, chỉ trong vòng 10 đến 20 năm nữa, số lượng còn lại chỉ bằng một nửa lượng có hiện nay, và khi đó giá dầu sẽ tăng lên gấp nhiều lần so với giá dầu hiện nay. Ngoài ra hơn 70% dự trữ dầu, 65 % khí đốt còn lại tập trung vào một số nước trong “elip chiến lược” gồm Arập-xêut, Irac, Iran và Nga. “thế giới phương tây” gồm nhiều nước công nghiệp phát triển lại thuộc về khu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 vực “đói năng lượng”. Đây chính là nguy cơ dẫn đến các bất ổn về chính trị và có thể dẫn tới các cuộc chiến tranh. Việt Nam cũng không nằm ngoài vòng cạn kiệt nguồn năng lượng hoá thạch như đã nói ở trên. Theo dự báo thì chỉ sau 15 đến 20 năm nữa thì ta phải nhập than, dầu và khí đốt cũng chỉ còn khai thác được khoảng 40 đến 60 năm nữa. Thế thì sau 50 năm nữa thế giới trong đó có Việt Nam ta sẽ phải giải quyết vấn đề cung cấp năng lượng như thế nào đây? c. Khí hậu toàn cầu đã trở nên mất cân bằng Như đã biết kinh tế - xã hội - môi trường có mối quan hệ chặt chẽ và tương hỗ. Sử dụng năng lượng hoá thạch làm phát thải vào môi trường rất nhiều khí và chất độc hại. Các khí như SO2, NO gây ra mưa axít, làm hư hại các công trình văn hoá kiến trúc, kinh tế xã hội. Khí CO tạo ra loại bụi bồ hóng độc hại. Đặc biết CO2 là một khí gây hiệu ứng nhà kính làm khí quyển của quả đất nóng lên. Hiện nay, mỗi năm các hoạt động sản xuất tiêu dùng năng lượng hoá thạch làm phát thải vào môi trường 23,5 tỉ tấn CO2. Tổng khối lượng CO2 tích tụ trong khí quyển quả đất đến nay đạt con số khổng lồ là 1000 tỉ tấn, trong đó 50% do phát khí trong vòng 50 năm cuối thế kỷ 20. Mặc dù CO2 không phải là khí nhà kính duy nhất, nhưng sự đóng góp của nó là 50%. Theo tính toán thì với tốc độ phát thải như hiện nay đến năm 2100 nhiệt độ khí quyển mặt đất sẽ tăng lên từ 1,5 đến 5,80C kéo theo sự thay đổi hàng loạt về khí hậu trên hành tinh của chúng ta, trong đó có các biến đổi chưa lường hết được. Nói riêng, sự tăng nhiệt độ, làm cho băng ở 2 cực sẽ tan ra, nước biển vào cuối thế ký này có thể dâng lên cao hơn 13cm làm ngập chìm nhiều lãnh thổ của các quốc gia, nhiều quốc đảo sẽ bị biến mất. Sự tăng nhiệt độ của khí quyển còn dẫn đến sự biến đổi và sự phân bố lượng mưa, làm thay đổi các vùng khí hậu và thảm thực vật, làm xuất hiện các điều kiện thời tiết bất thường, đất đai sẽ suy giảm chất lượng, sa mạc hoá thế giới sẽ lâm vào nạn đói lương thực, ...vv. Như vậy, con người muốn tiếp tục tồn tại và phát triển trên hành tinh này thì không còn cách nào khác là ngay từ bây giờ phải hợp tác cùng nhau tìm cách hạn chế các phế thải do sử dụng năng lượng hoá thạch nói chung và CO2 nói riêng. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 d. Năng lượng hạt nhân, không phát thải CO2, nhưng “lợi bất cập hại” Có thể nói, năng lượng hạt nhân là nguồn không gây ra phát thải CO2 và các khí nhà kính khác. Tuy nhiên các rủi ro do các nhà máy hạt nhân gây ra thì thật khó lường ngay cả ở trình độ khoa học và công nghệ tiên tiến hiện nay. Những hiểm hoạ cho loài người từ nhà máy năng lượng hạt nhân có nguồn gốc rất đa dạng, từ những hạn chế về kỹ thuật, công nghệ, trình độ, con người, nước sử dụng, đến các vấn đề chính trị, xã hội. Những rủi ro có nguồn gốc từ sự không hoàn thiện của việc thiết kế và xây dựng nhà máy năng lượng hạt nhân. Các rủi ro loại này gây ra những ảnh hưởng rất lớn và ở phạm vi rộng tới sức khoẻ con người. Các ảnh hưởng này có thể gây ra từ từ, lâu dài nên rất khó nhận biết. Tất cả các khâu công nghệ trong một nhà máy năng lượng hạt nhân đều tạo ra các vật liệu phóng xạ, trong đó có một số trực tiếp bức xạ các chất phóng xạ vào môi trường. Sự bảo vệ các vật liệu này mặc dù đã rất được chú ý song vẫn không thể triệt để và rủi ro có thể xảy ra bất cứ thời gian nào, công nghệ nào, ... Sự bảo vệ tuyệt đối, sự lạm dụng nguyên liệu hạt nhân là không thể. Mỗi khi các nhiên liệu hạt nhân nguy hiểm này rơi vào tay kẻ khủng bố, hay một quốc gia, hay một nhóm quốc gia “phía bên kia” thì hậu quả là không thể lường được. Tất cả các rủi ro nói trên không còn là “lý thuyết” mà trong thực tế, ở nơi này nơi kia và ở mức độ này hay mức độ khác, đã từng xảy ra. Tóm lại, nếu nhìn nhận một cách đầy đủ hơn về năng lượng hạt nhân chúng ta có thể nói rằng, sử dụng năng lượng hạt nhân thì “lợi bất cập hại”. e. Năng lượng tái tạo Là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo của nó. Mặc dù hiện nay một số công nghệ NLTT còn đòi hỏi chi phí cao. Nhưng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, thì công nghệ NLTT sẽ nhanh chóng được hoàn thiện và giá NLTT do đó sẽ giảm xuống nhanh chóng. Ngoài ra do cạn kiệt nên giá năng lượng hoá thạch sẽ ngày càng tăng cao nên cơ hội cạnh tranh của NLTT là một hiện thực. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Tóm lại có thể nói rằng NLTT là sự lựa chọn đúng đắn cho tương lai. Kết luận này cũng đúng đắn với Việt Nam chúng ta. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 CHƯƠNG 2. NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM 2.1. Vật lý học về năng lượng gió 2.1.1. Các đặc trưng cơ bản về năng lượng gió Gió, có thể nói đó là một quá trình địa vật lý rất phức tap, vì vậy chỉ có thể dự báo sự biến đổi với xác suất nhất định. Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc. Dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất...), đồng thời các điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng. Hướng véctơ vận tốc cho thấy vị trí tính theo góc của nó ứng với hướng được lấy làm gốc tính toán (thường là hướng Bắc). Vận tốc gió có tác động đáng kể tới động cơ gió và ảnh hưởng tới hệ thống điều chỉnh tự động, việc sản sinh ra năng lượng phụ thuộc trước hết vào vận tốc gió trung bình theo thời gian và diện tích bề mặt bánh công tác động cơ gió. Vận tốc gió trung bình theo thời gian xác định bằng tỷ số của tổng các giá trị vận tốc gió tức thời đo được với số lần đo trong khoảng thời gian đo. )s/m( n V V i  (2.1) Tương tự thì vận tốc gió trung bình ngày được xác định bằng tỷ lệ tổng vận tốc gió trung bình giờ với thời gian 24 giờ trong ngày. Còn tốc độ gió trung bình năm: )s/m( 365 V V ngay nam   (2.2) Tốc độ gió trung bình ở một vùng nhất định được xác định từ các số liệu theo dõi của các trạm khí tượng hoặc các máy thám không đặc biệt. Tuy nhiên chỉ số của các máy đo gió còn chịu ảnh hưởng của điều kiện địa hình vĩ mô và vi mô của vùng xung quanh, mức độ che khuất của trạm khí tượng. Điều đó cần chú ý khi tính chuyển đổi vận tốc gió đối với mỗi vùng cụ thể, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 thậm chí khi nó nằm gần trạm khí tượng. Vận tốc gió trung bình thay đổi đáng kể trong thời gian khác nhau trong ngày, trong các tháng và các mùa. Do vậy người ta phân biệt diễn biến vận tốc theo ngày, tháng, mùa đặc trưng cho xu hướng chung thay đổi vận tốc trong các chu kỳ thời gian kể trên. Mạch động vận tốc gió và năng lượng dòng khí gây nên bởi đạc tính hình thành cấu trúc của gió các đặc điểm địa phương và ảnh hưởng của các điều kiện cảnh quan và địa hình. Nó có ý nghĩa rất quan trọng vì nó thường là nguyên nhân gây hư hỏng tổ máy. Đặc tính mạch động vận tốc gió được đánh giá bởi gia tốc dòng khí, độ kéo dài của cơn gió và sự trùng hợp của các cơn gió ở những điểm khác nhau của bề mặt chứa bánh công tác động cơ gió và hệ số gió giật Kgiật, là tỷ số giữa vận tốc gió cực đại Vmax với vận tốc gió trung bình V trong một khoảng thời gian (thường không quá 2 phút) Việc nghiên cứu sự biến đổi của vận tốc sẽ thuận lợi hơn nhờ sự phân tích tổng hợp tính quy luật và sự biến đổi ngẫu nhiên cường độ gió trong một khoảng thời gian chọn trước cũng như trên một diện tích không gian hữu hạn. Thông thường ở các trạm khí tượng vận tốc gió trung bình được xác định trong khoảng thời gian không dưới 2 phút. Cường độ giật càng giảm nhiều khi diện tích tiết diện càng lớn. Diễn biến tốc độ gió theo ngày ở các điểm nằm khác nhau vài km, thậm chí vận tốc gió trung bình theo giờ cũng rất khác nhau. Cường độ gió giật trung bình trong khoảng thời gian T có thể đánh giá bằng biểu thức: V 2 (t) =    T 0 2 T dt)t(Vlim (2.3) Hướng gió thường đóng vai trò ít quan trọng hơn khi sử dụng năng lượng gió. Tuy nhiên trong những điều kiện cảnh quan khác nhau, gió với các hướng khác nhau có các đặc điểm đặc trưng: vận tốc và gió giật lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Gradien vận tốc theo góc có ảnh hưởng đáng kể tới sự làm việc của các cơ cấu điều chỉnh hường tự động và trọng lượng con quay. Gió giật gây lên bởi cấu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 trúc rối của dòng chảy ảnh hưởng tới sự làm việc của các hệ thống điều chỉnh tự động tần số quay và giới hạn công suất của bánh công tác gió và đồng thời ảnh hưởng tới sự ổn định của hệ thống. Năng lượng E của dòng khí có tiết diện ngang với diện tích F được xác định theo biểu thức: 2 mV E 2  (J) (2.4) Khối lượng không khí chảy qua tiết diện F trong 1 giây với vận tốc V bằng: m = FV (kg/s) (2.5) Thay vào biểu thức 2.4 ta được: 2 FV E 3  (J/s) (2.6) Trong đó:  = 1,23 (kg/m3)là khối lượng riêng của không khí, trong điều kiện thường (T = 150C, p = 760mmHg) Như vậy, năng lượng gió thay đổi tỷ lệ bậc ba với vận tốc. Bánh công tác gió có thể biến đổi một phần năng lượng này thành năng lượng hữu ích và được đánh giá bằng hệ số sử dụng năng lượng gió (NLG) Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng của nó. Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời gian làm việc của tổ máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được. Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại (bão). Các giá trị vận tốc gió trung bình năm và trung bình mùa cũng là những đặc trưng quan trọng, thuận lơi để đánh giá tiềm năng NLG. Đặc tính quan trọng hơn cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến đổi vận tốc gió trong khoảng thời gian xác định. Khi biết quy luật xác định và thông số của hàm này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được năng lượng sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 quả kinh tế...vv. Vận tốc gió tính theo giá trị tuyệt đối và độ lặp của nó tính theo tỷ lệ thời gian của chu kỳ ta được: n V V kp 1 e V V V V f                 (2.7) Trong đó: f là tần số hay độ lặp của vận tốc V V là vận tốc trung bình trong chu kỳ tính toán V là vận tốc mà độ lặp tương đối của nó xác định trong khoảng từ (V - V/2) đến (V + V/2) V là khoảng gradien vận tốc được chọn 2.1.2. Năng lượng gió Dòng không khí chuyển động giống như bất kỳ một vật thể chuyển động nào khác đều có một động năng. Một trong các dạng sử dụng động năng là biến nó thành cơ năng. Động năng của vật thể bất kỳ kể cả năng lượng gió được xác định bằng biểu thức 2.4. Năng lượng của dòng khí chuyển động với vận tốc V qua tiết diện ngang F được xác định như sau: Thể tích không khí chuyển động với vận tốc V qua tiết diện F trong 1 giây bằng: Vk = VF (m 3 /s) (2.8) Thể tích này nhân với trọng lượng riêng  của không khí ta nhận được lưu lượng trọng lượng của không khí: G =  VF (N/s) (2.9) Lưu lượng khối lượng của không khí bằng: g VF g G m   (Ns/m) (2.10) Biểu thức /g gọi là khối lượng riêng hay mật độ không khí kí hiệu là  (kNs 2 /m 4 ). Thay giá trị /g =  vào biểu thức 2.11 ta được: m = .V.F (Ns/m) (2.11) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 Hình 2.1. Bề mặt cánh bánh công tác động cơ gió chiếm chỗ khi quay Thay giá trị m vào biểu thức 2.8 ta được: 2 mV2 = 2 V.F.V. 2 = 2 V.F. 3 (Nm/s =W) (2.12) Biểu thức này xác định năng lượng gió qua tiết diện F trong 1 giây. Cần nhấn mạnh rằng, năng lượng gió tỷ lệ bậc 3 với vận tốc gió và tỷ lệ bậc nhất với tiết diện F. Động cơ gió chỉ biến đổi một phần năng lượng này thành cơ năng và được xác định bằng hệ số sử dụng năng lượng gió ký hiệu là . Bởi vậy động năng gió có tiết diện F (hình 2.1) sẽ sản ra công trong 1 giây bằng: 2 .F.V. T 3   (J/s) (2.13) Hệ số sử dụng năng lượng gió  là tỷ số giữa công động cơ gió thực hiện được trong 1 giây với năng lượng dòng khí chảy qua tiết diện có diện tích bằng diện tích bề mặt cánh bánh công tác gió chiếm chỗ khi quay trong 1 giây. Đặc tính ưu việt của gió là một nguồn năng lượng có ở mọi nơi. Xong việc ứng dụng năng lượng gió trong các quá trình sản xuất là hết sức khó khăn. Mật độ không khí nhỏ hơn 800 lần so với mật độ nước, bởi vậy để nhận được công suất lớn cần phải có động cơ gió kích thước rất lớn. Chẳng hạn để nhận được công suất 100 mã lực (73,6 kW) với vận tốc gió 8 m/s động cơ gió cần phải có bánh công tác đường kính tới 30m. V V V Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Thêm vào đó, năng lượng gió không ổn định theo thời gian. Điều này gây khó khăn cho việc sử dụng rộng rãi năng lượng gió trong công nghiệp và giao thông. 2.2. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam 2.2.1. Tốc độ gió, cấp gió Một trong các thông số đặc trưng của gió là tốc độ gió, kí hiệu là V, đơn vị có thể là m/s hay km/h. Căn cứ vào tốc độ gió người ta chia thành các cấp và bảng cấp gió được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay là bảng cấp gió Bô-Pho (Beaufor) với 17 cấp được cho ở bảng 2.1 dười đây. Cấp gió Tốc độ gió Áp suất gió trung bình (kg/m2) Đặc điểm của gió m/s km/h 0 0,0  0,2 0,0  1,0 0,0 Lặng gió 1 0,3  1,5 1,0  5,0 0,2 Gió êm 2 1,6  3,3 6,0  11 0,9 Gió nhẹ 3 3,4  5,4 12  19 2,2 Gió yếu 4 5,5  7,9 20  28 4,5 Gió vừa 5 8,0  10,7 29  38 7,8 Gió mát 6 10,8  13,8 39  49 12,5 Gió hơi mạnh 7 13,9  17,1 50  61 18,8 Gió mạnh 8 17,2  20,7 62  74 27,0 Gió rất mạnh 9 20,8  24,4 75  88 37,5 Gió bão 10 24,5  28,4 89  102 51,1 Bão 11 28,5  32,6 113  117 69,4 Bão mạnh 12 32,7  36,9 118  133 89,0 Bão rất mạnh 13 37,0  41,4 134  149 109,2 14 41,5  46,1 150  166 135,8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 15 46,2  50,9 167  183 164,3 16 56,1  61,2 202  220 245,6 Bảng 2.1. Bảng cấp gió Beaufor Trong thiên nhiên gió thường xuyên thay đổi tốc độ, vì vậy để đánh giá được tiềm năng từng vùng người ta sử dụng các thông số gió trung bình Vtb, gồm trung bình năm, tốc độ gió cực đại Vmax và tần suất xuất hiện các tốc độ gió gọi tắt là tần suất tốc độ gió. 2.2.2. Chế độ gió ở Việt Nam Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 80 đến 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa. Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông bắc và gió Đông nam với tốc độ gió trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 đến 6 (m/s) (ở độ cao 10 đến 12m). Tại các đảo xa tốc độ gió đạt 6 đến 8 (m/s). Như vậy tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu ở vĩ độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả. Còn ở các vùng đồng bằng tốc độ gió nhỏ hơn 4 (m/s), do đó việc sử dụng động cơ gió khó đem lại hiệu quả. Ở các vùng núi tốc độ gió còn thấp hơn trừ một vài vùng núi cao và những nơi có địa thế đặc biệt tạo ra những hành lang hút gió. Một đặc điểm nữa của gió ở Việt Nam là hàng năm có nhiều cơn bão mạnh kèm theo gió giật đổ bộ vào miền Bắc và miền Trung. Tốc độ gió cực đại đo được trong các cơn bão tại Việt Nam đạt tới 45 (m/s) (bão cấp 14). Vì vậy khi nghiên cứu chế tạo động cơ gió ở Việt Nam phải chú ý đến chống bão và lốc. Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua các số liệu về gió của Cục Khí tượng Thuỷ văn được cho trong bảng 2.2. Tên địa phương Tốc độ trung bình Vtb(m/s) Hệ số ảnh năng lượng K Mật độ công suất gió (W/m2) Mật độ năng lượng năm (E = kWh/m 2 ) Bãi Cháy 3,3 2,9 64,0 562 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 Bạch Long Vĩ 7,3 2,2 119 4.487 Bạc Liêu 2,8 3,5 47,7 383,5 Cam Ranh 4,2 2,7 124,3 1065,7 Đảo Cô Tô 4,4 2,9 22,5 1.317,9 Đồng Hới 3,9 3,1 108,6 952 Đảo Phú Quý 6,8 2,1 108 3554,2 Đà Lạt 3 4,5 66,2 580 Hà Nội 2,5 2,5 24,2 212,4 Lai Châu 2,0 3,0 22,5 131,8 Lạng Sơn 2,7 3,6 - 379,2 Nam Định 3,6 2,5 72,0 631 Pha Đin 3,2 3,2 22,5 751,1 Plâyku 3,1 4,1 69,6 610 Phú Quốc 3,7 3,3 97,5 855 Quy nhơn 4,1 3,1 106,6 935 Sóc Trăng 2,7 4,2 49,2 431 Thái Nguyên 2,3 2,5 22,5 154,3 Thanh Hoá 2,6 2,9 29,5 259 Tây Ninh 2,4 2,3 66,2 179,3 Tân Sơn Nhất 3,2 2,9 56,1 492 Trường Sa 6,3 2,1 307,1 2.692 Rạch Giá 3,2 2,8 47,7 476 Văn Lý 4,3 2,3 72,0 933,5 Vũng Tàu 3,9 3,0 101,1 886 Bảng 2.2. Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam Trong bảng 2.2 vận tốc gió được đo ở độ cao 10 đến 12m. Các động cơ gió công suất lớn vài trăm đến 1000 (kW) thường được lắp trên độ cao 50 đến 60m. Song các dữ liệu vận tốc gió ở độ cao trên 12m thì ta chưa có. Vì vậy một vài đơn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 vị đã tiến hành đo gió ở độ cao 50 – 60m tại một số điểm. Các số liệu đo đạc được ở độ cao trên tiệm cận thoả mãn công thức sau: 5/1 1 1 h h VV        (2.14) Trong đó: V là vận tốc gió cần tìm trên độ cao h V1 là vận tốc gió đo được gần mặt đất trên độ cao h1 Từ quan hệ trên ta tìm được vận tốc gió trên độ cao 50m như sau (xem bảng 2.3) TT Tên địa phương Tốc độ trung bình Vtb trên độ cao 12m (m/s) Tốc độ trung bình Vtb trên độ cao 50m (m/s) 1 Bãi Cháy 3,3 4,4 2 Bạch Long Vĩ 7,3 9,7 3 Bạc Liêu 2,8 3,7 4 Cam Ranh 4,2 5,6 5 Đảo Cô Tô 4,4 5,8 6 Đồng Hới 3,9 5,2 7 Đảo Phú Quý 6,8 9,0 8 Đà Lạt 3,0 4,0 9 Hà Nội 2,5 3,3 10 Lai Châu 2,0 2,7 11 Lạng Sơn 2,7 3,6 12 Nam Định 3,6 4,8 13 Pha Đin 3,2 4,2 14 Plâyku 3,1 4,1 15 Phú Quốc 3,7 4,9 16 Quy nhơn 4,1 5,4 17 Sóc Trăng 2,7 3,6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 18 Thái Nguyên 2,3 3,0 19 Thanh Hoá 2,6 3,4 20 Tây Ninh 2,4 3,2 21 Tân Sơn Nhất 3,2 4,2 22 Trường Sa 6,3 8,4 23 Rạch Giá 3,2 4,2 24 Văn Lý 4,3 5,7 25 Vũng Tàu 3,9 5,2 Bảng 2.3. Bảng đo vận tốc gió trên độ cao 12m và 50m 2.3. Sản xuất điện từ năng lượng gió ở Việt Nam Gió là một nguồn năng lượng có đặc tính ưu việt là có ở tất cả mọi nơi. Song việc ứng dụng NLG trong các quá trình sản suất là hết sức khó khăn, để nhận được công suất lớn cần có động cơ gió kích thước rất lớn. Thêm vào đó là NLG không ổn định theo thời gian nên khó sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông. Năng lượng gió ở Việt Nam thì không tốt bằng các nước Châu Âu , thế nhưng dọc bờ biển và hải đảo thì Việt Nam cao nhất so với các nước trong khu vực. Nay do số liệu về gió trên độ cao 40 mét thì Việt Nam chưa có. Hiện nay đang xây dựng một số cột đo gió độ cao trên 40 mét; khi đánh giá được thì mới có thể khai thác. Việt Nam là nước ven biển nên có nhiều vùng gió tiềm năng, hiện đang có một số dự án của Trung tâm nghiên cứu Năng Lượng Mới thuộc Đại Học Bách Khoa Hà Nội có thể phát điện hoà vào mạng lưới điện Việt Nam. Căn cứ việc đo gió họ đã tiến hành một dự án ở Bình Định đầu tiên là 50MW nhưng do khó khăn về đất nên chỉ thực hiện được 20MW. Tập đoàn Tài chính EurOrient (“EurOrient”) đã công bố kế hoạch thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và sạch hơn tại khu vực miền Bắc Việt Nam, đồng thời dự tính sẽ quyết định đầu tư 125 triệu USD nhằm góp phần phát triển năng lượng điện chạy bằng sức gió. Hoạt động sản xuất điện bằng sức gió sắp triển khai đang được dự tính xây dựng theo hình thức “xây dựng - sở hữu - chuyển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 giao” bởi một nhà sản xuất điện năng độc lập và sẽ đóng vai trò xúc tác trong việc thúc đẩy đầu tư tư nhân vào ngành điện Việt Nam. Dự án này sẽ góp phần phát triển các nguồn năng lượng tái tạo của Việt Nam thông qua việc hỗ trợ tài chính để xây dựng các nhà máy phát điện chạy bằng sức gió với tổng công suất 125MW, tuy nhiên công suất chính xác cũng như những vấn đề khác vẫn chưa có được quyết định cuối cùng. Tập đoàn Tài chính EurOrient cũng sẽ cung cấp hỗ trợ kỹ thuật và nâng cao năng lực phục vụ việc phát triển sản xuất điện gió nhằm đẩy mạnh hơn nữa việc sản xuất điện bằng sức gió ở các tỉnh khác. Việc nghiên cứu ứng dụng NLG ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm 1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước về Năng lượng mới và tái tạo nên đã có một số kết quả sau: Về động cơ gió phát điện: - Máy phát điện PD 170- 6, công suất 120W nạp ắcquy của Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ CHí Minh. - Máy phát điện PH- 500, công suất 500W của Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. - Máy WINDCHARGER, công suất 200W nạp ắcquy (theo thiết kế của Mỹ) do một số cơ quan cải tiến thiết kế chế tạo. - Máy phát điện gió công suất 150W của Trung tâm nghiên cứu SOLALAB Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ CHí Minh. Về động cơ gió bơm nước: - Máy D- 4 bơm cột nước thấp của Viện năng lượng, Bộ Công Thương. - Máy D- 3,2 bơm cột nước cao của Viện năng lượng, Bộ Công Thương. - Các máy PB 380- 10 và 350- 8 bơm cột nước cao do Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh thiết kế, chế tạo - Máy OASIS bơm cột nước cao (trước đây do hợp tác xã 2- 9 Thành Phố Hồ Chí Minh cải tiến, thiết kế và chế tạo). Thời gian gần đây do nhu cầu nghiên cứu, ứng dụng năng lượng gió phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 triển mạnh, chúng ta đã nhập nhiều loại thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài. Tuy nhiên việc nhập và ứng dụng các thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài còn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Bên cạnh các thiết bị phát điện dùng sức gió công suất cực nhỏ nhập của Trung Quốc ta đã xây dựng các dự án nhà máy điện gió công suất lớn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỔNG QUÁT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ 3.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống phát điện bắng sức gió 3.1.1 Tổng quan về hệ thống a.Yêu cầu đối với hệ thống Trạm điện sức gió được xây dựng phải đáp ứng được các yêu cầu hoạt động và vận hành sau đây: + Hệ thống làm việc độc lập nhưng vẫn cho phép có sự can thiệp của con người khi có yêu cầu. + Cấu trúc lắp đặt của hệ thống đảm bảo thuận lợi cho công tác bảo dưỡng, kiểm tra, thay thế, phòng chống thiên tai: bão, lũ. Bên cạnh đó, do điều kiện năng lượng gió đầu vào của trạm phát điện luôn biến động theo thời gian còn công suất tiêu thụ phía phụ tải đầu ra cũng không ổn định, cho nên hệ thống phải có khả năng xử lý những thay đổi trong năng lượng thu và phát, nhằm duy trì sự cân bằng về năng lượng. Như vậy: + Hệ thống thực hiện tích trữ hoặc bù đắp năng lượng trong điều kiện năng lượng đầu vào nhiều hơn hoặc ít hơn công suất tiêu thụ phía phụ tải. + Nếu công suất tiêu thụ vượt quá lượng cung cấp đầu vào và khả năng bù đắp, hệ thống có biện phát kỹ thuật đảm bảo không bị rã lưới tiêu thụ. + Khi công suất tiêu thụ quá nhỏ còn năng lượng thu được từ đầu vào quá lớn vượt quá năng lượng có thể tích trữ lại, hệ thống có giải pháp tiêu hao nguồn năng lượng dư thừa. Căn cứ theo những yêu cầu vận hành và các bài toán kỹ thuật cần phải có, hệ thống phát điện sức gió có cấu trúc được thiết kế như hình vẽ 3.1. b.Nguyên lý hoạt động Năng lượng gió sẽ được chuyển hoá thành điện năng và được lấy ra ỏ phía stator của máy phát. Hai bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng xoay chiều thành năng lượng một chiều và đưa vào mạch một chiều. Chỉnh lưu phụ với điện trở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 hạn chế dòng nạp ban đầu sẽ hoạt động tại thời điểm khởi động hệ thống, nhiệm vụ của nó là nạp tụ lọc Cl . Chỉnh lưu chính sẽ bắt đầu hoạt động sau đó một khoảng thời gian. Nối với mạch một chiều có các bộ phận điện trở hãm, nghịch lưu, mạch nạp ắc-quy và ắc-quy, chúng được tích hợp để phục vụ các bài toán kỹ thuật cho hệ thống. Khi đó dòng năng lượng một chiều sẽ được điều khiển cung cấp cho phụ tải thông qua nhánh phần tử nghịch lưu, hoặc nạp vào trong bộ phận ắc-quy, hoặc đưa tới điện trở hãm. Hoạt động của chúng được điều khiển bởi một bộ điều khiển hiện trường (dùng TMS 320F2812) được tích hợp trong hệ thống. Thông qua các thiết bị đóng cắt S1,S2, … bộ điều khiển hệ thống (dùng Simatic S7-200 của Simens) sẽ thiết lập các chế độ hoạt động: khởi động, cấp điện phụ tải, cắt tải, v.v… c.Phân cấp điều khiển trong hệ thống Phần điều khiển trong hệ thống được chia thành hai cấp căn cứ theo mục đích hoạt động: + Cấp điều khiển hiện trường, thực hiện các bài toán điều khiển cấp Slave nhưng đòi hỏi thời gian thực (bài toán điều chỉnh ổn định điện áp ra, bài toán nạp ắc-quy, bài toán tiêu hao năng lượng dư thừa dùng điện trở hãm, bài toán bù hệ số công suất cosφ) can thiệp trực tiếp đến các phần tử của hệ thống, nó gồm một bộ điều khiển chính, xây dựng dựa trên phần tử TMS320F2812, và các module phụ trợ. + Cấp điều khiển hệ thống, thực hiện các bài toán điều khiển cấp Master như: thiết lập chế độ hoạt động, phân bố phụ tải tiêu thụ, giám sát hoạt động của hệ thống, tham gia thực hiện bài toán chẩn đoán và giám sát từ xa thực trạng vận hành. Phần cứng sử dụng là phần tử khả trình Simatic S7-200 của hãng Simens. Một thiết bị điều khiển, chẩn đoán và giám sát từ xa (hình 3.2) đã được tích hợp thêm (kết nối với bộ điều khiển hệ thống thông qua modem của S7-200 và đường dây điện thoại) cho phép thực hiện được các chức năng quan trọng như: chẩn đoán hệ thống, phát hiện lỗi, cập nhật phần mềm v.v… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 Hình 3.2. Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát điện sức gió 3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường Trong hệ thống phát điện sức gió, cấp điều khiển hiện trường là một bộ điều khiển do Phòng Thí nghiệm trọng điểm Tự động hoá thiết kế, chế tạo, được tích hợp dựa trên vi xử lý tín hiệu số TMS 320F2812 của hãng Texas Instrument. Bên cạnh card điều khiển (hình 3.3) là 3 module được thiết kế để giải quyết 3 bài toán điều khiển cấp hiện trường như: Hình 3.3. Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường * Điều khiển nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu điều chỉnh ổn định điện áp ra phía tải tiêu thụ (220V/50Hz) Bộ điều khiển hiện trường Thiết bị cấp trường Hệ thống điều khiển giám sát tại chỗ Modem Hệ thống điều khiển giám sát từ xa M o d em Thiết bị điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu Card điều khiển Module nghịch lưu Module nạp acqui Module điện trở đốt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 * Điều khiển điện trở đốt, đáp ứng yêu cầu năng lượng dư thừa khi năng lực tiêu thụ đầu ra của tải nhỏ hơn so với năng lượng phía đầu vào. * Điều khiển nạp ăc-quy, phục vụ việc tích trữ năng lượng, đảm bảo sự cân bằng về năng lượng thu và nhận của trạm phát điện sức gió. a. Card điều khiển Các thông số kỹ thuật cơ bản của card điều khiển (hình 3.4) + 256 Kword Flash EPROM + 64 Kword SRAM + 8 Kbyte EEPROM, loại SPI + 12 kênh PWM với mức tín hiệu đưa ra là 0-5V + 3 đầu vào số 24V DC + 1 cổng truyền thông RS485 + 1 cổng truyền thông RS232 + 4 đầu vào số cách ly quang; 16 kênh đầu vào tương tự, phạm vi tín hiệu vào yêu cầu là 0-5V DC b. Module nghịch lưu Thành phần chính là các van bán dẫn cho phép thực hiện đóng cắt với tần số cao, trong đó tín hiệu điều khiển được xác định căn cứ theo thuật toán điều khiển và điều chế vector không gian nạp trong card điều khiển. Do hệ thống được lắp đặt ở những nơi không có lưới điện quốc gia, do đó nó là nguồn cung cấp điện duy nhất trong hệ thống lưới phụ tải, có đặc điểm là thành phần điện trở và điện cảm phụ tải biến thiên một cách ngẫu nhiên theo nhu cầu sinh hoạt của khu dân cư. Và như vậy phần điều khiển điện áp ra cung cấp sẽ phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật sau: + Thứ nhất, biên độ và tần số điện áp cung cấp phải đảm bảo giữ ổn định (220V/50Hz). Trong đó, yêu cầu về biên độ được ưu tiên, tần số được phép biến thiên trong một phạm vi nhất định. + Thứ hai, hệ số công suất phát phải tuân theo những thay đổi của phụ tải tiêu thụ.Lý tưởng là: Hệ thống có khả năng bù để sao cho hệ số cosφ là tốt nhất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Đây chính là động lực của giải pháp bù và là nguyên nhân đưa đến đăng ký sở hữu trí tuệ của giải pháp này. + Thứ ba, công suất phát phải đáp ứng được yêu cầu của phụ tải tiêu thụ. Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn năng lượng gió và khả năng tích luỹ của hệ thống lưu điện. Đây là các nhiệm vụ của bài toán điều khiển nghịch lưu – bài toán điều chỉnh ổn định điện áp ra. Hình 3.4. Cấu trúc phần cứng card điều khiển c. Module nạp ăc-quy Trong hệ thống, bộ phận ắc-quy được sử dụng để điều phối quá trình thu và phát năng lượng. Nếu năng lượng thu về từ máy phát lớn hơn năng lượng tiêu thụ của lưới bộ phận ắc-quy rơi vào chế độ nạp và sẽ ngừng khi được nạp đầy. Khi năng lượng thu được nhỏ hơn năng lượng tiêu thụ, ắc-quy sẽ chuyển sang chế độ phát, đưa năng lượng ra mạch một chiều bù đắp vào phần thiếu hụt. Tuy nhiên ắc-quy sẽ chỉ làm việc trong chế độ phát cho đến khi năng lượng dự trữ trong nó tụt giảm xuống đến nhỏ hơn mức năng lượng giới hạn. Cấu trúc phần cứng của bộ phận ắc-quy trong hệ thống bao gồm: PWM outputs QEP inputs Set-up GPT/EVx EEPROM (SPI) PLC Comm. (RS485) Keyboard /Display Comm. (RS232) P4 P7 P8 P6 P2 P5 P9 J1 J7 J8 J9 J11 J12 Analog Inputs (ADC) Boot mode Module Trung tâm Power Supply Flash ROM 512Kx16 (Zone 2) SRAM 8Kx16 (Zone 1) Peripheral (Zone 0) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 + Các phần tử ắc-quy 12V mắc thành mạng ắc-quy. + Mạch điều khiển nạp, phóng ắc-quy, tương ứng với hai chế độ làm việc là chế độ nạp và chế độ xả d. Module điện trở hãm Đây là module phần cứng được thiết kế để giải quyết tình huống năng lượng từ phía máy phát đưa đến mạch một chiều đã bắt đầu vượt quá năng lượng từ mạch một chiều đưa ra ngoài lưới tiêu thụ, gây ra sự mất cân bằng về năng lượng thu phát hệ thống. Khi phát hiện ra trạng thái mất cân bằng năng lượng bộ phận điện trở đốt sẽ hoạt động và thực hiện tiêu hao bớt năng lượng trong mạch một chiều, một mặt giúp làm triệt tiêu sự mất cân bằng năng lượng trong hệ thống. Măt khác góp phần làm tăng mômen cản đối với máy phát, một tác động cần thiết khi xảy ra các cơn gió mạnh kéo dài. Bài toán điều khiển này chỉ được hoạt động khi việc nạp ắc-quy không làm giảm bớt được sự chênh lệch nói trên. Giải pháp này được xây dựng dựa trên các phần tử phần cứng sau: + Bể nước với hệ thống dẫn nước vào và xả nước ra. Hình 3.5. Cấu trúc của Module điện trở hãm Cảm biến đo mức trên Cảm biến đo mức dưới Mức nước Van nạp Van xả Điện trở đốt Van công suất Tín hiệu điều khiển Mạch một chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 + Bộ điện trở đốt, với nhiệm vụ tiêu tán năng lượng một chiều trên nó. + Van bán dẫn công suất, làm nhiệm vụ điều khiển cường độ dòng điện một chiều chảy qua điện trở đốt. + Hai phần tử cảm biến đo mức nước. Bài toán điều khiển điện trở hãm khi đó được chia làm hai phần: +Thứ nhất là bài toán điều khiển cường độ dòng điện một chiều chảy qua điện trở, ở đây tác động đến cường độ dòng điện cũng sẽ gián tiếp tác động đến mức năng lượng sẽ bị tiêu hao trên điện trở đốt. + Thứ hai là bài toán điều khiển mức nước, đảm bảo duy trì mức nước trong phạm vi cho phép, nằm giữa hai vị trí cảm biến báo mức. 3.1.3 Cấp điều khiển hệ thống Thiết bị sử dụng là thiết bị điều khiển khả trình PLC loại Simatic S7-200 của hãng Siemens. Bên cạnh vai trò thu nhập dữ liệu về thông số làm việc của hệ thống (trạng thái hoạt động của các phần tử điện trở đốt, ắc-quy,biến tần,các thông số điện như dòng,áp và tần số v.v….), thiết bị còn thực hiện các bài toán điều khiển Master: + bài toán khởi động, + bài toán cung cấp điện và + bài toán giao tiếp từ xa. Ở cấp điều khiển hệ thống, các chế độ làm việc được thiết lập căn cứ trên hiện trạng hoạt động của hệ thống và các lệnh điều khiển đưa xuống bộ điều khiển hiện trường.  Bài toán cung cấp điện Trong các bài toán trên, bài toán cung cấp điện cũng giữ một vai trò quan trọng. Phía phụ tải ghép nối với hệ thống phát điện sức gió theo các nhánh (hình 3.1), mỗi nhánh sẽ được gán mức ưu tiên khác nhau. Khi mức độ tiêu thụ phía phụ tải tăng lên trong khi năng lượng đầu vào và năng lượng dự trữ trong ắc-quy không thể đáp ứng được, thiết bị điều khiển cấp cao sẽ thực hiện cắt bớt các nhánh phụ tải có mức ưu tiên thấp để giảm công suất tiêu thụ đến mức tái lập sự cân bằng năng lượng trong hệ thống. Khi năng lượng dự trữ trong ắc-qui tụt xuống dưới mức cho Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 phép, thiết bị điều khiển sẽ cắt toàn bộ tải tiêu thụ cho đến khi năg lượng tích trữ được khôi phục trở lại.  Bài toán điều khiển, chuẩn đoán và giám sát từ xa Hệ thống máy phát điện sức gió hoạt động như một trạm phát điện độc lập với mạng lưới phụ tải riêng. Với đặc điểm như vậy, bài toán điều khiển, chẩn đoán và giám sát từ xa là rất cần thiết, nó cho phép đảm bảo hệ thống có thể vận hành trong tầm kiểm soát, các lỗi có thể xảy ra cho hệ thống sẽ được nhanh chóng phát hiện và xử lý kịp thời. Bên cạnh đó giải pháp sẽ giúp thực hiện thu thập các thông tin về quá trình hoạt động của hệ thống, tạo nguồn cơ sở dữ liệu cho các công việc bảo dưỡng, sửa chữa, đánh giá. Quá trình xử lý dữ liệu sẽ tách được những tham số đặc trưng cho các tình huống sự cố. Các tham số sau đó được khâu phân loại lỗi tiếp tục xử lý để nhận biết hệ thống có lỗi hay không và vị trí lỗi ở đâu trước khi đưa ra cảnh báo cần thiết. Điều này còn đặc biệt có ý nghĩa khi lắp đặt trạm tại những khu vực hẻo lánh xa xôi. Một số chẩn đoán đã được thực hiện trong trạm phát điện sức gió về: + Sự mất cân bằng của rotor máy phát do mòn trục, mòn hộp số, ngắn mạch các pha của máy phát. + Các bộ biến đổi điện chỉnh lưu, nghịch lưu (sự hở mạch hoặc ngắn mạch ). +Chuẩn đoán lỗi của máy biến áp. Tất cả các chuẩn đoán đều dựa trên công tác phân tích các số liệu về dòng, áp thu thập được từ xa. 3.2. Nghiên cứu về hệ thống Turbine gió 3.2.1. Mô tả Turbine Cụm Turbine WESTWIND là loại Tubine gió ngang,có trục nằm ngang, truyền động trực tiếp (không dùng hộp số) từ Turbine tới máy phát, được thiết kế để sử dụng trong các hệ thống nạp ăc-quy hay hệ thống cung cấp năng lượng ở chế độ ốc đảo (độc lập, không hoà với lưới). Cấu tạo tổng thể của Turbine được minh hoạ trong hình 3.6 dưới đây.  Hệ thống Rotor (Rotor System) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Hình 3.6. Các thành phần chính của Turbine WESTWIND Hệ thống rotor bao gồm ba cánh được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu cacbon /sợi thuỷ tinh/epoxy. Ba cánh có nhiệm vụ chuyển năng lượng gió thành momen quay truyền trực tiếp tới máy phát điện. Các cánh được nhà sản xuất thiết kế bảo đảm tính linh hoạt, mềm dẻo trong suốt tuổi đời cánh bằng cách giảm các tác động ở cả hai điều kiện thông thường và khắc nghiệt. Cụm cánh đã được xử lý cân bằng động một cách kĩ lưỡng trước khi xuất xưởng nhằm bảo đảm vận hành êm Turbine. Các cánh đã được sơn phủ hai lớp bảo vệ chống thấm, chống ăn mòn bền vững. Đầu nhọn của cánh được bọc bảo vệ. Một cơ chế lật góc cánh thụ động (passive pitch, hoạt động nhờ lực li tâm) sẽ hạn chế tốc độ quay tối đa của rotor. Lực đảo góc cánh trở lại vị trí ban đầu sẽ do ba lò xo tạo nên, và đây là một thiết kế mang đặc thù tự bảo vệ ( tốc độ quay sẽ bị hạn chế ở mức thấp khi lò xo đã yếu đi hoặc thậm chí đã hư hỏng).  Thân Turbine (Mainframe or nacelle) Về cấu trúc cơ học, thân turbine thực chất là khung đỡ cơ học của toàn bộ turbine gió. Đó là nơi lắp và bảo vệ các vành góp điện, nơi lắp đặt máy phát điện, Đuôi Turbine Rotor Máy phát Thân Turbine Cáp phía trên Hãm đuôi Vành góp và thanh quét Hệ thống trượt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 nơi chứa cơ chế gập đuôi và là điểm gá lắp bộ cánh. Thân turbine chế tạo bằng thép và trước hết được bảo vệ nhờ lớp mạ, sau đó ủ nóng, và cuối cùng là lớp sơn phủ bằng bột đặc biệt. Nắp kiểm tra ở thân turbine cho phép dễ dàng tiếp cận các vành góp và thanh quét để thực hiện công tác bảo dưỡng.  Vành góp và thanh quét (Slip rings and brushes) Hệ thống vành góp và thanh quét hình 3.7 là nơi ghép nối giữa máy phát và cáp điện chạy dọc theo thân cột xuống mặt đất, cho phép turbine quay tự do hướng theo chiều gió mà không gây nên xoắn cáp. Để tăng độ tin cậy, cáp điện được nối với hai bộ thanh quét. Tuổi thọ ước tính của các thanh quét xấp xỉ là 20 năm. Thanh quét dưới cùng có nhiệm vụ tiếp địa còn ba thanh quét trên dẫn dòng máy phát. Hình 3.7. Hệ thống vành ghóp và thanh quét lấy điện (nằm trong thân Turbine) 3.2.2. Vận hành turbine Rotor của turbine WESTWIND bắt đầu quay (xuất phát từ trạng thái đứng yên) khi gió đạt tốc độ vượt 2,5(m/s). Đối với hệ thống thuần tuý nạp Ăc-quy, hệ thống sẽ bắt đầu nạp ở tốc độ gió chính xác nào, điều này hoàn toàn phụ thuộc trạng thái tích điện có sẵn của Ăc-quy. Đối với hệ thống có hoà lưới, tốc độ bắt đầu phát (cut-in wind speed) phụ thuộc vào chế độ đặt của nghịch lưu. Ngược lại, nếu rotor giảm tốc độ quay xuống tương ứng với tốc độ gió 2(m/s), ở trạng thái này điện áp ra của hệ thống sẽ không đủ để cung cấp tiêu thụ. Trong phạm vi các giới hạn của hệ, công suất ra tỷ lệ thuận trực tiếp với tốc Các hộp chổi than bị mòn đằng sau dây cáp Cáp dẫn hướng Cáp nối máy phát Hệ thống cổ góp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 độ quay của rotor. Vì lẽ ấy, khi tốc độ quay của rotor tăng cùng với mức tăng của tốc độ gió, hệ thống sẽ có khả năng cung cấp được nhiều năng lượng hơn. Công suất ra sẽ tăng rất nhanh so với mức tăng của tốc độ gió, vì năng lượng trong gió tỷ lệ với số mũ 3 của tốc độ gió. Ví dụ: Nếu tốc độ gió tăng từ 5(m/s) lên 10(m/s), tăng với hệ số 2, năng lượng trong gió sẽ tăng lên 8 lần (23=8). Hệ quả của tương quan kể trên giữa tốc độ gió và công suất phát: Ta sẽ chỉ thu được rất ít năng lượng khi gió nhẹ. Ở mức trung bình, tốc độ gió nằm trong dải 5.5-9(m/s) sẽ là dải chính cung cấp năng lượng. Một hệ quả khác của quan hệ mũ 3 của năng lượng gió, đó là: Khi gió mạnh, gió thường xuyên chứa nhiều năng lượng hơn khả năng tiêu thụ của hệ.  Gió mạnh-bảo vệ quá tốc độ (high wind-overspeed protection) Khi gió mạnh (tốc độ lớn hơn 16m/s) hệ thống bảo vệ quá tốc sẽ tự động tác động để bảo vệ turbine bằng 2 cách: Giới hạn tốc độ gió to và/ hay lật cánh rotor. Hình 3.8. Hệ thống lò xo lật cánh khi tốc độ gió quá lớn Hệ thống bảo vệ quá tốc bao gồm 2 hệ thống con độc lập và do đó có độ tin cậy rất cao. Khi tốc độ gió mạnh (>16m/s) hệ thống gập đuôi hình 3.9 sẽ tác động, quay rotor khỏi hướng đón gió trực diện, nhờ đó giảm diện tích hứng gió của 3 cánh và giảm năng lượng thu từ gió. Nếu turbine đang mang tải (mạch điện đang có tiêu thụ), momen máy phát sẽ có xu hướng hãm tốc độ quay cánh xuống ứng năng lượng lấy vào sau khi gập đuôi. Một trường hợp hiếm xảy ra là hệ thống gập đuôi không tác động, khi ấy tốc độ quay sẽ tăng và do đó kích hoạt hệ thống lật cánh thụ động Thanh luồn quá tốc độ Móc lò xo từ cạnh trên của đuôi và đặt lên giá đỡ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 (passive pitch system, Hình 3.8). Hệ thống đó lật cánh nghiêng đi một góc tối đa là 30 0 và tạo nên một sức cản khí động học nhằm giới hạn cánh ở tốc độ quay an toàn là 160(v/p) Khi đã gập đuôi , công suất ra của turbine sẽ giảm mạnh, dẫn đến việc phát điện hoặc sẽ ngừng lại trở nên ngắt quãng. Khi tốc độ gió ở trong khoảng 16-20 (m/s), việc đuôi có thể lặp đi lặp lại động tác gập hay duỗi là hoàn toàn bình thường.  Gập đuôi bằng tay (Manual furling) Có thể thực hiện gập đuôi turbine bằng tay nhờ một dây cáp kéo đơn giản. Thông thường, cáp đó được nối với một tời quay ở chân cột tháp. Khi quay tời, cáp đó sẽ kéo gập đuôi, cưỡng bức rotor quay lệch khỏi hướng gió chính, làm giảm công suất phát ra.  Quy trình gập đuôi (Furling procedure) Hình 3.9. Đuôi Turbine có thể tự gập khi gió mạnh khi gió mạnh hay gập bằng tay Tháp phát điện sức gió 20(KW) được chế tạo với một tời kéo gập đuôi gắn ở chân cột. Khi tác động, thân đuôi sẽ bị lệch đi một vị trí gần vuông góc hình 3.8 so với Turbine. Khi quay tời, cần theo dõi kĩ thân đuôi (tail boom) và ngừng quay khi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 thân đuôi đã đạt vị trí cần thiết. Hãy nới lỏng tời tại vị trí cuối cùng này. Chiều dài cáp nối tới tời gập đuôi cần phải được đo cắt chính xác để có thể gập đuôi được một góc gần 800. Sau khi nới tời, thân đuôi sẽ duỗi thẳng trở lại so với thân Turbine, và cáp phải ở trạng thái không hề bị xoắn. 3.3. Nghiên cứu về máy phát điện sử dụng năng lượng gió 3.3.1. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ a. Khái quát về máy phát không đồng bộ Trong các hệ thống phát điện chạy sức gió (PĐCSG) có hai loại máy phát không đồng bộ (KĐB) được sử dụng:  Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (KĐB-RDQ), còn được gọi là không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG). Máy phát KĐB-RDQ có stator ghép trực tiếp với lưới, còn phía rotor được nối với lưới qua thiết bị diều khiển hình 3.10a. Hệ thống ăc-quy kích từ chỉ cần thiết khi hệ thống máy phát hoạt động ở chế độ ốc đảo, không hoà với lưới điện.  Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel- Cage Induction Generator: SCIG). Khác với máy phát KĐB-RDQ, máy phát KĐB-RLS có stator nối với lưới qua thiết bị điều khiển Hình 3.10b. Tại đây, hệ thống ăc-quy kích từ Hình 3.10. Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ: Cụm ăc-quy kích từ chỉ cần thiết khi vận hành ở chế độ ốc đảo Hộp số KĐB RDQ Hộp số KĐB RLS NL phía MP NL phía lưới NL phía MP NL phía lưới Ăc-quy kích từ (chế độ ốc đảo) Ăc-quy kích từ (chế độ ốc đảo) a, b, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 cũng chỉ cần thiết khi máy phát hoạt động ở chế độ ốc đảo. Dễ dàng chỉ ra các ưu nhược điểm của hai hệ thống trên:  Do thiết bị điều khiển của KĐB-RDQ nằm ở phía rotor nên công suất chỉ còn bằng cỡ 1/3 của công suất máy phát. Dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều so với KĐB-RLS là loại cần thiết bị điều khiển nằm giữa stator và lưới, và do đó có công suất bằng chính công suất của hệ thống máy phát.  Tuy vậy, nhờ có thiết bị điều khiển nằm giữa stator và lưới, loại KĐB-RLS dễ điều khiển hơn rất nhiều so với KDB-RDQ. Đặc biệt là trong những trường hợp có sự cố về phía lưới. Hình 3.11. Đặc tính công suất có thể khai thác được từ gió với các tốc độ khác nhau: Cần điều khiển máy phát sao cho luôn đạt mức tối đa Trong một thời gian khá dài – khi mà kỹ thuật điều khiển còn phát triển chưa đầy đủ - vẫn tồn tại hệ thống PĐCSG có tốc độ quay cố định, khiến cho khả năng khai thác năng lượng từ nguồn gió rất hạn chế. Lớp đặc tính của tốc độ gió Hình 3.11 đã chỉ ra rõ ràng: Mỗi tốc độ gió đều có một điểm công suất tối đa ta cần khai 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 12m/s Tốc độ quay n/nN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 thác, tạo thành đường “công suất tối ưu”. Để hệ thống có thể khai thác năng lượng tốt nhất, ta cần điều khiển Turbine sao cho tốc độ quay của máy phát luôn bám sát điểm “maximum” đó, dẫn đến các chế độ vận hành trên (oversynchronous, n/nN>1) hoặc dưới đồng bộ (subsynchronous, n/nN<1). Tuy nhiên, vấn đề điều khiển Turbine thường được đặt ra với các hệ thống công suất lớn - rất lớn (vài trăm kW trở lên). Hệ thống điều khiển (ĐK) hệ thống máy phát hình 3.10 bao gồm:  ĐK nghịch lưu (NL) phía máy phát (MP).  ĐK nghịch lưu phía dưới (lưới phụ tải khi vận hành ở chế độ ốc đảo, lưới quốc gia ở chế độ hoà đồng bộ) Và phải giải quyết được các vấn đề sau đây:  Đối với NL phía MP: vấn đề ĐK cách ly (decoupling control) công suất hữu công P và công suất vô công Q, ĐK hoà đồng bộ. Đặc biệt, khi lưới xảy ra sự cố (sập lưới quốc gia, lưới mất cân pha nghiêm trọng), khi ấy MP phải có khả năng cung cấp công suất vô công Q giúp lưới trụ vững qua giai đoạn sự cố.  Đối với NL phía lưới: vấn đề cần giải quyết là ĐK hệ số công suất cos, kết hợp với lọc thông minh chặn nhiễu phát lên lưới. b. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor dây quấn * Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RDQ Hình 3.12. Phạm vi hoạt động của máy phát KĐB-RDQ (a) với dòng năng lượng chảy ở chế độ MP thuộc phạm vi dưới (b) và trên đồng hồ (c) a, b, c, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 Nhờ khả năng cấp nguồn từ phía rotor, máy điện KĐB-RDQ cho phép đơn giản bốn chế độ vận hành như hình 3.12a. Hoàn toàn độc lập với tốc độ quay cơ học (trên hoặc dưới đồng bộ), việc máy hoạt động ở chế độ động cơ hay máy phát chỉ phụ thuộc vào dấu cho trước của momen mM . Theo hình 3.12a, máy điện sẽ hoạt động ở chế độ máy phát, nếu mômen mang dấu âm. Ta đã biết, kích cỡ của mM đặc trưng cho kích cỡ của công suất phát ra (ở chế độ máy phát) hoặc công suất lấy vào (ở chế độ động cơ) của máy điện KĐB-RDQ và việc điều khiển/điều chỉnh công suất đó (ví dụ: thông qua mômen) không được phép ảnh hưởng đến hệ số công suất (HSCS) cos đã đặt cho thiết bị. Bằng một biến tần không chỉ có khả năng lấy mà còn có khả năng hoàn năng lượng trả lại dưới, máy địên KĐB-RDQ có thể vận hành ở hai chế độ: trên hoặc dưới đồng bộ. Ở cả hai chế độ đó, máy cung cấp năng lượng lên lưới ở phía stator. Phía rotor, máy:  Lấy năng lượng từ lưới ở chế độ dưới đồng bộ (Hình 3.12b)  Hoàn năng lượng trả lại dưới ở chế độ trên đồng bộ (Hình 3.12c) Hình 3.13. Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng máy phát loại KĐB-RDQ Máy đóng ngắt NL phía lưới NL phía máy phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 Về nguyên tắc, biến tần hình 3.13 bao gồm hai cụm: cụm nghịch lưu phía lưới (NLPL) và cụm nghịch lưu phía máy phát (NLMP). Nhiệm vụ chủ chốt của cụm NLMP là thực hiện điều chỉnh/cách ly có hiệu quả hai đại lượng mM và cos, điều chỉnh hoà đồng bộ với lưới cho MP cũng như điều chỉnh tách MP ra khỏi lưới khi cần thiết. Tuy nhiên, hai nội dung sau không phải là đối tượng của đề tài này. Cụm NLPL trên thực tế không chỉ có nhiệm vụ chỉnh lưu theo nghĩa thông thường: lấy năng lượng từ lưới, cụm còn có nhiệm vụ hoàn năng lượng (từ mạch DC) trở lại lưới (ba pha). Cụm NLPL có nhiệm vụ đìều chỉnh ổn định điện áp mạch một chiều trung gian UDC, điều chỉnh cos và qua đó có thể giữ vai trò bù công suất vô công, một nhiệm vụ thường được giải quyết bằng tụ bù đắt tiền và thiếu chính xác. 3.3.2. Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu a. Khái quát về máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu Nếu trong trường hợp máy phát (MP) loại KĐB hình 3.10 ta phải tạo từ thông Rotor (kích từ) trước khi khai thác năng lượng từ sức gió. Hình 3.14. Máy phát đồng hồ kích thích vĩnh cửu có thể được sử dụng theo 1 trong 2 phương án: a) Điện áp MP được chỉnh lưu đơn giản; b) Điện áp MP được chỉnh lưu có ĐK tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ NL và MP. Hộp số ĐB- KTVC Hộp số ĐB- KTVC CL NL phía lưới NL phía lưới NL phía MP a, b, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Việc kích từ đó hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ ắc-quy tạo dòng kích từ ban đầu (trường hợp vận hành ở chế độ ốc đảo). Trường hợp máy phát đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC) lại hoàn toàn khác: Từ thông đã tồn tại sẵn sàng nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt rotor. Vì vậy, chỉ cần MP quay là tại các cực nối ra của MP đã xuất hiện điện áp và MP có thể được sử dụng trong các hệ thống PĐCSG theo một trong hai phương án sau:  Sử dụng khâu chỉnh lưu (CL) đơn giản ở phía máy phát như hình 3.14a.  Sử dụng một khâu nghịch lưu phía máy phát (NLMP) như hình 3.14b. Khi sử dụng hai phương án ở hình 3.14 ta cần phải phân biệt giữa các cỡ công suất và chế độ vận hành hệ thống PĐCSG:  Công suất cỡ lớn (>50kw): Ở cỡ công suất này, hệ thống PĐCSG bao giờ cũng được thiết kế phục vụ cho chế độ vận hành có hoà lưới. Nghĩa là: Khả năng tiêu thụ P luôn đảm bảo, đồng thời năng lượng do Turbine lấy vào từ nguồn gió có thể ĐK chủ động được ( nhờ hệ thống ĐK góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay, hình 3.11). Do đó ta có thể sử dụng 1 trong 2 phương án, chọn phương án nào còn chủ yếu phụ thuộc vào khả năng đầu tư.  Công suất cỡ nhỏ (<50kw): Ở cỡ công suất này, hệ thống PĐCSG cũng có thể được thiết kế phục vụ cho chế độ vận hành có hoà lưới, nhưng phần nhiếu nhằm vào chế độ vận hành độc lập (chế độ ốc đảo, không hoà lưới điện quốc gia). Đồng thời, Turbine cỡ này không có hệ thống ĐK góc cánh chủ động (bằng động cơ địên), mà chỉ có hệ thống lật cánh thụ động phục vụ mục đích bảo vệ an toàn khi gió lớn. Điều này dẫn đến một thực tế: Ta không thể ĐK dòng năng lượng vào và dòng năng lượng tiêu thụ lại lúc mạnh lúc yếu. Do đó, để khắc phục ta sẽ phải có giải pháp thích hợp. b. Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất nhỏ, vận hành ở chế độ ốc đảo Như trên ta đã phân tích: Trong trường hợp này ta buộc phải tiêu thụ toàn bộ năng lượng mà Turbine thu nhập được từ gió (nhằm tạo tác dụng phanh hãm an toàn cho Turbine), và d