CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG THỦY ĐIỆN NHỎ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 khái niệm về năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người. Các quy trình này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như biomass, phong năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất.
Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ trên hình 1. 1 Tình hình NLTT trên toàn cầu (thống kê năm 2006) Trong đó: 770 GW Thủy điện lớn 235 GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời điện nhiệt 74 GW NL Gió 73 GW Thủy điện nhỏ 45 GW NL Sinh khối điện 39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL Địa nhiệt 0,3, 0,4 GW Pin Mặt trời Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu và đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó, việc tìm kiếm các công nghệ sử dụng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, biomass, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại và được 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 lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành tựu đáng kể.
Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục. Việc khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn. Trước 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 lưới.
Đó là mô hình tất yếu của một tương lai gần. Cho đến nay với sự nỗ lực vượt 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 trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Metan hydrate, năng lượng 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 lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều sóng biển, V.2 Các dạng năng lượng tái tạo phổ biến 1- Năng lượng gió: Gió là dòng chuyển dời của các khối khí mang năng lượng mà các thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng.
Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận được 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 không khí tạo thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 23,45 o 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 sự hình thành gió Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, 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 nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. Như vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái đất.
Năng lượng gió được 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 lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới. 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch với công suất từ 200-300 kW. Từ năm 2000 đến 2006 công 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 công suất turbine gió trên Thế giới ước tính đạt 93.849 MW, trong đó châu Âu chiếm tới 65%. Đan Mạch là nước sử dụng năng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng điện quốc gia. Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm 1% tổng điện năng. Ấn Độ đứng thứ tư trên Thế giới về năng lượng gió với 8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng điện.
Công nghệ khai thác năng lượng gió: Như vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lượng mà các thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng. Từ cổ xưa đến nay đã hình thành nhiều công nghệ khai thác năng lượng gió (NLG): - NLG – chuyển động tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lượn - NLG – chuyển động quay – Máy xay gió - NLG – chuyển động quay – Máy phát điện. 2- Năng lượng mặt trời: Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu 0C.
Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa. Như vậy năng lượng Mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người. Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 , đó chính là nguồn gốc của mọi sự sống trên Trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của Trái đất một phần năng lượng Mặt trời bị hấp thụ.
Kết quả tính toán cho thấy năng lượng Mặt trời phân bố trên bề mặt Trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ Mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời (BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời, hình 1. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa Mặt trời, v. Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, v.
4 Các hệ thống khai thác năng lượng Mặt trời Tiềm năng về năng lượng Mặt trời của các nước trên Thế giới là rất lớn. Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng 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 tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời Công suất có Chỉ số chất lượng Bức xạ Mặt trời thể khai thác Khu vực trung bình DNI [1000 TWh] [1000 [kWh/tháng/năm] TWh/năm] Bắc Mỹ 11,500 2410 1,150 Nam Mỹ 13,500 2330 1,350 Châu Âu, Châu phi, Châu Á 73,500 2600 7,350 Thái Bình Dương 23,000 2950 2,300 Tổng cộng 121,500 12,150 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời: Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóng phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái đất. Muốn khai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng của các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công 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 lượng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau tùy theo mục đích người 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 nguyên tắc của hiệu ứng quang điện trong thiết bị pin quang điện hay thường gọi là pin Mặt trời, tiếng anh là Photo Voltaics (viết tắt là PV ).