Nghiên cứu nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

1
LỜI CAM ðOAN


Tác giả xin cam ñoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và
nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo như ñã nêu
trong phần tài liệu tham khảo.
Tác giả luận văn


ðặng Thị Phương Thanh














Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

2
MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN 1
MỤC LỤC 2
LỜI NÓI ðẦU 6
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9
DANH MỤC CÁC BẢNG 12
CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 13
1.1. Tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo……………….13
1.2. Năng lượng Mặt trời 15
1.2.1. Sự hình thành năng lượng Mặt trời 15
1.2.2. Tiềm năng năng lượng Mặt trời 15
1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời 17
1.3. Năng lượng gió 18
1.3.1. Sự hình thành năng lượng gió 18
1.3.2. Tiềm năng gió 19
1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lượng gió 21
1.4. Thủy ñiện nhỏ 22
1.4.1. Khái niệm chung về thủy ñiện nhỏ 22
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam 22
1.4.3. Công nghệ thủy ñiện nhỏ 23
1.5. Năng lượng ñịa nhiệt 24
1.5.1. Sự hình thành năng lượng ñịa nhiệt 24
1.5.2. Tiềm năng năng lượng ñịa nhiệt 24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

3

1.5.3. Công nghệ khai thác ñịa nhiệt 26
1.6. Năng lượng thủy triều và sóng biển 27
1.6.1. Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển 27
1.6.2. Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển 27
1.6.3. Công nghệ khai thác 28
CHƯƠNG II: HỆ NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 31
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời 31
2.1.1 Cấu tạo của pin Mặt trời 31
2.1.2. Nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời 32
2.2. Các ñặc trưng quang ñiện của pin Mặt trời 34
2.2.1. ðặc tính V-I của PV 35
2.2.2. Những ñiểm ñặc biệt của ñặc tính V-I 37
2.3. Ghép nối mdule pin Mặt trời 42
2.4. Các mô tả toán học pin Mặt trời 44
2.5. Ghép nối các module tạo thành hệ thống mảng (Array) 48
2.5.1. Ghép nối tiếp các module PV giống nhau 48
2.5.2. Khi ghép nối tiếp các module không giống nhau 50
2.5.3 Ghép song song các module PV giống nhau 52
2.5.4 Khi ghép song song các module không giống nhau 53
2.6 Kết luận 57
CHƯƠNG III: MẠNG ðIỆN CỤC BỘ NGUỒN PIN MẶT TRỜI 58
3.1 Tổng quan về hệ thống ñiện 58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

4
3.2. Mạng ñiện cục bộ nguồn pin Mặt trời 59
3.2.1 Mạng ñiện cục bộ gia ñình 59
3.2.2 Mạng PV có kết nối lưới quốc gia 60

3.3 Mô tả và chức năng của các khối 61
3.3.1 Khối nguồn PV cell 62
3.3.2 Khối ñiều khiển (controller) và battery 63
3.3.3. Bộ biến ñổi DC/DC 64
3.3.4 Bộ duy trì ñiểm công suất cực ñại (MPPT) 68
3.3.5 Bộ biến ñổi DC/AC (nghịch lưu áp) 71
a. Bộ nghịch lưu áp 1 pha 72
b. Bộ nghịch lưu áp 3 pha. 73
3.4 Thiết kế nguồn pin Mặt trời trong mạng ñiện cục bộ 76
3.4.1 Lựa chọn sơ ñồ khối: 76
3.4.2 Tính toán thiết kế 77
3.4.3 Tính toán thiết kế một mạng ñiện cụ thể 82
3.5 Kết luận chương 3 86
CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB –
SIMULINK 88
4.1 Mô phỏng một số kết quả nguyên cứu bằng Matlab-Simulink… 88
4.1.1 Mô phỏng ñặc tính V-A của PV với các mức chiếu xạ Mặt trời khác
nhau 88
4.1.2 Mô phỏng ñặc tính V-A của PV gồm các module nối tiếp 89

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

5
4.1.3 Mô phỏng tác dụng của bộ tự ñộng chọn ñiểm làm việc công suất
cực ñại MPPT 90


4.2 Kết luận chương 4 92

KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95


















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

6
LỜI NÓI ðẦU
Ngày nay do nhu cầu dùng ñiện tăng cao, việc sản xuất ñiện năng và
cung cấp ñủ ñiện năng cho phụ tải ngày càng là một vấn ñề cấp thiết của
toàn xã hội. ðặc biệt trong những thập niên gần ñây các nguồn năng lượng

truyền thống như dầu mỏ, than ñá, khí ñốt ñang dần ñi vào cạn kiệt. Mặt
khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này ñã và ñang ảnh hưởng không
nhỏ tới môi trường sống, tới hệ sinh thái. Do vậy, việc tìm kiếm một nguồn
năng lượng mới, năng lượng xanh, sạch và có khả năng tái tạo ñã và ñang
ñược quan rất quan tâm.
Năng lượng tái tạo là năng lượng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn
mực của con người là vô hạn, là nguồn năng lượng thân thiện với môi
trường, có thể khai thác vô tận. Chính vì vậy, tương lai con người có thể kỳ
vọng vào các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng Mặt trời, gió, thủy
triều, ñịa nhiệt, ñộ chênh nhiệt ñộ giữa nước mặt và nước sâu của ñại
dương, sử dụng chất thải, kể cả chất thải ñộng vật vào mục ñích sản xuất ra
năng lượng. Trên thực tế nhiều nước, trong ñó có Việt Nam ñã và ñang tập
trung ñầu tư nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng mới này. Song
việc sử dụng năng lượng mới và tái tạo còn rất hạn chế so với tiềm năng do
giá thành các thiết bị tiếp nhận năng lượng sơ cấp và thiết bị lưu trữ năng
lượng còn khá cao.
Trong phạm vi luận văn với ñề tài:“ Nghiên cứu nâng cao chất
lượng ñiện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng
mới và tái tạo” em xin tập trung nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp lưu trữ
năng lượng ñể nâng cao chất lượng ñiện năng và hiệu quả khai thác cho các
nguồn năng lượng mới và tái tạo, giúp mở rộng khả năng sử dụng năng
lượng mới và năng lượng tái tạo trong thực tiễn.
Nội dung luận văn ñược trình bày trong 4 chương:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

7
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mới và tái tạo
Chương 2: Hệ nguồn pin năng lượng Mặt trời

Chương 3: Mạng ñiện cục bộ nguồn pin năng lượng Mặt trời
Chương 4. Một số kết quả mô phỏng bằng Matlab-Simulik
Kết luận.
Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo TS. Ngô ðức Minh ñã dành
nhiều thời gian cho sự chỉ bảo và hướng dẫn giúp em hoàn thành bản luận
văn này.
Thái Nguyên, ngày tháng 2012
Học viên


ðặng Thị Phương Thanh

















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên

ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

8
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

PMT Pin mặt trời
NL Năng lượng
BXMT Bức xạ Mặt trời
NLMT Năng lượng Mặt trời
NLG Năng lượng gió
TN Thủy năng
HTð Hệ thống ñiện
DC Dòng một chiều
AC Dòng xoay chiều
ISC
Inverter- Solar Charger
(Bộ biến tần nạp năng lượng Mặt trời)
GTSI Grid- Tie solar Inverter
MPPT
Maximum Power Point Tracker
(Bộ duy trì ñiểm công suất cực ñại)
MOSFET

ðiện trở trường
PWM Bộ ñiều chế xung rộng
RAMP Máy phát chuyển tiếp
SPWM Bộ nghịch lưu
M Bộ ñiều chế
P-MOSFET Bóng công suất trường
BðK Bộ ñiều khiển

T Transistor (ðiện trở)
TB Thiết bị
EMC Tương thích ñiện từ
PV

Photo Voltaics ( pin quang ñiện)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2006………… 13
Hình 1.2: Sự hình thành năng lượng gió………………………………… 18
Hình 1.3: Tốc ñộ triển khai năng lượng gió giai ñoạn 1997-2010 trên thế
giới………………………………………………………………………….19
Hình 1.4a: Sơ ñồ máy phát ñiện sức gió của máy phát nối lưới……………21
Hình 1.4b: Sơ ñồ nối lưới không ñồng bộ nguồn kép………… ………….21
Hình 1.5: Nhà máy ñiện thủy triều Rance, CH Pháp ……………………….30
Hình 1.6: Trạm phát ñiện sử dụng dòng hải lưu SeaGen, Bắc Ailen……….30
Hình 2.1: Cấu tạo pin Mặt trời 32
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời. 34
Hình 2.3: Sơ ñồ thay thế lớp tiếp giáp 35
Hình 2.4: Sơ ñồ tương ñương và ñặc tính V- I…………………………… 36
Hình 2.5: Sơ ñồ tương ñương Pin mặt trời 38
Hình 2.6: ðặc tính V-A của pin Mặt trời phụ thuộc vào BXMT 39
Hình 2.7a: Quá trình ảnh hưởng bởi G
a
41

Hình 2.7b: Quá trình ảnh hưởng bởi T
ac
41
Hình 2.8: Mô hình kết nối một hệ thống PV cell 42
Hình 2.9: Các module PV bao gồm chi nhánh N
PM
song song, mỗi N
SM
các
tế bào năng lượng Mặt trời trong loạt 43
Hình 2.10: Quá trình tạo module 43
Hình 2.11: ðặc tính ñiện áp ra tương ứng số lượng cell 44
Hình 2.12a: Hệ PV mắc nối tiếp 2 modun giống nhau 49
Hình 2.12b: ðặc tính của hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 49
Hình 2.13: Các ñường ñặc tính VA của hệ PV mắc nối tiếp 2 module 51
Hình 2.14a: Hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 53
Hình 2.14b: ðặc tính của hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

10

Hình 2.15: Các ñường ñặc trưng VA của hệ PV mắc song song 2 module
không giống nhau 54
Hình 2.16: Sơ ñồ mắc Diot ñể bảo vệ module và dàn PMT 55
Hình 2.17: Sơ ñồ mắc các Diot bảo vệ trong dàn PMT 56
Hình 3.1: Sơ ñồ hệ thống ñiện 58
Hình 3.2: Mô hình mạng ñiện ñọc lập sử dụng nguồ PV 60
Hình 3.3: Mô hình mạng ñiện lai nguồn PV – lưới 60

Hình 3.4: Sơ ñồ khai thác pin năng lượng Mặt trời 62
Hình 3.5: Sơ ñồ nguyên lý bộ biến ñổi DC- DC 64
Hình 3.6: Sơ ñồ nguyên lý bộ tăng thế DC-DC và các sơ ñồ tương ñương khi
K ñóng và mở 65
Hình 3.7: Dòng ñiện trên tải sau bộ ñổi ñiện DC/DC 66
Hình 3.8: Các sơ ñồ chuyển mạch Transistor 67
Hình 3.9: Cấu trúc hệ thống DC/DC có khối MPPT 69
Hình 3.10: Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất ñầu vào của máy
phát. a) Bằng bộ nhân analog b) Bằng sơn………………………….69
Hình 3.11: ðiều chế và giải mã cho quá trình duy trì ñiểm công suất cực ñại
(MPPT) 70
Hình 3.12: Sơ ñồ mạch MPPT vi phân 70
Hình 3.13: Sơ ñồ mạch ñiều chế xung rộng 71
Hình 3.14: Sơ ñồ nghịch lưu 1 pha 72
Hình 3.15: Dòng ñiện qua tải và ñiện áp ra của nghịch lưu 1 pha 73
Hình 3.16: Sơ ñồ nghịch lưu 1 pha 73
Hình 3.17: ðiện áp ra của nghịch lưu 3 pha và ñiện áp ño trên tải 74
Hình 3.18: Cấu trúc của mạch lực bộ nghịch lưu 3 pha…………………….75
Hình 3.19: ðiện áp và dòng ñiện của nghịch lưu SVM cấp cho tải 76
Hình 3.20: Sử dụng mạng ñiện nguồn PMT 76
Hình 4.1: Cấu trúc mô phỏng xác ñịnh ñặc tính V-A của hệ PV………… 88
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

11

Hình 4.2: Các ñặc tính V-A và PV với các mức E khác nhau: 300 ,500 ,700
,800 ,1000 W/m
2

89
Hình 4.3: Cấu trúc mô phỏng hệ PV khi các module nhận ñược mức E khác
nhau 89
Hình 4.4: Các ñặc tính hệ nguồn Pvkhi các module nhận ñược mức E khác
nhau 90
Hình 4.5: Cấu trúc mô phỏng hệ PV có có bộ MPPT 91
Hình 4.6: Các ñặc tính của hệ PV khi có MPPT, enegy PV = 3,3 kWWh 92
Hình 4.7: Các ñặc tính của hệ PV khi không có MPPT, I
ref
= 2,5A, enegy PV=
2,178 kWh 92








l









Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

12

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời 16
Bảng 1.2: Số liệu về bức xạ năng lượng mặt trời của các vùng ở Việt Nam.17
Bảng 1.3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 ñến 2004 20
Bảng 1.4: Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước 24Error!
Bookmark not defined.
Bảng 1.5: Nhiệt ñộ ñịa nhiệt của một số ñịa ñiểm ở Việt Nam 26
Bảng 2.1: Danh nghĩa và ñiều kiện tiêu chuẩn 45
Bảng 3.1: Tín hiệu và các lệnh ñiều khiển 63
Bảng 3.2: Kết quả tính toán thiết kế 86

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

13

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

1.1. Tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo
[1,2]
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. Nguyên tắc cơ
bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các
quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và ñưa vào trong các sử
dụng kỹ thuật cho một mục ñích nào ñó của con người. Các quy trình này
luôn tuân theo quy luật ñược thúc ñẩy từ Mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa: hoặc
là năng lượng tồn tại nhiều ñến mức mà không thể trở thành cạn kiệt (ví dụ
như năng lượng Mặt trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn
và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong năng, thủy ñiện nhỏ từ
sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn tiến
trong một thời gian dài trên Trái ðất.
Tình hình tái tạo năng lượng trên toàn cầu ñược thống kê năm 2006 qua
hình ảnh sau:

Hình 1.1 Các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2006
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên

ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

14

Trong ñó:

770 GW Thủy ñiện lớn 235 GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời ñiện nhiệt
74 GW NL Gió 73 GW Thủy ñiện nhỏ 45 GW NL Sinh khối ñiện
39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL ðịa nhiệt 0,3, 0,4 GW Pin Mặt trời
Các nguồn năng lượng hóa thạch ñã ñược khai thác và sử dụng từ rất lâu
và ñang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng
lượng cho sản xuất và ñời sống ngày càng gia tăng do ñó việc tìm kiếm các
công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo như thủy ñiện, năng lượng gió, năng
lượng Mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng ñịa nhiệt… có ý nghĩa sống
còn ñối với nhân loại và ñược sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới.
Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần ñây do khủng
hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác và sử
dụng năng lượng tái tạo ñược nhiều quốc gia chú ý và ñạt ñược thành tựu
ñáng kể. ðặc ñiểm chung của các nguồn năng lượng mới là mặc dù chúng có
mặt khắp nơi trên trái ñất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải…
nhưng chúng thường phân tán, khó khai thác. Việc khai thác trên quy mô
công nghiệp ñòi hỏi công nghệ cao và vốn ñầu tư lớn. Việc khai thác trên quy
mô hộ gia ñình cũng rất thiết thực và ñem lại hiệu quả to lớn.
Cho ñến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế
giới và sự phát triển ñồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự
nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới ñã ñược ñưa vào khai
thác sử dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng
Mặt trời, thủy ñiện nhỏ, năng lượng từ ñại dương, dầu thực vật phế thải dùng
ñể chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng ñịa nhiệt, khí Mêtan
hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay

với ñặc ñiểm và ñiều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm ñến các dạng năng
lượng chính là ñiện Mặt trời, phong ñiện, thủy ñiện nhỏ, ñịa nhiệt và năng
thủy triều sóng biển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

15

1.2. Năng lượng Mặt trời [1,2]
1.2.1. Sự hình thành năng lượng Mặt trời
Năng lượng Mặt trời thu ñược trên Trái ðất là năng lượng của dòng
bức xạ ñiện từ xuất phát từ Mặt trời ñến Trái ðất. Mặt trời là quả cầu lửa
khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt ñộ rất cao lên
tới hàng trăm triệu
0
C. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận ñược dòng năng lượng này
cho ñến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, ước chừng vào
khoảng 5 tỷ năm nữa.
Như vậy năng lượng Mặt trời gần như vô tận, bức xạ ra không gian
xung quanh với mật ñộ công suất khoảng 1353 W/m
2
và là nguồn gốc của mọi
sự sống trên trái ñất. Khi xuyên qua lớp khí quyển một phần năng lượng Mặt
trời bị không khí hấp thụ. Kết quả là năng lượng Mặt trời phân bố trên bề mặt
trái ñất với mật ñộ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận
ñược năng lượng từ Mặt trời tương ñương với khoảng 1,5 thùng dầu.
Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang ñiện,
chuyển năng lượng các photon của BXMT thành ñiện năng, như pin Mặt trời.
Năng lượng của các photon cũng có thể ñược hấp thụ ñể làm nóng các vật thể,

tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình ñun nước Mặt trời, hoặc làm
sôi nước trong các máy nhiệt ñiện của tháp Mặt trời, hoặc vận ñộng các hệ
thống nhiệt như máy ñiều hòa Mặt trời.
Năng lượng của các photon có thể ñược hấp thụ và chuyển hóa thành
năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa
1.2.2. Tiềm năng năng lượng Mặt trời
- Tiềm năng trên thế giới:
Tiềm năng về năng lượng Mặt trời của các nước trên thế giới không
ñều, mạnh nhất ở vùng xích ñạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía
hai ñịa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ
thuộc vào vị trí ñịa ñiểm trên trái ñất, phụ thuộc vào ñặc ñiểm khí hậu, thời
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

16

tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một
ñịa ñiểm trên thế giới vào khoảng 2000 kWh/m
2
/năm, bảng 1.1

Khu vực
Bức xạ Mặt trời
[1000 TWh]
Chỉ số chất lượng
trung bình DNI
[kWh/tháng/năm]
Công suất có thể
khai thác

[1000 TWh/năm]
North America 11,500 2410 1,150
South America 13,500 2330 1,350
Africa/Europe/Asia 73,500 2600 7,350
Pacific 23,000 2950 2,300
Total 121,500 12,150
Bảng 1.1: Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời
- Tiềm năng ở Việt Nam:
Vị trí ñịa lý ñã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô
cùng lớn, ñặc biệt là năng lượng Mặt trời. Trải dài từ vĩ ñộ 23
0
23’ Bắc ñến
8
0
27’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường ñộ bức xạ Mặt trời tương
ñối cao. Trong ñó, nhiều nhất phải kể ñến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp ñến là
các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh
Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…
Năng lượng Mặt trời có những ưu ñiểm như: Sạch, chi phí nhiên liệu và
bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… ðồng thời, phát triển ngành
công nghiệp sản xuất PV sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa
thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, ñây ñược coi là
nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ ñang
ngày càng cạn kiệt.
Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ
hay nối ñể thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, ñáp ứng nhu cầu
của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

17

quốc phòng. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng Mặt trời ở Việt Nam cho
ñến nay chưa phát triển.
Vùng
Giờ nắng
trong năm
Bức xạ
kcal/cm
2
/năm
Khả năng
ứng dụng
ðông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp
Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình
Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt
Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt
Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt
Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt
Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam.
1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời
Bức xạ Mặt trời (BXMT) gửi tới trái ñất dưới dạng sóng bức xạ, năng
lượng sóng phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt ñến
trái ñất. Muốn khai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ
năng lượng của các sóng bức xạ, từ ñó hình thành nhiều công nghệ khai thác
khác nhau dựa trên các nguyên tắc chủ yếu sau:
- BXMT - ñiện năng – phụ tải ñiện
- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt
- BXMT - nhiệt năng – ñiện năng – phụ tải ñiện

Năng lượng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục ñích khác nhau
tùy theo mục ñích người sử dụng. ðối với ngành hệ thống ñiện, chỉ tập trung
nghiên cứu ñến khả năng chuyển hóa BXMT- ñiện năng- phụ tải ñiện dựa trên
hiệu ứng quang ñiện trong PV hay còn gọi là pin quang ñiện, tiếng anh là
Photo Voltaics (viết tắt là PV ).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

18

1.3. Năng lượng gió
1.3.1. Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái ðất không ñồng ñều làm cho
bầu khí quyển, nước và không khí nóng không ñều nhau. Một nửa bề mặt của
Trái ðất (mặt ban ñêm), bị che khuất không nhận ñược bức xạ của Mặt trời và
thêm vào ñó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích ñạo nhiều hơn ở các cực.
Do ñó, hình thành sự chênh lệch về nhiệt ñộ và áp suất dẫn ñến sự dịch
chuyển của các khối không khí tạo thành gió. Mặt khác, Trái ñất quay tròn, và
nghiêng so với mặt phẳng quỹ ñạo Trái ñất khi quay xung quanh Mặt trời ñiều
này tạo nên các dòng xoáy không khí và dòng không khí theo mùa. Hình 1.2
minh họa cho sự hình thành gió


Hình 1.2 Sự hình thành gió.
Ngoài ra gió cũng bị ảnh hưởng bởi ñịa hình tại từng ñịa phương, do
nước và ñất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày ñất nóng lên nhanh hơn
nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào ñất
liền. Vào ban ñêm ñất liền nguội ñi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra
theo chiều ngược lại. Như vậy, năng lượng gió là ñộng năng của không khí di

chuyển trong bầu khí quyển Trái ðất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

19

1.3.2. Tiềm năng gió
- Tiềm năng về năng lượng gió của một số nước trên thế giới:
Năng lượng gió ñược nghiên cứu và triển khai với tốc ñộ rất nhanh
trong khoảng 10 năm gần ñây. Biểu ñồ trên hình 1.3 cho thấy tốc ñộ triển khai
năng lượng gió giai ñoạn 1997-2010 trên thế giới.

Hình 1.3 Tốc ñộ triển khai năng lượng gió giai ñoạn
1997-2010 trên thế giới.
Các turbine gió hiện ñại bắt ñầu ñược sản xuất từ năm 1979 ở ðan
Mạch với công suất từ 20-30 kW. Từ năm 2000 ñến 2006 công suất các
turbine gió tăng lên 4 lần. Ngày nay tổng công suất turbine gió trên Thế giới
ước tính ñạt 93.849 MW, trong ñó châu Âu chiếm tới 65%. ðan Mạch là
nước sử dụng năng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng ñiện quốc
gia.
Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng ñiện gió chiếm
1% tổng ñiện năng. Ấn ðộ ñứng thứ tư trên thế giới về năng lượng gió với
8.000 MW, công suất ñặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng ñiện.
- Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

20

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích ñạo trong khoảng 8
0
ñến 23
0
vĩ Bắc
thuộc khu vực nhiệt ñới gió mùa. Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió
ðông Bắc và gió Tây Nam với tốc ñộ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6
m/s (ở ñộ cao 10-12m). Tại các vùng ñảo xa, tốc ñộ gió ñạt tới 6- 8 m/s. Như
vậy tuy không cao bằng tốc ñộ gió ở các nước Bắc Âu ở cùng ñộ cao nhưng
cũng ñủ lớn ñể sử dụng ñộng cơ gió có hiệu quả.
Trên thực tế vận tốc gió ñược ño ở ñộ cao 10-12m. Các ñộng cơ gió
công suất lớn ñến 1000 kW thường ñược lắp trên ñộ cao 50- 60m. Các dữ liệu
vận tốc gió ở ñộ cao này chưa có, một số ñơn vị ñã tiến hành ño gió ở ñộ cao
50-60 m tại một số ñiểm. Các số liệu ño gió ở ñộ cao trên ñã xác ñịnh ñược
vận tốc gió thông qua công thức gần ñúng sau:
V= V
1

1
h
h
1/5 (1.1)
Trong ñó: + V: Vận tốc gió cần tìm trên ñộ cao h.
+ V
1
: Vận tốc gió ño ñược ở ñộ cao h
1
.
Tiềm năng gió của Việt Nam có thể ñánh giá thông qua số liệu về gió

của Tổng Cục Khí tượng Thủy văn theo bảng 1.3
Năm Công suất (kW) ðường kính rotor (m)
1985 50 15
1989 300 30
1992 500 37
1994 600 46
1998 1500 70
2003 3000-3600 90-104
2004 4500-5000 112-128
Bảng 1.3 Sự phát triển của turbine gió từ 1985 ñến 2004
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

21

1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lượng gió
Như vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lượng
mà các thiết bị thu chủ yếu nhận ñược dưới dạng ñộng năng. Từ ñó hình thành
nhiều công nghệ khai thác năng lượng gió (NLG):
- NLG – chuyển ñộng tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lượn
- NLG – chuyển ñộng quay – Máy xay gió
- NLG – chuyển ñộng quay – Máy phát ñiện.
ðối với ngành Mạng, thiết bị và nhà mát ñiện, chủ yếu quan tâm về công
nghệ khai thác năng lượng gió như sau: NLG – chuyển ñộng quay – Máy phát
ñiện. ðặc của công nghệ này gồm:
- Turbine gió: Công suất P của turbine gió phụ thuộc vào sải cánh của
rôto, vào tỷ trọng không khí và tốc ñộ gió và cho bằng công thức:
32
2

1
vrP
αρπ
=
(1.2)
- Máy phát ñiện sức gió: máy phát làm nhiệm vụ biến ñổi năng lượng
cơ học thành năng lượng ñiện. Có nhiều phương án thiết kế hệ thống máy
phát ñiện chạy bằng sức gió, sử dụng các loại máy ñiện có cấu tạo khác nhau
như: máy ñiện không ñồng bộ rôto dây quấn, máy ñiện không bộ rôto lồng
sóc, máy ñiện ñồng bộ nam châm vĩnh cửu…
- Một vài mô hình khai thác như:

Hình 1.4a Sơ ñồ máy phát ñiện sức gió Hình 1.4b Sơ ñồ nối lưới của máy
phát nối lưới không ñồng bộ nguồn kép

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

22

1.4. Thủy ñiện nhỏ
1.4.1. Khái niệm chung về thủy ñiện nhỏ
Thủy ñiện nhỏ ñược hiểu một cách không thống nhất. ða số các nước
phân loại thủy ñiện nhỏ có công suất dưới 10 MW, tuy nhiên Canaña phân
loại thủy ñiện nhỏ có công suất dưới 20 MW, Hoa Kỳ dưới 30 MW. Trong
loại thủy ñiện nhỏ, thủy ñiện mini có công suất dưới 500 kW, micro dưới 100
kW, trạm pico có công suất dưới 5 kW. Trung Quốc là nước ñứng ñầu thế
giới về khai thác thủy ñiện nhỏ.
Thủy ñiện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, ñược

chú ý rộng rãi trên toàn thế giới, ñóng góp quan trọng cho cân bằng năng
lượng của mỗi quốc gia.
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam [1]
Ở Việt Nam, với ñặc ñiểm ñịa lý của ñất nước có nhiều ñồi núi, cao
nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều nên hàng năm mạng lưới sông suối vận
chuyển ra biển hơn 870 tỷ m
3
nước, tương ứng với lưu lượng trung bình
khoảng 37.500 m
3
/giây, rất thuận lợi cho việc phát triển các nhà máy thủy
ñiện.
Vì vậy, cùng với việc tiếp tục triển khai xây dựng các nhà máy thủy
ñiện có công suất lớn, do Tập ñoàn Ðiện lực Việt Nam làm chủ ñầu tư, như
Sơn La công suất 2400MW, Tuyên Quang 342 MW, Bản Vẽ 320MW, Ðại
Ninh 300MW, nhiều doanh nghiệp trong và ngoài ngành ñiện cũng mạnh
dạn tự ñầu tư xây dựng các nhà máy thủy ñiện công suất vừa và nhỏ, với gần
300 dự án có tổng công suất lắp máy khoảng 2.500 MW ñến 3.000 MW,
tương ứng với lượng ñiện hàng năm khoảng 10 tỷ kW giờ.
Ði ñầu trong việc phát triển thủy ñiện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông
Ðà. Với thế mạnh của một tổng công ty ñã tham gia xây dựng nhiều công
trình thủy ñiện trọng ñiểm của quốc gia như: Thác Bà, Hòa Bình, Trị An,
YaLy Bằng kinh nghiệm của mình, Tổng công ty ñang từng bước tự khẳng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

23

ñịnh là nhà ñầu tư lớn các dự án năng lượng ñiện, với việc tự ñầu tư nhiều

công trình thủy ñiện có công suất từ vài MW ñến hàng trăm MW. Bên cạnh
các dự án thủy ñiện ñã hoàn thành như thủy ñiện Sê San 3A (108 MW), Cần
Ðơn (77,6 MW), Nậm Mu (12 MW), Nà Lơi (9,3 MW) Tổng công ty ñang
thực hiện nhiều dự án thủy ñiện vừa và nhỏ ở miền trung và Tây Nguyên với
tổng công suất hơn 40 MW.
1.4.3. Công nghệ thủy ñiện nhỏ
ðối với các nhà máy thủy ñiện lớn, thủy năng (TN) ñược tập trung trên
những dòng chảy (sông) lớn. Trong khi ñó, thủy ñiện nhỏ lại khai thác từ
nhiều dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối
- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước
- TN – Cơ năng – Máy phát ñiện
Khi nghiên cứu về các dạng năng lượng sạch chỉ qaun tâm ñến công
nghệ khai thác thủy ñiện nhỏ trên các dòng suối hay thủy ñiện nhỏ có kênh
dẫn.
ðối với một dòng chảy có lưu lượng Q (m
3
/s), ñộ chênh cột nước H
(m), tỷ trọng của nước ρ (kg/m
3
), η là hiệu suất truyền ñộng, tao nên công
suất P tính bằng kW:
P = 9,81ρηQH (1.3)
Tuy nhiên, các trạm thủy ñiện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình
thủy công như ñập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng ñiều tiết mức nước. Nước
từ thượng lưu qua kênh dẫn hoặc ñường ống tới turbine thủy ñiện làm quay
turbine-máy phát ñiện, biến ñổi thủy năng thành ñiện năng. Các trạm thủy
ñiện công suất nhỏ (loại mini) có thể không có ñập chắn mà lợi dụng những
dòng kênh thủy lợi.
Bảng 1.4 cho thấy quan hệ giữa công suất ñặt của máy phát thủy ñiện
nhỏ theo lưu lượng và chiều cao cột nước.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

24

Công suất P (W) Chiều cao H (m) Lưu lượng Q (l/s)
10 3-5 2
300 4-7 3
500 3-5 8
600 3-5 10
800 3-5 15
1000 4-6 20
1200 4-6 25
1500 5-8 30
Bảng 1.4 Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước
1.5. Năng lượng ñịa nhiệt
1.5.1. Sự hình thành năng lượng ñịa nhiệt
Nhiệt năng của Trái ðất gọi là ñịa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái
ðất có ñược thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ dưới lòng ñất. Nhiệt năng
này làm nóng chảy các lớp ñất ñá trong lòng Trái ðất, gây ra hiện tượng di
dời thềm lục ñịa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái
ðất sẽ tắt dần và nhiệt ñộ lòng trái ðất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với
tuổi thọ của Mặt trời.
ðịa nhiệt có thể ñược xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp
quy mô vừa, trong các lĩnh vực như:
- Nhà máy ñiện ñịa nhiệt
- Trung tâm ñịa nhiệt
1.5.2. Tiềm năng năng lượng ñịa nhiệt
- Tiềm năng ñịa nhiệt thế giới:

Nhà máy ñiện ñịa nhiệt ñầu tiên trên thế giới ñược xây dựng từ năm
1904 ở Italia. Nhà máy ñịa nhiệt ñầu tiên ở Hoa Kỳ ñược xây dựng từ năm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên
ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð

25

1922 cung cấp nhiệt và ñiện cho khu nghỉ mát. Nhà máy ñiện ñịa nhiệt lớn
nhất thế giới The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW ñược xây dựng
từ năm 1960. ðiện lực Bắc California có các nhà máy ñiện ñịa nhiệt có tổng
công suất 740 MW. Hoa Kỳ là nước khai thác ñịa nhiệt hàng ñầu Thế giới.
Năm 2005 Hoa Kỳ ñã hợp ñồng xây dựng các nhà máy ñịa nhiệt tổng công
suất 500 MW cho 11 nước. Mehicô là nước khai thác ñịa nhiệt thứ ba trên
Thế giới, năm 2007 ñã lắp ñặt 959 MW. Chiếm 3,24% ñiện năng toàn quốc.
Iceland là nước có tiềm năng ñịa nhiệt lớn, ñiện ñịa nhiệt chiếm 19,1% và
87% nhiệt năng. Nguồn ñịa nhiệt của Philipin ñảm bảo 17,5% ñiện năng.
Tiềm năng ñịa nhiệt thế giới khoảng 100 GW và ñã ñược sử dụng vì mục ñích
thương mại trên 70 nước. Năng lượng ñịa nhiệt ñã cung cấp 1% năng lượng
thế giới.
- Tiềm năng ñịa nhiệt ở Việt Nam.
Việt Nam có nguồn ñịa nhiệt phong phú, cả nước có hơn 300 nguồn
nước khoáng nóng có nhiệt ñộ bề mặt lên tới 105
0
C. Miền Bắc ñã phát hiện
và ñăng ký 119 nguồn hầu hết là nguồn nước nóng. Theo tính toán sơ bộ năng
lượng ñịa nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng ñể phát ñiện bước ñầu với
công suất 100 MW. Bắc Trung Bộ cũng là vùng có nhiều triển vọng ñịa nhiệt
có thể khai thác công nghiệp phát ñiện từ 40 MW ñến 60 MW tương ñương
với Nam Trung Bộ. Gần ñây với sự hợp tác của công ty ORMAT Hoa Kỳ các

chuyên gia ñịa chất ñã ñánh giá ñịa hóa học trên 60 nguồn nước nóng và ñã
chọn 6 ñịa ñiểm thuộc các tỉnh Quảng Ngãi, Bình ðịnh, Khánh Hòa và Bà
Rịa-Vũng Tàu có khả năng phát triển các nhà máy ñiện ñịa nhiệt với tổng
công suất 200 MW. ðặc ñiểm nhiệt ñộ ñịa nhiệt của các ñịa ñiểm ñược cho
trong bảng 1.5.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên