Các nguồn năng lượng mới có tính tái tạo các cơ sở và những khả năng phát triển

CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI CÓ TÍNH TÁI TẠO
CÁC CƠ SỞ VÀ NHỮNG KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN
1.1 1. Định nghĩa khái niệm và giải thích
1.1

1. Định nghĩa khái niệm và giải thích

1.1 Dẫn dắt
Hầu như tất cả các nguồn năng lượng mà con người hiện nay đang sử dụng xét cho
cùng đều xuất phát hay có liên quan tới mặt trời (chỉ trừ năng lượng nguyên tử, địa
nhiệt và các nhà máy phát điện hoạt động bằng năng lượng thuỷ triều). Người ta chia ra
thành 2 nhóm năng lượng chính:
-

Năng lượng từ những nguồn năng lượng được sinh ra từ quá trình hoá thạch như
dầu hay khí đốt

-

Năng lượng mới mang tính tái tạo từ những nguồn năng lượng như Mặt trời,
Gió, Hợp chất hữu cơ và nhiệt năng của trái đất.

Các nguồn năng lượng được tạo ra từ quá trình hoá thạch chính là năng lượng mặt trời
được biến đổi, lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ. Ngược lại ở các nguồn năng lượng
mới mang tính tại tạo thì năng lượng mặt trời được sử dụng dưới rất nhiều hình thức
khác nhau. Hiện nay có những khả năng sử dụng năng lượng mới mang tính tái tạo như
sau:
-

Năng lượng mặt trời

-

Năng lượng gió

-

Thuỷ điện hay năng lượng từ sức nước

-

Địa nhiệt

-

Năng lượng từ các hợp chất hữu cơ

Hiện nay mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới tổng cộng là
1,07 x 1011 MWh.
Trong đó mức tiêu thụ điện năng là
1,87 x 109 MWh
Chiếm khoảng 17% mức năng lượng tiêu thụ tổng cộng.

1


Có thể thấy rằng trong những năm tiếp theo thì mức tiêu thụ năng lượng tổng cộng nói
chung cũng như mức tiêu thụ điện năng nói riêng sẽ tăng lên rất mạnh trên phạm vi
toàn thế giới.
1.2

Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là năng lượng được tạo ra từ các phát ứng hạt nhân của mặt trời.
Năng lượng này có thể thu được dưới dạng bức xạ điện từ chiếu xuống trái đất.
Ở biên giới khí quyển thì cường độ (Công suất) của bức xạ mặt trời có giá trị là 1,367
kW/m². Nếu các tia bức xạ mặt trời chiếu vuông góc tới một mặt phẳng trên bề mặt trái
đất thì cường độ bức xạ chỉ còn vào khoảng 1 kW/m².
Thông qua các tia bức xạ mặt trời có thể thu được 1 mức năng lượng hàng giờ là
1,74 x 1011 MWh
trên trái đất.
Hay nói cách khác là trái đất nhận một công suất là 1,74 x 1011 MW.
Năng lượng mặt trời này dùng chủ yếu để làm ấm bầu khí quyển, trái đất và nước. Chỉ
có khoảng 1 - 2 % năng lượng mặt trời được biến thành năng lượng gió. Và khoảng
0,02 – 0, 03 % năng lượng mặt trời được sử dụng để tạo ra các hợp chất hữu cơ.
1.2.1

Quang điện

Quang điện là hiện tượng biến các chùm tia bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ vào
hiệu ứng quang điện trong các tế bào quang điện. Cách tạo điện năng này hoàn toàn
không gây ra tiếng ồn và không gây ra sự toả hơi hay mùi.
Tế bào quang điện có cầu tạo từ rất nhiều lớp mỏng được chế tạo từ vật liệu bán dẫn.
Vật liệu cơ bản của tế bào quang điện là Silic.
Lượng tử ánh sáng mặt trời chiếu lên tế bào quang điện và kích thích các electron tự
do thoát ra khỏi vật liệu bán dẫn. Các electron tự do này sẽ được dẫn theo một kênh
dẫn đặc biệt và sẽ tạo ra được dòng điện.
1.2.2

Nhiệt năng từ mặt trời

Nhiệt năng từ mặt trời sẽ được dùng để làm nóng nước được chứa trong các bộ thu
nhiệt mặt trời đặc biệt. Nước được làm nóng trong các bộ thu nhiệt mặt trời này có thể
sử dụng cho sinh hoạt hay cho sưởi ấm.
Để làm nóng nước cho sinh hoạt thì với các điều kiện khí hâu ở Đức thì trung bình các
thiết bị thu nhiệt cần phải có một diện tích thu nhiệt vào khoảng 1,5 – 2,0 m 2/ 1 người.

2


Đối với các thiết bị thu nhiệt dùng cho sưởi ấm thì diện tích thu nhiệt phải lớn hơn từ 2
đến 3 lần.
1.3

Năng lượng gió

Năng lượng gió chính là động năng của khối không khí trong khí quyển.
Động năng này xuất hiện do sự bức xạ không đều của mặt trời lên trái đất. Do sự bức
xạ không đều này mà sự làm ấm khác nhau của khí quyển, nước và mặt đất sẽ bị tác
động.
Do sự khác nhau về áp suất và nhiệt độ cũng như quá trình quay của trái đất, khối
không khí sẽ chuyển động và sẽ tạo ra những dòng không khí khác nhau vào các thời
gian khác nhau trong năm.
Có thể sử dụng động năng của khối không khí chuyển đông này của các thiết bị phát
điện sử dụng năng lượng gió hay các máy chạy bằng sức gió.
1.4

Thuỷ năng

Thuỷ năng chính là khai thác năng lượng của dòng nước chảy. Năng lượng của dòng
nước chảy với sự giúp đỡ của những máy móc rất khác nhau sẽ được biến đổi thành

năng lượng cơ học. Trước kia năng lượng cơ học này thường được sử dụng trực tiếp.
Tuy nhiên ngay này năng lượng cơ học này thường được biến đổi tiếp thành điện năng.
Với sự trợ giúp của năng lượng mặt trời, nước sẽ bay hơi và chuyển đến các vùng cao
dưới dạng các cơn mưa. Và khi chảy từ những vùng cao này trở lại về biển, thì thế
năng sẽ được biến thành động năng và năng lượng này có thể sử dụng được.
Việc sử dụng thuỷ năng có thể được thực hiện với các thiết bị bánh xe nước đơn giản
hay nhưng tuốc bin hiện đại.
Công suất tạo ra được sẽ phụ thuộc vào độ cao của thác cũng như phụ thuộc vào thể
tích nước chảy qua.
1.5

Địa nhiệt

Địa nhiệt hay còn gọi là nhiệt năng của trái đất là năng lượng lưu trữ dưới dạng nhiệt
năng nằm ở dưới bề mặt của lớp vỏ trái đất.
Khái niệm địa nhiệt mô tả quá trình khai thác nhiệt năng tự nhiên này và biến nó thành
các dạng năng lượng cần thiết khác.
Khả năng khai thác sử dụng năng lượng từ địa nhiệt tuỳ vào những vùng khác nhau
cũng sẽ rất khác nhau. Ví dụ ở những vùng có núi lửa đang hoạt động việc khai thác sử
dụng rất đơn giản, trong khi ở những khu vực khác cần phải khoan sâu tới hàng nghìn
mét để có thể khai thác được nhiệt năng này.
3


Ở những lớp đất phía trên (Độ sâu 20 m tính từ bề mặt trái đất) thì địa nhiệt được xác
định là phụ thuộc chủ yếu vào bức xạ của mặt trời.
Ở những lớp đất sâu hơn do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhân trái đất và lớp bề mặt trái
đất, nhiệt năng của trái đất sẽ được truyền từ phía sâu ra ngoài. Ở Đức thì cường độ
truyền nhiệt năng này vào khoảng 60 - 80 mW/m².
Sự nóng lên sẽ phụ thuộc vào độ sâu và có giá trị vào khoảng 3 °C / 100 m chiều sâu.

Địa nhiệt được sử dụng chủ yếu cho mục đích sưởi ấm.
Để sưởi ấm các ngôi nhà thì nước ngầm có nhiệt độ từ 8 – 10 0C từ độ sâu tới 30 m sẽ
được sử dụng. Nước ngầm này sẽ được xử lý tới nhiệt độ sưởi ấm nhờ vào một bơm
nhiệt.
Trong trường hợp cần lượng nhiệt năng lớn để cung cấp cho cả một vùng nào đó thì
phải thực hiện khoan các lỗ với chiều sâu hàng nghìn mét.
Ngoài ra cũng cần phải thực hiện các lỗ khoan như vậy trong trường hợp muốn dùng
nhiệt năng của trái đất để làm bay hơi nước dùng cho các tuốc bin hơi nước nhằm tạo
ra điện năng.
1.6 Năng lượng mang tính tái tạo từ các hợp chất hữu cơ
1.6.1 Khái quát
Hợp chất hữu cơ được tạo ra thông qua sự quang hợp ở các thực vật. Như vậy hợp chất
hữu cơ xuất hiện thông qua sự biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành năng lượng.
Có thể khai thác sử dụng hợp chất hữu cơ từ những lĩnh vực sau đây:
- Các sản phẩm thực vật từ nông nghiệp hay lâm nghiệp
- Các sản phẩm chất thải như ngũ cốc, rơm, gỗ, vỏ bào từ nông nghiệp hay lâm
nghiệp
- Các chất thải ví dụ như chất thải từ quá trình chế tạo các sản phẩm thực phẩm
hay các chất thải được thu thập khác
Các chất thải sinh học có thể được sử dụng bằng 2 cách khác nhau để tạo ra năng
lượng tuỳ thuộc vào hàm lượng xenlulo:
-

Tạo ra năng lượng bằng cách đốt

-

Tạo ra năng lượng bằng cách lên men

1.6.2

Sự cháy của các hợp chất hữu cơ

Khoảng 80% chất hữu cơ sẵn có hiện nay có cấu tạo từ gỗ và những chất hữu cơ này sẽ
được đốt nhằm tạo ra năng lượng.
4


Năng lượng tạo ra được từ quá trình đốt cháy này được sử dụng cho các nhu cầu sưởi
ấm hoặc tạo ra điện nặng.
Quá trình đốt cháy về bản chất chính là sự oxy hoá hợp chất các bon trong hợp chất
hữu cơ thành CO2. Quá trình oxy hoá này sẽ giải phóng nhiệt năng.
Ở quá trình sản xuất điện năng từ các hợp chất hữu cơ thì nhiệt năng được giải phóng
từ quá trình oxy hoá này sẽ dùng để tạo ra hơi nước tư nước chứa trong các bình chứa.
Hơi nước này sẽ được dẫn vào các tuốc bin chạy bằng hơi nước để tạo ra điện năng.
1.6.3

Sự lên men các hợp chất hữu cơ.

Sự lên men các hợp chất hữu cơ là sự phân huỷ của các vật liệu hữu cơ với hàm lượng
xenlulo thấp nhờ vào các vi sinh vật trong điều kiện không có oxy và có sự cung cấp
nhiệt năng. Quá trình lên men này sẽ tạo ra các khí sinh học. Khí sinh học có cấu tạo từ
Methan (Chiếm 60 -70 %) và CO2 (Chiếm 30 – 40 %). Khí sinh học này có thể được
đốt cháy để cung cấp nhiệt năng hoặc dùng để chạy các động cơ nhằm tạo ra điện năng.
Các hợp chất hữu cơ dùng cho việc lên men chủ yếu là các sản phẩm từ nông nghiệp
như ngũ cốc hay các chất thải như chất thải từ sinh hoạt hàng ngày hoặc là phân dưới
dạng lỏng.
Quá trình lên men diễn ra theo 3 mức: Thuỷ phân, Tạo thành axid acetic và tạo thành
methan.
Các phần chất thải hữu cơ còn lại sau quá trình lên men này có thể được tái sử dụng

làm phân bón trong nông nghiệp.
1.6.4

Sự biến thành dầu của các hợp chất hữu cơ

Các sản phẩm nông nghiệp có chứa hàm lượng dầu thực vật lớn như đậu nành, cây cải
dầu có thể được ép để tạo ra dâu thực vật. Dầu thực vật nay có thể dung để chạy các
động cơ nhằm tạo ra năng lượng
2. Tiềm năng cũng như tình hình triển khai ứng dụng cho đến nay
2.1 Năng lượng mặt trời
Mặt trời cung cấp một lượng năng lương hàng năm là :
1,52 x 1015 MWh.
Lượng năng lượng này lớn gấp 2000 – 3000 lần nhu cầu năng lượng hiện này ( 6 x 10 11
MWh)
Các tính toán chỉ ra rằng chỉ với ít hơn 0,3 % diện tích sa mạc hiện có ở Bắc Phi thì có
thể đáp ứng được nhu cầu điện năng toàn bộ cho vùng Bắc Mỹ và Châu Âu.
2.2

Năng lượng gió
5


1- 2% năng lượng bức xạ từ mặt trời được chuyển thành năng lượng gió. Lượng năng
lượng biến chuyển thành năng lượng gió này có giá trị là 1013 MWh
Giả thiết rằng một khu công viên gió với diện tích vào khoảng 100 ha có thể tạo ra một
lượng điện năng là 45 x 10 6 kWh hàng năm thì người ta cần phải có một diện tích đất
tổng công là khoảng 60 000 ha để có thể thoả mãn được nhu cầu điên năng trên thế
giới hàng năm là vào khoảng 27 x 10 6 MWh. Diện tích này chỉ bằng 0,001 % diện tích
tổng cộng của Việt Nam.
2.3

Thuỷ năng

Hiện nay trên thế giới thuỷ năng đáp ứng được khoảng 20% nhu cầu về điện năng.
Điện năng được tạo ra từ thuỷ năng là 5,4 x 10 6 MWh/năm. Chính vì vậy có thể nói
rằng hiện nay trong các nguồn năng lượng mới có tính tại tạo thì thuỷ năng đóng góp
phần lớn nhất đối với quá trình tạo ra điện năng.
Các chuyên gia cho rằng tiềm năng có thể khai thác được của thuỷ năng còn có thể cao
hơn mức khai thác hiện nay đến 5 lần và như vậy nếu khai thác được hết tiềm năng của
thuỷ năng thì có thế đáp ứng được toàn bộ nhu cầu điện năng hàng năm trên toàn thế
giới. Tuy nhiên việc khai thác thuỷ năng còn phụ thuộc rất lớn vào những tác động về
mặt sinh thái tới môi trường.
2.4

Địa nhiệt

Tiềm năng khai thác nhiệt năng từ trái đất là vô tận. Tuy nhiên hiện nay do các lý do về
chi phí, quá trình khai thác địa nhiệt không có khả năng cạnh tranh với các dạng năng
lượng khác.
Tuy nhiên với sự thiếu hụt của các nguồn năng lượng được tạo ra từ quá trình hoá
thạch cũng như sự đắt lên của các nguồn năng lượng do sự thiếu hụt này thì trong
tương lại nguồn năng lượng dự trự này sẽ được khai thác rất mạnh.
2.5

Hợp chất hữu cơ

Trung bình thì các thực vật có thể tạo ra được một năng lượng thực là 5,8 kWh trên 1
m² . Nếu tính trên tổng các diện tích có trông cây (thực vật) trên trái đất thì thì thực vật
có thể tạo ra một năng lượng là
1,91 x 107 MWh

Như vậy năng lượng có thể tạo ra từ thực vật trong 1 năm là 1,67 x 10 11 MWh và năng
lượng này lớn hơn nhu cầu năng lượng hàng năm là 1,07 x 1011 MWh.
Chính vì vậy trong tương lai hợp chất hữu cơ sẽ có một đóng góp đáng kể vào quá
trình tạo ra năng lượng. Điều này cũng đúng ngay cả trong trường hợp chỉ có các chất
6


thải rắn từ nông nghiệp, lâm nghiệp cũng như các chất thải từ các sản phầm thực phẩm
hay các chất thải đô thị được sử dụng.
3. Các viễn cảnh trong tương lai

CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tiến sỹ kỹ thuật Peter Henigin

Năng lượng và công suất
Năng lượng chính là „Công“ được lưu trữ trong một hệ thống hoặc là khả năng của
một hệ thống để thực hiện một „Công“ nào đó (Ví dụ: năng lượng cơ học dưới dạng
động năng, thế năng, nhiệt năng, năng lượng dính kết). Đơn vị của hệ năng lượng theo
hệ đơn vị chuẩn SI là Joule (J).
Đối với các thiết bị phát điện bằng sức gió thì thường áp dụng các đơn vị sau đây để
biểu thị cho năng lượng như kWh hay MWh.
Công suất là năng lượng hay „Công“ trên một đơn vị thời gian. Đơn vị của công suất
theo hệ đơn vị chuẩn SI là watt (W)
Đối với các thiết bị phát điện sử dụng năng lượng gió thì thường sử dụng các đơn vị là
kW hay MW
Tính chuyển đổi: 1 MW=103 kW = 106 W

Công suất gió
Theo định luật về lực của Newton (Định luật 2 Newton) thì
K = ma

[N]

Với K - Lực

7

(1)


m - Khối lượng
a - Gia tốc
Chú ý là „Công“ chính là tích phân quãng đường của lực nên có công thức
Et = ½ m v ²

[Ws]

(2)

Với v - vận tốc
Đối với công suất gió thì công thức (2) có nghĩa là lượng không khí với khối lượng m
chuyển động với vận tốc là v sẽ có một động năng Et trên một đơn vị thời gian.

Hình 1: Dòng không khí
Căn cứ vào hình 1 thì thể tích không khí V đi qua một tiết diện ngang A với vận tốc v sẽ là
V = A V [m³/s]

(3)

Khối lượng không khí M và mật độ không khí ρ sẽ được tính theo công thức (4)

M = ρ v A [kg/s]

(4)

Do vậy ta có công thức (5)
Et = ½ ρv ³ A [W]

(5)

Với Et - lượng năng lượng trên một đơn vị thời gian cũng như
P0 = ½ ρv ³ A [W]

(6)

Từ công thức (5), (6) có thể rút ra một kết luận rất quan trọng là công suất gió sẽ tỷ
lệ với luỹ thừa bậc 3 của vận tốc gió.
8


Hình 2 chỉ rõ sự tăng lên của công suất gió trên mỗi một m² tương ứng với sự tăng lên
của vận tốc cho trường hợp mật độ không khí 1, 225 kg/m³ (Đây chính là mật độ không
khí khô tại áp suất khí quyển ở chiều cao mặt nước biển với nhiệt độ không khí là 15 °C)

Hình 2: Công suất gió
Công suất của thiết bị WEA
Để xác định được công suất của thiết bị WEA thì cần phải áp dụng các định luật sau
đây:
a) Phương trình về tính liên tục ở dạng phương trình (4)
M = ρV F [kg/s]

(7)

b) Định luật về lực của Newton (Định luật 2 Newton) ở dạng phương trình (2)
Et = ½ m v ² [W]
(8)
c) Rút ra từ định luật bảo toàn động lượng theo hình 3:

v=

v1 + v2
(m / s ) (9)
2

- Với v1 - Vận tốc gió trước khi gặp thiết bị WEA

- Với v2 - Vận tốc gió sau khi gặp thiết bị WEA
- Với v - Vận tốc gió khi gặp (tại) thiết bị WEA

9


V2

Hình 3: Bảo toàn động lượng
Phần năng lượng được sử dụng bởi thiết bị WEA trên một đơn vị thời gian hay nói cách
khác là công suất P được tạo ra bởi thiết bị WEA sẽ chính là hiệu số giữa phần công
suất gió trước khi gặp và sau khi gặp thiết bị WEA.
E = E1– E2 = P [W]
= ½ m v1² - ½ m v2² [W]

= ½ m (v1² - v2²) [W]
(10)
Từ phương trình (10) có thể thấy rằng E sẽ đạt giá trị lớn nhất nếu như v 2 = 0, tuy nhiên
điều này về mặt vật lý là không thể vì nếu như v2 = 0 thì theo phương trình về tính liên
tục thì v1 cũng phải bằng 0.
Sẽ hợp lý hơn về mặt vật lý nếu như có được một tỷ lệ tối ưu giữa v1 và v2 và với tỷ lệ
tối ưu này thì công suất của thiết bị WEA sẽ là lớn nhất.
Nếu sử dụng các phương trình (7), (9) và (10) thì ta có:
P = ¼ ρF (v1 + v2)(v1² - v2²) [W]
Nếu như so sánh về mặt tỷ lệ giữa P với công suất tổng cộng P0 của gió thổi qua một bề
mặt có diện tích F mà không gặp phải một sự cản trở nào (Phương trình 6) thì ta có:
P / P0 = ¼ ρF(v1 + v2)(v1² - v2²) ½ ρF v1³ [-] (12)
Với một vài biến đổi đơn giản tiếp theo ta thu được:
P / P0 = ½ (1– (v2 / v1)²)(1 + (v2 / v1))

[-]

(13)

Nếu như biểu diễn P / P0 như là một hàm số của v2/v1 thì ta thu được một đồ thị biểu
diễn như ở hình 4

10


Hình 4: Tỷ lệ P/P0
Từ hình 4 có thể dễ dàng nhận thấy rằng giá trị lớn nhất của hàm P / P0 là 16/27 đạt
được tại giá trị v2/v1 = 1/3.
Điều này có nghĩa là, công suất lớn nhất có thể của 1 thiết bị WEA sẽ đạt được nếu như
v2/v1 = 1/3 và công suất lớn nhất có thể sẽ vào khoảng 59%. Hệ số về công suất này

trong thực tế không thể đạt được ở những thiết bị WEA cỡ lớn (Tuy nhiên trong những
trường hợp này thì hệ số công suất cũng lớn hơn 0,5).
Việc rút ra những vấn đề trên đây được dựa theo các công trình được công bố từ năm
1922 đến năm 1925 của Albert Betz. Chính vì vậy các kết quả nguyên bản đôi khi cũng
còn được gọi là định luật Betz`sches.

11


NHỮNG SUY NGHĨ MANG TÍNH NGUYÊN TẮC CƠ BẢN VÀ
CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN CHO VIỆC LỰA CHỌN ĐỊA ĐIỂM
Tiến sỹ kỹ thuật Peter Henigin
Các tiêu chuẩn liên quan:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Điều kiện gió
Khoảng cách tới các công trình dân cư
Kết nối vào mạng lưới hoặc hoạt động riêng biệt
Độ nhấp nhô và sự dịch chuyển
Sơn văn học (Khoa học nghiên cứu về núi)
Các khó khăn cản trở
Sự chuyển động không đều của không khí

Chỗ khuất gió
Tỷ suất tác động (tỷ số giữa năng lượng thực tế mà 1 WEA tạo ra và năng lượng
lớn nhất về mặt lý thuyết mà 1 WEA tạo ra)

12


1. Điều kiện gió:
Thông số quan trọng nhất quyết định một địa điểm nào đó có thích hợp cho việc lắp đặt
thiết bị phát điện chạy bằng năng lượng gió (WEA) hay không chính là các điều kiện
gió. Tiêu chuẩn quan trọng nhất biểu thị điều kiện gió chính là vận tốc gió trung bình
( xem hình 1). Vận tốc gió trung bình sẽ cho biết gió theo phương ngang thổi tại một
địa điểm xác định trong khoảng thời gian quan sát tổng cộng (Ví dụ 1 năm) với độ
mạnh trung bình như thế nào.
Vận tốc gió trung bình này sẽ được tính theo công thức sau:

v=

1 l
∑ vn
l n=1

với v - vận tốc gió trung bình (m/s)
l - Số lần đo vận tốc gió trong 1 năm
n - Chỉ số của mỗi lần đo
Vận tốc gió trung bình này bị ảnh hưởng bởi các thông số rất khác nhau như độ nhấp
nhô, sơn văn học, sự chuyển động không đều của không khí…Sau đây chúng ta sẽ đi
lần lượt vào những thông số ảnh hưởng này.
2. Khoảng cách tới các công trình dân cư:
Có tổng cộng 3 tác động làm phiền tới con người mà các thiết bị WEA có thể gây ra

như sau:
a) Tác động tới tầm nhìn
b) Ảnh hưởng về tiếng ồn
c) Hiệu ứng “Bóng râm chuyển động”
Tác động về tầm nhìn phụ thuộc vào độ lớn của thiết bị. Tác động về tầm nhìn hoàn
toàn phụ thuộc chủ quan vào những người quan sát, liệu họ cảm thấy độ lớn như vậy là
hợp lý hay là với độ lớn như vậy thì cảm thấy bị quấy rầy.
Tác động về tiếng ồn xuất hiện do sự phát ra tiếng ồn trong quá trình quay của các cánh
13


quạt của rotor. Tuy nhiên những tiếng ồn này ở khoảng cách 100 m thì hầu như không
thể cảm nhận thấy do bị lẫn với các tiếng ồn nhiễu khác từ môi trường xung quanh như
tiếng ồn của cây cối hay các tiếng ồn của cuộc sống sinh hoạt hàng ngày.
Các thiết bị WEA có thể tạo ra hiệu ứng „Bóng râm chuyển động“ phụ thuộc vào
hướng gió, tình trạng nắng cũng như tình trạng hoạt động. Ở Đức thời gian kéo dài tối
đa cho phép theo luật định của hiệu ứng „Bóng râm chuyển động“ là 30 phút một ngày
hoặc 30 giờ một năm.
3. Kết nối vào mạng lưới hoặc hoạt động riêng biệt:
Do độ lớn về mặt công suất, những thiết bị WEA loại lớn (công suất lớn hơn 1 MW) sẽ
được nối kết vào mạng lưới. Thích hợp phổ biển cho sự kết nối này là các đường dây 10
đến 30 kV. Tuy nhiên cũng cần kiểm tra khả năng tiếp nhận đối với hệ thống đường
dây có sẵn như thế nào.
Nếu giá trị này bị vượt qua thì cần thiết phải nâng công suất của hệ thống đường dây.
Hoạt động riêng biệt (Năng lượng điện tạo ra bởi các thiết bị WEA sẽ không được nối
kết vào mạng lưới có sẵn hay mạng lưới sẽ được xây dựng) thường xuất hiện ở những
thiết bị WEA cỡ nhỏ khi có những nhu cầu về năng lượng không đổi hoặc có thể đạt
được những thiết bị lưu trữ năng lượng (Ví dụ giống như hệ thống trữ nước trên đảo,
xem hình 2).
4. Độ nhấp nhô và sự dịch chuyển

Độ nhấp nhô của bề mặt đất càng lớn thì gió càng bị cản lại mạnh. Điều này xuất hiện
rất rõ nét trong đối với những khu vực có công trình xây dựng lớn hay những khu rừng.
Ngược lại đối với những bề mặt nước phẳng rộng lớn (ví dụ như mặt biển) thì gió hầu
như không bị cản trở. Để có thể mô phỏng được vận tốc gió trung bình thì độ nhấp nhơ
bề mặt đất được chia thành các cấp (xem bảng sau đây)
Bảng 1: Cấp nhấp nhô và chiều cao nhấp nhô
Cấp
nhô

0

nhấp Chiều
nhấp
[m]
0,0002

cao Chỉ số năng Kiểu bề mặt đất
nhô lượng
[%]
100

Mặt nước

14


0,5

0,0024

73

Những địa hình thoáng với các bề
mặt phẳng ví dụ như bê tông, đường
băng hạ cánh, các thảm cỏ được cắt
tỉa.

1

0,03

52

Những vùng đất nông nghiệp thoáng
không có hang rào với những ngôi
nhà nằm phân tán ở xa.
Các gò đồi rất thấp

1,5

0,055

45

Những vùng đất nông nghiệp với một
ít nhà và các rào chắn với chiều cao
8m ở khoảng cách xấp xỉ 1250 m
xung quanh

2

0,1

39

Những vùng đất nông nghiệp với một
ít nhà và các rào chắn với chiều cao
8m ở khoảng cách xấp xỉ 500 m
xung quanh

2,5

0,2

31

Những vùng đất nông nghiệp với một
ít nhà và các rào chắn với chiều cao
8m ở khoảng cách xấp xỉ 250 m
xung quanh

3

0,4

24

Các làng, thành phố nhỏ hay những
vùng đất nông nghiệp với rất nhiều
rào chắn caom các khu rừng.

Những khu vực rất nhấp nhô không
bằng phẳng

3,5

0,8

18

Các thành phố lớn với các toà nhà
cao

4

1,6

13

Những thành phố lớn với các toà nhà
cao, có sự ngăn cản di chuyển của
mây

Do độ nhấp nhô, càng gần mặt đất vận tốc gió sẽ càng giảm đi. Diễn biến này được gọi
là hiện tượng dịch chuyển của gió. Hiện tượng này có liên quan rất quan trọng tới các
thiết bị WEA vì các cánh quạt của rotor sẽ chịu tại rất khác nhau phụ thuộc vào sự dịch
chuyển của gió. Những mối quan hệ chính xác hơn về hiện tượng dịch chuyển của gió
15


(bao gồm cả các công thức) sẽ được trình bày trong bài giảng „Các cơ sở lý thuyết của

năng lượng gió“
5. Sơn văn học
Sơn văn học mô tả địa hình của một khu vực nào đó. Do vậy nó có ảnh hưởng lớn đối
với vận tốc gió. Các thiết bị WEA thường được lắp đặt trên các đỉnh đồi núi vì ở đây
vận tốc gió lớn hơn các khu vực xung quanh. Điều này đặc biệt đúng trong những
trường hợp trước đỉnh đồi núi theo hướng gió chính không có những vật cản có chiều
cao tương ứng. Ở nơi có những vật cản này thì gió sẽ bị cản lại do sự nhấp nhô của địa
hình hay do chính những vật cản chắn gió này (Xem hình 3)
Hiệu ứng „Đường hầm“ xuất hiện khi một thiết bị WEA được lắp trên đỉnh đồi núi ở
hướng gió chính. Trong trường hợp này, dòng không khí đến sẽ bị nén lại dẫn đến vận
tốc sẽ tăng lên. Do vậy nó sẽ thổi qua „rào chắn“ với vận tốc lớn hơn (Xem hình 4).
Điều này đã chỉ ra rằng sự lựa chọn địa điểm đúng đắn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố
đầu vào. Ngược lại, ở sự lựa chọn địa điểm sai không thích hợp thì thường yếu tố sơn
văn học không được chú ý đầy đủ dẫn đến vận tốc gió thấp hơn giá trị dự đoán lý
thuyết.
6. Sự chuyển động không đều của không khí
Sự chuyển động không đều của không khí xuất hiện khi dòng không khí bị làm chệch
hướng bởi các rào chắn. Do các rào chắn này vận tốc của gió sẽ bị giảm đi đến mức sau
các rào chắn sẽ xuất hiện hiện tượng chuyển động không đều của không khí (Không khí
chuyển động hỗn loạn).
Chính vì vậy cần đặc biệt chú ý để không có các rào chắn trước các thiết bị WEA do
những rào chắn này sẽ làm giảm vận tốc gió cũng như gây ra hiện tượng chuyển động
không đều của không khí (Xem hình 5)
7. Chỗ khuất gió:
Những khu vực đằng sau các rào chắn, nơi gió thổi với vận tốc thấp được gọi là những
vùng khuất gió. Ở những vùng này vận tốc gió phụ thuộc vào tỷ lệ lỗ rỗng của rào chắn.
Ví dụ các ngôi nhà do tính chất của nó sẽ không có các lỗ rỗng trong khi các cây cối do
bản chất tự nhiên sẽ có các „lỗ rỗng“ cho phép gió đi qua. Chính vì vậy các cây cối ít
cản gió hơn so với các ngôi nhà (xem hình 6).
16

8. Tỷ suất tác động (tỷ số giữa năng lượng thực tế mà 1 WEA tạo ra và năng lượng
lớn nhất về mặt lý thuyết mà 1 WEA tạo ra)
Nếu như các thiết bị WEA được bố trí liên tiếp nhau trong hướng gió chính thì cũng có
thể gây ra hiện tượng „Rào chắn“. Do các WEA phía trước sẽ cản gió của WEA phía
sau. Những phát biểu chính xác hơn về hiện tượng này sẽ được trình bày trong bài
giảng „Những cơ sở lý thuyết của năng lượng gió - Kỹ thuật thiết bị - Kỹ thuật xây
dựng“.
Tuy nhiên về mặt kinh nghiệm thì khoảng cách giữa 2 thiết bị WEA trong hướng gió
chính phải bằng 7 lần đường kính rotor và khoảng cách giữa 2 thiết bị WEA vuông góc
với hướng gió chính phải bằng 4 lần đường kính rotor (xem hình 7).
Với sự giúp đỡ của các mô hình tương ứng cũng như các hiểu biết về các thông số khác
nhau ví dụ hướng gió có thể xác định được sự mất mát về năng lượng.

17


KINH TẾ VÀ TÀI CHÍNH
Wolfgang Fettig
Mục lục
1. Những kiến thức cơ bản
1.1 Các dữ liệu lịch sử về sự phát triển của „Phát điện sử dụng năng lượng gió“
1.2 Các giai đoạn dự án để phát triển một „Công viên gió“ (1 địa điểm tập trung rất
nhiều thiết bị phát điện chạy bằng sức gió – WKA)
1.3 Các đối tác tham gia và nhiệm vụ của các đối tác
1.4 Luật công ty và luật hợp đồng
2. Tính kinh tế của các dự án „Phát điện sử dụng năng lượng gió“
2.1 Các mong đợi về mặt kinh tế
2.2 Chi phí đầu tư

2.3 Chí phí vận hành
2.4 Các khả năng của việc tối ưu hoá lợi suất
3. Nguồn tài chính của các dự án “Phát điện sử dụng năng lượng gió”
3.1 Nguồn tài chính cho việc phát triển dự án
3.2 Nguồn tài chính của dự án
3.3 Nguồn tài trợ và các phụ cấp
4. Bài tập
5. Phụ lục

18


1. Những kiến thức cơ bản
Việc sử dụng năng lượng của gió nhằm tạo ra năng lượng cần thiết cho cuộc sống của
con người đã có truyền thống lâu đời, hàng nghìn năm. Trong vòng hai thập kỷ vừa
qua, quá trình sử dụng năng lượng gió để sản xuất điện và để tạo ra các nguồn nhiệt đã
trải một quá trình phục hưng bền vững chưa từng có. Điều này bắt nguồn từ sự cạn kiệt
của các nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu khác cũng như sự thay đổi về khí hậu của
trái đất. Chương đầu tiên của bài giảng về „Kinh tế và tài chính của năng lương gió“ sẽ
chuyển giao cho người nghe một vài dữ kiện lịch sử cũng như các kiến thức cơ sở về
chủ đề này.
1.1 Các dữ liệu lịch sử về sử phát triển của „Phát điện sử dụng năng lượng gió“
1.1.1 Quá trình phát triển lịch sử của „Phát điện sử dụng năng lượng gió“
Quá trình phát triển của việc sự dụng năng lượng gió nhằm sản xuất ra điện năng đã bắt
đầu vào những năm 70 với những thí nghiệm đầu tiên. Tuy nhiên sự phát triển bùng nổ
của lĩnh vực này diễn ra vào những năm 80. Trong khoảng thời gian này, người ta bắt
đầu thực hiện tài trợ cho những nghiên cứu sử dụng năng lượng gió để tạo ra năng
lượng điện. Với luật cung cấp điện ra đời vào năm 1991, thì sự phát triển bùng nổ liên
tục cho đến tận thời điểm hiên nay của sử dụng năng lượng gió đã bắt đầu trước hết ở
Đức và hiện nay là trên phạm vi quốc tế.

Điểm cốt lõi của luật cung cấp điện là trách nhiệm của người điều hành mạng lưới cung
cấp điện đối với như cầu điện năng cũng như các quy tắc có liên quan về giá thanh toán
của điện năng đã được cung cấp.
Sự phát triển này được thúc đẩy một lần nữa vào năm 2001 với việc thông qua luật về
các nguồn năng lượng mới mang tính tái tạo ở Đức (viết tắt là EEG) và sự phát triển
này chỉ bị thay đổi chút ít do các điều luật sửa đổi bổ xung vào năm 2004. Theo điều
luật bổ xung này thì giá thanh toán không đổi trong thời gian hoạt động 20 năm kể từ
năm bắt đầu hoạt động đã được xác định. Giá thanh toàn này (hiện nay khoảng 8.1
cent/kWh) thì thấp hơn khoảng 2% so với sự giảm hàng năm. Với điều này mọi người
muốn đảm bảo tạo ra sự tăng năng suất ở quá trình chế tạo thiết bị.

19


Hình vẽ: Công suất điện năng được tạo ra từ năng lượng gió (MW) trong khoảng thời
gian từ năm 1991 đến năm 2006 (Nguồn: Hiệp hội liên bang về năng lượng gió e.V.
BWE, 1/2007)
Dưới tác động của những quyết định mang tính chính trị này, cho đến cuối năm 2003 có
đến khoảng 2/3 các thiết bị phát điện sử dụng năng lượng gió ở Châu Âu được lắp đặt ở
CHLB Đức. Từ thời điểm đó hiện nay ở Đức có khoảng 18685 thiết bị WEA với công
suất lắp đặt vào khoảng 20621 MW. Như vậy ở Đức năng lượng gió giúp đáp ứng được
5.7% năng lượng điện tiêu thụ.

Hình vẽ: Quá trình phát triển của công suất được lắp đặt trên toàn thế giới (Nguồn:
Nghiên cứu về năng lượng gió 2006, viên năng lượng gió CHLB Đức DEWI GmbH)
1.1.2 Quá trình phát triển kỹ thuật của thiết bị phát điện sử dụng năng lượng gió
20


(Chiều cao trục, công suất và đường kính rotor)

Vào những năm 80 xu hướng chủ yếu là phát triển những thiết bị có công suất 30 đến
50 kW. Vào những năm 90 công suất được nâng lên từ 150 đến 250 kW. Cho đến
những năm cuối thập niên 90 người ta đã bắt đầu chế tạo những thiết bị có công suất
lớn hơn 500 kW cho đến 900 kW. Kể từ những năm bắt đầu thiên niên kỷ mới đến nay,
các nhà chế tạo đã nâng được công suất của thiết bị lên đến mức MW. Hiện này công
suất của những thiết bị được lắp đặt cỡ trung vào khoảng 2 MW và những thiết bị cỡ
lớn có thể có công suất lên đến 6 MW (Xem hình vẽ)

Hình vẽ: Công suất lắp đặt trung bình trên mỗi thiết bị phát điện sử dụng năng lượng
gió WEA và hàng năm ở Đức (Nguồn: Viện năng lượng gió CHLB Đức DEWI GmbH,
2007)
Một sự phát triển tương tự về mặt công suất có thể thấy ở chiều cao của trục và đường
kính của rotor. Các thiết bị loại lớn hiện nay được chào bán trên thị trường có chiều cao
trục vào cỡ 160 m và đường kính rotor vào cỡ 112 m.

21


Hình vẽ: Diễn biến phát triển của công suất danh nghĩa (kW), đường kính rotor và
chiều cao trục (m) trong khoảng thời gian từ 1980 đến 2005. Nếu sử dụng thang loga thì
có thể thấy các mối quan hệ này có dạng gần như là tuyến tính (Nguồn:
www.weltderphysik.de, 2006)
1.1.3 Sự phát triển của hiệu suất (Thu nhập và chi phí)
Sự phát triển về mặt công nghệ kỹ thuật như đã nói ở trên đã đem lại sự tăng thêm về
mặt năng suất rất lớn trong những năm vừa qua. Vào những năm 1990 giá mua 1 thiết
bị WEA vào khoảng 1260 Euro/kW thì đến năm 2004 giá mua 1 thiết bị WEA đã giảm
xuống còn 890 Euro/kW (giảm hơn 29%). Khi so sánh giá thành tài sản của 1 thiết bị
WEA với thời gian làm việc trong 1 năm đã được định trước (Đơn vị Euro/1kWh) từ
năm 1994 đến năm 2004 thì có thể thấy 1 xu hướng là giá thành tài sản giảm 53% từ
0,8 Euro/1kWh xuống còn 0,38 Euro/1kWh.

Hình vẽ: Giá thành thiết bị WEA tính trên 1 kWh trong 1 năm làm việc xác đinh (Địa
điểm tham khảo) (Nguồn hiệp hội liên bang về năng lượng gió e.V. BWE, 2006)
Như vậy có thể thấy rõ rằng hiện này với những thiết bị cỡ lớn với công suất từ 2 – 3
MW thì tại một địa điểm xác định có thể tạo ra được nhiều điện năng hơn 20 lần với giá
thành giảm đi rõ rệt so với thời điểm trước đây 20 năm.
1.1.4 Những yếu tố về mặt kinh tế của „Phát điện sử dụng năng lượng gió“ từ các ví
dụ của CHLB Đức
Sự phát triển bùng nổ hiện nay của „Phát điện sử dụng năng lượng gió“ không chỉ ở
Đức mà trên toàn thế giới thể hiện những yếu tố về mặt kinh tế đầy hứa hẹn. Các công
22


ty Đức về lĩnh vực „Phát điện sử dụng năng lượng gió“ đã nâng doanh thu trong 3 năm
vừa qua từ khoảng trên 3 tỷ Euro lến đến xấp xỷ 5 tỷ Euro. Tính trên phạm vi toàn thế
giới thì doanh thu của các công ty từ khoảng trên 6 tỷ Euro vào năm 2004 đã tăng lên
vào khoảng 18 tỷ Euro vào năm 2007.
Nhờ vào sự phát triển ở quy mô lớn này mà có thể tạo ra được nhiều chỗ làm việc mới.
Ở Đức vào năm 2006 có hơn 70000 người làm việc trong lĩnh vực năng lượng sức gió.
Ngoài ra theo tính toán vào năm 2020 phải tạo ra được 112 000 chỗ làm việc trong lĩnh
vực năng lượng sức gió.

Hình vẽ: Số chỗ làm việc trong ngành năng lượng sức gió (Nguồn: Hiệp hội liên bang
năng lượng gió e. V. BWE, 2005)
Theo tính toán của Hiệp hội liên bang năng lượng gió của Đức thì đối với quá trình đầu
tư, mỗi triệu Euro giá trị gia tăng sẽ giúp tạo ra 10,5 chỗ làm việc. Trong khi đó thì quá
trình vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị thì cần ít vốn hơn và với mỗi triệu Euro
doanh thu thì có thể tạo ra 14,9 chỗ làm việc.
Những người tạo ra việc làm ở đây chủ yếu là các công ty vừa và nhỏ. Tuy nhiên do các
mối liên quan truyền thống với các ngành chế tạo máy, lắp đặt thiết bị cũng như chế tạo

thiết bị cũng như ngành công nghiệp kim loại, ngành năng lượng sức gió đảm bảo sẽ
tạo ra rất nhiều chỗ làm trong tương lai.
Dọc theo chuỗi giá trị giá tăng tổng cộng thì các chỗ làm của ngành năng lượng gió yêu
cầu những nhân viên với các phẩm chất nghề nghiệp rất khác nhau từ người thợ thủ
công đến người thợ kỹ thuật, kỹ sư cho đến các luật sư, nhà khoa học, nhà kinh tế, từ
thợ hàn, thợ lắp điện đến các nhà kỹ thuật về chất dẻo. Ngoài ra cũng cần đến kỹ sư
23


kinh tế xí nghiệp, người bán hàng, các chuyên gia IT và các nhà vật lý.
1.2. Các giai đoạn dự án để phát triển một „Công viên gió“ (1 địa điểm tập trung
rất nhiều thiết bị phát điện chạy bằng sức gió - WEA)
Đặc trưng của việc phát triển một công viên gió nằm ở điểm phải luôn trải qua các giai
đoạn dự án mang tính tuần hoàn. Nó gồm các giai đoạn như tìm kiểm địa điểm với sự
đảm bảo bằng hợp đồng, giai đoạn xin cấp phép, giai đoạn xây dựng lắp đặt thiết bị và
tiếp theo đó là giai đoạn hoạt động trong nhiều năm của thiết bị. Giá trị giá tăng của dự
án cũng phát triển cũng với các giai đoạn của dự án, điều này có nghĩa là sau khi mỗi
giai đoạn của dự án được hoàn thành thì giá trị của dự án cũng sẽ tự động được nâng
cao lên. Những bước quan trọng nhất nằm ở các giai đoạn mang tính thương mại có liên
quan sẽ được vạch ra tiếp theo.
1.2.1 Lựa chọn địa điểm và đảm bảo địa điểm
1.2.1.1 Các tiêu chuẩn của việc lựa chọn địa điểm (Bảng liệt kê những mục cần kiểm
tra)
Việc lập kế hoạch của một dự án công viên gió luôn bắt đầu bằng việc tìm kiếm một
địa điểm thích hợp. Với sự giúp đỡ của một danh sách liệt kê các tiêu chuẩn như ở
bảng dưới đây, có thể tìm ra được các địa điểm mà ở đó về cơ bản có khả năng sử
dụng các thiết bị WEA và có vẻ là sẽ hứa hẹn các thành công. Sau đó việc lập kế
hoạch xin phép sẽ diễn ra dựa trên các cơ sở đã được đảm bảo chắc chắn ở bước
làm việc tiếp theo.

24


Tiêu chuẩn

Thông tin
Vị trí ngoài trời nếu có thể thì nằm ở những địa điểm cao
Ít có sự chiếu trực giao chuyển động, ví dụ không có những thung
lũng
sâu
Ít có những rào chắn cây cối, ví dụ không có rừng ở xung quanh

Địa văn học

thì tốt hơn là xuất hiện những cây cao
Có dòng chảy đến của không khí hoàn toàn tự do từ hướng gió
chính
Không có những gò cao trong khoảng từ 4 đến 5 km ngang với
hướng gió chính
Đối với mỗi thiết bị WEA phải có ít nhất 10 hecta
Phải đảm bảo khoảng cách tối thiếu 1000 m (Cũng tương tự đối với
các công trình xây dựng đặc biết khác)

Vị trí đến khu
vực dân cư

Để tránh ảnh hưởng của bóng râm: Các công trình xây dựng cần
nằm cách vị trí lựa chọn tối thiểu 1000 m
-

Theo hương tây ngang với thiết bị WEA: Bóng râm vào buổi
sáng

-

Theo hướng đông ngang với thiết bị WEA: Bóng râm vào
buổi tối
Có thể đi vào bằng các đường giao thông, có khả năng xây dựng
các đường giao thông cho xe hạng nặng, đường không có những
góc cua lớn, chiều rộng tối thiểu của đường giao thông từ 3,5 m đến
4m
Kiểm tra vị trí tới mạng lưới điện trung thế, theo kinh nghiệm đối
Cơ sở hạ tầng với mỗi MW lắp đặt thì khoảng cách tới điểm cung cấp điện tiếp
theo không được vượt quá 0,5 km.
Vị trí tới các khu vực bảo tồn (Khu vực bảo tồn thiên nhiên, khu
vực bảo tồn cảnh quan)
Vị trí tới sân bay, cột thông tin liên lạc, các cột thu phát truyền hình
( tuân theo nguyên tắc „càng xa càng tốt“)

25