Chương trình mô phỏng tính toán thiết kế hệ thống điện vùng sâu, vùng xa, hải đảo

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------!----------------

PHẠM HỒNG LĨNH

CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ
THỐNG CẤP ĐIỆN VÙNG SÂU, VÙNG XA, HẢI ĐẢO
CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ NHIỆT
MÃ SỐ : 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10 NĂM 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc só được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày …..tháng…..năm 2004

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí
Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHẠM HỒNG LĨNH
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 14 - 08 - 1979
Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt
Mã số: 60.52.80
I. TÊN ĐỀ TÀI:
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP ĐIỆN
VÙNG SÂU, VÙNG XA, HẢI ĐẢO
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Sơ lược về các nguồn năng lượng
2. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống cấp điện vùng sâu, vùng xa, hải đảo
3. Phần mềm tính toán
4. Đánh giá các kết quả thu được từ phần mềm tính toán
5. Đánh giá và kết luận
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
09 - 02 - 2004
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
30 -10 - 2004

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. NGUYỄN THẾ BẢO
VI. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:
VII. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

PGS.TS. LÊ CHÍ HIỆP

PGS.TS. LÊ CHÍ HIỆP

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày tháng năm 2004
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến TS Nguyễn
Thế Bảo đã tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng quý giá cho
nội dung luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các GS, PGS, TS và các cán bộ Trường Đại
Học Bách Khoa, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật tham gia giảng dạy và đã
có nhiều ý kiến đóng góp cho việc hoàn thành nội dung khoa học của Luận văn.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ Trung Tâm Tiết Kiệm Năng

Lượng thuộc Sở Khoa Học Công Nghệ và Môi Trường TPHCM, Ks Nguyễn
Trần Phú công tác tại Công viên phần mềm Quang Trung, Ks Nguyễn Huy
Hoàng công tác tại Công ty THHH TUICO đã nhiệt tình giúp đỡ, đóng góp vào
sự thành công chung của Luận văn.
Ngoài ra, tác giả cũng chân thành cảm ơn đến những người thân thương,
bạn bè, đồng nghiệp đã hỗ trợ và động viên tác giả trong suốt thời gian thực
hiện Luận văn này.
Người thực hiện
PHẠM HỒNG LĨNH


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung của Luận văn này trình bày một số đánh giá về các nguồn năng
lượng tái tạo gồm pin mặt trời turbine gió. Trong phần tiếp theo, bài Luận văn
đưa ra các lý thuyết cơ bản được sử dụng trong việc tính toán và mô tả các tính
năng hoạt động của hệ thống cấp điện vùng sâu vùng xa thông qua việc sử dụng
năng lượng tái tạo chủ yếu pin mặt trời, turbine gió kết hợp với việc sử dụng
máy phát địên dùng xăng dầu kèm theo hệ thống lưu trữ điện và một số thiết bị
phụ khác cùng với việc tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
Qua các cơ sở toán học và ngôn ngữ lập trình Visual Basic, luận văn đã
thể hiện nổi bật về chương trình tính toán hệ thống cấp điện với phần mềm tính
toán cho hệ thống cấp điện vùng sâu vùng xa. Qua đó, phân tích các kết quả rút
ra được từ chương trình tính toán để đánh giá được các đặc tính và ưu điểm cùng
với khả năng ứng dụng trong tương lai của hệ thống.
Các kết quả của chương trình tính có thể được tham khảo làm cơ sở cho
việc thiết kế, tính toán chọn lựa các thiết bị của hệ thống để đạt được sự tối ưu
về chi phí đầu tư ban đầu khi xem xét đánh giá việc ứng dụng hệ thống cấp điện
dùng năng lượng tái tạo kết hợp sử dụng máy phát diesel tại Việt Nam.

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ...................................................................................................................... 2
SƠ LƯC VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯNG ............................................................... 2
1.1. Tình hình sử dụng điện năng ở Việt Nam ........................................................... 2
1.2. Giơi thiệu các nguồn năng lượng tái tạo ............................................................. 3
1.3. Năng lượng tái tạo .............................................................................................. 6
1.3.1. Thuỷ điện .................................................................................................................7
1.3.2. Năng lượng mặt trời .................................................................................................8
1.3.3. Năng lượng gió.......................................................................................................12
1.3.4. Năng lượng sinh khối .............................................................................................13

1.4. Các đánh giá về ảnh hưởng tới môi trường ....................................................... 16
CHƯƠNG 2 .................................................................................................................... 18
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 18
2.1. Xác định tải tiêu thụ .......................................................................................... 18
2.2. Hệ thống máy phát diesel, xăng........................................................................ 19
2.2.1. Hệ thống máy phát độc lập ....................................................................................19
2.2.2. Hệ thống máy phát sử dụng ắc quy........................................................................20

2.3. Hệ thống kết hợp máy phát - ắc quy và năng lượng tái tạo .............................. 28
2.3.1. Sơ lược hệ thống pin mặt trời .................................................................................28
2.3.2. Sơ lược hệ thống điện turbine gió ..........................................................................33
2.3.3. Tính toán hệ thống kết hợp ....................................................................................35

2.4. Tính toán kinh tế ............................................................................................... 47
2.4.1. Tính toán ................................................................................................................47
2.4.2. Tính toán kinh tế ....................................................................................................47

2.4.3. Tính chi phí máy phát ............................................................................................47
2.4.4. Chi phí nhiên liệu ...................................................................................................48
2.4.5. Tính chi phí ắc quy.................................................................................................49
2.4.6. Tính chi phí pin mặt trời .........................................................................................49
2.4.7. Tính chi phí turbine gió ..........................................................................................50
2.4.8. Tính chi phí inverter, bộ nạp ắc quy ......................................................................50
2.4.9. Tính chi phí bảo trì và vận hành ............................................................................51
2.4.10.Chi phí sản xuất điện .............................................................................................55

2.5. Hệ thống điện dùng năng lượng tái tạo kết hợp ắc quy .................................... 55
CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 62
PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ........................................................................................... 62
3.1. Khởi động chương trình .................................................................................... 63
3.2. Nhập các thông số đầu vào .............................................................................. 64
3.2.1. Các thông số tải .....................................................................................................64
3.2.2. Thông số máy phát.................................................................................................65
3.2.3. Thông số ắc quy .....................................................................................................65
3.2.4. Thông số của pin mặt trời ......................................................................................65
3.2.5. Thông số turbine gió ..............................................................................................66
3.2.6. Thông số các thiết bị khác .....................................................................................66
3.2.7. Thông số kinh tế ....................................................................................................66
3.2.8. Thông số về vận hành bảo dưỡng đối với máy phát ..............................................68

3.3. Màn hình kết quả .............................................................................................. 69
CHƯƠNG 4 .................................................................................................................... 73
ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ ......................................................................................... 73
4.1. Kiểm chứng độ tin cậy ...................................................................................... 73
4.2. Đánh giá tính khả thi một số hệ thống .............................................................. 76
4.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của giá nhiên liệu .................................................................78
4.2.2. Đánh giá sự ảnh hưởng của mức độ lạm phaùt ........................................................80

4.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của mức độ lạm phát giá nhiên liệu .....................................81
4.2.4. Ảnh hưởng của suất chiết khấu ..............................................................................82
4.2.5. Đánh giá chung tới chi phí điện .............................................................................83

4.3. Sự ảnh hưởng của năng lượng tái tạo đối với hệ thống cấp điện kết hợp ......... 83
4.3.1. Ảnh hưởng của số lượng thiết bị hay công suất lắp đặt .........................................83
4.3.2. Ảnh hưởng của số lượng module tới chi phí điện ...................................................85
4.3.3. Ảnh hưởng của góc nghiêng tấm pin mặt trời ........................................................86

CHƯƠNG 5 .................................................................................................................... 87
ĐÁNH GIÁ - KẾT LUẬN ............................................................................................. 87
5.1. Khả năng ứng dụng ở Việt Nam ....................................................................... 87
5.2. Ưu nhược điểm của hệ thống điện dùng năng lượng tái tạo ............................. 90
5.2.1. Ưu điểm của hệ thống điện dùng năng lượng tái tạo .............................................91
5.2.2. Nhược điểm của hệ thống điện dùng năng lượng tái tạo .......................................92

5.3. Một số xu hướng phát triển hệ thống điện dùng năng lượng tái tạo ................. 94
5.3.1. Các công nghệ chế tạo pin mặt trời hiện nay.........................................................94
5.3.2. Công nghệ nano .....................................................................................................95
5.3.3. Hệ thống điện mặt trời độc lập ..............................................................................96
5.3.4. Hệ thống điện mặt trời nối lưới..............................................................................96
5.3.5. Hệ thống điện mặt trời phụ tải lưới điện................................................................97

5.4. Kiến nghị và kết luận ........................................................................................ 97
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 100
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 136

CÁC CHỮ VIẾT TẮT THƯỜNG DÙNG

Ký hiệu

Đơn vị

Giải thích

A

Độ đồng nhất của chỗ tiếp xúc p-n

APR

Tỷ số giữa vận tốc ngoài và định mức turbine

B

Wh

Điện năng trong ắc quy
Tỷ số giữa vận tốc cắt và định mức

CPR
G

W

Công suất máy phát

d

%

Suất chiết khấu

DOD

%

Mức độ xả điện

E

eV

Năng lượng hấp thụ ở bước sóng nhất định

F

lít

Lượng nhiên liệu tiêu hao

h

Js

Hằng số Planck

I

W/m2

Cường độ bức xạ

Iob

W/m2

Bức xạ toàn phần tới bầu khí quyển trái đất

Isc

Ampe

Dòng điện ngắn mạch

IT

W/m2

Bức xạ tới mặt phẳng nghiêng

i

%

Mức độ lạm phát về giá

if

%

Mức độ lạm phát giá nhiên liệu
Hằng số Boltzmann

K
l

Wh

Tải tiêu thụ
Tỷ số giữa công suất của turbine

OPR
P

W

Công suất thiết bị

PW

USD

Giá trị hiện tại

SFC

kWh/l

Hệ số sử dụng nhiên lieäu


T

o

Nhiệt độ tuyệt đối

tk

năm

Thời gian phân tích kinh tế

TOE

tấn

Tấn dầu tương đương

v

m/s

Vận tốc

vR

m/s

Tốc độ gió định mức của turbine

vW

m/s

Vận tốc gió bên ngoài

V

V

Điện áp hở mạch

Voc

V

điện áp hở mạch

β

độ

Góc nghiêng bộ thu

γ

độ

Góc phương vị

η

%

Hiệu suất thiết bị

λ

m

Bước sóng ánh sáng

φ

độ

Góc vó độ của nơi tính toán, độ

K

Hệ số phản xạ mặt đất

ρ
CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANN

Mạng trí tuệ nhân tạo

MPPT

Bộ theo dõi công suất pin mặt trời

PEFC

Chất điện phân polymer

PV

Pin mặt trời

RAPS

Hệ thống cấp điện vùng sâu vùng xa

SHS

Hệ thống nhà mặt trời


1

MỞ ĐẦU
Trong thời đại kinh tế thị trường và hội nhập quốc tế, vấn đề phát triển

đời sống người dân các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa là một trong
những chính sách hàng đầu của Nhà nước nhằm nâng cao đời sống vật chất, tinh
thần và trình độ dân trí mọi người trong xã hội. Phát triển kinh tế gắn liền với
việc phát triển mở rộng mạng lưới điện tới các khu vực còn khó khăn khi mà hệ
thống lưới điện quốc gia chưa thể đáp ứng được. Do vậy, vấn đề phát triển kinh
tế vùng sâu, vùng xa được xem xét dựa trên việc đưa hệ thống điện tới tất cả các
hộ gia đình bằng mọi cách khác nhau. Để có thể thực hiện được điều đó cần phải
có các chương trình nghiên cứu ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong
việc phát triển hệ thống điện vùng sâu, nhất là việc ứng dụng công nghệ thông
tin để mô phỏng, thiết kế hệ thống điện vùng sâu, vùng xa, hải đảo.
Với mục đích phát triển hệ thống điện vùng sâu, vùng xa (RAPS), việc
tính toán thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính thông qua một phần mềm tính toán
đơn giản giúp người thiết kế có thể tính toán, mô phỏng một hệ thống cấp điện
về phương diện kinh tế kỹ thuật. Phần mềm tính toán thiết kế hệ thống điện
RAPS gồm một số hệ thống cấp điện đơn giản như hệ thống máy phát điện
diesel, hệ thống điện dùng năng lượng mặt trời, hệ thống điện dùng năng lượng
gió và một số hệ thống kết hợp khác.
Ngày nay, việc tính toán dựa trên một số phần mềm có sẵn với mức độ tin
cậy đủ cao sẽ giúp người thiết kế giảm bớt được thời gian tính toán các phép tính
phức tạp đặc biệt là các phép toán có tính lặp đi lặp lại nhiều lần, hoặc các bài
toán tối ưu, từ đó có thể tăng khối lượng công việc cho các mục đích khaùc.


2

1.

Chương 1

SƠ LƯC VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯNG

1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG ĐIỆN NĂNG Ở VIỆT NAM
Theo thống kê đến cuối năm 2000, tổng công suất của hệ thống điện lực
Việt Nam khoảng 6148 MW, tổng điện năng sản xuất hàng năm 26.594 GWh,
trong đó gồm nhiều hệ thống điện khác nhau cụ thể với cơ cấu:
Thuỷ điện chiếm 53,4%
Nhiệt điện dùng than đốt 10,49%
Nhiệt điện đốt dầu 3,22%
Nhiệt điện dùng turbine khí 18,28%
Dùng máy phát điện diesel 6,44%
Và một số hệ thống điện khác 8,17%
Theo một số dự báo, với tình hình phát triển hệ thống điện như hiện nay,
thì chỉ trong thời gian ngắn nữa vấn đề thiếu điện sẽ trở nên ngày càng nghiêm
trọng hơn, mặc dù hiện nay vấn đề điện khí hoá nông thôn đã đạt được một số
kết quả khả quan. Nhưng tính đến năm 2000, vẫn còn khoảng 3,9 triệu gia đình ở
nông thôn vẫn chưa có điện sử dụng trong sinh hoạt. Theo các dự báo, đến năm
2010 thì vẫn còn khoảng 500.000 hộ gia đình chưa có điện sử dụng mặc dù hiện
nay chính sách phát triển mở rộng hệ thống điện nông thôn đã tăng nhiều lần so
với các năm về trước.


3

1.2. GIƠI THIỆU CÁC NGUỒN NĂNG LƯNG TÁI TẠO
Năng lượng tái tạo tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, nhưng chỉ một số
dạng điển hình là có thể thu hồi hay tận dụng được. Trong nhiều thập kỷ qua,
việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên rõ rệt cùng với sự phát triển kinh
tế, trong đó nhiên liệu hóa thạch như dầu thô, than đá và khí thiên nhiên chiếm
phần lớn nguồn năng lượng tiêu thụ thể hiện trên hình 1.1. Theo một số nhà
thống kê, vơi tình hình sử dụng nhiên liệu hoá thạch như hiện nay, thì sớm hay
muộn trong tương lai sẽ không thể tránh sự cạn kiệt về nguồn nhiên liệu này.

Hơn nữa, với một lượng lớn nhiên liệu được tiêu thụ như hiện nay, điều này đã
gây ra không ít vấn đề nghiêm trọng cho môi trường, như việc thải các khí nhà

Khủng hoảng dầu lửa lần 1
Khủng hoảng
dầu lửa lần 2

kính (CO2, O3, CFC, …), các hiện tượng mưa axit trên toàn cầu …

9 000

Chiến tranh thế giới lần thứ hai

7 000
Chiến tranh thế giới lần thứ nhất

Đương lượn g dầu lửa tính theo tấn

8 000

6 000
5 000
4 000
3 000
2 000

Nguyên tử
Hydro

Khí thiên nhiên

Dầu mỏ
Than đá

1 000
1870

1880

1890

1900

1910

1920

1930

1940

1950

1960

1970

1980 1990
Năm

Hình 1.1. Xu hướng tiêu thụ các nguồn năng lượng

Về cơ bản, các tài nguyên năng lượng được xếp vào hai nhóm chính:


4

Các tài nguyên được tích trữ qua nhiều niên đại của trái đất dưới dạng
hoá thạch như dầu thô, khí thiên nhiên, than đá, nhiên liệu hạt nhân …. Hiện nay
hơn 80% năng lượng tiêu thụ trên thế giới lấy từ các nguồn năng lượng hoá
thạch thông qua quá trình đốt cháy. Các nguồn năng lượng này được dự báo sẽ
chỉ còn cung cấp được trong vài chục năm nữa ngoại trừ than đá. Về nhiên liệu
hạt nhân, nguồn uranium tự nhiên dùng cho các nhà máy điện hạt nhân đã được
khai thác nhưng vẫn còn hạn chế và số lượng cũng bị giới hạn.
Các nguồn năng lượng tái tạo được như năng lượng mặt trời, thế năng của
nước, động năng của gió, sinh khối … Loại năng lượng này có thể tái tạo được
nhờ vào bức xạ của mặt trời lên trái đất, chúng đã được sử dụng từ thời xa xưa
trước khi các nguồn năng lượng hoá thạch được khai thác và sử dụng. Tuy nhiên,
do sự quan tâm đến vấn đề môi trường gần đây được chú ý nhiều, nên việc đẩy
mạnh các ứng dụng của chúng vào vấn đề sử dụng và phát điện đang ngày càng
phổ biến.
Việc sử dụng các nguồn năng lượng này chủ yếu để thực hiện các công
việc sản xuất, đốt nóng và phát điện. Trong đó, điện năng được sử dụng nhiều
nhất chủ yếu trong sinh hoạt và công nghiệp. Hiện nay, điện năng đang được
cung cấp qua lưới điện và được phủ khắp quốc gia qua các đường dây điện riêng
biệt.
Các nguồn tự nhiên chính sinh ra năng lượng tái tạo được chia thành loại
lưu trữ được và loại dòng chảy, thể hiện ở sơ đồ sau:

5

Năng lượng tái tạo
Dạng dự trữ
Thế năng của nước dạng đập chứa
Địa nhiệt
Nhiệt năng của biển (sử dụng bằng các bơm nhiệt)
Sinh khối
Dạng dòng chảy
Năng lượng nước dạng dòng chảy
Năng lượng bức xạ mặt trời (sử dụng trực tiếp và thông qua pin quang điện)
Động năng của gió
Năng lượng sóng biển và thủy triều

Hình 1.2. Năng lượng tái tạo dạng tích trữ và dạng dòng chảy

Ngoài các nguồn năng lượng tự nhiên, một lượng đáng kể còn lại của các
nguồn năng lượng không sử dụng như nhiệt thải từ quá trình sản xuất điện, nhiệt
trong các cống, … Hiện nay, việc thu hồi các nguồn năng lượng đã bị thải bỏ
đang được đẩy mạnh nghiên cứu trong nhiều lónh vực liên quan ở nhiều nước
trên thế giới, nhất là ở các nước phát triển.
Ngoài ra, việc tăng hiệu suất các nhà máy điện và các thiết bị sử dụng
năng lượng cũng đang được quan tâm. Các nhà máy nhiệt điện truyền thống có
hiệu suất nhỏ hơn 40% trong khi các hệ thống sản xuất đồng bộ turbine khí có
thể đạt hiệu suất tổng cộng khoảng 60%. Để giảm tổn thất trong quá trình truyền
điện, các nguồn năng lượng phân tán để cung cấp năng lượng cho các đơn vị tiêu
dùng cá nhân đang được chú ý như một ví dụ cho việc ứng dụng các turbine khí
nhỏ ở các toà nhaø, v.v…

6

Trạm năng lượng
trung tâm
(Nguyên tử, Nhiệt Sản xuất phân tán
điện, Thủy điện)
(động cơ khí, pin
chất đốt, sản xuất Sản xuất trong gia
từ chất thải, v.v…) đình (sản xuất quang
điện, pin chất đốt trên
Sự giảm dần về khả năng phát, mức độ
xe cộ)
thân thiện với môi trường, mức độ nâng
cao hiệu suất (với sản xuất đồng bộ)

Quy mô nguồn phát
•
•
•
•
•
•
•
•

1 GW
100 MW
10 MW
1 MW
100 KW

10 KW
1 KW
100 W

Hình 1.3. Các xu hướng của công nghệ năng lượng

Các nghiên cứu và phát triển đáng chú ý chính là pin chất đốt, chúng cho
một hiệu suất cao và sạch do thải ra sản phẩm phụ chủ yếu là nước nóng. Trong
những loại có sẵn, loại chất điện phân polymer (PEFC) được hy vọng sẽ là
nguồn năng lượng của xe cộ thế hệ kế tiếp do tính nhỏ gọn của nó. Khi giá
thành của pin chất đốt đạt được mức kinh tế chấp nhận được, chúng sẽ trở thành
các nguồn cho việc sản xuất năng lượng phân tán.
Các xu hướng phát triển công nghệ năng lượng gần đây được đặc trưng
bởi việc ứng dụng các nguồn năng lượng phân tán như minh hoạ trên hình 1.3.
Các nhà máy sản xuất điện cỡ lớn đòi hỏi thời gian xây dựng đáng kể và thường
kèm theo những ảnh hưởng có hại cho môi trường. Sự phát triển các nguồn năng
lượng mới có qui mô nhỏ hơn tập trung vào những phương pháp hiệu quả ứng
dụng trong các ngành tương ứng với mục đích nâng cao hiệu suất truyền dẫn và
chuyển đổi.
1.3. NĂNG LƯNG TÁI TẠO
Trong các phần sau, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt
trời, năng lượng nước, năng lượng gió và sinh khối sẽ được giới thiệu chi tiết


7

cùng với những mô tả ngắn gọn về các đánh giá ảnh hưởng của nó tới môi
trường.
1.3.1. Thuỷ điện
Trên thế giới thuỷ điện chiếm khoảng 7% lượng điện sản xuất. Chi phí

xây dựng một nhà máy thuỷ điện và cơ sở hạ tầng liên quan là khá lớn, tuy
nhiên, chi phí chung có thể giảm xuống nhờ vào thời gian phục vụ lâu dài của
nó. Trong khi điện sinh ra từ chất đốt gây ra những hiệu ứng ngược lại lên môi
trường thì thuỷ điện lại có lợi hơn do thải ra ít khí CO2.
Ở Việt Nam, tiềm năng thuỷ điện tập trung chủ yếu ở các vùng biên giới
giáp Lào và Campuchia của khu vực miền Trung và miền Bắc. Tiềm năng về
thuỷ điện với hệ thống trung bình và lớn ở Việt Nam khoảng 16 000 MW, còn
thuỷ điện nhỏ khoảng 2 000 MW Trong đó các vị trí lắp đặt thuỷ điện nhỏ
10kW/vị trí có thể khai thác được với trữ lượng 800 – 1400 MW. Hiện nay, ở
Việt Nam đã có khoảng 60 MW công suất điện được nối lên lưới với khoảng 48
nhà máy thuỷ điện nhỏ có công suất từ 100-7500 kW. Ngoài ra, còn nhiều hệ
thống thuỷ điện nhỏ công suất 5-200 kW khác cũng đã được khai thác và đưa lên
lưới điện với quy mô xã. Trên các suối hoặc các sông nhỏ hệ thống thuỷ điện
cực nhỏ cũng đã được khai thác với công suất 100-1000 W mỗi vị trí.
Sản lượng thuỷ điện khai thác trên thế giới ước tính ở mức 12 tỉ
MWh/năm. Trong đó, khoảng 2.5 tỉ MWh/năm đã được khai thác. Ở châu Á,
thuỷ điện chỉ mới khai thác được 20% trong tổng lượng có thể khai thác là 4.8 tỉ
MWh/năm như hình 1.4. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong khu vực, hy
vọng trong tương lai điện năng từ thuỷ điện có thể khai thác được nhiều hơn,
nhất là dọc theo các con sông xuyên quốc gia như sông Mê Kông.


8

10000 23844

9500

9000

Tiềm năng
Có thể khai thác được
Đã khai thác

Triệu MWh/năm

8000
7000
6000
5000

4829
934

4000

3000

3000
2000
1000

3000

1552

961

1500
760

632

0
20%
Châu Á

13%
4%
39%
Trung Nam Châu Phi Châu Âu
Mỹ
Khu vực

93%
Bắc Mỹ

600
78
53%
Châu Đại
Dương

Hình 1.4. Thuỷ điện trên thế giới

Việc sản xuất thuỷ điện quy mô nhỏ thường có lợi ở những vùng nông
thôn để cung cấp cho mạng điện địa phương. Ở các nước phát triển, việc thực
hiện các phương tiện này thường có sự trợ cấp của chính phủ và/hoặc các hỗ trợ
tài chính và kỹ thuật quốc tế.
Để cung cấp lưu lượng ổn định và cột áp hiệu quả, người ta cung cấp các

cấu trúc hạ tầng như đập chứa và ống dẫn để phân phối nước có thế năng lớn đi
vào các turbine.
1.3.2. Năng lượng mặt trời
Do năng lượng mặt trời chỉ xuất hiện ban ngày vào những ngày quang
mây với điều kiện thời tiết thích hợp và mật độ cũng không đều, nên việc tích
trữ năng lượng là cần thiết để sử dụng liên tục. Đồng thời, do nó có mật độ năng
lượng bé nên việc thu nhận cần phải có một vùng diện tích lớn. Việc sử dụng nó
có thể chia làm 2 phương pháp: Sử dụng trực tiếp bức xạ mặt trời dưới dạng


9

nhiệt và sử dụng gián tiếp qua việc chuyển đổi thành điện năng nhờ các pin
quang điện.
Sử dụng trực tiếp
Nhiệt độ

500

Sản xuất hơi nước
Xử lý công nghiệp

100

Làm lạnh
Điều hòa không khí

50

Nước nóng/Khử muối

30

Làm khô

Hình 1.5. Sử dụng trực tiếp nhiệt năng mặt trời

Điển hình cho hệ thống này là các bình nước nóng gia đình, các bồn
chưng cất, máy sấy năng lượng mặt trời, … năng mặt trời được sử dụng trực tiếp
dưới dạng nhiệt năng. Các bộ đun nước gia đình thường có cấu trúc phẳng và
được lắp trên các mái các bộ tạo nước nóng cho nhu cầu gia đình, ngoài ra các
dạng ống chân không và mặt cong phản xạ cũng được sử dụng để tạo ra các
dòng nhiệt cao cho việc phát điện. Thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời
loại nhỏ được sử dụng để khử muối ở các vùng không có nguồn nước ngọt. Máy
sấy dùng năng lượng mặt trời được sử dụng trong nông nghiệp ở quá trình thu
hoạch.
Sử dụng gián tiếp qua pin mặt trời
Pin mặt trời (Photovoltaic) là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện vào
việc chuyển đổi nhiệt dưới dạng bức xạ thành điện năng với thông qua các vật


10

liệu bán dẫn để cung cấp điện cho những vùng sâu, vùng xa, cũng như cho các
tàu con thoi. Do tính chất sạch với môi trường, việc sản xuất và ứng dụng của
pin mặt trời đã được mở rộng một cách rõ ràng trong những năm gần đây. Ứng
dụng phổ biến nhất là hệ thống nhà mặt trời (SHS) với những tấm pin mặt trời
được đặt trên mái, cùng với việc lắp đặt các phương tiện công cộng như báo hiệu
chỉ đường và thông tin khẩn cấp.
Các pin mặt trời có cấu tạo bằng silicon, thường gồm 3 loại:

Đơn tinh thể: hiệu suất biến đổi đạt tới gần 20%, tuy nhiên giá thành sản
xuất cao.
Đa tinh thể: hiệu suất trung bình với giá thành thấp hơn.
Silicon vô định hình: hiệu suất dưới 10%, tuy nhiên nó lại thường dùng
cho SHS và cho thời gian nạp năng lượng ngắn vì giá thành rẻ.
Pin mặt trời

Pin mặt trời

Điều khiển
Pin
Bộ đổi điện

Tải xoay chiều
(a) Hệ thống độc lập

Điều hòa công
suất với bộ đổi
điện
Tải xoay chiều
(b) Hệ thống kết nối mạng

Hình 1.6. Ví dụ về hệ thống phát quang điện

Hệ thống máy phát quang điện được có thể sử dụng độc lập để sạc pin
hoặc kết hợp có thể nối trực tiếp với tải. Dạng kết hợp đã được phát triển và ứng
dụng nhờ Inverter để chuyển từ điện áp DC tạo bởi các cell sang điện áp AC để


11

sử dụng cho tải xoay chiều như hình 1.6. Giá đầu tư ban đầu cho hệ thống này
hiện nay vào khoảng 10 USD/W, chi phí sản xuất điện khoảng 0.6 USD/kWh.
Với việc sản xuất các cell trên toàn thế giới đang tăng nhanh, khoảng 200
MW/năm, nên giá thành của nó có thể sẽ giảm thấp hơn hiện nay trong tương lai
như trên hình 1.7.
200
180

Sản lượng (MW)

160

Các nước khác
Châu Âu
Nhật
Mỹ

140
120
100
80
60
40
20
0

1990

1991 1992

1993 1994 1995 1996
Năm

1997

1998 1999

Hình 1.7. Sản lượng pin quang điện

Một thiết bị quang điện 1kW cần phiến pin mặt trời rộng khoảng 10 m2,
có khả năng tạo ra trung bình 1000 kWh điện/năm. Hiệu ứng CO2 tương ứng
được dự đoán gần bằng 180 kg-C / 1000 kWh và bằng với việc tiết kiệm được
một lượng nhiên liệu khoảng 244l / 1000 kWh. Vì những hiệu ứng hoàn hảo như
vậy nên ứng dụng của máy phát quang điện được khuyến khích ở nhiều nước với
sự thúc đẩy từ chính phủ, …
Việt Nam là quốc gia có vị trí địa lý thuận lợi nằm trong khu vực nhiệt đới
gần xích đạo, trữ lượng năng lượng mặt trời chiếu tới tương đối lớn và ổn định
nhất là ở khu vực phía Trung và Nam bộ, còn khu vực Bắc bộ có hơi dao ñoäng


12

tuỳ thuộc vào các mùa trong năm. Vào mùa hè, bức xạ mặt trời trung bình ngày
từ 4,5 – 6,5 kWh/m2, còn vào mùa đông khoảng 3 – 4,5 kWh/m2. Hiện nay, hệ
thống điện mặt trời dùng pin mặt trời (PV) đã và đang được nghiên cứu để ứng
dụng ở Việt Nam. Tính từ năm 1989 tới 2000, đã có trên 2900 hộ gia đình sử
dụng với công suất 22 – 70 Wp, ngoài ra trên 70 vị trí kết hợp giữa ắc quy và PV
với công suất 300 – 1500 Wp.
1.3.3. Năng lượng gió

Là một dạng năng lượng tái tạo nhờ sự chuyển động của các luồng gió.
Việc sử dụng năng lượng gió đã được thực hiện từ rất lâu ở một số nước trên thế
giới nhất là ở Châu Âu, chủ yếu sử dụng loại cối xay gió để thực hiện cho các
mục đích tưới tiêu trong nông nghiệp. Nước được bơm đi từ các cối xay gió tốc
độ thấp vẫn còn hữu dụng ở các vùng xa, nơi mà việc sử dụng nguồn điện còn
hạn chế. Để đối phó với các vấn đề môi trường, các công nghệ sản xuất điện
bằng turbine gió đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong 2 thập kỷ qua.
Hiện nay, việc sử dụng năng lượng gió được phát triển ở nhiều nước trên
thế giới thông qua các xu hướng phát triển các loại turbine gió ngày càng đa
dạng về công suất và tốc độ phù hợp với từng vùng. Về công suất lắp đặt, hiện
tại ở Châu Âu vẫn là nơi sử dụng lớn nhất chiếm khoảng 74,4 % tổng công suất
lắp đặt. Thị phần sử dụng năng lượng gió trên thế giới thể hiện trên hình 1.8


13

Châu Á,
6,8%

Còn lại,
2,9%

Trung và Nam
Phi, 0,4%

Bắc Mỹ,
15,4%
Châu Âu,
74,4%

Hình 1.8. Thị phần sử dụng năng lượng trên thế giới

Đây là nguồn năng lượng rất thích hợp với việc cung cấp điện ở các vùng
duyên hải và hải đảo ở Việt Nam, do nước ta có chiều dài bờ biển lớn khoảng
3000 km bờ biển và nhiều hải đảo, nên tiềm năng sử dụng năng lượng gió để
phát điện rất lớn. Mặc dù hiện nay, các số liệu thực nghiệm đo đạc về nguồn gió
chưa cụ thể và chi tiết nên việc sử dụng còn hạn chế. Theo một số nghiên cứu,
tốc độ gió trung bình ở các đảo khoảng 4 - 7 m/s, còn ở một số vùng biên giới
giáp Lào và các tỉnh phía nam Đà Nẵng và bắc Thành phố Hồ Chí Minh vận tốc
gió trung bình khoảng 6 m/s. Hiện tại ở Việt Nam hệ thống điện từ năng lượng
gió chưa được nối lên lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, cũng đã có một số lượng
turbine gió được lắp cho các hộ gia đình kết hợp sử dụng ắc quy với công suất
200 – 300 W, và một số cụm nhiều turbine gió với quy mô làng. Trong tương lai,
dự án BOT về xây dựng một nông trường gió với công suất 10 MW sẽ được lắp
đặt ở Việt Nam.
1.3.4. Năng lượng sinh khối
Là một dạng năng lượng có nguồn gốc từ thực vật (cây, cỏ, cỏ dại …), đôi
khi còn bao gồm cả chất thải của động vật và được sử dụng qua việc đốt cháy


14

hoặc phân huỷ lượng cácbon từ động thực vật . Từ xưa, dạng năng lượng này đã
được sử dụng dưới dạng củi để đun nấu, sưởi ấm … Theo Cơ quan Năng lượng
Quốc tế, chất thải và các chất tái tạo cháy được chiếm khoảng 11% nguồn năng
lượng chính trên thế giới trong năm 2000. Ở các nước đang phát triển, sinh khối
vẫn chiếm phần lớn nguồn năng lượng tiêu thụ chính.
Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo duy nhất chứa cacbon. Việc sử dụng
sinh khối thông qua các quá trình đốt thải ra khí CO2 nhưng nó sẽ được hấp thụ
ngay nhờ quá trình quang hợp của cây cối. Khi tiến hành trồng rừng tức là lượng

sinh khối sẽ được phục hồi lại nhờ sự hấp thụ CO2 và phát triển của cây cối.
Rừng tái tạo sẽ tiếp tục hấp thụ lượng CO2 thải ra, nhờ đó đảm bảo “sự cân bằng
cacbon”.
Theo một số báo cáo, tiềm năng năng lượng sinh khối của thế giới tương
đương 2600 EJ/năm (EJ = 1018 J) hay 63 tỷ TOE / năm, trong đó con người khai
thác và sử dụng được khoảng 9%. Do đất được ưu tiên cho sản xuất lương thực,
thực phẩm, tơ sợi … nên việc sử dụng chất thải từ sinh khối là hợp lý, ước tính sẽ
đạt 110 EJ / năm (2.6 tỷ TOE / năm). Tổng năng lượng tiêu thụ ước tính là 410
EJ / năm (10 tỷ TOE / năm) và một lượng năng lượng tiềm tàng đáng kể đã có
sẵn bằng cách khôi phục năng lượng từ chất thải sinh học ngoài lượng sử dụng
hiện nay là 12% của nó (1,2 tỷ TOE / năm).
Sự chuyển đổi sinh khối sang năng lượng được thực hiện theo các cách
sau:


15

Đốt cháy

Sinh hơi nước cho việc sản xuất điện năng

Chuyển đổi nhiệt

Nhiệt phân thành khí đốt, dầu và than
Hóa hơi thành hydro, metan, v.v…
Hóa lỏng thành dầu

Chuyển đổi hóa sinh

Lên men rượu (điều chế ethanol)

Lên men metan yếm khí (chế tạo CH4)
Tổng hợp hiếm khí (để tái tạo thành đất)

Các quá trình khác

RDF, nhiên liệu diesel sinh học, v.v…

Hình 1.9. Các quá trình chuyển đổi sinh khối

Để có thể sản xuất điện liên tục từ sinh khối, cần phải nghiên cứu ý tưởng
khôi phục lượng sinh khối đã mất và sử dụng cụng hiệu quả bằng nhiều cách,
như thu hoạch các cây trồng đã lớn. Sử dụng gỗ hiệu quả, cũng chính là phải
nghiên cứu tăng hiệu suất lò đốt gỗ và quá trình sinh hơi nước chạy máy phát
điện tương ứng với quá trình khôi phục lại được lượng gỗ đã đốt. Chu trình được
lặp lại tuỳ thuộc vào thời gian cần thiết để cây lớn. Để cấp điện liên tục, việc
trồng cây được chia cho số năm cây lớn. Diện tích trồng rừng để cấp điện 1 MW
được ước tính khoảng 1000 ha nếu trồng các loại cây phát triển nhanh như bạch
đàn Grandis, dương liễu … Năng lượng cần thiết để trồng rừng vào khoảng 1/10
lượng năng lượng sẽ sinh ra khi cây lớn sau một thời gian ngắn.
Việc sử dụng sinh khối để sản xuất điện làm giảm đáng kể sự thải CO2 từ
các nguồn năng lượng hoá thạch, vì khí CO2 thải từ sinh khối có thể được cân
bằng khi khôi phục lượng sinh khối đã dùng. Theo một nghiên cứu Đánh giá