Phân vùng sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời trên lãnh thổ việt nam

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời để phát điện đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới.. 2.Mục tiêu nghiên cứu của đề t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

PHÂN VÙNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM

được ứng dụng tại Việt Nam và hi nay đang phát tri t ng ện ển ươ đốinhanh.

Luận văn : Ph n vùng ử ụng ăng lượng ó và n“ â s d n gi ăng lượng m ặttrời

trên lãnh ổ Việt th Nam đánh á ” gi suất chi ph giữa ác ùng ới nhau để ừí c v v t

đó x ác đinh được c vác ùng n nê xây dựng được c ác nhà m áy phong điện và

c ác trạm pin mặt trời cho hiệu quả ề ặt kinh tế v m

Trong quá trình thực hiệnluận ăn, c v ùng với s n lự ỗ ực của b â ôảnth n, t i

vô cùng biết ơn sự giúp đỡ ủa c thầy , bạn , cơ quan làm việc cô bè và c ác anh chị trong Viện Năng Lượng

Xin được đặc biệt ửi lời c g ảm ơn ch n thành ới â t thầy giáo ướng dẫn, hPGS.TS Phạm Văn Hoà, bộ môn Hệ thống đ ện trường i Đại ọc h B ách Khoa

L nó ời i đầu ix

Chương 1 T ổng quan về ăng lượng gi n ó và n ă ng lượng ặt trời m 1

1.1 Giới thiệu chung về ăng lượng ó và vi s d n gi ệc ử ụng 1

1.2 2 L ựachọn ng suất pin mặt trời cô và dung lượng acquy 15

Chương 2 C ác ph ươ ng ph áp và c ác đại lượng ơ ản c b 19

2 1 C êác ti u chuẩn ơ ản đánh gi hiệu quả ử ụng c b á s d 19

3.3.1 Giớithiệu ề động ơ v c gió VEU16 và VEU30 33

4.1 1 B c i ản đồ ác địa đ ểm khảo át ăng lượng ặt trời s n m 56

4.3 T ính toán ph n vùng ử ụng ăng lượng ặt trời â s d n m 62

Bảng 1 1 C nác ước ử ụng ăng lượng gi hàng đầu tr n thế giới s d n ó ê 11

Bảng 3 1 Đặc t h k ín ỹ thuật của máy phát VEU16 v VEU30 à 35

Bảng 3.2 Thông số ủa động ơ gi 16kW v 30kW c c ó à 35

Bảng 3.3 S lản ượngngày đ ển ình ủa động ơ gi VEU30 i h c c ó 38

Bảng 3.4 S lản ượngngày đ ển ình ủa động ơ gi VEU16 i h c c ó 40

Bảng 3.5 S lản ượng ả ă c n m của động ơ gi 30kW v 16kW c ó à 48

Bảng 3.6 Suất chi phí v ới động c ơgió VEU30 50

B ảng 3.7 Suấtchi ph ới động ơ ó VEU16 í v c gi 51

B ảng 3.8 Thứ ự ư t u tiên theo sản lượng và suất chi phí 54

B ảng 3.9 Thứ ự ư t u tiên theo tổng s ố ờgi gi ó thổi 55

B ảng 4.1 Phân bố bức x mặt trời Việt ạ ở Nam 57

B ảng 4.2 S lản ượngngày đ ển ìnhi h và c n m ả ă 64

B ảng 4.3 Suất chi ph ới á pin là 3$/Wp í v gi 73

B ảng 4.4 Suấtchi ph ới á pin là 5$/Wp í v gi 74

MỞ ĐẦU

1.Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời để phát điện đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới

Ngành điện Việt Nam trong những năm gần đây, đã có nhiều bước phát triển mạnh mẽ nhưng việc đưa điện lưới quốc gia đến vùng xa xôi, hẻo lánh vẫn là một vấn đề đề lớn do khoảng cách xa và địa hình quá phức tạp

Đề tài: “Phân vùng sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời trên lãnh thổ Việt Nam” cũng được xuất phát từ vấn đề trên

2.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu cơ bản của luận văn này là tính toán sản lượng và suất chi phí tại các địa điểm khác nhau để từ đó có thể chọn được các vùng có thể áp dụng được động cơ gió và năng lượng mặt trời

3.Bố cục của luận văn

Để thực hiện mục đích nghiên cứu như đã trình bày ở trên, bản luận văn này được trình bày trong 5 chương chính và một phần phụ lục Nội dung

cụ thể của mỗi phần này là:

 Chương 1: "Tổng quan về năng lượng gió và năng lượng mặt trời"

Giới thiệu nguyên lý hoạt động chung của động cơ gió và pin mặt trời

 Chương 2: "Các phương pháp và các đại lượng cơ bản đánh giá hiệu

quả sử dụng các nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời" trình bày các phương pháp khi so sánh các phương án với nhau và các đại lượng cơ bản của động cơ gió và pin mặt trời

 Chương 3: " Tính toán và phân vùng sử dụng năng lượng gió trên lãnh

thổ Việt Nam” Chương này tính toán với 31 địa địa điểm khảo sát về

sản lượng và suất chi phí để đưa ra thứ tự ưu tiên các vùng có thể xây dựng được các nhà máy phong điện và công suất các loại động cơ nên dùng

 Chương 4: "Tính toán và phân vùng sử dụng năng lượng mặt trời tại

Việt Nam" Chương này tính toán sản lượng và suất chi phí với 17 địa điểm khảo sát và rút ra kết luận

 Chương 5: "Các kết luận đối với việc sử dụng nguồn năng lượng gió

và năng lượng mặt trời tại Việt Nam" Chương này đưa ra những kết luận chung nhất và thiết kế dàn pin mặt trời tại xã Trung Sơn, Phú Thọ

 Phụ lục: "Bảng biến trình tốc độ gió ngày điển hình của 31 địa điểm

và Cường độ tổng xạ trung bình và lớn nhất ở từng kỳ quan sát tại 17 trạm khác nhau "

Hình 1-1 Tuốc bin gi ại y Ban Nha.ó t Tâ 3

Hình 1-2 Tuốc bin gi ại ờ biển Đan Mạch ó t b 3

Hình 1-3 C t ấu ạo chung của tua bin gió 4

Hình 3-3 Đặc t côính ng suất của động c ơgió VEU16 và VEU30 28

Hình 3-4 Biến êthi n sản lượngng iày đ ển h ình trong tháng c ủa

động c ơgió VEU30

45

Hình 4-1 B c i ản đồ ác địa đ ểm khảo át ăng lượng ặt trời s n m 56

Hình 4-2 Những t ấmpanel thu năng lượng m ặt trời 60

Hình 4-3 D àn pin mặt trời ại ột ộ gia đình t m h 61

Hình 4-4 Biến êthi n sản lượngng iày đ ển h tình ừng tháng c ủa

1Wp pin mặt trời

71

Hình 4-5 Suất chi ph ủa pin mặt trời và động c í c ơgió 75

Hình 4-6 D àn pin mặt trời BPSX50U, P=50Wp 77

Hình 4-7 D àn pin mặt trời P=40 p do ZonTec sản xuấtW 78

Hình 4-8 D àn pin mặt trời P=48Wp do Kyocera sản xuất 77

Hình 4-9 D àn pin mặt tròi P=1200 p tại W Cô Tô Quảng Ninh 79

Hình 4- 12 D àn pin mặt tròi P=800 p tại W Côn Đảo ũng àu -V T 82

Hình 5-1 S n i ơ đồ ối đ ệnpin mặt trời 89

4 VS.GS, Trần Đình Long: “Quy ho ạch phát triển ă n ng l ượng và iện đ

l ực ” NXB khoa học và k ỹ thuật 1999.

Tiếng Anh

5 B C c áo áo ủa EkoWatt cộng ho éc đưa ra 13/2/2004 à S

6 B c c áo áo ủa Matinsky M.I, Minayev N.A, Palamarchuk E.ST thuộc trung tâm nghiên cứu liên bang Nga và trung t m nghi n câ ê ứu khoa học

và viện nghi n cứu Elưktropribor Nga ê 2003

Chương 1

Tổng Quan về năng lượng gió và

năng lượng mặt trời

1.1 Giới thiệu chung về năng lượng gió và việc sử dụng năng lượng

gió

1.1.1 Sự hình thành năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất,

Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động 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 do 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 Criolis 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 thắng 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

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

(1- 1)với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t

Vì thế động năng E (kin) và công suất P của gió là:

(1- 2)

(1- 3)

Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và

vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió

1.1.2 Sử dụng năng lượng gió để phát điện

Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công tơ học nhờ vào các cối xay gió…

H1-1 Tuốc bin gió tại Tây Ban Nha

Những nghiên cứu dùng năng lượng gió để tạo ra điện được anh em nhà Dane công bố từ năm 1890 nhưng việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió lại bị chững lại vào những năm đầu của thế kỷ 20 và cuối chiến tranh thế giới thứ hai Phải đến những năm đầu thập niên 70, khi các quốc gia OPEC cắt giảm sản lượng dầu gây ra cuộc khủng hoảng năng lượng trầm trọng trên thế giới thì các công trình sử dụng năng lượng gió mới được thúc đẩy mạnh

mẽ hơn

H1-2.Tuốc bin gió tại bờ biển Đan Mạch

Năm 1997, các công trình của tuabin gió được lắp đặt chỉ vào khoảng

600 đến 750kW Lượng công suất này đủ dùng cho 200 300 hộ gia đình Ngoài ra cũng phải kể đến một số tuabin nhỏ ( dưới 50kW ) được sử dụng tại các gia đình cấp điện cho máy bơm nước, máy rửa bát đĩa…

-Sau đây là cấu tạo chung của tuabin gió:

Hình 1-3.Cấu tạo chung của tua bin gió

Các bộ phận trong sơ đồ trên:

 Thiết bị đo gió( Anermometer): Đo tốc độ gió và truyền thông số gió tới bộ điều khiển

 Cánh quạt( Blade): Hầu hết các tuabin có 2 hoặc 3 cánh quạt Gió thổi vao các cánh quạt sẽ làm cho chúng chuyển động và quay

 Phanh( Brake): Là loại phanh đĩa bằng cơ khí, bằng điện hoặc bằng thủy lực để dùng để dừng rotor trong các trường hợp khẩn cấp

 Bộ điều khiển( controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động tuabin khi tốc

độ gió thổi đến 8 đến 16 dặm/giờ và dừng quay khi tốc độ gió là 65 dặm Lý do là khi tuabin gió làm việc với tốc độ gió trên 65dặm/giờ, máy phát sẽ bị phát nóng quá mức cho phép

 Hộp số(Gearbox): Giúp cho tuabin gió làm việc liên tục khi gió thay đổi tốc độ Hộp số có khả năng tăng tốc độ quay từ 30- 60vòng/phút đến 1200 1500vòng/phút(tốc độ quay mà hầu hết các máy phát cần đạt -

để phát điện) Hiện nay, nhiều hãng sản xuất tuabin gió đang nghiên cứu, chế tạo một loại phát điện vận hành với tốc độ quay thấp hơn mà không cần hộp số

 Máy phát( Genertor): Thường là máy phát điện xoay chiều

 Trục tốc độ( high- speed shaft): Dùng để điều khiển máy phát

 Trục tốc độ chậm( Low- Speed shaft): Rotor sẽ làm trục tốc độ chậm quay với tốc độ 30-60 vòng/phút

 Vỏ tuabin( Nacelle): Rotor, hộp số, các trục tốc độ cao và thấp, máy phát, máy điều khiển và phanh đều nằm trong vỏ tuabin ở trên đỉnh cột tháp Bên trong vỏ tuabin còn có một lớp bọc nữa để bảo vệ các bộ phận chính của tuabin

 Rotor: Bao gồm cánh quạt và trục quay

 Cột tháp(Tower): Cột tháp thường được làm bằng thép ống Càng lên cao sức gió càng mạnh nên càng lên cao tuabin sẽ nhận được càng nhiều gió và sẽ tạo được nhiều điện hơn

 Hướng gió(Wind direction): Trên hình vẽ là tuabin thuận chiều gió vì

nó vận hành đối diện với chiều gió.Ngoài ra còn có các tuabin gió thiết

kế hoạt động ngược chiều gió

 Chong chóng gió( Wind vane) : Kiểm tra hướng gió và kết hợp với bộ điều khiển hướng để xác định hướng tuabin chính xác với hướng gió thổi

 Bộ điều khiển hướng(Yaw drive): Bộ điều khiển hướng có nhiệm vụ giữ cho rotỏ luôn đối diện với hướng gió Đối với tuabin ngược chiều gió không cần bộ điều khiển hướng gió

 Động cơ điều khiển hướng: Cung cấp năng lượng cho bộ điều khiển hướng

Hiện nay, với những công nghệ chế tạo mới, các tuabin gió đều được thiết

kế cỡ MW nhằm giảm suất chi phí và nâng cao hiệu quả hoạt động của tuabin Hình 1 4 giới thiệu cấu tạo của tuabin Bonus 2.3 MW, một trong -những tua bin gió lớn và hiện đại nhất hiện nay

H1.4.Động cơ gió Bonus 2.3MW

1.Đầu cánh quạt 2.Giá lắp cánh quạt 3.Cánh quạt 4.Ổ trục răng 5 Trục rotor 6 Ổ trục chính 7 Trục chính 8.Hộp số 9.Đĩa phanh 10.Khớp nối 11 Cần trục 12 Máy phát 13.Cảm biến khí tượng 14.Số điều chỉnh hướng

15.Vòng điều khiển hướng 16.Cột tháp 17.Đế vỏ 18.Nắp 19.Thiết bị lọc dầu 20.Quạt máy phát 21.Hệ thống làm mát bằng dầu

Những cải tiến về mặt công nghệ bao gồm:

 Cải tiến cánh quạt( vật liệu sử dụng) của tuabin: Kiểu dáng và vật liệu của cánh quạt là nhân tố quyết định cánh quạt có thể nhân được bao nhiêu năng lượng gió Do đó, để có những tuabin gió có công suất lớn thì những cánh quạt của những tuabin này phải to và dài hơn so với các loại tuabin trung bình Kỹ thuật chế tạo các cánh quạt trước đây là dùng sợi thủy tinh Những

nghiên cứu gần đây mới chỉ ra rằng các sợi cacbon hoặc vật liệu tổng hợp cacbon thủy tinh mới là những vật liệu lý tưởng để chế tạo ra các cánh quạt khỏe và có trọng lượng nhẹ Để sản xuất các cánh quạt một cách kinh tế, người ta sẽ xác định vị trí nào trên cánh quạt chụi lực nhiều nhất sau đó sẽ dùng cacbon sợi tại vị trí đó

 Nâng cao hiệu quả của bộ truyền động: Bộ truyền động bao gồm máy phát, hộp số và các trục quay có nhiệm vụ chuyển năng lượng khi rotor phát điện năng Hiện nay, một mẫu thiết kế bộ truyền động nam châm vĩnh cửu đang được thử nghiệm Thử nghiệm cho thấy tuabin làm việc hiệu quả với vận tốc gió nhỏ, giảm được tổn th đầu vào và tạo ra được nhiều năng lượng ấthơn (khoảng 3%) so với mẫu thiết kế hiện tại Bên cạnh đó giá thành cũng rẻ hơn

Hình 1-5 Thử nghiệm bộ truyền động nam châm vĩnh cửu của tuabin gió 1.5MW

 Thiết kế các cột tháp cho tuabin: Tốc độ gió càng lớn khi càng ở trên cao Do đó, để đón được nhiều gió hơn tại các khu vực ít gió thích hợp với các tuabin gió có công suất lớn có cánh quạt dài thì cột tháp cần được

thiết kế cao lên Với các mẫu thiết kế truyền thống cột tháp càng cao thì đường kính đế của cột tháp càng lớn nên việc vận chuyển sẽ rất khó khăn Một giải pháp mới được đưa ra là xây dựng toàn bộ hoặc một phần của tháp trên bề mặt bê tông cốt thép.

Hình 1-6 Thiết kế cột tháp cho tuabin gió

Theo thống kê thì Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và

Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất trên thế giới Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại

Mặc dù là các quốc gia còn lại, ngoại trừ Ai Cập với 145 MW, đều có công suất lắp đặt ít hơn 100 MW, có thể nhận ra được là nhiều nước chỉ mới

sử dụng năng lượng gió ở những năm gần đây và được dự đoán là sẽ có tăng trưởng mạnh trong những năm sắp tới Trong năm 2005, theo ước tính có khoảng 10000 MW được lắp đặt mới trên toàn thế giới mà trong đó có vào khoảng 2000 MW là ở Đức

Bảng 1.1.Các nước sử dụng năng lượng gió hàng đầu trên thế giới

1.2 Giới thiệu chung về pin và nguồn điện mặt trời

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và có thể nói là vô tận Một trong các kỹ thuật sử dụng năng lượng mặt trời là sản xuất điện năng điện mặt trời Để sản xuất điện mặt trời dùng hai công nghệ chủ yếu: - nhiệt mặt trời và pin mặt trời hay pin quang điện Trong công nghệ thứ nhất, năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ( như máng parabol, đĩa parabol, gương cầu….) để có thể tập trung ánh sáng mặt trời để

có thể tạo ra các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng và do đó có nhiệt độ rất cao có thể làm bốc hơi nước ở nhiệt độ cao và áp suất lớn và sau đó làm quay các tuốc pin để sản xuất ra điện năng Còn trong công nghệ pin mặt trời năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện

1.2.1 Pin mặt trời

Là hệ tế bào quang điện bán dẫn gọi tắt là pin quang điện hay pin - mặt trời Biến đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện không qua bước trung gian về nhiệt.Pin mặt trời có cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn loại N

và P tiếp xúc với nhau Lớp tiếp xúc với chúng là lớp chuyển tiếp P –N Do sự khuyếch tán của các hạt cơ bản qua lớp tiếp xúc tạo nên một điện trường, và

do đó có một hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai phía của lớp chuyển tiếp Khi lớp chuyển tiếp P N được rọi sáng , bán dẫn hấp thụ phôtôn tạo ra những cặp – điện tử-lỗ trống Dưới tác dụng điện trường của lớp chuyển tiếp, các điện tử

tự do trong miền P sẽ bị kéo sang miền N, lỗ trống trong miền N bị đẩy sang miền P làm cho miền P tích điện âm và miền P tích điện dương Vì vậy hình thành một suất điện động quang điện Suất điện động quang điện tăng theo sự tăng cường độ chiếu sáng nhưng không thể vượt được quá hiệu điện thế tiếp xúc.Khi mắc pin quang điện đang được rọi sáng thành mạch kín thì sẽ có dòng điện chạy từ miền P cực dương sang miền N cực âm

H1-7 Một tế bào pin quang điện

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)

Silic thuộc IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều)

Silic là chất bán dẫn Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém.Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hoá học Các nguyên

tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm haygali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen)

gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n

và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

Nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời Tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng các pin mặt trời từ các vật liệu khác

Si chỉ mới ở phạm vi và quy mô thí nghiệm

Hai tiêu chuẩn tiêu chuẩn cần được xem xét khi sử dụng pin mặt trời là hiệu suất và giá cả

Hiệu suất là phần năng lượng ánh sáng mặt trời chuyển hoá thành điện năng khi đi qua các tế bào pin mặt trời Hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% và có thể lên đến 30%

Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện tính toán cụ thể trên từng kilôwatt giờ (kWh) Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với lượng

trời giảm từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu ) xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều

H1-8.Pin mặt trời mới

Một tế bào pin mặt trời được chế tạo dưới dạng hình tròn hay hình chữ nhật với kích thước từ 0.6 đến 1dm2 tuỳ chọn dưới dang hiệu suất pin và bức

xạ mặt trời sao cho đảm bảo công suất định mức là 1W và điện áp định mức

là 4.5 V Giá trị điện áp định mức và công suất định mức được chuẩn mực theo điều kiện chuẩn: Bức xạ mặt trời hay nguồn chiếu sáng công suất 1kW/m2 , nhiệt độ 250C Ví dụ Pin QD – 2A có kích thước 100x100x5 có Uđm= 4.5V và Pđm = 1W Tuy nhiên theo mục đích sử dụng như pin mặt trời cho máy tính bỏ túi, đèn pin mặt trời mini do nhu cầu công suất và điện áp nhỏ hơn thì kích thước nhỏ hơn Còn đối với mục đích sử dụng cần điện áp cao hơn ( ví dụ 12V, 24V, 36V, 220V … ), công suất lớn hơn ( 36W, 50W,

tạo thành nguồn có điện áp và công suất ra cho phù hợp Khi ghép các pin, các phiến pin được ép vào một mặt của modul để tránh đập vỡ và sau đó phủ lớp keo mềm bảo vệ, lớp trên cùng có thể dung thuỷ tinh để dễ lau sạch và chống ẩm

Pin mặt trời được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau :

 Cấp điện cho các trạm điện thoại tự động ở các vùng xa lưới điện quốc gia

 Cấp điện cho các đèn hải đăng, đèn báo của tàu hoả……

 Cấp điện cho các đồ dùng trong nhà như radio, cassete, tivi…

 Thắp sáng công cộng hay cá nhân

 Cấp năng lượng cho ôtô, thuyền loại công suất nhỏ

1.2.2 Lựa chọn công suất pin mặt trời và dung lượng ắcquy khi sử dụng

năng lượng bức xạ mặt trời

Việc sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất ra điện năng bằng pin mặt trời ( PV) là một trong những nguồn điện để cấp điện cho các nơi công cộng , các hộ tiêu thụ , bơm nước…… ở các vùng xa xôi, hẻo lánh không có

lưới điện quốc gia vươn tới Chúng không chỉ cấp điện mà còn có ý nghĩa trong việc chống ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng Vấn đề đặt ra

là phải chọn đúng công suất của dàn pin mặt trời và dung lượng ắc quy tích điện để đáp ứng cho một nhu cầu công suất và năng lượng điện

Hệ thống cấp điện bằng pin mặt trời nói chung có cơ cấu :

H1-9.Hệ thống cấp điện bằng pin mặt trời

- Dàn PV là tổ hợp ghép nối tiếp song song các modul tuỳ theo nhu - cầu công suất và điện áp đầu ra Một modul ghép nối tiếp các tế bào pin mặt trời Một tế bào pin thường có công suất định mức là 1W ( tương ứng khi bức

xạ mặt trời trên một đơn vị diện tích bề mặt đất là 1kW/m2 ) và có diện áp đầu

ra vào khoảng 0.6 đến 0.7 V khi không tải, và 0.45 đến 0.55 V khi có tải

Các phụ tải điện được cấp điện từ pin mặt trời thường hay dùng điện áp 12V Để có điện áp làm việc đầu ra 12V tại phụ tải, một modul cần có điện áp cao hơn do có tổn thất điện áp trong các bộ phận nối tiếp nên thường được ghép khoảng 36 tế bào pin

Bộ điều khiển nạp phóng ắc quy điều khiển quá trình nạp phóng và cấp

điện cho phụ tải Điện áp trên đầu cực ắc quy do bộ điều khiển khống chế

Dàn ắc quy là tổ hợp ghép nối tiếp, song song các ắcquy tuỳ theo công

suất và điện áp đầu ra

Phụ tải được cấp điện trực tiếp từ pin mặt trời hay lấy từ ắc quy là điện

một chiều Trong trường hợp có nhu cầu dùng điện xoay chiều thì trước phụ

tải cần có bộ chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều

Qua phân tích về hệ thống cấp điện bằng pin mặt trời nêu trên có thể đưa ra

một số yếu tố quyết định chọn công suất và dung lượng của ắc quy như sau:

Điện áp Up của dàn PV (coi như là suất điện động của nguồn) phải được tính

từ điện áp yêu cầu của phụ tải Upt cộng thêm với tổn thất trên các bộ phận:

- Tổn thất điện áp trên bộ điều khiển nạp phóng ắcquy∆ Ud

Ud

∆ =0.7V, ∆ Up=0.25∆ Uptvà ∆ Ut trên một tế bào pin vào khoảng 0.002V

Khi nhiệt độ tăng t0Cso với nhiết độ chuẩn θ ch=250C, tức là:

Ut

∆ =0.002N(θxq-θ ch).(1- 5)Trong đó :

N- số lượng tế bào của một modul

Khi tính công suất của PV cần xét đến hiệu suất các bộ phận, bao gồm:

 Hiệu suất của ắc quy η aq

 Hiệu suất của bộ nạp phóng ắcquy η np

 Hiệu suất của bộ chuyển đổi điện η cd( nếu có)

Công suất cần có của dàn PV được xác định theo công thức sau:

PPV =

c n aq

H

A

η η

η

Trong đó: A năng lượng nhu cầu trong ngày của hộ tiêu thụ.-

Khi tính dung lượng của ắc quy, ngoài hiệu suất của các bộ phận, còn cần xét đến số ngày cần thiết mà dàn ắc quy đủ để cấp điện cho phụ tải và xét đến độ sâu nạp phóng điện của ắcquy Kđc Khi đó dung lượng của ắc quy -được xác định theo công thức sau:

Qaq =

Kds Upt

N A

cd pn aq

ng

.

.

η η

Từ các cơ sở trên ta có thể đưa ra các bước tính toán lựa chọn công suất pin mặt trời và dung lượng ắcquy khi sử dụng năng lượng bức xạ như sau:

1 Xác định nhu công suất và năng lượng điện của phụ tải

2 Chọn điện áp PV và modul theo công thức 1-4 và 1 5

-3 Tính công suất của PV theo công thức 1-6

4 Tính dung lượng ắc quy theo công thức 1 7, sau đó chọn loại, số lượng ắc quy và tổ hợp đấu nối cho phù hợp với điện áp phụ tải

-Chương 2

Các phương pháp và các đại lượng cơ bản đánh giá hiệu quả sử dụng các ngu n ng l ồn ă ượng gió và n ng l ă ượng

m tr ặt ời2.1 Các tiêu chuẩn cơ bản đánh giá hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời

2.1.1.Phương pháp quy đổi giá trị đồng tiền

Khi phân tích kinh tế ỹ k thuật cho một công trình, một dự ván ề mặt t àichính á tr c gi ị ủa đồng ền nhất thiết phải ti được quy đổi ề ột thời đ ểm c v m i ủathời gian C như ậy việc so sánh ácó v c ph ng ươ án m có ý ới nghĩa Tiền có á gitrị ề v mặt thời gian được hiểu theo 3 nghĩa sau:

 Giá n trị ày thể hiện ở ượng của ải ật chất l c v có thể mua được ở những thời iđ ểm khác nhau do ảnh ưởng ủa ạm phát h c l

 Giá trị thời gian của đồng tiền được biểu hiện ở những gi trị gia tăng á

do sử dụng tiền v ào hoạt động n mà ày không sử ụng v d ào hoạt động

khác ặc để dho ành

 Giá v m trị ề ặt thời gian của đồng tiền òn được biểu hiện ở gi trị ăng c á thay giảm theo thời gian do ảnh hưởng ủa c c ác yếu t ố ngẫu nhiên như thiên tai, ảnh hưởng do thuế

Do tiền có á v m gi trị ề ặt thời gia n n khi so sánh, tổng hợp ê hoặc ính t

toán ác c chỉ êu bti ình âqu n của ác khoản phát sinh trong thời gian khác nhau c

c ần phải đưa chúng ề v m ột thời gian Gọi à t l chu kỳ phân tích ì th t+1 là

tương lai so với hiện ại ại t v t l hiện ại so với ương lai t+1 t t à à t t

G ọi PV l gi trị hiện ại, FV l gi trị ương lai của đồng tiền thà á t à á t ì công

thức quy đổi giữa chúng trong khoảng ời th gian ăm như sau: n

r PV FV

r FV PV

) 1 (

) 1 (

1

(2-1)

Trong đó r là lãi suất chiết khấu

Giá trị này được lấy như sau:

 Trong trường hợp vốn đầu tư do ngân hàng cấp thì r là tỷ suất lợi nhuận định mức do ngân hàng quy định

 Nếu chưa quy định tỷ suất lợi nhuận định mức thì r là lãi suất vay dài hạn của ngân hàng hoặc tốc độ lạm phát của nền kinh tế

 Trong trường hợp vốn góp cổ phần thì r là lợi tức cổ phần

 Nếu sử dụng vốn tự có để đầu tư thì r bao hàm cả tỷ lệ lạm phát và tỷ suất lợi nhuận bình quân của nền kinh tế hoặc của chủ đầu tư trong khi kinh doanh trước khi đầu tư

Vậy phải trả cả vốn lẫn lãi là 100triệu+6triệu=106triệu

Đây là cho vay theo lãi tức đơn

Cho vay theo lãi tức kép:

Sau 1 tháng lãi được ghép vào vốn ban đầu và được tính lãi theo tháng tiếp theo sau nó Vậy theo công thức 2-1 thì số tiền phải trả cả vốn lẫn lãi phải trả là:100 triệu x (1+0.01)6 =106.152triệu

Ví dụ 2.2

Một công trình sau khi hoàn thành, phải trích 100 triệu trong suốt 10 năm Hỏi tổng số tiền đó trong suốt 10 năm nếu quy đổi về hiện tại và với chiết khấu là 8.5%

Trả lời:

Tổng số tiền suốt 10 năm quy về hiện tại là:

100triệu x(1+0.085)10 =656.13 triệu

2 1.2 Các tiêu chuẩn cơ bản.

1 Phương pháp giá trị hiện thời thực ( net present value )

Giá trị hiện thời thực thể hiện sự chênh lệch tổng thu lợi và tổng chi phí trong suốt quá trình xem xét và được tính quy về thời điểm hiện tại:

PV∑-Giá trị hiện tại thời thực đ( )

Li – Thu lợi năm thứ i(đ)

Giá trị hiện thời thực càng lớn thì càng tốt, nếu là giá trị âm thì dự án không lên đầu tư

2.Mức lãi nội tại (internal rate of return )

Theo công thức 2 1 cho thấy giá trị hiện thời thực của tổng lợi và giá trị hiện thời thực của tổng chi phí đều phụ thuộc vào giá trị triết khấu hàng năm

-a Giao điểm của hai đường cong biểu thị của tổng lợi và tổng chi là điểm cân bằng giữa chúng, chiếu lên trục hoành được giá trị r*- được gọi là giá trị lãi suất chiết khấu nội tại

1 ( 1 )

Giá trị số r*là giá trị cao nhất của giá trị lãi suất hàng năm dự án đem lại hiệu quả kinh tế Có nghĩa là nếu đem dự án đi vay để đầu tư thì lãi suất phải nhỏ hơn lãi suất nội tại r* thì mới đem lại hiệu quả kinh tế Giá trị lãi suất nội tại r* càng lớn thì càng tốt

3.Tỷ số giữa thu lợi và chi phí

Tỷ số λ giữa tổng thu lợi và tổng chi trong suốt thời gian xem xét như sau:

1

1

) 1 (

) 1 (

Khi λ =1 tổng thu lợi bằng tổng chi phí Dự án không đem lại hiệu quả kinh tế nào Nếu λ < 1 dự án không lên đầu tư Khi λ > 1, dự án có hiệu quả càng cao

4.Thời gian thu hồi vốn( payback period )

Thời gian thu hồi vốn N* là thời gian mà tổng thu lợi hoàn trả hết chi phí bỏ ra tức là:

1

1

) 1 (

) 1

Thời gian thu hồi vốn càng ngắn càng tốt

2.2 Các đại lượng cơ bản của động cơ gió phát i đ ện phục ụ cho tính v toán đánh giá hi qu s d ệu ả ử ụng

2.2.1 Đường đặc tính của động cơ gió

Năng lượng do động cơ gió sản sinh phụ thuộc trên các cơ sở chính như sau:

 Đặc tính kỹ thuật của động cơ gió, thể hiện bằng đường đặc tính công suất của chúng

 Tiềm năng của gió tức là vận tốc gió

Đường đặc tính của động cơ gió là đường đặc tính biểu diễn sự thay đổi công suất của động cơ gió theo vận tốc gió Đường đặc tính này được nhà chế tạo cho sẵn hay từ vận hành thực tế đo theo thời điểm rồi từ đó thể hiện dưới dạng biểu thức toán học từng khúc bằng phương pháp bình phương cực tiểu Sau đây là dường đặc tính ủa ố động c c 1s ơ ó: gi

s m v khi v

s m v khi

v

s m v

khi v

s m v khi

/ 14 0

/ 14 8

813 176

/ 8 5

4 9776

0

/ 5 4 3

) 3 ( 522 39

/ 3 0

2 / 1 3 2

s m v khi v

s m v khi

v

s m v

khi v

s m v khi

/ 14 0

/ 14 8

345 424

/ 8 5

4 344

2

/ 5 4 3

) 3 ( 924 94

/ 3 0

2 / 1 3 2

Động cơ gió phát iện đ VEU 16:

s m v khi

s m v khi v

s m v khi

/ 25 0

/ 25 8

16

/ 8 3

85 10 296 3

/ 3 0

Động cơ gió phát iện đ VEU 30:

s m v khi

s m v khi v

s m v khi

/ 25 0

/ 25 13

30

/ 13 3

85 10 296 3

/ 3 0

2.2.2.Sản lượng điện của động cơ gió

Xét trong khoảng thời gian T, động cơ gió hoạt động liên tục, năng lượng được xác định theo công thức sau:

E =∫T P v t dt

0

)) (

t v

v(t)- vận tốc gió tại thời điểm t

P(v(t))- Công suất động cơ gió ứng với vận tốc gió V(t)

i

t

∆ - Khoảng thời gian mà vận tốc gió có trị số Vi(thường chọn là 1h)

Trong trường hợp vận tốc gió cho dưới dạng tần suất xuất hiện f(Vi) thì sản lượng được tính theo công thức sau:

0

i Ti

t

i P v v f

Engày=∑24 ∆

1

) ( vi ti

Trong đó:

Vi - vận tốc gió trung bình tại giờ thứ i

Ati - Khoảng thời gian gió có vận tốc trung bình Vi Thường chọn ∆ti

=1giờ

Năng lượng toàn năm sẽ là:

Trong trường hợp không có số liệu cụ thể về vận tốc gió thì năng lượng điện do dộng cơ gió với cánh quạt 1m2sản sinh ra có thể tính gần đúng theo công thức sau:

Trong đó

Kp - Hệ số sản lượng Kp = 2.5

V- vận tốc trung bình của gió m/s

2.2.3.Suất chi phí cho sản xuất 1kWh

Suất chi phí cho sản xuất 1kWh được xác định theo công thức sau:

g =

sinh

.

Ak Ksd

Vo K

 Vốn thiết bị V

Vốn của động cơ gió nói chung là ổn định Sự thay đổi giá do lạm phát sẽ được bù lại bằng giá bán điện năng sản ra tăng hoặc do cải tiến thì sẽ bù lại bằng tăng hiệu quả sản sinh điện năng

 Tuổi thọ của công trình N

Thời gian khấu hao hay tuổi thọ của động cơ gió nói chung phụ thuộc vào công nghệ và vật liệu chế tạo Càng ngày người ta càng tìm ra những vật liệu có độ bền cao, công nghệ chế tạo ngày càng tiên tiến Ngoài ra, tuổi thọ của mỗi thiết bị khi ứng dụng trong thực tế còn phụ thuộc vào chất lượng của các hoạt động bảo dưỡng trong suốt quá trình hoạt động của thiết bị

 Lãi suất chiết khấu r

Thông số này phụ thuộc vào tính ổn định của đồng tiền Trong thời gian tuổi thọ của thiết bị không lớn, cùng với các chính sách có điều kiện như hiện nay lãi suất chiết khấu không ảnh hưởng nhiều đến các dự án đầu tư các công trình năng lượng mới và tái sinh

 Chi phí vận hành hàng năm b

Chi phí vận hành hàng năm bao gồm khấu hao để bù vào hao mòn thiết bị, chi phí sửa chữa và chi phí nhiên liệu Đối với động cơ gió nói riêng và các thiết bị sử dụng năng lượng mới tái sinh nói chung chi phí nhiên liệu là không đáng kể Chi phí vận hành hàng năm nói chung chỉ chiếm khoảng 5 đến 10% so với vốn ban đầu

 Hệ số sử dụng Ksd

Đây là một thông số thay đổi khá nhiều khi xét đến tính tương đồng của việc sản ra điện năng(điện năng khả sản) và việc tiêu thụ điện năng thực tế Điều đó là do khả năng tích điện của ắc quy,tính sử dụng điện phù hợp hay không của các hộ sử dụng điện.hệ số sử dụng là một thông số có ảnh hưởng nhiều đến suất chi phí 1kWh từ động cơ gió

 Hệ số tích luỹ năng lượng η

Hiệu suất này thường lấy bằng 0.8 và ít thay đổi

 Năng lượng khả sinh của động cơ gió Aksinh

Giá trị này phụ thuộc vào hai yếu tố tiềm năng gió và đường đặc tính công suất của động cơ gió

2.3.Các đại lượng cơ bản của pin mặt trời ph vụ trong tính án ục to

đánh giá hi qu s d ệu ả ử ụng

2.3.1 Sản lượng điện năng

Sản lượng điện năng do pin mặt trời tạo ra có thể xác đinh đơn giản qua hiệu suất vì thực tế ta thấy rằng đặc tính công suất của pin hầu như phụ thuộc tuyến tính với tổng xạ của mặt trời, nó làm việc với dải rộng cường độ bức xạ mặt trời và nhờ ắc quy tích điện

E=ηp q

`

q- Lượng tổng xạ trung bình kWh

p

η - Hiệu suất của pin mặt trời

Khi biết tổng xạ trung binh từ tháng I đến tháng XII thì việc tính toán sản lượng áp dụng như đối với dộng cơ gió đã trình bày ở trên Nghĩa là tính toán sản lượng của ngày điển hình, sau đó dựa trên cơ sở ngày trong tháng từ tháng I đến tháng XII ta sẽ được kết quả sản lượng toàn năm

2.3.2 Suất chi phí cho sản xuất 1kWh

Suất chi phí cho sản xuất 1kWh của pin mặt trời được xác định cũng theo công thức sau:

Aksinh- Năng lượng khả sinh

a- hệ số khấu hao thiết bị

b- Tỷ số chi phí vận hành

Với công thức này, đối với pin mặt trời xét cụ thể các thông số sau;

- Vốn đầu tư ban đầu Vo= c.P, trong đó P: Công suất dàn pin(Wp), c: đơn giá cho một đơn vị công suất( $/Wp hay đồng/Wp)

- Năng lượng khả sinh được tính theo công thức :Aksinh= ηp.q

Khi đó công thức (* ) được viết thành:

g =

q Ksd

P c K

p

.

η

p

q Ksd

c K

p

A Vậy suất chi phí để sản xuất 1kWh từ pin mặt trời là:

kh

A Ksd

c K

sinh

.

.

Từ công thức trên ta thấy các thông số ảnh hưởng đến suất chi phí là:

- Đơn giá của một đơn vị công suất c ( $/Wp hay đ/Wp ) những năm gần đây thay đổi khá nhanh do sự phát triển của công nghệ bán dẫn Từ năm

1998 đơn giá trên thị trường giảm từ 7 5$/Wp giảm xuống còn 4.5-7 - 5$/Wp

và dự báo trong thời gian tới có thể giảm xuống chỉ còn 3$/Wp Đây là một thông số rất có tính quyết định đến suất chi phí để sản xuất 1kWh từ pin mặt trời

- Năng lượng khả sinh phụ thuộc vào tổng xạ bức xạ năng lượng mặt trời

- Hệ số sử dụng thay đổi theo đối tượng sử dụng có thể thay đổi từ 0.4 đến 0.8

- Các thông số khác nói chung là ít tác động đến suất chi phí để sản xuất 1kWh từ pin mặt trời

Chương 3

Tính toán và phân vùng sử dụng năng lượng gió ại Việt Nam. t

3.1 Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam

3.1.1.Bản đồ các địa điểm khảo sát năng lượng gió và tiềm năng gió

Trong phạm vi đồ án này tôi tính toán sản lượng và suất chi phí của 2 động cơ gió VEU16 và VEU30 đối với 31 trạm đo phân bố trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam do Viện khí tượng Thuỷ văn Tổng cục khí tượng thuỷ văn - cung cấp

H3-1.B n c ả đồ ác địa đ ểm khảo át tính to i s án năng lượng ó gi