Báo cáo học phần hệ thống Điện thông minh sản xuất thông minh tài nguyên và tiềm năng

Truyền thống, điện thường được sản xuất trong các nhà máy điện nhiệt điện sử dụng sự giãn nở của hơi nước trong các turbine hơi nước để điều khiển các máy phát điện cơ - điện.. [a] Nguồn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-□&□ -BÁO CÁO HỌC PHẦN

HỆ THỐNG ĐIỆN THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Kiệt 211502300

Nguyễn Đức Phong 211503788

Lớp: Trang Bị Điện 1 – K62 Nhóm Thực Hiện: Nhóm 13

Khoa: Điện – Điện Tử Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Tuấn Phường

Hà Nội, 9/2024

CHƯƠNG II SẢN XUẤT THÔNG MINH: TÀI NGUYÊN VÀ TIỀM NĂNG

1 Các xu hướng và yêu cầu mới trong sản xuất điện.

Sản xuất điện là quá trình tạo ra năng lượng điện và cần sử dụng các nguồn năng lượng sơcấp (PES) PES được định nghĩa là một dạng năng lượng có sẵn trong tự nhiên và chưa được sửdụng trong bất kỳ quá trình chuyển đổi hoặc biến đổi nào

Tổng sản lượng điện toàn cầu hàng năm đạt khoảng 23.864 TWh vào năm 2015 [1] và dựkiến sẽ tăng lên 42.500 TWh vào năm 2040 [2]

Truyền thống, điện thường được sản xuất trong các nhà máy điện nhiệt điện sử dụng sự giãn

nở của hơi nước trong các turbine hơi nước để điều khiển các máy phát điện cơ - điện Nhiệt chủyếu được sản xuất từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch hoặc bằng phản ứng phân hạch hạt nhân

Ngày nay, các nguồn năng lượng tái tạo (RES) như năng lượng địa nhiệt và năng lượng mặttrời nhiệt tập trung (CSP) cũng được áp dụng để sản xuất điện thông qua nhiệt

Hơn nữa, sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng sử dụng việc chuyển đổitrực tiếp chuyển động cơ học thành điện năng bằng cách sử dụng năng lượng động học của gió,sóng và dòng nước Thêm vào đó, các quá trình hóa học được sử dụng để sản xuất điện trongcác nhà máy quang điện (PV) và pin nhiên liệu Các phương pháp khác nhau của việc sản xuấtđiện được mô tả trong Hình 2.1

Tính đến năm 2015, tỷ lệ đóng góp của các PES khác nhau áp dụng cho sản xuất điện trêntoàn thế giới là [1]:

• 65,3% PES hóa thạch (39,2% than đá, 22,8% khí tự nhiên, 3,3% dầu mỏ)

• 23,8% RES (15,9% thủy điện, 6,8% RES khác),

• 8,1% năng lượng hạt nhân

Hình 2.1 Các phương pháp sản xuất điện

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch với số lượng lớn giải phóng carbon dioxide (CO2) vào khíquyển với khối lượng đến mức không thể được hấp thụ lại bởi thực vật và cây cối

Ảnh hưởng của lượng CO2 dư thừa trong khí quyển là sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu (hiệuứng nhà kính) với hệ quả là nguy cơ ngày càng cao về các thảm họa thời tiết cực đoan (lũ lụt,bão, sóng nhiệt và hạn hán)

Việc giảm lượng khí thải CO2 kết hợp với việc tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng làmục tiêu của cộng đồng toàn cầu và được nhiều chính phủ ủng hộ (xem thêm Mục 1.2) Cáctham số liên quan đến lượng khí thải CO2 và hiệu quả sản xuất điện được trình bày trong bảng2.1

Bảng 2.1 Lượng khí thải CO2 và hiệu quả của PES hóa thạch và RES.

[a] Nguồn: [3]

[b] Nguồn: [4]

Ghi chú c: Đã tính đến lượng khí thải trong quá trình sản xuất

Việc tăng cường hiệu quả sản xuất điện lên hơn 60% có thể đạt được bằng ba phương pháp:

- Cải tiến công nghệ,

- Chu trình kết hợp (CC)—sử dụng dòng khí sau khi đốt trong các turbine khí và nhiệt sinh

ra để sản xuất hơi nước,

Trong bối cảnh này, Quỹ Desertec đã phát triển một “Bản đồ vị trí năng lượng tái tạo” theoHình 2.2

Trong hình này, các khu vực (hình vuông đỏ) được hiển thị là cần thiết để cung cấp điện chotoàn thế giới, châu Âu và MENA (Cận Đông và Bắc Phi) Diện tích cần thiết cho tiêu thụ điệntoàn cầu chỉ chiếm 0,23% tổng diện tích sa mạc trên hành tinh của chúng ta

Việc hiện thực hóa tầm nhìn này sẽ có tác động to lớn đến sự thịnh vượng ở châu Âu vàMENA Ví dụ, phần năng lượng dư thừa có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề về nướcngọt ở Bắc Phi thông qua các chương trình khử muối nước biển

Bảng 2.2: Tiềm năng và Hiệu suất của Các Nguồn Năng Lượng Tái Tạo (RES)

Hình 2.2 Mạng lưới các nguồn năng lượng tái tạo (RES) để đáp ứng nhu cầu điện toàn cầu và

khu vực - bản đồ Desertec

Nguồn: Quỹ Desertec

Trong bối cảnh này, mục tiêu chính của quỹ là kết nối các cá nhân từ các khu vực tương ứngvới nhau để bắt đầu một cuộc đối thoại tích cực Mục đích của việc tiến hành cuộc đối thoại này

là kết hợp các lợi ích hợp pháp của các nhà đầu tư và các công ty với các yêu cầu quan trọng vềphát triển khu vực hợp lý

Khái niệm Desertec là một tầm nhìn đầy tham vọng trong giai đoạn 2000–2015, hiện tạikhông thể tiếp tục do tình hình chính trị không ổn định ở Bắc Phi Tuy nhiên, tầm nhìn này rõràng cho thấy cách thức nhu cầu năng lượng của dân số thế giới có thể được đáp ứng trongtương lai mà không cần đốt nhiên liệu hóa thạch

Hầu hết các quốc gia trên thế giới đang cố gắng tăng cường đóng góp của các nguồn nănglượng tái tạo để đảm bảo cung cấp điện bền vững và ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu (xemChương 1 và 9)

2 Các Nguồn Năng Lượng Tái Tạo Biến Đổi: Gió và Mặt Trời

2.1 Các Nhà Máy Điện Gió

Nói chung, các nhà máy điện gió bao gồm nhiều khái niệm khác nhau liên quan đến cấutrúc, loại máy phát điện, kiểu kết nối lưới, hệ thống điều khiển cũng như loại vận hành Hiệnnay, hầu hết các turbine gió có cấu trúc bao gồm ba cánh quạt được đặt lệch 120°

Hình 2.3 Sự phát triển về kích thước và công suất định mức của các nhà máy điện gió

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các nhà máy điện gió (turbine gió) đã chứngkiến những bước nhảy công nghệ đáng kể như được thể hiện trong Hình 2.3

Công suất tối đa của các turbine gió hiện có (tính đến năm 2017) là 7,58 MW đối với cácturbine trên bờ và 9,5 MW đối với các turbine ngoài khơi Turbine gió ngoài khơi mạnh nhấthiện nay là “V164” với công suất 9,5 MW, do Vestas cung cấp, có bán kính rotor là 82 m vàchiều cao tháp là 140 m

Một turbine gió hiện đại với công suất định mức 6,5 MW được trình bày trong Hình 2.4,trong đó mô tả việc vận chuyển cánh quạt dài 60 m, hình ảnh của khoang kết nối rotor và toàn

bộ nhà máy Các công trình của nhà máy đạt độ cao trên 200 m

Các turbine gió hiện đại đầu tiên được áp dụng để sản xuất điện hoạt động ở tốc độ góckhông đổi, không phụ thuộc vào tốc độ gió, và các máy phát điện của chúng được kết nối trựctiếp với lưới điện Các máy phát điện sử dụng trong các khái niệm này dựa trên máy phát điệncảm ứng kiểu lồng sóc hoặc kiểu rotor quấn Các tụ điện bổ sung được sử dụng để bù đắp tiêuthụ công suất phản kháng

Ưu điểm của các turbine gió như vậy là chúng đơn giản và bền bỉ, do đó, tương đối rẻ Mặtkhác, những nhược điểm chính bao gồm tiêu thụ công suất phản kháng không thể kiểm soát,hiệu suất giảm khi tốc độ gió không đạt tốc độ định mức, căng thẳng cơ học cao và sự truyền tải

sự biến động tốc độ gió đến lưới điện

Hình 2.4 Lắp đặt nhà máy điện gió 6,5 MW: chiều dài cánh quạt 60 m

Nguồn: Regenerativ-Kraftwerk Harz GmbH and Co.KG

Công suất cơ học của các turbine gió như vậy có thể được kiểm soát bằng ba nguyên lý khíđộng học sau:

1 Kiểm soát cản (stall control): Nguyên lý đơn giản và rẻ tiền nhất là kiểm soát cản, bao

gồm việc giảm công suất đầu ra của turbine bằng cách sử dụng hiệu ứng cản khí động học

từ một tốc độ gió xác định, với các cánh quạt được gắn vào hub ở một góc cố định

2 Kiểm soát cản chủ động (active-stall control): Đối với các turbine gió được kiểm soát cản

chủ động, các cánh quạt có thể được quay chủ động quanh trục của chúng và tốc độ góc củarotor có thể được kiểm soát tốt hơn Kiểm soát cản chủ động đưa các cánh quạt vào chế độcản Tuy nhiên, cấu trúc này phức tạp hơn do cơ chế quay và bộ điều khiển cản chủ động

3 Kiểm soát góc cánh (pitch control): Ngày nay, cả hai nguyên lý kiểm soát trên đều được

thay thế bởi kiểm soát góc cánh hiệu quả hơn Kiểm soát góc cánh cho phép điều chỉnh cánhquạt vào chế độ cản và chế độ feather (bỏ gió)

Hiện nay, chỉ một số ít nhà cung cấp vẫn sản xuất các nhà máy điện gió dựa trên máy phátđiện cảm ứng và kiểm soát góc cánh là nguyên lý kiểm soát công suất chiếm ưu thế.

Kiểm soát góc cánh cũng được áp dụng cho các turbine gió tốc độ biến thiên, loại đangchiếm ưu thế trong số các đơn vị đã được lắp đặt Các turbine gió tiên tiến được thiết kế để hoạtđộng với tốc độ biến thiên

Các turbine gió tốc độ biến thiên điều chỉnh công suất đầu ra của chúng bằng cách thay đổigóc của các cánh quạt (dọc theo trục của chúng hướng vào gió) Có hai chế độ hoạt động được

áp dụng Dưới công suất định mức của turbine, các cánh quạt được điều chỉnh vào chế độfeather để tối đa hóa việc sản xuất năng lượng Khi công suất định mức đạt được, việc điềukhiển tránh việc vượt quá giới hạn tốc độ bằng cách điều chỉnh vào chế độ cản Nguyên lý nàyđược thể hiện trong Hình 2.5

2.2 Các Nguồn Năng Lượng Tái Tạo Biến Đổi: Gió và Mặt Trời

Hình 2.5 Các nguyên lý kiểm soát công suất cơ học của kiểm soát góc cánh

Khái niệm này được hỗ trợ bởi việc tách biệt tốc độ rotor gió khỏi tần số lưới điện thông quacác bộ chuyển đổi tần số Nguyên tắc cơ bản này được áp dụng trong hai loại nhà máy điện gió:

- Máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) và

- Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp với chuyển đổi tần số

Như được trình bày trong Hình 2.6 Đối với cả hai loại nhà máy điện gió này, kiểm soát góccánh là phương pháp kiểm soát hiệu quả nhất và thường được áp dụng cho tất cả các nhà máyđiện gió.

Hình 2.6 Các nguyên lý tốc độ biến thiên tiên tiến của các nhà máy điện gió: a) Máy phát điện

cảm ứng kép, b) Máy phát điện đồng bộ với chuyển đổi tần số

Hệ thống chuyển đổi tần số và hệ thống điều khiển của nó đóng một vai trò quan trọng tronghoạt động của nhà máy điện gió Do tính chất biến đổi của tốc độ gió, công suất cơ học đầu racủa turbine khí động học thay đổi liên tục

Để đạt được hiệu suất tối đa ở các tốc độ gió khác nhau, tốc độ góc của rotor khí động học phảiđược điều chỉnh

Trong các máy phát điện đồng bộ, có sự kết nối trực tiếp giữa tốc độ cơ học của rotor và tần

độ cố định Tốc độ góc của rotor khí động học theo dõi các biến động gió liên tục, và do kết nốitrực tiếp với máy phát điện, điều này dẫn đến việc tần số điện áp cũng thay đổi Do đó, để kếtnối một máy phát điện đồng bộ hoạt động với tốc độ biến thiên vào lưới điện, phải sử dụng hệthống chuyển đổi tần số Vì các bộ chuyển đổi tần số hiện đại sử dụng các công tắc bán dẫncông suất có khả năng bật và tắt (ví dụ: IGBT—Transistor hai cực cách ly), kỹ thuật điều chế độrộng xung (PWM) đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các bộ chuyển đổi này [10].

Hệ thống chuyển đổi tần số cho các turbine gió với máy phát điện đồng bộ phải được thiết

kế để chịu tải ít nhất là công suất định mức của máy phát điện Do việc tách biệt hoàn toàn giữamáy phát điện và lưới điện, việc vận hành các turbine gió tương ứng trở nên linh hoạt hơn vàcác tham số điện tử tại điểm kết nối chung, ví dụ: điện áp và tần số, có thể được kiểm soát tốthơn

Ngoài các bộ điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển hệ thống chuyển đổi tần số, còn có hai

bộ điều khiển khác trong các turbine gió tốc độ biến thiên với máy phát điện đồng bộ kết nối với

bộ chuyển đổi:

- Bộ điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT),

- Bộ điều khiển giới hạn tốc độ hoặc công suất

Đối với các tốc độ gió thấp hơn một tốc độ gió xác định (hoạt động tải một phần), bộ điềukhiển chính là bộ điều khiển MPPT, trong khi bộ điều khiển tốc độ/công suất không hoạt động

Bộ điều khiển MPPT là một kỹ thuật mà các bộ chuyển đổi kết nối lưới sử dụng để thu đượccông suất tối đa từ máy phát điện

Mục tiêu của bộ điều khiển MPPT là thay đổi tốc độ góc của turbine vào một phạm vi chophép để tối đa hóa hệ số công suất của turbine gió và do đó, công suất đầu ra Các giới hạn chotốc độ góc liên quan đến việc phát thải tiếng ồn chấp nhận được, tải cơ học cũng như định mứccủa máy phát điện và bộ chuyển đổi

Đối với các tốc độ gió vượt quá một giá trị xác định (hoạt động tải đầy đủ), bộ điều khiểntốc độ/công suất được kích hoạt thêm Nếu tốc độ gió trở nên quá cao và vượt quá giá trị địnhmức, công suất đầu ra của turbine và tốc độ góc cần được giảm thiểu để tránh bất kỳ thiệt hạinào cho turbine Việc giảm công suất đầu ra có thể được thực hiện bằng cách tăng góc cánh,điều này được thiết lập bởi bộ điều khiển góc cánh

Nguyên lý hoạt động của hệ thống chuyển đổi tần số trong các turbine gió với DFIG tương

tự như nguyên lý được xem xét cho các turbine gió với máy phát điện đồng bộ

Hệ thống điều khiển phù hợp bao gồm các phần chính sau:

- Bộ điều khiển góc cánh,

- Bộ điều khiển của bộ chuyển đổi bên lưới,

- Bộ điều khiển của bộ chuyển đổi bên rotor, bao gồm bộ điều khiển MPPT

Hệ thống điều khiển góc cánh và bộ điều khiển MPPT tương tự như mô tả ở trên cho máy phátđiện đồng bộ

Bộ chuyển đổi bên rotor có thể điều khiển dòng công suất chủ động và phản kháng trongmạch rotor Do hoạt động của các turbine gió phải được tối ưu hóa cho tốc độ gió thay đổi, việcthay đổi công suất chủ động trong mạch rotor cho phép điều chỉnh tốc độ góc của turbine và đạtđược điểm hoạt động tối ưu Thông qua việc thay đổi công suất phản kháng, máy phát điện cóthể được từ hóa từ bên rotor, và do đó, nhu cầu công suất phản kháng của stator có thể đượcgiảm thiểu, thậm chí là về không

Vai trò của bộ chuyển đổi bên lưới là điều khiển điện áp của mạch DC và trao đổi công suấtphản kháng với lưới điện

Cả hai bộ điều khiển đều được thực hiện dưới dạng các bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân truyềnthống

Mô tả về các hệ thống điều khiển phức tạp nhấn mạnh sự tiến bộ khổng lồ đạt được trongviệc phát triển công nghệ điện gió như được tổng hợp trong Bảng 2.3

Các nhà máy điện gió hiện đại có khả năng kiểm soát công suất chủ động và phản kháng linhhoạt Một đặc điểm quan trọng khác là khả năng bảo vệ ngắn mạch và khả năng “vượt qua lỗi”.Những đặc điểm này là yêu cầu nghiêm ngặt trong các Quy chuẩn Lưới để đảm bảo việc làmsạch lỗi chọn lọc và phục hồi mạng lưới ổn định sau lỗi

Sự phát triển công nghệ nhanh chóng trong lĩnh vực năng lượng gió đã đi kèm với sự giatăng mạnh mẽ về công suất lắp đặt toàn cầu, như được thể hiện trong Hình 2.7

Trong 18 năm qua, công suất lắp đặt đã tăng khoảng 34 lần và đạt 590 GW vào năm 2018.Trung Quốc trở thành nhà lãnh đạo thị trường toàn cầu về công suất gió lắp đặt, tiếp theo là Hoa

Kỳ và Đức Tuy nhiên, một bức tranh khác xuất hiện nếu công suất lắp đặt được so sánh với tảiđỉnh của quốc gia Ở đây, Đức rõ ràng đứng đầu!

Bảng 2.3 Phát triển kỹ thuật của các nhà máy điện gió - tình trạng năm 2017

Loại máy phát

điện

Công suất định mức, MW

Kiểm soát công suất chủ động

Kiểm soát công

Không, yêu cầu

Theo sơ đồ điện

tử công suất

6–10 × dòng địnhmức trong thời gianngắn [13]

Đồng bộ với bộ

chuyển đổi [8] 9.5

Kiểm soát tần số quá tải

và dưới tải, mô phỏngquán tính

Theo sơ đồ điện

tử công suất

110–150% dòng địnhmức [14]

Hình 2.7 Phát Triển Công Suất Lắp Đặt Điện Gió: a) Toàn cầu, b) Các quốc gia dẫn đầu và

mối liên hệ với công suất đỉnh đến năm 2018 [15]

Nhược điểm còn lại của việc sản xuất điện gió nằm ở sự biến động của công suất đầu ra.Một ví dụ về thống kê biến động công suất gió đo lường theo giờ trong một tháng, theo ngàytrong một năm và theo tháng trong khoảng thời gian 9 năm được thể hiện từ trái sang phải trongHình 2.8

Các quốc gia hàng đầu trong ngành điện gió đã phát triển và triển khai các biện pháp hiệuquả để đối phó với các thách thức về biến động công suất

Việc áp dụng các công cụ dự đoán chính xác, cung cấp khả năng điều khiển đủ và tăng cườngtính linh hoạt của các nguồn năng lượng có thể kiểm soát được chắc chắn là những yếu tố quantrọng trong việc quản lý sự biến động của công suất gió

Hình 2.8 Thống kê biến động công suất gió: trung bình theo giờ trong một tháng, trung bình theo ngày trong một năm và trung bình theo tháng trong khoảng thời gian 9 năm [16]

2.3 Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời Để Sinh Ra Điện

Năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng để phát điện bằng cách chuyển đổi ánh sángmặt trời thành điện năng, either trực tiếp bằng công nghệ tế bào quang điện (PV), hoặc gián tiếpbằng nguyên lý năng lượng mặt trời tập trung (CSP)

Các ví dụ về nhà máy sử dụng cả hai công nghệ này được thể hiện trong Hình 2.9

Công nghệ PV chuyển đổi năng lượng photon của bức xạ mặt trời thành năng lượng điệnbằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện Quá trình chuyển đổi diễn ra trong các tế bào quang

điện, vốn dựa trên công nghệ bán dẫn Các vật liệu hiện đang được sử dụng cho các tế bàoquang điện bao gồm silicon đơn tinh thể, silicon đa tinh thể, silicon vô định hình, cadmiumtelluride và đồng indium selenide.

Nhiều tế bào mặt trời hiện tại được làm từ các vật liệu khối, được cắt thành các tấm mỏng từ

180 đến 240 ’m Các vật liệu khác được chế tạo dưới dạng lớp mỏng, phẩm nhuộm hữu cơ vàpolymer hữu cơ được lắng đọng trên các nền tảng hỗ trợ Một nhóm thứ ba được làm từ nano-crystals và được sử dụng như các điểm lượng tử (hạt nano bị giới hạn điện tử)

Thị phần chiếm ưu thế thuộc về silicon đa tinh thể, tiếp theo là silicon đơn tinh thể và silicon

vô định hình Các tế bào quang điện dựa trên silicon chiếm khoảng 90% thị trường toàn cầu

Các tế bào quang điện được kết nối và lắp ráp để tạo thành một bảng quang điện (hoặcbảng mặt trời) Mỗi bảng được đánh giá theo công suất đầu ra DC của nó dưới các điều kiện thửnghiệm chuẩn, và thường dao động từ 100 đến 320 W Hiệu suất của một bảng PV được xácđịnh cho mỗi diện tích bề mặt của bảng với cùng một công suất đầu ra định mức Ví dụ, mộtbảng 230 W với hiệu suất 10% sẽ cần diện tích bề mặt gấp đôi so với một bảng 230 W với hiệusuất 20%

Hình 2.9 Sản xuất điện từ các nhà máy năng lượng mặt trời: a PV, b CSP Nguồn b: Areva

Bảng 2.4 Thị phần của các vật liệu cho tế bào quang điện [17]

Các tấm pin tốt nhất hiện có được làm từ silicon đơn tinh thể và đạt hiệu suất lên đến 22,9%khi được tích hợp vào mô-đun pin mặt trời Các tấm pin mặt trời được sản xuất hàng loạt hiệuquả nhất có giá trị mật độ năng lượng lên đến 175 W/m² Vì một tấm pin mặt trời chỉ có thể sảnxuất một lượng điện năng hạn chế, hầu hết các hệ thống lắp đặt bao gồm nhiều tấm pin tạo thànhmột dãy quang điện (PV array) Một hệ thống quang điện thường bao gồm một hoặc nhiều dãytấm pin mặt trời, một bộ chuyển đổi với bộ lọc hài, một hệ thống điều khiển, dây nối liên kết vàđôi khi là một pin lưu trữ Hiện nay, một số lượng đáng kể các dãy quang điện có thể được đặttrên các lãnh thổ rộng lớn, tạo thành một nhà máy điện PV và cung cấp hàng chục MW vào lướiđiện Ba thành phần cơ bản của hệ thống PV được thể hiện trong Hình 2.10 Dãy quang điệnđược hiển thị trong Hình 2.10 là một phần của nhà máy điện PV phủ một lãnh thổ có diện tích0,2 km² Trong ví dụ được hiển thị, các dãy này liên tục di chuyển trong suốt cả ngày theohướng của mặt trời, điều này cho phép tăng hiệu suất trong việc sản xuất điện Để làm được điềunày, các dãy được trang bị các bộ di chuyển quay để theo dõi chuyển động của trái đất trongsuốt một ngày, giúp chúng định hướng theo mặt trời Hình 2.11 minh họa sự phụ thuộc của côngsuất đầu ra vào hướng của dãy quang điện trong suốt cả ngày

2.4 Nguồn Năng Lượng Tái Tạo Biến Động: Gió và Mặt Trời:

Việc lắp đặt hệ thống PV được hỗ trợ bởi các chương trình trợ cấp ở nhiều quốc gia châu Âu

Ở những quốc gia có cường độ ánh sáng mặt trời thường thấp, việc đạt được đóng góp đáng kể

về công suất PV lắp đặt chỉ có thể thực hiện được với sự hỗ trợ của các chương trình đồng tài trợ lớn

Bảng 2.5 so sánh những lợi ích và bất lợi của công nghệ PV Rõ ràng, hiệu quả kinh tế của các nhà máy điện PV cao hơn ở những quốc gia có bức xạ mặt trời mạnh mẽ và liên tục

Nhược điểm chính của công nghệ PV là không hoạt động trong bóng tối Việc áp dụng các

hệ thống CSP có thể khắc phục nhược điểm này và cung cấp khả năng phát điện liên tục bằng cách sử dụng khả năng lưu trữ nhiệt

Các hệ thống CSP sử dụng thấu kính hoặc gương cùng với hệ thống theo dõi để tập trung một diện tích lớn ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ Năng lượng mặt trời đã được tập trung

sẽ được dẫn đến làm nóng một chất lỏng trong các ống hấp thụ hoặc các bình chứa khác Nhiệt lượng tập trung sau đó được sử dụng làm nguồn nhiệt cho các nhà máy điện truyền thống Có nhiều công nghệ tập trung khác nhau, trong đó các công nghệ phát triển nhất và đã được áp dụng thực tiễn bao gồm:

Năng lượng tái tạo thân thiện với môi

trường về phát thải, tiếng ồn và độ sạch

Hiệu suất thấp, tính biến động trong sản xuất điện

Sẵn có trong giờ cao điểm nhu cầu sử

dụng

Chỉ có sẵn khi có ánh sáng ban ngày

Sản xuất gần gũi với người tiêu dùng Sử dụng các nguyên tố hóa học độc hại

trong sản xuất, nguy cơ cháy

Dễ lắp đặt, mái nhà có thể sử dụng cho

việc lắp đặt, linh hoạt về cấu hình kích

thước

Nhạy cảm về cơ khí

Bảo trì ít trong suốt vòng đời 20–30 năm Chi phí vốn cao

Công nghệ rãnh phản xạ sử dụng các rãnh phản xạ với các ống hấp thụ được đặt dọc theo trục của rãnh Các tấm phản xạ thu nhận bức xạ mặt trời và tập trung nó vào ống hấp thụ chứa chất lỏng làm việc Các tấm phản xạ quay trong suốt cả ngày để thu được bức xạ tối ưu Các ốngcủa mỗi rãnh kết thúc trong một hệ thống ống dẫn chuyển chất lỏng làm việc đã được làm nóng đến bộ trao đổi nhiệt của nhà máy điện nhiệt

Nguyên lý gương Fresnel tuyến tính nhằm cải thiện hiệu suất của công nghệ rãnh phản xạ Các gương Fresnel tuyến tính sử dụng các đoạn gương dài, mỏng để tập trung ánh sáng mặt trời

vào ống hấp thụ nằm ở một điểm tiêu cự chung của các tấm phản xạ Các gương này có khả năng tập trung năng lượng mặt trời lên đến khoảng 30 lần so với cường độ bình thường Công nghệ này vẫn đang trong quá trình phát triển, và một trong những nhà máy điện đầu tiên, Puerto Errado 2 (30 MW), đã được đưa vào hoạt động tại Tây Ban Nha vào năm 2012 [18].

Tháp điện mặt trời mang theo bình chứa hấp thụ với chất lỏng làm việc Một số heliostat được đặt xung quanh tháp Heliostat là một cấu trúc chứa một tấm phản xạ (thường là gương phẳng) quay để hướng ánh sáng mặt trời phản chiếu về phía ống hấp thụ trên đỉnh tháp, bù đắp cho chuyển động của mặt trời trên bầu trời Để làm được điều này, bề mặt phản chiếu của gươngđược giữ vuông góc với đường chéo giữa hướng của mặt trời và ống hấp thụ như nhìn từ gương.Tháp điện mặt trời là cố định so với heliostat và ánh sáng được phản chiếu theo một hướng cố định

Hai nguyên lý CSP được thể hiện trong Hình 2.12 Sơ đồ của một nhà máy CSP hoàn chỉnh với một đơn vị lưu trữ nhiệt được hiển thị trong Hình 2.13

Hầu hết các đơn vị lưu trữ nhiệt chứa muối lỏng như chất lỏng làm việc Trung bình, số giờ

sử dụng hàng năm của công suất lắp đặt là 3500 giờ/năm

Một nhà máy CSP lớn sử dụng công nghệ rãnh phản xạ đã hoạt động từ năm 1986 tại

Kramer Junction trong sa mạc Mojave ở California [19] Cơ sở này có khả năng tạo ra công suấttối đa 150 MW

Hình 2.12: Các nguyên lý CSP được áp dụng phổ biến nhất:

a Rãnh phản xạ b Tháp điện mặt trời 2.5. Nguồn Năng Lượng Tái Tạo Biến Động: Gió và Mặt Trời:

Hình 2.13: Sơ đồ của một nhà máy CSP dựa trên rãnh phản xạ với hệ thống lưu trữ nhiệt

Nhà máy nhiệt mặt trời Gemasolar, do Torresol Energy O&M vận hành tại Tây Ban Nha (công nghệ tháp điện mặt trời) với công suất lắp đặt 20 MW, có thể sản xuất 110 GWh/năm điệnnăng [18] Do đó, nhà máy này đạt mức sử dụng công suất lắp đặt là 5500 giờ/năm Hai ví dụ vềcác nhà máy CSP đã được lắp đặt cùng với dữ liệu kỹ thuật của chúng được trình bày trong Hình 2.14

Các công nghệ khác để sản xuất điện từ CSP bao gồm hệ thống Dish—Stirling và máy phát điện upwind

Với hệ thống Dish—Stirling, các đĩa parabol thu nhận bức xạ mặt trời và chuyển nó đến các động cơ Stirling Các hệ thống gương lõm có đường kính từ 3 đến 30 m Động cơ Stirling hoạt động bằng cách nén và giãn nở không khí hoặc khí khác ở các mức nhiệt độ khác nhau Bằng cách này, có sự chuyển đổi năng lượng nhiệt thành công việc cơ học Động cơ này điều khiển máy phát điện

- Lưu trữ nhiệt: Không có

Nhà máy tháp điện mặt trời Gemasolar, Tây Ban Nha

- Chiều cao tháp mặt trời: 140 m

- Số lượng heliostat: 2,650, mỗi cái 10 x 10 m

b Nhà máy tháp điện mặt trời

Nguồn: Nhà máy nhiệt mặt trời Gemasolar thuộc sở hữu của Torresol Energy © SENER

Công nghệ máy phát điện upwind dựa trên nguyên lý ống khói Một khu vực mặt đất được

do sự giãn nở của không khí, không khí sẽ chảy qua các tua-bin vào tháp ống khói nằm ở trung tâm của khu vực được phủ Nguyên lý này đơn giản nhưng cung cấp hiệu suất rất thấp, khoảng 1% Để đạt được công suất định mức khoảng 100 MW, cần có độ cao 1000 m và diện tích 12 km² [7].

Xét về công suất toàn cầu trong sản xuất điện mặt trời, công nghệ PV vẫn đang chiếm ưu thếvới khoảng 512 GW công suất lắp đặt Tổng quan về công suất lắp đặt toàn cầu của các nhà máy

PV và CSP được thể hiện trong Hình 2.15a

Trung Quốc đã mở rộng công suất PV lắp đặt rất nhanh trong những năm gần đây Tuy nhiên, với 58%, Đức vẫn có tỷ lệ sản lượng PV lớn nhất so với tải cực đại của quốc gia Cùng với công suất gió đã lắp đặt, tổng công suất của các nguồn năng lượng tái tạo phụ thuộc vào thờitiết, bao gồm năng lượng mặt trời và gió, đã đạt 131% tải cực đại của Đức vào năm 2018

Ngược lại, công suất toàn cầu của các nhà máy điện mặt trời nhiệt xây dựng tính đến năm

2017 vẫn còn thấp, chỉ đạt 5 GW [22] Các quốc gia dẫn đầu trong việc áp dụng công nghệ CSP

là Tây Ban Nha và Hoa Kỳ

Hình 2.15: Phát triển công suất điện mặt trời toàn cầu năm 2018 theo PV [21] và CSP [22]:

a Thế giới

b Công suất PV của các quốc gia hàng đầu và mối quan hệ với công suất cực đại

Sự gia tăng đáng kể trong tỷ lệ đồng phát nhiệt và điện (CHP) là một trong những mục tiêu của Liên minh Châu Âu nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng (xem Mục 1.1, Bảng Kế hoạch SET 1.1) Một số quốc gia đã giới thiệu các chương trình hỗ trợ, cung cấp một khoản thưởng thêm vào giá thị trường cho điện trong trường hợp vận hành một nhà máy CHP Tại Đức, ví dụ, việc áp dụng khái niệm CHP trong các nhà máy điện sinh khối trở nên bắt buộc theo luật pháp

Do đó, hầu hết các nhà máy điện tái tạo hoạt động dựa trên sản xuất nhiệt sử dụng công nghệ CHP

Việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo (RES) trong CHP có hai tác động tích cực, bao gồm tăng hiệu quả năng lượng tổng thể (điện và nhiệt) lên đến 85% và giảm phát thải CO2

Các công nghệ RES—CHP hiện đang được áp dụng bao gồm:

- Nhà máy điện nhiệt hơi dựa trên đốt sinh khối,

- Tua-bin khí chạy bằng biogas,

- Động cơ khí chạy bằng biogas,

- Tua-bin khí chu trình kết hợp (CCGT) sử dụng biogas,

- Nhà máy địa nhiệt với tua-bin hơi,

- Pin nhiên liệu

Các đặc điểm chính của các công nghệ này được trình bày trong Bảng 2.6

Sơ đồ nguyên lý của các nhà máy CHP được thể hiện trong Hình 2.16

Các nhà máy CHP có thể được tối ưu hóa cho việc sản xuất nhiệt hoặc điện Vận hành vớitối ưu hóa sản xuất nhiệt mang lại hiệu suất cao hơn với mức năng lượng thất thoát tối thiểu.Tuy nhiên, thị trường điện mang lại tiềm năng tối ưu hóa cao hơn dựa trên lợi ích kinh tế Đơn

vị lưu trữ nhiệt được chỉ định trong Hình 2.16 là tùy chọn Tuy nhiên, việc bao gồm khả nănglưu trữ nhiệt cho phép vận hành linh hoạt và tối ưu về mặt kinh tế trong việc sản xuất điện, tùythuộc vào giá thị trường liên quan Lưu trữ nhiệt giúp tăng cường lợi ích kinh tế

Bảng 2.6: Các thông số của các công nghệ CHP

Hình 2.16: Nguyên lý của hệ thống đồng phát (CHP)

3.1 Nhà Máy Điện Sinh Khối

Việc sử dụng sinh khối mang lại hai lợi thế chính trong bối cảnh của khái niệm Lưới điệnthông minh:

1 Nguồn năng lượng tái tạo: Vật liệu sinh học chứa năng lượng được lấy từ quá trình quanghợp của diệp lục Thông qua quang hợp, cây cối chuyển đổi năng lượng từ mặt trời,carbon dioxide và nước thành carbohydrate và oxy Vật liệu thực vật là nơi lưu trữ nănglượng đã chuyển đổi Việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ vật liệu thực vật sinh học chophép đốt cháy vật liệu tái tạo, tạo ra một chu trình carbon khép kín Trong chu trình này,

carbon dioxide phát thải trong quá trình đốt cháy sẽ được tái hấp thu qua quang hợp sau

đó Ngược lại, carbon dioxide trong nhiên liệu hóa thạch đã bị chôn vùi trong lòng đấthàng triệu năm, do đó, việc đốt cháy chúng làm tăng tổng lượng carbon dioxide trong khíquyển, vì không thể tái hấp thu hết

2 Sản xuất điện ổn định: Nhiên liệu sinh học là nguồn năng lượng tái tạo duy nhất khôngphụ thuộc vào thời tiết và đảm bảo sản xuất năng lượng liên tục Các nhà máy chạy bằngnhiên liệu sinh học hoàn toàn có thể điều khiển Chúng có thể tham gia vào các thị trườngđiện khác nhau mà không gặp phải hạn chế nào và có thể bù đắp cho sự biến động trongsản xuất điện từ gió và mặt trời

Việc sản xuất nhiệt và điện trong các nhà máy CHP có thể được thực hiện bằng cách đốtcháy trực tiếp sinh khối rắn như mùn cưa, bụi, vỏ cây và dăm gỗ Một giải pháp thực tiễn khác

là khí hóa các vật liệu sinh khối này Cả hai con đường chuyển đổi này đều rất quan trọng chođồng phát từ sinh khối Hình 2.17 trình bày một nhà máy điện sinh khí với các đơn vị khí hóa đikèm Biogas được sản xuất có thể được lọc và chế biến để đạt các tiêu chuẩn chất lượng tươngđương với khí tự nhiên Các nhà máy khí hóa cũng có thể cung cấp biogas vào mạng lưới khí

Hình 2.17: Nhà máy điện biogas.

Nguồn: Regenerativ-Kraftwerk Harz GmbH and Co.KG

Bảng 2.7: Nguồn Nhiên Liệu Sinh Khối

Tiện ích thành phố Ngành công nghiệp Chế biến gỗ Nông nghiệp

Chất thải rắn Chất thải công

Các nguồn sinh khối rất đa dạng và cần được chuyển đổi theo hình thức hiện tại của chúng.Nguồn sinh khối có thể là chất thải hoặc tàn dư từ các quá trình sinh học hoặc công nghiệp.Bảng 2.7 trình bày một lựa chọn các nguồn sinh khối quan trọng nhất được sử dụng để chế biếnnhiên liệu sinh học dưới cả hai hình thức—sinh khối rắn và biogas

Đến năm 2017, hàng ngàn nhà máy điện sinh khối với tổng công suất 122 GW đang hoạtđộng ở hơn 140 quốc gia trên toàn thế giới [24] Các quốc gia hàng đầu là Hoa Kỳ (16.7 GW),Trung Quốc (14.9 GW), Ấn Độ (9.5 GW) và Đức (8 GW) Châu Âu có hơn 1800 nhà máy điệnsinh khối hoạt động với tổng công suất lắp đặt khoảng 27 GW

Trung Quốc sẽ trở thành thị trường phát triển quan trọng nhất cho các nhà máy điện sinhkhối trong mười năm tới Với mức tăng khoảng 750 MW mỗi năm, Trung Quốc sẽ trở thành thịtrường quốc gia có doanh số cao nhất thế giới [25]

Một lợi ích khác của các nhà máy điện biogas là khả năng tạo ra điện trong chu trình kếthợp, từ đó tăng hiệu suất điện của nhà máy

Trong sản xuất điện, chu trình kết hợp là sự kết hợp của các động cơ nhiệt hoạt động songsong với cùng một nguồn nhiệt, chuyển đổi nó thành năng lượng cơ học, điều khiển các máyphát điện Nguyên lý là khí thải của một động cơ nhiệt được sử dụng làm nguồn nhiệt cho động

cơ thứ hai, do đó lấy thêm năng lượng hữu ích từ nhiệt và tăng cường hiệu suất tổng thể của hệthống

Sự kết hợp của hai chu trình nhiệt động lực học mang lại hiệu suất cải thiện và giảm chi phínhiên liệu Đối với sản xuất điện, một sự kết hợp phổ biến là tuabin khí đốt biogas, khí thải nhiệtcủa nó sẽ cung cấp năng lượng cho nhà máy điện hơi, như được thể hiện trong Hình 2.18

Đây được gọi là nhà máy Tuabin Khí Chu trình Kết hợp (CCGT), có thể đạt hiệu suất điệnkhoảng 60%, trong khi một nhà máy điện hơi đơn chu trình chỉ đạt hiệu suất khoảng 35–42%.Nhiều nhà máy điện khí mới ở Bắc Mỹ và Châu Âu thuộc loại này Đối với sản xuất điện quy

mô lớn, một bộ điển hình có thể là tuabin khí 270 MW kết hợp với tuabin hơi 130 MW, tổngcông suất đạt 400 MW Một nhà máy điện điển hình có thể bao gồm từ 1 đến 6 bộ như vậy.Kích thước của nhà máy rất quan trọng đối với hiệu quả kinh tế của nhà máy

Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý của chu trình kết hợp khí và hơi

3.2 Nhà Máy Điện Địa Nhiệt

Nhà máy điện địa nhiệt tạo ra điện từ năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt đề cập đến nhiệt độ bên trong trái đất, bắt nguồn từ nhiệt dư của quá trình hình thành trái đất và sự phân rã phóng xạ của các đồng vị bên trong hành tinh, đóng vai trò như một nguồn năng lượng hạt nhân

tự nhiên Việc sản xuất điện từ địa nhiệt yêu cầu chuyển nhiệt độ cao tự nhiên từ sâu dưới lòng đất lên bề mặt thông qua quá trình tuần hoàn chất lỏng

Cho đến gần đây, các nhà máy điện địa nhiệt chủ yếu được xây dựng tại những khu vực có nguồn tài nguyên địa nhiệt nhiệt độ cao gần bề mặt Sự phát triển của các nhà máy điện chu trình nhị phân và cải tiến trong công nghệ khoan và khai thác có thể mở rộng hệ thống địa nhiệt đến nhiều khu vực địa lý hơn [26]

Nhà máy chu trình nhị phân là một loại nhà máy điện địa nhiệt cho phép sử dụng các bể địa nhiệt có nhiệt độ thấp hơn so với yêu cầu của các nhà máy điện hơi truyền thống (ϑ > 180 °C)

Trong các nhà máy điện địa nhiệt chu trình nhị phân, các bơm được sử dụng để bơm nước nóng từ dưới lòng đất qua hệ thống ống hút, qua các bộ trao đổi nhiệt (cho tuabin và sử dụng năng lượng nhiệt); nước đã làm lạnh sẽ được trả về bể chứa dưới lòng đất qua các ống bơm Mộtchất lỏng nhị phân có điểm sôi thấp được bơm ở áp suất cao qua bộ trao đổi nhiệt tuabin, nơi nó được hóa hơi và sau đó được dẫn qua tuabin để tạo ra điện.

Hình 2.19 trình bày một nhà máy CHP địa nhiệt với các thông số về công suất và nhiệt độ [27]

Hiện nay, có hơn 70 quốc gia có nhà máy sử dụng năng lượng địa nhiệt để sản xuất điện TạiPhilippines cũng như ở El Salvador, Nicaragua, Iceland, Costa Rica, Kenya và New Zealand, năng lượng địa nhiệt đã đóng góp từ 5% đến 15% vào sản xuất điện quốc gia [28] Tăng trưởng công suất địa nhiệt lắp đặt để sản xuất điện trong những năm gần đây (2010–2015) đạt trung bình 16%, với một số quốc gia tăng gấp ba lần công suất (Thổ Nhĩ Kỳ và Đức khoảng ba lần, Kenya tăng gấp đôi) Công suất phát điện lắp đặt toàn cầu ở 526 nhà máy đạt tổng cộng 12.6

GW vào năm 2015 Dự báo công suất có thể đạt 21.5 GW vào năm 2020 [29] Bảng 2.8 cung cấp cái nhìn tổng quan về 10 quốc gia có công suất điện lắp đặt từ năng lượng địa nhiệt lớn nhất

Hình 2.19: Sơ đồ của nhà máy điện địa nhiệt Landau