CHƯƠNG 1 b- Các nhà máy thủy điện lớn nhất Tổ hợp La Grande tại Quebec, Canada, là hệ thống nhà máy thủy điện lớn nhất thế giới. Bốn tổ máy phát điện của tổ hợp này có tổng công suất 16. Chì riêng nhà máy Robert Bourassa có công suất 5. Tổ máy thứ chín (Eastmain-1) hiện đang được xây dựng và sẽ cung cấp thêm 480 MW.
Một dự án khác trên Sông Rupert, hiện đang trải qua quá trình đánh giá môi trường, sẽ có thêm hai tổ máy với tổng công suất 888 MW.26 Nhà máy phát điện Đập Aswan, Ai Cập Itaipú Brasil/Paraguay 1984/1991/2003 14,000 MW 93.4 TW-hours Guri Venezuela 1986 10,200 MW 46 TW-hours Grand Coulee Hoa Kỳ 1942/1980 6,809 MW 22.6 TW-hours Sayano N ga 1983 6,721 MW 23.6 TW-hours Shushenskaya Robert-Bourassa Canada 1981 5,616 MW Thác Churchill Canada 1971 5,429 MW 35 TW-hours Yaciretá Argentina/Paraguay 1998 4,050 MW 19.1 TW-hours Iron Gates Romania'Serbia 1970 2,280 MW 11.3 TW-hours 1 Aswan Ai Cập 1970 2,100 MW Các nhà máy trên được xếp hạng theo công suất tối đa. M ÁY P H Á T Đ IỆN PHÂ N PH Ố I 151 Công nghệ CSP dùng năng lượng mặt trời để vận hành các động cơ nhiệt. Với nhiệt độ nguồn lạnh là nhiệt độ môi trường thì m uốn tăng hiệu suất của động cơ, bắt buộc chúng ta phải tăng nhiệt độ nguồn nóng. N eu không tập trung năng lượng thì năng lượng mặt trời chi được sử dụng dưới dạng nhiệt.
Công nghệ CSP đã chứng minh những thành tựu lý thú: đĩa parabol hội tụ năng lượng m ặt trời để vận hành động cơ Stirling, m áng dài và kính phản chiếu để tập trung năng lượng, hệ thống gương hướng năng lượng mặt trời vào tháp công suất.1 Động Ctf Stirling vói đĩa thu năng lưọng Đĩa thu năng lượng là những gương dạng parabol để hội tụ năng lượng mặt ười vào bình tích nhiệt (thermal receiver), năng lượng nhiệt được chuyên cho động cơ Stirling. Bình tích nhiệt có thể là những hàng ống mà bên ưong chứa chât tải nhiệt như helium, hydro. Một phương pháp khác là sử dụng ông nhiệt (heat pipe) để cấp nhiệt cho động cơ Stirling thông qua các quá trình bôc hơi và ngưng tụ của lưu chât trung gian. Giải nhiệt cho nguôn lạnh của động cơ bằng nước, nước lại được quạt gió giải nhiệt (giống như giải nhiệt động cơ ô tô).
Hệ thống này ít tiêu hao nước vì mạch nước kín. Cũng có thể thiết kế hệ thống lai (hybrid) kết hợp: cấp năng lượng cho động cơ bằng đốt nhiên liệu khi thiếu năng lượng mặt trời. Với hiệu suất trung bình là 20%, hiệu suất đỉnh gần 30% thì động cơ Stirling có hiệu suất cao hơn các công nghệ biến đổi năng lượng mặt trời khác. Dọn» cơ 25 k \v DKti-Siirling íruiij» chr;m S;ilt Hi\rT ơ IMnHrìii* (ì .8 Động cơ Stirling với đĩa thu năng lượng mặt trời 152 CHƯƠNG 4 Hình 4.8 là hệ thống thu năng lượng mặt trcri để chạy động cơ Stirling công suất 25 kw với hiệu suất điện trên 20%.
Hệ thống có 16 tấm gương thép không rỉ đường kính 3,2 m với bề mặt phản xạ tốt. Nhiệt độ nguồn nóng đến 725°c và hiệu suất của động cơ đạt 36%. Động cơ Stirling cùng đĩa thu năng lượng có thể làm việc độc lập, không cần nhiên liệu, không cần nguồn nước giải nhiệt. Đây là nguồn phát điện lý tưởng ở sa mạc, không phát thải khí độc hại,với thời gian lắp đặt ngắn, công suất nhỏ (khoảng 25 kW), thời gian hoàn vốn nhanh (khoảng 1 năm).2 M án g p arab o l Năm 2003, trung tâm điện mặt trời công suất 354 MW kiểu máng parabol được lắp đặt ở sa mạc Mojave, California được gọi là SEGS.
SEGS bao gồm 9 bộ máng gương parabol phản chiếu, tập trung năng lượng mặt trời vào bộ thu năng lượng dạng ống đặt ở tiêu điểm của parabol. Bộ thu năng lượng (HCE) là ống thép không ri nằm bên trong lớp kính, giữa 2 lớp là chân không để hạn chế thất thoát nhiệt. Chất tải nhiệt tuần hoàn qua bộ thu năng lượng để cung cấp nhiệt chạy turbine hơi nước sàn xuất điện.9 mô tả máng parabol thu năng lượng.9 Hệ thống mángparabol thu năng lượng Ke hoạch đầu tiên, SEGS I, công suất 13,4 MW được lắp năm 1985 và khi kết thúc dự án, SEGS IX, sản xuất 80 MW vào năm 1991. SGES I được thiết kế với bộ tích trữ năng lượng để có thể vận hành thêm vài giờ khi mặt trời lặn.
Chất trữ nhiệt là dầu khoáng rất dễ cháy. Năm 1999, hỏa hoạn đã làm hư hỏng toàn bộ hệ thống. Sau ke hoạch SEGS, hệ thống không trang bị M ÁY P H Á T Đ IỆN PHẨ N PH Ố I 153 bộ trữ năng lượng m à dùng hệ thống lai (hybrid): nguồn nhiệt từ nhiên liệu hóa thạch để chạy m áy khi mặt trời lặn. Trong tương lai, hệ thống trữ năng lượng sẽ được trang bị lại nhưng dùng muối nóng chảy làm chất tải nhiệt thay cho dầu khoáng.10 Thu năng lượng máng paraboỉ kết hợp với bộ trữ nâng lượng và lò hơi (NREL web) Hình 4.10 giới thiệu sơ đồ tổng quát của hệ thống dùng máng parabol.
Chất tải nhiệt được nung đến 400°c, chất tải nhiệt xuyên qua nhiều bộ trao đôi nhiỌt lắp nôi tiếp để tạo hơi nước quá nhiệt ờ nhiệt độ cao câp cho turbine. Hệ thống cũng có thể được trang bị bộ tích nhiệt hoặc nổi hơi dùng nhiên liệu hóa thạch để vận hành khi thiếu năng lượng mặt trời. Hệ thông turbine hơi nước tiêu thụ nhiều nước giải nhiệt, nhưng hệ thông thu năng lượng mặt trời thường được lắp ờ sa mạc nên khó có nguôn nước. \ 1 hệ thống giải nhiệt được cài tiến dùng không khí, quạt và tháp giải nhiệt.
134 CHƯƠNG 4 Cánh đổng năng lượng mặt trời T Bánh rẵ n a ^ ^ r^ l^ Đ ộ n g cơ Hình 4.11 Hệ thống dùng turbine hơi nước giải nhiệt bằng không khí (NREL 2002) 4.3 Hệ thống thu năng lượng mặt trời trung tâm Một phương pháp tập trung năng lượng mặt trời dựa trên kỹ thuật điều khiển các tấm gương thu năng lượng bằng máy tính, gọi là gương định hướng (heliostats) để tập trung năng lượng vào tháp trên cao (hình 4.12 Nguyên lý thu năng lượng mặt trời trung tâm MÁ Y PHÁ T Đ IỆN PHÂ N PH Ố I 155 Tháp năng lượng bắt đầu được phát triển từ năm 1976 với việc lắp hệ thống thử nghiệm ở bang N ew Mexico (Hoa Kỳ). N gay lập tức, nhiều hệ thông được thử nghiệm trên khắp thê giới. Hệ thông lớn nhât có chiêu cao 90 m, công suất 10 M W , gọi là Solar One ở California, nước được bơm lên tháp để tạo hơi nước, hơi nước được đẫn xuống để cấp cho turbine. Hơi nước cũng được đưa đến bình trữ năng lượng chứa dầu, đá và cát để tìm kích thước bôn trữ và nhiệt độ thích họp cho hiệu suất cực đại.
Năm 1988, 1818 tấm gương của Solar One được sử dụng cho dự án Solar Two. Người ta thay tải nhiệt nước của Solar One bằng muối nitrat nóng chảy trong dự án Solar Two. Hai bình muối nóng chảy trữ năng lượng thay cho bình chứa dầu và đá của Solar One (hình 4. Hệ thống muôi nóng chảy đã mang lại thành công lớn.
Nhiệt độ 565°c rất tốt cho turbine hơi nước, tổn hao nhiệt chi 3%. Hệ thống đáp ứng công suất 10 M W trong 3 giờ sau khi mặt trời lặn.13 Nguyên lý dùng muỗi nóng chảy trong hệ thống thu năng lượng trung tâm Sau Solar Two, Hoa Kỳ và Tây Ban Nha tiếp tục thử nghiệm hệ thống lớn hơn, trữ năng lượng nhiều hơn. Kết quả tính toằn cho thấy muốn hiệu qua kinh tê thì công suât hệ thống phải lớn hơn 100 MW với giá đâu tư khoảng 1000 USD/kW.4 So sánh các hệ thống thu năng lượng mặt tròi Ba hệ thông thu năng lượng mặt trời được sử dụng nhiêu hiện nay: động cơ Stirling với dĩa thu năng lượng, máng parabol và tập trung năng lượng vào tháp. Thực chât của 3 phương pháp này là dùng gương đê tập trung năng lượng vào bình tích nhiẹt (thermal receiver) nhằm tăng nhiệt độ đủ đê vận hanh các máy nhiệt với hiệu suất chấp nhận được.
156 CHƯƠNG 4 Như đã khảo sát, đối với máy nhiệt, khi nhiệt độ nguồn nóng càng cao thì hiệu suất của máy nhiệt càng lớn. Neu coi năng lượng mặt trời bình thường là 1 thỉ đĩa thu năng lượng hội tụ 3000 lần, tháp năng lượng là 1000 lần, máng parabol là 100 lần.Vì vậy, động cơ Stỉrling với đĩa thu năng lượng có hiệu suất cao nhất (21%), máng parabol có hiệu suất thấp nhất (14%) và tháp năng lượng khoảng 16%. Nếu so về diện tích choán chỗ thì tháp năng lượng cần khoảng 32000m2 cho 1 MW, máng parabol cần 20000m cho 1 MW và đĩa thu năng lượng cần 16000 m2 cho 1 MW. Nếu xét về tích trữ năng lượng thì máng parabol và tháp năng lượng có ưu thế.
Vì hệ thống thu năng lượng mặt trời thường được lắp ờ sa mạc nên vân đê tiêu thụ nước cũng được xét đên. Động cơ Stirling chiêm ưu thế vì không cần nước giải nhiệt.4 NÀNG LƯỢNG SINH KHỐI (bỉomass) Sinh khối chứa năng lượng hóa học, thực chất đây cũng là nguồn năng lượng từ mặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trinh quang hợp. Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã m ía.), phế phẩm lâm nghiệp (lá cây, vụn gồ.), khí mêtan từ các bãi chôn lắp rác, xử lý phân của trại chăn nuôi gia súc và gia cầm. Năng lượng sinh khối không phát thải carbon, có thể chuyển thành dạng lỏng (êtanol, methanol) cho động cơ đốt trong hoặc dạng khí (biogas) cho nhu cầu năng lượng khác.
Ngày nay, có khoảng 14 GW máy phát điện dùng năng lượng sinh khối, trong đó 1/2 công suất được lắp ờ Hoa Kỳ Máy phát công suất lớn thường sử dụng turbine hơi nước chu trinh Rankine. Ngày nay, năng lượng sinh khôi cũng được sử dụng cho turbine khí. Tuy nhiên, khí gas cần phải được lọc kỹ trước khi sử dụng để tránh cánh turbine bị ăn mòn. Giá thành điện năng khoảng 0,05 USD/kWh.
Qui trinh sản xuất khí gas 2 giai đoạn được mô tả trong hình 4. Bước thứ nhất, sinh khối được nung lên nhiệt độ cao gọi là nhiệt phân (pyrolysis) để thành phần dễ bay hơi trong sinh khối biến thành hơi. Ở nhiệt độ 400°c, sinh khối bị phân tích thành gas chủ yếu gồm H2, c o , CH4, N2. Thể răn còn lại của quá trình nhiệt phân là than và tro.
Bước thứ hai, than được nung đến 700°c, tác động với O2, H2 và hợi nước để tiếp tục sinh khí. Nhiệt trị cao (í IHV) từ 5,4 đến 17,4 MJ/m3 (khi thiên nhiên từ 36 đến 42 MJ/m3). MÁ Y PHÁ T Đ IỆN PHÂ N PH Ố I 157 H ình 4.