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

1

..

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

BÙI NGUYỄN HIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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

THÁI NGUYÊN - 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

LỜI CAM ĐOAN

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

MỞ ĐẦU
Định hƣớng của đề tài
Từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng
lƣợng đang thay đổi - có một số lƣợng lớn các nguồn cung cấp năng lƣợng
không phải là dạng truyền thống đang đƣợc thúc đẩy phát triển mạch mẽ
không những riêng ở nƣớc ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng
nguồn năng lƣợng mới và tái tạo (NLM&TT). Ví dụ nhƣ: phong điện, thủy
điện nhỏ, điện mặt trời, điện thủy triều V.V... Chúng có thể đƣợc khai thác
dƣới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng
phân tán hay đƣợc kết nối với lƣới quốc gia. Tuy nhiên, đối với các dạng
nguồn này đều có chung một số nhƣợc điểm là:
- Đặc tính làm việc thuộc dạng mềm hoặc siêu mềm
- Tiềm năng phụ thuộc các yếu tố tự nhiên ln thay đổi nhƣ thời gian,
thời tiết, khí hậu…
- Khả năng dự trữ cơng suất thấp.
Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lƣợng NLM&TT, Tác giả
lựa chọn hƣớng nghiên cứu cho một dạng điển hình, đó là thủy điện nhỏ.
Trong đó, một số thủy điện nhỏ ở các vùng núi, cách xa các trung tâm kinh tế
phát triển chỉ có thể đƣợc khai thác theo hình thức mạng điện cục bộ. Trƣớc
đây, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ chƣa đƣợc quan tâm khai thác và phát
triển nên các ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát cũng nhƣ
trong tồn mạng cịn chƣa đƣợc đề cập đến. Chính vì thế, làm cho tính kinh tế
của hệ thống còn thấp, chất lƣợng điện năng cung cấp chƣa đảm bảo. Ngày

nay, đứng trƣớc sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất
ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con ngƣời ngày một
nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lƣới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu
chất lƣợng điện năng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) mà đề tài quan tâm cụ
thể là một mạng điện độc lập, không kết nối với lƣới điện quốc gia. Một số
nhƣợc điểm của MĐCBTĐN có thể đƣợc phân tích ngun nhân xuất phát từ
hoạt động của hệ turbine-máy phát. Đƣơng nhiên là, sự hoạt động bình
thƣờng của một máy phát đồng bộ xoay chiều ba pha đƣợc đảm bảo thông
qua chất lƣợng điều khiển của hai hệ thống:
1- Hệ thống điều chỉnh kích từ để ổn định điện áp và huy động công
suất phản kháng.
2- Hệ thống turbine để ổn định tần số và huy động công suất tác dụng.
Với thủy điện nhỏ thì các nhƣợc điểm phát sinh hầu nhƣ đều có ngun
nhân từ hệ thống turbine (hệ thống kích từ không bàn đến). Thực tế các thủy
điện nhỏ thƣờng đƣợc xây dựng theo kiểu thủy điện có kênh dẫn, đặc tính
điều chỉnh cơng suất và điều chỉnh tốc độ có thời gian trễ lớn, khả năng q
tải thấp, khơng có khả năng huy động cơng suất đỉnh nên khơng đáp ứng đƣợc
nhu cầu đòi hỏi của phụ tải thực tế. Ví dụ: Khi có động cơ khởi động:
- Q trình khởi động của động cơ bị kéo dài do đặc điểm của thủy điện
nhỏ không đáp ứng đƣợc tốc độ huy động công suất cho khởi động.
- Chất lƣợng điện năng thấp, không ổn định.
Nhƣ vậy, để khắc phục tình trạng trên cần thiết phải có một nguồn dự trữ
năng lƣợng khác ngoài máy phát. Một số biện pháp truyền thống đã đƣợc áp

dụng cho các hoạt động tƣơng tự, ví dụ nhƣ:
- Dự trữ năng lƣợng bằng hệ bánh đà.
- Dự trữ năng lƣợng bằng buồng áp lực
Đối với một số thủy điện nhỏ thì cả hai biện pháp trên đều khơng thể áp
dụng. Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu tìm đƣợc một giải pháp thích
hợp để khắc phục những vấn đề tồn tại trên.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Xác định tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bộ lƣu trữ năng lƣợng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

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

Bùi Nguyễn Hiệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

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

13

1.1. Các dạng năng lƣợng mới và tái tạo

13

1.2. Năng lƣợng Mặt trời

15

1.2.1. Sự hình thành năng lƣợng Mặt trời

15

1.2.2. Tiềm năng năng lƣợng Mặt trời

15

1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lƣợng Mặt trời

17

1.3. Năng lƣợng gió

18

1.3.1. Sự hình thành năng lƣợng gió

18

1.3.2. Tiềm năng gió

19

1.3.3. Cơng nghệ sử dụng năng lƣợng gió

21

1.4. Thủy điện nhỏ

22

1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ

22

1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam

22

1.4.3. Công nghệ thủy điện nhỏ

23

1.5. Năng lƣợng địa nhiệt

24

1.5.1. Sự hình thành năng lƣợng địa nhiệt

24

1.5.2. Tiềm năng của năng lƣợng địa nhiệt

24

1.5.3. Công nghệ khai thác địa nhiệt

26

1.6. Năng lƣợng thủy triều và sóng biển

27

1.6.1. Sự hình thành năng lƣợng thủy triều và sóng biển

27

1.6.2. Tiềm năng năng lƣợng thủy triều và sóng biển

27

1.6.3. Cơng nghệ khai thác

28

1.7. Đề xuất hƣớng nghiên cứu

30

1.8. Kết luận chƣơng 1

30

CHƢƠNG 2
MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THUỶ ĐIỆN NHỎ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

32
/>

7

2.1. Giới thiệu chung

32

2.1.1. Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN

33

2.1.1.1. Ƣu điểm của thủy điện nhỏ

33

2.1.1.2. Những vấn đề còn tồn tại

34

2.1.1.3. Giải pháp ứng dụng BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện
nhỏ

40

2.2. Mơ tả tốn học hệ turbine-máyphát

41

2.2.1. Mơ tả tốn học máy phát

42

2.2.1.1. Khái niệm vector khơng gian của các đại lƣợng xoay chiều
ba pha

42

2.2.1.2. Mô tả máy phát đồng bộ xoay chiều 3 pha trong các hệ tọa

độ thơng dụng

43

2.2.2. Mơ tả tốn học hệ turbine

52

2.3. Mơ tả tốn học bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện
nhỏ

59

2.4. Mơ hình kho tích trữ năng lƣợng battery

64

2.5. Vận hành MĐCBTĐN và giới hạn mang tải của máy phát

67

2.6. Kết luận chƣơng 2

69

CHƢƠNG 3
ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS
TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ

70

3.1. Cấu trúc điều khiển hệ BESS

70

3.2. Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp

71

3.3. Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS

73

3.4. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS

80

3.5. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC

83

3.6. Bộ điều khiển công suất tác dụng

85

3.7. Kết luận

86

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

8

CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS
TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ
4.1. Mô phỏng hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

88
88

4.1.1. Mô phỏng tác dụng của BESS trong MĐCBTĐN công suất 2
MVA

88

4.1.1.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng

88

4.1.1.2. Kết quả mơ phỏng

89

4.2. Kết luận chƣơng 4

95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

96

1. Kết luận

96

2. Kiến nghị

96

PHỤ LỤC

97

PL1. Tính tốn cơng suất BESS

97

PL2. Tính tốn tụ một chiều một chiều trung gian

98

PL3. Tính dung lƣợng ăcquy

98

PL4. Chọn điện cảm đầu ra của BESS

99

PL5. Chọn van bộ biến đổi cơng suất

100

PL6. Các thơng số mơ phỏng:

101

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006

13

Hình 1. 2 Sự hình thành gió

18

Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lƣợng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới.
19
Hình 1. 4 :
a) Sơ đồ máy phát điện sức gió;
b) Sơ đồ nối lƣới của máy phát nối lƣới không đồng bộ nguồn kép

21

Hình 1. 5 Nhà máy điện thủy triều Rance, CH Pháp

30

Hình 1. 6 Trạm phát điện sử dụng dịng hải lƣu SeaGen, Bắc Ailen

30

Hình 2. 1 Mơ tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

32

Hình 2. 2 Sơ đồ thay thế của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

33

Hình 2. 3 Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ

34

Hình 2. 4 Đặc tính ổn định tần số theo tải

35

Hình 2. 5 Đặc tính ổn định điện áp theo tải

35

Hình 2. 6 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS

41

Hình 2. 7 Mơ hình turbine-máy phát

42

Hình 2. 8 Đồ thị vector và các phép chuyển đổi hệ tọa độ

42

Hình 2. 9 Sơ đồ bố trí các cuộn dây stator và rotor máy điện đồng bộ

44

Hình 2. 10 Mạch điện tƣơng đƣơng của máy điện đồng bộ

45

Hình 2. 11 Sơ đồ khối chức năng bộ điều tốc turbine thủy điện

52

Hình 2. 12 Mơ hình phi tuyến của turbine

54

Hình 2. 13 Mơ hình tuyến tính của turbine

55

Hình 2. 14 Đặc tính cơ bản của turbine

56

Hình 2. 15 Họ các đặc tính khi điều chỉnh turbine

57

Hình 2. 16 Đặc tính điều chỉnh turbine

57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

Hình 2. 17 Cấu trúc điều tốc turbine thủy điện

58

Hình 2. 18 :
a)Thay thế BESS nhƣ một nguồn áp tại PCCi,
b)Cấu trúc bộ biến đổi BESS

59

Hình 2. 19 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS

60

Hình 2. 20 Mơ hình tín hiệu trung bình bộ biến đổi BESS trong tọa độ abc 61
Hình 2. 21 Mơ hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp
lƣới

63

Hình 2. 22 Mơ hình bộ biến đổi BESS trong miền tốn tử Laplace

63

Hình 2. 23 Siêu tụ và thiết bị ghép nối

65

Hình 2. 24 Mơ hình ghép nối ăcquy

65

Hình 2. 25 Mơ hình ghép nối các siêu tụ

66

Hình 2. 26 Mơ hình thay thế kiểu Thevenin của ăcquy

66

Hình 2. 27 Đồ thị phụ tải ngày và các phụ tải đỉnh do động cơ khởi động

68

Hình 3. 1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện
nhỏ

70

Hình 3. 2 Biểu diễn các đại lƣợng vector trên tọa độ dq tựa điện áp

72

Hình 3. 3 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lƣới PLL

73

Hình 3. 4 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lƣới có đƣợc bằng kết quả mơ
phỏng

73

Hình 3. 5 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van

76

Hình 3. 6 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ

77

Hình 3. 7 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1

78

Hình 3. 8 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1

79

Hình 3. 9 Dạng sóng biến điệu vector SVM có đƣợc bằng kết quả mơ phỏng
80
Hình 3. 10 Cấu trúc khử tƣơng tác 2 thành phần dịng iBd và iBq
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
81


11

Hình 3. 11 Cấu trúc bộ điều chỉnh dịng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS

82

Hình 3. 12 Cấu trúc điều khiển cơng suất tác dụng

86

Hình 4. 1 Mơ hình mơ phỏng hệ BESS trong MĐCBTĐN cơng suất 2MVA
89

Hình 4. 2 Các thành phần cơng suất và dịng điện động cơ khi khởi động

89

Hình 4. 3 Máy phát lý tƣởng khi khởi động động cơ 160 kW với tải tĩnh 1,6
MW

90

Hình 4. 4 Các thành phần cơng suất máy phát thủy điện nhỏ có bảo vệ rơle
khi khởi động động cơ 160 KW, với các tải tĩnh là 1,6 MW và 1,3 MW90
Hình 4. 5 Hệ turbine-máy phát thủy điện nhỏ khơng đáp ứng phụ tải đỉnh 91
Hình 4. 6 Các thành phần công suất đỉnh và điện áp (tần số) máy phát

92

Hình 4. 7 BESS huy động cơng suất tác dụng cho động cơ khởi động

93

Hình 4. 8 Các thành phần cơng suất SPQ của máy phát

93

Hình 4. 9 Điện áp tại điểm kết nối chung Upcc2

93

Hình 4. 10 Đáp ứng dịng điện 1 chiều Idc

94

Hình 4. 11 Đáp ứng điện áp một chiều Udc

94

Hình 4. 12 BESS đóng vai trị thay thế khi mất nguồn máy phát

94

Hình PL1. 1 Cấu trúc mạch lực của BESS

97

Bảng 1. 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lƣợng Mặt trời

16

Bảng 1. 2: Số liệu về bức xạ năng lƣợng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam. 17
Bảng 1. 3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 đến 2004

20

Bảng 1. 4: Quan hệ công suất theo lƣu lƣợng, chiều cao cột nƣớc

23

Bảng 1. 5: Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam

25

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

37

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12

Bảng 2. 2: Các số liệu và kết quả tính tốn mạng điện
Bảng PL5. 1 Thơng số của IGBT

39

100

Bảng PL6. 1 Các thông số mô phỏng mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 2
MVA

101

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
1.1. Các dạng năng lƣợng mới và tái tạo
Năng lƣợng tái tạo (NLTT) hay năng lƣợng tái sinh là năng lƣợng từ
những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con ngƣời là vô hạn. Nguyên
tắc cơ bản của việc sử dụng năng lƣợng tái sinh là tách một phần năng lƣợng
từ các quy trình diễn biến liên tục trong mơi trƣờng tự nhiên và đƣa vào trong
các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con ngƣời. Các quy trình
này ln tn theo quy luật đƣợc thúc đẩy từ Mặt trời. Vơ hạn có hai nghĩa:
hoặc là năng lƣợng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ nhƣ
năng lƣợng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong
thời gian (vịng đời) ngắn và liên tục (ví dụ nhƣ năng lƣợng sinh khối, phong
năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dịng suối…) trong các
quy trình cịn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất.
Tình hình NLTT trên tồn cầu đƣợc thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau:

Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006

Trong đó:
770 GW Thủy điện lớn
74 GW NL Gió

235 GWh Sinh khối nhiệt

105 GWh Mặt trời điện nhiệt

73 GW Thủy điện nhỏ

45 GW NL Sinh khối điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14

39 Tỷ lít etanol/năm

33 GWh NL Địa nhiệt

0,3, 0,4 GW Pin Mặt trời

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

15

1.2. Năng lƣợng Mặt trời
1.2.1. Sự hình thành năng lƣợng Mặt trời
Năng lƣợng Mặt trời thu đƣợc trên Trái đất là năng lƣợng của dòng bức
xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ,
trong lịng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng
triệu 0C. Trái đất sẽ tiếp tục nhận đƣợc dòng năng lƣợng này cho đến khi phản
ứng hạt nhân trên Mặt trời cạn kiệt, ƣớc chừng của các Nhà khoan học là
khoảng 5 tỷ năm nữa. Nhƣ vậy năng lƣợng Mặt trời đƣợc coi là nhƣ vô tận so
với chuẩn mực của đời sống con ngƣời. Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian
xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 , đó chính là là nguồn
gốc của mọi sự sống trên Trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của Trái đất một
phần năng lƣợng Mặt trời bị hấp thụ. Kết quả tính tốn cho thấy năng lƣợng
Mặt trời phân bố trên bề mặt Trái đất với mật độ năng lƣợng trung bình, cứ

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

/>

16

dụng năng lƣợng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ
thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu
thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên Thế giới vào khoảng 2000
kWh/m2/năm, bảng 1.1
Bảng 1. 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lƣợng Mặt trời

Khu vực

Bức xạ Mặt trời

[1000 TWh]

Chỉ số chất lƣợng

Công suất có thể

trung bình DNI

khai thác

[kWh/tháng/năm]

[1000 TWh/năm]

North America

11,500

2410

1,150

South America

13,500

2330

1,350

Africa/Europe/Asia

73,500

2600

7,350

Pacific

23,000

2950

2,300

Total

121,500

12,150

- Tiềm năng ở Việt Nam:
Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam đƣợc hƣởng một nguồn NLTT vô cùng
lớn, đặc biệt là năng lƣợng Mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23 023’ Bắc đến 8027’
Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ Mặt trời tƣơng đối
cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các
vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh
Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…
Năng lƣợng Mặt trời có nhiều ƣu điểm nhƣ: Có tự nhiên, sạch, chi phí

nhiên liệu và bảo dƣỡng thấp, thân thiện với con ngƣời nói riêng cũng nhƣ
vạn vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lƣợng từ
pin Mặt trời (PV) sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lƣợng hóa
thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ mơi trƣờng. Vì thế, đây đƣợc coi là
nguồn năng lƣợng quý giá, có thể thay thế dần những dạng năng lƣợng cũ
đang ngày càng cạn kiệt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

17

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

Giờ nắng

Bức xạ

Khả năng

trong năm

kcal/cm2/năm

ứng dụng

Đơng Bắc

1500-1700

100-125

Thấp

Tây Bắc

1750-1900

125-150

Trung bình

Bắc Trung Bộ

1700-2000

140-160

Tốt

Tây Ngun, Nam TB

2000-2600

150-175

Rất tốt

Nam Bộ

2200-2500

130-150

Rất tốt

Trung bình cả nƣớc

1700-2500

100-175

Tốt

Vùng

1.2.3. Cơng nghệ sử dụng năng lƣợng Mặt trời
Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dƣới dạng sóng bức xạ, năng lƣợng
sóng phụ thuộc bƣớc sóng (phổ sóng), khơng phải là truyền nhiệt đến Trái
đất. Muốn khai thác năng lƣợng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ
năng lƣợng của các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều cơng nghệ khai thác
khác nhau dựa trên các nguyên tắc chủ yếu sau:
- BXMT - điện năng – phụ tải điện
- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt
- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện
Năng lƣợng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau

tùy theo mục đích ngƣời sử dụng. Đối với ngành hệ thống điện, chỉ tập trung
nghiên cứu đến khả năng chuyển hóa BXMT- điện năng- phụ tải điện dựa trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

18

nguyên tắc của hiệu ứng quang điện trong thiết bị pin quang điện hay thƣờng
gọi là pin Mặt trời, tiếng anh là Photo Voltaics (viết tắt là PV ).
1.3. Năng lƣợng gió
1.3.1. Sự hình thành năng lƣợng gió
Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho
bầu khí quyển, nƣớc và khơng khí nóng khơng đều nhau. Một nửa bề mặt của
Trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận đƣợc bức xạ của Mặt trời và
thêm vào đó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực.
Do đó, hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch
chuyển của các khối khơng khí tạo thành gió. Mặt khác, Trái đất tự quay tròn
theo một trục nghiêng 2305 so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung
quanh Mặt trời. Điều này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về
thời tiết, khí hậu theo mùa. Hình 1.2 minh họa cho sự hình thành gió

Hình 1. 2 Sự hình thành gió

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

chuyển trong bầu khí quyển Trái đất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

19

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

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

20

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 80 đến 230 vĩ Bắc
thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa. Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió
Đơng Bắc và gió Tây Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6
m/s (ở độ cao 10-12m). Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6- 8 m/s. Nhƣ
vậy tuy khơng cao bằng tốc độ gió ở các nƣớc Bắc Âu ở cùng độ cao nhƣng
cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả.
Trên thực tế vận tốc gió đƣợc đo ở độ cao 10-12m. Các động cơ gió
cơng suất lớn đến 1000 kW thƣờng đƣợc lắp trên độ cao 50- 60m. Các dữ liệu
vận tốc gió ở độ cao này chƣa có, một số đơn vị đã tiến hành đo gió ở độ cao
50-60 m tại một số điểm. Các số liệu đo gió ở độ cao trên đã xác định đƣợc
vận tốc gió thơng qua cơng thức gần đúng sau:
V= V1

h
1/5
h1

Trong đó:

(1.1)

+ V: Vận tốc gió cần tìm trên độ cao h.
+ V1: Vận tốc gió đo đƣợc ở độ cao h1.

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

Năm

Cơng suất (kW)

Đƣờng kính rotor (m)

1985

50

15

1989

300

30

1992

500

37

1994

600

46

1998

1500

70

2003

3000-3600

90-104

2004

4500-5000

112-128

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

21

1.3.3. Cơng nghệ sử dụng năng lƣợng gió
Nhƣ vậy gió là dịng chuyển dời của khối khơng khí mang năng lƣợng
mà các thiết bị thu chủ yếu nhận đƣợc dƣới dạng động năng. Từ cổ xƣa đến
nay đã hình thành nhiều cơng nghệ khai thác năng lƣợng gió (NLG):
- NLG – chuyển động tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lƣợn
- NLG – chuyển động quay – Máy xay gió

- NLG – chuyển động quay – Máy phát điện.
Đối với ngành Mạng, thiết bị và nhà mát điện, chủ yếu quan tâm về cơng
nghệ khai thác năng lƣợng gió nhƣ sau: NLG – chuyển động quay – Máy phát
điện. Đặc của cơng nghệ này gồm:
- Turbine gió: Cơng suất P của turbine gió phụ thuộc vào sải cánh của
rơto, vào tỷ trọng khơng khí và tốc độ gió và cho bằng công thức:
1
P  r 2v3
2

(1.2)

- Máy phát điện sức gió: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lƣợng
cơ học thành năng lƣợng điện. Có nhiều thiết kế hệ thống máy phát điện chạy
bằng sức gió đã đƣợc ứng dụng phổ biến nhƣ: Máy phát điện một chiều, máy
phát điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện dị bộ nguồn
kép, V.V…Ví dụ, các máy phát đƣợc áp dụng trong một số mơ hình khai thác
trên hình 1.4a,b.
a)

b)

Hình 1. 4 :
a) Sơ

đồ máy phát điện sức gió;

b) Sơ đồ nối lƣới của máy phát nối lƣới khơng đồng bộ nguồn kép
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

22

1.4. Thủy điện nhỏ
1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ
Thủy điện nhỏ đƣợc hiểu một cách không thống nhất. Đa số các nƣớc
phân loại thủy điện nhỏ có cơng suất dƣới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân
loại thủy điện nhỏ có cơng suất dƣới 20 MW, Hoa Kỳ dƣới 30 MW. Trong
loại thủy điện nhỏ, thủy điện mini có công suất dƣới 500 kW, micro dƣới 100
kW, trạm pico có cơng suất dƣới 5 kW. Trung Quốc là nƣớc đứng đầu Thế
giới về khai thác thủy điện nhỏ.
Thủy điện nhỏ là nguồn năng lƣợng có hiệu quả kinh tế rất cao, đƣợc
chú ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng
lƣợng của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ mơi trƣờng.
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam
Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nƣớc có nhiều đồi núi, cao
ngun và sơng hồ, lại có mƣa nhiều. Hàng năm mạng lƣới sơng suối vận
chuyển ra biển hơn 870 tỷ m3 nƣớc, tƣơng ứng với lƣu lƣợng trung bình
khoảng 37.500 m3/giây. Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy
thủy điện nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng.
Vì vậy, cùng với việc tiếp tục triển khai xây dựng các nhà máy thủy
điện có cơng suất lớn do Tập đồn Ðiện lực Việt Nam làm chủ đầu tƣ, nhƣ
Sơn La công suất 2.400MW, Tuyên Quang 342 MW, Bản Vẽ 320MW, Ðại
Ninh 300MW,... nhiều doanh nghiệp trong và ngoài ngành điện cũng mạnh
dạn tự đầu tƣ xây dựng các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ, với gần
300 dự án có tổng cơng suất lắp máy khoảng 2.500 MW đến 3.000 MW,
tƣơng ứng với lƣợng điện hàng năm khoảng 10 tỷ kWh.
Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông
Ðà. Với thế mạnh của một tổng công ty đã tham gia xây dựng nhiều cơng

trình thủy điện trọng điểm của quốc gia nhƣ: Thác Bà, Hịa Bình, Trị An,
YaLy... Bằng kinh nghiệm của mình, Tổng cơng ty đang từng bƣớc tự khẳng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

23

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

(m), tỷ trọng của nƣớc ρ (kg/m ), η là hiệu suất truyền động, tao nên cơng
3

suất P tính bằng kW:
P = 9,81ρηQH

(1.3)

Bảng 1.4 cho thấy quan hệ giữa công suất đặt của máy phát thủy điện
nhỏ theo lƣu lƣợng và chiều cao cột nƣớc.
Bảng 1. 4: Quan hệ công suất theo lƣu lƣợng, chiều cao cột nƣớc

Công suất P (W)

Chiều cao H (m)

Lƣu lƣợng Q (l/s)

10

3-5

2

300

4-7

3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

24

500

3-5

8

600

3-5

10

800

3-5

15

1000

4-6

20

1200

4-6

25

1500

5-8

30

1.5. Năng lƣợng địa nhiệt
1.5.1. Sự hình thành năng lƣợng địa nhiệt
Nhiệt năng của Trái đất hay còn gọi là địa nhiệt, là năng lƣợng nhiệt mà
Trái đất có đƣợc từ các phản ứng hạt nhân âm ỉ dƣới lòng đất. Nhiệt năng này
làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tƣợng di dời
thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái đất sẽ
tắt dần và nhiệt độ lịng Trái đất trong q trình nguội dần hình thành các
vùng nhiệt dƣ phân tán ở nhiều nơi trong kiến tạo của vỏ Trái đất, Mỗi vùng
có đặc điểm về cấu trúc vật chất và q trình nhiệt có hầu nhƣ khơng giống
nhau .
Địa nhiệt có thể đƣợc xem là nguồn năng lƣợng sản xuất công nghiệp
quy mô vừa và lớn trong các lĩnh vực nhƣ:
- Nhà máy điện địa nhiệt
- Trung tâm địa nhiệt
1.5.2. Tiềm năng của năng lƣợng địa nhiệt
- Tiềm năng địa nhiệt trên Thế giới:
Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên Thế giới đƣợc xây dựng từ năm
1904 ở Italia. Nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ đƣợc xây dựng từ năm
1922 cung cấp nhiệt và điện cho khu nghỉ mát. Nhà máy điện địa nhiệt lớn
nhất Thế giới The Geysers của Hoa Kỳ có cơng suất 1360 MW đƣợc xây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

25

dựng từ năm 1960. Điện lực Bắc California có các nhà máy điện địa nhiệt có
tổng cơng suất 740 MW. Hoa Kỳ là nƣớc khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế
giới. Năm 2005 Hoa Kỳ đã hợp đồng xây dựng các nhà máy địa nhiệt tổng
công suất 500 MW cho 11 nƣớc. Mehicô là nƣớc khai thác địa nhiệt thứ ba
trên Thế giới, năm 2007 đã lắp đặt 959 MW. Chiếm 3,24% điện năng tồn
quốc. Iceland cũng là nƣớc có tiềm năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm
19,1% và 87% nhiệt năng. Nguồn địa nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện
năng. Tiềm năng địa nhiệt Thế giới khoảng 100 GW và đã đƣợc sử dụng vì
mục đích thƣơng mại trên 70 nƣớc. Năng lƣợng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu
cầu năng lƣợng của Thế giới.
- Tiềm năng địa nhiệt ở Việt Nam.
Việt Nam có nguồn địa nhiệt phong phú, cả nƣớc có hơn 300 nguồn
nƣớc khống nóng có nhiệt độ bề mặt lên tới 1050C. Miền Bắc đã phát hiện
và đăng ký 119 nguồn hầu hết là nguồn nƣớc nóng. Theo tính tốn sơ bộ năng
lƣợng địa nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng để phát điện bƣớc đầu với
công suất 100 MW. Bắc Trung Bộ cũng là vùng có nhiều triển vọng địa nhiệt
có thể khai thác công nghiệp phát điện từ 40 MW đến 60 MW tƣơng đƣơng
với Nam Trung Bộ. Gần đây với sự hợp tác của công ty ORMAT Hoa Kỳ các
chuyên gia địa chất đã đánh giá địa hóa học trên 60 nguồn nƣớc nóng và đã
chọn 6 địa điểm thuộc các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hịa và Bà
Rịa-Vũng Tàu có khả năng phát triển các nhà máy điện địa nhiệt với tổng
công suất 200 MW. Đặc điểm về nhiệt độ địa nhiệt của các địa điểm đƣợc cho
trong bảng 1.5.
Bảng 1. 5: Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam

TT

Địa điểm

0
Nhiệt độ max ( C )

1

Bang-Lệ Thủy, Quảng Bình

184

2

Mộ Đức, Quảng Ngãi

187

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>