Nghiên cứu ứng dụng bộ lưu trữ năng lượng để nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






BÙI NGUYỄN HIỆP




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LƢU TRỮ NĂNG LƢỢNG ĐỂ NÂNG
CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO
CÁC HỆ NGUỒN NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

THÁI NGUYÊN - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2
LỜI CAM ĐOAN


Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do chính tác thực hiện
dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Ngô Đức Minh. Nội dung luận văn có nghiên cứu
sử dụng các tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo.

Tác giả

Bùi Nguyễn Hiệp



















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3
MỞ ĐẦU
Định hƣớng của đề tài
Từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng
lƣợng đang thay đổi - có một số lƣợng lớn các nguồn cung cấp năng lƣợng
không phải là dạng truyền thống đang đƣợc thúc đẩy phát triển mạch mẽ
không những riêng ở nƣớc ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng
nguồn năng lƣợng mới và tái tạo (NLM&TT). Ví dụ nhƣ: phong điện, thủy

điện nhỏ, điện mặt trời, điện thủy triều V.V Chúng có thể đƣợc khai thác
dƣới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng
phân tán hay đƣợc kết nối với lƣới quốc gia. Tuy nhiên, đối với các dạng
nguồn này đều có chung một số nhƣợc điểm là:
- Đặc tính làm việc thuộc dạng mềm hoặc siêu mềm
- Tiềm năng phụ thuộc các yếu tố tự nhiên luôn thay đổi nhƣ thời gian,
thời tiết, khí hậu…
- Khả năng dự trữ công suất thấp.
Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lƣợng NLM&TT, Tác giả
lựa chọn hƣớng nghiên cứu cho một dạng điển hình, đó là thủy điện nhỏ.
Trong đó, một số thủy điện nhỏ ở các vùng núi, cách xa các trung tâm kinh tế
phát triển chỉ có thể đƣợc khai thác theo hình thức mạng điện cục bộ. Trƣớc
đây, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ chƣa đƣợc quan tâm khai thác và phát
triển nên các ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát cũng nhƣ
trong toàn mạng còn chƣa đƣợc đề cập đến. Chính vì thế, làm cho tính kinh tế
của hệ thống còn thấp, chất lƣợng điện năng cung cấp chƣa đảm bảo. Ngày
nay, đứng trƣớc sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất
ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con ngƣời ngày một
nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lƣới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu
chất lƣợng điện năng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4
Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) mà đề tài quan tâm cụ
thể là một mạng điện độc lập, không kết nối với lƣới điện quốc gia. Một số
nhƣợc điểm của MĐCBTĐN có thể đƣợc phân tích nguyên nhân xuất phát từ
hoạt động của hệ turbine-máy phát. Đƣơng nhiên là, sự hoạt động bình
thƣờng của một máy phát đồng bộ xoay chiều ba pha đƣợc đảm bảo thông
qua chất lƣợng điều khiển của hai hệ thống:

1- Hệ thống điều chỉnh kích từ để ổn định điện áp và huy động công
suất phản kháng.
2- Hệ thống turbine để ổn định tần số và huy động công suất tác dụng.
Với thủy điện nhỏ thì các nhƣợc điểm phát sinh hầu nhƣ đều có nguyên
nhân từ hệ thống turbine (hệ thống kích từ không bàn đến). Thực tế các thủy
điện nhỏ thƣờng đƣợc xây dựng theo kiểu thủy điện có kênh dẫn, đặc tính
điều chỉnh công suất và điều chỉnh tốc độ có thời gian trễ lớn, khả năng quá
tải thấp, không có khả năng huy động công suất đỉnh nên không đáp ứng đƣợc
nhu cầu đòi hỏi của phụ tải thực tế. Ví dụ: Khi có động cơ khởi động:
- Quá trình khởi động của động cơ bị kéo dài do đặc điểm của thủy điện
nhỏ không đáp ứng đƣợc tốc độ huy động công suất cho khởi động.
- Chất lƣợng điện năng thấp, không ổn định.
Nhƣ vậy, để khắc phục tình trạng trên cần thiết phải có một nguồn dự trữ
năng lƣợng khác ngoài máy phát. Một số biện pháp truyền thống đã đƣợc áp
dụng cho các hoạt động tƣơng tự, ví dụ nhƣ:
- Dự trữ năng lƣợng bằng hệ bánh đà.
- Dự trữ năng lƣợng bằng buồng áp lực
Đối với một số thủy điện nhỏ thì cả hai biện pháp trên đều không thể áp
dụng. Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu tìm đƣợc một giải pháp thích
hợp để khắc phục những vấn đề tồn tại trên.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Xác định tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bộ lƣu trữ năng lƣợng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

5
để nâng cao chất lƣợng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn
năng lƣợng mới và tái tạo”. Cụ thể là:
- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lƣợng trong mạng điện
cục bộ thủy điện nhỏ, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác công suất

nguồn phát và đảm bảo chất lƣợng điện năng cung cấp.
Phạm vi nghiên cứu
- Xây dựng cấu trúc điều khiển của hệ BESS trong mạng điện cục bộ
thủy điện nhỏ nhằm thực hiện các chức năng chính là:
- Huy động công suất đỉnh cho chế độ khởi động của động cơ,
- Bù công suất phản kháng để cải thiện chất lƣợng điện áp tại điểm kết
nối.
Cấu trúc luận án
Luận văn gồm 4 chƣơng, 99 trang, 32 tài liệu tham khảo.
Thái Nguyên,ngày 03 tháng12năm 2013
Tác giả



Bùi Nguyễn Hiệp









Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

6
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 13

1.1. Các dạng năng lƣợng mới và tái tạo 13
1.2. Năng lƣợng Mặt trời 15
1.2.1. Sự hình thành năng lƣợng Mặt trời 15
1.2.2. Tiềm năng năng lƣợng Mặt trời 15
1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lƣợng Mặt trời 17
1.3. Năng lƣợng gió 18
1.3.1. Sự hình thành năng lƣợng gió 18
1.3.2. Tiềm năng gió 19
1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lƣợng gió 21
1.4. Thủy điện nhỏ 22
1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ 22
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam 22
1.4.3. Công nghệ thủy điện nhỏ 23
1.5. Năng lƣợng địa nhiệt 24
1.5.1. Sự hình thành năng lƣợng địa nhiệt 24
1.5.2. Tiềm năng của năng lƣợng địa nhiệt 24
1.5.3. Công nghệ khai thác địa nhiệt 26
1.6. Năng lƣợng thủy triều và sóng biển 27
1.6.1. Sự hình thành năng lƣợng thủy triều và sóng biển 27
1.6.2. Tiềm năng năng lƣợng thủy triều và sóng biển 27
1.6.3. Công nghệ khai thác 28
1.7. Đề xuất hƣớng nghiên cứu 30
1.8. Kết luận chƣơng 1 30
CHƢƠNG 2
MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THUỶ ĐIỆN NHỎ 32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

7
2.1. Giới thiệu chung 32

2.1.1. Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN 33
2.1.1.1. Ƣu điểm của thủy điện nhỏ 33
2.1.1.2. Những vấn đề còn tồn tại 34
2.1.1.3. Giải pháp ứng dụng BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện
nhỏ 40
2.2. Mô tả toán học hệ turbine-máyphát 41
2.2.1. Mô tả toán học máy phát 42
2.2.1.1. Khái niệm vector không gian của các đại lƣợng xoay chiều
ba pha 42
2.2.1.2. Mô tả máy phát đồng bộ xoay chiều 3 pha trong các hệ tọa
độ thông dụng 43
2.2.2. Mô tả toán học hệ turbine 52
2.3. Mô tả toán học bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện
nhỏ 59
2.4. Mô hình kho tích trữ năng lƣợng battery 64
2.5. Vận hành MĐCBTĐN và giới hạn mang tải của máy phát 67
2.6. Kết luận chƣơng 2 69
CHƢƠNG 3
ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS
TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 70
3.1. Cấu trúc điều khiển hệ BESS 70
3.2. Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp 71
3.3. Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS 73
3.4. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS 80
3.5. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC 83
3.6. Bộ điều khiển công suất tác dụng 85
3.7. Kết luận 86

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

8
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS
TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 88
4.1. Mô phỏng hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 88
4.1.1. Mô phỏng tác dụng của BESS trong MĐCBTĐN công suất 2
MVA 88
4.1.1.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 88
4.1.1.2. Kết quả mô phỏng 89
4.2. Kết luận chƣơng 4 95
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96
1. Kết luận 96
2. Kiến nghị 96
PHỤ LỤC 97
PL1. Tính toán công suất BESS 97
PL2. Tính toán tụ một chiều một chiều trung gian 98
PL3. Tính dung lƣợng ăcquy 98
PL4. Chọn điện cảm đầu ra của BESS 99
PL5. Chọn van bộ biến đổi công suất 100
PL6. Các thông số mô phỏng: 101

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

9
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006 13
Hình 1. 2 Sự hình thành gió 18
Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lƣợng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới.
19
Hình 1. 4 :
a) Sơ đồ máy phát điện sức gió;
b) Sơ đồ nối lƣới của máy phát nối lƣới không đồng bộ nguồn kép 21
Hình 1. 5 Nhà máy điện thủy triều Rance, CH Pháp 30
Hình 1. 6 Trạm phát điện sử dụng dòng hải lƣu SeaGen, Bắc Ailen 30

Hình 2. 1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 32
Hình 2. 2 Sơ đồ thay thế của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 33
Hình 2. 3 Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ 34
Hình 2. 4 Đặc tính ổn định tần số theo tải 35
Hình 2. 5 Đặc tính ổn định điện áp theo tải 35
Hình 2. 6 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS 41
Hình 2. 7 Mô hình turbine-máy phát 42
Hình 2. 8 Đồ thị vector và các phép chuyển đổi hệ tọa độ 42
Hình 2. 9 Sơ đồ bố trí các cuộn dây stator và rotor máy điện đồng bộ 44
Hình 2. 10 Mạch điện tƣơng đƣơng của máy điện đồng bộ 45
Hình 2. 11 Sơ đồ khối chức năng bộ điều tốc turbine thủy điện 52
Hình 2. 12 Mô hình phi tuyến của turbine 54
Hình 2. 13 Mô hình tuyến tính của turbine 55
Hình 2. 14 Đặc tính cơ bản của turbine 56
Hình 2. 15 Họ các đặc tính khi điều chỉnh turbine 57

Hình 2. 16 Đặc tính điều chỉnh turbine 57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

10
Hình 2. 17 Cấu trúc điều tốc turbine thủy điện 58
Hình 2. 18 :
a)Thay thế BESS nhƣ một nguồn áp tại PCCi,
b)Cấu trúc bộ biến đổi BESS 59
Hình 2. 19 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS 60
Hình 2. 20 Mô hình tín hiệu trung bình bộ biến đổi BESS trong tọa độ abc 61
Hình 2. 21 Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp
lƣới 63
Hình 2. 22 Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace 63
Hình 2. 23 Siêu tụ và thiết bị ghép nối 65
Hình 2. 24 Mô hình ghép nối ăcquy 65
Hình 2. 25 Mô hình ghép nối các siêu tụ 66
Hình 2. 26 Mô hình thay thế kiểu Thevenin của ăcquy 66
Hình 2. 27 Đồ thị phụ tải ngày và các phụ tải đỉnh do động cơ khởi động 68

Hình 3. 1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện
nhỏ 70
Hình 3. 2 Biểu diễn các đại lƣợng vector trên tọa độ dq tựa điện áp 72
Hình 3. 3 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lƣới PLL 73
Hình 3. 4 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lƣới có đƣợc bằng kết quả mô
phỏng 73
Hình 3. 5 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van 76
Hình 3. 6 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ 77
Hình 3. 7 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 78
Hình 3. 8 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1 79

Hình 3. 9 Dạng sóng biến điệu vector SVM có đƣợc bằng kết quả mô phỏng
80
Hình 3. 10 Cấu trúc khử tƣơng tác 2 thành phần dòng i
Bd
và i
Bq
81

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

11
Hình 3. 11 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS 82
Hình 3. 12 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng 86

Hình 4. 1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐCBTĐN công suất 2MVA
89
Hình 4. 2 Các thành phần công suất và dòng điện động cơ khi khởi động 89
Hình 4. 3 Máy phát lý tƣởng khi khởi động động cơ 160 kW với tải tĩnh 1,6
MW 90
Hình 4. 4 Các thành phần công suất máy phát thủy điện nhỏ có bảo vệ rơle
khi khởi động động cơ 160 KW, với các tải tĩnh là 1,6 MW và 1,3 MW90
Hình 4. 5 Hệ turbine-máy phát thủy điện nhỏ không đáp ứng phụ tải đỉnh 91
Hình 4. 6 Các thành phần công suất đỉnh và điện áp (tần số) máy phát 92
Hình 4. 7 BESS huy động công suất tác dụng cho động cơ khởi động 93
Hình 4. 8 Các thành phần công suất SPQ của máy phát 93
Hình 4. 9 Điện áp tại điểm kết nối chung Upcc2 93
Hình 4. 10 Đáp ứng dòng điện 1 chiều I
dc
94
Hình 4. 11 Đáp ứng điện áp một chiều U

dc
94
Hình 4. 12 BESS đóng vai trò thay thế khi mất nguồn máy phát 94

Hình PL1. 1 Cấu trúc mạch lực của BESS 97

Bảng 1. 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lƣợng Mặt trời 16
Bảng 1. 2: Số liệu về bức xạ năng lƣợng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam. 17
Bảng 1. 3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 đến 2004 20
Bảng 1. 4: Quan hệ công suất theo lƣu lƣợng, chiều cao cột nƣớc 23
Bảng 1. 5: Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam 25

Bảng 2. 1: Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện 37

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

12
Bảng 2. 2: Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện 39

Bảng PL5. 1 Thông số của IGBT 100

Bảng PL6. 1 Các thông số mô phỏng mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 2
MVA 101
Bảng PL6. 2 Các thông số mô phỏng mạng điệc cục bộ thủy điện nhỏ 85 kVA
102

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

13
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
1.1. Các dạng năng lƣợng mới và tái tạo
Năng lƣợng tái tạo (NLTT) hay năng lƣợng tái sinh là năng lƣợng từ
những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con ngƣời là vô hạn. Nguyên
tắc cơ bản của việc sử dụng năng lƣợng tái sinh là tách một phần năng lƣợng
từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trƣờng tự nhiên và đƣa vào trong
các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con ngƣời. Các quy trình
này luôn tuân theo quy luật đƣợc thúc đẩy từ Mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa:
hoặc là năng lƣợng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ nhƣ
năng lƣợng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong
thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ nhƣ năng lƣợng sinh khối, phong

năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các
quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất.
Tình hình NLTT trên toàn cầu đƣợc thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau:

Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006
Trong đó:
770 GW Thủy điện lớn 235 GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời điện nhiệt
74 GW NL Gió 73 GW Thủy điện nhỏ 45 GW NL Sinh khối điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

14
39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL Địa nhiệt 0,3, 0,4 GW Pin Mặt trời
Các nguồn năng lƣợng hóa thạch đã đƣợc khai thác và sử dụng từ rất lâu
và đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trƣởng về kinh tế, nhu cầu về năng
lƣợng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các
công nghệ sử dụng NLTT nhƣ thủy điện nhỏ, năng lƣợng gió, năng lƣợng
Mặt trời, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn
đối với nhân loại và đƣợc sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới.
Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới
trong giai đoạn khủng hoảng năng lƣợng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm
dò, khai thác và sử dụng NLTT đƣợc nhiều quốc gia chú ý và đạt đƣợc thành
tựu đáng kể. Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt
khắp nơi trên Trái đất dƣới dạng nƣớc, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải…
nhƣng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục. Việc
khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tƣ lớn.
Trƣớc mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại
hiệu quả to lớn. Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lƣới – Đó là
mô hình tất yếu của một tƣơng lai gần.
Cho đến nay với sự nỗ lực vƣợt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế

giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự
nhiên môi trƣờng,… rất nhiều dạng năng lƣợng mới và tái tạo đã đƣợc đƣa
vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ nhƣ: năng lƣợng gió,
năng lƣợng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lƣợng từ đại dƣơng, dầu thực vật
phế thải dùng để chạy xe, năng lƣợng từ tuyết, nguồn năng lƣợng địa nhiệt,
khí Mêtan hydrate, năng lƣợng từ sự lên men sinh học. Tuy nhiên, ở Việt
Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến
các dạng năng lƣợng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa
nhiệt và năng thủy triều sóng biển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

15
1.2. Năng lƣợng Mặt trời
1.2.1. Sự hình thành năng lƣợng Mặt trời
Năng lƣợng Mặt trời thu đƣợc trên Trái đất là năng lƣợng của dòng bức
xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ,
trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng
triệu
0
C. Trái đất sẽ tiếp tục nhận đƣợc dòng năng lƣợng này cho đến khi phản
ứng hạt nhân trên Mặt trời cạn kiệt, ƣớc chừng của các Nhà khoan học là
khoảng 5 tỷ năm nữa. Nhƣ vậy năng lƣợng Mặt trời đƣợc coi là nhƣ vô tận so
với chuẩn mực của đời sống con ngƣời. Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian
xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m
2
, đó chính là là nguồn
gốc của mọi sự sống trên Trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của Trái đất một
phần năng lƣợng Mặt trời bị hấp thụ. Kết quả tính toán cho thấy năng lƣợng
Mặt trời phân bố trên bề mặt Trái đất với mật độ năng lƣợng trung bình, cứ

mỗi mét vuông hàng năm nhận đƣợc năng lƣợng từ Mặt trời tƣơng đƣơng với
khoảng 1,5 thùng dầu.
Các nghiên cứu của con ngƣời đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng
lƣợng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lƣợng của bức xạ Mặt
trời (BXMT) thành điện năng, nhƣ pin Mặt trời. Năng lƣợng của các photon
cũng có thể đƣợc hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt
năng, ứng dụng cho bình đun nƣớc Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời,
các hệ thống máy điều hòa Mặt trời, V.V Trƣờng hợp khác, năng lƣợng của
các photon có thể đƣợc hấp thụ và chuyển hóa thành năng lƣợng trong các
liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, V.V
1.2.2. Tiềm năng năng lƣợng Mặt trời
- Tiềm năng trên Thế giới:
Tiềm năng về năng lƣợng Mặt trời của các nƣớc trên Thế giới là rất
lớn. Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu
vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

16
dụng năng lƣợng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ
thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu
thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên Thế giới vào khoảng 2000
kWh/m
2
/năm, bảng 1.1
Bảng 1. 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lƣợng Mặt trời
Khu vực
Bức xạ Mặt trời
[1000 TWh]
Chỉ số chất lƣợng

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

- Tiềm năng ở Việt Nam:
Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam đƣợc hƣởng một nguồn NLTT vô cùng
lớn, đặc biệt là năng lƣợng Mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23
0

23’ Bắc đến 8
0
27’
Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ Mặt trời tƣơng đối
cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các
vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh
Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…
Năng lƣợng Mặt trời có nhiều ƣu điểm nhƣ: Có tự nhiên, sạch, chi phí
nhiên liệu và bảo dƣỡng thấp, thân thiện với con ngƣời nói riêng cũng nhƣ
vạn vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lƣợng từ
pin Mặt trời (PV) sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lƣợng hóa
thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trƣờng. Vì thế, đây đƣợc coi là
nguồn năng lƣợng quý giá, có thể thay thế dần những dạng năng lƣợng cũ
đang ngày càng cạn kiệt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

17
Vì vậy, sử dụng năng lƣợng Mặt trời nhƣ một nguồn năng lƣợng tại chỗ và
tiến đến kết nối lƣới có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn. Góp phần
đảm bảo cho cân băng năng lƣợng bền vững. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng
lƣợng Mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chƣa phát triển xứng với kỳ vọng.
Bảng 1. 2: Số liệu về bức xạ năng lƣợng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam.
Vùng
Giờ nắng
trong năm
Bức xạ
kcal/cm
2
/năm

Khả năng
ứng dụng
Đông Bắc
1500-1700
100-125
Thấp
Tây Bắc
1750-1900
125-150
Trung bình
Bắc Trung Bộ
1700-2000
140-160
Tốt
Tây Nguyên, Nam TB
2000-2600
150-175
Rất tốt
Nam Bộ
2200-2500
130-150
Rất tốt
Trung bình cả nƣớc
1700-2500
100-175
Tốt

1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lƣợng Mặt trời
Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dƣới dạng sóng bức xạ, năng lƣợng
sóng phụ thuộc bƣớc sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái

đất. Muốn khai thác năng lƣợng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ
năng lƣợng của các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác
khác nhau dựa trên các nguyên tắc chủ yếu sau:
- BXMT - điện năng – phụ tải điện
- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt
- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện
Năng lƣợng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau
tùy theo mục đích ngƣời sử dụng. Đối với ngành hệ thống điện, chỉ tập trung
nghiên cứu đến khả năng chuyển hóa BXMT- điện năng- phụ tải điện dựa trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

18
nguyên tắc của hiệu ứng quang điện trong thiết bị pin quang điện hay thƣờng
gọi là pin Mặt trời, tiếng anh là Photo Voltaics (viết tắt là PV ).
1.3. Năng lƣợng gió
1.3.1. Sự hình thành năng lƣợng gió
Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho
bầu khí quyển, nƣớc và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của
Trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận đƣợc bức xạ của Mặt trời và
thêm vào đó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực.
Do đó, hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch
chuyển của các khối không khí tạo thành gió. Mặt khác, Trái đất tự quay tròn
theo một trục nghiêng 23
0
5 so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung
quanh Mặt trời. Điều này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về
thời tiết, khí hậu theo mùa. Hình 1.2 minh họa cho sự hình thành gió

Hình 1. 2 Sự hình thành gió
Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hƣởng bởi địa hình tại từng địa phƣơng, do
nƣớc và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn
nƣớc, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất
liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nƣớc và hiệu ứng này xảy ra
theo chiều ngƣợc lại. Nhƣ vậy, năng lƣợng gió là động năng của không khí di
chuyển trong bầu khí quyển Trái đất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

19
1.3.2. Tiềm năng gió
- Tiềm năng về năng lƣợng gió của một số nƣớc trên Thế giới:
Năng lƣợng gió đƣợc nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh
trong khoảng 10 năm gần đây. Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai
năng lƣợng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới.

Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lƣợng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới.

Các turbine gió hiện đại bắt đầu đƣợc sản xuất từ năm 1979 ở Đan
Mạch với công suất từ 200-300 kW. Từ năm 2000 đến 2006 công suất các
turbine gió tăng nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2 MW, lớn có
thể đến 5 MW. Ngày nay, tổng công suất turbine gió trên Thế giới ƣớc tính
đạt 93.849 MW, trong đó châu Âu chiếm tới 65%. Đan Mạch là nƣớc sử dụng
năng lƣợng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lƣợng điện quốc gia.
Theo Hội Năng lƣợng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lƣợng điện gió chiếm
1% tổng điện năng. Ấn Độ đứng thứ tƣ trên Thế giới về năng lƣợng gió với
8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lƣợng điện.
- Tiềm năng năng lƣợng gió của Việt Nam:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

20
Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 8
0
đến 23
0
vĩ Bắc
thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa. Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió
Đông Bắc và gió Tây Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6
m/s (ở độ cao 10-12m). Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6- 8 m/s. Nhƣ
vậy tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nƣớc Bắc Âu ở cùng độ cao nhƣng
cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả.
Trên thực tế vận tốc gió đƣợc đo ở độ cao 10-12m. Các động cơ gió
công suất lớn đến 1000 kW thƣờng đƣợc lắp trên độ cao 50- 60m. Các dữ liệu
vận tốc gió ở độ cao này chƣa có, một số đơn vị đã tiến hành đo gió ở độ cao
50-60 m tại một số điểm. Các số liệu đo gió ở độ cao trên đã xác định đƣợc
vận tốc gió thông qua công thức gần đúng sau:
V= V
1

1
h
h
1/5 (1.1)
Trong đó: + V: Vận tốc gió cần tìm trên độ cao h.
+ V
1
: Vận tốc gió đo đƣợc ở độ cao h
1

.
Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua số liệu về gió
của Tổng Cục Khí tƣợng Thủy văn theo bảng 1.3
Bảng 1. 3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 đến 2004
Năm
Công suất (kW)
Đƣờng 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

21
1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lƣợng gió
Nhƣ vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lƣợng
mà các thiết bị thu chủ yếu nhận đƣợc dƣới dạng động năng. Từ cổ xƣa đến
nay đã hình thành nhiều công nghệ khai thác năng lƣợng gió (NLG):
- NLG – chuyển động tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lƣợn
- NLG – chuyển động quay – Máy xay gió
- NLG – chuyển động quay – Máy phát điện.
Đối với ngành Mạng, thiết bị và nhà mát điện, chủ yếu quan tâm về công
nghệ khai thác năng lƣợng gió nhƣ sau: NLG – chuyển động quay – Máy phát
điện. Đặc 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 độ gió và cho bằng công thức:
32
2
1
vrP


(1.2)
- Máy phát điện sức gió: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lƣợng
cơ học thành năng lƣợng điện. Có nhiều thiết kế hệ thống máy phát điện chạy
bằng sức gió đã đƣợc ứng dụng phổ biến nhƣ: Máy phát điện một chiều, máy
phát điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện dị bộ nguồn
kép, V.V…Ví dụ, các máy phát đƣợc áp dụng trong một số mô hình khai thác
trên hình 1.4a,b.

Hình 1. 4 :
a) Sơ đồ máy phát điện sức gió;

b) Sơ đồ nối lƣới của máy phát nối lƣới không đồng bộ nguồn kép
a) b)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

22
1.4. Thủy điện nhỏ
1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ
Thủy điện nhỏ đƣợc hiểu một cách không thống nhất. Đa số các nƣớc
phân loại thủy điện nhỏ có công suất dƣới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân
loại thủy điện nhỏ có công suất dƣới 20 MW, Hoa Kỳ dƣới 30 MW. Trong
loại thủy điện nhỏ, thủy điện mini có công suất dƣới 500 kW, micro dƣới 100
kW, trạm pico có công suất dƣới 5 kW. Trung Quốc là nƣớc đứng đầu Thế
giới về khai thác thủy điện nhỏ.
Thủy điện nhỏ là nguồn năng lƣợng có hiệu quả kinh tế rất cao, đƣợc
chú ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng
lƣợng của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trƣờng.
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam
Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nƣớc có nhiều đồi núi, cao
nguyên và sông hồ, lại có mƣa nhiều. Hàng năm mạng lƣới sông suối vận
chuyển ra biển hơn 870 tỷ m
3
nƣớc, tƣơng ứng với lƣu lƣợng trung bình
khoảng 37.500 m
3
/giây. Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy
thủy điện nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng.
Vì vậy, cùng với việc tiếp tục triển khai xây dựng các nhà máy thủy
điện có công suất lớn do Tập đoàn Ðiện lực Việt Nam làm chủ đầu tƣ, nhƣ
Sơn La công suất 2.400MW, Tuyên Quang 342 MW, Bản Vẽ 320MW, Ðại

Ninh 300MW, nhiều doanh nghiệp trong và ngoài ngành điện cũng mạnh
dạn tự đầu tƣ xây dựng các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ, với gần
300 dự án có tổng công suất lắp máy khoảng 2.500 MW đến 3.000 MW,
tƣơng ứng với lƣợng điện hàng năm khoảng 10 tỷ kWh.
Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông
Ðà. Với thế mạnh của một tổng công ty đã tham gia xây dựng nhiều công
trình thủy điện trọng điểm của quốc gia nhƣ: Thác Bà, Hòa Bình, Trị An,
YaLy Bằng kinh nghiệm của mình, Tổng công ty đang từng bƣớc tự khẳng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

23
định là nhà đầu tƣ lớn các dự án năng lƣợng điện, với việc tự đầu tƣ nhiều
công trình thủy điện có công suất từ vài MW đến hàng trăm MW. Bên cạnh
các dự án thủy điện đã hoàn thành nhƣ thủy điện Sê San 3A (108 MW), Cần
Ðơn (77,6 MW), Nậm Mu (12 MW), Nà Lơi (9,3 MW) Tổng công ty đang
thực hiện nhiều dự án thủy điện vừa và nhỏ ở miền trung và Tây Nguyên với
tổng công suất hơn 40 MW.
1.4.3. Công nghệ thủy điện nhỏ
Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng (TN) đƣợc tập trung trên
những dòng chảy (sông) lớn. Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ
nhiều dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối
- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nƣớc
- TN – Cơ năng – Máy phát điện
Các trạm thủy điện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình thủy công
nhƣ đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nƣớc. Nƣớc từ thƣợng
lƣu qua kênh dẫn hoặc đƣờng ống tới hệ thống turbine-máy phát điện, biến
đổi thủy năng thành điện năng. Các trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini)
có thể không có đập chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi.
Đối với một dòng chảy có lƣu lƣợng Q (m

3
/s), độ chênh cột nƣớc H
(m), tỷ trọng của nƣớc ρ (kg/m
3
), η là hiệu suất truyền động, tao nên công
suất P tính bằng kW:
P = 9,81ρηQH (1.3)
Bảng 1.4 cho thấy quan hệ giữa công suất đặt của máy phát thủy điện
nhỏ theo lƣu lƣợng và chiều cao cột nƣớc.
Bảng 1. 4: Quan hệ công suất theo lƣu lƣợng, chiều cao cột nƣớc
Công suất P (W)
Chiều cao H (m)
Lƣu lƣợng Q (l/s)
10
3-5
2
300
4-7
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

24
500
3-5
8
600
3-5
10
800

3-5
15
1000
4-6
20
1200
4-6
25
1500
5-8
30

1.5. Năng lƣợng địa nhiệt
1.5.1. Sự hình thành năng lƣợng địa nhiệt
Nhiệt năng của Trái đất hay còn gọi là địa nhiệt, là năng lƣợng nhiệt mà
Trái đất có đƣợc từ các phản ứng hạt nhân âm ỉ dƣới lòng đất. Nhiệt năng này
làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tƣợng di dời
thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái đất sẽ
tắt dần và nhiệt độ lòng Trái đất trong quá trình nguội dần hình thành các
vùng nhiệt dƣ phân tán ở nhiều nơi trong kiến tạo của vỏ Trái đất, Mỗi vùng
có đặc điểm về cấu trúc vật chất và quá trình nhiệt có hầu nhƣ không giống
nhau .
Địa nhiệt có thể đƣợc xem là nguồn năng lƣợng sản xuất công nghiệp
quy mô vừa và lớn trong các lĩnh vực nhƣ:
- Nhà máy điện địa nhiệt
- Trung tâm địa nhiệt
1.5.2. Tiềm năng của năng lƣợng địa nhiệt
- Tiềm năng địa nhiệt trên Thế giới:
Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên Thế giới đƣợc xây dựng từ năm
1904 ở Italia. Nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ đƣợc xây dựng từ năm

1922 cung cấp nhiệt và điện cho khu nghỉ mát. Nhà máy điện địa nhiệt lớn
nhất Thế giới The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW đƣợc xây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

25
dựng từ năm 1960. Điện lực Bắc California có các nhà máy điện địa nhiệt có
tổng công suất 740 MW. Hoa Kỳ là nƣớc khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế
giới. Năm 2005 Hoa Kỳ đã hợp đồng xây dựng các nhà máy địa nhiệt tổng
công suất 500 MW cho 11 nƣớc. Mehicô là nƣớc khai thác địa nhiệt thứ ba
trên Thế giới, năm 2007 đã lắp đặt 959 MW. Chiếm 3,24% điện năng toàn
quốc. Iceland cũng là nƣớc có tiềm năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm
19,1% và 87% nhiệt năng. Nguồn địa nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện
năng. Tiềm năng địa nhiệt Thế giới khoảng 100 GW và đã đƣợc sử dụng vì
mục đích thƣơng mại trên 70 nƣớc. Năng lƣợng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu
cầu năng lƣợng của Thế giới.
- Tiềm năng địa nhiệt ở Việt Nam.
Việt Nam có nguồn địa nhiệt phong phú, cả nƣớc có hơn 300 nguồn
nƣớc khoáng nóng có nhiệt độ bề mặt lên tới 105
0
C. Miền Bắc đã phát hiện
và đăng ký 119 nguồn hầu hết là nguồn nƣớc nóng. Theo tính toán sơ bộ năng
lƣợng địa nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng để phát điện bƣớc đầu với
công suất 100 MW. Bắc Trung Bộ cũng là vùng có nhiều triển vọng địa nhiệt
có thể khai thác công nghiệp phát điện từ 40 MW đến 60 MW tƣơng đƣơng
với Nam Trung Bộ. Gần đây với sự hợp tác của công ty ORMAT Hoa Kỳ các
chuyên gia địa chất đã đánh giá địa hóa học trên 60 nguồn nƣớc nóng và đã
chọn 6 địa điểm thuộc các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa và Bà
Rịa-Vũng Tàu có khả năng phát triển các nhà máy điện địa nhiệt với tổng
công suất 200 MW. Đặc điểm về nhiệt độ địa nhiệt của các địa điểm đƣợc cho

trong bảng 1.5.
Bảng 1. 5: Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam
TT
Địa điểm
Nhiệt độ max (
C
0
)
1
Bang-Lệ Thủy, Quảng Bình
184
2
Mộ Đức, Quảng Ngãi
187