Bài giảng Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả

Lời nói đầu Năng lượng nguồn động lực cho hoạt động sản xuất đời sống nhân loại Trong thời đại cách mạng khoa học kỹ thuật phát triển vũ bão quy mô toàn giới yêu cầu tiêu thụ lượng ngày gia tăng Nguồn lượng hóa thạch than, dầu khí dần cạn kiệt Việc sử dụng lượng hóa thạch tạo khí điôxit cacbon, mêtan, bụi…gây ô nhiễm môi trường, tạo nên hiệu ứng nhà kính nguyên nhân chủ yếu làm cho trái đất nóng lên Để phát triển ổn định loài người mặt phải sử dụng lượng cách tiết kiệm hiệu đồng thời cần tăng cường nghiên cứu sử dụng nguồn lượng có tính chất tái tạo lượng mặt trời, lượng gió, … Ở Việt Nam phủ Quyết định số 79/2006/QĐ-CP Chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Tiếp theo Thủ tướng phủ ký định số 1855/QĐ-TTg phê duyệt Chiến lược phát triển lượng quốc gia đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 Để góp phần thực Chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, Bộ Giáo dục Đào tạo chủ trì dự án đưa giáo dục sử dụng lượng tiết kiệm hiệu vào nhà trường với đề cương môn học Sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Trên sở đó, giảng “ Sử dụng lượng tiết kiệm hiệu ” biên soạn phát hành, tài liệu học tập cho học sinh thuộc hệ Trung cấp Chuyên nghiệp ngành Hệ thống điện Trường Cao Đẳng Điện Lực Miền Trung Bài giảng lần đầu biên soạn bối cảnh thời gian kinh nghiệm thực tiễn nhiều hạn chế, nội dung kiến thức bố cục chương trình không tránh khỏi thiếu sót Rất mong góp ý chân thành đồng nghiệp em học sinh để giảng ngày hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Hội An, 2011 Các tác giả Chương NĂNG LƯỢNG TRONG SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG 1.1 Tổng quan lượng 1.1.1 Khái niệm lượng Năng lượng dạng vật chất có khả sinh công Có nhiều hệ thống phân loại khác lượng sử dụng: - Theo dạng vật chất lượng phân loại như: thể rắn (than, củi…), thể lỏng (dầu mỏ sản phẩm dầu), thể khí (khí đốt sản phẩm khí) - Theo dòng biến đổi lượng ta thường gặp khái niệm(Hình 1.1): + Năng lượng sơ cấp: Năng lượng sơ cấp lượng khai thác trực tiếp từ nguồn chưa qua công đoạn xử lý Ví dụ than đá, dầu thô… Năng lượng sơ cấp Năng lượng hữu ích Năng lượng thứ cấp Tổn thất vận chuyển biến đổi từ lượng sơ cấp sang thứ cấp Tổn thất truyền tải phân phối hiệu suất thiết bị sử dụng Hình 1.1 Quan hệ loại lượng + Năng lượng thứ cấp: Năng lượng thứ cấp lượng qua vài trình biến đổi Ví dụ điện năng, khí hóa than… + Năng lượng hữu ích: Năng lượng hữu ích lượng nhận thiết bị sử dụng lượng trừ tổn thất truyền tải phân phối tổn thất thiết bị sử dụng lượng - Theo khả tái sinh lượng ta thường gặp khái niệm lượng tái tạo không tái tạo Ví dụ lượng mặt trời, lượng gió, thủy năng…là tái tạo; lượng từ dạng nhiên liệu hóa thạch than, dầu mỏ, khí đốt khả tái tạo 1.1.2 Nhu cầu lượng sản xuất đời sống Sự tăng trưởng kỳ vọng sản xuất giới tạo nhu cầu ngày tăng lên nguồn lượng, nhiên khu vực giới, nhu cầu tăng lên khác Theo dự báo mức tăng trưởng nhu cầu cao lượng giới vượt mức tăng sản lượng dầu khí than đá vào năm gần Vì vai trò nguồn lượng thay ngày quan trọng Hiện nay, nhiều quốc gia tìm cách sử dụng nhiên liệu hiệu tìm kiếm nhiều nguồn lượng thay thế, cường độ sử dụng lượng dự kiến suy giảm với tốc độ nhanh, cường độ sử dụng dầu giảm nhanh so với nguồn lượng khác Các phương án gia tăng sản lượng cho khối phải gia tăng sản lượng vùng nước sâu, dầu nặng, khí thiên nhiên lỏng nhiên liệu sinh học mức cao độ suy giảm sản lượng dầu truyền thống Đây thách thức không nhỏ công nghệ lẫn nguồn vốn nước Việt Nam Do khủng khoảng kinh tế phí tìm kiếm thăm dò dầu khí bị cắt giảm, nhiều dự án bị đẩy lùi tiến độ tính kinh tế khó khăn tiếp cận vốn, nguồn cung thiếu hụt nhẹ tương lai gần kéo dài thời gian Các thị trường khí phát triển nhanh Trung Quốc, Ấn Độ, bên cạnh nước nhập lớn Nhật Bản Hàn Quốc Trong quy mô toàn cầu nhu cầu khí nước nước xuất khí tăng mạnh Điều làm giảm khả tăng nguồn cung quy mô toàn cầu Như vậy, thị trường nhập khí cạnh tranh có tác động mạnh tới giá khí tương lai Bên cạnh hội thách thức tính cạnh tranh khu vực gay gắt rủi ro, lợi nhuận bên lĩnh vực thấp nguy bị thuế CO2 xu hướng cộng đồng giới ngày quan tâm đến vấn đề biến đổi khí hậu 1.2 Chính sách lượng Việt nam 1.2.1 Chính sách lượng Quan điểm sách lượng Việt nam dựa hài hòa hiệu kinh tế, an ninh lượng bảo vệ môi trường Cụ thể là: Khai thác đa dạng, hợp lý có hiệu nguồn tài nguyên nước, kết hợp với xuất nhập hợp lý sở giảm dần, tiến đến không xuất nhiên liệu sơ cấp, đáp ứng nhu cầu lượng cho phát triển kinh tế xã hội, bảo tồn nhiên liệu đảm bảo an ninh lượng cho tương lai Phát triển công trình đồng thời với việc cải tạo nâng cấp công trình cũ Sử dụng lượng tiết kiệm hiệu khâu từ sản xuất, truyền tải, chế biến sử dụng lượng Phát triển lượng đôi với bảo tồn tài nguyên, bảo vệ môi trường sinh thái Đảm bảo phát triển bền vững ngành lượng Từng bước hình thành thị trường cạnh tranh, đa dạng hóa phương thức đầu tư kinh doanh ngành lượng Nhà nước độc quyền khâu then chốt để đảm bảo an ninh lượng quốc gia Đẩy mạnh chương trình lượng nông thôn Nghiên cứu phát triển dạng lượng tái tạo để đáp ứng cho nhu cầu sử dụng lượng, đặc biệt hải đảo, vùng sâu, vùng xa Phát triển nhanh ngành lượng theo hướng đồng bộ, hiệu quả, sở phát huy nguồn nội lực, kết hợp với hợp tác quốc tế Phát triển dựa sở sử dụng hợp lý, có hiệu nguồn tài nguyên lượng miền, đảm bảo cung cấp đầy đủ, liên tục, an toàn cho nhu cầu lượng tất vùng toàn quốc Khuyến khích thành phần kinh tế tham gia phát triển nguồn điện sở tiềm năng lượng sẵn có Việt Nam, hạn chế phụ thuộc vào lượng nhập 1.2.2 Tính cấp thiết việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Ngày nay, việc khai thác, sử dụng hợp lí nguồn lượng trở thành vấn đề cấp bách mang tính toàn cầu Sở dĩ nhân loại đứng trước hàng loạt nguy mà nguyên nhân vấn đề khai thác, sử dụng lượng: nguồn lượng truyền thống (năng lượng hoá thạch) ngày cạn kiệt, nạn ô nhiễm môi trường nóng lên khí hậu trái đất chất thải trình sử dụng lượng Sử dụng tiết kiệm lượng hiệu sử dụng lượng cách hợp lý, nhằm giảm mức tiêu thụ lượng, giảm chi phí lượng cho hoạt động phương tiện, thiết bị sử dụng lượng mà đảm bảo nhu cầu lượng cần thiết cho trình sản xuất, giao thông, dịch vụ sinh hoạt Việc sử dụng lượng hóa thạch gây ô nhiễm môi trường Quá trình cháy nhiên liệu hóa thạch tạo nên điôxit cácbon CO2 mêtan CH4 Cả hai chất khí gây hiệu ứng nhà kính, nguyên nhân thay đổi khí hậu làm nóng toàn cầu Theo thống kê số chất khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 chiếm 54%, mêtan 12%, ôzon 7% Bức xạ từ mặt trời phần bị phản xạ bầu khí đa số bị bề mặt trái đất hấp thụ làm mặt đất bị nóng lên Một số xạ hồng ngoại qua lớp không khí số bị phân tử khí gây hiệu ứng nhà kính, chủ yếu CO2 xạ lại theo hướng Kết bề mặt trái đất lớp không khí tầm thấp bị đốt nóng nhiều Đây hiệu ứng nhà kính gây phát nóng toàn cầu Việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu có ý nghĩa quan trọng trình phát triển lượng Thực tốt công tác góp phần đáp ứng nhu cầu sử dụng lượng ngày cao kinh tế quốc dân, đồng thời bảo vệ môi trường Khai thác hợp lý nguồn tài nguyên lượng giúp tiết kiệm ngoại tệ, phát triển kinh tế xã hội cách bền vững Để đưa việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu vào thực tế sống cần tăng cường công tác thông tin tuyên truyền giáo dục Biện pháp hiệu sử dụng công cụ thông tin đại chúng như: hệ thống phát truyền hình, báo chí, internet với nhiều chương trình từ phổ cập đến nâng cao Trong thông tin phổ cập đến gia đình cần sử dụng hình thức sinh động làm rõ lợi ích kinh tế việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu với vấn đề kinh tế đồng thời bảo vệ môi trường sống Cần quan tâm ý đến đặc điểm lứa tuổi, giới tính, đặc điểm kinh tế xã hội tầng lớp dân cư Chú ý đến đối tượng hệ trẻ người ghế nhà trường tương lai làm chủ xã hội, có vai trò định đến việc sử dụng lượng Thế hệ trẻ cần có hiểu biết đầy đủ vai trò lượng, vấn đề cấp bách lượng thực tế hình thành ý thức, thói quen việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Đồng thời cần nắm vững giải pháp kỹ thuật việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu  Thế tiết kiệm lượng? + Tiết kiệm lượng sử dụng lượng tiết kiệm hiệu + Sử dụng tiết kiệm sử dụng lúc, chỗ; không dùng tắt Ví dụ: bật đèn vị trí sinh hoạt, cần chiếu sáng bật vừa đủ, không dùng tắt ngay; hay với máy điều hòa không khí, nên đặt nhiệt độ từ 260C trở lên + Sử dụng hiệu sử dụng lượng lượng mà thỏa mãn nhu cầu sử dụng Ví dụ: sử dụng loại đèn tiết kiệm đèn compact có điện tiêu thụ thấp loại đèn dây tóc mặc chất lượng ánh sáng  Tiết kiệm lượng mang lại lợi ích gì? + Tiết kiệm tiền cho bạn gia đình + Góp phần đảm bảo nhu cầu điện, gas, xăng… cho gia đình bạn hệ cháu bạn + Góp phần hạn chế cắt điện luân phiên khu vực bạn + Góp phần bảo vệ lành môi trường – bảo vệ sức khỏe cho bạn gia đình 1.3 Giảm tổn thất lượng hệ thống điện(HTĐ) Mô hình hệ thống truyền tải lượng điện sau: Phát Truyền tải Trạm BA truyền tải Phân phối Trạm BA phân phối Tiêu thụ Khu dân cư Khu thương mại Khu công nghiệp Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điện 1.3.1 Giảm tổn thất khâu sản xuất + Đổi công nghệ thiết kế cho hệ thống lò + Lắp đặt thiết bị giám sát trình đốt nhiên liệu + Cải tiến thiết bị vệ sinh buồng đốt, thiết bị trao đổi nhiệt + Giảm chi phí nhiên liệu thông qua việc giảm số lần lên, xuống máy kế hoạch, chế độ chạy không kinh tế + Giảm chi phí vật liệu phụ + Giảm số lần cố + Giảm tự dùng nhà máy( nhà máy thủy điện) 1.3.2 Giảm tổn thất khâu truyền tải Khi truyền tải công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, có tổn hao công suất tác dụng ∆P công suất phản kháng ∆Q đường truyền tải Tổn hao công suất tác dụng ∆P phụ thuộc vào nhiều nguyên nhân: + Phụ thuộc vào độ lớn công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q truyền tải đường dây + Phụ thuộc vào điện áp truyền tải + Phụ thuộc vào điện trở đường dây + Phụ thuộc vào chất lượng đường dây (rò điện cách điện không tốt, phóng điện vầng quang…) + Phụ thuộc vào chất lượng điện (điều hoà bậc cao, đối xứng, tần số, điện áp không ổn định ) + Chế độ vận hành không hợp lý Tính chung toàn HTĐ khoảng 8÷10% lượng điện phát bị tổn hao trình truyền tải, phân phối điện Bảng 1.1 Phân bố tổn thất HTĐ Mạng có điện áp Tổn thất điện % Đường dây Máy biến áp Tổng % U ≥ 110kV 13,3 12,4 25,7 U = 35kV 6,9 3,0 9,9 U = 0,1  10kV 47,8 16,6 64,4 Tổng cộng 68,0 32,0 100 Tổn hao công suất P khâu truyền tải, phân phối điện tính công thức: P = 3I2.Rd = P2  Q2 P2 Q2 = R R  Rd = P(P) +P(Q) d d U2 U2 U2 (*) Trong đó: P,Q - công suất tác dụng, công suất phản kháng truyền tải đường dây Rd - điện trở đường dây Từ công thức (*) ta suy biện pháp giảm tổn hao khâu truyền tải, phân phối điện sau: + Thiết kế, chọn đường truyền tải ngắn, chọn dây dẫn có kích thước đủ lớn, điện trở suất nhỏ để điện trở đường dây nhỏ, giảm tổn hao + Điện áp truyền tải lựa chọn phụ thuộc vào công suất khoảng cách truyền tải + Giảm công suất phản kháng Q truyền tải đường dây cách đặt tụ điện máy bù đồng gần phụ tải (bù cos); giảm thành phần tổn hao công suất P(Q) Q gây + Các loại phụ tải như: lò hồ quang, thiết bị chỉnh lưu, thiết bị biến đổi tần số…làm xuất điều hoà bậc cao HTĐ; làm tăng điện trở dây dẫn, tăng tổn hao dòng điện rò, giảm hiệu suất động cơ…cần đặt thiết bị lọc điều hoà bậc cao (chú ý điều hoà bậc ba) + Có chế độ vận hành phân phối phụ tải hợp lý, không để đối xứng + Đường dây cũ, cách điện kém, dây dẫn dùng lâu dẫn điện làm tăng tổn hao, cần cải tạo để tiết kiệm điện Điều Luật Điện lực có ghi: “ Đơn vị truyền tải điện, phân phối điện có trách nhiệm xây dựng kế hoạch, lộ trình cải tạo, nâng cấp đường dây, trạm biến áp truyền tải phân phối có để đảm bảo tiêu chuẩn kinh tế - kỹ thuật theo quy định” 1.4 Quản lý nhu cầu sử dụng điện năng(Demand Side Management - DSM) 1.4.1 Khái niệm DSM Trong HTĐ xuất không đồng phụ tải theo thời gian ngày, theo mùa năm, có chênh lệch lớn phụ tải cao điểm thấp điểm Đối với HTĐ nước ta thành phần phụ tải sinh hoạt dịch vụ chiếm tỷ lệ cao chênh lệch phụ tải HTĐ cao điểm thấp điểm lên tới 2,5 lần Điều dẫn đến việc cần phải đầu tư lớn cho việc xây dựng nguồn hệ thống phải huy động nguồn có chi phí nhiên liệu lớn điêzen, máy phát chạy dầu DO vào mùa khô…còn vào mùa nước nhà máy thủy điện phải dừng bớt số tổ máy xả nước Với đồ thị phụ tải biến động lớn, công suất tổ máy phát điện phải thay đổi, trình khởi động dừng diễn thường xuyên ảnh hưởng tới tuổi thọ, tiêu kinh tế kỹ thuật tổn thất điện Vận hành tổ máy có công suất biến động giới hạn rộng gây nhiều bất lợi Chương trình DSM giải pháp tổng thể phối hợp từ sách, tiêu chuẩn thiết kế, sản xuất, chế tạo thiết bị điện, biểu giá điện hợp lý tiết kiệm lượng, thực giải pháp kỹ thuật để thực DSM Mục tiêu cuối DSM nâng cao hiệu sử dụng tiết kiệm lượng, san đồ thị phụ tải hạ thấp yêu cầu sử dụng toàn hệ thống đảm bảo tốt hoạt động sản xuất đời sống 1.4.2 Các giải pháp kỹ thuật DSM Đối với HTĐ nên xây dựng nhà máy thủy điện tích Nhà máy bơm nước từ hạ lưu thấp điểm lên hồ chứa thượng lưu phát điện cao điểm Ở Hình 1.3 vẽ nguyên lý vận hành nhà máy thủy điện tích Trong cao điểm, nhà máy phát điện vào lưới nhờ nguồn nước tích trữ hồ chứa (bên trên), vào thấp điểm, nhà máy vận hành chế độ bơm nước từ hồ chứa (bên dưới) lên hồ phái làm nguồn dự trữ Thủy điện tích có hiệu suất thấp mang lại hiệu kinh tế cao tận dụng điện thấp điểm để dự phòng phát điện vào cao điểm Lượng nước tích trữ tương ứng với thời gian sử dụng vào khoảng 400 h Đối với sản xuất nên bố trí ca làm việc, giảm tải vào cao điểm Đảm bảo không sử dụng phụ tải sinh hoạt có công suất lớn cao điểm Ví dụ không sử dụng bình nước nóng cao điểm Nước nóng dự trữ thấp điểm từ trước Xây dựng sách lượng khuyến khích sản phẩm lượng có hiệu suất cao Xây dựng biểu giá điện khuyến khích chuyển nhu cầu sử dụng điện cao điểm sang thấp điểm 10 lưu làm nhiệm vụ biến đổi dòng điện chiều PV thành dòng xoay chiều có điện áp phù hợp Một số vấn đề lưu ý lắp đặt dàn PV: Đối với dàn công suất nhỏ lắp cố định tự động điều chỉnh hướng cần định hướng dàn PV phía mặt trời theo hướng Đông-Tây vị trí không bị mái nhà cối che khuất 4.1.3 Hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời Hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời thương mại hóa phát triển rộng rãi giới Tính đến năm 2004 toàn giới lắp đặt 100 triệu m2 thu lượng mặt trời, Trung Quốc 50 triệu m , Châu Âu 18 triệu m2 Nhật Bản 22 triệu m2, chiếm khoảng 20% nhu cầu nước nóng Israel Hy Lạp hai nước sử dụng hệ thống lượng mặt trời rộng rãi với 80 % nhu cầu nước nóng Nhu cầu nước nóng chiếm khoảng 15÷20% lượng sử dụng sinh hoạt hàng ngày Nếu sử dụng điện đun nước nóng tiêu thụ điện lên đến hàng trăm kWh/tháng Có thể giảm chi phí tới 80%, chí không cần sử dụng điện để cung cấp nước nóng sử dụng dàn nước nóng lượng mặt trời (Thái Dương năng) công nghệ cao Nguyên lý sử dụng nhiệt mặt trời sở hiệu ứng nhà kính Thiết bị đun nước nóng sử dụng phẳng ống chân không, sử dụng nhà ở, khách sạn, bệnh viện Hiện Việt Nam khoảng 1,5 triệu mét vuông dàn nước nóng Hệ thống cung cấp nước nóng kiểu bị động (không dùng bơm) có sơ đồ cho Hình 4.3 Nước lạnh từ bồn chứa đặt cao bình nóng Nhờ chênh áp nguyên tắc bình thông nước lạnh tự động chảy vào bình nóng mà không cần phải bơm Bình nước nóng lượng mặt trời Solar BK PPR-D-220 Công ty Nghiên cứu Phát triển Năng lượng mới, ĐHBK Tp Hồ Chí Minh (Hình 4.3) có thông sau: Bộ hấp thụ Polypropylen màu đen, Bình chứa nước nóng vỏ, có cách nhiệt bọt PU 50mm, Kính thủy tinh cách nhiệt 4mm, Dung tích 220l, Kích cỡ 2660x1400x1300 mm đủ dùng cho từ đến người Thời gian gia nhiệt giờ, đủ nước nóng dùng cho ngày 71 Hình 4.3 Sơ đồ cung cấp nước nóng không dùng bơm Hình 4.4 Thái Dương Solar BK PPR Sơ đồ cung cấp nước nóng chủ động (dùng bơm) cho Hình 4.5 Bộ thu lượng mặt trời hâm nước tới nhiệt độ cao trao đổi nhiệt cho nước bể chứa nước nóng Có thể bổ sung nhiệt cách đốt ga hay dùng đốt nóng điện để bổ sung nước nóng vào mùa đông, đêm khuya Khi quy mô tiêu thụ nước nóng lớn hệ thống cung cấp nước nóng lượng mặt trời tỏ rõ hiệu có bình tích trữ nước nóng Cấp nước nóng Nhiệt bổ sung Hình 4.5 Hệ thống cung cấp nước nóng chủ động 72 Theo sách hỗ trợ sản xuất tiêu dùng sản phẩm tiết kiệm lượng, bình nước nóng lượng mặt trời từ 2008 đến 2013 nhà nước hỗ trợ mua sản phẩm triệu đồng cho đối tượng hộ gia đình, nhà hàng, xí nghiệp, khách sạn, bệnh viện v.v 4.1.4 Công nghệ nhiệt điện mặt trời Năng lượng mặt trời tập trung làm nóng môi trường trao đổi chất chu trình nhiệt điện để sản xuất điện Có phương pháp tập trung lượng mặt trời: Sử dụng thu trung tâm, gọi tháp nhiệt Các gương phản xạ định hướng ánh sáng vào thu trung tâm lắp đỉnh tháp cao nhằm đốt nóng môi trường chất chuyển động bên trong, sau môi trường chất thực chu trình nhiệt điện để quay tuabin máy phát điện Ví dụ Hình 4.6 hệ thống tháp nhiệt mặt trời sử dụng dãy kính phản chiếu tự động hướng phía mặt trời để hội tụ ánh sáng vào thu trung tâm đặt đỉnh tháp Tại sử dụng bể chứa muối nóng chảy làm môi trường chất vận chuyển nhiệt cho chu trình nhiệt điện nước với thông số nhiệt độ lên đến 565 C Tháp nhiệt điện mặt trời có nhiều ưu điểm kinh tế sử dụng Hoa Kỳ, Bắc Phi, Mêhicô, Trung Đông Hình 4.6 Hệ thống tháp nhiệt điện mặt trời dùng muối nóng chảy 73 Hệ thống sử dụng muối nóng chảy làm chất truyền nhiệt có hiệu suất cao yêu cầu cao vật liệu đường ống Công nghệ thích hợp với quy mô công suất 30 MW Hình 4.6 sơ đồ công nghệ hệ thống tháp nhiệt điện mặt trời dùng muối nóng chảy Tại Hoa Kỳ thu trung tâm công suất 43 MW có diện tích dàn kính phản xạ 81.000 m2 Sử dụng máng parabôn có định hướng mặt trời để tập trung ánh sáng vào thu đặt tiêu điểm hệ gương parabôn (Hình 4.7) Nhiệt thu đốt nóng môi trường chất để thực chu trình nhiệt điện qua tuabin máy phát điện Công nghệ có nhiều ưu điểm, sử dụng phổ biến với quy mô từ 14÷80 MW Ống hấp thụ Bộ phản xạ Ống gom Hình 4.7 Máng hấp thụ lượng mặt trời parabôn Năng lượng mặt trời máng parabôn tập trung lại đốt nóng môi trường chất trung gian (muối) Môi trường trao đổi nhiệt sinh nhiệt tạo nên nước có nhiệt độ áp suất cao làm quay tuabin máy phát điện Sau qua tuabin nước ngưng tụ bình ngưng bơm trở lại sinh nhiệt (Hình 4.8) Tháp giải nhiệt làm mát nước ngưng tụ bình ngưng nhằm tăng hiệu suất chu trình nhiệt Trước nhà máy nhiệt điện mặt trời kiểu thường hoạt động độc lập, làm việc đầy tải thời gian ban ngày Tuy nhiên ngày nghiên cứu cho thấy việc ghép hệ thống với chu trình đốt nhiên liệu (than, khí…) tỏ có hiệu rõ rêt Quy mô nhà máy điện mặt trời sử dụng công nghệ 74 từ 30 đến 300 MW, góp phần giảm chi phí nhiên liệu Điện từ công nghệ máng parabôn vào ban ngày đạt cực đại góp phần bù đắp cho công suất đỉnh hệ thống Hình 4.8 Nguyên lý nhà máy nhiệt điện mặt trời máng parabôn Hệ thống nhiệt điện mặt trời kiểu máng parabôn công suất 320 MW Hoa Kỳ có diện tích máng parabôn 3.531.600 m2, tích trữ nhiệt 10 ban ngày địa điểm có cường độ xa 2.725 kWh/ m2.năm, hiệu suất chuyển đổi lượng mặt trời thành điện 14,6%, sản lượng điện 1,4 GWh/năm Tổng vốn đầu tư ban đầu 3000USD/kW, chi phí bảo dưỡng 34USD/kW.năm 4.2 Năng lượng gió Cũng giống lượng mặt trời, gió nguồn lượng vô tận, sử dụng thân thiện với môi trường, nhiên việc khai thác lượng gió bị hạn chế giá thành cao 4.2.1 Tiềm lượng gió số nước giới Năng lượng gió nghiên cứu triển khai với tốc độ nhanh khoảng 10 năm gần Các tuabin gió đại bắt đầu sản xuất từ năm 1979 Đan Mạch với công suất từ 20-30 kW Từ năm 2000 đến 2006 dung lượng tuabin gió tăng gấp lần Ngày tổng công suất tuabin gió tới 93.849 MW, châu Âu chiếm tới 65% Đan Mạch nước sử dụng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm phần năm sản lượng điện 75 Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm 1% tổng điện Ấn Độ chiếm thứ tư giới lượng gió với 8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng điện 4.2.2 Tiềm năng lượng gió Việt Nam Việt Nam nằm khu vực gần xích đạo khoảng 80 đến 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa Gió Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc gió Tây Nam với tốc độ trung bình vùng ven biển từ 4,5÷6 m/s (ở độ cao 10÷12m) Tại vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6÷8 m/s Như không cao tốc độ gió nước Bắc Âu độ cao đủ lớn để sử dụng động gió có hiệu Một đặc điểm cần phải ý Việt Nam hàng năm có nhiều bão mạnh kèm theo gió giật đổ vào Miền Bắc Miền Trung Tốc độ gió cực đại đo bão Việt Nam đạt tới 45m/s (bão cấp 14) Vì nghiên cứu chế tạo động gió Việt Nam phải ý chống bão lốc Các số liệu đo gió độ cao xác định vận tốc gió thông qua công thức gần sau: V=V1( h 1/5 ) h1 (4.1) Trong đó: V: Vận tốc gió cần tìm độ cao h V1: Vận tốc gió đo độ cao h1 Theo số liệu thống kê Tổng cục Khí tượng thủy văn toàn lãnh thổ Việt Nam có khu vực có tốc độ gió trung bình năm m/s là: Cồn Cỏ, Sa Pa, Bạch Long Vĩ, Trường Sa Hòn Dâu Bản đồ tiềm gió Đông Nam Á cho thấy có nhiều túi gió với tốc độ trung bình m/s nằm dãy núi dọc theo biên giới Việt-Lào Theo số liệu nghiên cứu Tổ chức phát triển lượng gió Châu Á, lãnh thổ Việt Nam, vùng giàu tiềm để phát triển lượng gió như: Sơn Hải (Ninh Thuận), vùng đồi cát độ cao 60÷100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) khu vực bán đảo Phương Mai (Bình Định) Trong tháng 76 có gió mùa, tỷ lệ gió nam đông nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6÷7m/s, tức vận tốc xây dựng trạm điện gió công suất 3÷3,5 MW Ngày 21-8-2009 Bình Thạnh, Tuy Phong tỉnh Bình Thuận lắp đặt tuabin gió 1,5 MW, cao 85 m, đường kính cánh 77 m, cột tháp 165 công ty Fuhrlaender CHLB Đức chế tạo Giai đoạn hai lại với 15 trụ tuabin gió dự án với tổng công suất 30 MW Tại Bình Định dự án nhà máy phong điện Phương Mai với tổng công suất 21 MW hoàn tất thủ tục lại khoan trắc địa chuẩn bị cho công việc đào móng xây dựng nhà máy 4.2.3 Công nghệ phát điện sức gió Năng lượng gió sử dụng từ kỷ 14 Hà Lan cối xay gió Năm 1900 Đan Mạch có tới 2500 cối xay gió để xay sát, bơm nước với tổng công suất tới 30 MW Tuabin gió phát điện Cleveland, Ohio Hoa Kỳ, từ năm 1888 đến 1908 có 72 tuabin gió phát điện với công suất từ kW đến 25 kW Tuabin gió trục ngang đại công suất 100 kW, cao 30 m đặt Yalta (CHLB Nga) có hiệu suất làm việc hàng năm 32%, không khác nhiều so với tuabin gió đại Sự phát triển mặt công nghệ đem lại tăng trưởng công suất hạ giá thành thiết bị phát điện gió Vào năm 1990 giá thiết bị phát điện gió vào khoảng 1260 Euro/kW đến năm 2004 giá giảm xuống 890 Euro/kW (giảm 29%) Bảng 4.4 nêu phát triển tuabin gió giai đoạn 1985-2004 Bảng 4.4 Sự phát triển tuabin gió từ 1985 đến 2004 Năm Công suất (kW) Đường kính rotor (m) 1985 50 15 1989 300 30 1992 500 37 1994 600 46 1998 1500 70 2003 3000÷3600 90÷104 2004 4500÷5000 112÷128 77 Công suất P tuabin gió phụ thuộc vào sải cánh rôto, vào tỷ trọng không khí tốc độ gió cho công thức: P  r 2v (4.2) Trong P công suất (W), α hiệu suất tuabin xác định theo thiết kế, ρ tỷ trọng không khí (1,22 kg/m ), r bán kính tuabin (m), v tốc độ gió (m/s) Với tốc độ m/s tuabin đường kính 100 m đạt công suất 2,5 MW Tuabin lớn giới E112 CHLB Đức chế tạo có công suất 4,5 MW, đường kính tuabin lên tới 112 m Cấu tạo chi tiết trạm phát điện gió gồm tua bin gió, cấu truyền động, máy phát điện cho Hình 4.9 Ngày tuabin gió trục đứng sử dụng hiệu suất thấp.Thông dụng loại tuabin máy phát điện đặt ngang đỉnh tháp Trước việc điều chỉnh tốc độ tuabin thông qua điều chỉnh cánh hướng sử dụng hộp giảm tốc Các tuabin gió đại loại tuabin nằm ngang có cánh Với phát triển điện tử công suất người ta không cần điều chỉnh tốc độ rôto nữa, vấn đề điều chỉnh tần số máy phát thực thông qua biến tần Hình 4.9 Cấu tạo chi tiết trạm phát điện gió Các yếu tố đóng góp cho phát triển tuabin gió là: Vật liệu composit có độ bền cao sử dụng việc chế tạo cánh tuabin, điện tử công suất 78 tham gia máy phát điện tuabin gió, nam châm vĩnh cửu siêu mạnh làm phần cảm máy phát điện hệ thống điều khiển vi xử lý Với hệ thống sử dụng máy điện đồng pha kích từ nam châm vĩnh cửu, stator máy phát nối trực tiếp vào lưới thông qua biến tần gồm môđun sử dụng van bán dẫn IGBT Môđun phía máy phát đóng vai trò chỉnh lưu môđun phía lưới đóng vai trò nghịch lưu (Hình 4.10) Hình 4.10 Sơ đồ máy phát điện gió nối với lưới Rôto máy phát gắn liên động với trục quay cánh quạt Khi gió đủ mạnh cánh quạt quay với tốc độ cần thiết Qua hệ thống nối vào hộp số để chuyển đổi thành tốc độ khoảng 1000÷1500 vòng/phút (tốc độ máy phát) đặt lên trục rôto Từ trường quay rôto gây nên sức điện động cảm ứng stato, sau chuyển vào lưới điện thông qua biến tần Với hệ thống không cần thiết điều chỉnh tốc độ rôto, việc ổn định tần số máy phát biến tần đảm nhiệm Hệ thống sử dụng máy điện không đồng bộ, máy điện rôto lồng sóc hay rôto dây quấn Loại máy có độ tin cậy cao, ưu điểm kết cấu khí khả tải, hệ số trượt máy phát nằm dải rộng, giá thành thấp máy phát đồng Hình 4.11 sơ đồ máy phát không đồng nguồn kép mạch cấp cho rôto qua biến đổi AC-DC DC-AC vào dây quấn rôto Những vấn đề gặp phải máy điện đồng hệ thống máy phát điện chạy sức gió giá thành chế tạo rôto công suất lớn; từ hóa rôto nguồn chiều, độ bền máy phát không thích hợp với chế độ làm việc biến tốc giải sử dụng loại máy điện không đồng Hiện lĩnh vực máy phát người ta thường sử dụng máy điện không đồng rôto dây quấn Các loại máy phát điện sức gió công suất lớn thuộc loại máy phát điện đồng 79 Hình 4.11 Sơ đồ nối lưới máy phát không đồng nguồn kép Việc vận hành trạm phát điện sức gió phát sinh vấn đề: + Cơ khí cánh tuabin, tháp vấn đề an toàn có giông bão, cần có thiết bị cho phép hạ tuabin máy phát điện + Về điện việc điều chỉnh điện áp tần số máy phát điện, điều chỉnh công suất bảo vệ tải ngắn mạch Hình 4.12 sơ đồ trạm phát điện gió công suất nhỏ làm việc độc lập với lưới sử dụng máy phát điện chiều Hình 4.12 Trạm phát điện gió công suất nhỏ sử dụng máy phát điện chiều Chế độ vận hành trạm phát điện sức gió phân thành: Vận hành độc lập cung cấp cho tải dân dụng riêng biệt nạp ăcquy Phương án thường sử dụng cho trạm công suất nhỏ Vận hành với tổ máy phát điêzen lượng gió yếu công suất điện tổ máy phát điêzel bổ sung Chế độ nối với 80 lưới công suất tổ máy vừa lớn Điện áp máy phát điện trước hết đuợc chỉnh lưu Điều chỉnh điện áp chiều qua băm DC-DC, sau nghịch lưu qua nghịch lưu DC-AC Để giữ cho tần số máy phát điện không đổi không phụ thuộc vào tốc độ gió thường sử dụng sơ đồ Hình 4.13, điện áp stato máy phát điện đồng chỉnh lưu sau nghịch lưu thành điện áp xoay chiều tần số 50 Hz cung cấp cho lưới Trong khu vực có gió mạnh bờ biển khơi thường xây dưng trạm phát điện gió nối thành hệ thống Lưới Hình 4.13 Máy phát điện sức gió pin mặt trời 4.3 Thủy điện nhỏ 4.3.1 Khái niệm chung thủy điện nhỏ Thủy điện nhỏ hiểu cách không thống Đa số nước phân loại thủy điện nhỏ có công suất 10 MW, nhiên Canađa phân loại thủy điện nhỏ có công suất 20 MW, Hoa Kỳ 30 MW Trong loại thủy điện nhỏ, thủy điện mini có công suất 500 kW, micro 100 kW, trạm pico có công suất kW Trung Quốc nước đứng đầu giới khai thác thủy điện nhỏ Ở Việt Nam, tỉnh miền núi phía Bắc, miền Trung, Tây Nguyên miền Đông Nam Bộ có tiềm lớn thủy điện nhỏ với tổng công suất khoảng 1.600÷2.000 MW nhiên chưa phát triển sử dụng có hiệu Thủy điện nhỏ nguồn lượng có hiệu kinh tế cao, ý rộng rãi toàn giới, đóng góp quan trọng cho cân lượng quốc gia 81 Hình 4.14 Mô hình nhà máy thủy điện nhỏ (1) Đập nước (4) Ống dẫn nước vào tuôcbin (2) Mương dẫn đầu nguồn (5) Tuôcbin (3) Cửa xả (6) Hạ lưu 4.3.2 Công nghệ thủy điện nhỏ Dòng chảy có lưu lượng Q (m /s), độ chênh cột nước H (m), tỷ trọng nước  (kg/m ),  hiệu suất truyền động, tao nên công suất P tính kW: P = 9,81   QH (4.3) Tuy dựa nguyên lý làm việc chung nhà máy thủy điện biến đổi dòng chảy quay tuabin thành điện máy phát điện, nhiên so với nhà máy thủy điện lớn trạm thủy điện nhỏ yêu cầu cao công trình thủy công đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả điều tiết mức nước Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn đường ống tới tuabin thủy điện làm quay rôto tổ tuabin-máy phát điện, biến đổi thành điện Vì trạm thủy điện thường nằm xa phụ tải nên cần truyền tải điện qua máy biến áp tăng áp Cũng sử dụng trực tiếp điện qua nạp ăcquy Các trạm công suất nhỏ (loại mini) đập chắn mà sử dụng kênh tưới tiêu để lấy nước Bảng 4.5 sau cho ta quan hệ công suất đặt máy phát theo lưu lượng chiều cao cột nước 82 Bảng 4.5 Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước Công suất P (W) Chiều cao H (m) Lưu lượng Q (m3/s) 10 3÷5 300 4÷7 500 3÷5 600 3÷5 10 800 3÷5 15 1000 4÷6 20 1200 4÷6 25 1500 5÷8 30  Các ưu điểm trạm thủy điện nhỏ: + Là nguồn lượng tái tạo, sạch, không gây ô nhiễm, không phát khí thải độc hại + Không tốn nhiên liệu, chi phí vận hành bảo dưỡng thấp + Tuổi thọ cao, nhiều trạm vận hành nửa kỷ hoạt động tốt + Có khả tự động hóa cao, khả sẵn sàng hoạt động cao Tùy theo lưu lượng nước chiều cao cột nước cần chọn kiểu tuabin thích hợp để đạt hiệu suất cao Khi chiều cao cột nước lớn nên chọn tuabin Pelton (tuabin gáo), cột nước trung bình cột nước thấp chọn loại tuabin Francis ─────────────────────────────────────── Câu hỏi ôn tập chương 4: Vai trò lượng tái tạo tương lai gì? Trình bày giải pháp sử dụng lượng mặt trời? Trình bày giải pháp sử dụng lượng gió? Trình bày giải pháp sử dụng thuỷ điện nhỏ? 83 Bài tập tham khảo chương 4: Bài tập 4.1: Tính công suất dàn PV đặt Hà Nội để cung cấp cho tải có nhu cầu E = 2000 Wh/ngày Biết xạ mặt trời trung bình ngày Hà Nội: I = 3000 Wh/m ngày Hiệu suất tổng hệ PV, nạp ăcquy  = 0,75 Trả lời: Công suất dàn PV tính theo công thức: P E.1000 2000.1000   888,9W I 3000.0,75 Trong đó: I xạ mặt trời trung bình ngày Hà Nội  hiệu suất tổng hệ PV, nạp ăcquy Tại Hà Nội dàn PV phải hướng phía Nam với góc lệch so với mặt góc khoảng 30 Bài tập 4.2: Tính công suất đặt tram thủy điện nhỏ có độ chênh mức nước ∆H=10 m, tỷ trọng nước  = 0,001 kg/ m lưu lượng dòng chảy Q = 15 m3/s Hiệu suất truyền động   0,9 Trả lời: Công suất đặt trạm thủy điện: P = 9,81   Q∆H = 9,81.0,001.15.0,9.10 = 1,32 kW Bài tập 4.3: Tính công suất P tuabin gió có sải cánh rôto r = 30 m, tỷ trọng không khí  = 1,22 kg/m , hiệu suất tuabin   0,45 địa điểm có tốc độ gió v = 4,15 m/s Trả lời: 84 Công suất đặt tuabin gió tính theo W bằng: P     r v = 0,5.0,45.1,22.3,14 30 4,1 = 53.465 W 85