Luận văn Tính toán, thiết kế lưới điện hỗn hợp mini có các nguồn phát năng lượng mới và tái tạo cho các khu vực nông thôn chưa có điện lưới quốc gia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------------------------ NGUYỄN HỒNG QUANG TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------- NGUYỄN HỒNG QUANG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN HỖN HỢP MINI CÓ CÁC NGUỒN PHÁT NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO CHO CÁC KHU VỰC NÔNG THÔN CHƯA CÓ ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đặng Đình Thống THÁI NGUYÊN - 2008 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của để tài: Một trong những yếu tố thúc đẩy kinh tế - xã hội phát triển ở một vùng miền trên lãnh thổ Việt Nam phải kể đến sự tham gia của nguồn điện năng. Ngày nay với yêu cầu đặt phát triển về tất cả các mặt kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng,…vấn đề đặt ra là phải cung cấp điện đến tất cả những vùng miền trong cả nước, đặc biệt là những vùng sâu, vùng xa, miền núi và hải đảo. Trên thực tế việc cung cấp điện lưới quốc gia tới các vùng sâu, vùng xa, miền núi, hải đảo từ các nguồn phát lớn như thuỷ điện, nhiệt điện đang gặp nhiều khó khăn. Mặt khác năng lượng đầu vào cho những nguồn phát này ngày càng phụ thuộc vào thời tiết và đang dần cạn kiệt, thêm vào đó là vấn đề ưu tiên điện lưới cho những vùng kinh tế trọng điểm của quốc gia, những khu đô thị…vv. Xuất phát từ tình hình thực tiễn đó, việc tìm ra những giải pháp cung cấp điện hữu hiệu và phù hợp cho những khu vực chưa có điện lưới quốc gia là rất cần thiết. Vì vậy đề tài “ Tính toán, thiết kế lưới điện hỗn hợp mini có các nguồn phát năng lượng mới và tái tạo cho các khu vực nông thôn chưa có điện lưới quốc gia” mang tính cấp bách và có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện đời sống cho nhân dân các vùng nông thôn. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Đánh giá hiện tại và dự báo tương lai tình hình tiêu thụ điện năng cho một cộng đồng dân cư khu vực nông thôn chưa có điện lưới quốc gia. Mặt khác tính toán, thiết kế hệ thống phát điện mini sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo, đồng thời so sánh về kinh tế tài chính cho các phương án cấp điện. - Ý nghĩa thực tiễn: Tìm ra được phương án cung cấp điện kinh tế và phù hợp nhất với điều kiện thực tế để xây dựng dự án hệ thống phát điện hỗn hợp mini từ các nguồn phát năng lượng mới và tái tạo của địa phương, tạo điều kiện thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội cho khu vực. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3. Phương pháp nghiên cứu: Để giải quyết những vấn đề được đề cập đến trong đề tài, tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: - Tổng quan về các nguồn và các công nghệ năng lượng mới và tái tạo, tình hình nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam. - Tính toán nhu cầu điện năng hiện tại và dự báo trong tương lai, xây dựng sơ đồ khối tổng quát cho hệ thống điện hỗn hợp mini dùng các nguồn năng lượng mới và tái tạo - Phân tích tính kinh tế - tài chính, đánh giá các phương án, đề xuất giải pháp tối ưu để ứng dụng công nghệ phát điện hỗn hợp mini cho những khu vực chưa có điện lưới quốc gia. 4. Nội dung nghiên cứu: Luận văn được chia làm 5 chương bao gồm các nội dung chính sau: - Các nguồn và các công nghệ năng lượng mới và tái tạo - Công nghệ phát điện hỗn hợp - Lựa chọn địa điểm xây dựng dự án - Thiết kế, tính toán hệ thống - Phân tích kinh tế - tài chính Sau đây là nội dung chi tiết: TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG I CÁC NGUỒN VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo, các đặc tính của chúng 1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo 1.1.1. 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. 1.1.2. 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. 1.1.3. 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. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.1.4. Nguồn năng lượng sinh khối Sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên cạn cũng 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 1.1.5. 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 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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. 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. 1.1.6. 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. 1.2. Các đặc tính của các nguồn năng lượng mới và tái tạo 1.2.1. Đặc tính phong phú và có thể tái sinh: Có thể nói các nguồn năng lượng mới và tái tạo (NLM & TT) rất phong phú và có sẵn , không những thế hầu hết các nguồn năng lượng này đều có thể tái tạo được .Về nguồn mà nói thì năng lượng mặt trời hết sức dồi dào, rồi gió, năng lượng thủy điện nhỏ, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều, sóng biển, địa nhiệt TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên cũng có trữ lượng khá lớn nếu không muốn nói là khó có thể cạn kiệt được. Tiềm năng của năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất. Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng truyền thống mà ngày nay được t iêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều. 1.2.2. Đặc tính sạch và bảo vệ môi trường: Tất cả các nguồn NLM & TT đều sạch nên việc sử dụng các nguồn năng lượng này sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So sánh với các nguồn năng lượng truyền thống như: Than đá, hoá thạch hay thuỷ điện, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi trường. Năng lượng gió được đánh giá là thân thiện nhất với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội. Theo báo cáo từ Tổ chức Hoà Bình Xanh và Hội đồng Năng lượng Tái tạo châu Âu việc đầu tư vào năng lượng xanh tới năm 2030 sẽ giảm một nửa lượng phát thải CO2. Bản báo cáo này cung cấp một luận cứ kinh tế về sự luân chuyển các khoản đầu tư toàn cầu sang năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thuỷ điện, địa nhiệt và năng lượng sinh khối trong hơn nửa thế kỷ tới. 2. Các công nghệ năng lượng mới và tái tạo, ứng dụng của chúng 2.1. Các công nghệ năng lượng mới và tái tạo 2.1.1. Công nghệ năng lượng mặt trời 2.1.1.1. Công nghệ nhiệt mặt trời a. 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 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 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). Hình 1.1. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Các tia bức xạ mặt trời (BXMT) có bước sóng λ < 0,7µm 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 BXMT 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 λ > 0,7µm , 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 BXMT 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”. b. 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%. 4 1 2 3 TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô Tia s¸ng mÆt trêi 1 2 3 4 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 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. 2.1.1.2. Công nghệ điện mặt trời a. 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. b. 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 PMT, 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 PMT sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời tới nó. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si 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 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 PMT hoạt động dựa trên hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện. 2.1.2. Công nghệ thuỷ điện nhỏ 2.1.2.1. Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn 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 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phương pháp này là đắp đập tạo nên độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu (TL - HL). 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 suôid có độ dốc nhỏ. Cột nước toàn phần của trạm thuỷ điện được xác định bằng hiệu mực nước TL và HL. 2.1.2.2. 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. 2.1.2.3. 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. 2.1.3. Công nghệ 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 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. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 g ian 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. 2.1.4. Công nghệ năng lượng sinh khối 2.1.4.1. 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…). 2.1.4.2. 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. 2.1.5. Công nghệ 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 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 thấm nước. Các nguồn đá nóng khô bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao từ 90 0C đến 6500C. 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 nằ m 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. 2.1.6. Công nghệ năng lượng đại dương 2.1.6.1. 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. 2.1.6.2. 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. 2.1.6.3. 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 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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. 2.2. Các ứng dụng 2.2.1. Ứng dụng của năng lượng mặt trời 2.2.1.1. 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 nhiệt mặt trời (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 nóng dần lên. 2.2.1.2. 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. 2.2.1.3. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại 4 1 2 3 5 N­íc nãng ra N­íc l¹nh vµo TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô 1 2 3 Tia s¸ng mÆt trêi èng dÉn n­íc kim lo¹i 4 5 (a) (b) TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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. 2.2.1.4. Nguồn điện PMT nối lưới Dàn PMT gồm nhiều modun PMT 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 PMT phát ra dòng điện một chiều. Dòng điện này được cho qua Bộ biến đổi điện (inveter) để biến đổi thành dòng điện xoay chiều (ví dụ dòng điện 230V, 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 ngân hàng điện năng). Tuy nhiên phương pháp này chỉ ứng dụng được những khu vực có điện lưới. 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 èng ế sưởi 4 5 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.2.2. Ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ 2.2.2.1. Tuabin nước chạy máy phát điện 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. 2.2.2.2. 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. 2.2.3. Ứng dụng của năng lượng gió 2.2.3.1. 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...vv. 2.2.3.2. 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. 2.2.4. Ứng dụng của năng lượng sinh khối TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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. 2.2.5. 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 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. 2.2.6. Ứng dụng của năng lượng đại dương 2.2.6.1. 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 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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. 2.2.6.2. 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. 3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng các nguồn điện từ NLM & TT 3.1. Trên thế giới Quốc gia đầu tiên phát triển ở lĩnh vực NLM & TT phải kể đến là Đức. Tại quốc gia này chủ yếu ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió để phục vụ nhu cầu sử dụng. Hệ thống cung cấp điện đã tương đối ổn định dựa trên một hạ tầng cơ sở tập trung với các nhà máy phát điện lớn và mạng lưới dẫn điện đường dài. Việc cung cấp điện ngày một tăng thông qua các thiết bị dùng năng lượng gió hay quang điện có thể sẽ thay đổi hạ tầng cơ sở này trong thời gian tới. Tại nhật bản đang nghiên cứu và sẽ tung ra thị trường các tế bào năng lượng mặt trời nhỏ hình cầu có thể nhận ánh sáng mặt trời từ mọi hướng với hiệu suất chuyển đổi quang điện cao.Các tế bào này có tên gọi Sphelar, đường kính 1 - 1,5 mm. Sphelar có thể tạo ra năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời trực tiếp hay gián tiếp và có thể thu năng lượng theo bất cứ hướng nào (không nhất thiết phải đối diện TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trực tiếp với mặt trời). Ngoài ứng dụng trong việc tạo năng lượng điện dùng cho sinh hoạt, các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu ứng dụng Sphelar vào trong điện thoại di động. Điện gió đã được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và là một nguồn điện rất có tiềm năng. Tây Ban Nha và Đan Mạch. mỗi năm người ta lại cho xây dựng thêm khoảng 30% số nhà máy điện gió mới đem lại sản lượng 15 tỷ kWh. Hiện Đan Mạch là nước có nhà máy điện gió ven bờ biển lớn nhất thế giới. Hà Lan cũng có trang trại gió lớn, chạy dài 5 km ven biển. Tổ chức đa quốc gia AMEC và Năng lượng Anh tới đây sẽ lắp 300 tuốc bin gió trên các bãi hoang và đầm lầy của mũi đảo phía bắc Scotland. Với vốn đầu tư 500 triệu bảng Anh, dự tính đây sẽ là nhà máy điện gió lớn nhất châu Âu, cho khoảng 1% tổng nhu cầu điện của Anh. Người ta cũng lắp đặt tuốc bin từ suốt phía Tây Ireland đến biển Baltic. Nước Mỹ đã có một số trạm gió đầu tiên tại Bắc Dakota. Chính phủ thuê đất của nhân dân với giá 2.000 USD/năm (bình thường họ thu được 500USD/năm từ nông nghiệp). Điện khí hydro chỉ vài năm nữa sẽ hết sức thông dụng. ở Ireland, từ các năm 70, người ta đã lắp đặt các giàn địa nhiệt để tận dụng tiềm năng to lớn của các núi lửa và suối nước nóng đang hoạt động, nhằm sản xuất điện. Đến nay, họ đã tìm cách tách khí hydro nguyên chất ra khỏi hơi nước để chạy máy. Những thử nghiệm quy mô đầu tiên về loại khí này đã được các hãng Demler Critler, Shell và Liên minh châu Âu tài trợ, khoảng vài chục triệu Euro. Vào năm 2005, tại đây xe buýt, xe hơi, các tàu đánh bắt cá sử dụng nguyên liệu hydro đã được thử nghiệm và thu được kết quả tốt. Trong tương lai sẽ triển khai ứng dụng rộng rãi vào tất cả các phương tiện (khoảng 30 - 40 năm tới). Khí hydro có rất nhiều trên mặt nước các sông hồ, đại dương và sẽ là một nguồn năng lượng vô tận, sạch, không độc, không gây ô nhiễm. 3.2. Tại Việt Nam Về vấn đề này hiện nay ở Việt Nam nói chung vẫn còn khá mới mẻ. Trước đây thì nhà nước chưa quan tâm nhưng 5 năm trở lại đây thì có chuyển biến khá mạnh về nguồn năng lượng tái tạo. Từ đó có chính sách hổ trợ nghiên cứu và đầu tư cho nguồn này. Cũng do thiếu điện nên nay là cơ hội cho năng lượng tái tạo phát TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên triển. Đầu tư nay cũng khá lớn như vay tiền ngân hàng thế giới, Dự án ODA Phần Lan cung cấp điện mặt trời cho khoảng 300 xã miền núi khó khăn, các xã vùng sâu vùng xa. Ngoài ra những dự án dưới 10 triệu đô thì khá nhiều. Việc hợp tác với các Tổ chức Phi chính phủ trong lĩnh vực này cũng nhiều. Hiện nay tại trung tâm Năng Lượng Mới thuộc Đại học Bách khoa Hà nội có nhiều hợp tác trong lĩnh vực này, song song với việc quan hệ hợp tác với các tổ chức này thì trung tâm này còn thường xuyên nghiên cứu và đưa vào lắp đặt nhiều dự án cung cấp điện bằng những nguồn năng lượng tái tạo tại hơn 30 Tỉnh thành trên cả nước chưa có điện lưới quốc gia như: Tỉnh Bắc Giang, Bình Định, Quảng Trị ...vv. Đánh giá chung nhất ở Việt Nam các dạng năng lượng tái tạo hay năng lượng mới đều có. Về nguồn mà nói thì năng lượng mặt trời rất phong phú, rồi gió, năng lượng thủy điện nhỏ, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều, sóng biển, địa nhiệt. Về năng lượng 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 vù ng 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). Năng lượng mặt trời ở nước ta theo đánh giá thì khá nhất là từ Đà Nẵng trở vào. Còn về ứng dụng nhiệt mặt trời ở nước ta mới chủ yếu là để 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. Trữ lượng thì khá lớn, tiềm năng của các nguồn như thủy điện nhỏ rất lớn như khu vực miền núi phía Bắc, phía Tây dọc biên giới Việt Lào. Tính đến nay đã xây dựng 300 trạm loại công suất 100kW với tổng công suất 100MW. Hiện 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 năng lượng tái tạo đối với Việt Nam. Năng lượng sinh khối trong rừng cũng rất lớn , ngoài ra còn hai nguồn năng TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên lượng sinh khối khác là bã mía thì chưa tận dụng hết nguồn hoàn toàn chưa sử dụng là vỏ trấu. 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 á n 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. Khí sinh học tiềm năng cũng lớn vì chăn nuôi hiện nay cũng ở qui mô công nghiệp, trang trại. Khoảng 60 000 hầm khí sinh học có thể tích từ 3 đến 30m3 đã được xây dựng và đang sản xuất khoảng 110 triệu m3 khí/năm, 70% là qui mô gia đình. Năng lượng gió 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. Đã lắp đặt được 1 tua bin 800kW ở đảo Bạch Long Vĩ (năm 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. 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. 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. Năng lượng địa nhiệt của Việt Nam cũng khá nhiều nguồn, có đến 300 nơi có thể khai thác nhưng đến nay chưa có nghiên cứu sâu để khai thác ứng dụng. Năng lượng đại dương gồm nguồn sóng biển, thủy triều và nhiệt đại dương thì cho đến nay ở Việt Nam vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào để khai thác. Tại Los Angeles, California ngày 23-9-2007 Tập đoàn Tài chính EurOrient (“EurOrient”) 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. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP 2.1. Hệ thống điện hỗn hợp và lưới điện mini 2.1.1. Đặt vấn đề Các hệ thống điện hỗn hợp ra đời là kết quả tất yếu do cuộc khủng hoảng dầu lửa và sự nhận thức về môi trường, các hệ thống năng lượng tái tạo (NLTT) đã được triển khai trong các chương trình năng lượng ở nhiều quốc gia trên thé giới. Thuỷ điện nhỏ, mặt trời, sức gió, khí sinh học ...vv là các nguồn năng lượng sạch, tái tạo hiện đang được áp dụng rộng rãi nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng thông qua các phương thức nối trực tiếp với lưới điện, cấp điện độc lập, và các dạng ứng dụng khác như: Bơm nước, thông tin liên lạc, thắp sáng ở các vùng sâu xa chưa có điện lưới quốc gia. Hệ thống điện hỗn hợp (còn gọi là hệ lai ghép) NLTT-Diezen là sự ghép nối giữa nguồn NLTT và máy phát điện Diezen đã và đang được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới với các ưu điểm như: giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm chi phí bảo dưỡng, kéo dài tuổi thọ và giảm tiêu thụ nhiên liệu ...vv. Theo báo cáo mới nhất của Tổng công ty Điện lực Việt Nam số xã chưa có điện lưới chiếm gần 20%, số hộ chưa có điện chiếm tỉ lệ gần 30%. Do có chính sách mới và khuyến khích hoạt động kinh tế ở các vùng nông thôn nên tạo ra nhu cầu dùng điện ngày càng cao và rất cấp thiết. Tuy nhiên ở những vùng nông thôn này lại xa nguồn cấp, phụ tải thay đổi lớn trong ngày dẫn đến chi phí cho việc điện khí hoá rất cao. Hệ thống phát điện Diezen độc lập là giải pháp tỏ ra hữu hiệu, song lại khó khăn và thất thường về nhiên liệu, đặc biệt giá nhiên liệu ngày một tăng. Hơn nữa các nghiên cứu cho thấy hệ thống phát điện lai ghép giữa NLTT và Diezen mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn nguồn phát Diezen độc lập. Những ưu điểm của các hệ thống lai ghép đó là: khai thác tốt hơn nguồn năng lượng tái tạo, can đối tốt hơn với phụ tải, nguồn có khả năng đáp ứng cao hơn, TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với máy phát diezen thuần tuý, hiệu suất nhiên liệu cao, giảm chi phí đầu tư, đáp ứng phụ tải linh hoạt hơn. Còn các nhược điểm của hệ thống lai ghép là: phức tạp hơn trong điều khiển, yêu cầu kỹ thuật cao hơn, bảo dưỡng thường xuyên hơn các hệ sử dụng nguồn năng lượng sử dụng dàn pin mặt trời thuần tuý, cần có trình độ chuyên môn kỹ thuật cao hơn trong việc xử lý những trục trặc, tiếng ồn và ô nhiễm môi trường tăng hơn. 2.1.2. Các loại nguồn điện trong hệ thống điện hỗn hợp và lưới điện mini Đặc trưng cơ bản của hê thống điện hỗn hợp là ở chỗ nó bao gồm một tổ hợp các nguồn điện. Việc kết hợp nhiều nguồn khiến cho hệ linh hoạt hơn so với chỉ dựa vào một nguồn. Ngoài ra dùng nhiều nguồn có thể rẻ hơn dùng một nguồn tái tạo trong một khoảng thời gian trong năm. Sau đây chúng ta đi xem xét những nguồn điện thường được dùng trong hệ thống điện hỗn hợp. 2.1.2.1. Dàn pin mặt trời (Photovoltaic – PV) PV rất thích hợp với những vùng sâu, vùng xa vì nó có độ tin cậy cao và ít đòi hỏi bảo dưỡng. Nhiều phụ tải viễn thông sử dụng PV làm nguồn điện duy nhất và hệ lai ghép là việc phát triển hợp logic của ứng dung PV. Những khó khăn đối với PV là chi phí ban đầu cao và cần diện tích không bị che bóng rộng để lắp đặt. Tuy nhiên ưu điểm của PV là bảo dưỡng ít, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài làm cho nó trở thành một nguồn tái tạo càng ngày càng được dùng phổ biến cho các hệ lai ghép. Nhưng bên cạnh đó nhược điểm của nó là chi phí ban đầu cao, cần diện tích lớn không bị che bóng và nguồn thay đổi theo mùa 2.1.2.2. Máy phát điện dùng động cơ đốt trong Máy phát điện kéo bằng động cơ đốt trong là nguồn theo nhu cầu đơn giản phổ biến nhất. Đây là nguồn có kích thước gọn, giá không đắt lắm. Nguồn nhiên liệu có thể là xăng, diezen, khí thiên nhiên hoặc nguồn tái tạo như khí sinh học, khí sản xuất từ lò khí hoá sinh khối. Ưu điểm của máy phát điện dùng động cơ đốt trong là được sử dụng và ủng hộ rộng rãi, kích thước gọn và chi phí ban đầu thấp. Còn nhược điểm của chúng là cần bảo dưỡng và cung cấp nhiên liệu thường xuyên, gây tiếng ồn và ô nhiễm. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.2.3. Động cơ gió phát điện Năng lượng gió nhạy với tốc độ gió hơn năng lượng mặt trời với bức xạ. Về lý thuyết, năng lượng gió tỷ lệ với luỹ thừa bậc ba của tốc độ gió. Điều này vừa có lợi vừa có hại . Hạn chế là ở chỗ nếu ta dự báo tốc độ gió cao hơn thực tế một chút thì sản lượmg của động cơ gió (ĐCG) sẽ thấp hơn dự báo rất nhiều. Mặt khác, với khí hậu có chế độ gió tốt, sản lượng điện của ĐCG sẽ lớn đến mức các nguồn điện khác không thể cạnh tranh được về kinh tế. Nói chung , nếu tốc độ gió trung bình đạt trên 4 (m/s) thì một ĐCG trong hệ lai ghép sẽ rẻ hơn dàn PV ngay cả ở nơi có bức xạ tốt. Tuy nhiên vì sợ thay đổi mạnh của tốc độ gió theo ngày, theo mùa và theo năm nên vẫn dùng cả ĐCG và PV trong một hệ lai. ĐCG nhạy với địa điểm hơn PV. Tốc độ gió phụ thuộc nhiều vào các yếu tố địa hình như khoảng cách tới các cây, tới đồi núi xung quanh, độ cao đặt động cơ. Vì vậy cần phải đo tốc độ gió tại địa điểm dự tính sẽ lắp đặt ít nhất là một năm trước khi quyết định lắp đặt ĐCG tại đó. Vì năng lượng thu thêm được càng lớn khi càng xa mặt đất nên lắp đặt ĐCG càng cao càng tốt. Tóm lại ĐCG có thể là một nguồn phát điện rất tốt trong một hệ thống lai ghép. Tuy nhiên vì sản lượng điện phụ thuộc nhiều vào tốc độ gió và tốc độ gió lại phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu và địa hình nên cần dánh giá nguồn một cách thận trọng trước khi đầu tư cho ĐCG. Ưu điểm của ĐCG là không cần nhiên liệu và giá thành điện có thể thấp nhất. Còn nhược điểm là đòi hỏi thêm các công tác tại thực địa để lắp đặt, đòi hỏi thêm công tác bảo dưỡng và thường cần thời gian dài để thu thập số liệu. 2.1.2.4. Máy phát thuỷ điện Máy phát thuỷ điện sản xuất điện tương đối liên tục nên là nguồn tái tạo thích hợp với hệ thống điện xoay chiều để cung cấp năng lượng bổ xung cần thiết cho phụ tải thăng giáng hoặc thay đổi theo mùa. Điện lượng do máy phát thuỷ điện phát ra phụ thuộc trực tiếp vào chiều cao cột nước và lưu lượng dòng nước. Vì lưu lượng thay đổi theo mùa nên thiết kế hệ TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thuỷ điện cần đòi hỏi ít nhất một năm số liệu về dòng nước. Tính kinh tế của hệ thuỷ điện phụ thuộc nhiều vào chế độ dòng chảy và vào điều kiện xây dựng công trình và bảo dưỡng tuabin. Ưu điểm của hệ là không cần nhiên liệu, không gây ô nhiễm và giá thành điện năng có thể thấp. Nhược điểm là phụ thuộc vào địa điểm lắp đặt, đòi hỏi thêm công tác xây dựng, thường cần thời gian dài để thu thập số liệu và cần quan tâm bảo dưỡng. 2.1.3. Sơ đồ đấu nối hệ lai ghép Một trong những đặc điểm quan trọng trong việc thiết kế hệ lai ghép là sơ đồ ghép nối. Các hệ lai ghép thường được phân thành hai loại theo cách bố trí “thanh góp”: các hệ thống thanh góp một chiều DC và hệ thống xoay chiều AC. 2.1.3.1. Hệ lai ghép thanh góp DC Trong một hệ lai ghép thanh góp DC, tổ hợp máy phát diezen/bộ chỉnh lưu (rectifier) nạp điện cho acqui. Trung tâm của hệ thống là thanh góp DC, nơi mà acqui, bộ chỉnh lưu và dàn PV được nối với nhau. Hệ thống này là lý tưởng đối với hệ lai sử dụng cho thông tin liên lạc với phụ tải đặc trưng là điện một chiều. DEG Rectifier Battery Bank PV Array DC Loads (+) (-) AC DC Hình 2.1. Hệ lai ghép thanh góp DC: chỉ có phụ tải DC TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dàn PV cấp điện cho phụ tải và nạp acqui khi có bức xạ mặt trời. Máy phát diezen (MPD) chỉ vận hành khi năng lượng của acqui cạn và điện áp sụt xuống mức cần được nạp. Như vậy trong điều kiện bình thường, MPD chỉ chạy để nạp acqui và cung cấp phần năng lượng bổ sung cần thiết để khôi phục trạng thái nạp đầy của acqui. Đôi khi MPD cũng cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải xoay chiều qua một bộ chuyển mạch hoặc thanh góp DC cung cấp điện AC bằng cách đấu thêm một bộ đổi điện (inverter). Hình 2.2. Hệ lai ghép thanh góp DC mở rộng: phụ tải DC và AC hỗn hợp 2.1.3.2. Hệ lai ghép thanh góp AC Hệ lai ghép thanh góp AC là hệ lai ghép , trong đó thanh góp AC là nơi mà máy phát, bộ đổi điện và phụ tải AC nối với nhau. MPD cung cấp điện xoay chiều cho một số hoặc tất cả các phụ tải. Acqui được nạp điện nhờ sử dụng bộ điều phối hai chiều (bi-directional power conditioning unit) làm nhiệm vụ của cả bộ đổi điện (inverter) và bộ chỉnh lưu . Hệ lai ghép thanh góp AC có thể có cả phụ tải một chiều DC, nhưng nói chung thường chỉ có phụ tải xoay chiều AC. DEG Rectifier Battery Bank PV Array DC Loads (+) (-) AC DC Inverter DC AC AC Loads Transfer Switch TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dàn PV có thể cung cấp năng lượng cho acqui tuỳ theo bức xạ mặt trời. MPD có thể cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải AC và nạp điện cho acquy. Bộ điều phối hai chiều có thể cấp điện cho phụ tải AC từ MPD để nạp cho acqui. Một số bộ điều phối hai chiều có khả năng hoạt động theo phương thức “đồng bộ” hoặc song song: cả bộ đổi điện và MPD có thể cùng cung cấp cho phụ tải. 2.1.4. Vận hành hệ thống lai ghép 2.1.4.1.Vận hành hàng ngày Acqui trong hệ lai ghép trải qua các chu kì hoạt động ngắn hơn và mạnh mẽ hơn so với trong các hệ PV thuần tuý. Trong khi acqui trong hệ PV thuần tuý được duy trì ở trạng thái gần như đầy trong giai đoạn dài thì ở hầu hết các hệ lai ghép acqui quay vòng với chu kỳ (nạp, phóng) hai ngày một. Mức độ quay vòng của acqui trong hệ lai ghép sẽ tuỳ thuộc vào năng lượng nạp vào của dàn PV, bộ chỉnh lưu và mức độ tiêu thụ năng lượng của phụ tải. Dàn PV và chỉnh lưu, mỗi hệ cung cấp khoảng một nửa tổng năng lượng của hệ thống. Năng lượng tích trữ ở acqui có thể đủ cho khoảng 1,5 ngày sử dụng. Do đó hệ thống này có mức quay vòng của acqui cao và acqui làm việc khá nặng nề. Ba đường biểu diễn được chỉ ra trên đồ thị, một đường mô tả trạng thái của acqui, một đường chỉ năng lượng được cung cấp từ dàn PV, và một đường chỉ năng lượng cấp DEG Inverter/ Rectifier Battery Bank PV Array DC Loads (+) (-) AC DC AC Loads Hình 2.3. Hệ lai ghép thanh góp AC TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên từ bộ chỉnh lưu. Ở ví dụ này, phụ tải được coi là không đổi. Hình 2.4. Trạng thái các thiết bị trong quá trình vận hành của hệ thống Sơ đồ trên cho thấy acqui ở trạng thái ban đầu được nạp gần đầy. Trong ngày đầu dung lượng của acqui giảm do cung cấp năng lượng cho phụ tải. PV có thể bổ sung, nhưng chỉ được một phần năng lượng. Trong ngày thứ hai, năng lượng từ acqui tiếp tục cấp cho phụ tải và chỉ một phần được bù lại từ dàn PV. Đến cuối ngày thứ hai dung lượng acqui đã giảm tới mức cho phép, buộc bộ chỉnh lưu làm việc vả cung cấp một số lớn năng lượng, đưa acqui đến trạng thái đầy. Khi bộ chỉnh lưu ngừng, acqui vẫn tiếp tục được bổ sung một phần năng lượng. Ở cuối ngày thứ ba dung lượng acqui tiếp tục giảm do phụ tải. Trong ngày thứ tư dung lượng acqui tiếp tục giảm và chỉ một phần được cấp bổ sung từ dàn PV. Trạng thái này tương tự như ngày thứ nhất và hệ thống tiếp tục hoạt động theo chu trình với acqui cuối cùng sẽ đạt điểm thấp nhất khiến MPD phải khởi động. Chu kỳ nạp, phóng chỉ ra ở hình trên là một dạng điển hình của hệ thống lai ghép. Tuy nhiên, các chu kỳ có thể không đồng nhât do một vài yếu tố thay đổi. Cụ thể là: Acqui Ngày 2 Ngày 3 Ngày 4 Dàn PV Máy phát/ Chỉnh lưu Ngày 1 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  Phụ tải có thể thay đổi do nhu cầu năng lượng hàng ngày khác nhau  Acqui có thể ở trạng thái nạp khác nhau ở đầu mỗi ngày  Bức xạ mặt trời có thể thay đổi dẫn đến nhiều hơn hoặc ít hơn năng lượng nạp từ dàn PV  Máy phát có thể được cài sẵn chương trình chạy khác nhau, chẳng hạn như được đặt sẵn để cung cấp năng lượng cho acqui với các chu kỳ giống nhau. 2.1.4.2. Các yếu tố đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ lai ghép Hiệu quả hàng năm của một hệ lai ghép được đo bởi các yếu tố sau:  Tổng sản lượng điện năng  Phàn đóng góp (%) của mỗi nguồn  Số chu kỳ phóng nạp của acqui  Số giờ chạy MPD  Số lần khởi động MPD  Tiêu thụ nhiên liệu của MPD Mỗi yếu tố trên được xác định bởi kích cỡ của các phần tử của hệ thống. Dưới đây là một số điều hướng dẫn tổng quát cho hầu hết hệ lai ghép: - Kích cỡ của acqui: Có ảnh hưởng tới chu kỳ phóng nạp đã trải qua của nó. Acqui càng nhỏ thì nó sẽ phóng, nạp càng thường xuyên hơn. - Kích cỡ của máy phát điện/bộ chỉnh lưu: Chủ yếu xác định thời gian máy phát sẽ chạy trong mỗi chu kỳ nạp. Nó không ảnh hưởng tới tổng năng lượng do MPD cung cấp. Vì vậy để giữ số giờ chạy hàng năm thấp nên chọn MPD tương đối lớn. - Kích cỡ của dàn pin mặt trời: Xác định tổng năng lượng do nó cung cấp hàng năm. Rõ ràng dàn pin càng lớn thì năng lượng do nó sản ra càng nhiều. - Kích cỡ của bộ đổi điện: Trong hệ thanh góp DC, kích cỡ của bộ đổi điện không ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả hoạt động hàng năm. Trong hệ thanh góp AC, kích cỡ của bộ đổi điện hai chiều có ảnh hưởng tới thời gian chạy MPD tương tự kích cỡ của bộ chỉnh lưu. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.4.3. Các vai trò khác nhau của máy phát điện MPD thường được đưa vào hệ lai và được sử dụng theo vài cách khác nhau. MPD có thể vận hành theo 4 phương thức như sau: - Nguồn cấp điện chính: MPD chạy bất cứ khi nào phụ tải cần điện. Trong một số trường hợp, MPD chạy liên tục quanh năm. - Nguồn cấp điện dự phòng: Một nguồn khác là nguồn cấp điện chính cho phụ tải. MPĐ thỉnh thoảng mới chạy để đáp ứng phụ tải vượt trội - Nguồn cấp điện để nạp theo chu kỳ: Một hệ thống nạ theo chu kỳ thuần tuý chỉ có MPD, acqui và bộ nạp acqui. MPD cung cấp toàn bộ năng lượng nhưng nó chỉ chạy khi acqui cần nạp lại. - Nguồn cấp điện khẩn cấp: MPD không chạy trong những tình huống thường. Trong một số hệ thống, máy phát khẩn cấp được điều khiển bằng thao tác thủ công. 2.2. Các ứng dụng của hệ thống điện hỗn hợp Các hệ thống điện hỗn hợp (hệ thống lai ghép) nói chung thường sử dụng các phụ tải lớn hơn so với các hệ thống NLTT độc lập. Các nguồn diezen trong các hệ thống lai ghép là các nguồn phát điện tin cậy và có thể bù công suất cho các nguồn phát năng lượng tái tạo trong điều kiện thiếu nguồn. Vì thế với cùng cỡ công suất thì các nguồn phát NLTT trong hệ lai ghép có thể đáp ứng được nhu cầu phụ tải lớn hơn. Đối với những hệ thống nhỏ, chi phí máy phát diezen và các thiết bị điều khiển cần có thêm sẽ làm giảm các ưu điểm về kinh tế của hệ lai. Với đặc tính linh hoạt, mềm dẻo vốn có, hệ thống phát điện lai ghép cũng có thể sử dụng được trong trường hợp phụ tải biến đổi lớn trong ngày. Hệ lai ghép rất phù hợp với những trường hợp phụ tải cơ sở mang tải đỉnh cao trong một thời gian hạn chế. Theo kết quả phân tích về giới hạn phụ tải điển hình của Phòng thí nghiệm quốc gia về Năng lượng tái tạo (National Renewable Energy Laboratory (NREL) - Mỹ) khi sử dụng mô hình máy tính HOMER cho ta giới hạn ứng dụng của các hệ lai ghép được mô tả bởi hình 2.5 sau đây: TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.5. Giới hạn ứng dụng của các hệ lai ghép Hiện có hàng ngàn hệ thống phát điện lai ghép đang được sử dụng với quy mô từ vài trăm W đến vài trăm kW. Ngược lại, nếu phụ tải nằm trong phạm vi này, không có nghĩa là việc sử dụng hệ thống điện lai ghép là một giải pháp đúng. Còn nhiều yếu tố khác cần được xem xét như: khả năng đưa vào các nguồn năng lượng thay thế khác, khả năng hỗ trợ về kỹ thuật, tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo và yêu càu của người sử dụng. Chẳng hạn có thể tiếp cận được nguồn điện lưới quốc gia dễ dàng, thì khó có thể đưa hệ thống lai ghép vào sử dụng nếu chỉ căn cứ riêng vào cỡ phụ tải. Việc phát triển và nghiên cứu về các hệ thống lai ghép mới bắt đầu gần đây, và hầu hết các nghiên cứu bắt đầu thực hiện từ cuối thập kỷ 80. Có hai ứng dụng chính cho các hệ lai ghép là thông tin liên lạc và điện khí hoá nông thôn. 2.2.1. Trên thế giới 2.2.1.1. Thông tin liên lạc 8 7 6 5 4 3 2 0 50 100 150 200 250 Tải trung bình ngày (kWh) Tố c đ ộ g ió tr un g bì nh (m /s ) Gió Gió-PV-Diezen Gió-Diezen Diezen PV-Diezen G ió - PV TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thông tin liên lạc là nơi ứng dụng cho các hệ lai ghép vì nhiều lý do. Hầu hết các phụ tải thông tin liên lạc đều tương đối lớn và việc sử dụng hệ lai ghép có thể giảm được chi phí ban đầu khi phải tăng số dàn PV (để có “khả năng đáp ứng” cao) bằng việc thay thế động cơ diezen với giá thành rẻ hơn và chỉ vận hành khi mà không đủ bức xạ mặt trời. Các công ty thông tin thường có kinh nghiệm sử dụng động cơ diezen và dàn PV và các thợ kỹ thuật có thể thực hiện các công việc lắp ráp, bảo dưỡng dễ dàng khi qua huấn luyện. Việc sử dụng các hệ lai ghép cho thông tin liên lạc, nơi đòi hỏi độ tin cậy cao trong cấp điện, đã có từ nhiều năm. Theo công ty Pháp, các hệ lai ghép có thể phát huy được ưu thế đối với các trạm thông tin liên lạc với phụ tải từ 500 (W) trở lên. Tiếp theo sự áp dụng thành công của một hệ thống ở Alps, công ty thông tin Pháp đã được lắp dựng một hệ thống lai ghép khác với cùng một diện tích dàn thu. Hệ thống lai ghép McPherson Peak có quy mô lớn, đã được áp dụng cho thông tin liên lạc ở Mỹ. Hệ thống này được lắp đặt tại Santa Barbana, California với công suất dàn PV là 11 (KWp), dung lượng acqui 200 (KWh) và công suất máy phát diezen 4,8 (KW) để cấp điện cho phụ tải 70 (KWh). 2.2.1.2. Điện khí hoá nông thôn Hệ thống phát điện lai ghép cũng có thể sử dụng cho các công trình điện khí hoá nông thôn. Các biểu đồ phụ tải nông thôn thường phù hợp với hệ lai ghép do phụ tải đỉnh thường xảy ra trong một vài giờ vào buổi tối, còn phụ tải vào các giờ khác thường thấp hơn vài giờ hoặc hơn. Vì thế hiệu quả sử dụng nhiên liệu sẽ giảm nếu chỉ sử dụng diezen. Một công trình phát điện lai ghép giữa PV và diezen đã được nghiên cứu và xây dựng năm 1997 để cung cấp điện cho 250 hộ gia đình ở hòn đảo Miyako ở Nhật Bản với công suất dàn PV là 750 (KWp) được hỗ trợ bởi 300 (KW) công suất máy phát điện diezen. Cho đến năm 1997, đây là công trình lớn nhất Nhật Bản. Một hệ thống lai ghép PV – diezen Pulau Pemangil đã được xây dựng trong vài năm gần đây với công suất dàn PV là 7,2 (KWp) và 26 (KW) công suất máy TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên phát diezen nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải 16 (KWh)/ngày cho một làng trên hòn đảo nhỏ ven biển ở Malaysia. Ở Thái Lan một hệ thống lai ghép với 12 (KWp) dàn PV và 56 (KW) công suất máy phát diezen được lắp đặt từ năm 1997 để điện khí hoá cho 250 hộ gia đình ở đảo Kokut thuộc tỉnh Trat. 2.2.2. Ở Việt Nam Tháng 9 năm 1999 đã hoàn thành một trạm phát điện lai ghép giữa phin mặt trời và thuỷ điện nhỏ công suất 125 (KW) , trong đó phin mặt trời là (KW) . Dự án được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai. Vốn đầu tư do tổ chức NEDO - Nhật Bản tài trợ ( Tổng công ty điện lực Việt Nam đóng góp phần xây dựng lưới điện hạ thế). Trong tháng 11 năm 2000, một trạm lai ghép PV- ĐCG mới được khánh thành. Dự án do công ty TUHUKU của Nhật Bản tài trợ. Viện năng lượng chịu trách nhiệm về kỹ thuật xây dựng và lắp đặt. Trạm phát điện gồm hệ PV công suất 7 (KWp) và ĐCG công suất 1,8 (KW), cấp điện xoay chiều 220 (V) phục vụ sinh hoạt cho 40 hộ gia đình làng Kongu, xã Ngọc Vàng, huyện Dak Hà, tỉnh Kon Tum. Trạm hoạt động hoàn toàn tự động, không cần người vận hành, đóng ngắt điện theo chế độ định giờ. 2.3. Những ưu nhược điểm của hệ thống điện hỗn hợp 2.3.1. Ưu điểm của hệ thống điện lai ghép Các hệ thống này có một số ưu điểm so với các hệ thống phát điện năng dùng lượng tái tạo độc lập như sau: 2.3.1.1. Khai thác tốt hơn nguồn NLTT Các hệ thống sử dụng nguồn NLTT độc lập thường được thiết kế ở các điều kiện bất lợi nhất. Đó là do nguồn NLTT thay đổi thất thường nên hệ thống phải được thiết kế sao cho nhu cầu phụ tải vẫn có thể được đáp ứng khi năng lượng sản ra ở mức tối thiểu. Do vậy ở các điều kiện bình thường hoặc tốt hơn sẽ xảy ra tình trạng công suất nguồn lớn hơn nhu cầu phụ tải, năng lượng sản ra ở thời điểm công suất phụ tải đỉnh sẽ không được sử dụng và bị lãng phí. Trái lại hệ thống lai ghép được thiết kế ở điều kiện trung bình theo năm nên TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên sẽ khai thác tốt hơn nguồn NLTT. Do đó, một hệ thống lai ghép được thiết kế hợp lý có công suất các thiết bị nhỏ hơn và sẽ giảm bớt lãng phí năng lượng. 2.3.1.2. Cân đối tốt hơn với phụ tải Một ưu điểm khác của hệ lai ghép là khả năng cân đối tốt hơn giữa cung với cầu. Đối với một khu vực nông thôn, nhu cầu phụ tải đỉnh thường xảy ra vào các giờ cao điểm buổi tối, chủ yếu phục vụ nhu cầu thắp sáng và sinh hoạt. Điều này tạo cho ta hướng thiết kế và vận hành hệ thống hợp lý bằng cách đáp ứng nhu cầu phụ tải ở phần lớn thời gian trong ngày sử dụng nguồn NLTT và sau đó tăng công suất phát vào các giờ cao điểm khi chạy thêm cả máy phát điện Ngoài ra quy mô phụ tải cũng có thể cho thấy rằng sử dụng hệ lai sẽ mang lại hiệu quả. Những phụ tải lớn đòi hỏi dòng điện có cường độ và điện áp cao hơn. Trong trường hợp này, sẽ là rất đắt nếu chỉ sử dụng hệ thống phát điện độc lập bằng các nguồn NLTT. Đối với một thôn hoặc làng thường có nhiều loại thiết bị mang tải khác nhau, có thể thích hợp với các nguồn khác nhau. Thay cho việc cố gắng cung cấp cho tất cả các phụ tải bằng một nguồn điện duy nhất, hệ thống lai ghép (Hybrid System) có thể cung cấp cho mỗi phụ tải bằng một nguồn thích hợp. Ví dụ hệ PV rất thích hợp cho việc bơm nước phục vụ sinh hoạt và nông nghiệp và trong những thời kỳ nóng và khô, năng lượng mặt trời lại thường tốt nhất. Một số phụ tải khác lại phù hợp với máy phát điện diezen như: những thiết bị có dòng khởi động cao có thể hoạt động tốt với máy phát diezen (máy làm đá) vì máy này có máy nén cần dòng khởi động lớn. Phụ tải 3 pha là những phụ tải điển hình phải hoạt động với máy phát diezen. 2.3.1.3. Nguồn có khả năng đáp ứng cao hơn Với hệ PV độc lập thông thường, luôn xảy ra trường hợp năng lượng không đủ đáp ứng nhu cầu phụ tải. Đó là do năng lượng thu được luôn theo một mẫu thống kê nhất định, và luôn có khả năng trong một khoảng thời gian dài nguồn năng lượng mặt trời rất yếu hoặc thậm chí kà không có. Khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải của hệ PV thuần tuý ở các điều kiện như vậy gọi là “khả năng đáp ứng”. Một hệ PV cần thương mại dùng cho thông tin liên lạc cần đạt được “khả năng đáp ứng” cao hơn TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ghép thêm nhiều dàn PV hơn và như vậy sẽ rất tốn kém. Một hệ thống lai ghép với nguồn phát “theo nhu cầu” có thể tránh được vấn đề trên do máy phát diezen sẽ chạy trong thời gian khó khăn đó. 2.3.1.4. Chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với hệ chỉ có máy phát diezen Chi phí bảo dưỡng máy phát diezen tỉ lệ với thời gian vận hành. Vì thế động cơ diezen chạy trong hệ lai ghép chạy chỉ khoảng 1/3 đến 1/2 so với hệ chỉ chạy máy phát diezen, do vậy chỉ mất nửa chi phí bảo dưỡng. Đối với máy phát diezen thuần tuý, hệ số phụ tải thường rất thấp (50% hoặc thấp hơn). Điều này gây nên một số vấn đề và làm tăng đáng kể chi phí vận hành. Đối với hệ lai ghép, động cơ diezen thường vận hành trong thời gian phụ tải đỉnh hoặc nạp ăcquy vì hệ số phụ tải cao hơn và giảm chi phí vận hành so với máy phát diezen thuần tuý. 2.3.1.5. Hiệu suất nhiên liệu cao Ngoài các vấn đề về vận hành do hệ số phụ tải thấp, việc vận hành máy phát diezen khi non tải còn dẫn đến hiệu suất sử dụng nhiên liệu giảm thấp. Khi vận hành đầy tải một động cơ sử dụng 100% suất tiêu hao nhiên liệu, còn khi mang 10% tải nó vẫn cần tới 50% suất tiêu thụ nhiên liệu. Vì thế năng lượng sản ra khi tiêu hao 1 lít nhiên liệu sẽ thấp hơn. Trong hệ lai ghép, đóng tải cho máy phát có thể được khống chế có hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn. 2.3.1.6. Giảm chi phí đầu tư Các hệ PV thuần tuý đòi hỏi chi phí về bảo dưỡng thấp nhưng chi phí đầu tư lại cao. Còn máy phát diezen thì ngược lại, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng tăng và chi phí đầu tư thấp. Đối với hệ lai ghép, chi phí ban đầu sẽ thấp hơn các hệ PV độc lập và sử dụng nhiên liệu cũng ít hơn hệ chỉ dùng máy phát diezen. 2.3.1.7. Đáp ứng phụ tải linh hoạt hơn Máy phát diezen có thể cung cấp bổ sung năng lượng bằng cách đơn giản là kéo dài thời gian vận hành, nhờ vậy mà hệ lai ghép sẽ dễ dàng chấp nhận sự tăng TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên của phụ tải. Các hệ PV độc lập không thể đối phó được khi phụ tải tăng nhiều so với thiết kế và biện pháp duy nhất để gải quyết vấn đề này là tăng cỡ dàn lớn hơn phụ tải ban đầu. Tương tự như vậy, máy phát diezen độc lập cũng không dễ dàng chấp nhận điều này và cũng chỉ có cách chọn lại cỡ máy theo phụ tải thực tế và hạn chế không cho phụ tải tăng, hoặc chọn cỡ máy lớn hơn và cho chạy non tải ở giai đoạn đầu. 2.3.2. Những nhược điểm của hệ thống lai ghép Cũng như các hệ thống kỹ thuật khác, hệ thống điện lai ghép cũng có một số các nhược điểm nhất định sau đây: 2.3.2.1. Phức tạp hơn trong điều khiển Việc sử dụng kết hợp các nguồn phát điện với nhau dẫn đến sự phức tạp hơn trong điều khiển. Ngoài việc vận hành riêng rẽ, hệ điều khiển cũng cần phải cho phép có sự tương hỗ và phối hợp vận hành giữa các nguồn. Tuy nhiên, với sự phát triển của bộ vi xử lý, việc điều khiển và vận hành hệ thống sẽ bớt phức tạp hơn. 2.3.2.2. Yêu cầu kỹ thuật cao hơn Các hệ lai ghép phức tạp hơn các hệ PV và diezen độc lập về mặt thiết kế. Do vậy việc chế tạo và xây dựng đòi hỏi phải có kiến thức rộng về các thiết bị cũng như khả năng lắp giáp, vận hành. 2.3.2.3. Bảo dưỡng thường xuyên hơn các hệ PV thuần tuý Tuy các hệ lai ghép yêu cầu ít bảo dưỡng hơn hệ diezen thuần tuý, nhưng nó đòi hỏi bảo dưỡng nhiều hơn hệ PV thuần tuý. Việc bảo dưỡng là yêu cầu cơ bản để duy trì vận hành của hệ thống. Do ăcquy làm việc ở chế độ khắc nghiệt hơn nên việc duy trì, vận hành là rất cần thiết. Việc thêm máy phát diezen vào hệ thống lai ghép cũng làm tăng thêm các công việc về chuyên môn và bảo dưỡng cho các thợ kỹ thuật. 2.3.2.4. Cần có trình độ chuyên môn kỹ thuật cao hơn trong việc xử lý những sự cố Các sự cố đối với hệ lai ghép đòi hỏi cán bộ cần có chuyên môn cao trong việc kiểm tra, xử lý. Điều này có thể là khó khăn đối với địa phương, nơi không có TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên các cán bộ lành nghề. Vì thế việc huấn luyện kỹ thuật viên cũng như các vấn đề về bảo dưỡng, các dịch vụ khác là rất cần thiết và phải chuẩn bị trước khi lắp đặt. 2.3.2.5. Gây tiếng ồn và tăng ô nhiễm môi trường Hệ PV thuần tuý tạo ra điện năng không gây ồn và ô nhiễm môi trường. Việc đưa thêm vào hệ lai ghép máy phát diezen sẽ thải ra khí CO2 và các khí phát thải không mong muốn khác. Ngoài ra tiếng ồn từ động cơ diezen có thể gây khó chịu đối với khu vực dân cư xung quanh. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG III LỰA CHỌN ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN HỖN HỢP 3.1. Đặt vấn đề Để đưa ra được các tiêu chí lựa chọn địa điểm xây dựng hệ thống điện hỗn hợp sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo (NLM & TT) trước tiên cần điều tra, khảo sát địa điểm định xây dựng dự án, trong đó việc điều tra các nguồn năng lượng địa phương, thu thập các số liệu về các nguồn năng lượng cũng như các số liệu khí tượng thủy văn liên quan khu vực lân cận là việc làm không thể thiếu. Bên cạnh đó cũng cần điều tra, khảo sát hiện trạng kinh tế - xã hội của các hộ trên địa bàn. Thu thập sử lý các số liệu cơ sở như: số liệu về năng lượng gió, năng lượng mặt trời khu vực xung quanh vị trí được lựa chọn để xây dựng dự án (Các nguồn NLM & TT có thể tra trong sổ tay và năng lượng mặt trời, năng lượng gió của Viện Khí tượng thủy văn). Các số liệu khí tượng thủy văn khu vực lân cận cũng cần được thu thập, rồi bản đồ địa hình của khu vực xây dựng hệ thống, giá xây dựng trên địa bàn tại thời điểm xây dựng, giá các thiết bị trong hệ thống cũng như các thiết bị điện và thiết bị truyền tải khác. Ngoài ra cần đánh giá tốc độ tăng trưởng tiêu thụ điện ở các khu vực nông thôn vừa mới được điện khí hoá (có thể lấy thông tin từ ngân hàng thế giới hoặc ngân hàng phát triển Châu Á) Tiếp theo là đi đánh giá nhu cầu điện trong tương lai, phân tích nguồn cung cấp điện hiện tại, xác định nhu cầu tiêu dùng điện điển hình đối với các loại hộ sử dụng điện năng và phân bố công suất tải cho sinh hoạt, xác định nhu cầu tiêu dùng điện cho dịch vụ công cộng và cho sản xuất nông lâm nghiệp,... Dự báo nhu cầu điện năng và công suất đỉnh cho sinh hoạt, sản xuất, dịch vụ và phục vụ công cộng khu vực trong 20 năm tới, điều kiện kinh tế và khả năng chi trả tiền điện của các hộ. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ những đặc điểm trên và căn cứ vào tình hình thực tế của cụm dân cư Đầm Báy nằm ở đảo Hòn Tre thuộc Khu bảo tồn biển Vịnh Nha Trang tỉnh Khánh Hoà thì thấy rằng đây là địa điểm có thể lựa chọn để xây dựng dự án về hệ thống điện hỗn hợp sử dụng nguồn năng lượng mặt trời – diezen. 3.2. Mô tả địa điểm lựa chọn xây dựng 3.2.1. Những đặc điểm về địa lý Đảo Hòn Tre có diện tích 3600 ha, phần lớn là rừng và núi đá, chỉ có một số khu vực có dân sinh sống như: Vũng Me, Vũng Ngán, Đầm Báy, Bích Đầm. Dân số tổng số trên đảo hiện nay là 355 hộ gia đình, bình quân có 5 người sống trong một hộ (trong đó Vũng Me: 45 hộ, Vũng Ngán: 94 hộ, Đầm Báy: 40 hộ và Bích Đầm là 176 hộ). Đầm Báy nằm ở đảo Hòn Tre với 12012’ độ vĩ Bắc, 109018’ độ kinh Đông thuộc khu vực nhiệt đới, nhưng ít mưa và mùa khô kéo dài. Nhiệt độ trung bình năm khoảng 25 - 26oC và độ ẩm ở mức trung bình 85%. 3.2.2. Điều kiện về kinh tế và xã hội Hoạt động kinh tế chính của cư dân đảo Hòn Tre là đánh bắt cá và hải sản. Việc đánh bắt cá và hải sản có thể suốt cả năm ở khu vực biển gần bờ. Người ta thường dùng các thuyền nhỏ (công suất 9 -20kW) và đánh bắt 4 - 5 giờ trong 1 ngày (vào ban đêm). Sản xuất nông nghiệp chủ yếu ở Đầm Báy là trồng lúa và chăn nuôi gia súc, gia cầm. Có một vài hộ làm dịch vụ chế biến cá và hải sản. Hiện tại chưa có một cơ sở tiểu thủ công nghiệp nào. Tiềm năng phát triển kinh tế, xã hội của đảo là phát triển xây dựng các cơ sở chế biến hải sản, bảo tồn sinh vật biển Thu nhập bình quân của dân cư trên đảo khoảng 3,5 đến 4,0 triệu đồng/người một năm. Khó khăn chính cho sự phá t triển kinh tế - xã hội là diện tích đất nông nghiệp quá ít, nguồn cá và hải sản không ổn định và ngày càng khan hiếm, thiếu nước sinh hoạt trong mùa hè, thiếu đường đi lại. Phần lớn các nhu cầu tối thiểu TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trong gia đình như gạo, rau quả, thực phẩm và nhiê n liệu (than, dầu, khí đốt) đều được cung cấp từ đất liền. 3.2.3. Đầm Báy Đầm Báy là một cụm dân cư nhỏ nhất trong số các khu vực có dân sinh sống, nằm tách biệt với các vùng còn lại của đảo Hòn Tre. Được nằm trên một dải đất bãi ở phía Tây Nam của đảo Hòn Tre, cách khu trung tâm du lịch VINPEARL khoảng 25km theo đường chim bay. Chiều dài của đầm là 870m và chiều ngang nơi rộng nhất là 335m. Hiện nay số gia đình trong đầm sinh sống là 40 hộ. Nghề sinh sống chính của dân cư là đánh bắt cá (khoảng 10 tháng t rong một năm). Có 5 hộ làm thêm dịch vụ nhỏ (như bán hàng tạp hóa, ăn uống ). So với các khu vực có dân sinh sống còn lại của đảo thì Đầm Báy phát triển vào loại trung bình khá. Thu nhập bình quân là 380 000đ/người/tháng, trong khi thu nhập bình quân tr ên đảo khoảng 350 000đ/người/tháng. 3.2.4. Hiện trạng cung cấp điện ở cụm dân cư Đầm Báy Hiện tại các hộ gia đình sử dụng điện chủ yếu từ nguồn phát diezen công suất nhỏ do một số gia đình có tiền đầu tư, quản lý và cấp điện cho một số hộ lân cận. Máy phát diezen chỉ phát 4 - 5 tiếng một ngày từ khoảng 6 giờ tối đến 11 giờ đêm. Riêng Vũng Ngán sử dụng điện từ máy phát diezen do Điện lực Khánh Hoà. Bích Đầm đang được Uỷ ban nhân dân tỉnh giao Thành Phố nghiên cứu phương án cấp điện tập trung từ nguồn diezen. Cụm Vũng Me trong tương lai sẽ sử dụng điện từ Khu du lịch VINPEARL, còn lại cụm dân cư Đầm Báy hiện nay cũng chưa có phương án cấp điện tập trung. Đây cũng chính là một lý do nữa để lựa chọn Đầm Báy là nơi nghiên cứu và tính toán các phương án cấp điện. Kết quả điều tra khảo sát cho thấy, đối với Đầm Báy, vì không có các máy phát diezen công suất trung bình và lớn, mặt khác công suất phát lại nhỏ hơn rất nhiều công suất tiêu thụ thực tế (phát 3,5kW so với công suất máy 12 kW) nên lượng dầu tiêu hao khá lớn, 0,8 lít/kWh (Theo số liệu các hộ có máy phát diezen ghi TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên chép năm 2007). Giá dầu ở đảo hiện nay là 17500đ/lít. Vì vậy giá thực tế của điện năng ở Đầm Báy là khoảng 14000đ/kWh. Các hộ phải trả toàn bộ số tiền này vì không có sự bù cấp của huyện hay tỉnh. Phần lớn điện năng được sử dụng chủ yếu cho mục đích chiếu sáng dùng cho sinh hoạt và bơm nước. Một vài hộ kinh doanh dịch vụ nhỏ sắm máy phát điện riêng, công suất 2 - 3 kW. Để quản lý việc tiêu thụ điện các hộ có máy phát đã yêu cầu các hộ mua điện đầu tư công tơ, nộp kinh phí bảo dưỡng, sửa chữa và vận hành các máy phát, hàng tháng ghi số điện các hộ tiêu thụ điện và thu tiền điện (qua công tơ điện lắp đặt tại các hộ). 3.2.5. Tiềm năng các nguồn năng lượng của địa phương Các nguồn năng lượng địa phương ở đảo Hòn Tre qua điều tra khảo sát chỉ có sinh khối, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và thuỷ điện nhỏ.  Sinh khối: Đối với một cụm dân cư nhỏ gồm 40 hộ như Đầm Báy thì khả năng phát điện dùng sinh khối có thể tính đến. Tuy nhiên đối với trường hợp đặc biệt của đảo Hòn Tre thì khả năng này là không thể có vì các lý do sau: - Đảo Hòn Tre thuộc khu bảo tồn biển VỊnh Nha Trang, vì vậy việc khai thác sinh khối là bị cấm. - Lượng sinh khối ở đảo cũng không lớn. Đảo chỉ có diện tích tổng thể là 3600ha, trong đó hơn nửa diện tích là vùng ngập nước.  Năng lượng gió: Cho đến nay chưa có số liệu về NLG ở khu vực Đảo. Tại thời điểm này chưa thể nói gì về khả năng ứng dụng, khai thác NLG cho phát điện. Ngoài ra, số liệu đo gió ở trạm khí tượng thủy văn Khánh Hoà (cách Hòn Tre khoảng 40km) ở độ cao 10 - 12m cho thấy tốc độ gió rất thấp, trung bình năm chỉ là 2,8m/s (thời gian đo từ năm 1988 đến năm 1998) (theo số liệu của Viện khí tượng thuỷ văn tỉnh). Tuy nhiên, nếu trong tương lai, số liệu NLG đo ở độ cao 30 - 40m cho thấy có thể khai thác được NLG hiệu quả thì có thể sử dụng nguồn năng TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên lượng này để phát điện cung cấp cho Hòn Tre.  Năng lượng mặt trời: Đảo Hòn Tre thuộc khu vực có năng lượng mặt trời (NLMT) cao nhất ở Việt Nam, vì vậy việc khai thác, ứng dụng nguồn năng lượng này sẽ rất có hiệu quả. Cho đến nay chưa có trạm khí tượng thủy văn nào đặt trực tiếp trên đảo. Để đánh giá NLMT trên đảo các số liệu về bức xạ mặt trời ở các trạm khí tượng thủy văn ở các khu vực lân cận Hòn Tre đã được thu thập, đặc biệt theo nguồn COWI – Study Report No 5A – June 1999 số liệu về bức xạ mặt trời trung bình tại Nha Trang có thể sử dụng để đánh giá và tính toán. Số liệu được cho trong bảng 3.1. Như số liệu ghi trong bảng 3.1, bức xạ mặt trời trung bình ngày của khu vực này là 5,30 kWh/m2/ngày. Do đó NLMT trung bình năm sẽ là 1908 kWh/m2/năm. Bảng 3.1. Bức xạ mặt trời trung bình tại Nha Trang ( theo nguồn COWI – Study Report No 5A – June 1999) Hình 3.1. Bức xạ mặt trời trung bình ngày trong tháng trên bề mặt nằm ngang Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 kWh/m2/ngày 4,67 5,16 5,86 5,73 5,43 6,00 5,49 5,73 5,93 5,08 4,36 4,20 0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 kWh/m2/ngày Tháng TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các số liệu này sẽ được dùng để thiết kế hệ thống điện ở Đầm Báy. Với giá trị NLMT khá cao ở khu vực đảo Hòn Tre sự ứng dụng công nghệ điện mặt trời sẽ khá hiệu quả. Tuy nhiên, trong các tháng 1, 11 và 12 bức xạ mặt trời kém hơn một ít so với mức trung bình cả năm là 5,30 kWh/m2/ngày.  Thủy năng: Có vài suối nhỏ ở Đảo Hòn Tre nhưng chỉ có nước vào mùa mưa, từ tháng 4 đến tháng 8. Trong các thời gian khác trong năm các suối này bị khô cạn. Tóm lại, hiện nay nguồn năng lượng duy nhất có thể khai thác để phát điện ở Đảo Hòn Tre là nguồn năng lượng mặt trời. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG IV THIẾT KẾ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG 4.1. Nhu cầu điện năng hiện tại và dự báo trong tương lai 4.1.1. Hiện trạng cung cấp điện ở đảo Hòn Tre Một phần của hiện trạng cung cấp điện ở Đầm Báy đã được trình bày trong mục 3.2.3 ở trên. Điện của cụm dân cư được cung cấp có công suất nhỏ nhờ các máy phát chạy bằng diezen của một vài hộ tự đầu tư. Năm 2007 điện năng tiêu thụ trung bình trên mỗi hộ trong khoảng 0,25kW/ngày. Do máy phát tiêu hao nhiên liệu trên một đơn vị điện năng rất lớn nên lượng dầu tiêu hao khá lớn, 0,8 lít/kWh (Theo số liệu các hộ có máy phát diezen ghi chép năm 2007). Giá dầu ở đảo hiện nay là 17500đ/lít. Vì vậy giá thực tế của điện năng ở Hòn Tre là khoảng 14000đ/kWh. Các hộ phải trả trả toàn bộ số tiền này vì không có sự bù cấp. Ngoài ra các hộ tiêu thụ điện phải nộp kinh phí để sửa chữa, bảo dưỡng các máy phát và đường dây cung cấp điện. Do vậy hàng tháng trung bình mỗi hộ chỉ phải trả từ 70 000 đến 80 000 VND tiền điện. Phần lớn điện năng được sử dụng cho sinh hoạt trong gia đình như chiếu sáng, tivi, quạt mát, v.v... Hàng ngày điện chỉ được phát 4 - 5 tiếng một ngày từ khoảng 6 giờ tối đến 11 giờ đêm. Hàng tháng các hộ tiêu thụ điện sẽ nộp tiền điện và kinh phí bảo dưỡng, sửa chữa máy phát cho các hộ bán điện. 4.1.2. Tính toán nhu cầu sử dụng điện năm 2008 Dự báo nhu cầu điện trong tương lai là một trong các nội dung rất quan trọng trong xây dựng, thiết kế dự án hệ thống cung cấp điện ngoài lưới. Có 2 thông số chính cần xác định, đó là nhu cầu điện hàng năm và công suất đỉnh. Sự dự báo nhu cầu điện cũng rất cần thiết cho việc lập đường cong phụ tải hàng ngày, đường cong này sẽ cho các thông tin cần thiết để thiết kế và vận hành hệ thống điện. TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Việc dự báo nhu cầu điện ở Đầm Báy được chia ra làm 2 nhóm theo mục đích sử dụng điện. Đó là: Sử dụng điện cho các thiết bị gia dụng và điện cho các thiết bị phi gia dụng. Nhu cầu về công suất cũng như điện năng được dự báo cho năm thứ nhất 2008, với các giả thiết rằng, tất cả các hộ trong thôn đều được nối vào lưới điện. Số liệu tính toán nhu cầu sử dụng điện của năm 2008 được xem là số liệu cơ sở. 4.1.2.1. Điện sử dụng cho các thiết bị gia dụng Các thiết bị sử dụng điện trong hộ gia đình gồm có: Bóng đèn, tivi và quạt mát. Dự báo cho nhu cầu điện về lĩnh vực này được thực hiện dựa trên các số liệu điều tra khảo sát thực tế ở Đầm Báy và Hòn Tre thực hiện năm 2007 (Nhu cầu tại các hộ sử dụng diezen với công suất trung bình mmõi hộ là 180W). Ngoài ra, số liệu và các kinh nghiệm có được từ các dự án điện khí hóa nông thôn các khu vực khác ở Việt Nam cũng được xem xét, tham khảo. Điều rõ ràng là, đối với khu vực nông thôn xa xôi và biệt lập như Đầm Báy, thì hiện nay tiêu thụ điện cho các thiết bị gia dụng là phần chính trong tiêu thụ điện ở nông thôn. Thời gian cao điểm cần công suất phát lớn nhất ở trong khoảng 18 giờ tối đến 21 giờ đêm hàng ngày. Để dự báo nhu cầu điện cho các thiết bị gia dụng ở đây dùng phương pháp "Hộ tiêu thụ điển hình" ở nông thôn. Cần nhấn mạnh rằng "Hộ tiêu thụ điển hình" không phải là một nhu cầu sử dụng điện thực sự của một hộ cụ thể, mà là mức độ tiêu thụ điện trung bình của một hộ trong thôn hay trong khu vực xây dựng dự án. Bảng 4.1 là số liệu sử dụng điện của các thiết bị gia dụng trong "Hộ tiêu thụ điện điển hình". Đầm Báy có 40 hộ nên sẽ cần một điện năng cho các thiết bị gia dụng là. Công suất đỉnh hàng ngày phục vụ cho các thiết bị gia dụng sẽ là khoảng 6,5 kW (=180 W/hộ x 40 hộ x 0,9). Trong trường hợp này “hệ số nhu cầu” được đưa vào để tính đến thực tế sử dụng trên. Hệ số nhu cầu bao gồm cả hệ số đồng thời và tỉ lệ hộ sử dụng thiết bị (Riêng đối với bóng đèn không phải các gia đình đều sử dụng cả 3 bóng trong cùng một thời gian). TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tên thiết bị Công suất Số lượng Số hộ gia đình Hệ số nhu cầu Công suất sử dụng Thời gian sử dụng Điện năng tiêu thụ trong ngày W Cái Hộ % kW h kWh/ngày Bóng đèn 20 3 40 0,4 0,5 0,3 0,6 0,9 0,8 0,7 0,5 0,3 0,96 1.20 0,72 1,44 2,16 1,92 1,68 1,20 0,72 5 6 7 18 19 20 21 22 23 0,96 1,20 0,72 1,44 2,16 1,92 1,68 1,20 0,72 Tivi 60 1 40 0,5 0,9 0,8 0,7 0,5 1,20 2,16 1,92 1,68 1,20 18 19-20 21 22 23 1,20 4,32 1,92 1,68 1,20 Quạt 40 1 40 0,5 0,7 0,8 1,12 11-13 18-19 2,4 2,24 Tổng cộng 26,9 Bảng 4.1. Số liệu sử dụng điện của các thiết bị gia dụng trong "Hộ tiêu thụ điện điển hình” ở Hòn Báy năm 2008 4.1.2.2. Điện sử dụng cho các thiết bị phi gia dụng Trên cơ sở các số liệu điều tra về tiêu thụ điện, có thể ước tính tiêu thụ điện phi gia dụng chiếm khoảng 25 – 30% tổng tiêu thụ điện cho gia dụng bao gồm tiêu thụ điện cho quản, chế biến hải sản, trạm y tế và các thiết bị điện khác, v.v.... Việc bảo quản hải sản chủ yếu là thiết bị lạnh ước tính công suất khoảng 600W và thực tế chỉ chạy gần 1/3 số giờ trong ngày do có rơle nhiệt tự ngắt, vì vậy chọn hệ số nhu cầu là 0,3. Còn đối với các thiết bị khác, ước tính có công suất khoảng 400W, và để có TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thể thu nhận được nhiều năng lượng nhất trực tiếp từ hệ thống điện sử dụng năng lượng tái tạo (không qua nạp và phóng điện từ ăcquy) sẽ được vận hành trong khoảng thời gian từ 11h đến 15h trong ngày. Số liệu về phụ tải phi gia dụng này được tóm tắt trong bảng 4.2. Tổng nhu cầu tiêu thụ điện cho lĩnh vực này ước tính là gần 6kWh/ngày. Tên thiết bị Công suất Hệ số nhu cầu Công suất sử dụng Thời gian sử dụng Điện năng tiêu thụ trong ngày W % kW h kWh/ngày Thiết bị lạnh 600 0,3 0,18 1 - 24 4,32 Khác 400 0,5 0,2 11 - 15 1,0 Tổng cộng 5,32 Bảng 4.2. Số liệu sử dụng điện của các thiết bị phi gia dụng trong "Hộ tiêu thụ điện điển hình” ở Hòn Báy năm 2008 4.1.2.3. Tổng nhu cầu điện năng Tổng nhu cầu điện năng đối với cụm dân cư Hòn Báy cho năm cơ sở 2008 được tóm tắt trong bảng 4.3 và được biểu diễn ở hình 4.1. Điện sử dụng cho Hàng ngày Hàng tháng Cả năm Đơn vị Tỷ lệ (%) Tải gia dụng 26,9 807 11599,2 kWh 85,82 Tải phi gia dụng 5,32 159,6 1915,2 kWh 14,18 Tổng cộng 32,22 966,6 13514,4 kWh 100 Bảng 4.3. Tổng nhu cầu điện năng của cụm dân cư Hòn Báy năm 2008 TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 4.1. Tỉ lệ sử dụng điện năm 2008 cụm dân cư Hòn Báy 4.1.3. Biểu đồ phụ tải ngày Biểu đồ phụ tải là yếu tố rất quan trọng để thiết kế hệ thống phát điện. Do phụ tải điện nông thôn chủ yếu là thắp sáng và sử dụng tập trung vào các giờ buổi tối nên phụ tải điện vào buổi tối sẽ cao gấp vài lần phụ tải điện vào ban ngày. Từ biểu đồ phụ tải ta có thể thấy được sự thay đổi phụ tải trong ngày và vì thế hệ số phụ tải của máy phát diezen khi vận hành để đáp ứng nhu cầu phụ tải cũng thay đổi. Mặt khác việc tiêu thụ nhiên liệu của máy phát diezen lại phụ thuộc vào hệ số phụ tải nên khi phụ tải thay đổi, tiêu thụ nhiên liệu cũng sẽ thay đổi. Do đó việc dựa vào biểu đồ phụ tải để tính toán thiết kế và đề xuất phương án vận hành nhằm mang lại hiệu quả về kinh tế là rất cần thiết. Việc xây dựng biểu đồ phụ tải có thể được dựa trên các số liệu từ các thiết bị gia dụng và phi gia dụng bằng cách tính toán các phụ tải theo thời gian trong ngày. Từ các số liệu tính toán trên, thay đổi đường phụ tải hàng ngày được trình bày trong bảng 4.4 và được biểu diễn thay đổi phụ tải ngày bằng hình 4.2 dưới đây: Thời gian Số giờ (h) Công suất (kW) Điện năng tiêu thụ (kWh) 24-4h 5 0,18 0,9 5h 1 0,18 + 0,96 = 1,14 1,14 Tải phi gia dụng (chiếm 14,18%) Tải gia dụng (chiếm 85,82%) TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6h 1 0,18 + 1,20 = 1,38 1,38 7h 1 0,18 + 0,72 = 0,9 0,9 8-10h 3 0,18 0,54 11h 1 0,18 + 0,8 + 0,2 = 1,18 1,18 12h 1 0,18 + 0,8 + 0,2 = 1,18 1,18 13h 1 0,18 +0,8 + 0,2 = 1,18 1,18 14h 1 0,18 + 0,2 = 0,38 0,38 15h 1 0,18 + 0,2 = 0,38 0,38 16h 1 0,18 0,18 17h 1 0,18 0,18 18h 1 0,18 + 1,44 + 1,20 + 1,12 = 3,94 3,94 19h 1 0,18 + 2,16 + 2,16 + 1,12 = 5,62 5,62 20h 1 0,18 + 1,92 + 2,16 = 4,26 4,26 21h 1 0,18 + 1,68 + 1,92 = 3,78 3,78 22h 1 0,18 + 1,20 + 1,68 = 3,24 3,24 23h 1 0,18 + 0,72 + 1,20 = 2,1 2,1 Tổng 32,22 Bảng 4.4. Số liệu về sự thay đổi phụ tải ngày Hình 4.2. Biểu đồ phụ tải hàng ngày 3.94 5.62 0.9 2.1 3.78 4.26 3.24 0.9 1.14 0.9 1.38 0.18 1.18 0.38 0.18 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Thoi gian (h) C on g su at (k W ) TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ biểu đồ phụ tải hàng ngày ta nhận thấy rằng công suất đỉnh của phụ tải là 5.7kW và coi như không thay đổi, ngay cả trong những ngày lễ, tết... vì rằng trong những ngày này nhu cầu điện năng tăng là do thời gian sử dụng tăng. Vì vậy, ta có thể chọn công suất đỉnh cho việc tính toán và thiết kế hệ thống. Cũng từ biểu đồ ta cũng thấy rằng hàng ngày có ba khoảng thời gian xuất hiện công suất cho phụ tải lớn. Đó là khoảng 5 - 6 giờ sáng, 11- 13 giờ trưa và 18 - 23 giờ tối. Công suất đỉnh tương ứng với buổi sáng từ 5 đến 6 giờ 1,4kW; buổi trưa từ 11 đến 13 giờ công suất đỉnh là 1,2kW và buổi tối từ 18 giờ đến 23 giờ công suất đỉnh là 5,7kW. Như vậy công suất đỉnh của cả ngày là 6kW. 4.1.4. Dự báo độ tăng trưởng nhu cầu trong tương lai Độ tăng trưởng nhu cầu sử dụng điện trong dự báo dài hạn phụ thuộc chủ yếu vào độ tăng trưởng dân số và kinh tế. Như đã thấy, Hòn Báy là một cụm dân cư nhỏ trên một dải đất chật hẹp, mật độ dân cư khá cao. Vì vậy việc mở rộng khu định cư trong tương lai là gần như không thể. Ngoài ra, do cuộc sống trên đầm còn nhiều khó khăn nên thế hệ trẻ ở đây hình như không muốn ở lại đó mà đi đến một nơi nào đó trong đất liền thuận lợi hơn để sinh sống. Đó là nguyên nhân giải thích cho sự kiện rằng dân số trong 10 năm qua chỉ tăng có 4%. Và trong 20 năm tới tốc độ tăng dân số được dự báo vào khoảng 2%. Không giống như các khu vực nông thôn khác có điều kiện thuận lợi hơn, nhu cầu điện tăng khá nhanh sau khi điện khí hóa. Hòn Báy dự báo sẽ có độ tăng trưởng nhu cầu điện từ từ. Khi có điện người dân sẽ mua sắm thêm tivi, quạt và dùng thêm bóng đèn, v.v ... Còn việc đầu tư các thiết bị điện đắt tiền, tiêu thụ nhiều điện năng như điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, lò sưởi điện, v.v... sẽ chưa phải là lựa chọn của người dân. Vì vậy, nhu cầu điện cho lĩnh vực gia dụng sẽ tăng lên với tốc độ tương đối chậm. Năm đầu của dự án nhu cầu điện cho các thiết bị gia dụng đối với 1 hộ được dự báo không quá cao hơn so với số liệu điều tra . Tuy nhiên, người dân trong đầm có thể sắm thêm nhiều thiết bị điện mới do có nguồn điện cả ngày và ổn định. Kinh TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nghiệm từ các thôn, xã khu vực nông thôn đã được điện khí hóa ở Việt Nam cho thấy rằng nhu cầu điện sẽ tăng hàng năm từ 1,5 đến 2,5%. Đối với Đầm Báy dự báo rằng trong 3 năm đầu tốc độ tăng sẽ là 2%, còn các năm tiếp theo sẽ là 1,5%. Nếu tính trung bình cho cả thời gian của dự án là 20 năm thì tốc độ tăn g trung bình của nhu cầu điện cho các hộ sẽ là 1,6%/năm. Điều đó dẫn đến kết quả là nhu cầu điện năng cho phụ tải sẽ tăng từ 13600kWh trong năm 2008 lên 18420kWh vào năm 2028 (bảng 4.5). Còn đối với lĩnh vực phụ tải phi gia dụng nhu cầu điện cũng sẽ tăng lên với tốc độ không cao. Như đã phân tích ở phần trên, tốc độ tăng nhu cầu điện cho lĩnh vực này sẽ được dự báo là 1%/năm. Năm cơ sở 2008 nhu cầu điện cho các lĩnh vực này là 2000kWh sẽ tăng lên khoảng 2440kWh vào năm 2028. Phụ tải Nhu cầu điện năng (kWh/năm) Năm 2008 2015 2020 2025 2028 Điện phục vụ cho phụ tải gia dụng 11600 12930 13880 14830 16000 Điện phục vụ cho phụ tải phi gia dụng 2000 2120 2220 2320 2420 Tổng nhu cầu 13600 15050 16100 17150 18420 Bảng 4.5. Dự báo nhu cầu điện năng trong tương lai Hình 4.3. Dự báo tăng trưởng nhu cầu điện năng trong tương lai 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tải phi gia dụng Tải gia dụng kWh/năm năm TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tóm lại, trong thời gian hoạt động của dự án 2008 - 2028. Tổng nhu cầu điện của cụm dân cư Hòn Báy sẽ tăng từ 13600kWh lên gần 18500kWh. Điều này được thể hiện trên hình 4.3. 4.1.5. Công suất phát đỉnh hiện tại và tương lai Độ tăng trưởng trung bình của công suất phát điện được dự báo cũng vào khoảng như độ tăng trưởng nhu cầu điện năng, tức là 1,5%/năm cho suốt cả thời gian 20 năm. Công suất phát đỉnh của phụ tải ngày sẽ tăng từ 6kW vào năm 2008 lên 8kW vào năm 2028. Điều này được minh hoạ ở hình 4.4 dưới đây. Hình 4.4. Dự báo nhu cầu công suất phát đỉnh 4.2. Phương án cấp điện 4.2.1. Lựa chọn phương án cấp điện Các số liệu thống kê về bức xạ mặt trời tại Nha Trang (bảng 3.1) cho thấy nguồn bức xạ mặt trời ở đây rất dồi dào với cường độ bức xạ trung bình ngày của năm là 5,30kWh/m2/ngày. Tốc độ gió trung bình năm đạt 2,8m/s, thấp so với các vùng đảo khác. Vì vậy điện mặt trời được lựa chọn để cung cấp cho các hộ gia đình. Do nhu cầu sử dụng điện cho các hộ gia đình ở Đầm Báy khá cao so với các hộ nông thôn miền núi, vì thế tôi quyết định lựa chọn hệ thống phát điện tập trung, cung cấp điện từ lưới điện tại chỗ, và hệ thống phát điện các dàn pin mặt trời (PV) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 kW Năm TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên độc lập và hệ lai ghép PV – diezen là hai phương án được lựa chọn để thay thế phương án cấp điện bằng máy phát diezen 4.2.2. Tính toán các phương án cấp điện Việc tính toán thiết kế để chọn hai phương án cấp điện tại chỗ cho cụm dân cư Đầm Báy sẽ căn cứ vào số liệu bức xạ mặt trời (hình 3.1) và nhu cầu của phụ tải điện (hình 4.3) trong khoảng thời gian của dự án là 20 năm. Thực tế việc tính toán thiết kế phương án cấp điện bằng hệ thống điện lai ghép PV – diezen là phức tạp, nên ở đây ta sẽ đi sâu vào tính toán lựa chọn thiết bị cho hệ thống lai ghép, còn phương án cấp điện bằng hệ PV độc lập và phương án cấp điện bằng hệ thống phát điện diezen cũng sẽ được đề cập đến ở tứng phần tính toán lựa chọn công nghệ, thiết bị liên quan. Trong phần này nghiên cứu – tính toán - thiết kế hệ thống lai ghép sẽ dựa trên “các qui tắc ngón tay cái” và một số nghiên cứu khác về tính toán tối ưu trong đó đã chỉ ra kết quả rằng “khi công suất phụ tải trung bình ở giai đoạn đỉnh lớn hơn ở giai đoạn không đỉnh khoảng 5 lần, động cơ diezen chạy hàng ngày trong giai đoạn phụ tải đỉnh với tỉ lệ năng lượng cung cấp khoảng 50% tổng nhu cầu sẽ đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất”. Để tính toán thiết kế hệ thống lai ghép PV – diezen cung cấp cho một cụm dân cư với phụ tải ngày như trên, ta có thể chia biểu đồ phụ tải thành hai giai đoạn là giai đoạn phụ tải đỉnh và không đỉnh. Đối với phương án lai ghép PV – diezen, để đạt được chi phí giá thành điện năng thấp nhất, máy phát diezen sẽ vận hành để đáp ứng nhu cầu phụ tải và đồng thời nạp ăcquy trong giai đoạn phụ tải đỉnh (bắt đầu lúc 18 giờ và kết thúc vào lúc 21 giờ). Trong giai đoạn này nhu cầu phụ tải là 17,6 kWh, chiếm tỉ lệ 54,6% tổng nhu cầu phụ tải ngày. Thời gian còn lại, nhu cầu điện năng là 14,62kWh sẽ được đáp ứng bởi dàn PV và ăcquy qua bộ đổi điện DC – AC (Direct Current – Alternative Current). Vì chi phí cho ăcquy và bộ đổi điện chiếm tỉ lệ khá lớn trong tổng chi phí của hệ thống, bằng cách này ta có thể giảm dung lượng ăcquy và công TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên suất bộ đổi điện tới mức có thể trong khi vẫn tiết kiệm được nhiên liệu và giảm chi phí bảo dưỡng khi máy phát diezen chỉ vận hành trong giai đoạn phụ tải đỉnh. 4.2.3. Vấn đề đồng bộ và khả năng nối lưới điện quốc gia Khoảng cách từ trung tâm đảo Hòn Tre đến lưới điện quốc gia vào khoảng 35km ngang qua biển. Vì lý do đó mà trong 10 - 15 năm tới đảo Hòn Tre không thuộc vào danh sách những nơi vùng sâu vùng xa được nối lưới điện công nghiệp. Theo kế hoạch của tỉnh Khánh Hoà vùng đảo này sẽ được cấp điện độc lập từ các nguồn năng lượng địa phương như năng lượng mặt trời, năng lượng gió hay diezen, v.v... Với công nghệ điện mặt trời nối lưới, điện từ máy phát là dàn pin được biến đổi thành dòng xoay chiều có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) và được hoà vào mạng lưới điện công nghiệp. Khi sử dụng điện người ta lấy lại điện từ lưới. Mạng lưới điện có vai trò như một “ngân hàng”, tích trữ điện năng lúc dàn pin mặt trời phát điện và cung cấp trở lại người tiêu dùng khi cần thiết. Nhờ ngân hàng điện này mà việc sử dụng luôn ổn định và rất tiết kiệm. Có thể lấy ví dụ ở một số nước phát triển trên thế giới như Nhật Bản, Đức, Mỹ... trên mái nhà mỗi gia đình người ta lắp một dàn pin mặt trời có công 3,5 – 4,0 kWp. Ban ngày dàn pin hấp thụ năng lượng mặt trời và phát điện. Nhờ bộ biến đổi điện và hệ thống dây dẫn điện của dàn pin được tải lên lưới (qua một công tơ để ghi chỉ số điện năng phát lên lưới). Khi d