›
›

Bài giảng Năng lượng tái tạo - Lê Phương Trường

pdf 164 trang ngocly 1120
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Năng lượng tái tạo - Lê Phương Trường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_nang_luong_tai_tao_le_phuong_truong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng tái tạo - Lê Phương Trường

  1. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Biên Soạn: Lê Phương Trường Lưu Hành Nội Bộ Biên Hòa 1/10/2010 I
  2. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường PHẦN 1 NĂNG LƯỢNG GIÓ 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 2 1.1 Khái niệm 2 1.2 Lịch sử phát triển 3 1.3 Nguồn tài nguyên gió 4 1.3.1 Sự hình thành năng lượng gió 4 1.3.2 Bản chất của gió 5 1.4 Năng Lượng gió trên thế giới và Việt Nam 6 1.4.1 Thống kê tổng công suất năng lượng gió trên toàn thế giới 6 1.4.2 Năng lượng gió ở Châu Âu 11 1.5 Năng lượng gió ở Việt Nam Triển vọng và phát triển 14 1.5.1 Tình hình cung- cầu điện năng ở Việt Nam 14 1.5.2 Tiềm năng điện gió của Việt Nam 15 1.5.3 Phân bố năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam 17 Chương 2 TỐC ĐỘ GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG 24 2.1 Tốc độ gió và công suất 24 2.2 Vòng quét Rotor 25 2.3 Mật độ không khí 26 2.4 Hệ số mật độ không khí 27 Chương 3 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 32 3.1 Xác suất phân bố và mật độ năng lượng gió 32 3.1.1 Xác suất phân bố Rayleigh 33 3.1.2 Xác suất phân bố weibull 33 3.2 Mật độ năng lượng gió 36 3.3 Sự ảnh hưởng của chiều cao đặt rotor (hub height) đến tốc độ gió 38 3.3.1 Chuyển đổi tốc độ gió theo luật lũy thừa của công suất (power law profile) 39 3.3.2 Chuyển đổi tốc độ gió theo lôgaric (Logarithmic profile) 39 3.4 Tài nguyên gió tại Việt Nam 41 3.4.1 Quy luật và đặc điểm chung trong phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ Việt Nam 41 3.4.2 Phân bố tốc độ gió tại mặt đất trên lãnh thổ 42 II
  3. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường 3.4.3 Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại các độ cao 43 3.4.4 Đặc điểm phân bố của tiềm năng năng lượng gió theo mùa 45 3.5 Nguyên Lý hoạt động và cấu trúc của tuốc bin năng lượng gió 56 3.5.1 Nguyên Lý hoạt động 49 3.5.2 Cấu trúc tuốc bin gió 49 3.5.2.1 Cấu trúc tuốc bin gió có trục nằm ngang 49 3.5.2.2 Cấu trúc tuốc bin gió có trục dọc 51 3. 6 Cấu trúc của hệ thống năng lượng gió 52 3.6.1 Tháp đỡ 52 3.6.2 Tuốc bin 53 3.6.3 Cánh đón lấy gió 55 3.6.4 Điều khiển tốc độ 57 Phần 2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 63 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 64 1.1 Các khái niệm 64 1.2 Lịch sử phát triển của pin mặt trời 65 1.3 Năng lượng mặt trời trên thế giới 66 1.4 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 67 Chương 2 PIN MẶT TRỜI 70 2.1 Cấu tạo 71 2.2 Các công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời 72 2.2.1 Silic tinh thể (Crytalline silicon solar cell) 72 2.2.2 Pin màng mỏng (Thin-Film CIGS and CdTe Photovoltaic Technologies) 73 2.3 Nguyên lý hoạt động 74 2.3 Tấm và dãy năng lượng mặt trời 75 2.4 Đặc điểm của pin mặt trời 77 2.4.1 Mạch điện tương đương 77 2.4.2 Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch 79 Chương 3 BỨC XẠ MẶT TRỜI 82 3.1 Năng lượng từ mặt trời 82 III
  4. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường 3.2 Một số khái niệm 84 3.3 Đo cường độ bức xạ mặt trời 87 Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 92 4.1 Lựa chọn sơ đồ cho hệ thống điện mặt trời 94 4.2 Tính toán hệ nguồn điện Pin mặt trời 94 4.2.1 Tính phụ tải theo yêu cầu 95 4.2.2 Tính toán năng lượng mặt trời cần thiết 97 4.2.3 Dung lượng của bộ acquy tính theo ampe-giờ, AH 98 Chương 5 HỆ THỐNG LAI 105 5.1 Khái niệm 112 5.2 Các hệ thống lai thông dụng 106 5.2.1 Hệ thống lai năng lượng gió-mặt trời-ắc quy (Wind-PV-Battery hybrid system). 106 5.2.2 Hệ thống lai năng lượng mặt trời – tế bào nhiên liệu (PV-fuel cell hybrid system) 107 Chương 6 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 111 6.1 Ứng dụng kết nối lưới 111 6.1.1 Nhà máy năng lượng mặt trời sử dụng pin năng lượng mặt trời 111 6.1.2. Nhà máy điện mặt trời sử dụng nhiệt độ cao 112 6.2 Ứng dụng không kết nối lưới 115 6.2.1 Các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập 115 6.2.1.1 Lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời ở arcata, California (Energy group get solarized) 115 6.2.1.2 Một hệ thống năng lượng dùng cho một hộ gia đình nông thôn điển hình ở anh 118 6.2.2 Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 121 6.2.2.1 Máy bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời 121 6.2.2.2 Xe năng lượng mặt trời 121 Phần 3 CÁC LOẠI NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHÁC 127 Chương 1 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI 128 1.1 Sinh khối và năng lượng sinh khối 128 IV
  5. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường 1.2Các công nghệ biến đổi sinh khối 129 1.2.1Các công nghệ nhiệt hóa 130 1.2.2 Công nghệ biến đổi sinh hóa 134 Chương 2 NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT 141 2.1 Nguồn năng lượng địa nhiệt 141 2.2 Các phát triển kỹ thuật 145 Chương 3 NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG 148 3.1 Năng lượng thủy triều 148 3.2 Năng lượng nhiệt đại dương 153 3.3 Năng lượng sóng biển 156 V
  6. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Phần1 NĂNG LƯỢNG GIÓ Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong phần này sinh viên nắm được Định nghĩa năng lượng gió Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam Đặc điểm tính chất của gió Cấu trúc của một hệ thống gió Tính toán công suất của hệ thống năng lượng gió Tính toán sự phân bố năng lượng gió Số tiết lên lớp 12 tiết Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Tổng quan về năng lượng gió 4 2 Tốc độ gió và năng lượng 4 3 Hệ thống năng lượng gió 4 1
  7. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được Các khái niệm Lịch sử phát triển Tình hình năng lượng gió trên thế giới Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam Số tiết lên lớp 2 tiết Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Khái niệm, lịch sử phát triển 1 2 Năng lượng gió trên thế giới 3 và Việt Nam Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam Trọng tâm của bài giảng - Nêu các khái niệm về năng lượng gió - Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam 1.1 Khái niệm (xem [2] trang 9) Nguồn Năng lượng gió là sự biến đổi năng lượng của gió thành một loại năng lượng hữu dụng như là điện năng sử dụng tuốc bin gió, nguồn năng lượng được sản xuất từ tuốc bin gió là nguồn năng lượng xanh, sạch không gây ô nhiễm môi trường không gây hiệu ứng nhà kính. 2
  8. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Câu hỏi hiểu bài: 1. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao năng lượng gió được xem là một loại năng lượng sạch? 2. Anh (Chị) hãy cho biết năng lượng gió được sản xuất từ thiết bị gì? 3. Anh (Chị) hãy cho biết năng lượng gió hình thành như thế nào? 1.2 Lịch sử phát triển (Xem [3] trang 11) Năng lượng gió được con người sử dụng cách đây 5000 năm. Nó đã được người Hy lạp cổ đại ứng dụng để chạy các thuyền buồm trên dòng sông Nile. Sau đó người Châu Âu đã ứng dụng năng lượng gió trong các lĩnh vực giao thông vận tải và các mục đích khác.Vào những năm 1700 và 1800 nó được ứng dụng để xay ngũ cốc, máy bơm nước Tuốc bin gió đầu tiên được lắp đặt để tạo ra điện sử dụng cho những vùng nông thôn ở Mỹ vào năm 1890 sau đó liên tiếp các thử nghiệm nối lưới các hệ thống tuốc bin gió được lắp đặt. Một thử nghiệm lắp đặt tuốc bin gió có công suất 2MW được lắp đặt tại Howard Knob năm 1979, tuốc bin gió 3MW được lắp đặt tại scốt len vào năm 1988. Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu về cung cấp điện cũng như các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Những tuốc bin gió lớn được lắp đặt ngày càng nhiều, nó mang lại những lợi ích về kinh tế và môi trường to lớn. Dung lượng trung bình của các tuốc bin gió vào khoảng 300 kW cho đến những năm 1990. Những tuốc bin gió mới được lắp đặt từ những năm 1990 đến nay nằm trong phạm vi 1MW đến 3MW. Những tuốc bin gió có công suất 5MW đang được lắp đặt tại một số quốc gia. 3
  9. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Câu hỏi hiểu bài 4.Anh (Chị) hãy cho biết con người ứng dụng năng lượng gió đầu tiên để làm gì ? 5.Anh(Chị) hãy cho biết trước khi con người biết sử dụng năng lượng gió để phát điện. Con người đã ứng dụng năng lượng gió để làm gì? 6.Anh(Chị) hãy cho biết trước thập niên 90 công suất trung bình của các tuốc bin gió là bao nhiêu ? 7.Ngày nay công suất lớn nhất của các tuốc bin gió là bao nhiêu ? 8.Anh (Chị) hãy cho biết tại sao các nhà khoa học tập trung nghiên cứu năng lượng gió ngày càng nhiều ? 1.3 Nguồn tài nguyên gió (xem [2] trang 22) 1.3.1 Sự hình thành năng lượng gió 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 mặt trời và thêm vào đó bức xạ mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khàc nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và hai cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của trái đất di chuyển tạo thành gió. Trái đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của trái đất nghiêng đi (so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất tạo thành khi quay quanh mặt trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa. Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa bắc bán cầu và nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. 4
  10. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Ngoài các yếu tố tính toán trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại 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 nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. Câu hỏi hiểu bài 9. Anh (Chị) hãy cho biết các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành nên năng lượng gió? 10. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao chúng ta cần phải nghiên cứu sự hình thành năng lương gió? 11. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao nói năng lượng gió được hình thành từ năng lượng mặt trời? 12. Anh (Chị) hãy cho biết nếu như không có bức xạ mặt trời thì sự hình thành năng lượng gió sẽ như thế nào? 1.3.2 Bản chất của gió Năng lượng có sẵn trong gió khác nhau tùy thuộc vào lập phương của tốc độ gió, do đó sự hiểu biết về đặc tính của tài nguyên gió là rất quan trọng cho tất cả các khía cạnh của khai thác năng lượng gió, từ việc xác định những địa điểm phù hợp và dự đoán khả năng kinh tế của các dự án trang trại năng lượng gió cho tới việc thiết kế các tuốc bin gió và sự hiểu biết về hiệu quả của năng lượng gió trên các mạng phân phối điện. Từ đặc điểm của năng lượng gió đặc tính nổi bật nhất của nguồn tài nguyên gió là sự biến thiên của nó. Gió có sự biến động về mặt địa lý và tính chất tạm thời của nó. Hơn nữa sự biến đổi này có quy mô ảnh hưởng trên phạm vi rộng cả về không gian và thời gian. Tầm quan trọng của điều này là mối quan hệ lập phương của tốc độ gió với hệ năng lượng có sẵn. 5
  11. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Trên một quy mô rộng lớn hơn, không gian biến thiên mô tả một thực tế rằng có rất nhiều sự khác nhau về khí hậu ở các vùng khác nhau trên thế giới, một số nơi có gió lớn hơn hoặc có nhiều bão hơn so với khu vực khác trên thế giới. Sự hiểu biết về vấn đề này giúp cho vấn đề điều khiển và thiết kế các tuốc bin gió phù hợp với điều kiện thời tiết từng khu vực. Trên thực tế một trong những vùng khí hậu biến thiên trên một quy mô nhỏ hơn phần lớn được quyết định bởi địa lý tự nhiên ví dụ như tỷ trọng của đất và biển, kích thước của đất, và sự hiện diện của các ngọn núi hoặc vùng đồng bằng. Câu hỏi hiểu bài 13. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao nói bản chất của gió chỉ có tính chất tạm thời? 14. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao chúng ta cần phải hiểu biết về bản chất của gió? 15. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao nói gió có sự biến thiên theo địa lý? 16. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao nói tốc độ gió biến thiên theo thời gian? 17. Anh (Chị) hãy cho biết nếu nghiên cứu đánh giá tốc độ gió theo một thời gian ngắn có ưu điểm gì? 18. Anh (Chị) hãy cho biết nếu nghiên cứu đánh giá tốc độ gió theo một thời gian ngắn có nhược điểm gì? 19. Anh (Chị) hãy cho biết nếu nghiên cứu đánh giá tốc độ gió theo một thời gian dài có nhược điểm gì?\ 20. Anh (Chị) hãy cho biết nếu nghiên cứu đánh giá tốc độ gió theo một thời gian ngắn có ưu điểm gì? 1.4 Năng Lượng gió trên thế giới và Việt Nam (xem [4]) 1.4.1 Thống kê tổng công suất năng lượng gió trên toàn thế giới Theo thống kê của WEC (Global wind energy council) kết thúc năm 2008 tổng công suất sản xuất được của các tuốc bin gió trên toàn cầu là 120,791 gigawats (Gw) chiếm 1.5% dung lượng điện sản xuất được của thế giới. Bảng 1.1 mô tả chi 6
  12. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường tiết tổng dung lượng năng lượng gió được lắp đặt từ năm 2007 đến năm 2008 trên toàn cầu theo từng châu lục: Bảng 1.1 Tổng dung lượng năng lượng gió trên toàn thế giới được lắp đặt từ năm 2007 đến hết năm 2008 7
  13. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Nguồn: GWEC[3] (1) Nam Phi ,Cape Vede,Israel, Lebane, Nigeria,Jordan (2) Thái lan, Băng la đét, in đô nê si a, Srilanka (3) Bỉ , Bung Ga ri, Croatia, Cộng Hòa sec,Estonia, Foroe island, Phần Lan, Hung-ga-ri, Latvia, luc-xam bua, Rô-maria, Nga, Slovakia, switzeland, Ukraina. (4) Áo, Đan Mạch, Pháp, Đức, Hy Lạp, Hung-ga-ri, Ai len, ý, Poland, Bồ đào nha, Slovakia, tây ban nha, Thụy Điển, Anh, Bỉ, Cybrus, Estonia, Phần Lan, Hung ga ri, Ai len, Rô ma ri a, slovakia,slovenia, cộng hòa séc, Lithuania, Luxembua, Malta, Netherlands (5) Cô lômbia, chi lê, cu ba. Chú thích Affrica and Middle East: Châu Phi và trung đông Europe: châu âu Asia: châu á Latin America and Caribbean: châu mỹ la tin và ca ri bê 8
  14. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường North America: Bắc mỹ Pacific Region : Vùng thái bình dương Theo bảng thống kê 10 quốc gia có tổng dung lượng năng lượng gió lớn nhất thế giới được trình bày ở bảng 1.2. Theo bảng thống kê ở bảng 1.2 thì top 10 quốc gia có dung lượng lớn nhất thế giới chiếm 86,2% tổng dung lượng trên toàn cầu. Bảng 1.2 Top 10 quốc gia có dung lượng lắp đặt lớn nhất thế giới MW % USA 25,170 20.8 Germany 23,903 19.8 Spain 16,754 13.9 China 12,210 10.1 India 9,645 8.0 Italy 3,736 3.1 France 3,404 2.8 England 3,241 2.7 Denmark 3,180 2.6 Portugal 2,862 2.4 Rest of world 16,104 13.8 Top 10 total 104,104 86.2 World total 120,791 13.8 Nguồn GWEC 9
  15. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Hình 1.1Tổng dung lượng gió tích lũy trên toàn cầu từ 1990 đến 2007 (MW) Chú thích Rest of the world: Phần còn lại của thế giới EU: Châu Âu Hình 1.2 Dung lượng nănglượng gió hàng năm từ 1991 đến 2007(MW) Chú thích Rest of the world: Phần còn lại của thế giới EU: Châu Âu 10
  16. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Câu hỏi hiểu bài: 21.Anh (Chị) hãy cho biết quốc gia nào có công suất tuốc bin gió lắp đặt lớn nhất thế giới hiện nay? 22.Anh (Chị) hãy cho biết quốc gia nào ở Châu Á có công suất tuốc bin gió lắp đặt lớn nhất? 23.Anh (Chị) hãy cho biết quốc gia nào ở Châu Âu có công suất tuốc bin gió lắp đặt lớn nhất? 24.Anh ( Chị ) hãy cho biết quốc gia nào có công suất mới lắp đặt lớn nhất thế giới? 25.Anh ( Chị ) hãy kể tên ba quốc gia đứng đầu thế giới về năng lượng gió ? 1.4.2 Năng lượng gió ở Châu Âu (xem [3] trang 19) Việc sử dụng năng lượng gió đã và đang phát triển rất lớn ở Châu âu. Với sự hỗ trợ của chính phủ về chống ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính đã thúc đẩy sự phát triển năng lượng gió vốn đã lớn mạnh ở châu âu. Hình 1.3 tổng công suất năng lượng gió được lắp đặt ở Châu âu đến cuối năm 2008. Theo bảng báo cáo thì đến cuối năm 2008 tổng dung lượng năng lượng gió được lắp đặt ở Châu âu là 65,933 MW trên tổng số 120,791 MW chiếm 54.58% tổng năng lượng gió được lắp đặt trên toàn thế giới. Theo bảng báo cáo của EWEA thì tổng công suất năng lượng gió được lắp đặt mới ở Châu Âu là 8,846 MW chiếm 36% tổng công suất các nguồn năng lượng mới được lắp đặt tại Châu Âu ( hình 1.4). Bảng báo cáo cho thấy tiềm năng phát triển nguồn năng lượng gió là rất lớn so với các nguồn năng lượng khác. 11
  17. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Hình 1.3Tổng công suất năng lượng gió được lắp đặt ở châu âu đến cuối năm 2008 12
  18. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Bảng 1.3 Bảng báo cáo chi tiết tổng dung lượng năng lượng gió được lắp đặt của các nước Châu Âu từ cuối năm 2007 đến cuối năm 2008 13
  19. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Nguồn EWEA [4] Hình 1.4 Tổng công suất các nguồn năng lượng mới được lắp đặt ở Châu Âu 1.5 Năng lượng gió ở Việt Nam Triển vọng và phát triển (xem [1]) 1.5.1 Tình hình cung- cầu điện năng ở Việt Nam Tốc độ tăng trưởng trung bình sản lượng điện ở Việt Nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13% năm- tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế. Chiến lược công nghiệp hoá và duy trì tốc độ tăng trưởng cao để thực hiện, dân giàu, nước mạnh và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng trách và thách thức to lớn trong những thập niên tới. Để 14
  20. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường hoàn thành được những trọng trách này, ngành điện phải có khả năng dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế trên cơ sở đó hoạch định và phát triển năng lực cung ứng của mình. Việc ước lượng nhu cầu về điện không hề đơn giản, bởi vì nhu cầu về điện là nhu cầu dẫn xuất. Chẳng hạn như nhu cầu về điện sinh hoạt tăng cao trong mùa hè là do các hộ gia đình có nhu cầu điều hoà không khí, đá và nước mát. Tương tự như vậy các công ty sản xuất cần điện là do có thể được kết hợp với các yếu tố đầu vào khác (như lao động, nguyên vật liệu v.v) để sản xuất ra các sản phẩm cuối cùng. Nói cách khác, chúng ta không thể lượng nhu cầu về điện một cách trực tiếp mà phải thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc ước lượng nhu cầu của các sản phẩm cuối cùng. Nhu cầu này, đến lược nó lại phụ thuộc vào nhiều biến số kinh tế và xã hội khác. Năm 2005 điện phục vụ tiêu dùng và công nghiệp chiếm tỷ trọng rất lớn, lần lượt là 43,81% và 45,91%, trong khi 11% còn lại dành cho nông nghiệp và các nhu cầu khác. Nhu cầu điện của khu vực công nghiệp tăng cao là hệ quả trực tiếp của chủ trương công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế , mà một biểu hiện của nó là tốc độ tăng trưởng giá trị giá trị sản xuất công nghiệp trung bình hơn 10 năm qua đạt mức khá cao lá 10,5%. Còn ở khu vực tiêu dùng, cùng với mức tăng dân số, tốc độ đô thị hoá khá cao. Kết quả là nhu cầu về về điện của toàn nền kinh tế tăng trung bình gần 13%/năm, và tốc độ tăng của mấy năm trở lại đây thậm chí còn cao hơn mức bình thường . Theo dự báo, tốc độ tăng chóng mặt này sẽ còn tiếp tục duy trì trong nhiều năm tới. Đây thực sự là một thách thức to lớn, buộc ngành điện phải phát triển vuợt bậc để có thể đáp ứng được nhu cầu phát triển kinh tế của đất nước. 1.5.2 Tiềm năng điện gió của Việt Nam Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng biển đông VIệt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa. 15
  21. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8.6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0.2% ở Lào là 2,9%, và ở Thái Lan cũng chỉ là 0.2%. Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cở nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Nếu so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió Năng lượng gió được đánh giá là thân thiện nhất với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội. Để xây dựng một nhà máy thuỷ điện lớn cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng các rủi ro có thể xảy ra với đập nước. Ngoài ra, việc di dân cũng như việc mất các vùng đất canh tác truyền thống sẽ đặt gánh nặng lên vai những người dân xung quanh khu vực đặt nhà máy, và đây cũng là bài toán khó đối với các nhà hoạch định chính sách. Hơn nữa, các khu vực để có thể quy hoạch các đập nước tại Việt Nam cũng không còn nhiều. Song hành với các nhà máy điện hạt nhân là nguy cơ gây ảnh hưỡng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh nhà máy. Các bài học về rò rỉ hạt nhân cộng thêm chi phí đầu tư cho công nghệ, kĩ thuật quá lớn khiến càng ngày càng có nhiều sự ngần ngại khi sử dụng loại năng lượng này Các nhà máy điện chạy nhiên liệu hoá thạch thì luôn là những thủ phạm gây ô nhiễm nặng nề, ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khoẻ người dân. Hơn thế nguồn nhiên liệu này kém ổn định và giá có xu thế ngày một tăng cao. 16
  22. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải. Hơn nữa, việc phát triển năng lượng gió cần một lực lượng lao động là các kỹ sư kỹ thuật vận hành và giám sát lớn hơn các loại hình khác, vì việc giúp tạo thêm nhiều việc làm với kỹ năng cao. Tại các nước Châu Âu, các nhà máy điện gió không cần đầu tư vào đất đai để xây dựng các trạm tuốc bin mà thuê ngay đất của nông dân. Giá thuê đất (khoảng 20 % giá thành vận hành thường xuyên) giúp mang lại một nguồn thu nhập ổn định cho nông dân, trong khi diện tích cầnh tác không bị ảnh hưởng nhiều. Câu hỏi hiểu bài 26.Anh (Chị) hãy cho biết so với các nước lân cận thì tiềm năng năng lượng gió của nước ta được đánh giá như thế nào? 27.Anh (Chị) hãy cho biết nhu cầu sử dụng điện của nước ta hiện nay là như thế nào? 28.Anh (Chị) hãy cho biết tổng điện năng của năng lượng gió của nước ta được đánh giá là bao nhiêu? 29.Anh (Chị) hãy cho biết tốc độ tăng trưởng về điện năng của nước ta như thế nào? 30.Anh (Chị) hãy kể tên những công trình năng lượng gió ở nước ta mà anh chị biết? 31.Anh (Chị ) hãy cho biết tại sao Việt Nam được đánh giá là một trong những nước có tiềm năng năng lượng gió thương mại? 32. Anh (Chị) hãy cho biết những lợi ích khi sử dụng năng lượng gió? 33. Anh (Chị) hãy cho biết những khó khăn khi áp dụng năng lượng gió tại Việt Nam? 34. Anh (Chị) hãy cho biết những công ty sản xuất tuốc bin gió có công suất vừa và nhỏ tại Việt Nam? 1.5.3 Phân bố năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam Để đánh giá tài nguyên năng lượng gió, đã nghiên cứu sự phân bố tổng năng lượng gió cả năm và hai mùa (nóng, lạnh) trên toàn lãnh thổ tại các mức độ cao đã nêu. 17
  23. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường a. Tiềm năng năng lượng gió tại mặt đất Ở mặt đất, tiềm năng năng lượng gió củaViệt Nam nhìn chung nhỏ. Trên phần lớn lãnh thổ tổng năng lượng gió cả năm không vượt quá 200Kwh/m2. Chỉ trên các hải đảo, các vị trí nằm sát biển và trên các núi cao mới có tiềm năng khả quan. Khu vực Bắc Bộ, nơi có tiềm năng đáng kể là duyên hải từ Cẩm Phả đến Ninh Bình và phần đồng bằng tiếp giáp với duyên hải này. Nhiều vị trí nằm sát biển của các tỉnh thuộc đồng bằng Bắc Bộ, tổng năng lượng năm có thể đạt tới 500Kwh/m2 Một số nơi trên dãy núi cao Hoàng Liên Sơn, tổng năng lượng năm lớn hơn 500Kwh/m2 tại vùng núi phía Đông Lạng Sơn, năng lượng do gió mang lại rất phong phú. Ngoài ra, trên các núi cao biên giới phía Bắc và vùng núi cao nguyên Mộc Châu gió cũng có tiềm năng đáng kể. Ở nửa phía Bắc Trung Bộ, tiềm năng khá nghèo. Chỉ có dải duyên hải hẹp của Hà Tĩnh, các tỉnh vùng Bình Trị Thiên và núi cao trên dãy Trường Sơn mới có tiềm năng khá hơn. Tuy nhiên cũng chỉ ở mức 300 đến 400Kwh/m2. Phần lớn diện tích của nửa phía Nam Trung Bộ là vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên. Đây là vùng có tiềm năng khả quan rộng lớn nhất trên lãnh thổ; trừ vùng đất thấp phía Tây giáp Campuchia và vùng núi thấp phía Đông thuộc các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định có tiềm năng nhỏ, các nơi khác có tiềm năng khá phong phú; đặc biệt là vùng núi phía Đông Nam nối tiếp với biển (thuộc các tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận và Đồng Nai) có nhiều nơi tổng năng lượng năm đạt tới 500Kwh/m2. Duyên hải Nam Bộ có tiềm năng phong phú. Đặc biệt là duyên hải phía Tây từ Hà Tiên đến mũi Cà Mau, nơi chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió mùa Tây Nam, trong thời kỳ nóng có năng lượng gió rất lớn. Phần đồng bằng Nam Bộ nằm sâu trong đất liền có tiềm năng nhỏ. Trên các hải đảo phía Đông lãnh thổ, tổng năng lượng gió năm từ 700Kwh/m2 tại các hải đảo gần bờ, tăng dần khi càng ra xa bờ. Tại đảo Trường Sa là 2058Kwh/m2 và Bạch Long Vĩ là 3064Kwh/m2. Trên các dảo phía Nam lãnh thổ tiềm năng nhỏ hẳn, tại Côn Đảo là 302Kwh/m2 và Phú Quốc là 2 440Kwh/m . b. Tiềm năng năng lượng gió tại các độ cao 18
  24. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Mức độ tăng của tốc độ gió, do đó mức độ tăng của năng lượng gió theo độ cao phụ thuộc vào độ gồ ghề mặt đệm. Độ gồ ghề mặt đệm càng lớn hay địa điểm càng bị che chắn nhiều thì độ tăng của năng lượng gió theo độ cao càng lớn. Căn cứ trên số liệu tính toán cho 150 trạm trong mạng lưới khí tượng toàn quốc có thể xác định các loại hình chủ yếu phụ thuộc vào tính chất địa hình và vị trí địa lý như sau: Loại hình 1: các nơi thấp trong vùng núi có độ chia cắt lớn. Loại hình 2: Trung du và các vị trí tương đối thoáng trong các vùng núi. Loại hình 3: Đồng bằng Loại hình 4: Cao nguyên và các vị trí cao ít bị che chắn trong các vùng núi Loại hình 5: Duyên hải Loại hình 6: Hải đảo. Độ lớn của năng lượng gió tại các độ cao Wzi tại các độ cao Zi= 20m, 40m, 60m so với mặt đất (Z = 10m) W được đánh giá bằng tỉ số W / W trong bảng 1 10 zi 10 dưới đây. c. Tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 20m trên mặt đất Theo bảng 1, so với độ cao 10m thì tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 20m tại phần lớn các vùng trên lãnh thổ cao gấp 2 ÷ 2.5 lần. Trên các cao nguyên và tại các vị trí núi cao tương đối thoáng năng lượng ở độ cao 20m cũng lớn gấp 1.7 ÷ 1.8 lần so với độ cao 10m. Tỉ lệ này giảm đi còn 1.6 ở các vùng duyên hải, 1.5 tại các hải đảo gần bờ và 1.4 tại các đảo xa bờ. 2 Khu vực có tiềm năng khả quan, tổng năng lượng năm lớn hơn 500Kwh/m là các dãy núi cao Hoàng Liên Sơn, biên giới phía Đông tỉnh Lạng Sơn, duyên hải 19
  25. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường thuộc đồng bằng Bắc Bộ; vùng núi cao và phần cao nguyên cao nằm kế tiếp khá rộng lớn của Tây Nguyên kéo xuống phía Nam lan rộng ra tận duyên hải Ninh Thuận – Bình Thuận của Trung Bộ và duyên hải Nam Bộ. Bảng 3.2Tỷ số Wzi/ W10 20m 40m 60m Loại hình 1 2.3 ÷ 2.5 4.5 ÷ 4.8 6.2 ÷ 6.6 2 2.2 4.0 ÷ 4.4 5.6 ÷ 6.1 3 1.9 ÷ 2.1 3.1 ÷ 3.9 4.1 ÷ 5.5 4 1.7 ÷ 1.8 2.8 ÷ 3.0 3.4 ÷ 4.0 5 1.6 2.4 ÷ 2.7 2.9 ÷ 3.3 6 1.4 ÷ 1.5 2.0 ÷ 2.3 2.4 ÷ 2.8 Trên các đỉnh cao của Hoàng Liên Sơn và Tây Nguyên, tổng năng lượng năm 2 vượt 700Kwh/m . Mức giá trị này còn xuất hiện tại duyên hải thuộc đồng bằng Bắc Bộ, một phần duyên hải các tỉnh Nam Trung Bộ và dải duyên hải phía Tây Nam Bộ. Trên các hải đảo phía Đông lãnh thổ tổng năng lượng năm từ 1000 ÷ 2 1100Kwh/m ở Bạch Long Vĩ. Trên các đảo phía Nam lãnh thổ tổng năng lượng chỉ 2 500 ÷ 700kwh/m năm. d. Tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 40m trên mặt đất Theo bảng 3.2, so với độ cao 10m thì tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 40m tại các vùng trung du, núi thấp và các vị trí thấp trong vùng núi cao lớn gấp 4 ÷ 5 lần; ở đồng bằng, cao nguyên và núi cao khoảng 2.8 ÷ 4 lần; duyên hải 2.4 ÷ 2.7 lần và tại các hải đảo 2 ÷ 2.3 lần. Với mức tăng của năng lượng gió theo độ cao như vậy thì tại độ cao 40m trên mặt đất khoảng nửa diện tích lãnh thổ đã có tiềm năng lớn hơn 400kwh/m2 năm. 20
  26. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Những vùng nghèo tiềm năng tổng năng lượng năm chưa vượt được 400kwh/m2 là các vùng núi thấp, trung du và phần đồng bằng Bắc Bộ nằm sâu trong đất liền, vùng phía Bắc Trung Bộ (tới Hà Tĩnh), vùng núi thấp trung Trung Bộ, vùng đất thấp phía Tây Tây Nguyên và phần đồng bằng Nam Bộ nằm sâu trong đất liền. Tại nhiều vùng duyên hải, một số vùng núi cao ở Bắc Bộ, vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên tổng năng lượng gió năm đạt hơn 700kwh/m2. Tổng năng lượng năm lớn hơn 1000kwh/m2 xuất hiện trên các dãy núi cao Hoàng Liên Sơn, vùng núi cao Tây Nguyên, duyên hải các tỉnh thuộc đồng bằng Bắc Bộ, duyên hải Tây Nam Bộ và một số nơi trên duyên hải Thuận Hải và duyên hải phía Đông Nam Bộ. Trên các hải đảo phía Đông lãnh thổ tiềm năng năng lượng khoảng 1500Kwh/m2 năm tại các đảo gần bờ, tăng lên tới hơn 6000Kwh/m2 năm tại các đảo xa bờ. Trên các đảo phía Nam lãnh thổ tiềm năng năng lượng chỉ 700÷1000Kwh/m2 năm. e. Tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 60m trên mặt đất Theo bảng 1, so với độ cao10m thì tiềm năng ở độ cao 60m tại các vùng trung du, núi thấp và tại các thung lũng sông suối lớn gấp 6.5 ÷ 6.6 lần, ở đồng bằng khoảng 4.1 ÷ 5.5 lần, duyên hải từ 2.9 ÷ 3.3 lần, hải đảo từ 2.4 ÷ 2.8 lần. Tại độ cao này, nhiều vùng trên lãnh thổ có tiềm năng rất phong phú (xem 2 hình 2d). Ở Bắc Bộ, nhiều nơi có tổng năng lượng năm lớn hơn 600Kwh/m . Trên 2 bờ biển Bắc Bộ, nhiều nơi tổng năng lượng năm có thể đạt tới 1300Kwh/m . 2 Ở Trung Bộ, tổng năng lượng năm lớn hơn 900Kwh/m có trên dải bờ biển hẹp từ Nghệ An đến các tỉnh khu vực Bình Trị Thiên. Vùng Tây Nguyên có tiềm năng rất phong phú; nhiều nơi tổng năng lượng năm lớn hơn 1400Kwh/m2 như Buôn Mê Thuột, Đà Lạt, Đắc Nông, An Khê, đặc biệt vùng có tổng năng lượng năm lớn 21
  27. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường hơn 1300Kwh/m2 phía Nam Tây Nguyên khá rộng lớn kéo dài tới bờ biển Nam Trung Bộ. Duyên hải Nam Bộ có tiềm năng phong phú, vùng có tổng năng lượng năm lớn hơn 900Kwh/m2 tương đối rộng. Đặc biệt ở phía Tây Nam Bộ, dải năng lượng này nằm khá sâu trong đất liền. Tại nhiều vị trí ven biển, tổng năng lượng năm tới hơn 1500Kwh/m2. Trên các hải đảo phía Đông lãnh thổ, tổng năng lượng năm khoảng 900 ÷ 1000Kwh/m2 ở gần bờ, tăng lên khi xa bờ, tại Trường Sa là xấp xỉ 5000Kwh/m2 và hơn 7000Kwh/m2. Trên các đảo phía Nam lãnh thổ, tổng năng lượng năm chỉ 800 ÷ 1200Kwh/m2. 22
  28. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường Tài Liệu tham khảo Phần tiếng việt [1]Đàm quang Minh, Vũ Thành Tự Anh, Năng lượng gió Việt Nam tiềm năng và triển vọng. – chương trình giảng dạy kinh tế Fulbright,Trường đại học khoa học tự nhiên Hà Nội. Phần tiếng anh [2] Mukund R.Patel, Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and operation.Taylor & Francis group. Phần Trang web [3] Global Wind Energy council (GWEC),www.gwec.net [4]EWEA . 23
  29. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Chương 2 TỐC ĐỘ GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được phương pháp tính công suất của tuốc bin gió. Số tiết lên lớp 4 tiết Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Tốc độ gió và công suất 2 2 Bài tập thảo luận 2 Trọng tâm của bài giảng Phương pháp tính công suất của tuốc bin gió Tính toán các đại lượng liên quan đến tính công suất tuốc bin gió 2.1 Tốc độ gió và công suất (xem [1] trang 25) Công suất của tuốc bin gió được tính thao biểu thức. P=1/2() = 1/2 [W] (2.1) Công thức tính toán công suất từ cánh tuốc bin: P= 1/2 Cp [W] (2.2) 24
  30. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Cp là phân số của dòng ngược trong năng lượng gió và giá trị Cp phụ thuộc vào hệ số của tốc độ hướng gió thuận và tốc độ hướng gió nghịch và đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa hệ số V1/V và Cp ,giá trị lớn nhất của Cp được trình bày ở hình 2.1. Hệ số Cp được gọi là hệ số công suất của rotor hay còn được gọi là hiệu suất của rotor. Hình 2.1 Hiệu suất của rôto Công suất Max sẽ là: P= 1/220.59 [W] (2.3) 2.2 Vòng quét Rotor (xem 1 trang 30) Công suất của tuốc bin gió đã được trình bày ở trên, công suất của tuốc bin gió là một giá trị tuyến tính với vòng quét của rotor. Với tuốc bin gió có trục quay nằm ngang thì vòng quét của rotor được tính theo biểu thức: 2 2 A= D [m ] (2.4) A: Vòng quét rotor 25
  31. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường D: đường kính rotor Đối với những tuốc bin có trục quay nằm dọc thì vòng quét của rotor được tính theo biểu thức: A=2/3(độ rộnglớn nhất của rotor tính tại điểm giữa)(chiều cao của rotor ) (2.5) 2.3 Mật độ không khí (xem [1] trang 30) Công suất của tuốc bin gió là một giá trị tuyến tính với mật độ không khí quanh vòng quét của cánh.Và mỗi tuốc bin gió được lắp đặt với độ cao khác nhau, độ cao được tính là độ cao trung bình so với mặt nước biển. Độ cao ảnh hưởng tới mật độ không khí do đó ảnh hưởng tới công suất của tuốc bin gió. Theo định luật khí lý tưởng ta có công thức: = [kg/m3] (2.6) Trong đó 3 : mật độ không khí [kg/m ] p: áp suất không khí[pa] T: nhiệt độ [k] R: hằng số khí lý tưởng [287j/Kgk] Ví dụ 1: Cho áp suất không khí p= 101,325 Kpa, tại nhiệt độ t= 30 0C hãy tính mật độ không khí? Giải = 26
  32. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường ,. = () = 1,165 [kg/m3] 2.4 Hệ số mật độ không khí (xem [2]) Hệ số mật độ không khí sẽ bằng mật độ không khí thực tế chia cho mật độ không khí ở điều kiện chuẩn (độ cao so với mặt nước biển, và nhiệt độ ở 25 0c). Khi tính toán công suất ngõ ra của tuốc bin gió với một độ cao xác định trước và với nhiều công suất ngõ ra thì chúng ta sẽ thu được biểu đồ từ tuốc bin gió bằng biểu thức về hệ số mật độ không khí. Sử dụng định luật khí lý tưởng thì hệ số mật độ không khí sẽ được tính bằng biểu thức: = (2.7) Với : P0: áp suất tiêu chuẩn [101,325 Pa] T0: Nhiệt đô tiêu chuẩn [ 288,16 K] Độ cao sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ và áp suất, theo tiêu chuẩn của Mỹ thì giả thuyết rằng với độ cao trên 11000m thì nhiệt độ sẽ giảm xuống theo một đường thẳng so với độ cao theo biểu thức sau: T= T0 – BZ (2.8) Với B: Tỷ lệ giảm áp xuất [101,325 pa] Z : Độ cao [m] 27
  33. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Sử dụng giả thuyết nhiệt độ giảm theo độ cao thì áp suất không khí sẽ được tính phụ thuộc vào độ cao và được tính theo biểu thức: P=P0 1- [pa] (2.9) Theo biểu thức 2.8 và 2.9 thì ta sẽ có biểu thức hệ số mật độ không khí: =1 − (2.10) Hình 2.2 Hệ số mật độ không khí so với độ cao Theo biểu thức 2.10 nếu chỉ có Z và độ cao không phải là hằng số, với giả thuyết mà chúng ta đã sử dụng thì hệ số mật độ không khí là một hàm của độ cao, và dùng hàm đó để vẽ đồ thị về hệ số mật độ không khí so với độ cao và nó được trình bày ở hình 2.2. Câu hỏi hiểu bài 35.Anh (Chị) hãy cho biết tại sao cần phải tính toán mật độ không khí? 36.Anh (Chị) hãy cho biết sự ảnh hưởng của tốc độ gió đến công suất của tuốc bin gió? 37.Anh (Chị) hãy cho biết nếu tốc độ gió tăng thi công suất của tuốc bin gió sẽ như thế nào ? 28
  34. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 38.Anh (Chị) hãy cho biết sự ảnh hưởng của đường kính rotor đến công suất của tuốc bin gió? 39.Anh chị hãy cho biết những yếu tố ảnh hưởng đến công suất của tuốc bin gió? 40.Anh(Chị) hãy cho biết tại sao cần phải tính toán vòng quét của rotor? 41.Anh (Chị) hãy cho biết vòng quét của rotor ảnh hưởng như thế nào đến công suất của tuốc bin gió? 42.Anh (Chị) hãy cho biết hệ số mật độ không khí là gì? 43.Anh (Chị) hãy cho biết tại sao cần phải tính toán hệ số mật độ không khí? 44. Anh (Chị) hãy cho biết tốc độ gió hướng thuận là gì ? 45.Anh (Chị) hãy cho biết tốc độ gió hướng nghịch là gì? 46.Anh (Chị) hãy cho biết hệ số giữa tốc độ gió hướng thuận và hướng nghịch gọi là gì? 47.Anh (Chị) hãy cho biết hiệu suất của rotor sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống tuốc bin gió? 48.Anh (Chị) hãy cho biết hiệu suất của rotor lớn nhất là bao nhiêu? 49. Anh (Chị) hãy cho biết hệ số công suất lớn nhất là bao nhiêu? 50. Anh (Chị) hãy cho biết ai là người đã chứng minh được hiệu suất lớn nhất của rotor? 51. Anh (Chị) hãy cho biết mật độ không khí ảnh hưởng thế nào đến công suất của tuốc bin gió? 52. Anh (Chị) hãy cho biết khi bỏ qua hiệu suất của rotor công suất mà ta tính được gọi là công suất gì? Ví dụ 2: Cho áp suất không khí p= 101,325 Kpa, tại nhiệt độ t= 20 0C, công suất của tuốc bin gió là 2kW. Biết hằng số khí lý tưởng R=287j/Kgk. a, tính mật độ không khí b, tính đường kính của rotor với tốc độ gió hướng thuận là 4m/s Giải: a, Mật độ không khí 29
  35. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường = = 1,2049 [kg/m3] b, đường kính của rotor với tốc độ gió hướng thuận là 4m/s P= 1/2  A= = Mà A=  D= = 8,1 m 30
  36. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Tài liệu tham khảo Phần tài liệu tiếng việt [1] Tạ Văn Đa, Tài nguyên năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam, Viện khoa học khí tượng thủy văn và môi trường. Phần tài liệu tiếng anh [2] J.F. Manwell, J.G.Mc. Gowan, A.I.Roger, Wind energy explain theory, design and application, Wiley, University of Massachusetts, Amherst, US [3] Mukund R.Patel, Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and Operation, second edition . [4] Tsang-Jung Chang, Yu-Ting Wu, Assessment of wind characteristics and wind turbine characteristics in Taiwan,2003, Renewable energy. Tài liệu trên web [5] Tom Lambert ,Manual Homer, www.nrel.gov 31
  37. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Chương 3 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được Đánh giá tài nguyên gió Cấu trúc của tuốc bin gió Các Phương pháp điều khiển rotor Số tiết lên lớp 2 tiết. Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Xác suất phân bố và mật độ 2 năng lượng gió 1 Cấu trúc của tuốc bin gió 2 Trọng tâm chính của bài giảng Phương pháp tính xác suất phân bố và mật độ năng lượng gió Cấu trúc cơ bản của tuốc bin gió 3.1 Xác suất phân bố và mật độ năng lượng gió Tốc độ gió là một trong những dữ liệu quan trọng để tính toán công suất ngõ ra của tuốc bin gió, nhưng tốc độ gió luôn luôn thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết của mỗi vùng và không ổn định. Nó thay đổi theo từng vùng miền, từng mùa, từng ngày, từng phút và từng giây. Mặc khác độ cao cũng ảnh hưởng tới tốc độ gió do vậy để tính toán giá trị tốc độ gió trung bình chúng ta cần dữ liệu gió trong một thời gian dài (trên mười năm hoặc hơn) nhưng để có được có những dữ liệu đó thì rất là tốn 32
  38. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường kém và những dự án đang thiết kế không thể chờ lâu hơn được do đó với những dữ liệu trong thời gian ngắn một năm hoặc hai năm có tính khả thi hơn. 3.1.1 Xác suất phân bố Rayleigh Đây là phương pháp phân bố xác xuất tốc độ gió đơn giản nhất để trình bày các nguồn tài nguyên gió, gọi là tốc độ gió trung bình thì hàm phân bố tốc độ gió theo phương pháp Rayleigh sẽ được tính theo công thức sau: xem [4] trang 21 P(v)= − (3.1) F(v)=1- − (3.2) 3.1.2 Xác suất phân bố weibull Xác suất phân bố weibull là một trong những cách để tính toán sự phân bố tốc độ gió. Gọi k là tham số sự phân bố (shape parameter), c là tham số tỷ lệ của sự phân bố (scale parameter), v là tốc độ gió,Vi là tốc độ gió riêng biệt và dv là sự gia tăng của tố độ gió, P(v 0) là xác suất phóng đại zero của tốc độ gió . Hàm phân bố sẽ được tính theo biểu thức: P(v =0) { 1-exp } − (3.3) Với hai tham số sự phân bố weibull thì tốc độ gió trung bình sẽ được tính theo biểu thức: = C. 1 + [m/s] (3.4) Với : tốc độ gió trung bình [m/s] : hàm gamma 33
  39. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hàm gamma là một trong những hàm rất quan trọng trong phân tích số liệu nó được trình bày bởi P.J David và được tính theo công thức sau: (x)= (3.5) Trong trường hợp đặc biệt khi k =2 thì sự phân bố weibull sẽ trở thành sự phân bố Rayleight. Trong trường hợp này hệ số sẽ có giá trị là = 0.8862. Sự ảnh hưởng của tham số k đến hàm mật độ sác xuất sẽ được biểu diễn ờ hình 3.1 với tham số c được giữ là hằng số. Hình 3.1 Sự phân bố weibull theo hàm k(c= hằng số) Tham số c biểu diễn sự nhiều gió bao nhiêu ở một vùng hoặc là biểu diễn tốc độ gió lớn hơn bao nhiêu so với tốc độ gió trung bình và tham số c được biễu diễn ở hình 3.2 với tham số k được giữ bằng hằng số. Có hai phương pháp tính tham số k,c nhưng phương pháp maximum likelihood (Seguro and Lambert 2000) được sử dụng tính toán phổ biến nhất . Theo Phương pháp maximum likelihood thì hai tham số k và c được tính toán theo biểu thức: 34
  40. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường k= [m/s] (3.6) c= [m/s] (3.7) Từ hai tham số k và c xác suất tốc độ gió lớn nhất VMP và tốc độ gió mang năng lượng lớn nhất VmaxE được tính theo biểu thức: Xác suất tốc độ gió [m/s] (3.8) Tốc độ gió mang năng lượng lớn nhất: VmaxE= [m/s] (3.9) Ví dụ 3: Cho tham số k=3.12, c= 15.55 hãy tính VMP, VmaxE = 15,55(0,68)0.32 1/3.12 VmaxE= = 15,55 (5,12/3,12) 35
  41. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 3.2 Sự phân bố weibull theo hàm c(k= hằng số) 3.2 Mật độ năng lượng gió Mật độ năng lượng gió là một cách hữu ích để đánh giá các nguồn tài nguyên gió có sẵn tại một địa điểm tiềm năng. Mật độ năng lượng gió đo bằng Watt cho mỗi mét vuông, nó chỉ ra bao nhiêu năng lượng có sẵn tại địa điểm có thể chuyển đổi bằng một tuốc bin gió. Mật độ năng lượng gió được xây dựng như sau: Theo công thức (2.3) P(v)= [w] Mật độ năng lượng gió theo hàm sự phân bố weibull [w/m2] (3.10) Và mật độ năng lượng gió tính theo tháng hoặc theo năm được tính theo biểu thức: [w/m2] (3.11) Với T là thời gian tính theo giờ ví dụ T= 720 h (cho thời kỳ 1 tháng) và 8760(cho thời kỳ một năm. Bảng 3.1 trình bày các kết quả đánh giá về tiềm năng năng lượng gió ở Tongchitao đài loan . 36
  42. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Bảng 3.1 Kết Quả Đánh giá năng lượng gió tại Tongchitao Đài Loan 2 Tháng k c(m/s) V(m/s) Vmp VmaxE P/A(w/m ) 1 3.12 15.55 13.91 13.74 18.22 2218.84 2 2.55 14.26 16.66 11.73 17.90 1894.74 3 2.10 12.05 10.68 8.85 16.59 1331.99 4 2.00 9.70 8.59 6.87 13.70 725.53 5 1.91 8.05 7.14 5.47 11.70 437.29 6 2.04 11.68 10.35 8.39 16.33 1245.09 7 1.71 7.10 6.34 4.24 11.19 347.95 8 1.59 6.92 6.21 3.71 11.56 359.81 9 1.47 8.74 7.91 4.04 15.66 830.26 10 2.08 13.98 12.39 10.21 19.33 2095.77 11 2.68 15.96 14.19 13.41 19.64 2575.81 12 3.07 16.16 14.45 14.22 19.02 2506.84 Câu hỏi hiểu bài 53. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao cần phải tính toán mặt độ năng lương gió? 54. Anh(Chị) hãy cho biết khi chúng ta xây dựng được một bản đồ về mật độ năng lượng gió sẽ giúp ích gì cho những nhà hoạch định các dự án gió? 55. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao chúng ta cần phải tính tốc độ gió trung bình? 56. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao chúng ta cần phải tính tham số k? 57. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao chúng ta cần phải tính tham số c? 58. Anh (Chị) hãy cho biết sự phân bố weibull là gì? 37
  43. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 59. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao khi phân tích đánh giá tài nguyên ta cần phải đánh giá sự phân bố? 60. Anh (Chị) hãy cho biết xác suất phân bố Rayleigh là gì ? 3.3 Sự ảnh hưởng của chiều cao đặt rotor (hub height) đến tốc độ gió Hub Height của tuốc bin gió là chiều cao được tính từ vị trí đặt rotor so với mặt đất. Hub height thường nằm trong khoảng 25m đến 100m so với mặt đất, (25m đối với các tuốc bin nhỏ, 50 kW hoặc nhỏ hơn. 100m đối với các tuốc bin có công suất lớn nhiều megawatt.Hình 3.3 vị trí của hub height. Hình 3.3 vị trí của hub height Câu hỏi hiểu bài 61.Hub height là gì? 62.Sự thay đổi độ cao của hệ thống năng lượng gió ảnh hưởng gì đến công suất của hệ thống? 63. Chiều cao của hub height đối với các tuốc bin có công suất lớn là bao nhiêu? 64. Chiều cao của hub height đối với các tuốc bin có công suất nhỏ là bao nhiêu? 38
  44. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 3.3.1 Chuyển đổi tốc độ gió theo luật lũy thừa của công suất (power law profile) Tốc độ gió có xu hướng tăng theo độ cao so với mặt đất nếu vị trí trung tâm của tuốc bin gió không bằng với vị trí đặt thiết bị đo thì phải điều chỉnh tốc độ gió theo biểu thức: (3.12) (3.13) Trong đó: : Tốc độ gió trung bình được đo tại độ cao z1 : Tốc độ gió trung bình được đo tại độ cao z2 : Luật lũy thừa của công suất Nếu đặt z1 là độ cao của vị trí đặt thiết bị đo tốc đô gió, z2 là độ cao đặt rotor và cả hai cùng trên mặt phẳng theo công thức(3.12) thì tốc độ gió tại vị trí đặt rotor sẽ được tính bằng biểu thức: [m/s] (3.14) 3.3.2 Chuyển đổi tốc độ gió theo lôgaric (Logarithmic profile) Với Phương pháp tính theo luật lô ga ric(log law) thì thừa nhận rằng tốc độ gió tương ứng với logaric của chiều cao so với mặt đất và được tính theo biểu thức: 39
  45. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường (3.15) Trong đó: zhub là chiều cao tại vi trí hub height của tuốc bin gió[m] zanem là độ cao của thiết bị đo [m] tốc độ gió tại hub height của tuốc bin gió [m/s] v(zhub) v(zanem) tốc độ gió tại thiết bị đo [m/s] Z0 chiều dài độ nhám bề mặt [m] Chiều dài độ nhám bề mặt là thông số biểu diễn độ nhám bề mặt của đất . Manwell, McGowan, and Rogers đã biểu diễn thông số độ nhám bề mặt ở Bảng 3.1. Bảng 3.1 Chiều dài độ nhám bề mặt Loại Bề Mặt Đất Z0 (m) Rất bằng phẳng,băng hoặc bùn 0.00001 Vùng biển lặng 0.0002 Biển Động 0.0005 Bề mặt tuyết 0.003 Bãi cỏ 0.008 Đồng cỏ nhám 0.010 Đất bỏ hoang 0.03 Cây trồng 0.05 Ít cây cối 0.10 Nhiều cây cối, Một vài tòa nhà 0.25 Rừng 0.5 Ngoai ô 1.5 Trung tâm thành phố và các tòa nhà 3 cao tầng 40
  46. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Câu hỏi hiểu bài 65. Anh (Chị) hãy trình bày tại sao cần phải chuyển đổi tốc độ gió theo độ cao? 66. Anh (Chị) hãy trình bày tốc độ gió có xu hướng như thế nào với chiều cao? 67. Anh (Chị) hãy trình bày chiều dài độ nhám của bề mặt là gì? 68. Anh (Chị) hãy trình bày có bao nhiêu phương pháp chuyển đổi tốc độ gió theo độ cao? 69. Anh (Chị) hãy cho biết để chống dòng chảy rối người ta thường làm gì? Trong phần này trình bày nhận xét chung các loại dữ liệu đánh giá tài nguyên gió sẵn có ở một số quốc gia trên thế giới. 3.4 Tài nguyên gió tại Việt Nam (xem [1]) 3.4.1 Quy luật và đặc điểm chung trong phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ Việt Nam Hai nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố tốc độ gió là hoàn lưu và địa hình. - Chế độ gió mùa trên lãnh thổ Việt Nam - Đặc điểm địa hình của lãnh thổ Việt Nam. Tốc độ gió phân bố theo quy luật càng lên cao gió thổi càng mạnh. Ở các vùng núi thì tại sườn đón gió, gió có tốc độ mạnh; ngược lại phía sườn khuất gió yếu. Trong các thung lũng hẹp và lòng chảo trũng gió rất yếu. Tuy nhiên các thung lũng sông có hướng song song với hướng gió thịnh hành lại là nơi hút gió. Trên các đèo vắt qua các khối núi lớn thường là con đường thuận lợi cho gió lùa qua. Ngoài khơi gió thổi mạnh và giảm dần khi vào đất liền. Bờ biển và duyên hải là nơi trực tiếp đón gió từ biển thổi vào. Tuy nhiên cường độ gió ở mỗi nơi còn tuỳ thuộc hướng của bờ biển đối với hướng gió thịnh hành và hình thế địa hình của vùng đất liền kế 41
  47. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường tiếp phía trong. Trên các hải đảo phía Đông lãnh thổ, gió thổi rất mạnh. Tại các đảo phía Nam do gần xích đạo gió thổi có tốc độ nhỏ rõ rệt so với các đảo phía Đông. 3.4.2 Phân bố tốc độ gió tại mặt đất trên lãnh thổ Trên phần lớn lãnh thổ tốc độ trung bình năm không vượt quá 3m/s. Vùng núi phía Bắc Bắc Bộ có tốc độ gió không mạnh. Trên các núi cao gần biên giới gió trung bình trong năm chỉ 2 ÷ 3m/s. Các vùng núi thấp và trung du Bắc Bộ gió chỉ dưới 2m/s. Lạng Sơn là nơi có gió khá nhất so với các vùng núi thấp khác của Bắc Bộ. Xem [5] Vùng Tây Bắc Bắc Bộ gió rất yếu. Trong các thung lũng và lòng chảo gió chưa tới 1m/s. Tuy nhiên, tại khu vực này có nhiều vị trí trên các đèo cao hoặc ở những nơi thấp hơn giữa các dãy núi xuất hiện gió địa hình có tốc độ đáng kể. Gió trên các núi cao của Hoàng Liên Sơn rất mạnh, trung bình năm có thể tới 4 ÷ 5m/s, nhất là tại các triền phía Đông của dãy núi này. Ở đồng bằng Bắc Bộ, phần tiếp giáp với trung du phía Bắc, gió yếu. Chỉ ở Đông Nam châu thổ gió mới có tốc độ khá hơn, gió mạnh dần từ đất liền ra biển. Trên dải duyên hải đồng bằng Bắc Bộ và các địa điểm nằm sát bờ biển phía Nam tỉnh Quảng Ninh, Thái Bình và Hải Phòng, gió trung bình năm trên 3m/s. Trên dải duyên hải rất hẹp nằm sát biển Trung Bộ, tốc độ gió trung bình năm trên 2m/s. Phía Tây dải duyên hải này là vùng núi thấp của dãy Trường Sơn, xen kẽ với núi là các khoảng đất thấp có tốc độ gió rất yếu. Nằm sát biên giới Việt Lào có nhiều núi cao, tốc độ gió trung bình ở đây trên 2m/s, trên các dải cao có thể tới 3 ÷ 4m/s. Tây Nguyên là vùng có tốc độ gió khả quan nhất trên lãnh thổ. Vùng có tốc độ trên 2,5m/s khá rộng, nhiều nơi tốc độ gió trên 3m/s, trên các núi cao có thể vượt 4m/s. Vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc nhiều hơn gió mùa Tây Nam, đặc biệt ở sườn phía Đông. Ngược lại, ở các nơi thấp trong vùng này lại chịu ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam nhiều hơn gió mùa Đông Bắc nhất là 42
  48. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường tại những nơi nằm lùi về phía Tây. Vùng đất thấp phía Tây Tây Nguyên giáp Cămpuchia gió rất yếu, tốc độ trung bình năm dưới 2m/s. Ngoài ra, ở một số nơi trong vùng núi Tây Nguyên có gió địa hình với tốc độ đáng kể. Vùng duyên hải từ Tuy Hoà đến Phan Thiết có tốc độ gió rất khả quan đặc biệt trên các mũi đất lan ra biển như mũi Cà Ná, mũi Né Ở vùng này, gió trong mùa lạnh lớn vượt trội so với gió trong mùa nóng. Ở đồng bằng Nam Bộ, tốc độ gió trung bình năm trên 2m/s xuất hiện trên dải đất khá rộng bao quanh phía Đông và phía Tây. Tốc độ gió trên 3m/s chỉ có trên dải duyên hải hẹp nằm sát biển. Vào sâu trong đất liền gió yếu, tốc độ trung bình năm chỉ 1,5 ÷ 2,0m/s. Phía Đông Nam Bộ có tốc độ khả quan rõ rệt trong mùa gió Đông Bắc. Ngược lại vùng Tây Nam Bộ là nơi trực tiếp đón gió mùa Tây Nam. Trên các hải đảo càng xa đất liền gió càng mạnh. Tại các đảo xa bờ phía Đông lãnh thổ gió rất mạnh. Tốc độ gió trung bình năm ở Bạch Long Vĩ là 6,3m/s, Trường Sa 5,8m/s, Phú Quý 5,1m/s. Các đảo phía Nam lãnh thổ gió yếu hơn hẳn. Trung bình năm tại Côn Đảo và Phú Quốc chỉ 2,7m/s. 3.4.3 Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại các độ cao a. Phân bố của tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 20m trên mặt đất So với độ cao trên 10m tốc độ gió ở độ cao 20m có độ tăng ΔV từ 0,2 đến 0,8m/s. Với độ tăng như trên, tốc độ gió ở độ cao 20m khả quan hơn ở 10m rõ rệt. Tại độ cao 20m gió trung bình năm dưới 2m/s chỉ còn ở vùng núi thấp và trung du. Trên đại bộ phận lãnh thổ, tốc độ gió trung bình năm đều trên 2m/s. Nhiều nơi có tốc độ gió trung bình trên 3m/s. Tốc độ gió trung bình năm trên 4m/s vẫn khá hiếm, chỉ xuất hiện trên các núi thật cao của dãy Hoàng Liên Sơn và núi Tây Nguyên. Trên các hải đảo, trừ các đảo nằm sát bờ và các đảo phía Nam lãnh thổ, tốc độ gió trung bình năm đều trên 4m/s và có thể tới 6 ÷ 7m/s. Trong nửa năm mùa lạnh, những vùng chịu ảnh hưởng mạnh của gió mùa Đông Bắc có tốc độ gió trung bình cao hơn trung bình năm như khu vực Đông Lạng Sơn, sườn 43
  49. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường phía Đông của các dãy núi cao, đặc biệt là vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên và vùng duyên hải Nam Trung Bộ và Nam Bộ từ Tuy Hoà đến Cà Mau. Ngược lại, trong nửa năm mùa nóng khu vực tây nam lãnh thổ và các nơi thấp trong vùng núi Tây Nguyên gió trung bình lớn hơn trung bình năm, đặc biệt tại duyên hải từ Hà Tiên đến Cà Mau gió trung bình mùa này đạt tới gần 5m/s. b. Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 40m trên mặt đất Càng lên cao gió càng tăng chậm nên độ tăng của tốc độ gió từ độ cao 20m lên 40m chỉ xấp xỉ bằng độ tăng từ 10m lên 20m. Tại độ cao này, tốc độ trung bình năm ở hầu hết các vùng núi thấp trên lãnh thổ vẫn không vượt quá được 3m/s . Các vùng trên lãnh thổ có tốc độ gió trung bình năm lớn hơn 3m/s là phần phía Đông tỉnh Lạng Sơn, khu vực núi Hoàng Liên Sơn, phần lớn đồng bằng Bắc Bộ tiếp giáp với duyên hải, dải hẹp bờ biển Trung Bộ từ Nghệ An đến Bình Định, vùng núi biên giới phía Tây Trung Bộ, cao nguyên Tây Nguyên nối liền bờ biển Ninh Thuận, Bình Thuận và dải đất khá rộng bao phía Đông và phía Tây đồng bằng Nam Bộ. Những nơi có tốc độ gió trung bình trên 4m/s là dải biên giới phía Đông tỉnh Lạng Sơn, trên các núi cao của Hoàng Liên Sơn, ven biển Bắc Bộ, núi cao Tây Nguyên, duyên hải các tỉnh Nam Trung Bộ nối liền với vùng núi cao của Tây Nguyên, duyên hải tỉnh Đồng Nai, đặc biệt là suốt dải bờ biển bao quanh phía Đông và phía Tây đồng bằng Nam Bộ. Gió trung bình năm trên các hải đảo gần bờ khoảng 4 ÷ 5m/s, hải đảo xa bờ có thể đạt tới 7 ÷ 8m/s, riêng các đảo phía Nam lãnh thổ không vượt quá 4m/s. c. Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 60m trên mặt đất Từ độ cao 40m lên 60m gió tăng chậm rõ rệt so với các mức thấp hơn. Độ tăng ΔV từ 0,1 đến 0,3m/s. So với độ cao 40m thì các vùng có tốc độ nhỏ thu hẹp lại, các vùng có tốc độ lớn được mở rộng ra (xem hình 1d). Tuy nhiên ở độ cao này trên khoảng nửa diện tích lãnh 44
  50. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường thổ gió trung bình năm vẫn không vượt quá 3m/s. Vùng có tốc độ gió trung bình năm trên 4m/s là duyên hải Bắc Bộ, biên giới Đông Bắc Lạng Sơn, duyên hải tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận và Đồng Nai, trên các núi cao Hoàng Liên Sơn và Tây Nguyên, đặc biệt là trên dải duyên hải khá rộng bao phía Đông và phía Tây đồng bằng Nam Bộ. Trên các hải đảo gần bờ, tốc độ gió trung bình năm gần 5m/s. Các hải đảo xa bờ, tốc độ gió trung bình năm 7 ÷ 8m/s và có thể cao hơn. Tại các đảo phía Nam lãnh thổ, tốc độ gió không quá 4m/s. Tại nhiều vùng trên lãnh thổ, ảnh hưởng của gió Đông Bắc lớn hơn ảnh hưởng của gió Tây Nam (hoặc Đông Nam). Ở những nơi này, tốc độ gió trung bình trong mùa lạnh lớn hơn mùa nóng. Những vùng mà gió mùa lạnh có ưu thế vượt trội hẳn gió mùa nóng là vùng duyên hải Phú Yên, Khánh Hoà, nhiều khu vực trên cao nguyên Tây Nguyên, biên giới đông bắc Lạng Sơn. Ngược lại, tại vùng Tây Nam lãnh thổ và những vị trí thấp trong vùng núi Tây Nguyên gió mùa nóng mạnh vượt trội gió mùa lạnh. Sự chênh lệch của tốc độ gió giữa hai mùa càng lên cao càng lớn. Nhìn chung trên phần lớn lãnh thổ gió trong mùa lạnh có tốc độ khả quan hơn mùa nóng. 3.4.4 Đặc điểm phân bố của tiềm năng năng lượng gió theo mùa Mỗi khu vực trên lãnh thổ chịu ảnh hưởng khác nhau của hai mùa gió Đông Bắc và Tây Nam. Độ lớn của tốc độ và do đó độ lớn của năng lượng gió ở mỗi nơi trong từng mùa gió phụ thuộc vào địa hình và vị trí địa lý của khu vực đó. Những khu vực có tiềm năng lượng gió mùa lạnh cao hơn mùa nóng rõ rệt là: - Các hải đảo phía Đông lãnh thổ (trừ các đảo gần bờ từ Hải Phòng đến Diễn Châu - Nghệ An). - Khu vực phía Đông tỉnh Lạng Sơn - Các khu vực núi cao trên toàn lãnh thổ, kể cả Tây Nguyên. 45
  51. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường - Duyên hải và đồng bằng kế tiếp duyên hải từ Hà Tĩnh đến Cà Mau, đặc biệt từ Tuy Hoà đến Phan Thiết năng lượng mùa lạnh lớn vượt trội năng lượng mùa nóng. Những khu vực có tiềm năng năng lượng gió mùa nóng cao hơn mùa lạnh rõ rệt là: - Các đảo phía Tây Nam lãnh thổ. - Duyên hải phía Tây và phần đồng bằng kế tiếp của Nam Bộ. - Các vùng đất thấp và các vị trí dưới thấp phía Tây và Nam Tây Nguyên. - Vùng núi thấp phía Tây Nghệ An, Hà Tĩnh và Bình Trị Thiên - Duyên hải từ Hải Phòng đến Diễn Châu (Nghệ An) và đồng bằng kế tiếp. Tại các vùng khác trên lãnh thổ tiềm năng năng lượng của hai mùa gió gần tương đương với nhau. Tỷ lệ giữa tiềm năng hai mùa không thay đổi theo độ cao. Kết luận • Trong thời kỳ 10 năm (1995 - 2004), tại mặt đất (độ cao 10 mét), tiềm năng năng lượng gió nhìn chung nhỏ, chỉ có một số ít nơi có thể khai thác có hiệu quả năng lượng gió. 2 Trên phần lớn lãnh thổ, tổng năng lượng gió cả năm không vượt quá 200KWh/m . Tại các độ cao 20, 40, 60m, tiềm năng năng lượng gió lớn hơn nhiều so với mặt đất (tăng từ 1.6 đến 6.6 lần). Riêng trên các hải đảo cách xa đất liền, các vị trí nằm sát biển và trên các núi cao, tiềm năng năng lượng gió tương đối lớn. • Khu vực có tiềm năng năng lượng gió khả quan với tổng năng lượng gió năm lớn hơn 2 500KWh/m là các dãy núi cao Hoàng Liên Sơn, biên giới phía Đông tỉnh Lạng Sơn, duyên hải thuộc các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ, vùng núi cao và phần cao nguyên cao nằm kế tiếp khá rộng lớn của Tây Nguyên kéo xuống phía Nam lan rộng ra tận duyên hải Ninh Thuận – Bình Thuận và duyên hải Nam Bộ. 46
  52. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường • Trên các hải đảo phía Đông lãnh thổ, tổng năng lượng gió năm lớn hơn ở các đảo phía Nam lãnh thổ. Nhiều khu vực có tiềm năng năng lượng gió mùa lạnh cao hơn mùa nóng rõ rệt. Câu hỏi hiểu bài 70. Anh(Chị) hãy cho biết những vùng nào của nước ta có tốc độ gió trung bình là cao nhất tính theo trung bình năm? 71. Anh(Chị) hãy cho biết những vùng nào của nước ta có tốc độ gió trung bình là thấp nhất tính theo trung bình năm? 72. Anh(Chị) hãy cho biết những nơi nào của nước ta có tốc độ gió từ 6-7m/s 73. Anh(Chị) hãy cho biết nơi nào ở nước ta có thể sản xuất gió thương mại? 74. Anh(Chị) hãy cho biết sự phân bố tốc độ gió tại độ cao 20m – 60m có gì khác nhau? 75. Anh(Chị) hãy cho biết khi nghiên cứu tiềm năng năng lượng gió chúng ta cần phải nghiên cứu sự biến thiên của nó theo sự biến động thời gian tối thiểu là 1 năm? 76. Anh(Chị) hãy cho biết để biết chính xác chu kỳ biến động về thời tiết của một khu vực ta cần nghiên cứu sự biến động đó trong bao lâu? 47
  53. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 3.6 Tài nguyên gióViệt Nam tại độ cao 65m 48
  54. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 3.5 Nguyên Lý hoạt động và cấu trúc của tuốc bin năng lượng gió (xem[1] trang 61,[3]) 3.5.1 Nguyên Lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của tuốc bin gió giống như là nguyên lý hoạt động của quạt điện sử dụng trong hộ gia đình, nhưng quạt điện sử dụng điện để sinh ra gió còn tuốc bin gió thì sử dụng sức gió để tạo ra điện. Khi sức gió làm cho cánh của tuốc bin gió di chuyển thì trục của rotor sẽ di chuyển bánh răng bên trong hộp số và chính chuyển động này đã sinh ra điện năng. 3.5.2 Cấu trúc tuốc bin gió 3.5.2.1 Cấu trúc tuốc bin gió có trục nằm ngang Có hai loại tuốc bin gió, tuốc bin gió có trục quay nằm ngang và tuốc bin gió có trục nằm dọc. Hình 4.1 cấu trúc của tuốc bin gió có trục quay nằm ngang, Hình 4.2 và 4.3 tuốc bin gió có trục quay nằm ngang va trục nằm dọc. Hình 4.1 cấu trúc của tuốc bin gió có trục ngang 49
  55. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Chú thích 1. Độ Nghiên của cánh tuốc bin (pitch ) : Độ nghiên của cánh ảnh hưởng rất lớn đến quá trình quay của rotor , do đó cần phải có độ nghiên hợp lý để nhận được sức gió là lớn nhất. 2. Rotor (rotor ): Là phần quay của tuốc bin gió 3. Trục tốc độ thấp(Law –Speed shaft):Phần truyền động từ cánh của tuốc bin gió đến hộp số 4. Hộp số (Gear box): Là phần biến đổi tốc độ của tuốc bin gió 5. Máy phát (Generator): máy phát điện 6. Bộ Phận Điền Khiển(controller ): Bộ phận điều khiển nhận tín hiệu từ thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió để điều khiển độ nghiên của cánh và hướng nhận gió. 7. Thiết bị đo (Anemometer): là thiết bị đo tốc độ của gió 8. Thiết bị cảm biến hướng gió (wind vane ): là thiết bị dùng để nhận biết hướng của gió 9. Trục tốc độ cao (High-speed-shaft): là trục nhận tốc độ cao của hộp số và nối với rotor của máy phát. 10. Bộ hãm(Brake) : Khi tốc độ quay rotor của tuốc bin gió vượt ngưỡng cho phép thì bộ phận điều khiển sẽ kich hoạt thiết bị hãm để điều chỉnh tốc độ quay cua rotor sao cho phù hợp. 11. Điều chỉnh Hướng(yaw drive): là thiết bị dùng để điều chỉnh hướng nhận gió của tuốc bin gió. 12. Cánh(blades): Phần cánh của tuốc bin gió hay còn gọi là cánh đón lấy gió 13. Trụ,Tháp đỡ (Tower): là phần đỡ tuốc bin gió. 50
  56. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 4.2 tuốc bin gió có trục quay nằm ngang 3.5.2.2 Cấu trúc tuốc bin gió có trục dọc Cấu trúc của tuốc bin gió có trục năm dọc (hình 4.3) gồm các thành phần chính như sau: Trục giữa (Central Column) Cánh (Blade) Phần trung tâm phía trên (upper Hub) Phần trung tâm phía dưới (Lower hub) Rô to (Rotor) Máy phát Dây cáp (Cabble) Hệ truyền động (Power train) 51
  57. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 4.3 Tuốc bin gió có trục quay nằm dọc 3. 6 Cấu trúc của hệ thống năng lượng gió (xem [2] trang 62) 3.6.1 Tháp đỡ Tháp đỡ của hệ thống năng lượng gió có chức năng đỡ rotor , vỏ của tuốc bin, hộp số cơ khí, máy phát điện, bộ điều chỉnh hướng và bộ điều khiển giảm tốc. Hình 4.4 phần bên trên tháp đỡ. Chiều cao của trụ đỡ thường nằm ở độ cao từ 20m đến 50m. Đối với những tuốc bin có công suất vừa và lớn thì độ cao của tháp đỡ gần bằng với đường kính của rotor , hình 4.5 đường kính và chiều cao của tháp đỡ của tuốc bin gió 600 kW. Đối với những tuốc bin gió có công suất nhỏ thì chiều cao của tháp đỡ cao hơn một chút so với đường kính của rotor . Hình 4.6 chiều cao của tháp đỡ tương ứng với nhiều dung lượng khác nhau của tuốc bin gió. 52
  58. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 4.4 Phần trên tháp đỡ Vật liệu dùng để làm tháp đỡ là thép và bê tông cả hai vật liệu trên được sử dụng rộng rãi để thiết kế các tháp đỡ Chiều cao tối thiểu của tháp đỡ là 20m đến 30m đễ tránh dòng chảy rối do các tòa nhà và cây cối gây ra. Phần chính của thiết kế tháp đỡ đó là kết cấu động lực học. Với độ cao từ 20m đến 30m sự dao động của tháp đỡ và kết quả của chu kỳ mõi sinh ra do sự biến thiên của tốc độ gió nên khi tính toán thiết kế tháp đỡ cho các tuốc bin gió cần phải tránh những ảnh hưởng này. Các dao động tần số của gió sẽ sinh ra sự cộng hưởng tần số của tháp đỡ, rotor và vỏ của tuốc bin gió do đó khi thiết kế cần tuân thủ các qui định về chống sự cộng hưởng tần số này. 3.6.2 Tuốc bin Tuốc bin gió được sản xuất từ vài kW cho các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa mà điện lưới không thể đến được cho đến vài MW. Năng lượng gió được sản xuất từ các tuốc bin gió được dùng trưc tiếp ở nông thôn thông qua việc sử dụng bình ắc quy để lưu 53
  59. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường trữ. Đối với các trang trại tuốc bin gió công suất lắp đặt lớn nên được hòa vào lưới điện quốc gia. Hình 4.5 Đường kính và chiều cao tháp đỡ của tuốc bin gió (600 kW) 54
  60. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 4.6 Chiều cao của tháp đỡ tương ứng với nhiều dung lượng khác nhau của tuốc bin gió Ngày nay các tuốc bin gió ngày càng được sản xuất với kích cỡ ngày càng lớn hơn, kích cỡ trung bình của các tuốc bin trên toàn thế giới vào năm 2002 trên 1 MW đến cuối năm 2003 có khoảng 1,200 tuốc bin có kích cở 1.5 MW được lắp đặt và hoạt động. Những tuốc bin có kích cỡ 3 MW đến 5 MW đang được nghiên cứu lắp đặt ở Mỹ và một số nơi ở Châu âu. Với tình hình ngày càng phát triển của năng lượng gió thị trường sản xuất tuốc bin gió ngày càng sôi động 3.6.3 Cánh đón lấy gió Cánh đón lấy gió của tuốc bin gió được làm từ gỗ với mật độ cao hoặc là sợi thủy tinh và nhựa tổng hợp. Với những tuốc bin gió hiện đại thường có hai hoặc ba cánh hình 4.7 và 4.8 tuốc bin gió có rotor hai cánh đón gió và rotor 3 cánh đón gió. 55
  61. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 4.7 Rotor hai cánh đón gió Hình 5.8 Rotor ba cánh đón gió Áp lực cơ học lên trên cánh do gió thổi phải được giữ dưới giới hạn cho phép và nó được điều khiển bởi bộ điều khiển tốc độ rotor , tốc độ giới hạn được cài đặt trong bộ điều khiển tốc độ rotor sao cho phù hợp với loại máy phát của tuốc bin gió. Nếu như không bảo vệ cánh và để rotor cánh đón gió quay vượt mức cho phép và máy phát sẽ bị quá tải và nóng lên, gây cháy nổ. Có rất nhiều phương pháp đề điều khiển tốc độ quay 56
  62. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường của rotor cánh đón gió nhưng một trong những phương pháp được sử dụng lâu đời đến nay vẫn còn sử dụng đó là phương pháp điều khiển giảm tốc. 3.6.4 Điều khiển tốc độ Công nghệ tuốc bin gió đã không ngừng phát triển trong những thập niên gần đây. Với những tuốc bin gió lớn việc điều khiển tốc độ một cách hợp lý không những đảm bảo về mặt kỹ thuật mà còn có lợi về mặt kinh tế. Một trong những phương pháp điều khiển tốc độ được sử dụng nhiều nhất là điều khiển độ nghiêng của cánh chiếm 36%, hình 5.9 thống kê các phương pháp điều khiển tốc độ được sử dụng cho các tuốc bin gió vừa và nhỏ. Sau đây là phần liệt kê các phương pháp được dùng để điều khiển tốc độ. Hình 4.9 Các phương pháp điều khiển tốc độ được sử dụng cho các tuốc bin vừa và nhỏ Phương pháp không có bộ điều khiển tốc độ (no speed control whatsoever). Phương pháp này các phần tử của hệ thống năng lượng gió được thiết kế để chiu đựng sức gió thổi là lớn nhất. Phương pháp điều khiển đảo(yaw and tilt control). Phương pháp này điều khiển cánh đón gió hướng về hướng gió thổi. Thành phần cấu tạo đơn giản chỉ là đuôi của mũi tên đón gió hoặc là các bộ liên hợp trong các tháp đỡ hiện đại. 57
  63. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Phương pháp điều khiển đô nghiêng của cánh (picth control) Phương pháp này thay đổi độ nghiêng của cánh đón gió, khi tốc độ gió thay đổi thì sẽ điều chỉnh cánh đón gió sao cho phù hợp. Phương pháp điều khiển hãm (stall control). Phương pháp này sẽ giữ cho tốc độ quay của rotor dưới mức tối đa cho phép. Câu hỏi hiểu bài: 77. Anh (Chị) hãy cho biết có bao nhiêu phương pháp điều khiển tốc độ rotor ? 78. Anh (Chị) hãy cho biết phương pháp điều khiển tốc độ rotor theo góc nghiên của cánh là gì? 79. Anh (Chị) hãy cho biết ưu điểm của phương pháp điều khiển rotor theo góc nghiên của cánh? 80. Anh (Chị) hãy cho biết nhược điểm của phương pháp điều khiển rotor theo góc nghiên của cánh? 81. Anh (Chị) hãy cho biết phương pháp điều khiển tốc độ gió theo hướng đó gió là gì? 82. Anh (Chị) hãy cho biết ưu điểm của phương pháp điều khiển rotor theo hướng đón gió? 83. Anh (Chị) hãy cho biết nhược điểm của phương pháp điều khiển rotor theo hướng đón gió? 84. Anh (Chị) hãy cho biết phương pháp không có bộ điều khiển tốc độ là gì? 85. Anh (Chị) hãy cho biết ưu điểm của phương pháp điều khiển không có bộ điều khiển tốc độ? 86. Anh (Chị) hãy cho biết nhược điểm của phương pháp không có bộ điều khiển tốc độ? 87. Anh (Chị) hãy cho biết hiện nay người ta hay sử dụng phương pháp điều khiển tốc đô rotor nao? 58
  64. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 88. Anh (Chị) hãy cho biết đối với tuốc bin gió nhỏ dưới 10 kW người ta thường dùng phương pháp điều khiển tốc độ nào? 89. Anh (Chị) hãy cho biết đối với tuốc bin gió lớn người ta thường sử dụng phương pháp điều khiển tốc độ nào? 90. Anh (Chị) hãy cho biết đôi với tuốc bin gió nhỏ người ta chuyển hướng đón gió bằng phương pháp nào? 91. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao đối với tuốc bin gió nhỏ người ta không sử dụng động cơ để chuyển hướng đón gió? 92. Anh (Chị) hãy cho biết đối với những tuốc bin gió lớn người ta điều chỉnh hướng gió bằng phương pháp gì? 93. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao những tuốc bin gió lớn người ta thường đặt thiết bị cảm biến tốc độ gió đằng sau tuốc bin? 94. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao những tuốc bin gió lớn người ta thường đặt thiết bị cảm biến hướng gió đằng sau tuốc bin? 95. Anh (Chị) hãy cho biết trong hệ thống năng lượng gió, cánh đón gió là gì? 96. Anh (Chị) hãy cho biết trong hệ thống năng lượng gió,tháp đỡ là gì? 97. Anh (Chị) hãy cho biết phương pháp điều chỉnh hướng đón gió của tuốc bin gió có công suất lớn? 98. Anh (Chị) hãy cho biết đối với những tuốc bin gió nhỏ người ta dùng phương pháp gì để điều khiển hướng đón gió? 99. Anh (Chị) hãy cho biết khi nào người ta dùng phương pháp điều khiển góc nghiên của cánh? 100. Anh (Chị) hãy cho biết nếu tốc độ gió vượt mức cho phép thì cần phải làm gì? 101. Anh (Chị) hãy cho biết trong trường hợp nếu có bão xảy ra thì chúng ta cần phải làm gì để bảo vệ tuốc bin gió? 102. Anh (Chị) hãy cho biết hiện nay tuốc bin gió lớn nhất hiện nay có công suất là bao nhiêu? 59
  65. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 103. Anh (Chị) hãy cho biết một tuốc bin gió cần có những thành phần gì? 104. Anh(Chị) hãy cho biết tại sao cần phải có hộp số cho tuốc bin gió có công suất lớn? 105. Anh(Chị) hãy cho biết đối với những tuốc bin gió nhỏ có cần phải có hộp số hay không? 106. Anh(Chị) hãy cho biết vật liệu để làm cánh hiện nay là gì? 107. Anh(Chị) hãy cho biết sự khác biệt giữa vật liệu gỗ và vật liệu coposite là gi? 108. Anh(Chị) hãy cho biết giá thành giữa vật liệu gỗ và composite có gì khác biệt? 109. Anh (Chị) hãy cho biết cánh của tuốc bin gió thường có mấy cánh? 110. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao có một số loại tuốc bin gió có 2 cánh? 111. Anh (Chị) hãy cho biết những tuốc bin gió có số lượng cánh lớn hơn 3 dùng để làm gì? 112. Anh (Chị) hãy cho biết chiều cao của tháp đỡ đối với các tuốc bin nhỏ là bao nhiêu 113. Anh (Chị) hãy cho biết chiều cao của tháp đỡ đối với các tuốc bin gió lớn là bao nhiêu? 114. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao chiều cao của tháp đở phải cao trên 20m? 115. Anh (Chị) hãy cho biết nếu chiều cao của tháp đỡ thấp thì sẽ xảy ra hiện tượng gì? 116. Anh (Chị) hãy cho biết nếu như chiều cao của tháp đỡ quá cao thì sẽ xảy ra hiện tượng gì? 117. Anh (Chị) hãy cho biết vật liệu để làm tháp đỡ thường là vật liệu gì? 118. Anh (Chị) hãy cho biết có cần chống sét cho tuốc bin gió hay không? 119. Anh (Chị) hãy cho biết nếu tuốc bin gió bị sét đánh sẽ ảnh hưởng như thế nào 120. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao người ta cần phải chuyển hướng đón gió? 121 .Anh (Chị) hãy cho biết công suất lớn nhất hiện tại của các tuốc bin gió trên là bao nhiêu? 60
  66. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 122. Anh chị hãy cho biết người ta làm gì để bảo vệ tuốc bin khi gặp bão? Bài tập tổng hợp 123. Cho áp suất không khí p= 101,325 Kpa, tại nhiệt độ t= 20 0C, công. Biết hằng số khí lý tưởng R=287j/Kgk. Đường kính của rotor là 5m. Chiều cao đặt thiết bị đo là 25m, vị trí của rotor (hub height) là 20m. Vận tốc tại thiết bị đo là 6m/s. a. Hãy tính công suất của tuốc bin gió tại vị trí đặt rotor. b. Hãy viết chương trình matlab để tính công suất của tuốc bin gió tại vị trí đặt rotor với chiều cao đặt thiết bị đo nằm trong dãy từ 20m -30m. 124. Anh ( Chị) hãy sử dụng phần mềm Matlab để viết chương trình tính mật độ năng lượng gió theo biểu thức sự phân bố weibull với tốc độ gió là một dãy dữ liệu được đo đạt tại một địa điểm bất kỳ trong một tháng.( 720 số liệu) 125. Anh (Chị) hãy sử dụng phần mềm Matlab để viết chương trình tính tham số c,k vận tốc gió trung bình. 61
  67. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng anh [1] Mukund R.Patel “ Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and Operation” second edition. Tài liệu web [2] [3] www.explainthatstuff.com/windturbines.html 62
  68. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Phần 2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong phần này sinh viên nắm được Các định nghĩa về năng lượng mặt trời Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt nam Các đặc điểm của pin mặt trời Bức xạ mặt trời Tính toán và lựa chọn Ắc qui Tính toán năng lượng mặt trời cần thiết Số tiết lên lớp 14 tiết Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Tổng quan về năng lượng mặt 2 trời 2 Pin mặt trời 2 3 Bức xạ mặt trời 2 4 Hệ thống năng lượng măt trời 2 5 Tính toán một hệ thống năng 2 lượng mặt trời 6 Hệ Thống Lai 2 7 Ứng Dụng Năng lượng mặt 2 trời 63
  69. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong phần này sinh viên nắm được Các khái niệm cơ bản về năng lượng mặt trời Sự phát triển về năng lượng mặt trời trên thế giới và việt nam Số tiết lên lớp 2 tiết. Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Các khái niệm 1 2 Năng lượng mặt trời trên thế 1 giới, Tiềm năng NLMT tại việt nam 1.1 Các khái niệm Năng lượng mặt trời là năng lượng của các dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời cộng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên tử khác phóng ra từ mặt trời. Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Tấm năng lượng mặt trời là thiết bị dùng để thu nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời thuật ngữ này được sử dụng để chỉ chung cho cả các tấm năng lượng mặt trời để nung nước nóng (cung cấp nước nóng dùng trong nhà) hay tấm quang điện (cung cấp điện). 64
  70. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 1.2 Lịch sử phát triển của pin mặt trời (xem 1 trang 143) Từ thế kỷ thứ 7 trước công nguyên con người đã biết ứng dụng năng lượng mặt trời vào phục vụ mục đích sưởi ấm bằng cách định hướng các ngôi nhà của họ để họ có thể thu nhận được bức xạ mặt trời vào mùa đông. Đến thế kỷ thứ 14 các định luật đầu tiên về năng lượng mặt trời được giới thiệu tại Ý. Vào năm 1767 M.V Lomonossov đã đề nghị việc sử dụng các thấu kính để tập trung các bức xạ. Nhưng bước tiến quan trọng nhất là vào năm 1839 hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mặt trời mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Một bước tiến nữa trong quá trình nghiên cứu tạo ra các pin năng lượng mặt trời được Y.Czochralski một nhà khoa học người Ba Lan phát triển. Ông đã đưa ra một phương pháp để phát triển tinh thể đơn silicon . Ngày nay năng lượng mặt trời đã phát triển rộng rãi và hiệu suất biến đổi điện năng lượng từ bức xạ mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện được nâng cao từ 14 – 16%. Với khoa học vật liệu ngày càng phát triển đến năm 2007 các nhà khoa học đã nâng cao hiệu suất lên đến 22%. Câu hỏi hiểu bài 123.Anh (Chị) hãy cho biết năng lượng mặt trời là gì? 124. Anh (Chị) hãy cho biết tấm năng lượng mặt trời (solar panel) khác với pin mặt trời ( solar cell) như thế nào? 125. Anh (Chị) hãy kể tên một số thiết bị sử dung năng lượng mặt trời mà Anh (Chị) biết? 126. Anh (Chị) hãy cho biết mốc phát triển quan trọng nhất trong phát triển năng lượng mặt trời? 65
  71. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 127. Anh (Chị) hãy cho biết hiệu suất trung bình của sự biến đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng điện là bao nhiêu? 1.3 Năng lượng mặt trời trên thế giới(xem [1] trang 150) Năm 1978, Quốc hội Mỹ thông qua một đạo luật có tên "chính sách xã hội trong lĩnh vực các nguồn năng lượng" nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất các loại năng lượng thay thế. Năm 2000 Đức ban bố "Luật phát triển năng lượng có khả năng tái sinh". Các công ty nghiên cứu phát triển công nghệ này được Chính phủ Đức trợ cấp kinh phí, các hộ gia đình sử dụng nguồn năng lượng này cũng được trợ cấp kinh phí, đến năm 2003 đã có 100.000 nóc nhà được lắp đặt pin mặt trời để phát điện năm 2002 có 90 quốc gia trong thành phần liên minh năng lượng phục hồi Johannesburg chính thức thoả thuận tăng số tiền đầu tư nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Ở Nhật Bản, chỉ riêng năm 2000 đã tăng lượng điện mặt trời lên tới 128 MW (gấp 4 lần trước đó); Philipines điện mặt trời đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân, 250.000 ngôi nhà được lắp đặt pin mặt trời ở Sri Lanka. Trung Quốc, Mexico. Từ những năm 90 ở Đức, Thuỵ Sỹ đã có hàng ngàn toà nhà được lắp đặt các tấm pin thu năng lượng mặt trời theo chương trình hỗ trợ tài chính của Chính phủ, ở Kenya, từ 1993 số nhà sử dụng năng lượng điện mặt trời còn nhiều hơn số nhà được hệ thống điện quốc gia cung cấp. Nam Phi triển khai nhiều chương trình lớn giúp đảm bảo được hệ thống điện năng lượng mặt trời cho hàng triệu người dân. Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở như Amazon, điện năng lượng mặt trời chiếm vị trí đầu bảng. Khối EU có trên 25 triệu m2 thu năng lượng mặt trời dùng để phát điện và đun nước nóng. Israel có luật bắt buộc nhà ở phải có bình đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời và có những khu phố giờ cao điểm sẽ cúp điện quốc gia. Nhờ chính sách khuyến khích đầu tư khai thác năng lượng mặt trời, giá thành 1 kWh điện mặt trời chỉ còn 3 - 23 cent, so với 20 năm trước người sử dụng phải tốn 2,5 USD. Theo dự tính đến năm 2020, điện năng lượng mặt trời ở Mỹ sẽ đảm bảo 15% năng 66
  72. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường lượng tiêu thụ của cả nước. Nhiều tập đoàn lớn đã đầu tư vào lĩnh vực này như Shap Corporation của Nhật Bản hiện chiếm 27% thị trường sản xuất pin mặt trời của thế giới, General Electric đi đầu trong việc sản xuất thiết bị dùng cho các trạm phát điện bằng sức gió. 1.4 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam Vị trí địa lý ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương 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 lượng mặt trời có những ưu điểm như: Sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được xem là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. Tại Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lượng mặt trời, có tác dụng làm nóng nước. Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở như Amazon, điện năng lượng mặt trời luôn chiếm vị trí tiên phong. Ngay tại Đông Nam Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân. Việt Nam hiện có trên 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng mặt trời. Tính trung bình toàn quốc thì năng lượng bức xạ mặt trời là 4-5kWh/m2 mỗi ngày. Tiềm năng điện mặt trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam và vùng Tây Bắc. Vùng Đông Bắc trong đó có Đồng bằng sông Hồng có tiềm năng kém nhất. Do giá thành còn cao (60cent hay 8000 đồng cho 1kWh) nên điện mặt trời 67
  73. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường chưa được phát triển rộng rãi. Hiện mới chỉ có 5 hệ thống điện mặt trời lớn, trong đó có hệ thống ở Gia Lai, với tổng công suất 100 kWp (công suất cực đại khi có độ nắng cực đại). Chính phủ cũng đang đầu tư để xây dựng 100 hệ thống điện mặt trời gia đình và 200 hệ thống điện mặt trời cộng đồng đông dân ở các vùng đảo Đông Bắc với tổng công suất là 25kWp. 400 hệ thống pin mặt trời gia đình nữa do Mỹ tài trợ đang được xây dựng cho các cộng đồng ở Tiền Giang và Trà Vinh với tổng công suất 14kWp. Câu hỏi hiểu bài 128. Anh (Chị) hãy cho biết những khu vực có tiềm năng năng lượng mặt trời lớn nhất ở Việt Nam? 129. Anh (Chị )hãy cho biết những hệ thống năng lượng mặt trời đã được lắp đặt tại Việt Nam? 130. Anh (Chị) hãy cho biết những nước nào trên thế giới đang phát triển rất lớn năng lượng mặt trời? 131. Anh (Chị) hãy cho biết muốn phát triển năng lượng mặt trời thì cần phải có những điều kiện gì? 132. Anh (Chị) hãy cho biết bức xạ trung bình ở TPHCM là bao nhiêu? 68
  74. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng anh [1] Mukund R.Patel, Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and Operation, second edition. 69
  75. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Chương 2 PIN MẶT TRỜI Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong phần này sinh viên nắm được Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời Các công nghệ sản xuất pin năng lượng mặt trời Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời Đặc điểm của pin năng lượng mặt trời Số tiết lên lớp 4 tiết. Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Cấu tạo 1 2 Các công nghệ sản xuất pin 1 năng lượng mặt trời 3 Nguyên lý hoạt động của pin 1 năng lượng mặt trời 4 Đặc điểm của pin năng lượng 1 mặt trời Trong tâm chính của bài giảng Các công nghệ sản suất pin mặt trời Đặc điểm và nguyên lý của pin mặt trời Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời 70
  76. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe, điện sinh hoạt và những nơi lưới điện chưa có thể vươn tới dần dần thay thế nguồn năng lượng truyền thống. 2.1 Cấu tạo (Xem [1] trang 169) Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia làm 3 loại: - Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối module. - Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc –đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn . Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp. - Dải silic tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ silicon. Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả năng biến đỏi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quan điện bên trong gọi là pin mặt trời. Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4. Từ tinh thể silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5. Còn có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào silic là Bo có hóa trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể silic khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 – 30 mA/cm2. 71
  77. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si). So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định hơn.Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọn như Sunfit cadmi-đồng (CuCds), galium-arsenit (GaAs), . 2.2 Các công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời (xem [1] trang 153) 2.2.1 Silic tinh thể (Crytalline silicon solar cell) Công nghệ sản xuất pin mặt trời bằng vật liệu silic tinh thể phụ thuộc vào ba yếu tố chính. Ba yếu tố chính trong một tế bào năng lượng mặt trời hình thành cơ sở của công nghệ sản xuất này là, đầu tiên là các chất bán dẫn, mà hấp thụ ánh sáng và chuyển nó thành các cặp điện tử lỗ. Thứ hai là đầu mối bán dẫn, trong đó tách biệt màng hình ảnh được tạo ra (electron và lỗ trống), và thứ ba là các số liên lạc ở mặt trước và mặt sau của tế bào cho phép các dòng chảy để các mạch bên ngoài. Hai loại chính của công nghệ được xác định bởi sự lựa chọn của chất bán dẫn: hoặc silicon tinh thể ở dạng mảnh bán dẫn hoặc màng mỏng của vật liệu khác. Trong lịch sử, tinh thể silicon (c-Si) là chất bán dẫn đã được sử dụng nhiều nhất trong tế bào năng lượng mặt trời, mặt dù nó là một chất hấp thụ tương đối nghèo của ánh sáng và đòi hỏi một độ dày đáng kể (vài trăm micron) của vật liệu. Tuy nhiên nó đã chứng tỏ vị trí thuận tiện vì nó mang lại ổn định các tế bào năng lượng mặt trời với hiệu quả tốt (11-16%, một nửa đến hai phần ba số tối đa về mặt lý thuyết), và sử dụng công nghệ quá trình phát tiển từ cơ sở tri thức khổng lồ của nghành công nghiệp vi điện tử. Hai loại silicon tinh thể được sử dụng trong nghành công nghiệp. Đầu tiên là monocrystalline, sản xuất bởi cắt mảnh bán dẫn (đường kính dày từ 150 mm và lên đến 350 microns) từ một phôi tinh thể lớn duy nhất tăng trưởng khoảng 14000C, đó là một quá trình rất tốn kém. Các silicon phải có độ tinh khiết rất cao và có một cấu trúc tinh thể gần hoàn hảo. Một ví dụ của tế bào tinh năng lượng mặt trời được thể hiện trong 72
  78. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Loại thứ hai là multicrytalline silicon, bằng cách sử dụng các công nghệ sản xuất mới, ngay cả khi các quá trình này có những vấn đề liên quan đến tăng trưởng thấp hơn / giá kéo, tính đồng nhất nghèo hơn, và bề mặt gồ ghề. Một phương pháp phát triển một ribbon của silicon, hoặc như một dải hai chiều đồng bằng hoặc như là một cột hình bát giác, bằng cách kéo nó từ một silicon nóng chảy. Các tế bào năng lượng mặt trời được làm từ các tấm bán dẫn đơn tinh thể nói chung là quá đắt đối với sản xuất hàng loạt quy mô lớn. Đây chính là lý do tại sao xu hướng sản xuất các tế bào tinh thể silicon chủ yếu là chuyển hướng sản xuất đa tinh thể, mặc dù các tế bào đa tinh thể có kết quả không hiệu quả như silicon tinh thể đơn lẻ. 2.2.2 Pin màng mỏng (Thin-Film CIGS and CdTe Photovoltaic Technologies) Pin màng mỏng vô định hình thường được gọi tắt là pin màng mỏng hoặc pin vô định hình. Vật liệu cốt lỏi để chế tạo pin màng mỏng là silic vô định hình. Công nghệ này thay vì sử dụng các tấm tinh thể rắn silicon mỏng sử dụng khí silane (SiH4) mà là một hợp chất hóa học có chi phí sản xuất thấp hơn so với silicon tinh thể. Silane (SiH4) còn được gọi là silic tetrahydride, silicanel, hoặc monosilane, đó là một chất khí dễ cháy với mùi khó chịu. Nó không xảy ra trong tự nhiên. Silane lần đầu tiên được F. Wohler và H. Buffy phát hiện năm 1857 bởi phản ứng acid clohydric (HCL) với một hợp kim Al-Si. Silane chủ yếu được sử dụng trong sản xuất công nghiệp của các thiết bị bán dẫn cho ngành công nghiệp điện tử. Nó được sử dụng để lắng đọng đa tinh thể, kết nối hoặc mặt nạ, hơi hóa chất lắng đọng của silicon điốt, và sản xuất các thiết bị silic vô định hình như là phim quang và pin năng lượng mặt trời. Pin năng lượng mặt trời được sản xuất từ vật liệu màng mỏng có hiệu suất khoàng 4%. Nếu so sánh với hiệu suất 15-20% của pin mặt trời sử dụng vật liệu silic tinh thể thì rõ ràng hiệu suất của vật liệu màng mỏng có hiệu suất thấp hơn. Nhưng với vật liệu pin màng mỏng không cần ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vẫn có thể chuyển đổi bức xạ 73
  79. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường mặt trời thanh điện năng điều này có nghĩa là thời gian chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng bằng vật liệu này sẽ kéo dài hơn so với vật liện đơn tinh thể. 2.3 Nguyên lý hoạt động Cấu tạo vật lý của tế bào quang điện (pin mặt trời) tương tự như các đi ốt cổ điển với một lớp tiếp xúc pn. Khi lớp tiếp xúc hấp thụ bức xạ mặt trời thì năng lượng của các photon bức xạ được truyền đến các hạt electron các electron này thông thường nằm ở lớp ngoài cùng nên chúng kết dính với nguyên tử lân cận và không thể di chuyên đi xa. Khi các electron được kích thích trở thành dẫn điện, các electron này di chuyển tự do trong bán dẫn điều này dẫn đến nguyên tử sẽ thiếu đi một electron và sinh ra lỗ trống. Lỗ trống này sẽ tạo điều kiện cho các electron nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, điều này sẽ tạo ra một lỗ trống mới cho nguyên tử lân cận. Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống sẽ di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn và sinh ra điện. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện bên trong (Hình 2.1) Hình 2.1 Hiệu ứng quang điện Câu hỏi hiểu bài 133. Anh (Chị) hãy cho biết pin mặt trời là gì? 74
  80. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 134. Anh (Chị) hãy cho biết có bao nhiêu loại vật liệu dùng để chế tạo pin mặt trời? 135. Anh (Chị) hãy cho biết ưu điểm của phương pháp làm pin năng lượng mặt trời bằng silic đơn tinh thể? 136. Anh (Chị) hãy cho biết nhược điểm của phương pháp làm pin năng lượng mặt trời bằng si lic đơn tinh thể? 137. Anh (Chị) hãy cho biết hiệu suất biến đổi của pin mặt trời làm bằng vật liệu silic đơn tinh thể? 138. Anh (Chị) hãy cho biết ưu điểm của phương pháp làm pin năng lượng mặt trời được làm bằng phương pháp màng mỏng vô định hình hay còn gọi là Pin mang mỏng? 139. Anh (Chị) hãy cho biết nhược điểm của phương pháp làm pin năng lượng mặt trời được làm bằng phương pháp màng mỏng vô định hình hay còn gọi là Pin mang mỏng? 140. Anh (Chị) hãy cho biết hiệu suất biến đổi của pin màng mỏng? 141. Anh (Chị) hãy cho biết loại vật liệu nào có hiệu suất chuyển đổi lớn nhất? 142. Anh (Chị) hãy cho biết loại vật liệu nào có thời gian hấp thu ánh sáng lâu nhất? 143. Anh (Chị) hãy cho biết Pin mặt trời hiện có ở Việt Nam hiện sử dụng loại vật liệu nào? 144. Anh (Chị) hãy cho biết Pin mặt trời biến đổi bức xạ mặt trời thành điện năng băng phương pháp gì? 145. Anh (Chị) hãy cho biết hiệu ứng quang điện là gì? 146. Anh (Chị) hãy cho biết ngoài phương pháp biến đổi bức xạ mặt trời thành điện năng bằng hiệu ứng quang điện có thể sử dụng phương pháp nào khác không? 2.3 Tấm và dãy năng lượng mặt trời Các tế bào quang điện là cấu trúc cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời. Thông thường nó được sản xuất một vài inch vuông cho một watt. Để có công suất lớn hơn người ta thường mắc nối tiếp và song song hàng loạt các tế bào quang điện lại với 75
  81. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường nhau. Trên một bảng mạch (Modul) hay còn gọi là tấm năng lượng mặt trời trên một diện tích vài cm2 hoặc lớn hơn tùy theo công suất yêu cầu. Một dãy các tấm năng lượng được kết nối song song với nhau để đạt được công suất yêu cầu. Nếu muốn tăng điện áp của hệ thống năng lượng mặt trời cần mắc nối tiếp các tấm năng lượng mặt trời này lại với nhau. Như vậy muốn đạt được công suất cũng như điện áp yêu cầu cho một hệ thống năng lượng mặt trời thì cần phải tính toán số lượng pin mặt trời mắc song song cũng như nối tiếp cho phù hợp với yêu cầu (Hình 2.2) Hình 2.2 Sự kết hợp của tế bào quang điện thành tấm năng lượng mặt trời và dãy năng lượng mặt trời Sự kết hợp các tấm năng lượng mặt trời có thể kết hợp theo nhiều dạng khác nhau (hình 2.3) tùy thuộc vào hướng và vị trí lắp đặt. Có những giải pháp lắp đặt trực tiếp lên mái nhà hoặc lắp đặt trên những giá đỡ riêng biệt. Câu hỏi hiểu bài: 147. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao cần phải kết hợp nhiều tế bào quang điện? 148. Anh (Chị) hãy cho biết nếu kết hợp nhiều tế bào quang điện sẽ trở thành gì? 149. Anh (Chị) hãy cho biết nếu kết hợp nhiều tấm năng lượng mặt trời sẽ trở thành gì? 150. Anh (Chị) hãy cho biết dựa trên nguyên tắc nào để kết hợp tế bào quang điện? 76
  82. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường 151. Anh (Chị) hãy cho biết để tăng điện áp cho hệ thống năng lượng mặt trời ta cần mắc các tế bào quang điện như thế nào? 152. Anh (Chị) hãy cho biết để tăng dòng cho hệ thống ta cần phải mắc các tế bào quang điện như thế nào? Hình 2.3 các kiểu lắp đặt hệ thống pin mặt trời 2.4 Đặc điểm của pin mặt trời (xem [1] trang 165) 2.4.1 Mạch điện tương đương Cấu trúc vật lý phức tạp của tế bào quang điện được đại diện bởi một mạch điện tương đương như hình 2.4. 77
  83. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 2.4 Mạch điện tương đương của tế bào quang điện Các thông số mạch như sau: Dòng điện I tại ngõ ra sẽ bằng với dòng điện IL do bức xạ mặt trời sinh ra và nó nhỏ hơn dòng điện đi qua diot ID và dòng của điện trở shunt ISH. Điện trở mắc nối tiếp RS đại diện cho trở kháng tại dòng chảy của dòng điện hiện tại và nó phụ thuộc vào độ sâu của tiếp xúc pn, tạp chất và dòng điện của điện trở. Tại điều kiện lý tưởng của tế bào 2 quang điện RS= 0, RSH= ∞. Với những tế bào quang điện chất lượng cao thì 1 in. có RS có giá trị từ 0.05 đến 0.10 Ω và RSH có giá trị từ 200 đến 300 Ω. Sự chuyển đổi của hiệu ứng quang điện sẽ thay đổi với sự thay dổi rất nhỏ từ RS nhưng nó không chịu ảnh hưởng của RSH. Một sự tăng nhỏ của Rs sẽ làm giảm đáng kể công suất của tế bào quang điện. Trong mạch tương đương thì dòng tải bên ngoài bằng với dòng tải IL, nhỏ hơn ID và ISH. Điện áp hở mạch Voc của tế bào quang điện được tính khi dòng điện của tải bằng 0. Nghĩa là khi I =0 thì Voc sẽ được tính theo biểu thức: Voc= V+ IRSH [v] (2.1) Và dòng điện diode sẽ được tính bàng biểu thức: Id= ID [A] (2.2) Trong đó: ID`: Dòng bảo hòa của diode Q : 1,6x10-19 C 78
  84. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường A: Hằng số đường cong cố định K: hằng số Boltzmann = 1,38x10-23 j/0K T: Nhiệt độ quy đổi tuyệt đối 0K Dòng tải sẽ được tính bằng biểu thức: I=IL- Id= ID - [A] (2.3) 2.4.2 Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch Hai thông số quan trọng nhất được sử dụng rộng rãi để mô tả hiệu suất của tế bào quang điện là điện áp hở mạch VOC và dòng ngắn mạch ISC. Các dòng ngắn mạch được đo bằng cách làm ngắn mạch các thiết bị đầu cuối và được đo bằng các thiết bị đo lường hiện nay. Công suất lớn nhất của tế bào quang điện được sản xuất theo điện áp hở mạch VOC. Bỏ qua sự rò rỉ của dòng điện và I= 0 thì điên áp hở mạch được tính theo biểu thức: VOC = ( + 1) [v] (2.4) Phân số KT/Q được thể hiện trong điện áp (0,026 V tại nhiệt độ 3000K). Trong thực tế các tế bào quang điện có dòng đặt lớn hơn dòng bảo hòa ngược do đó điệp áp hở mạch sẽ gấp nhiều lần phân số KT/Q. 79
  85. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Hình 2.5. Đặc điểm dòng và áp của tế bào quang điện lúc trời có nắng và không có nắng Câu hỏi hiểu bài 153. Anh (Chị) hãy cho biết điện áp hở mạch (hay còn gọi là áp không tải) là gì ? 154. Anh (Chị) hãy cho biết thông số điện áp hở mạch của pin năng lượng mặt trời nói lên điều gì? 155. Anh (Chị) hãy cho biết làm cách nào để đo dòng ngắn mạch ? 156. Anh (Chị) hãy cho biết thông số dòng ngắn mạch nói lên điều gì? 157. Anh (Chị) hãy cho biết dòng ngắn mạch co xu hướng như thế nào nếu bức xạ tăng? 158. Anh (Chị) hãy cho biết dòng hở mạch có xu hướng như thế nào nếu bức xạ tăng? 159. Anh (Chị) hãy cho biết nhiệt độ có ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời hay không? 80
  86. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo tiếng anh [1] Mukund R.Patel, Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and Operation, second edition . 81
  87. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Chương 3 BỨC XẠ MẶT TRỜI Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong phần này sinh viên nắm được Năng lượng đến từ mặt trời Một số khái niệm Đo bức xạ Số tiết lên lớp 2 tiết. Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Năng lượng đến từ mặt trời 1 2 Một số khái niệm, đo bức xạ 1 Trọng tâm chính của bài giảng Năng lượng đến từ mặt trời Một số khái niệm về nặt trời 3.1 Năng lượng từ mặt trời (Xem [2] trang 1) Mặt trời hoạt động như một nguồn phát rất hoàn hảo của các tia bức xạ tại nhiệt độ 5800 K. Kết quả năng lượng trung bình của tia tới trên một đơn vị vuông góc với bầu khí quyển được biết như là hằng số mặt trời. Gọi S là hằng số mặt trời: S= 1367 W/m2 (3.1) Một cách tổng quát, tổng công suất từ nguồn bức xạ chiếu lên một đơn vị diện tích gọi là độ rọi bức xạ. 82
  88. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Tổng năng lượng của các tia tới lên trái đất được tính bằng S. , trong đó R là bán kính của trái đất. Đây mới chỉ là bức xạ mặt trời trên một vùng của một phẵng đĩa của trái đất. Bức xạ trung bình trên một diện tích bề mặt sẽ được tính bằng biểu thức: =342[w/m2 ] (3.2) Khi tia bức xạ mặt trời tới bầu khí quyển trái đất (Hình 3.1)một phần năng lượng của nó sẽ bị mất mát. Sự mất mát này gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiên của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh mặt trời gây ra. Góc nghiên khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong không gian. Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những sự giao động quan trong về độ dài ngày và đêm trong năm. Hình 3.1 Bức xạ mặt trời trong bầu khí quyển 83
  89. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường Bức xạ mặt trời trung bình lên mặt đất gọi la Gtb (giá trị trung bình của cả hai nhân tố, địa điểm và thời gian của năm) có thể được tính đơn giản theo công thức sau : - Theo công thức 3.2 thì trung bình bức xạ mặt trời bên ngoài khí quyển là 342 w/m2 - Khi đi vào trái đất do ảnh hưởng của hiện tượng tán xạ, phản xạ. Bức xạ mặt trời sẽ bị mất đi 30 %. Như vậy : Gtb= 0,7x342x24h = 5.75 kWh/ngày. 3.2 Một số khái niệm (xem [1] trang 122) Một khái niệm đặc trưng cho ảnh hưởng một bầu không khí lên mặt trời là hệ số khối không khí (Hình 3.3) là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là lúc mặt trời ở thiên đỉnh như vậy m=1 khi ở thiên đỉnh và bằng 2 khi góc thiên đỉnh = 600 đối với góc thiên đỉnh từ 00 đến 700 có thể xác định gần đúng m= 1/cos , trong đó là góc thiên đỉnh. Còn đối với góc thiên đỉnh > 600 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán. Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ ngoài khí quyển m=0. Hệ số khối không khí =1 Hệ số khối không khí 1/cos Hình 3.2 Quang phổ mặt trời 84
  90. Giáo Trình Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn Lê Phương Trường  Trực xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đâylà dòng bức xạ có hướng và co thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ ).  Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).  Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx , cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp.  Năng lượng bức xạ (J/m2): Là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định. (thường là một giờ hay một ngày).  Giờ mặt trời: Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dung trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ. Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định theo các góc đặc trưng sau.  Góc vĩ độ vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương. -900 900  Góc nghieng : góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang. 0 1800 ( 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới).  Góc phương vị của bề mặt : góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến, góc lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông. 85