XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỔNG QUÁT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ

CHƢƠNG 2. NGUỒN NĂNG LƢỢNG GIÓ

34

TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM

MỤC LỤC

2.1. Vật lý học về năng lƣợng gió
Nội dung phần

Trang

TRANG PHỤ BÌA
LỜI MỞ ĐẦU

1

MỤC LỤC

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

7

34

2.1.1. Các đặc trưng cơ bản về năng lượng gió

34

2.1.2. Năng lượng gió

37

2.2. Tiềm năng năng lƣợng gió ở Việt Nam

39

2.2.2. Chế độ gió ở Việt Nam

40

DANH MỤC CÁC BẢNG

8

2.3. Sản xuất điện từ năng lƣợng gió ở Việt Nam

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

9

CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỔNG QUÁT

11

HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ

CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI

39

2.2.1. Tốc độ gió, cấp gió

3.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống phát điện bắng sức gió

VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

43
46
46

11

3.1.1 Tổng quan về hệ thống

46

1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo

11

3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường

49

1.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo

13

3.1.3 Cấp điều khiển hệ thống

53

1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo

1.2. Vai trò của các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo hiện tại và trong

20

tƣơng lai

3.2. Nghiên cứu về hệ thống Turbine gió

54

3.2.1. Mô tả Turbine

54

3.2.2. Vận hành turbine

56

1.2.1. Các ứng dụng của NLMT

20

1.2.2. Các ứng dụng của năng lượng gió

22

1.2.3. Các ứng dụng của năng lượng sinh khối

22

1.2.4. Các ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ

22

CHƢƠNG IV. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN

1.2.5. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt

23

SỬ DỤNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Ở VÙNG NÚI VIỆT NAM

1.2.6. Các ứng dụng của năng lượng đại dương

24

1.3. Năng lƣợng mới và tái tạo ở Việt Nam

24

3.3. Nghiên cứu về máy phát điện sử dụng năng lƣợng gió

59

3.3.1. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ

59

3.3.2. Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu

63

4.1. Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ

68
68

4.1.1. Tổng quan về hệ thống

68

4.1.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống

68

4.2. Thiết kế máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 1,5kW

70

1.3.1. Nguồn và tiềm năng

24

1.3.2. Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam

27

4.2.2. Tính toán mạch từ

70

1.3.3. Triển vọng phát triển của NLTT

29

4.2.3. Tổn hao ở chế độ làm việc định mức

79

4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5


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




4.2.4. Các dặc tính làm việc của máy phát điện

81

4.2.5. Tính toán độ tăng nhiệt

81

4.2.6. Chỉ tiêu tiêu hao vật tư

83

4.2.7. Tổng kết các số liệu thiết kế

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

84

NLMT:

Năng lƣợng mặt trời

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

86

NLG:

Năng lƣợng gió

TÀI LIỆU THAM KHẢO

88

TL - HL:

Thƣợng lƣu và hạ lƣu

PHỤ LỤC

90

NLM & TT:

Năng lƣợng mới và tái tạo

NLTT:

Năng lƣợng tái tạo

PĐCSG:

Phát điện chạy sức gió

KĐB:

Không đồng bộ

KĐB - RDQ:

Không đồng bộ rotor dây quấn

DFIG:

Máy phát không đồng bộ nguồn kép

KĐB - RLS:

Không đồng bộ rotor lồng sóc

ĐK:

ĐIều khiển

NL:

Nghịch lƣu

MP:

Máy phát

HSCS:

Hệ số công suất

NLPL:

Nghịch lƣu phía lƣới

NLMP:

Nghịch lƣu máy phát

ĐB - KTVC:

Đồng bộ kích thích vĩnh cửu

CL:

Chỉnh lƣu

SG:

Máy phát sức gió tạo năng lƣợng xoay chiều

DSP:

Bộ vi xử lý tín hiệu

BĐKHT:

Bộ điều khiển hiện trƣờng

BĐKCT:

Bộ điều khiển chƣơng trình

6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7

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




DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
1.1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Nội dung

Trang

Hình, đồ thị

Nội dung

Trang

Một số kết quả chính của hoạt động nghiên cứu ứng

1.1

Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính

dụng NLTT ở Việt Nam

1.2

Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si

2.1

Bảng cấp gió Beaufor

1.3

Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng

2.2

Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam

1.4

Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng

2.3

Bảng đo vận tốc gió trên độ cao 12m và 50m

4.1

Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung

NMT
2.1

Quốc)
4.2

Bề mặt cánh bánh công tác động cơ gió chiếm chỗ khi
quay

Các số liệu thiết kế của máy phát ĐB-KTVC 1,5kW

3.1

Sơ đồ khối hệ thống phát điện sức gió

3.2

Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát
điện sức gió

3.3

Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường

3.4

Cấu trúc phần cứng card điều khiển

3.5

Cấu trúc của Module điện trở hãm

3.6

Các thành phần chính của Turbine WESTWIND

3.7

Hệ thống vành ghóp và thanh quét lấy điện (nằm trong
thân Turbine)

3.8

Hệ thống lò xo lật cánh khi tốc độ gió quá lớn

3.9

Đuôi Turbine có thể tự gập khi gió mạnh khi gió mạnh
hay gập bằng tay

3.10

Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy
phát

3.11

Đặc tính công suất có thể khai thác được từ gió với
các tốc độ khác nhau: Cần điều khiển máy phát sao
cho luôn đạt mức tối đa

3.12

Phạm vi hoạt động của máy phát KĐB-RDQ (a) với

8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9


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




dòng năng lượng chảy ở chế độ MP thuộc phạm vi

LỜI MỞ ĐẦU

dưới (b) và trên đồng hồ (c)
3.13
3.14

Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng máy phát

lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói

Máy phát đồng hồ kích thích vĩnh cửu có thể được sử

chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần

dụng theo 1 trong 2 phương án: a) Điện áp MP được

được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi.

chỉnh lưu đơn giản; b) Điện áp MP được chỉnh lưu có
3.15

3.16

Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió không

ĐK tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ NL và MP

ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc

a) Hệ thống PĐCSG dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với

biệt là không gian và thời gian. Chính vì thế việc nhanh chóng điều tra, đánh giá để

bộ CL đơn giản nên phải có thêm mạch tải giả; b) Sơ

xác định các số liệu về tốc độ gió ở một khu vực cụ thể là việc làm rất cần thiết và

đồ chi tiết của mạch tải giả

quan trọng đối với công tác nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng

Hệ thống PĐCSG với dàn ắc-quy (có bộ ĐK nạp) và

lượng gió.

mạch tải giả sen giữa CL và NL
3.17

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng

loại KĐB-RDQ

Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Kỹ Thuật

Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng MP

Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung:

loại ĐB-KTVC công suất nhỏ

“Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ”. Với sự giúp

4.1

Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ

đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng như sự nỗ lực

4.2

Kích thước rãnh lồng dây

của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài.

4.3

Kích thước thanh nam châm

Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại
ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như đây là một lĩnh vực còn
tương đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè
đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh và
có ý nghĩa hơn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy
thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học KTCN Thái Nguyên, và đặc biệt tôi xin bày
tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Như
Hiển đã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Thái nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2008

Vũ Thị Thanh Phương

10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



1


triển kinh tế phù hợp với chiến lược phát triển của địa phương, nhất là ở những vùng
núi mà điện lưới quốc gia chưa có khả năng vươn tới được.

TỔNG QUAN

3. Phương pháp nghiên cứu:
Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng các phương

I. Tính cấp thiết của để tài:

pháp nghiên cứu sau đây:

Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở Việt
Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng song song
với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phòng, sản xuất, công
nghiệp, du lịch,... Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lên ngày một rõ rệt.
Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mới
và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá mạnh mẽ

- Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng mới và tái tạo, hiện trạng về ứng
dụng các nguồn NLM & TT trên thế giới và ở Việt Nam
- Phân tích tiềm năng về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam để đưa ra biện pháp
sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất
- Xây dựng nghiên cứu cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện bằng sức gió
- Tính toán, thiết kế hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ ở

và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ

vùng núi Việt Nam, đặc biệt là vùng chưa có điện lưới quốc gia.

năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồn chạy bằng sức

4. Nội dung nghiên cứu:

gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV. Hơn thế nữa từ vài chục năm gần đây với

Bản luận văn được chia làm 4 chương với nội dung như sau:

nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô
nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hoá
thạch.
Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng các dạng
năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được nhiều nước trên
thế giới đặc biệt được quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều
ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được
những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Một trong
những ứng dụng quan trọng nhất của sức gió là để tạo ra hệ thống phát điện. Vì vậy đề
tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ” mang tính
cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội ở Việt Nam
hiện nay.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học: Đánh giá và dự báo được tình hình nghiên cứu và sử dụng
các nguồn năng lượng mới và tái tạo trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện. Đồng
thời nêu lên vai trò của các nguồn năng lượng mới và tái tạo hiện tại và trong tương lai
- Ý nghĩa thực tiễn: Tìm ra được giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế của
nước ta hiện nay để lựa chọn xây dựng một hệ thống phát điện bằng nguồn phát năng
lượng gió công suất nhỏ tương ứng với tiềm năng gió của Việt Nam, tạo điều kiện phát
2

3


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

như ở dưới nước, các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà phê..., các

CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI

loại phế thải động vật như: phân người, phân gia súc, gia cầm.... Sinh khối là nguồn

VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

năng lượng đầu tiên của loài người và mặc dù ngày nay các nguồn năng lượng hoá

1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo

thạch như: tha đá, dầu mỏ, khí đốt là các nguồn năng lượng chính nhưng sinh khối

1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo

vẫn còn được sử dụng với một khối lượng và tỉ lệ khá lớn, nhất là ở các nước đang
phát triển.

a. Nguồn năng lượng mặt trời
Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển

Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh. Nó tồn tại và phát

của sự sống trên trái đất. Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong phú mà

triển được trên hành tinh chúng ta là nhờ có ánh sáng mặt trời. Các loại thực vật hấp

thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta. Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là

thụ ánh sáng mặt trời để thực hiện các phản ứng quang hợp, biến đổi các khoáng

năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ ặt trời đến trái đất. Chúng ta sẽ tiếp

chất, nước và các nguyên tố vô cơ khác thành các chất hữu cơ.

tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết

Phản ứng quang hợp còn là phản ứng cơ bản tạo ra thức ăn cho động vật.
Nếu kể đến cả sản phẩm oxy của phản ứng quang hợp ta có thể nói rằng sinh khối

nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
b. Nguồn năng lượng gió

nói chung và thực vật nói riêng có ý nghĩa quyết định đối với sự sống trên hành tinh

Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính

chúng ta.

ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt
độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối không khí từ những khu vực
có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra

Năng lượng sinh khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lượng hoá
thạch đang bị khai thác cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề

e. Nguồn năng lượng địa nhiệt
Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên ở trong lòng quả đất, dưới một lớp

hiện tượng gió thổi đều khắp trên bề mặt địa cầu.
c. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ

vỏ không khí không dày lắm , nhiệt độ lên đến 10000C đến hơn 40000C. Còn ở lớp

Từ các con sông, suối chảy từ nguồn xuống biển đều mang theo một tiềm

trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình quân trong năm là 15 0C, dưới lớp đó

năng về năng lượng (gọi là thuỷ năng). Thông thường nguồn thuỷ năng phụ thuộc

là một lớp có nhiệt độ bình quân là 5400C, còn tại lớp lõi trong nhiệt độ bình quân

vào độ dốc sông suối và lưu lượng nước chảy qua. Nguồn thuỷ năng có thể phân bố

là 70000C. Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn

đều hoặc không đều trên một đoạn sông suối. Để tập trung năng lượng của dòng

năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân, sự phân hủy các chất

chảy, nghĩa là để tạo được độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu

phóng xạ tiến hành thường xuyên trong lòng Trái đất như Thori (Th), Protactini

người ta sử dụng một số phương pháp kiểu trạm thuỷ điện như: Phương pháp tập

(Pa), Urani (U)...vv, năng lượng do các phản ứng phóng xạ được tích tụ trong lòng

trung năng lượng bằng đập ngăn, phương pháp tập trung năng lượng bằng đường

quả đất hàng triệu năm với một lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp

dẫn và phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy.

suất cao. Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy địa điểm) ta sẽ gặp tầng Thường ôn, tức

d. Nguồn năng lượng sinh khối

là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Mặt Trời. Dưới tầng Thường

Sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên cạn cũng

ôn càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng.

11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12


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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG

PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

Theo đánh giá của các chuyên gia, có khoảng 10% diện tích vỏ quả đất có
chữa các nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng của nó. Các nguồn này có

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và
được gọi là tấm hấp thụ (3).

thể cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng rất lớn.
f. Nguồn năng lượng đại dương
Nguồn năng lượng này được chia thành 3 loại chính: Năng lượng thuỷ triều,

4
1

năng lượng nhiệt đại dương và năng lượng sóng biển. Tiềm năng là vô cùng to lớn,
gió thổi trên một khoảng không gian bao la trên các đại dương sẽ tạo ra sóng biển

2

dữ dội, liên tục và mang theo một nguồn năng lượng có thể nói là vô tận. Thuỷ triều

1

TÊm kÝnh

2

Líp vá c¸ch nhiÖt

3

TÊm hÊp thô

4

Tia s¸ng mÆt trêi

3

là kết quả giữa lực hút của mặt trời, mặt trăng với quả đất và do sự chuyển động của
quả đất xung quanh mặt trời, cũng như sự quay xung quanh trục nghiêng của quả
đất.
Với năng lượng nhiệt đại dương có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt
động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy
nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng
một loại nhiên liệu nào cả. Nhiệt độ đại dương không biến đổi nhiều từ ban ngày
sang ban đêm và vì vậy có thể coi là nguồn nhiệt rất ổn định. tuy nhiên có thể sẽ
thay đổi theo mùa và phụ thuộc vào khoảng cách đến xích đạo.
Cuối cùng là năng lượng sóng biển, đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và
hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay
ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng

Hình 1.1. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
Các tia bức xạ mặt trời có bước sóng  < 0,7m tới mặt hộp thu, đi qua tấm
kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm này hấp thụ năng lượng bức
xạ mặt trời và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở

thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ nhiệt có bước sóng  > 0,7m ,
hướng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài
được. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận bức xạ mặt trời nên tấm hấp thụ được nung
nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt
mặt trời bị "giam" trong hộp, giống như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được
nhưng không thể ra đựơc. Đó là nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”.

ngày và từng mùa.

- Bộ thu phẳng:

1.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo
a. Công nghệ năng lượng mặt trời (NLMT)

Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay

* Công nghệ nhiệt mặt trời

vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong

- Hiệu ứng nhà kính:

suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v... Đối với vật liệu ngoài thuỷ tinh tuy

Hiệu ứng nhà kính là một trong những hiệu ứng quan trọng nhất được ứng

có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do đó hệ số truyền qua sau

dụng để khai thác năng lượng mặt trời (NLMT). Ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt
trời như hình 1.1. Mặt trên hộp được đậy bằng tấm kính (1). Thành xung quanh và

đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2). Đáy trong của hộp được làm bằng tấm

13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5  10%.
Tấm hấp thụ là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một lớp sơn
hấp thụ ánh sáng màu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao càng tốt, ví
14



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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

dụ > 85%, thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao. Ngoài ra, tấm hấp thụ bằng

¸nh s¸ng mÆt trêi

vật liệu kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (ví dụ ống nước bằng kim loại
2

nếu bộ thu dùng để đun nước nóng) được dễ dàng hơn.

1

Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để

3

giảm hao phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh. Vật liệu cách nhiệt thường dùng

4

7

là “xốp bọt biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng tấm hoặc

5

hạt,... cũng có thể dùng vật liệu khác như bông thuỷ tinh, mút, gỗ khô, mùn cưa,...

6

Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt đến
1

Líp chÊt chèng ph¶n x¹
¸nh s¸ng

* Công nghệ điện mặt trời (ĐMT)

2

§iÖn cùc lưới mÆt trªn

- Công nghệ nhiệt điện mặt trời

3

Líp b¸n dÉn n_Si

100 115oC hoặc cao hơn.

4

Líp tiÕp xóc b¸n dÉn p_n

5

Líp b¸n dÉn p_Si

6

§iÖn cùc dưới

7

Bãng ®Ìn

Người ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt trời (tracker) để hội tụ
các tia mặt trời đúng diện tích cần thiết kế. Đối với các bộ thu không yêu cầu độ hội

tụ cao thì sự định hướng bộ thu có thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày
và có thể thực hiện bằng tay. Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần
phải điều chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục. Đa số các bộ hội tụ này là
các bộ hội tụ máng parabol, các tia sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu hội
tụ, tại đường tiêu này nhiệt độ có thể đạt 4000C hay cao hơn.

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
là các hạt dẫn điện mang điện tích âm (điện tử) và điện tích dương (lỗ trống). Do
tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc bán dẫn, nên tại lớp tiếp xúc (4) đã có sẵn một
điện trường tiếp xúc Etx. Điện trường này lập tức tách điện tử và lỗ trống trong các
cặp điện tử, lỗ trống vừa được ánh sáng tạo ra và bắt chúng chuyển động theo các
chiều ngược nhau để tạo thành dòng điện. Vì vậy nếu nối các điện cực trên và dưới

- Công nghệ pin mặt trời (PMT)

bằng một dây dẫn có bóng đèn (7) thì sẽ có một dòng điện qua bóng đèn và đèn

Đây còn gọi là công nghệ pin quang điện, khác với công nghệ nhiệt điện mặt
trời là năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ để tập trung
ánh sáng mặt trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng thì ở công nghệ pin
mặt trời, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào
quang điện bán dẫn được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin mặt trời sản
xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời tới nó.
Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào mặt trên của pin, ánh sáng sẽ tạo ra trong
các lớp bán dẫn lân cận lớp tiếp xúc pn (4) các cặp điện tử – lỗ trống. Các cặp này

15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

sáng.

Hiện tượng chiếu ánh sáng vào lớp tiếp xúc bán dẫn pn ta thu được dòng
điện ở mạch ngoài được gọi là hiệu ứng Quang - Điện. Như vậy pin mặt trời hoạt
động dựa trên hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện.
b. Nguồn năng lượng gió
Năng lượng gió (NLG) thường được khai thác từ các trạm đặt ở độ cao (2070)m so với bề mặt trái đất. Trên độ cao lớn (8-12)km gọi là tầng đối lưu, có gió
thường xuyên hơn và gọi là dòng chảy luồng (hay luồng khí). Gió loại này có vận

16


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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

tốc lớn (25-80)m/s, tiềm năng năng lượng của chúng lớn hơn nhiều. Đặc tính gió ở

d. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ

tầng này khác nhiều so với đặc tính gió trên mặt đất. Song sử dụng gió ở độ cao này

* Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn

gặp phải một số khó khăn rất lớn về mặt kỹ thuật khi chuyển tải điện từ độ cao lớn

tới mặt đất.

Phương pháp này là đắp đập tạo nên độ chênh mực nước giữa thượng lưu và
hạ lưu. Đập có nhiều loại: đập đất, đập đá và đập bêtông. Còn trạm thuỷ điện có thể

Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc. Dưới ảnh

bố trí sau đập hay trong lòng đập. Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện sau đập

hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác

hay trạm thuỷ điện trong lòng đập. Vì độ cao đập hạn chế nên phương pháp này

động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất...), đồng thời các

được sử dụng chỉ cho các đoạn sông suối có độ dốc nhỏ. Cột nước toàn phần của

điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng.

trạm thuỷ điện được xác định bằng hiệu mực nước thượng lưu và hạ lưu.

Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc

* Phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn

trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng

Phương pháp này sử dụng đường dẫn để tạo độ chênh mực nước giữa thượng

của nó. Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng

lưu và hạ lưu. Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện đường dẫn. Đường dẫn có

khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời gian làm việc của tổ

thể bằng đường ống hoặc kênh dẫn. Trạm thuỷ điện dạng này thích hợp với các con

máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được.

sông, suối có độ dốc lớn hay có bậc thác.

Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác

* Phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy

nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại

Phương pháp này tạo độ chênh mực nước bằng đập ngăn và bằng đường dẫn

(bão). Ngoài ra cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến đổi vận tốc gió

đối với đoạn sông có độ dốc khác nhau. Độ chênh mực nước của trạm bằng tổng độ

trong khoảng thời gian xác định. Khi biết quy luật xác định và thông số của hàm

chênh mực nước đập tạo nên và độ chênh của đường dẫn. Trạm thuỷ điện dạng này

này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được năng lượng

gọi là trạm thuỷ điện tổng hợp. Cột áp toàn phần được xác định bằng tổng cột áp do

sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu quả kinh

đập và đường dẫn tạo nên.

tế...vv.

e. Nguồn năng lượng địa nhiệt
c. Nguồn năng lượng sinh khối

Địa nhiệt là nguồn năng lượng nhiệt tự nhiên ở trong lòng Quả đất. Có 4 loại

* Các công nghệ nhiệt hoá

nguồn địa nhiệt. Đó là: nguồn nước nóng, nguồn áp suất địa nhiệt, nguồn đá nóng

Công nghệ sinh hoá sử dụng các phản ứng lên men sinh khối như lên men

khô, các núi lửa hoạt động và magma.

rượu, lên men kỵ khí nhờ các chủng loại vi sinh để biến đổi sinh khối ở áp suất và

Nguồn nước nóng là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao, các nguồn

nhiệt độ thấp thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc lỏng (ethanol,

hơi nước hay hỗn hợp của chúng ở trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe

methanol…).

nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm.

* Các công nghệ biến đổi sinh hoá

Nguồn áp suất địa nhiệt là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình

Ngược lại công nghệ nhiệt hoá sử dụng các quá trình nhiệt độ cao để biến đổi
sinh khối nhờ các quá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí hoá, chất lỏng.

17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

và chứa khí metan hoà tan. Các nguồn này bị vỏ quả đất nén lại dưới áp suất cao
dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích không

18


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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

thấm nước.

1.2. Vai trò của các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo hiện tại và trong tƣơng lai
0

Các nguồn đá nóng khô bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao từ 90 C đến

Các nguồn năng lượng lượng mới và tái tạo (NLM & TT) đóng một vai trò

6500C. Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có

hết sức quan trọng, bởi lẽ hiện nay hầu hết các nước đã và đang phát triển đều quan

nước nóng. Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá, tạo ra

tâm đến vấn đề năng lượng. Chính sách an ninh năng lượng cũng như hoạch định

các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển

các chính sách sử dụng tiết kiệm và phát triển nguồn năng lượng mới và tái tạo đang

nhiệt bơm qua tầng đá đã bị nứt gãy để thu nhiệt.

làm nóng các quốc gia này. Việc nghiên cứu để khai thác và ứng dụng các nguồn

Năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động. Magma là đá

NLM & TT bổ sung cho các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày một cạn

nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy từ 7000C đến 16000C. Khi còn nằm dưới vỏ quả

kiệt là một việc làm hết sức cần thiết và cấp bách. Sau đây ta đi nghiên cứu các ứng

đất đá nóng chảy là một phần của vỏ quả đất có độ dày khoảng từ 24km đến 48km.

dụng của các nguồn NLM & TT để thấy rõ vai trò quan trọng của chúng.

Các nguồn Magma chứa một nguồn năng lượng khổng lồ, lớn nhất trong các nguồn

1.2.1. Các ứng dụng của NLMT

địa nhiệt, nhưng nó ít khi ở gần mặt đất nên việc khai thác rất khó khăn.

a. Sản xuất nước nóng

f. Nguồn năng lượng đại dương
* Năng lượng thuỷ triều

N-íc nãng ra

Năng lượng thuỷ triều có tính chu kỳ, có thể là nửa ngày, nửa năm hoặc dài
hơn. Các chu kỳ này ảnh hưởng đến độ chênh lệch của thuỷ triều. Biên độ của các

4
1
2

chu kỳ thuỷ triều tăng lên một cách rất đáng kể, ở một số vùng biển có địa hình đặc
biệt như ở các cửa sông, ở các vịnh dạng hình phễu, ở các khu vực có các đảo hay

3

các doi đất chia mặt biển thành từng ngăn tạo ra sự phản xạ và cộng hưởng sóng

(a)

biển.

5

* Năng lượng nhiệt đại dương

N-íc l¹nh vµo

(b)

Có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và

1

TÊm kÝnh

4

Tia s¸ng mÆt trêi

nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện,

2

Líp vá c¸ch nhiÖt

5

èng dÉn n-íc kim lo¹i

nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả.

3

TÊm hÊp thô

* Năng lượng sóng biển
Đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng

Hình 1.3. Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng

lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng

Về cơ bản một thiết bị sản xuất nước nóng là một bộ thu NMT. Trong thiết bị

lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. Tuỳ

đun nước, người ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống kim loại (như các ống

theo nguyên lý hoạt động mà các thiết bị khai thác sóng biển được nghiên cứu, thiết

bằng đồng hay ống nước mạ kẽm, xem hình 1.3) và sau đó cho nước chảy qua hệ

kế và chế tạo theo từng loại khác nhau.

ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ được truyền qua thành ống vào nước và làm nước
19

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

20


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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

nóng dần lên.

được cho qua Bộ biến đổi điện (inverter) để biến đổi thành dòng điện xoay chiều

b. Sấy bằng nhiệt mặt trời

(ví dụ dòng điện 220V, 50Hz) và qua công tơ điện CT1 đưa vào lưới điện quốc gia

Phần lớn các thiết bị sấy hiện đại đều sử dụng hiệu ứng nhà kính. Khí nóng

(hay địa phương). Trong phương pháp này mạng lưới điện quốc gia hay địa phương

được tạo ra trong bộ thu hoặc buồng thu nhiệt mặt trời và được cho thổi qua sản

đóng vai trò như một hệ thống tích trữ điện năng (hay một nhà băng điện năng). Tuy

phẩm sấy theo chu trình đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức

nhiên phương pháp này chỉ ứng dụng được những khu vực có lưới điện.

c. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại

1.2.2. Các ứng dụng của năng lượng gió
a. Ứng dụng động cơ gió phát điện
Động cơ gió phân làm 3 loại: Loại cánh dạng khí động, loại rôto cánh phẳng

1

trục đứng và loại rôto cánh tròn trục đứng. Một trong những ứng dụng quan trọng

1

nhất của động cơ gió là để chạy máy phát điện. Các động cơ gió dùng để kéo máy
phát điện thường là các máy ít cánh có số vòng quay tương đối lớn. Điều quan trọng
khi dùng động cơ gió chạy máy phát điện là phải đảm bảo sự phối hợp tải giữa động

3

cơ gió và máy phát điện, vì máy phát điện thường có tốc độ quay lớn hơn động cơ
4

gió do đó cần sử dụng máy phát có tốc độ quay thấp hoặc sử dụng các bộ truyền
trung gian như hộp số, đai truyền, biến tốc thuỷ lực,...

2

b. Ứng dụng động cơ gió bơm nước
3

5

Đây là ứng dụng quan trọng thứ hai của NLG. Người ta sử dụng các loại bơm khác
1

Bé thu n¨ng lượng mÆt trêi

4

Nguån ®èt dù phßng

2

B×nh tÝch nhiÖt

5

Hệ thèng èng sưởi

3

B¬m hay qu¹t

nhau ghép nối với động cơ gió để bơm nước. Có thể chia động cơ gió bơm nước
làm hai nhóm: Nhóm động cơ gió bơm nước cột áp thấp, lưu lượng lớn. Chiều cao

ế

bơm chỉ (1-2)m. Loại này hay dùng cho các vùng làm muối và tưới ruộng lúa.

Hình 1.4. Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NMT
NMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn nuôi
trong mùa đông. Hình 1.4 là một hệ thống sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại nhờ không
khí nóng được sản xuất ra từ các bộ thu NMT.

35)m. Loại này phục vụ chủ yếu tưới cà phê, hồ tiêu, chè trên các vùng cao nguyên.
1.2.3. Các ứng dụng của năng lượng sinh khối
Khí sinh học có rất nhiều ứng dụng như thắp sáng, dùng làm nhiên liệu đun
nấu, phát điện, v.v... Ngoài ra công nghệ khí sinh học còn là một công nghệ làm

d. Nguồn điện pin mặt trời nối lưới
Dàn pin mặt trời gồm nhiều modun pin mặt trời được ghép nối lại với nhau
(nối nối tiếp, song song hay hỗn hợp) và lắp đặt trên mái nhà hay nơi có nắng suốt
ngày. Khi có nắng dàn pin mặt trời phát ra dòng điện một chiều. Dòng điện này
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nhóm thứ hai thuộc loại cột áp cao, lưu lượng nhỏ. Chiều cao cột nước đạt tới (15-

sạch môi trường.
1.2.4. Các ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ
a. Tuabin nước chạy máy phát điện

22



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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

Tuabin được nối trực tiếp với máy phát điện hoặc gián tiếp thông qua các bộ

như: kali, cacbonat, bạc, bo, chì, kẽm...vv. Thu hồi các chất này khi khai thác các

truyền động. Công suất của máy phát điện sẽ được xác định theo công suất của

nguồn các nguồn địa nhiệt cũng là một nguồn sản phẩm phụ rất có giá trị.

tuabin, còn vòng quay của máy phát được chọn theo số vòng quay đồng bộ.

1.2.6. Các ứng dụng của năng lượng đại dương

b. Tuabin kéo bơm

a. Phát điện khi thuỷ triều lên, xuống hoặc cả hai chiều

Để phục vụ cho việc cung cấp nước sinh hoạt và nước tưới cho vùng sâu,

Khi thuỷ triều lên hoặc xuống người ta tạo ra sự chênh lệch giữa nước trong

vùng xa, nơi có nguồn thuỷ năng nhỏ, người ta sử dụng tuabin để trực tiếp kéo bơm.

hồ với nước bên ngoài làm cho cột nước có độ cao xác định nhờ hệ thống các kênh

Tổ hợp như vậy gọi là bơm thuỷ luân. Tuabin kéo bơm có hai loại: Buồng hở và

dẫn. Sau đó mở các cửa kênh cho nước dẫn qua các tuabin và phát điện. Các tuabin

buồng kín

làm việc đến khi nào cột nước giữa mực nước biển ngoài cửa kênh và trong hồ giảm

1.2.5. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt

một nửa thì dừng lại.

Nhiệt từ các nguồn hay từ mỏ địa nhiệt có thể khai thác nhờ sử dụng một số

b. Nhà máy nhiệt điện đại dương

chất lỏng tự nhiên của quả đất để làm chất làm việc vận chuyển nhiệt. Năng lượng

Nước nóng ở lớp nước bề mặt đại dương được dùng để làm nóng một lớp

nhiệt này có thể cho qua tuabin để phát điện hoặc dùng một cách trực tiếp cho các

chất lỏng có nhiệt độ bay hơi thấp - chất lỏng này được gọi là chất lỏng làm việc –

quá trình gia nhiệt hoặc chế biến nhiệt công nghiệp. Để khai thác các nguồn địa

như Amoniac, Freon hay Propan. Chất lỏng làm việc khi đi qua buồng có áp suất

nhiệt người ta thường sử dụng phương pháp khoan như: khai tác dầu hay khí đốt.

thấp sẽ bị bốc hơi. Hơi này được cho qua tuabin làm quay tuabin phát điện, sau đó
0

Đối với các nguồn địa nhiệt nông và nhiệt độ không cao (thấp hơn 170 C)
thường người ta khai thác nhiệt một cách trực tiếp hoặc sử dụng gián tiếp qua bộ

hơi đi qua buồng ngưng tụ được làm lạnh bằng nước biển lạnh lấy từ các tầng nước
sâu và được bơm trở về buồng hoá hơi, ...vv

trao đổi nhiệt. Để sử dụng năng lượng điạ nhiệt có hiệu quả thông thường người ta

Một ứng dụng khác là nước biển nóng được làm “bay hơi nổ” trong một

sử dụng ngay tại chỗ, nơi có nguồn địa nhiệt khai thác, vì khi dẫn nhiệt đi xa (ống

buồng chân không. Hơi nước được dẫn để xả qua một tuabin hơi để phát điện, sau

dẫn) hao phí nhiệt sẽ lớn.

đó đi vào bình ngưng tụ dùng nước biển lạnh tự nhiên. Điều hấp dẫn của hệ thống

Năng lượng địa nhiệt có nhiệt độ thấp hay trung bình có thể dùng để sưởi ấm

này là hơi nước sau khi ngưng tụ trong buồng ngưng tụ là nước sạch đã được chưng

hay sản xuất nước nóng cho các mục đích sinh hoạt trong các gia đình hay các cơ sở

cất. Nó có thẻ dùng như một nguồn nước sạch phục vụ sinh hoạt và công nghiệp.

công cộng như: trường học, bệnh viện, nhà hàng, khách sạn...vv.

1.3. Năng lƣợng mới và tái tạo ở Việt Nam

Các chất lỏng địa nhiệt cũng được dùng để tạo ra nguồn nhiệt cho các quá

1.3.1. Nguồn và tiềm năng

trình công nghiệp như sản xuất hoá chất hay đun nấu. Nhiệt và hơi nước từ nguồn

Việt nam được thiên nhiên ban tặng cho một tài nguyên năng lượng tái tạo

địa nhiệt cũng được sử dụng cho công nghiệp thực phẩm, sản xuất hàng hoá tiêu

(LNTT) rất đa dạng và khá dồi dào. Chúng ta có gần như tất cả các loại nguồn

dùng, sưởi ấm chuồng trại chăn nuôi gia súc, gia cầm hay sử dụng trong các nhà

LNTT như nguồn năng lượng mặt trời, thuỷ điện nhỏ, gió, địa nhiệt, sinh khối, thuỷ

kính trồng rau quả...vv. Năng lượng địa nhiệt có thể dùng quay các động cơ tạo ra

triều, sóng biển và nhiệt đại dương với trữ lượng khá lớn.

cơ năng.

a. Năng lượng mặt trời

Trong các chất lỏng địa nhiệt còn chứa nhiều kim loại và khoáng chất quý
23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Việt nam nằm trong vành đai nhiệt đới có vĩ độ từ 8 đến 23 độ Bắc nên có
24



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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

c. Năng lượng gió
năng lượng bức xạ mặt trời (NLMT) khá lớn. Tuy nhiên tuỳ thuộc vào điều kiện tự
nhiên mà NLMT có sự biến đổi từ vùng này sang vùng khác.

Tiềm năng năng lượng gió (NLG) của Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu
hết các khu vực trên đất liền có NLG thấp, khai thác không hiệu quả. Chỉ có một vài

Vùng Đông Bắc là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh nhất của gió mùa Đông

nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá. Tuy nhiên công suất lại không

Bắc lạnh và ẩm nên NLMT thấp nhất cả nước. Mật độ NLMT biến đổi trong

lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo NLG tốt hơn. Nơi có gió tốt nhất là

khoảng từ 250 đến 400 cal/cm2. ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng

đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ gió trung bình năm đạt 7,1 đến 7,3 m/s. Tiếp đến là các

1600 đến 1900 giờ.

khu vực các đảo Trường Sa, Phú Quý, Côn Đảo,...vv có tốc độ gió trung bình

Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai,... và vùng Bắc

khoảng 4,0 đến 6,5 m/s. Cần nhấn mạnh rằng tiềm năng NLG ở nước ta chưa được

Trung Bộ có NLMT khá lớn. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 300 đến 500

điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về NLG chủ yếu chỉ thu thập qua các

2

trạm khí tượng - thuỷ văn, tức là chỉ đo được ở độ cao 10 đến 12m trên mặt đất.

Đặc điểm chung của bức xạ mặt trời ở miền Bắcc là có sự thay đổi rất rõ rệt

HIện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30 đến 50m.

cal/cm .ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm khoảng 1800 đến 2100 giờ.
giữa mùa Đông (tháng 12, 1, 2) và mùa Hè (tháng 5, 6, 7, 8). NLMT về mùa Hè nói
chung lớn gấp 1,5 đến 2 lần so với mùa Đông.

d. Năng lượng sinh khối
Nước ta có diện tích rừng rất lớn lại là nước nông nghiệp nên có tiềm năng

Từ Đà nẵng trở vào NLMT rất tốt và phân bố tương đối điều hoà trong suốt

năng lượng sinh khối khá lớn. Sinh khối vẫn còn là nguồn năng lượng chính của

cả năm. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 350 đến 500 cal/cm2.ngày. Số giờ

nông thôn Việt Nam, nó chiếm khoảng 60 đến 70% tổng tiêu thụ năng lượng khu

nắng trung bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2600 giờ. Đây là khu vực ứng dụng

vực nông thôn. Tổng khả năng cung cấp sinh khối thực tế cho khu vực nông thôn,

NLMT rất hiệu quả

miền núi nước ta năm 2000 là 77 triệu tấn gỗ tương đương (Số liệu Viện Năng

b. Thuỷ điện nhỏ

Lượng), trong đó sinh khối có nguồn gốc từ gỗ là 24,5 triệu tấn còn lại là phế thải

Thuỷ điện nhỏ được hiểu là các trạm thuỷ điện có công suất dưới 10 MW.

nông, công nghiệp là 52,5 triệu tấn. Tính theo nhiệt năng, tỷ trọng của năng lượng

Do không cần phải xây dựng các hồ chứa nước lớn dẫn đến sự huỷ hoại môi trường

từ gỗ củi là 38,5%, rơm rạ là 35,5%, vỏ trấu là 9,4%, bã mía là 3,6% và phế thải

cảnh quan nên thuỷ điện nhỏ được xếp vào NLTT. Việt Nam có nguồn tài nguyên

công nghiệp là 13%.

thuỷ điện nhỏ rất lớn, tập trung chủ yếu ở vùng núi phía Bắc và biên giới phía Tây.

Có hai nguồn sinh khối khá lớn là vở trấu và bã mía. Việt nam có khoảng

Tổng tiềm năng thuỷ điện nhỏ được xác định khoảng 1800 đến 2000 MW, trong đó:

100 nhà máy xay xát, hàng năm thải ra khoảng 6,5 triệu tấn vỏ trấu. Nếu tận dụng

* Loại có công suất 100 đến 10 000 MW có 500 trạm với tổng công suất

để sản xuất điện có thể cung cấp 75 – 100MW. Tuy nhiên cho đến nay vẫn chỉ có

1400 đến 1800 MW, chiếm hơn 90% tổng tiềm năng thuỷ điện nhỏ .
* Loại có công suất dưới 100 KW có khoảng 2500 trạm với tổng công suất
100 đến 200 MW, chiếm 7 đến 10% tổng công suất thuỷ điện nhỏ .
* Đặc biệt các thuỷ điện cực nhỏ, dưới 5 KW đã được khai thác sử dụng rất

rộng rãi để cấp điện sinh hoạt cho các hộ gia đình miền núi.

trong gia đình. Ngoài ra chúng ta còn có 43 nhà máy mía đường, hàng năm thải ra
4,5 triệu tấn bã mía. Tiềm năng sản xuất điện từ bã mía là 200 – 250MW. Đến nay
khoảng 70 đến 80 % lượng bã mía đã được sử dụng để sản xuất điện.
e. Khí sinh học (Biomass)

25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

một lượng trấu rất nhỏ được sử dụng để sản xuất gạch, ngói, gốm sứ và đun nấu

26


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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

Nguyên liệu cho sản xuất khí sinh học là các phế thải của người và gia súc,
gia cầm (phân người, trâu, bò, gà, vịt...) và các phế thải hữu cơ công, nông, lâm
nghiệp. Tổng tiềm năng được tính toán là khoảng 10 000 triệu m3/năm, trong đó từ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

nhiệt mặt trời, thuỷ điện nhỏ, khí sinh học và điện gió, ...Các kết quả về hoạt động
nghiên cứu được cho trong bảng 1.1
TT Công nghệ

người là 624 triệu (6,3%), gia súc 3062 triệu (31%) và từ phế phẩm khác là 6269

Điện mặt trời

Hiện trạng
Đã thiết kế lắp đặt khoảng 1,5 MW, trong đó khoảng

triệu m3/năm (63%) (Số liệu Viện Năng Lượng). Công nghệ khí sinh học hiện đang

35% cho thông tin viễn thông, 30% cho giao thông

rất phát triển ở nước ta.

đường thuỷ, 30% cho hộ gia đình và cơ quan, cộng

f. Năng lượng địa nhiệt

đồng nông thôn vùng sâu, vùng xa, miền núi và 5% cho

Theo kết quả đã biết thì nước ta có khoảng 300 nguồn nước nóng có nhiệt độ
từ 30 đến 1100C, trong đó khu vực Tây - Bắc có 78 nguồn (26%), Nam Trung Bộ có

các ứng dụng khác. Các hệ thống lớn nhất là Trung tâm

1

Hội nghị Quốc gia (150kWp), Mang Yang Gia Lai (100

61 nguồn (20%). Tuy nhiên phần lớn các nguồn có nhiệt độ cao lại nằm ở khu vực

kWp)

Nam Trung Bộ, chiếm 61% tổng số nguồn nhiệt độ cao trên cả nước. Tiềm năng

Nhiệt mặt trời

năng lượng địa nhiệt nước ta dự tính khoảng 200 – 250 MW.

Chủ yếu là thiết kế, sản xuất, lắp đặt các thiết bị đun
nước nóng sinh hoạt cho hộ gia đình, khách sạn, trường
học, bệnh viện, ... khoảng 1,5 triệu m2 đã được lắp đặt

g. Năng lượng đại dương
Năng lượng đại dương bao gồm năng lượng thuỷ triều, sóng biển và nhiệt đại

2

Thuỷ điện nhỏ

* Đã xây dựng 300 trạm loại công suất <100kW và 90

dương. Mặc dù nước ta có bờ biển dài trên 3000km và vùng biển rộng lớn, nhưng

trạm loại >100kW với tổng công suất 100MW. Hiện

cho đến nay chưa có đánh giá về tiềm năng nguồn năng lượng to lớn này. Nhưng

nay chỉ còn khoảng 100 trạm với tổng công suất 70MW

trong tương lai đây là nguồn năng lượng quan trọng cần nghiên cứu và khai thác.

đang hoạt động

1.3.2. Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam

* Khoảng 13- 14 vạn gia đình khu vực miền núi đang

Mặc dù một số công nghệ NLTT đã được nghiên cứu ứng dụng ở nước ta từ

sử dụng các máy thuỷ điện siêu nhỏ (công suất từ

những thập kỷ 60 (chủ yếu là thuỷ điện nhỏ) nhưng cho đến nay vẫn chưa có bước

200W đến vài kW)

phát triển đáng kể. Tất cả các nghiên cứu ứng dụng đều mang tính tự phát, manh

* Thuỷ điện nhỏ là công nghệ ưu tiên số một trong các

mún, qui mô nhỏ và trình độ còn thấp.

công nghệ NLTT đối với Việt Nam

Phần lớn các dự án NLTT thực hiện được là nhờ các nguồn tài trợ quốc tế.

3

Năng lượng gió

* Đã lắp đặt được 1 tua bin 800kW ở đảo Bạch Long Vĩ

Các dự án từ nguồn kinh phí chính phủ Việt Nam là rất ít và rất nhỏ. Về mặt vĩ mô,

(2004) nhưng không có thông tin gì về hoạt động của

cho đến nay nước ta vẫn chưa có một chính sách rõ ràng nào về NLTT và đó là

hệ thống này

nguyên nhân của tính tản mạn, cảm tính và tự phát của các hoạt động nghiên cứu

* Khoảng 900 tuabin gió với công suất trong giải từ

ứng dụng NLTT ở nước ta.

150W đến 10kW đã được lắp đặt cấp điện cho các hộ

Trong vài chục năm qua một số nhóm hoạt động trên lĩnh vực năng lượng,
nhờ sự vận động của mình đã triển khai một số dự án về điện mặt trời, về thiết bị

27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

gia đình hay cụm gia đình khu vực bờ biển, hải
đảo,...Hiện nay chỉ còn khoảng 130 máy còn hoạt động

28


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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

* Khoảng 10 hệ thống đo gió ở các độ cao từ 20 đến

5

Sinh khối

Khí sinh học

* Một số dự án đang được chuẩn bị: Phương Mai (Qui

lên nữa. Mặt khác nhu cầu tiêu dùng năng lượng của con người cũng tăng cao.

Nhơn) 15MW, Tu Bông (Khánh Hoà) 20MW

Trung bình một người hiện nay tiêu thụ gấp 15 lần so với một người cách đây 100

* 63% của 4,5 triệu tấn bã mía đã được sử dụng để phát

năm. Năm 2000 thế giới tiêu thụ 423x1012MJ. Tổng tiêu thụ năng lượng hiện nay

điện 150 – 200MW

trên toàn thế giới tăng 16 lần so với đầu thế kỷ 19. Hơn nữa càng vào các giai đoạn

* 23% của 6,5 triệu tấn trấu được dùng cho mục đích

sau sự tiêu thụ năng lượng càng lớn. Chỉ trong khoảng thời gian từ 1970 đến năm

năng lượng

2000, tiêu thụ năng lượng thế giới đã tăng 2 lần. Xu hướng này vẫn tiếp tục mạnh

* Dự án đang thực hiện: Nhà máy xử lý rác để sản xuất

mẽ mà chưa có dấu hiệu nào chậm lại.

điện 15MW và phân hữu cơ NPK 1500-3000 tấn/năm

b. Nguồn năng lượng hoá thạch cạn kiện

đang thực hiện ở Thành Phố Hồ Chí Minh

Có đến 80% tổng năng lượng sử dụng hiện nay là các nguồn năng lượng hoá

Khoảng 60 000 hầm khí sinh học có thể tích từ 3 đến

thạch (than, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên ). Do mức tiêu thụ quá lớn và tăng quá nhanh

30m3 đã được xây dựng và đang sản xuất khoảng 110

như đã nói ở trên, nên nguồn năng lượng này đang cạn kiệt nhanh chóng . Hãy hình

3

6

Bếp đun cải tiến

a. Nhu cầu tiêu dùng năng lượng của nhân loại tăng nhanh chóng
Do dân số trên thế giới tăng không ngừng. Hiện nay là 6 tỉ người và còn tăng

50m đang hoạt động

4

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

triệu m khí/năm, 70% là qui mô gia đình

dung rằng, để hình thành được lượng than, dầu, khí đốt như thế giới chúng ta có,

Đã nghiên cứu thiết kế chế tạo các bếp cải tiến có hiệu

thiên nhiên cần một thời gian hàng 100 triệu năm. Nhưng để khai thác nó con người

suất biến đổi năng lượng từ 25-30%

chỉ cần vài trăm năm.

Theo số liệu công bố tại hội nghị quốc tế về năng lượng tại Bon, cộng hòa

Bảng1.1. Một số kết quả chính
của hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam

liên bang Đức tháng 10 – 2003, thì trữ lượng năng lượng hoá thạch của thế giới chỉ

Các chương trình lớn đang triển khai hiện nay:

còn 34 triệu tỉ MJ (34x1012MJ), trong đó than chiếm khoảng 60% (19630x1012MJ),

- Chương trình hành động NLTT (REAP) do ngân hàng thế giới tài trợ về

dấu các loại khoảng 22%(9185x1012MJ) và khí đốt còn 5110x1012MJ. Với mức tiêu

phát triển NLTT phục vụ điện khí hoá nông thôn (400 triệu USD) do Bộ Công

thụ như năm 200 (423x1012MJ/năm) thì nguồn năng lượng hoá thạch còn lại chỉ đủ

Thương làm chủ đầu tư.

cho thế giới chúng ta sử dụng thêm khoảng 80 năm, trong đó than 200 năm, dầu

- Chương trình điện mặt trời cho 300 xã miền núi, hải đảo khó khăn nhất (30
triệu USD ODA Phần Lan) do Uỷ Ban dân tộc làm chủ đầu tư.
- Chương trình điện khí hoá nông thôn Việt Nam - Thuỵ Điển VSRE (5 triệu

khoảng 48 năm, khí đốt khoảng 15 năm và uranium còn 40 năm.
Do nguồn cạn kiệt, trong khi đó nhu cầu tiêu dùng lại ngày càng tăng, nên
giá năng lượng sẽ tăng cao. Đối với dầu, chỉ trong vòng 10 đến 20 năm nữa, số

USD viện trợ không hoàn lại) do Bộ Công Thương làm chủ đầu tư.

lượng còn lại chỉ bằng một nửa lượng có hiện nay, và khi đó giá dầu sẽ tăng lên gấp

1.3.3. Triển vọng phát triển của NLTT

nhiều lần so với giá dầu hiện nay. Ngoài ra hơn 70% dự trữ dầu, 65 % khí đốt còn

NLTT là sự lựa chọn của tương lai, là xu hướng chung của cả thế giới, là

lại tập trung vào một số nước trong “elip chiến lược” gồm Arập-xêut, Irac, Iran và
Nga. “thế giới phương tây” gồm nhiều nước công nghiệp phát triển lại thuộc về khu

trách nhiệm của mọi quốc gia. Tại sao?

29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

30


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




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

vực “đói năng lượng”. Đây chính là nguy cơ dẫn đến các bất ổn về chính trị và có

d. Năng lượng hạt nhân, không phát thải CO2, nhưng “lợi bất cập hại”

thể dẫn tới các cuộc chiến tranh.

Có thể nói, năng lượng hạt nhân là nguồn không gây ra phát thải CO2 và các

Việt Nam cũng không nằm ngoài vòng cạn kiệt nguồn năng lượng hoá thạch

khí nhà kính khác. Tuy nhiên các rủi ro do các nhà máy hạt nhân gây ra thì thật khó

như đã nói ở trên. Theo dự báo thì chỉ sau 15 đến 20 năm nữa thì ta phải nhập than,

lường ngay cả ở trình độ khoa học và công nghệ tiên tiến hiện nay. Những hiểm hoạ

dầu và khí đốt cũng chỉ còn khai thác được khoảng 40 đến 60 năm nữa.

cho loài người từ nhà máy năng lượng hạt nhân có nguồn gốc rất đa dạng, từ những

Thế thì sau 50 năm nữa thế giới trong đó có Việt Nam ta sẽ phải giải quyết
vấn đề cung cấp năng lượng như thế nào đây?

hạn chế về kỹ thuật, công nghệ, trình độ, con người, nước sử dụng, đến các vấn đề
chính trị, xã hội.

c. Khí hậu toàn cầu đã trở nên mất cân bằng

Những rủi ro có nguồn gốc từ sự không hoàn thiện của việc thiết kế và xây

Như đã biết kinh tế - xã hội - môi trường có mối quan hệ chặt chẽ và tương

dựng nhà máy năng lượng hạt nhân. Các rủi ro loại này gây ra những ảnh hưởng rất

hỗ. Sử dụng năng lượng hoá thạch làm phát thải vào môi trường rất nhiều khí và

lớn và ở phạm vi rộng tới sức khoẻ con người. Các ảnh hưởng này có thể gây ra từ

chất độc hại. Các khí như SO2, NO gây ra mưa axít, làm hư hại các công trình văn

từ, lâu dài nên rất khó nhận biết.

hoá kiến trúc, kinh tế xã hội. Khí CO tạo ra loại bụi bồ hóng độc hại. Đặc biết CO2

Tất cả các khâu công nghệ trong một nhà máy năng lượng hạt nhân đều tạo

là một khí gây hiệu ứng nhà kính làm khí quyển của quả đất nóng lên. Hiện nay,

ra các vật liệu phóng xạ, trong đó có một số trực tiếp bức xạ các chất phóng xạ vào

mỗi năm các hoạt động sản xuất tiêu dùng năng lượng hoá thạch làm phát thải vào

môi trường. Sự bảo vệ các vật liệu này mặc dù đã rất được chú ý song vẫn không

môi trường 23,5 tỉ tấn CO2. Tổng khối lượng CO2 tích tụ trong khí quyển quả đất

thể triệt để và rủi ro có thể xảy ra bất cứ thời gian nào, công nghệ nào, ...

đến nay đạt con số khổng lồ là 1000 tỉ tấn, trong đó 50% do phát khí trong vòng 50

Sự bảo vệ tuyệt đối, sự lạm dụng nguyên liệu hạt nhân là không thể. Mỗi khi

năm cuối thế kỷ 20. Mặc dù CO2 không phải là khí nhà kính duy nhất, nhưng sự

các nhiên liệu hạt nhân nguy hiểm này rơi vào tay kẻ khủng bố, hay một quốc gia,

đóng góp của nó là 50%. Theo tính toán thì với tốc độ phát thải như hiện nay đến

hay một nhóm quốc gia “phía bên kia” thì hậu quả là không thể lường được.

năm 2100 nhiệt độ khí quyển mặt đất sẽ tăng lên từ 1,5 đến 5,80C kéo theo sự thay
đổi hàng loạt về khí hậu trên hành tinh của chúng ta, trong đó có các biến đổi chưa
lường hết được. Nói riêng, sự tăng nhiệt độ, làm cho băng ở 2 cực sẽ tan ra, nước
biển vào cuối thế ký này có thể dâng lên cao hơn 13cm làm ngập chìm nhiều lãnh

Tất cả các rủi ro nói trên không còn là “lý thuyết” mà trong thực tế, ở nơi này
nơi kia và ở mức độ này hay mức độ khác, đã từng xảy ra.
Tóm lại, nếu nhìn nhận một cách đầy đủ hơn về năng lượng hạt nhân chúng
ta có thể nói rằng, sử dụng năng lượng hạt nhân thì “lợi bất cập hại”.

thổ của các quốc gia, nhiều quốc đảo sẽ bị biến mất. Sự tăng nhiệt độ của khí quyển

e. Năng lượng tái tạo

còn dẫn đến sự biến đổi và sự phân bố lượng mưa, làm thay đổi các vùng khí hậu và

Là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng

thảm thực vật, làm xuất hiện các điều kiện thời tiết bất thường, đất đai sẽ suy giảm

vô cùng lớn do tính tái tạo của nó. Mặc dù hiện nay một số công nghệ NLTT còn

chất lượng, sa mạc hoá thế giới sẽ lâm vào nạn đói lương thực, ...vv.

đòi hỏi chi phí cao. Nhưng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, thì công

Như vậy, con người muốn tiếp tục tồn tại và phát triển trên hành tinh này thì

nghệ NLTT sẽ nhanh chóng được hoàn thiện và giá NLTT do đó sẽ giảm xuống

không còn cách nào khác là ngay từ bây giờ phải hợp tác cùng nhau tìm cách hạn

nhanh chóng. Ngoài ra do cạn kiệt nên giá năng lượng hoá thạch sẽ ngày càng tăng

chế các phế thải do sử dụng năng lượng hoá thạch nói chung và CO2 nói riêng.

cao nên cơ hội cạnh tranh của NLTT là một hiện thực.

31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

32


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

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

Tóm lại có thể nói rằng NLTT là sự lựa chọn đúng đắn cho tương lai. Kết
luận này cũng đúng đắn với Việt Nam chúng ta.

CHƯƠNG 2. NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ
TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM
2.1. Vật lý học về năng lượng gió
2.1.1. Các đặc trưng cơ bản về năng lượng gió
Gió, có thể nói đó là một quá trình địa vật lý rất phức tap, vì vậy chỉ có thể
dự báo sự biến đổi với xác suất nhất định. Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động
năng của gió là vận tốc. Dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự
nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt
truyền tới mặt đất...), đồng thời các điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả
về giá trị và hướng. Hướng véctơ vận tốc cho thấy vị trí tính theo góc của nó ứng
với hướng được lấy làm gốc tính toán (thường là hướng Bắc).
Vận tốc gió có tác động đáng kể tới động cơ gió và ảnh hưởng tới hệ thống
điều chỉnh tự động, việc sản sinh ra năng lượng phụ thuộc trước hết vào vận tốc gió
trung bình theo thời gian và diện tích bề mặt bánh công tác động cơ gió. Vận tốc gió
trung bình theo thời gian xác định bằng tỷ số của tổng các giá trị vận tốc gió tức
thời đo được với số lần đo trong khoảng thời gian đo.
V

 Vi (m / s)

(2.1)

n

Tương tự thì vận tốc gió trung bình ngày được xác định bằng tỷ lệ tổng vận
tốc gió trung bình giờ với thời gian 24 giờ trong ngày. Còn tốc độ gió trung bình
năm:

V nam 

 V ngay (m / s)

(2.2)

365

Tốc độ gió trung bình ở một vùng nhất định được xác định từ các số liệu theo
dõi của các trạm khí tượng hoặc các máy thám không đặc biệt.
Tuy nhiên chỉ số của các máy đo gió còn chịu ảnh hưởng của điều kiện địa
hình vĩ mô và vi mô của vùng xung quanh, mức độ che khuất của trạm khí tượng.
Điều đó cần chú ý khi tính chuyển đổi vận tốc gió đối với mỗi vùng cụ thể,
34

33
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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

thậm chí khi nó nằm gần trạm khí tượng.

trúc rối của dòng chảy ảnh hưởng tới sự làm việc của các hệ thống điều chỉnh tự

Vận tốc gió trung bình thay đổi đáng kể trong thời gian khác nhau trong
ngày, trong các tháng và các mùa. Do vậy người ta phân biệt diễn biến vận tốc theo
ngày, tháng, mùa đặc trưng cho xu hướng chung thay đổi vận tốc trong các chu kỳ
thời gian kể trên.
Mạch động vận tốc gió và năng lượng dòng khí gây nên bởi đạc tính hình
thành cấu trúc của gió các đặc điểm địa phương và ảnh hưởng của các điều kiện
cảnh quan và địa hình. Nó có ý nghĩa rất quan trọng vì nó thường là nguyên nhân
gây hư hỏng tổ máy. Đặc tính mạch động vận tốc gió được đánh giá bởi gia tốc
dòng khí, độ kéo dài của cơn gió và sự trùng hợp của các cơn gió ở những điểm
khác nhau của bề mặt chứa bánh công tác động cơ gió và hệ số gió giật Kgiật, là tỷ số

động tần số quay và giới hạn công suất của bánh công tác gió và đồng thời ảnh
hưởng tới sự ổn định của hệ thống.
Năng lượng E của dòng khí có tiết diện ngang với diện tích F được xác định
theo biểu thức:

E

mV 2
2

(J)

(2.4)

Khối lượng không khí chảy qua tiết diện F trong 1 giây với vận tốc V bằng:
m = FV

(kg/s)

(2.5)

(J/s)

(2.6)

Thay vào biểu thức 2.4 ta được:

E

FV 3
2

giữa vận tốc gió cực đại Vmax với vận tốc gió trung bình V trong một khoảng thời

Trong đó:  = 1,23 (kg/m3)là khối lượng riêng của không khí, trong điều kiện

gian (thường không quá 2 phút)

thường (T = 150C, p = 760mmHg)

Việc nghiên cứu sự biến đổi của vận tốc sẽ thuận lợi hơn nhờ sự phân tích

Như vậy, năng lượng gió thay đổi tỷ lệ bậc ba với vận tốc. Bánh công tác gió

tổng hợp tính quy luật và sự biến đổi ngẫu nhiên cường độ gió trong một khoảng

có thể biến đổi một phần năng lượng này thành năng lượng hữu ích và được đánh

thời gian chọn trước cũng như trên một diện tích không gian hữu hạn. Thông

giá bằng hệ số sử dụng năng lượng gió (NLG)

thường ở các trạm khí tượng vận tốc gió trung bình được xác định trong khoảng

Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc
trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng

thời gian không dưới 2 phút.
Cường độ giật càng giảm nhiều khi diện tích tiết diện càng lớn. Diễn biến tốc

của nó. Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng

độ gió theo ngày ở các điểm nằm khác nhau vài km, thậm chí vận tốc gió trung bình

khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời gian làm việc của tổ

theo giờ cũng rất khác nhau. Cường độ gió giật trung bình trong khoảng thời gian T

máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được.
Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác

có thể đánh giá bằng biểu thức:
T

 

2

V2(t) = lim  V( t ) dt
T  0

(2.3)

Hướng gió thường đóng vai trò ít quan trọng hơn khi sử dụng năng lượng
gió. Tuy nhiên trong những điều kiện cảnh quan khác nhau, gió với các hướng khác
nhau có các đặc điểm đặc trưng: vận tốc và gió giật lớn hơn hoặc nhỏ hơn.

nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại
(bão). Các giá trị vận tốc gió trung bình năm và trung bình mùa cũng là những đặc
trưng quan trọng, thuận lơi để đánh giá tiềm năng NLG.
Đặc tính quan trọng hơn cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến
đổi vận tốc gió trong khoảng thời gian xác định. Khi biết quy luật xác định và thông

Gradien vận tốc theo góc có ảnh hưởng đáng kể tới sự làm việc của các cơ

số của hàm này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được

cấu điều chỉnh hường tự động và trọng lượng con quay. Gió giật gây lên bởi cấu

năng lượng sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu

35
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

36


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




V
quả kinh tế...vv.
Vận tốc gió tính theo giá trị tuyệt đối và độ lặp của nó tính theo tỷ lệ thời
gian của chu kỳ ta được:
p

V

V

n

V  V  k  V 
f
1   e
V
V
Trong đó:

(2.7)

f là tần số hay độ lặp của vận tốc V

V

V là vận tốc trung bình trong chu kỳ tính toán

V là vận tốc mà độ lặp tương đối của nó xác định trong khoảng
từ (V - V/2) đến (V + V/2)

Hình 2.1. Bề mặt cánh bánh công tác động cơ gió chiếm chỗ khi quay
Thay giá trị m vào biểu thức 2.8 ta được:

V là khoảng gradien vận tốc được chọn

.F.V 3
mV 2
.V.F.V 2
=
=
(Nm/s =W)
2
2
2

2.1.2. Năng lượng gió

(2.12)

Dòng không khí chuyển động giống như bất kỳ một vật thể chuyển động nào

Biểu thức này xác định năng lượng gió qua tiết diện F trong 1 giây. Cần nhấn

khác đều có một động năng. Một trong các dạng sử dụng động năng là biến nó

mạnh rằng, năng lượng gió tỷ lệ bậc 3 với vận tốc gió và tỷ lệ bậc nhất với tiết diện

thành cơ năng. Động năng của vật thể bất kỳ kể cả năng lượng gió được xác định
bằng biểu thức 2.4.

F.
Động cơ gió chỉ biến đổi một phần năng lượng này thành cơ năng và được

Năng lượng của dòng khí chuyển động với vận tốc V qua tiết diện ngang F
được xác định như sau:

xác định bằng hệ số sử dụng năng lượng gió ký hiệu là . Bởi vậy động năng gió có
tiết diện F (hình 2.1) sẽ sản ra công trong 1 giây bằng:

Thể tích không khí chuyển động với vận tốc V qua tiết diện F trong 1 giây bằng:
Vk = VF

(m3/s)

Thể tích này nhân với trọng lượng riêng  của không khí ta nhận được lưu
lượng trọng lượng của không khí:
G =  VF

.V 3 .F.
(J/s)
2

(2.13)

Hệ số sử dụng năng lượng gió  là tỷ số giữa công động cơ gió thực hiện
được trong 1 giây với năng lượng dòng khí chảy qua tiết diện có diện tích bằng diện

(N/s)

(2.9)

Lưu lượng khối lượng của không khí bằng:

G VF
m 
g
g

(Ns/m)

(2.10)

(Ns/m)

ứng dụng năng lượng gió trong các quá trình sản xuất là hết sức khó khăn. Mật độ
không khí nhỏ hơn 800 lần so với mật độ nước, bởi vậy để nhận được công suất lớn

(kNs2/m4). Thay giá trị /g =  vào biểu thức 2.11 ta được:

cần phải có động cơ gió kích thước rất lớn. Chẳng hạn để nhận được công suất 100
mã lực (73,6 kW) với vận tốc gió 8 m/s động cơ gió cần phải có bánh công tác

(2.11)

37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

tích bề mặt cánh bánh công tác gió chiếm chỗ khi quay trong 1 giây.
Đặc tính ưu việt của gió là một nguồn năng lượng có ở mọi nơi. Xong việc

Biểu thức /g gọi là khối lượng riêng hay mật độ không khí kí hiệu là 
m = .V.F

T

(2.8)

đường kính tới 30m.

38


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




Thêm vào đó, năng lượng gió không ổn định theo thời gian. Điều này gây

15

46,2  50,9

167  183

164,3

khó khăn cho việc sử dụng rộng rãi năng lượng gió trong công nghiệp và giao

16

56,1  61,2

202  220

245,6

thông.
2.2. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam

Bảng 2.1. Bảng cấp gió Beaufor

2.2.1. Tốc độ gió, cấp gió

Trong thiên nhiên gió thường xuyên thay đổi tốc độ, vì vậy để đánh giá được

Một trong các thông số đặc trưng của gió là tốc độ gió, kí hiệu là V, đơn vị
có thể là m/s hay km/h.

bình năm, tốc độ gió cực đại Vmax và tần suất xuất hiện các tốc độ gió gọi tắt là tần

Căn cứ vào tốc độ gió người ta chia thành các cấp và bảng cấp gió được sử
dụng phổ biến trên thế giới hiện nay là bảng cấp gió Bô-Pho (Beaufor) với 17 cấp

được cho ở bảng 2.1 dười đây.
Cấp gió

tiềm năng từng vùng người ta sử dụng các thông số gió trung bình Vtb, gồm trung
suất tốc độ gió.
2.2.2. Chế độ gió ở Việt Nam
Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 80 đến 230 vĩ Bắc thuộc

Tốc độ gió

Áp suất gió trung

Đặc điểm của
gió

Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông bắc và gió Đông nam với tốc

khu vực nhiệt đới gió mùa.

m/s

km/h

bình (kg/m2)

0

0,0  0,2

0,0  1,0

0,0

Lặng gió

độ gió trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 đến 6 (m/s) (ở độ cao 10 đến 12m). Tại các

1

0,3  1,5

1,0  5,0

0,2

Gió êm

đảo xa tốc độ gió đạt 6 đến 8 (m/s). Như vậy tuy không cao bằng tốc độ gió ở các

2

1,6  3,3

6,0  11

0,9

Gió nhẹ

nước Bắc Âu ở vĩ độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả.

3

3,4  5,4

12  19

2,2

Gió yếu

4

5,5  7,9

20  28

4,5

Gió vừa

5

8,0  10,7

29  38

7,8

Gió mát

6

10,8  13,8

39  49

12,5

Gió hơi mạnh

7

13,9  17,1

50  61

18,8

Gió mạnh

8

17,2  20,7

62  74

27,0

Gió rất mạnh

9

20,8  24,4

75  88

37,5

Gió bão

10

24,5  28,4

89  102

51,1

Bão

11

28,5  32,6

113  117

69,4

Bão mạnh

12

32,7  36,9

118  133

89,0

Bão rất mạnh

13

37,0  41,4

134  149

109,2

14

41,5  46,1

150  166

135,8

Còn ở các vùng đồng bằng tốc độ gió nhỏ hơn 4 (m/s), do đó việc sử dụng
động cơ gió khó đem lại hiệu quả.
Ở các vùng núi tốc độ gió còn thấp hơn trừ một vài vùng núi cao và những

nơi có địa thế đặc biệt tạo ra những hành lang hút gió.
Một đặc điểm nữa của gió ở Việt Nam là hàng năm có nhiều cơn bão mạnh
kèm theo gió giật đổ bộ vào miền Bắc và miền Trung. Tốc độ gió cực đại đo được
trong các cơn bão tại Việt Nam đạt tới 45 (m/s) (bão cấp 14). Vì vậy khi nghiên cứu
chế tạo động cơ gió ở Việt Nam phải chú ý đến chống bão và lốc.
Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua các số liệu về gió của
Cục Khí tượng Thuỷ văn được cho trong bảng 2.2.
Tên
địa phương
Bãi Cháy

39
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Tốc độ trung

Hệ số ảnh

bình Vtb(m/s) năng lượng K
3,3

2,9

Mật độ công
suất gió (W/m2)
64,0

Mật độ năng
lượng năm
(E = kWh/m2)

562

40


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




4.487

vị đã tiến hành đo gió ở độ cao 50 – 60m tại một số điểm. Các số liệu đo đạc được ở

47,7

383,5

độ cao trên tiệm cận thoả mãn công thức sau:

124,3

1065,7

Bạch Long Vĩ

7,3

2,2

119

Bạc Liêu

2,8

3,5

Cam Ranh

4,2

2,7

Đảo Cô Tô

4,4

2,9

22,5

1.317,9

Đồng Hới

3,9

3,1

108,6

952

Đảo Phú Quý

6,8

2,1

108

3554,2

Đà Lạt

3

4,5

66,2

580

Hà Nội

2,5

2,5

24,2

212,4

Lai Châu

2,0

3,0

22,5

131,8

Lạng Sơn

2,7

3,6

-

379,2

Nam Định

3,6

2,5

72,0

631

Pha Đin

3,2

3,2

22,5

751,1

1

Plâyku

3,1

4,1

69,6

610

2

Phú Quốc

3,7

3,3

97,5

855

Quy nhơn

4,1

3,1

106,6

935

Sóc Trăng

2,7

4,2

49,2

Thái Nguyên

2,3

2,5

Thanh Hoá

2,6

Tây Ninh

1/ 5

h 
V  V1  
 h1 

(2.14)

Trong đó:
V là vận tốc gió cần tìm trên độ cao h
V1 là vận tốc gió đo được gần mặt đất trên độ cao h1
Từ quan hệ trên ta tìm được vận tốc gió trên độ cao 50m như sau (xem bảng
2.3)
Tên

Tốc độ trung bình Vtb

Tốc độ trung bình Vtb

địa phương

trên độ cao 12m (m/s)

trên độ cao 50m (m/s)

Bãi Cháy

3,3

4,4

Bạch Long Vĩ

7,3

9,7

3

Bạc Liêu

2,8

3,7

4

Cam Ranh

4,2

5,6

431

5

Đảo Cô Tô

4,4

5,8

22,5

154,3

6

Đồng Hới

3,9

5,2

2,9

29,5

259

7

Đảo Phú Quý

6,8

9,0

2,4

2,3

66,2

179,3

8

Đà Lạt

3,0

4,0

Tân Sơn Nhất

3,2

2,9

56,1

492

9

Hà Nội

2,5

3,3

Trường Sa

6,3

2,1

307,1

2.692

10

Lai Châu

2,0

2,7

Rạch Giá

3,2

2,8

47,7

476

11

Lạng Sơn

2,7

3,6

Văn Lý

4,3

2,3

72,0

933,5

12

Nam Định

3,6

4,8

Vũng Tàu

3,9

3,0

101,1

886

13

Pha Đin

3,2

4,2

14

Plâyku

3,1

4,1

15

Phú Quốc

3,7

4,9

Trong bảng 2.2 vận tốc gió được đo ở độ cao 10 đến 12m. Các động cơ gió

16

Quy nhơn

4,1

5,4

công suất lớn vài trăm đến 1000 (kW) thường được lắp trên độ cao 50 đến 60m.

17

Sóc Trăng

2,7

3,6

Bảng 2.2. Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam

TT

Song các dữ liệu vận tốc gió ở độ cao trên 12m thì ta chưa có. Vì vậy một vài đơn
41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

42


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




18

Thái Nguyên

2,3

3,0

giao” bởi một nhà sản xuất điện năng độc lập và sẽ đóng vai trò xúc tác trong việc

19

Thanh Hoá

2,6

3,4

thúc đẩy đầu tư tư nhân vào ngành điện Việt Nam. Dự án này sẽ góp phần phát triển

20

Tây Ninh

2,4

3,2

các nguồn năng lượng tái tạo của Việt Nam thông qua việc hỗ trợ tài chính để xây

21

Tân Sơn Nhất

3,2

4,2

dựng các nhà máy phát điện chạy bằng sức gió với tổng công suất 125MW, tuy

22

Trường Sa

6,3

8,4

nhiên công suất chính xác cũng như những vấn đề khác vẫn chưa có được quyết

23

Rạch Giá

3,2

4,2

định cuối cùng. Tập đoàn Tài chính EurOrient cũng sẽ cung cấp hỗ trợ kỹ thuật và

24

Văn Lý

4,3

5,7

nâng cao năng lực phục vụ việc phát triển sản xuất điện gió nhằm đẩy mạnh hơn

25

Vũng Tàu

3,9

5,2

nữa việc sản xuất điện bằng sức gió ở các tỉnh khác.
Việc nghiên cứu ứng dụng NLG ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm 1970

Bảng 2.3. Bảng đo vận tốc gió trên độ cao 12m và 50m

với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình
Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước về Năng lượng mới và tái tạo nên đã có một số

2.3. Sản xuất điện từ năng lượng gió ở Việt Nam
Gió là một nguồn năng lượng có đặc tính ưu việt là có ở tất cả mọi nơi. Song

kết quả sau:

việc ứng dụng NLG trong các quá trình sản suất là hết sức khó khăn, để nhận được

Về động cơ gió phát điện:

công suất lớn cần có động cơ gió kích thước rất lớn. Thêm vào đó là NLG không ổn

- Máy phát điện PD 170- 6, công suất 120W nạp ắcquy của Trường Đại Học

định theo thời gian nên khó sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông.
Năng lượng gió ở Việt Nam thì không tốt bằng các nước Châu Âu , thế
nhưng dọc bờ biển và hải đảo thì Việt Nam cao nhất so với các nước trong khu vực.
Nay do số liệu về gió trên độ cao 40 mét thì Việt Nam chưa có.
Hiện nay đang xây dựng một số cột đo gió độ cao trên 40 mét; khi đánh giá
được thì mới có thể khai thác. Việt Nam là nước ven biển nên có nhiều vùng gió

tiềm năng, hiện đang có một số dự án của Trung tâm nghiên cứu Năng Lượng Mới

Bách Khoa Thành Phố Hồ CHí Minh.
- Máy phát điện PH- 500, công suất 500W của Trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội.
- Máy WINDCHARGER, công suất 200W nạp ắcquy (theo thiết kế của Mỹ)
do một số cơ quan cải tiến thiết kế chế tạo.
- Máy phát điện gió công suất 150W của Trung tâm nghiên cứu SOLALAB
Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ CHí Minh.

thuộc Đại Học Bách Khoa Hà Nội có thể phát điện hoà vào mạng lưới điện Việt

Về động cơ gió bơm nước:

Nam. Căn cứ việc đo gió họ đã tiến hành một dự án ở Bình Định đầu tiên là 50MW

- Máy D- 4 bơm cột nước thấp của Viện năng lượng, Bộ Công Thương.

nhưng do khó khăn về đất nên chỉ thực hiện được 20MW.

- Máy D- 3,2 bơm cột nước cao của Viện năng lượng, Bộ Công Thương.

Tập đoàn Tài chính EurOrient (“EurOrient”) đã công bố kế hoạch thúc đẩy
phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và sạch hơn tại khu vực miền Bắc Việt
Nam, đồng thời dự tính sẽ quyết định đầu tư 125 triệu USD nhằm góp phần phát
triển năng lượng điện chạy bằng sức gió. Hoạt động sản xuất điện bằng sức gió sắp
triển khai đang được dự tính xây dựng theo hình thức “xây dựng - sở hữu - chuyển
43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Các máy PB 380- 10 và 350- 8 bơm cột nước cao do Trường Đại Học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh thiết kế, chế tạo
- Máy OASIS bơm cột nước cao (trước đây do hợp tác xã 2- 9 Thành Phố Hồ
Chí Minh cải tiến, thiết kế và chế tạo).
Thời gian gần đây do nhu cầu nghiên cứu, ứng dụng năng lượng gió phát

44


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




triển mạnh, chúng ta đã nhập nhiều loại thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỔNG QUÁT

Tuy nhiên việc nhập và ứng dụng các thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài còn

HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ

đang trong giai đoạn thử nghiệm.

3.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống phát điện bắng sức gió

Bên cạnh các thiết bị phát điện dùng sức gió công suất cực nhỏ nhập của
Trung Quốc ta đã xây dựng các dự án nhà máy điện gió công suất lớn.

3.1.1 Tổng quan về hệ thống

a.Yêu cầu đối với hệ thống
Trạm điện sức gió được xây dựng phải đáp ứng được các yêu cầu hoạt động
và vận hành sau đây:
+ Hệ thống làm việc độc lập nhưng vẫn cho phép có sự can thiệp của con
người khi có yêu cầu.
+ Cấu trúc lắp đặt của hệ thống đảm bảo thuận lợi cho công tác bảo dưỡng,
kiểm tra, thay thế, phòng chống thiên tai: bão, lũ.
Bên cạnh đó, do điều kiện năng lượng gió đầu vào của trạm phát điện luôn biến
động theo thời gian còn công suất tiêu thụ phía phụ tải đầu ra cũng không ổn định,
cho nên hệ thống phải có khả năng xử lý những thay đổi trong năng lượng thu và
phát, nhằm duy trì sự cân bằng về năng lượng. Như vậy:
+ Hệ thống thực hiện tích trữ hoặc bù đắp năng lượng trong điều kiện năng
lượng đầu vào nhiều hơn hoặc ít hơn công suất tiêu thụ phía phụ tải.
+ Nếu công suất tiêu thụ vượt quá lượng cung cấp đầu vào và khả năng bù
đắp, hệ thống có biện phát kỹ thuật đảm bảo không bị rã lưới tiêu thụ.
+ Khi công suất tiêu thụ quá nhỏ còn năng lượng thu được từ đầu vào quá
lớn vượt quá năng lượng có thể tích trữ lại, hệ thống có giải pháp tiêu hao nguồn
năng lượng dư thừa.
Căn cứ theo những yêu cầu vận hành và các bài toán kỹ thuật cần phải có, hệ thống
phát điện sức gió có cấu trúc được thiết kế như hình vẽ 3.1.
b.Nguyên lý hoạt động
Năng lượng gió sẽ được chuyển hoá thành điện năng và được lấy ra ỏ phía
stator của máy phát. Hai bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng xoay chiều
thành năng lượng một chiều và đưa vào mạch một chiều. Chỉnh lưu phụ với điện trở

36

45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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




hạn chế dòng nạp ban đầu sẽ hoạt động tại thời điểm khởi động hệ thống, nhiệm vụ
thời gian.

Thiết bị điều khiển,
giám sát
và thu thập dữ liệu

Modem

của nó là nạp tụ lọc Cl . Chỉnh lưu chính sẽ bắt đầu hoạt động sau đó một khoảng

Modem

Nối với mạch một chiều có các bộ phận điện trở hãm, nghịch lưu, mạch nạp
ắc-quy và ắc-quy, chúng được tích hợp để phục vụ các bài toán kỹ thuật cho hệ
thống. Khi đó dòng năng lượng một chiều sẽ được điều khiển cung cấp cho phụ tải
thông qua nhánh phần tử nghịch lưu, hoặc nạp vào trong bộ phận ắc-quy, hoặc đưa

Bộ điều khiển
hiện trường

tới điện trở hãm. Hoạt động của chúng được điều khiển bởi một bộ điều khiển hiện
trường (dùng TMS 320F2812) được tích hợp trong hệ thống.

Thông qua các thiết bị đóng cắt S1,S2, … bộ điều khiển hệ thống (dùng

Thiết bị
cấp trường

Hệ thống điều khiển
giám sát từ xa
Hệ thống
điều khiển
giám sát
tại chỗ

Simatic S7-200 của Simens) sẽ thiết lập các chế độ hoạt động: khởi động, cấp điện
phụ tải, cắt tải, v.v…

Hình 3.2. Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát điện sức gió

c.Phân cấp điều khiển trong hệ thống

3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường

Phần điều khiển trong hệ thống được chia thành hai cấp căn cứ theo mục
đích hoạt động:

Trong hệ thống phát điện sức gió, cấp điều khiển hiện trường là một bộ điều
khiển do Phòng Thí nghiệm trọng điểm Tự động hoá thiết kế, chế tạo, được tích hợp

+ Cấp điều khiển hiện trường, thực hiện các bài toán điều khiển cấp Slave

dựa trên vi xử lý tín hiệu số TMS 320F2812 của hãng Texas Instrument. Bên cạnh

nhưng đòi hỏi thời gian thực (bài toán điều chỉnh ổn định điện áp ra, bài toán nạp

card điều khiển (hình 3.3) là 3 module được thiết kế để giải quyết 3 bài toán điều

ắc-quy, bài toán tiêu hao năng lượng dư thừa dùng điện trở hãm, bài toán bù hệ số

khiển cấp hiện trường như:

công suất cosφ) can thiệp trực tiếp đến các phần tử của hệ thống, nó gồm một bộ
điều khiển chính, xây dựng dựa trên phần tử TMS320F2812, và các module phụ trợ.

Card điều khiển

+ Cấp điều khiển hệ thống, thực hiện các bài toán điều khiển cấp Master như:
thiết lập chế độ hoạt động, phân bố phụ tải tiêu thụ, giám sát hoạt động của hệ
thống, tham gia thực hiện bài toán chẩn đoán và giám sát từ xa thực trạng vận hành.
Phần cứng sử dụng là phần tử khả trình Simatic S7-200 của hãng Simens.
Một thiết bị điều khiển, chẩn đoán và giám sát từ xa (hình 3.2) đã được tích

Module
điện trở đốt

Module
nghịch lưu

Module
nạp acqui

hợp thêm (kết nối với bộ điều khiển hệ thống thông qua modem của S7-200 và

đường dây điện thoại) cho phép thực hiện được các chức năng quan trọng như: chẩn
đoán hệ thống, phát hiện lỗi, cập nhật phần mềm v.v…

Hình 3.3. Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường
* Điều khiển nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu điều chỉnh ổn định điện áp ra phía
tải tiêu thụ (220V/50Hz)

36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

37


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




* Điều khiển điện trở đốt, đáp ứng yêu cầu năng lượng dư thừa khi năng lực
tiêu thụ đầu ra của tải nhỏ hơn so với năng lượng phía đầu vào.

Đây chính là động lực của giải pháp bù và là nguyên nhân đưa đến đăng ký sở hữu
trí tuệ của giải pháp này.

* Điều khiển nạp ăc-quy, phục vụ việc tích trữ năng lượng, đảm bảo sự cân
bằng về năng lượng thu và nhận của trạm phát điện sức gió.

+ Thứ ba, công suất phát phải đáp ứng được yêu cầu của phụ tải tiêu thụ. Tuy
nhiên, điều này còn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn năng lượng gió và khả năng tích

a. Card điều khiển

luỹ của hệ thống lưu điện.

Các thông số kỹ thuật cơ bản của card điều khiển (hình 3.4)

Đây là các nhiệm vụ của bài toán điều khiển nghịch lưu – bài toán điều chỉnh ổn

+ 256 Kword Flash EPROM

định điện áp ra.

+ 64 Kword SRAM
+ 8 Kbyte EEPROM, loại SPI

PWM
outputs

+ 12 kênh PWM với mức tín hiệu đưa ra là 0-5V

QEP
inputs

+ 3 đầu vào số 24V DC
+ 1 cổng truyền thông RS485
Set-up

+ 1 cổng truyền thông RS232

EEPROM

GPT/EVx

(SPI)

PLC

Comm.
(RS485)

P4
P7
P8

Module
Trung tâm

+ 4 đầu vào số cách ly quang;
16 kênh đầu vào tương tự, phạm vi tín hiệu vào yêu cầu là 0-5V DC
b. Module nghịch lưu
Thành phần chính là các van bán dẫn cho phép thực hiện đóng cắt với tần số
cao, trong đó tín hiệu điều khiển được xác định căn cứ theo thuật toán điều khiển và

Keyboard

/Display

Comm.
(RS232)

điều chế vector không gian nạp trong card điều khiển.
Do hệ thống được lắp đặt ở những nơi không có lưới điện quốc gia, do đó nó
là nguồn cung cấp điện duy nhất trong hệ thống lưới phụ tải, có đặc điểm là thành
phần điện trở và điện cảm phụ tải biến thiên một cách ngẫu nhiên theo nhu cầu sinh
hoạt của khu dân cư. Và như vậy phần điều khiển điện áp ra cung cấp sẽ phải đáp
ứng được các yêu cầu kỹ thuật sau:

Power
Supply

P6

P5 P9
Analog
Inputs (ADC)

Flash ROM
512Kx16
(Zone 2)
P2
SRAM
8Kx16
(Zone 1)

J1 J7 J8 J9
J11 J12

Peripheral
(Zone 0)

Boot mode

Hình 3.4. Cấu trúc phần cứng card điều khiển
c. Module nạp ăc-quy
Trong hệ thống, bộ phận ắc-quy được sử dụng để điều phối quá trình thu và
phát năng lượng. Nếu năng lượng thu về từ máy phát lớn hơn năng lượng tiêu thụ
của lưới bộ phận ắc-quy rơi vào chế độ nạp và sẽ ngừng khi được nạp đầy. Khi năng

+ Thứ nhất, biên độ và tần số điện áp cung cấp phải đảm bảo giữ ổn định
(220V/50Hz). Trong đó, yêu cầu về biên độ được ưu tiên, tần số được phép biến
thiên trong một phạm vi nhất định.

lượng thu được nhỏ hơn năng lượng tiêu thụ, ắc-quy sẽ chuyển sang chế độ phát,
đưa năng lượng ra mạch một chiều bù đắp vào phần thiếu hụt. Tuy nhiên ắc-quy sẽ
chỉ làm việc trong chế độ phát cho đến khi năng lượng dự trữ trong nó tụt giảm

+ Thứ hai, hệ số công suất phát phải tuân theo những thay đổi của phụ tải
tiêu thụ.Lý tưởng là: Hệ thống có khả năng bù để sao cho hệ số cosφ là tốt nhất.

38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xuống đến nhỏ hơn mức năng lượng giới hạn.
Cấu trúc phần cứng của bộ phận ắc-quy trong hệ thống bao gồm:
39



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