CHƯƠNG 1 ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI 1. Tổng quan nguồn năng lượng gió và mặt trời 1. Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời [17, 19] Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo đó là phân tán, công suất nhỏ và đang được hoàn thiện dần về chất lượng điện năng cung cấp. Hiện tại, các nguồn điện điện thuộc dạng này chủ yếu được khai thác dưới các hình thức sau: Mạng điện độc lập, mạng điện có kế nối lưới và dần dần tiến đến trong tương lai gần là mạng điện thông minh.
Đối với những vùng sâu vùng xa, nơi mà điện lưới quốc gia không có điều kiện vươn tới, như những khu vực biên giới hải đảo thì việc thiết lập một mạng điện độc lập là giải pháp duy nhất. Trước đây, nguồn cung cấp cho mạng điện độc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chục đên một vài trăm kW. Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cho mạng điện độc lập đang được phổ cập. Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện sức gió, điện đại dương, V.
Mô hình mạng điện độc lập nguồn năng lượng tái tạo được phát triển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng về công suất từ nhỏ đến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau, thậm chí dùng riêng cho một phụ tải hay một hộ gia đình. Ví dụ như trên các hình vẽ sau; Sơ đồ trên hình 1.1 mô tả một mạng điện với nguồn được sử dụng ở đây là dạng pin mặt trời gồm các module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện áp và công suất phù hợp. Pin sản sinh ra điện một chiều qua bộ điều khiển nạp cho ắc quy có dung lượng 3116 Wh/ ngày. Từ ắc quy, một nhánh cấp trực tiếp cho tủ lạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần DC/AC cấp cho các tải xoay chiều trong cơ quan, hộ gia đình.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Mô hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình Phương pháp khai thác nguồn năng lượng pin mặt trời Hệ thống điện sử dụng năng lượng tái tạo nối lưới là một hệ thống cho phép tích hợp điện năng của năng lượng điện của nhiều loại năng lượng tái tạo nói chung và của năng lượng mặt trời nói riêng trong một bộ biến đổi điện tử công suất để biến đổi thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới điện khu vực. Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và là một bộ phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh. Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời hiện nay đang phát triển rất mạnh mẽ, nhất là ở các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Trung Quốc, … Có nhiều phương thức lắp đặt các tấm pin mặt trời để khai thác nguồn năng lượng này như: Lắp đặt ở ven biển thành dạng cánh đồng pin mặt trời (hình 1.2), lắp trên các mái nhà (hình 1.3), lắp đặt trên đồi núi (hình 1.v… 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển) Hình 1.3: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi Nguồn pin mặt trời phổ biến hiện nay được cấu thành từ các chất bán dẫn cấu trúc tinh thể (các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học) như Silicon, Germanium và hình thành một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Các nguyên tố như Boron, Photpho, Gallium, Cadmium và Tellurium cũng được sử dụng như các chất phụ gia để gia tăng khả năng dẫn điện cho PVg.
Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên các cặp bị tách ra, bị gia tốc về các phía đối diện và tạo nên một sức điện động quang điện. Một đặc điểm cơ bản của pin mặt trời là luôn phát dòng điện một chiều ra mạch ngoài khi có tải và bức xạ mặt trời chiếu vào. Mối quan hệ giữa dòng điện ipv và điện áp vpv phát ra từ PVg là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp, trong đó công suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p- n, công suất của bức xạ mặt trời G và mức tiêu thụ của phụ tải. Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận hành khác là tức thời và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố liên quan đến quán tính.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mặt khác, pin mặt trời luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất phát ra là lớn nhất tương ứng với mỗi cặp giá trị (G, T). Khai thác được trạng thái vận hành này sẽ giúp khắc phục được nhược điểm hiệu suất thấp, giá thành cao của dạng nguồn này. Điều này có thể đạt được nhờ điều chỉnh lượng tải hấp thụ tương ứng với công suất tại MPP. Xuất phát từ các cell đơn lẻ với công suất và điện áp nhỏ, PVg thường được sử dụng dưới dạng tổ hợp các cell thành module, tổ hợp các module thành panel, tổ hợp các panel thành array như mô tả trên hình 1.
Trong đó, các nhà sản xuất cung cấp ra thị trường các sản phẩm được đóng gói dưới dạng các panel.5: Phương pháp tổ hợp pin mặt trời 1. Tổng quan về nguồn năng lượng gió [11, 21] Điện gió - là một lĩnh vực của ngành năng lượng, chuyên về chuyển đổi động năng của không khí trong khí quyển thành điện năng, cơ năng, nhiệt năng, hay một dạng năng lượng khác để phục vụ cho nền kinh tế. Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng các tổ hợp thiết bị, như máy phát điện bằng tua bin gió (để thu được điện năng), cối xay gió (để thu được cơ năng), cánh buồm (trong vận tải), v. Năng lượng gió có được nhờ hoạt động của mặt trời, vì vậy thuộc dạng tự tái tạo, dễ tiệm cận, sạch về sinh thái và có chi phí vận hành thấp.
Các trạm điện tua bin gió lớn thường được nối với hệ thống điện, các trạm nhỏ hơn thường được xây dựng và vận hành để cung cấp điện cho những vùng ở xa lưới điện. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6: Tuabin gió - Ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế và lắp đặt ở độ cao trên 100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được đường kính cánh quạt (tăng công suất) và giải phóng được diện tích đất cho các hoạt động kinh tế khác. Việc phát triển điện gió thường gặp một số khó khăn mang tính kỹ thuật và kinh tế.
Khi tỷ trọng của điện gió trong lưới điện tăng lên, sự không ổn định của gió sẽ làm gia tăng sự không ổn định trong cung cấp điện, đòi hỏi phải áp dụng công nghệ thông minh trong vận hành và quản lý hệ thống phân phối điện. Các nhược điểm cơ bản của việc phát triển điện gió gồm: 1/ Sản lượng điện phát ra của các tua bin gió phụ thuộc hoàn toàn vào sức gió - một đại lượng rất không ổn định trong ngày, trong tháng, trong năm và trong cả nhiều năm. Không có hệ thống điện nào có thể chấp nhận được sự bất định như vậy. 2/ Trong khi biểu đồ phụ tải của hệ thống điện vốn rất không ổn định, các tua bin gió dù lớn hay nhỏ không những không có khả năng tham gia vào việc 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com điều tần của hệ thống điện (vì phụ thuộc 100% vào tự nhiên), mà còn gây ra nhiều bất cập trong điều độ của hệ thống, đòi hỏi hệ thống điện phải có nguồn dự phòng cao.
3/ Khi tỷ trọng công suất điện gió lớn, để có dự phòng cao, đòi hỏi phải xây dựng thêm các nguồn điện đắt tiền khác như nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạy dầu, thủy điện, và thủy điện tích năng. Điều này sẽ dẫn đến một rào cản khác về mặt kinh tế là giá thành điện bình quân của hệ thống sẽ tăng lên rất cao. Vì vậy, trên thế giới, chủ quản của các hệ thống điện thường không “mặm mà” với điện gió, và không muốn đấu nối điện gió vào hệ thống, trừ khi có sự ép buộc của Chính phủ và/hoặc có cơ chế bù đắp chi phí. 4/ Khi tỷ trọng điện gió trong hệ thống đạt mức 20÷25%, sẽ xuất hiện các vấn đề nghiêm trọng trong lưới điện (lưới điện sẽ bị mất kiểm soát - không điều phối được).
Đây là điều bắt buộc phải tính đến trong qui hoạch phát triển ngành điện trên quan điểm đảm bảo an toàn và ổn định về cung cấp điện cho nền kinh tế. 5/ Đối với các tua bin gió nhỏ lẻ, việc đấu nối với lưới quốc gia có thể trở nên không khả thi về mặt kinh tế. Vấn đề này chỉ có thể giải quyết được một phần nếu tua bin gió được nối với lưới điện cục bộ (tại chỗ) với điều kiện các thiết bị phân phối, truyền tải hiện có và tua bin gió phải có công suất phù hợp với nhau. 6/ Đối với các tua bin gió công suất lớn, vấn đề khó khăn nhất liên quan đến các qui trình sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng (khi phải sửa chữa hay thay thế các chi tiết/bộ phận có kích thước lớn và trọng lượng lớn như rotor, cánh quạt) ở độ cao hơn 100m.
Các máy phát điện gió (tua bin gió) có thể chia thành 2 loại: công nghiệp và gia dụng. Các máy tua bin gió công nghiệp hiện đại có công suất lên tới 7,5MWe. Công suất của tua bin gió phụ thuộc vào diện tích hứng gió của các cánh quạt (rotor của tua bin) và chiều cao của tua bin so với mặt đất. Ví dụ, loại tua bin gió công suất 3MWe (V90) của hãng Vestas (Đan Mạch) có tổng chiều cao 115m, chiều cao tháp 70m, và đường kính cánh quạt 90m.
9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Theo lý thuyết về khí động học, các luồng không khí chuyển động ở gần mặt đất hay mặt biển thuộc loại các dòng chảy theo lớp/tầng (laminar), trong đó, các lớp nằm thấp hơn sẽ cản các lớp nằm ở phía trên cao hơn.