Chương 1 NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 1. Các nguồn và công nghệ năng lượng mới Năng lượng loài người đang sử dụng được xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, có thể kể đến như sau: - Từ thiên nhiên: Than đá, than bùn, dầu, khí thiên nhiên và địa nhiệt. - Do nhân tạo: Có nguồn năng lượng từ thủy điện còn được gọi là than trắng, nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ Mặt trời, năng lượng từ ánh sáng mặt trời và năng lượng thủy triều… Đối với năng lượng tài nguyên thiên nhiên thuộc nhóm thứ nhất: theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng trên sẽ bị cạn kiệt vì con người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên. Đối với nguồn năng lượng đến từ nhóm hai: - Thủy điện đã xuất hiện từ hơn 70 năm trước đây và đã là nguồn hy vọng cho nhân loại trong một thời gian dài.
Ban đầu căn cứ theo hướng suy nghĩ của những nhà khoa học thời bấy giờ thì thủy điện là một nguồn điện năng sạch và hoàn hảo vì không tạo ra ô nhiễm môi trường, năng lượng có khả năng tái tạo. Do đó, đập thủy điện được tiếp nối xây dựng ồ ạt từ những nước phát triển cho đến những nước đang phát triển. Tuy nhiên, trong khoảng 20 năm trở lại đây, khoa học gia trên thế giới đã nhận định đúng đắn thảm họa môi trường do thủy điện gây ra. Đó là: + Thủy điện đã làm đảo lộn hoàn toàn hệ sinh thái của một vùng rộng lớn chung quanh hồ chứa cũng như ở thượng nguồn và hạ nguồn của đập.
+ Thủy điện làm giảm thiểu hoặc hủy diệt đa dạng sinh học của toàn vùng có thủy điện. + Hiệu quả kinh tế của thủy điện hoàn toàn đảo ngược vì chi phí cần thiết để tái tạo lại môi trường thiên nhiên cao hơn lợi nhuận do việc cung cấp điện Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện năng. Ví dụ, điển hình xác minh qua trường hợp của hàng chuỗi đập thiết lập dọc sông Colorado (Hoa kỳ) và Hoàng Hà (Trung Quốc), sau một thời gian khai thác, dòng chảy của hai con sông này không còn điểm đến là vịnh Mễ Tây cơ và biển Trung Hoa nữa. Ở Việt Nam, dù mới khai thác đập thủy điện trong khoảng hơn 20 năm nay nhưng nhiều tác hại đã xảy ra như trường hợp đập Yali đã làm ngập lụt thành phố Ratanakiri, Campuchia năm 2000 hay một lượng lớn dân đã phải di cư khi xây dựng nhà máy thủy điện Hòa Bình và Sơn La.
- Nguồn năng lượng nguyên tử đang được nhiều quốc gia Tây phương tây áp dụng vì nhu cầu gia tăng. Tuy nhiên, đối với nguồn năng lượng nguyên tử mức an toàn trong vận hành vẫn là một dấu hỏi lớn và tác hại đến con người và môi trường trong trường hợp tai nạn xảy ra đã làm cho nhiều quốc gia do dự khi quyết định xây dựng thêm nhà máy điện nguyên tử. Ví dụ, thảm họa Cherobyl ở Liên xô cũ năm 1986 với 31 người thiệt mạng trực tiếp và khoảng 93.000 người chết do nhiễm phóng xạ sau đó. Ngoài ra, phế thải của nhà máy điện nguyên tử vẫn còn là một vấn đề nan giải chưa giải quyết được của nhân loại.
- Năng lượng Mặt trời được các nước phát triển và các quốc gia gần vùng xích đạo quan tâm phát triển nhiều hơn. Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ và giá thành sản xuất cao nên năng lượng Mặt trời chưa được phát triển ở những nước đang phát triển. Vai trò của nguồn năng lượng mới Do hạn chế của các nguồn năng lượng truyền thống như: Than đá, dầu mỏ, khí đốt, nhà máy điện hạt nhân và thủy điện… nên hiện nay các nước trên thế giới đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống. Công nghệ năng lượng mới hiện nay đã được phát triển mạnh và đang trên đường thương mại hóa với giá thành ngày càng giảm, có thể đáp ứng được yêu cầu hiện nay gồm: - Thủy điện nhỏ.
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện - Năng lượng Mặt trời. - Năng lượng khác: Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều… Trong đó thủy điện nhỏ đã được phát triển khá mạnh trên thế giới cũng như tại Việt Nam, năng lượng Mặt trời đã được các nước phát triển nghiên cứu và phát triển với qui mô công nghiệp tuy nhiên do phụ thuộc vào vị trí địa lý nên hiện nay trên thế giới chỉ được phát triển mạnh ở một số nước Châu âu như: Hà Lan, Đức… các dạng năng lượng khác như Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều chưa có khả năng phát triển tại thời điểm hiện tại do hạn chế về công nghệ và giá thành, năng lượng mặt trời hiện nay đã được phát triển và ứng dụng mạnh mẽ với nhiều ưu điểm nên trong luận văn này tập trung nghiên cứu về năng lượng mặt trời. Năm 2003, mức sản xuất hệ thống biến năng lượng mặt trời thành điện năng (có tên là Photovoltaic - PV) trên toàn thế giới đạt đến mức 700 MW, tăng 34% so với năm 2002. Quốc gia có mức tăng trưởng nhanh nguồn năng lượng trên là Nhật Bản với 45% và Âu Châu khoảng 40%.
Công nghệ năng lượng mặt trời sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để chuyển hóa thành nhiệt năng, điện năng. Đối với quốc gia thuộc vùng nhiệt đới trong đó có Việt Nam, hệ thống thiết bị năng lượng này sẽ có tiềm năng lớn để giải quyết nhu cầu thiếu hụt năng lượng cho tương lai. Nguồn năng lượng mặt trời có khá nhiều ưu điểm gồm: - Không làm ô nhiễm môi trường. - Không tạo ra hiệu ứng nhà kính.
- Không tạo ra phế thải rắn (như nguồn năng lượng do than đá, khí đốt, và năng lượng nguyên tử). - Có thể thiết lập ngay tại khu đông đúc gia cư, ngay trên nóc chung cư và cơ sở sản xuất lớn. Mặc dù hiện nay giá thành của việc thiết lập một hệ thống PV cao hơn 10 lần so với một nhà máy nhiệt điện dùng than đá, 2 lần so với với nhà máy Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện nguyên tử, 4 lần so với nhà máy dùng khí đốt… Tuy nhiên, chi phí điện năng sử dụng sẽ được giữ cố định trong vòng 20 năm sau đó vì hệ thống không cần đến nhu cầu nguyên liệu và PV đã được bảo đảm vận hành lâu dài. Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)%.
Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện nguyên tử… Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó: - Thủy điện nhỏ đã được quan tâm đầu tư phát triển mạnh mẽ trong vài năm gần đây và phần nào góp phần giảm thiếu hụt điện năng của hệ thống điện quốc gia. - Năng lượng Mặt trời đã được đầu tư nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm trên đảo Cát Bà nhưng hiệu quả chưa cao. - Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế. Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào: + Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu.
+ Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của quốc gia trên thế giới. + Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt. - Năng lượng địa nhiệt và thủy triều đã bước đầu đầu tư nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới, tại Việt Nam do điều kiện về khoa học kỹ thuật và nền kinh tế chưa phát triển nên chưa được đầu tư nghiên cứu mặc dù với bờ biển trải dài từ bắc vào nam nên tiềm năng là rất lớn. Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện - Năng lượng tái tạo đã được đầu tư nghiên cứu và đã phát triển, tuy nhiên do đặc thù của năng lượng tái tạo phân tán nhỏ lẻ khó tập trung nên chỉ thích hợp cho năng lượng nông thôn khó phát triển để sản xuất điện năng.
Khái niệm về hệ thống điện độc lập 1. Giới thiệu chung Hệ thống điện độc lập (RAPS - Remote Area Power Systems) là một hệ thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa xôi - nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được. Hệ thống điện nói chung bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo vệ,…) được liên kết với nhau. Đối với hệ thống điện độc lập truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm phát sử dụng năng lượng từ dầu Diezen (gọi là tổ hợp phát điện Diezen).
Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các hệ thống phát điện pin năng lượng Mặt trời được tích hợp thêm vào hệ thống điện độc lập truyền thống với mục tiêu giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Khi đó, hệ thống điện độc lập truyền thống trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp như minh họa Hình 1. Hệ thống điện độc lập có thể phối hợp nhiều nguồn phát điện nhưng phổ biến nhất là hệ thống kết hợp giữa các hệ phát điện năng lượng mặt trời với các tổ hợp phát điện Diezen, hệ thống khi đó được gọi là hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen được hình thành bởi hệ thống pin mặt trời kết hợp với một hoặc vài trạm phát điện Diezen cung cấp điện năng cho phụ tải thông qua lưới điện hạ áp.