Tính toán, thiết kế lưới điện hỗn hợp mini có các nguồn phát năng lượng mới và tái tạo cho các khu vực nông thôn chưa có điện lưới quốc gia

Tính toán, thiết kế lưới điện hỗn hợp mini có các nguồn phát năng lượng mới và tái tạo cho các khu vực nông thôn chưa có điện lưới quốc gia

NGUYỄN HỒNG QUANG

TÝNH TO¸N, THIÕT KÕ L¦íI §IÖN HçN HîP MINI Cã C¸C NGUåN PH¸T N¡NG L¦îNG MíI Vµ T¸I T¹O

CHO C¸C KHU VùC N¤NG TH¤N CH¦A Cã §IÖN L¦íI QUèC GIA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

- -

CHƯA CÓ ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

Mã số:

PGS.TS Đặng Đình Thống

THÁI NGUYÊN - 2008

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của để tài:

Một trong những yếu tố thúc đẩy kinh tế - xã hội phát triển ở một vùng miền trên lãnh thổ Việt Nam phải kể đến sự tham gia của nguồn điện năng Ngày nay với yêu cầu đặt phát triển về tất cả các mặt kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng,…vấn đề đặt ra là phải cung cấp điện đến tất cả những vùng miền trong cả nước, đặc biệt là những vùng sâu, vùng xa, miền núi và hải đảo

Trên thực tế việc cung cấp điện lưới quốc gia tới các vùng sâu, vùng xa, miền núi, hải đảo từ các nguồn phát lớn như thuỷ điện, nhiệt điện đang gặp nhiều khó khăn Mặt khác năng lượng đầu vào cho những nguồn phát này ngày càng phụ thuộc vào thời tiết và đang dần cạn kiệt, thêm vào đó là vấn đề ưu tiên điện lưới cho những vùng kinh tế trọng điểm của quốc gia, những khu đô thị…vv

Xuất phát từ tình hình thực tiễn đó, việc tìm ra những giải pháp cung cấp điện hữu hiệu và phù hợp cho những khu vực chưa có điện lưới quốc gia là rất cần thiết Vì vậy đề tài “ Tính toán, thiết kế lưới điện hỗn hợp mini có các nguồn phát

năng lượng mới và tái tạo cho các khu vực nông thôn chưa có điện lưới quốc gia” mang tính cấp bách và có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện đời sống cho nhân dân các vùng nông thôn

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học: Đánh giá hiện tại và dự báo tương lai tình hình tiêu thụ

điện năng cho một cộng đồng dân cư khu vực nông thôn chưa có điện lưới quốc gia Mặt khác tính toán, thiết kế hệ thống phát điện mini sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo, đồng thời so sánh về kinh tế tài chính cho các phương án cấp điện

- Ý nghĩa thực tiễn: Tìm ra được phương án cung cấp điện kinh tế và phù

hợp nhất với điều kiện thực tế để xây dựng dự án hệ thống phát điện hỗn hợp mini từ các nguồn phát năng lượng mới và tái tạo của địa phương, tạo điều kiện thúc đẩy

ển kinh tế xã hội cho khu vực

3 Phương pháp nghiên cứu:

Để giải quyết những vấn đề được đề cập đến trong đề tài, tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Tổng quan về các nguồn và các công nghệ năng lượng mới và tái tạo, tình hình nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam

- Tính toán nhu cầu điện năng hiện tại và dự báo trong tương lai, xây dựng sơ đồ khối tổng quát cho hệ thống điện hỗn hợp mini dùng các nguồn năng lượng mới và tái tạo

- Phân tích tính kinh tế - tài chính, đánh giá các phương án, đề xuất giải pháp tối ưu để ứng dụng công nghệ phát điện hỗn hợp mini cho những khu vực chưa có điện lưới quốc gia

4 Nội dung nghiên cứu:

Luận văn được chia làm 5 chương bao gồm các nội dung chính sau: - Các nguồn và các công nghệ năng lượng mới và tái tạo

- Công nghệ phát điện hỗn hợp - Lựa chọn địa điểm xây dựng dự án - Thiết kế, tính toán hệ thống

- Phân tích kinh tế - tài chính Sau đây là nội dung chi tiết:

CHƯƠNG I

NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

1 Các nguồn năng lượng mới và tái tạo, các đặc tính của chúng 1.1 Các nguồn năng lượng mới và tái tạo

1.1.1 Nguồn năng lượng mặt trời

Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của sự sống trên trái đất Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong phú mà thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ ặt trời đến trái đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

1.1.2 Nguồn năng lượng gió

Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối không khí từ những khu vực có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra hiện tượng gió thổi đều khắp trên bề mặt địa cầu

1.1.3 Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ

Từ các con sông, suối chảy từ nguồn xuống biển đều mang theo một tiềm năng về năng lượng (gọi là thuỷ năng) Thông thường nguồn thuỷ năng phụ thuộc vào độ dốc sông suối và lưu lượng nước chảy qua Nguồn thuỷ năng có thể phân bố đều hoặc không đều trên một đoạn sông suối Để tập trung năng lượng của dòng chảy, nghĩa là để tạo được độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu người ta sử dụng một số phương pháp kiểu trạm thuỷ điện như: Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn, phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn và phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy

1.1.4 Nguồn năng lượng sinh khối

Sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên cạn cũng như ở dưới nước, các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà phê , các loại phế thải động vật như: phân người, phân gia súc, gia cầm Sinh khối là nguồn năng lượng đầu tiên của loài người và mặc dù ngày nay các nguồn năng lượng hoá thạch như: tha đá, dầ u mỏ, khí đốt là các nguồn năng lượng chính nhưng sinh khối vẫn còn được sử dụng với một khối lượng và tỉ lệ khá lớn, nhất là ở các nước đang phát triển

Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh Nó tồn tại và phát triển được trên hành tinh chúng ta là nhờ có ánh sáng mặt trời Các loại thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời để thực hiện các phản ứng quang hợp, biến đổi các khoáng chất, nước và các nguyên tố vô cơ khác thành các chất hữu cơ

Phản ứng quang hợp còn là phản ứng cơ bản tạo ra thức ăn cho động vật Nếu kể đến cả sản phẩm oxy của phản ứng quang hợp ta có thể nói rằng sinh khối nói chung và thực vật nói riêng có ý nghĩa quyết định đối với sự sống trên hành tinh chúng ta

Năng lượng sinh khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lượng hoá thạch đang bị khai thác cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề

1.1.5 Nguồn năng lượng địa nhiệt

Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên ở trong lòng quả đất, dưới một lớp vỏ không khí không dày lắm , nhiệt độ lên đến 10000C đến hơn 40000

C Còn ở lớp trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình quân trong năm là 150C, dưới lớp đó là một lớp có nhiệt độ bình quân là 5400

C, còn tại lớp lõi trong nhiệt độ bình quân là 70000C Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân, sự phân hủy các chất phóng xạ tiến hành thường xuyên trong lòng Trái đất như Thori (Th), Protactini (Pa), Urani (U) vv, năng lượng do các phản ứng phóng xạ được tích tụ trong lòng quả đất hàng triệu năm với một lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp suất cao Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy địa điểm) ta sẽ gặp tầng Thường ôn, tức

là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Mặt Trời Dưới tầng Thường ôn càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng

Theo đánh giá của các chuyên gia, có khoảng 10% diện tích vỏ quả đất có chữa các nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng của nó Các nguồn này có thể cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng rất lớn

1.1.6 Nguồn năng lượng đại dương

Nguồn năng lượng này được chia thành 3 loại chính: Năng lượng thuỷ triều, năng lượng nhiệt đại dương và năng lượng sóng biển Tiềm năng là vô cùng to lớn, gió thổi trên một khoảng không gian bao la trên các đại dương sẽ tạo ra sóng biển dữ dội, liên tục và mang theo một nguồn năng lượng có thể nói là vô tận Thuỷ triều là kết quả giữa lực hút của mặt trời, mặt trăng với quả đất và do sự chuyển động của quả đất xung quanh mặt trời, cũng như sự quay xung quanh trục nghiêng của quả đất

Với năng lượng nhiệt đại dương có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả Nhiệt độ đại dương không biến đổi nhiều từ ban ngày sang ban đêm và vì vậy có thể coi là nguồn nhiệt rất ổn định tuy nhiên có thể sẽ thay đổi theo mùa và phụ thuộc vào khoảng cách đến xích đạo

Cuối cùng là năng lượng sóng biển, đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa

1.2 Các đặc tính của các nguồn năng lượng mới và tái tạo

1.2.1 Đặc tính phong phú và có thể tái sinh:

Có thể nói các nguồn năng lượng mới và tái tạo (NLM & TT) rất phong phú và có sẵn , không những thế hầu hết các nguồn năng lượng này đều có thể tái tạo được Về nguồn mà nói thì năng lượng mặt trời hết sức dồi dào, rồi gió, năng lượng thủy điện nhỏ, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều, sóng biển, địa nhiệt

cũng có trữ lượng khá lớn nếu không muốn nói là khó có thể cạn kiệt được Tiềm năng của năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng truyền thống mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều

1.2.2 Đặc tính sạch và bảo vệ môi trường:

Tất cả các nguồn NLM & TT đều sạch nên việc sử dụng các nguồn năng lượng này sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế So sánh với các nguồn năng lượng truyền thống như: Than đá, hoá thạch hay thuỷ điện, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi trường Năng lượng gió được đánh giá là thân thiện nhất với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội

Theo báo cáo từ Tổ chức Hoà Bình Xanh và Hội đồng Năng lượng Tái tạo châu Âu việc đầu tư vào năng lượng xanh tới năm 2030 sẽ giảm một nửa lượng phát thải CO2 Bản báo cáo này cung cấp một luận cứ kinh tế về sự luân chuyển các khoản đầu tư toàn cầu sang năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thuỷ điện, địa nhiệt và năng lượng sinh khối trong hơn nửa thế kỷ tới

2 Các công nghệ năng lượng mới và tái tạo, ứng dụng của chúng 2.1 Các công nghệ năng lượng mới và tái tạo

2.1.1 Công nghệ năng lượng mặt trời

2.1.1.1 Công nghệ nhiệt mặt trời

a Hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính là một trong những hiệu ứng quan trọng nhất được ứng dụng để khai thác năng lượng mặt trời (NLMT) Ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt

trời như hình 1.1 Mặt trên hộp được đậy bằng tấm kính (1) Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2) Đáy trong của hộp được làm bằng tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và

được gọi là tấm hấp thụ (3)

Hình 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Các tia bức xạ mặt trời (BXMT) có bước sóng λ < 0,7µm tới mặt hộp thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3) Tấm này hấp thụ năng lượng BXMT và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ nhiệt có bước sóng λ > 0,7µm , hướng về mọi phía Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài được Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận BXMT nên tấm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được

nhưng không thể ra đựơc Đó là nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”

b Bộ thu phẳng

Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay vài lớp kính xây dựng trong suốt Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v Đối với vật liệu ngoài thuỷ tinh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do đó hệ số truyền qua sau khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5 ÷ 10%

TÊm kÝnhLíp vá c¸ch nhiÖtTÊm hÊp thôTia s¸ng mÆt trêi

1234

Tấm hấp thụ là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao càng tốt, ví dụ > 85%, thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao Ngoài ra, tấm hấp thụ bằng vật liệu kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (ví dụ ống nước bằng kim loại nếu bộ thu dùng để đun nước nóng) được dễ dàng hơn

Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để giảm hao phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh Vật liệu cách nhiệt thường dùng là “xốp bọt biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng tấm hoặc hạt, cũng có thể dùng vật liệu khác như bông thuỷ tinh, mút, gỗ khô, mùn cưa,

Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt đến 100 ÷115o

C hoặc cao hơn

2.1.1.2 Công nghệ điện mặt trời

a Công nghệ nhiệt điện mặt trời

Người ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt trời (tracker) để hội tụ các tia mặt trời đúng diện tích cần thiết kế Đối với các bộ thu không yêu cầu độ hội tụ cao thì sự định hướng bộ thu có thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày và có thể thực hiện bằng tay Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần phải điều chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục Đa số các bộ hội tụ này là các bộ hội tụ máng parabol, các tia sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu hội tụ, tại đường tiêu này nhiệt độ có thể đạt 4000C hay cao hơn

b Công nghệ pin mặt trời (PMT)

Đây còn gọi là công nghệ pin quang điện, khác với công nghệ nhiệt điện mặt trời là năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ để tập trung ánh sáng mặt trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng thì ở công nghệ PMT, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện Các PMT sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời tới nó

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si

Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào mặt trên của pin, ánh sáng sẽ tạo ra trong các lớp bán dẫn lân cận lớp tiếp xúc pn (4) các cặp điện tử – lỗ trống Các cặp này

là các hạt dẫn điện mang điện tích âm (điện tử) và điện tích dương (lỗ trống) Do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc bán dẫn, nên tại lớp tiếp xúc (4) đã có sẵn một điện trường tiếp xúc Etx Điện trường này lập tức tách điện tử và lỗ trống trong các cặp điện tử, lỗ trống vừa được ánh sáng tạo ra và bắt chúng chuyển động theo các chiều ngược nhau để tạo thành dòng điện Vì vậy nếu nối các điện cực trên và dưới bằng một dây dẫn có bóng đèn (7) thì sẽ có một dòng điện qua bóng đèn và đèn sáng

Hiện tượng chiếu ánh sáng vào lớp tiếp xúc bán dẫn pn ta thu được dòng

điện ở mạch ngoài được gọi là hiệu ứng Quang - Điện Như vậy PMT hoạt động

dựa trên hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện

2.1.2 Công nghệ thuỷ điện nhỏ

2.1.2.1 Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn

Líp chÊt chèng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng

Phương pháp này là đắp đập tạo nên độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu (TL - HL) Đập có nhiều loại: đập đất, đập đá và đập bêtông Còn trạm thuỷ điện có thể bố trí sau đập hay trong lòng đập Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện sau đập hay trạm thuỷ điện trong lòng đập Vì độ cao đập hạn chế nên phương pháp này được sử dụng chỉ cho các đoạn sông suôid có độ dốc nhỏ Cột nước toàn phần của trạm thuỷ điện được xác định bằng hiệu mực nước TL và HL

2.1.2.2 Phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn

Phương pháp này sử dụng đường dẫn để tạo độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện đường dẫn Đường dẫn có thể bằng đường ống hoặc kênh dẫn Trạm thuỷ điện dạng này thích hợp với các con sông, suối có độ dốc lớn hay có bậc thác

2.1.2.3 Phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy

Phương pháp này tạo độ chênh mực nước bằng đập ngăn và bằng đường dẫn đối với đoạn sông có độ dốc khác nhau Độ chênh mực nước của trạm bằng tổng độ chênh mực nước đập tạo nên và độ chênh của đường dẫn Trạm thuỷ điện dạng này gọi là trạm thuỷ điện tổng hợp Cột áp toàn phần được xác định bằng tổng cột áp do đập và đường dẫn tạo nên

2.1.3 Công nghệ năng lượng gió

Năng lượng gió (NLG) thường được khai thác từ các trạm đặt ở độ cao 70)m so với bề mặt trái đất Trên độ cao lớn (8-12)km gọi là tầng đối lưu, có gió thường xuyên hơn và gọi là dòng chảy luồng (hay luồng khí) Gió loại này có vận tốc lớn (25-80)m/s, tiềm năng năng lượng của chúng lớn hơn nhiều Đặc tính gió ở tầng này khác nhiều so với đặc tính gió trên mặt đất Song sử dụng gió ở độ cao này gặp phải một số khó khăn rất lớn về mặt kỹ thuật khi chuyển tải điện từ độ cao lớn tới mặt đất

(20-Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc Dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất ), đồng thời các điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng

Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng của nó Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời g ian làm việc của tổ máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được

Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại (bão) Ngoài ra cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến đổi vận tốc gió trong khoảng thời gian xác định Khi biết quy luật xác định và thông số của hàm này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được năng lượng sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu quả kinh tế vv

2.1.4 Công nghệ năng lượng sinh khối

2.1.4.1 Các công nghệ nhiệt hoá

Công nghệ sinh hoá sử dụng các phản ứng lên men sinh khối như lên men rượu, lên men kỵ khí nhờ các chủng loại vi sinh để biến đổi sinh khối ở áp suất và nhiệt độ thấp thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc lỏng (ethanol, methanol…)

2.1.4.2 Các công nghệ biến đổi sinh hoá

Ngược lại công nghệ nhiệt hoá sử dụng các quá trình nhiệt độ cao để biến đổi sinh khối nhờ các quá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí hoá, chất lỏng

2.1.5 Công nghệ năng lượng địa nhiệt

Địa nhiệt là nguồn năng lượng nhiệt tự nhiên ở trong lòng Quả đất Có 4 loại nguồn địa nhiệt Đó là: nguồn nước nóng, nguồn áp suất địa nhiệt, nguồn đá nóng khô, các núi lửa hoạt động và magma

Nguồn nước nóng là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao, các nguồn hơi nước hay hỗn hợp của chúng ở trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm

Nguồn áp suất địa nhiệt là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình

và chứa khí metan hoà tan Các nguồn này bị vỏ quả đất nén lại dưới áp suất cao dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích không thấm nước

Các nguồn đá nóng khô bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao từ 900C đến 6500C Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có nước nóng Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá, tạo ra các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị nứt gãy để thu nhiệt

Năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động Magma là đá nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy từ 7000C đến 16000

C Khi còn nằ m dưới vỏ quả đất đá nóng chảy là một phần của vỏ quả đất có độ dày khoảng từ 24km đến 48km Các nguồn Magma chứa một nguồn năng lượng khổng lồ, lớn nhất trong các nguồn địa nhiệt, nhưng nó ít khi ở gần mặt đất nên việc khai thác rất khó khăn

2.1.6 Công nghệ năng lượng đại dương

2.1.6.1 Năng lượng thuỷ triều

Năng lượng thuỷ triều có tính chu kỳ, có thể là nửa ngày, nửa năm hoặc dài hơn Các chu kỳ này ảnh hưởng đến độ chênh lệch của thuỷ triều Biên độ của các chu kỳ thuỷ triều tăng lên một cách rất đáng kể, ở một số vùng biển có địa hình đặc biệt như ở các cửa sông, ở các vịnh dạng hình phễu, ở các khu vực có các đảo hay các doi đất chia mặt biển thành từng ngăn tạo ra sự phản xạ và cộng hưởng sóng biển

2.1.6.2 Năng lượng nhiệt đại dương

Có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả

2.1.6.3 Năng lượng sóng biển

Đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa Tuỳ

theo nguyờn lý hoạt động mà cỏc thiết bị khai thỏc súng biển được nghiờn cứu, thiết kế và chế tạo theo từng loại khỏc nhau

2.2 Cỏc ứng dụng

2.2.1 Ứng dụng của năng lượng mặt trời

2.2.1.1 Sản xuất nước núng

Hỡnh 1.3 Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước núng

Về cơ bản một thiết bị sản xuất nước núng là một bộ thu nhiệt mặt trời (NMT) Trong thiết bị đun nước, người ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống kim loại (như cỏc ống bằng đồng hay ống nước mạ kẽm, xem hỡnh 1.3) và sau đú cho nước chảy qua hệ ống đú Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ được truyền qua thành ống vào nước và làm nước núng dần lờn

2.2.1.2 Sấy bằng nhiệt mặt trời

Phần lớn cỏc thiết bị sấy hiện đại đều sử dụng hiệu ứng nhà kớnh Khớ núng được tạo ra trong bộ thu hoặc buồng thu nhiệt mặt trời và được cho thổi qua sản phẩm sấy theo chu trỡnh đối lưu tự nhiờn hay đối lưu cưỡng bức

Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại

Lớp vỏ cách nhiệtTấm hấp thụ1

Tia sáng mặt trờiống dẫn nước kim loại4

(b)

Hình 1.4 Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NMT

NMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn nuôi trong mùa đông Hình 1.4 là một hệ thống sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại nhờ không khí nóng được sản xuất ra từ các bộ thu NMT

2.2.1.4 Nguồn điện PMT nối lưới

Dàn PMT gồm nhiều modun PMT được ghép nối lại với nhau (nối nối tiếp, song song hay hỗn hợp) và lắp đặt trên mái nhà hay nơi có nắng suốt ngày Khi có nắng dàn PMT phát ra dòng điện một chiều Dòng điện này được cho qua Bộ biến đổi điện (inveter) để biến đổi thành dòng điện xoay chiều (ví dụ dòng điện 230V, 50Hz) và qua công tơ điện CT1 đưa vào lưới điện quốc gia (hay địa phương) Trong phương pháp này mạng lưới điện quốc gia hay địa phương đóng vai trò như một hệ thống tích trữ điện năng (hay một ngân hàng điện năng) Tuy nhiên phương pháp này chỉ ứng dụng được những khu vực có điện lưới

2.2.2 Ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ

2.2.2.1 Tuabin nước chạy máy phát điện

Tuabin được nối trực tiếp với máy phát điện hoặc gián tiếp thông qua các bộ truyền động Công suất của máy phát điện sẽ được xác định theo công suất của tuabin, còn vòng quay của máy phát được chọn theo số vòng quay đồng bộ

2.2.2.2 Tuabin kéo bơm

Để phục vụ cho việc cung cấp nước sinh hoạt và nước tưới cho vùng sâu, vùng xa, nơi có nguồn thuỷ năng nhỏ, người ta sử dụng tuabin để trực tiếp kéo bơm Tổ hợp như vậy gọi là bơm thuỷ luân Tuabin kéo bơm có hai loại: Buồng hở và buồng kín

2.2.3 Ứng dụng của năng lượng gió

2.2.3.1 Ứng dụng động cơ gió phát điện

Động cơ gió phân làm 3 loại: Loại cánh dạng khí động, loại rôto cánh phẳng trục đứng và loại rôto cánh tròn trục đứng Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của động cơ gió là để chạy máy phát điện Các động cơ gió dùng để kéo máy phát điện thường là các máy ít cánh có số vòng quay tương đối lớn Điều quan trọng khi dùng động cơ gió chạy máy phát điện là phải đảm bảo sự phối hợp tải giữa động cơ gió và máy phát điện , vì máy phát điện thường có tốc độ quay lớn hơn động cơ gió do đó cần sử dụng máy phát có tốc độ quay thấp hoặc sử dụng các bộ truyền trung gian như hộp số, đai truyền, biến tốc thuỷ lực vv

2.2.3.2 Ứng dụng động cơ gió bơm nước

Đây là ứng dụng quan trọng thứ hai của NLG Người ta sử dụng các loại bơm khác nhau ghép nối với động cơ gió để bơm nước Có thể chia động cơ gió bơm nước làm hai nhóm: Nhóm động cơ gió bơm nước cột áp thấp, lưu lượng lớn Chiều cao bơm chỉ (1 -2)m Loại này hay dùng cho các vùng làm muối và tưới ruộng lúa Nhóm thứ hai thuộc loại cột áp cao, lưu lượng nhỏ Chiều cao cột nước đạt tới (15-35)m Loại này phục vụ chủ yếu tưới cà phê, hồ tiêu, chè trên các vùng cao nguyên

2.2.4 Ứng dụng của năng lượng sinh khối

Khí sinh học có rất nhiều ứng dụng như thắp sáng, dùng làm nhiên liệu đun nấu, phát điện, v.v Ngoài ra công nghệ khí sinh học còn là một công nghệ làm sạch môi trường

2.2.5 Ứng dụng của năng lượng địa nhiệt

Nhiệt từ các nguồn hay từ mỏ địa nhiệt có thể khai thác nhờ sử dụng một số chất lỏng tự nhiên của quả đất để làm chất làm việc vận chuyển nhiệt Năng lượng nhiệt này có thể cho qua tuabin để phát điện hoặc dùng một cách trực tiếp cho các quá trình gia nhiệt hoặc chế biến nhiệt công nghiệp Để khai thác các nguồn địa nhiệt người ta thường sử dụng phương pháp khoan như: khai tác dầu hay khí đốt

Đối với các nguồn địa nhiệt nông và nhiệt độ không cao (thấp hơn 1700

C) thường người ta khai thác nhiệt một cách trực tiếp hoặc sử dụng gián tiếp qua bộ trao đổi nhiệt Để sử dụng năng lượng điạ nhiệt có hiệu quả thông thường người ta sử dụng ngay tại chỗ, nơi có nguồn địa nhiệt khai thác, vì khi dẫn nhiệt đi xa (ống dẫn) hao phí nhiệt sẽ lớn

Năng lượng địa nhiệt có nhiệt độ thấp hay trung bình có thể dùng để sưởi ấm hay sản xuất nước nóng cho các mục đích sinh hoạt trong các gia đình hay các cơ sở công cộng như: trường học, bệnh viện, nhà hàng, khách sạn vv

Các chất lỏng địa nhiệt cũng được dùng để tạo ra nguồn nhiệt cho các quá trình công nghiệp như sản xuất hoá chất hay đun nấu Nhiệt và hơi nước từ nguồn địa nhiệt cũng được sử dụng cho công nghiệp thực phẩm, sản xuất hàng hoá tiêu dùng, sưởi ấm chuồng trại chăn nuôi gia súc, gia cầm hay sử dụng trong các nhà kính trồng rau quả vv Năng lượng địa nhiệt có thể dùng quay các động cơ tạo ra cơ năng

Trong các chất lỏng địa nhiệt còn chứa nhiều kim loại và khoáng chất quý như: kali, cacbonat, bạc, bo, chì, kẽm vv Thu hồi các chất này khi khai thác các nguồn các nguồn địa nhiệt cũng là một nguồn sản phẩm phụ rất có giá trị

2.2.6 Ứng dụng của năng lượng đại dương

2.2.6.1 Phát điện khi thuỷ triều lên, xuống hoặc cả hai chiều

Khi thuỷ triều lên hoặc xuống người ta tạo ra sự chênh lệch giữa nước trong

hồ với nước bên ngoài làm cho cột nước có độ cao xác định nhờ hệ thống các kênh dẫn Sau đó mở các cửa kênh cho nước dẫn qua các tuabin và phát điện Các tuabin làm việc đến khi nào cột nước giữa mực nước biển ngoài cửa kênh và trong hồ giảm một nửa thì dừng lại

2.2.6.2 Nhà máy nhiệt điện đại dương

Nước nóng ở lớp nước bề mặt đại dương được dùng để làm nóng một lớp chất lỏng có nhiệt độ bay hơi thấp - chất lỏng này được gọi là chất lỏng làm việc – như Amoniac, Freon hay Propan Chất lỏng làm việc khi đi qua buồng có áp suất thấp sẽ bị bốc hơi Hơi này được cho qua tuabin làm quay tuabin phát điện, sau đó hơi đi qua buồng ngưng tụ được làm lạnh bằng nước biển lạnh lấy từ các tầng nước sâu và được bơm trở về buồng hoá hơi, vv

Một ứng dụng khác là nước biển nóng được làm “bay hơi nổ” trong một buồng chân không Hơi nước được dẫn để xả qua một tuabin hơi để phát điện, sau đó đi vào bình ngưng tụ dùng nước biển lạnh tự nhiên Điều hấp dẫn của hệ thống này là hơi nước sau khi ngưng tụ trong buồng ngưng tụ là nước sạch đã được chưng cất Nó có thẻ dùng như một nguồn nước sạch phục vụ sinh hoạt và công nghiệp

3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng các nguồn điện từ NLM & TT 3.1 Trên thế giới

Quốc gia đầu tiên phát triển ở lĩnh vực NLM & TT phải kể đến là Đức Tại quốc gia này chủ yếu ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió để phục vụ nhu cầu sử dụng Hệ thống cung cấp điện đã tương đối ổn định dựa trên một hạ tầng cơ sở tập trung với các nhà máy phát điện lớn và mạng lưới dẫn điện đường dài Việc cung cấp điện ngày một tăng thông qua các thiết bị dùng năng lượng gió hay quang điện có thể sẽ thay đổi hạ tầng cơ sở này trong thời gian tới

Tại nhật bản đang nghiên cứu và sẽ tung ra thị trường các tế bào năng lượng mặt trời nhỏ hình cầu có thể nhận ánh sáng mặt trời từ mọi hướng với hiệu suất chuyển đổi quang điện cao.Các tế bào này có tên gọi Sphelar, đường kính 1 - 1,5 mm Sphelar có thể tạo ra năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời trực tiếp hay gián tiếp và có thể thu năng lượng theo bất cứ hướng nào (không nhất thiết phải đối diện

trực tiếp với mặt trời) Ngoài ứng dụng trong việc tạo năng lượng điện dùng cho sinh hoạt, các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu ứng dụng Sphelar vào trong điện thoại di động

Điện gió đã được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và là một nguồn điện rất có tiềm năng Tây Ban Nha và Đan Mạch mỗi năm người ta lại cho xây dựng thêm khoảng 30% số nhà máy điện gió mới đem lại sản lượng 15 tỷ kWh Hiện Đan Mạch là nước có nhà máy điện gió ven bờ biển lớn nhất thế giới Hà Lan cũng có trang trại gió lớn, chạy dài 5 km ven biển Tổ chức đa quốc gia AMEC và Năng lượng Anh tới đây sẽ lắp 300 tuốc bin gió trên các bãi hoang và đầm lầy của mũi đảo phía bắc Scotland Với vốn đầu tư 500 triệu bảng Anh, dự tính đây sẽ là nhà máy điện gió lớn nhất châu Âu, cho khoảng 1% tổng nhu cầu điện của Anh Người ta cũng lắp đặt tuốc bin từ suốt phía Tây Ireland đến biển Baltic Nước Mỹ đã có một số trạm gió đầu tiên tại Bắc Dakota Chính phủ thuê đất của nhân dân với giá 2.000 USD/năm (bình thường họ thu được 500USD/năm từ nông nghiệp) Điện khí hydro chỉ vài năm nữa sẽ hết sức thông dụng ở Ireland, từ các năm 70, người ta đã lắp đặt các giàn địa nhiệt để tận dụng tiềm năng to lớn của các núi lửa và suối nước nóng đang hoạt động, nhằm sản xuất điện Đến nay, họ đã tìm cách tách khí hydro nguyên chất ra khỏi hơi nước để chạy máy Những thử nghiệm quy mô đầu tiên về loại khí này đã được các hãng Demler Critler, Shell và Liên minh châu Âu tài trợ, khoảng vài chục triệu Euro Vào năm 2005, tại đây xe buýt, xe hơi, các tàu đánh bắt cá sử dụng nguyên liệu hydro đã được thử nghiệm và thu được kết quả tốt Trong tương lai sẽ triển khai ứng dụng rộng rãi vào tất cả các phương tiện (khoảng 30 - 40 năm tới) Khí hydro có rất nhiều trên mặt nước các sông hồ, đại dương và sẽ là một nguồn năng lượng vô tận, sạch, không độc, không gây ô nhiễm

3.2 Tại Việt Nam

Về vấn đề này hiện nay ở Việt Nam nói chung vẫn còn khá mới mẻ Trước đây thì nhà nước chưa quan tâm nhưng 5 năm trở lại đây thì có chuyển biến khá mạnh về nguồn năng lượng tái tạo Từ đó có chính sách hổ trợ nghiên cứu và đầu tư cho nguồn này Cũng do thiếu điện nên nay là cơ hội cho năng lượng tái tạo phát

triển Đầu tư nay cũng khá lớn như vay tiền ngân hàng thế giới, Dự án ODA Phần Lan cung cấp điện mặt trời cho khoảng 300 xã miền núi khó khăn, các xã vùng sâu vùng xa Ngoài ra những dự án dưới 10 triệu đô thì khá nhiều

Việc hợp tác với các Tổ chức Phi chính phủ trong lĩnh vực này cũng nhiều Hiện nay tại trung tâm Năng Lượng Mới thuộc Đại học Bách khoa Hà nội có nhiều hợp tác trong lĩnh vực này, song song với việc quan hệ hợp tác với các tổ chức này thì trung tâm này còn thường xuyên nghiên cứu và đưa vào lắp đặt nhiều dự án cung cấp điện bằng những nguồn năng lượng tái tạo tại hơn 30 Tỉnh thành trên cả nước chưa có điện lưới quốc gia như: Tỉnh Bắc Giang, Bình Định, Quảng Trị vv

Đánh giá chung nhất ở Việt Nam các dạng năng lượng tái tạo hay năng lượng mới đều có Về nguồn mà nói thì năng lượng mặt trời rất phong phú, rồi gió, năng lượng thủy điện nhỏ, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều, sóng biển, địa nhiệt

Về năng lượng mặt trời đã thiết kế lắp đặt khoảng 1,5 MW, trong đó khoảng 35% cho thông tin viễn thông, 30% cho giao thông đường thuỷ, 30% cho hộ gia đình và cơ quan, cộng đồng nông thôn vù ng sâu, vùng xa, miền núi và 5% cho các ứng dụng khác Các hệ thống lớn nhất là Trung tâm Hội nghị Quốc gia (150kWp), Mang Yang Gia Lai (100 kWp) Năng lượng mặt trời ở nước ta theo đánh giá thì khá nhất là từ Đà Nẵng trở vào Còn về ứng dụng nhiệt mặt trời ở nước ta mới chủ yếu là để thiết kế, sản xuất, lắp đặt các thiết bị đun nước nóng sinh hoạt cho hộ gia đình, khách sạn, trường học, bệnh viện, khoảng 1,5 triệu m2 đã được lắp đặt

Trữ lượng thì khá lớn, tiềm năng của các nguồn như thủy điện nhỏ rất lớn như khu vực miền núi phía Bắc, phía Tây dọc biên giới Việt Lào Tính đến nay đã xây dựng 300 trạm loại công suất <100kW và 90 trạm loại >100kW với tổng công suất 100MW Hiện chỉ còn khoảng 100 trạm với tổng công suất 70MW đang hoạt động, khoảng 13- 14 vạn gia đình khu vực miền núi đang sử dụng các máy thuỷ điện siêu nhỏ (công suất từ 200W đến vài kW) Thuỷ điện nhỏ là công nghệ ưu tiên số một trong các công nghệ năng lượng tái tạo đối với Việt Nam

Năng lượng sinh khối trong rừng cũng rất lớn , ngoài ra còn hai nguồn năng

lượng sinh khối khác là bã mía thì chưa tận dụng hết nguồn hoàn toàn chưa sử dụng là vỏ trấu 63% của 4,5 triệu tấn bã mía đã được sử dụng để phát điện 150 – 200MW, 23% của 6,5 triệu tấn trấu được dùng cho mục đích năng lượng Dự á n đang thực hiện: Nhà máy xử lý rác để sản xuất điện 15MW và phân hữu cơ NPK 1500-3000 tấn/năm đang thực hiện ở Thành Phố Hồ Chí Minh

Khí sinh học tiềm năng cũng lớn vì chăn nuôi hiện nay cũng ở qui mô công nghiệp, trang trại Khoảng 60 000 hầm khí sinh học có thể tích từ 3 đến 30m3 đã được xây dựng và đang sản xuất khoảng 110 triệu m3 khí/năm, 70% là qui mô gia đình

Năng lượng gió Việt Nam thì không tốt bằng các nước châu Âu , thế nhưng dọc bờ biển và hải đảo thì Việt Nam cao nhất so với các nước trong khu vực Đã lắp đặt được 1 tua bin 800kW ở đảo Bạch Long Vĩ (năm 2004) nhưng không có thông tin gì về hoạt động của hệ thống này Khoảng 900 tuabin gió với công suất trong giải từ 150W đến 10kW đã được lắp đặt cấp điện cho các hộ gia đình hay cụm gia đình khu vực bờ biển, hải đảo, Hiện nay chỉ còn khoảng 130 máy còn hoạt động Khoảng 10 hệ thống đo gió ở các độ cao từ 20 đến 50m đang hoạt động Một số dự án đang được chuẩn bị: Phương Mai (Qui Nhơn) 15MW, Tu Bông (Khánh Hoà) 20MW Hiện nay đang xây dựng một số cột đo gió độ cao trên 40 mét, khi đánh giá được thì mới có thể khai thác

Năng lượng địa nhiệt của Việt Nam cũng khá nhiều nguồn, có đến 300 nơi có thể khai thác nhưng đến nay chưa có nghiên cứu sâu để khai thác ứng dụng

Năng lượng đại dương gồm nguồn sóng biển, thủy triều và nhiệt đại dương thì cho đến nay ở Việt Nam vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào để khai thác

Tại Los Angeles, California ngày 23-9-2007 Tập đoàn Tài chính EurOrient (“EurOrient”) công bố kế hoạch thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và sạch hơn tại khu vực miền Bắc Việt Nam, đồng thời dự tính sẽ quyết định đầu tư 125 triệu USD nhằm góp phần phát triển năng lượng điện chạy bằng sức gió

Hệ thống điện hỗn hợp (còn gọi là hệ lai ghép) NLTT-Diezen là sự ghép nối giữa nguồn NLTT và máy phát điện Diezen đã và đang được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới với các ưu điểm như: giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm chi phí bảo dưỡng, kéo dài tuổi thọ và giảm tiêu thụ nhiên liệu vv Theo báo cáo mới nhất của Tổng công ty Điện lực Việt Nam số xã chưa có điện lưới chiếm gần 20%, số hộ chưa có điện chiếm tỉ lệ gần 30%

Do có chính sách mới và khuyến khích hoạt động kinh tế ở các vùng nông thôn nên tạo ra nhu cầu dùng điện ngày càng cao và rất cấp thiết Tuy nhiên ở những vùng nông thôn này lại xa nguồn cấp, phụ tải thay đổi lớn trong ngày dẫn đến chi phí cho việc điện khí hoá rất cao Hệ thống phát điện Diezen độc lập là giải pháp tỏ ra hữu hiệu, song lại khó khăn và thất thường về nhiên liệu, đặc biệt giá nhiên liệu ngày một tăng Hơn nữa các nghiên cứu cho thấy hệ thống phát điện lai ghép giữa NLTT và Diezen mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn nguồn phát Diezen độc lập

Những ưu điểm của các hệ thống lai ghép đó là: khai thác tốt hơn nguồn ăng lượng tái tạo, can đối tốt hơn với phụ tải, nguồn có khả năng đáp ứng cao hơn,

chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với máy phát diezen thuần tuý, hiệu suất nhiên liệu cao, giảm chi phí đầu tư, đáp ứng phụ tải linh hoạt hơn

Còn các nhược điểm của hệ thống lai ghép là: phức tạp hơn trong điều khiển, yêu cầu kỹ thuật cao hơn, bảo dưỡng thường xuyên hơn các hệ sử dụng nguồn năng lượng sử dụng dàn pin mặt trời thuần tuý, cần có trình độ chuyên môn kỹ thuật cao hơn trong việc xử lý những trục trặc, tiếng ồn và ô nhiễm môi trường tăng hơn

2.1.2 Các loại nguồn điện trong hệ thống điện hỗn hợp và lưới điện mini

Đặc trưng cơ bản của hê thống điện hỗn hợp là ở chỗ nó bao gồm một tổ hợp các nguồn điện Việc kết hợp nhiều nguồn khiến cho hệ linh hoạt hơn so với chỉ dựa vào một nguồn Ngoài ra dùng nhiều nguồn có thể rẻ hơn dùng một nguồn tái tạo trong một khoảng thời gian trong năm Sau đây chúng ta đi xem xét những nguồn điện thường được dùng trong hệ thống điện hỗn hợp

2.1.2.1 Dàn pin mặt trời (Photovoltaic – PV)

PV rất thích hợp với những vùng sâu, vùng xa vì nó có độ tin cậy cao và ít đòi hỏi bảo dưỡng Nhiều phụ tải viễn thông sử dụng PV làm nguồn điện duy nhất và hệ lai ghép là việc phát triển hợp logic của ứng dung PV Những khó khăn đối với PV là chi phí ban đầu cao và cần diện tích không bị che bóng rộng để lắp đặt Tuy nhiên ưu điểm của PV là bảo dưỡng ít, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài làm cho nó trở thành một nguồn tái tạo càng ngày càng được dùng phổ biến cho các hệ lai ghép Nhưng bên cạnh đó nhược điểm của nó là chi phí ban đầu cao, cần diện tích lớn không bị che bóng và nguồn thay đổi theo mùa

2.1.2.2 Máy phát điện dùng động cơ đốt trong

Máy phát điện kéo bằng động cơ đốt trong là nguồn theo nhu cầu đơn giản phổ biến nhất Đây là nguồn có kích thước gọn, giá không đắt lắm Nguồn nhiên liệu có thể là xăng, diezen, khí thiên nhiên hoặc nguồn tái tạo như khí sinh học, khí sản xuất từ lò khí hoá sinh khối Ưu điểm của máy phát điện dùng động cơ đốt trong là được sử dụng và ủng hộ rộng rãi, kích thước gọn và chi phí ban đầu thấp Còn nhược điểm của chúng là cần bảo dưỡng và cung cấp nhiên liệu thường xuyên, gây tiếng ồn và ô nhiễm

2.1.2.3 Động cơ gió phát điện

Năng lượng gió nhạy với tốc độ gió hơn năng lượng mặt trời với bức xạ Về lý thuyết, năng lượng gió tỷ lệ với luỹ thừa bậc ba của tốc độ gió Điều này vừa có lợi vừa có hại Hạn chế là ở chỗ nếu ta dự báo tốc độ gió cao hơn thực tế một chút thì sản lượmg của động cơ gió (ĐCG) sẽ thấp hơn dự báo rất nhiều Mặt khác, với khí hậu có chế độ gió tốt, sản lượng điện của ĐCG sẽ lớn đến mức các nguồn điện khác không thể cạnh tranh được về kinh tế Nói chung , nếu tốc độ gió trung bình đạt trên 4 (m/s) thì một ĐCG trong hệ lai ghép sẽ rẻ hơn dàn PV ngay cả ở nơi có bức xạ tốt Tuy nhiên vì sợ thay đổi mạnh của tốc độ gió theo ngày, theo mùa và theo năm nên vẫn dùng cả ĐCG và PV trong một hệ lai

ĐCG nhạy với địa điểm hơn PV Tốc độ gió phụ thuộc nhiều vào các yếu tố địa hình như khoảng cách tới các cây, tới đồi núi xung quanh, độ cao đặt động cơ Vì vậy cần phải đo tốc độ gió tại địa điểm dự tính sẽ lắp đặt ít nhất là một năm trước khi quyết định lắp đặt ĐCG tại đó

Vì năng lượng thu thêm được càng lớn khi càng xa mặt đất nên lắp đặt ĐCG càng cao càng tốt

Tóm lại ĐCG có thể là một nguồn phát điện rất tốt trong một hệ thống lai ghép Tuy nhiên vì sản lượng điện phụ thuộc nhiều vào tốc độ gió và tốc độ gió lại phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu và địa hình nên cần dánh giá nguồn một cách thận trọng trước khi đầu tư cho ĐCG

Ưu điểm của ĐCG là không cần nhiên liệu và giá thành điện có thể thấp nhất Còn nhược điểm là đòi hỏi thêm các công tác tại thực địa để lắp đặt, đòi hỏi thêm công tác bảo dưỡng và thường cần thời gian dài để thu thập số liệu

2.1.2.4 Máy phát thuỷ điện

Máy phát thuỷ điện sản xuất điện tương đối liên tục nên là nguồn tái tạo thích hợp với hệ thống điện xoay chiều để cung cấp năng lượng bổ xung cần thiết cho phụ tải thăng giáng hoặc thay đổi theo mùa

Điện lượng do máy phát thuỷ điện phát ra phụ thuộc trực tiếp vào chiều cao cột nước và lưu lượng dòng nước Vì lưu lượng thay đổi theo mùa nên thiết kế hệ

thuỷ điện cần đòi hỏi ít nhất một năm số liệu về dòng nước

Tính kinh tế của hệ thuỷ điện phụ thuộc nhiều vào chế độ dòng chảy và vào điều kiện xây dựng công trình và bảo dưỡng tuabin

Ưu điểm của hệ là không cần nhiên liệu, không gây ô nhiễm và giá thành điện năng có thể thấp Nhược điểm là phụ thuộc vào địa điểm lắp đặt, đòi hỏi thêm công tác xây dựng, thường cần thời gian dài để thu thập số liệu và cần quan tâm bảo dưỡng

2.1.3 Sơ đồ đấu nối hệ lai ghép

Một trong những đặc điểm quan trọng trong việc thiết kế hệ lai ghép là sơ đồ ghép nối Các hệ lai ghép thường được phân thành hai loại theo cách bố trí “thanh góp”: các hệ thống thanh góp một chiều DC và hệ thống xoay chiều AC

2.1.3.1 Hệ lai ghép thanh góp DC

Trong một hệ lai ghép thanh góp DC, tổ hợp máy phát diezen/bộ chỉnh lưu (rectifier) nạp điện cho acqui Trung tâm của hệ thống là thanh góp DC, nơi mà acqui, bộ chỉnh lưu và dàn PV được nối với nhau Hệ thống này là lý tưởng đối với hệ lai sử dụng cho thông tin liên lạc với phụ tải đặc trưng là điện một chiều

DEG

Rectifier

Battery Bank PV Array

DC Loads

AC DC

Hình 2.1 Hệ lai ghép thanh góp DC: chỉ có phụ tải DC

Dàn PV cấp điện cho phụ tải và nạp acqui khi có bức xạ mặt trời Máy phát diezen (MPD) chỉ vận hành khi năng lượng của acqui cạn và điện áp sụt xuống mức cần được nạp Như vậy trong điều kiện bình thường, MPD chỉ chạy để nạp acqui và cung cấp phần năng lượng bổ sung cần thiết để khôi phục trạng thái nạp đầy của acqui

Đôi khi MPD cũng cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải xoay chiều qua một bộ chuyển mạch hoặc thanh góp DC cung cấp điện AC bằng cách đấu thêm một bộ đổi điện (inverter)

Hình 2.2 Hệ lai ghép thanh góp DC mở rộng: phụ tải DC và AC hỗn hợp

2.1.3.2 Hệ lai ghép thanh góp AC

Hệ lai ghép thanh góp AC là hệ lai ghép, trong đó thanh góp AC là nơi mà máy phát, bộ đổi điện và phụ tải AC nối với nhau MPD cung cấp điện xoay chiều cho một số hoặc tất cả các phụ tải Acqui được nạp điện nhờ sử dụng bộ điều phối hai chiều (bi-directional power conditioning unit) làm nhiệm vụ của cả bộ đổi điện (inverter) và bộ chỉnh lưu Hệ lai ghép thanh góp AC có thể có cả phụ tải một chiều DC, nhưng nói chung thường chỉ có phụ tải xoay chiều AC

DEG

Rectifier

Battery Bank PV Array

DC Loads

AC DC

Inverter

DC AC

AC Loads Transfer Switch

Dàn PV có thể cung cấp năng lượng cho acqui tuỳ theo bức xạ mặt trời MPD có thể cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải AC và nạp điện cho acquy Bộ điều phối hai chiều có thể cấp điện cho phụ tải AC từ MPD để nạp cho acqui Một số bộ điều phối hai chiều có khả năng hoạt động theo phương thức “đồng bộ” hoặc song song: cả bộ đổi điện và MPD có thể cùng cung cấp cho phụ tải

2.1.4 Vận hành hệ thống lai ghép 2.1.4.1.Vận hành hàng ngày

Acqui trong hệ lai ghép trải qua các chu kì hoạt động ngắn hơn và mạnh mẽ hơn so với trong các hệ PV thuần tuý Trong khi acqui trong hệ PV thuần tuý được duy trì ở trạng thái gần như đầy trong giai đoạn dài thì ở hầu hết các hệ lai ghép acqui quay vòng với chu kỳ (nạp, phóng) hai ngày một Mức độ quay vòng của acqui trong hệ lai ghép sẽ tuỳ thuộc vào năng lượng nạp vào của dàn PV, bộ chỉnh lưu và mức độ tiêu thụ năng lượng của phụ tải

Dàn PV và chỉnh lưu, mỗi hệ cung cấp khoảng một nửa tổng năng lượng của hệ thống Năng lượng tích trữ ở acqui có thể đủ cho khoảng 1,5 ngày sử dụng Do đó hệ thống này có mức quay vòng của acqui cao và acqui làm việc khá nặng nề Ba đường biểu diễn được chỉ ra trên đồ thị, một đường mô tả trạng thái của acqui, một đường chỉ năng lượng được cung cấp từ dàn PV, và một đường chỉ năng lượng cấp

DEG

Inverter/Rectifier

Battery Bank PV Array

DC Loads

AC DC

AC Loads

Hình 2.3 Hệ lai ghép thanh góp AC

từ bộ chỉnh lưu Ở ví dụ này, phụ tải được coi là không đổi

Hình 2.4 Trạng thái các thiết bị trong quá trình vận hành của hệ thống Sơ đồ trên cho thấy acqui ở trạng thái ban đầu được nạp gần đầy Trong ngày đầu dung lượng của acqui giảm do cung cấp năng lượng cho phụ tải PV có thể bổ sung, nhưng chỉ được một phần năng lượng Trong ngày thứ hai, năng lượng từ acqui tiếp tục cấp cho phụ tải và chỉ một phần được bù lại từ dàn PV Đến cuối ngày thứ hai dung lượng acqui đã giảm tới mức cho phép, buộc bộ chỉnh lưu làm việc vả cung cấp một số lớn năng lượng, đưa acqui đến trạng thái đầy Khi bộ chỉnh lưu ngừng, acqui vẫn tiếp tục được bổ sung một phần năng lượng Ở cuối ngày thứ ba dung lượng acqui tiếp tục giảm do phụ tải Trong ngày thứ tư dung lượng acqui tiếp tục giảm và chỉ một phần được cấp bổ sung từ dàn PV Trạng thái này tương tự như ngày thứ nhất và hệ thống tiếp tục hoạt động theo chu trình với acqui cuối cùng sẽ đạt điểm thấp nhất khiến MPD phải khởi động

Chu kỳ nạp, phóng chỉ ra ở hình trên là một dạng điển hình của hệ thống lai ghép Tuy nhiên, các chu kỳ có thể không đồng nhât do một vài yếu tố thay đổi Cụ thể là:

Acqui

Ngày 2 Ngày 3 Ngày 4

Dàn PV

Máy phát/ Chỉnh lưu Ngày 1

 Phụ tải có thể thay đổi do nhu cầu năng lượng hàng ngày khác nhau  Acqui có thể ở trạng thái nạp khác nhau ở đầu mỗi ngày

 Bức xạ mặt trời có thể thay đổi dẫn đến nhiều hơn hoặc ít hơn năng lượng nạp từ dàn PV

 Máy phát có thể được cài sẵn chương trình chạy khác nhau, chẳng hạn như được đặt sẵn để cung cấp năng lượng cho acqui với các chu kỳ giống nhau

2.1.4.2 Các yếu tố đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ lai ghép

Hiệu quả hàng năm của một hệ lai ghép được đo bởi các yếu tố sau:  Tổng sản lượng điện năng

 Phàn đóng góp (%) của mỗi nguồn  Số chu kỳ phóng nạp của acqui  Số giờ chạy MPD

 Số lần khởi động MPD  Tiêu thụ nhiên liệu của MPD

Mỗi yếu tố trên được xác định bởi kích cỡ của các phần tử của hệ thống Dưới đây là một số điều hướng dẫn tổng quát cho hầu hết hệ lai ghép:

- Kích cỡ của acqui: Có ảnh hưởng tới chu kỳ phóng nạp đã trải qua của nó

Acqui càng nhỏ thì nó sẽ phóng, nạp càng thường xuyên hơn

- Kích cỡ của máy phát điện/bộ chỉnh lưu: Chủ yếu xác định thời gian máy

phát sẽ chạy trong mỗi chu kỳ nạp Nó không ảnh hưởng tới tổng năng lượng do MPD cung cấp Vì vậy để giữ số giờ chạy hàng năm thấp nên chọn MPD tương đối lớn

- Kích cỡ của dàn pin mặt trời: Xác định tổng năng lượng do nó cung cấp

hàng năm Rõ ràng dàn pin càng lớn thì năng lượng do nó sản ra càng nhiều

- Kích cỡ của bộ đổi điện: Trong hệ thanh góp DC, kích cỡ của bộ đổi điện

không ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả hoạt động hàng năm Trong hệ thanh góp AC, kích cỡ của bộ đổi điện hai chiều có ảnh hưởng tới thời gian chạy MPD tương tự kích cỡ của bộ chỉnh lưu

2.1.4.3 Các vai trò khác nhau của máy phát điện

MPD thường được đưa vào hệ lai và được sử dụng theo vài cách khác nhau MPD có thể vận hành theo 4 phương thức như sau:

- Nguồn cấp điện chính: MPD chạy bất cứ khi nào phụ tải cần điện Trong

một số trường hợp, MPD chạy liên tục quanh năm

- Nguồn cấp điện dự phòng: Một nguồn khác là nguồn cấp điện chính cho

phụ tải MPĐ thỉnh thoảng mới chạy để đáp ứng phụ tải vượt trội

- Nguồn cấp điện để nạp theo chu kỳ: Một hệ thống nạ theo chu kỳ thuần tuý

chỉ có MPD, acqui và bộ nạp acqui MPD cung cấp toàn bộ năng lượng nhưng nó chỉ chạy khi acqui cần nạp lại

- Nguồn cấp điện khẩn cấp: MPD không chạy trong những tình huống

thường Trong một số hệ thống, máy phát khẩn cấp được điều khiển bằng thao tác thủ công

2.2 Các ứng dụng của hệ thống điện hỗn hợp

Các hệ thống điện hỗn hợp (hệ thống lai ghép) nói chung thường sử dụng các phụ tải lớn hơn so với các hệ thống NLTT độc lập Các nguồn diezen trong các hệ thống lai ghép là các nguồn phát điện tin cậy và có thể bù công suất cho các nguồn phát năng lượng tái tạo trong điều kiện thiếu nguồn Vì thế với cùng cỡ công suất thì các nguồn phát NLTT trong hệ lai ghép có thể đáp ứng được nhu cầu phụ tải lớn hơn Đối với những hệ thống nhỏ, chi phí máy phát diezen và các thiết bị điều khiển cần có thêm sẽ làm giảm các ưu điểm về kinh tế của hệ lai

Với đặc tính linh hoạt, mềm dẻo vốn có, hệ thống phát điện lai ghép cũng có thể sử dụng được trong trường hợp phụ tải biến đổi lớn trong ngày Hệ lai ghép rất phù hợp với những trường hợp phụ tải cơ sở mang tải đỉnh cao trong một thời gian hạn chế

Theo kết quả phân tích về giới hạn phụ tải điển hình của Phòng thí nghiệm quốc gia về Năng lượng tái tạo (National Renewable Energy Laboratory (NREL) - Mỹ) khi sử dụng mô hình máy tính HOMER cho ta giới hạn ứng dụng của các hệ lai ghép được mô tả bởi hình 2.5 sau đây:

Hình 2.5 Giới hạn ứng dụng của các hệ lai ghép

Hiện có hàng ngàn hệ thống phát điện lai ghép đang được sử dụng với quy mô từ vài trăm W đến vài trăm kW Ngược lại, nếu phụ tải nằm trong phạm vi này, không có nghĩa là việc sử dụng hệ thống điện lai ghép là một giải pháp đúng Còn nhiều yếu tố khác cần được xem xét như: khả năng đưa vào các nguồn năng lượng thay thế khác, khả năng hỗ trợ về kỹ thuật, tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo và yêu càu của người sử dụng Chẳng hạn có thể tiếp cận được nguồn điện lưới quốc gia dễ dàng, thì khó có thể đưa hệ thống lai ghép vào sử dụng nếu chỉ căn cứ riêng vào cỡ phụ tải

Việc phát triển và nghiên cứu về các hệ thống lai ghép mới bắt đầu gần đây, và hầu hết các nghiên cứu bắt đầu thực hiện từ cuối thập kỷ 80 Có hai ứng dụng chính cho các hệ lai ghép là thông tin liên lạc và điện khí hoá nông thôn

-Thông tin liên lạc là nơi ứng dụng cho các hệ lai ghép vì nhiều lý do Hầu hết các phụ tải thông tin liên lạc đều tương đối lớn và việc sử dụng hệ lai ghép có thể giảm được chi phí ban đầu khi phải tăng số dàn PV (để có “khả năng đáp ứng” cao) bằng việc thay thế động cơ diezen với giá thành rẻ hơn và chỉ vận hành khi mà không đủ bức xạ mặt trời Các công ty thông tin thường có kinh nghiệm sử dụng động cơ diezen và dàn PV và các thợ kỹ thuật có thể thực hiện các công việc lắp ráp, bảo dưỡng dễ dàng khi qua huấn luyện

Việc sử dụng các hệ lai ghép cho thông tin liên lạc, nơi đòi hỏi độ tin cậy cao trong cấp điện, đã có từ nhiều năm Theo công ty Pháp, các hệ lai ghép có thể phát huy được ưu thế đối với các trạm thông tin liên lạc với phụ tải từ 500 (W) trở lên Tiếp theo sự áp dụng thành công của một hệ thống ở Alps, công ty thông tin Pháp đã được lắp dựng một hệ thống lai ghép khác với cùng một diện tích dàn thu

Hệ thống lai ghép McPherson Peak có quy mô lớn, đã được áp dụng cho thông tin liên lạc ở Mỹ Hệ thống này được lắp đặt tại Santa Barbana, California với công suất dàn PV là 11 (KWp), dung lượng acqui 200 (KWh) và công suất máy phát diezen 4,8 (KW) để cấp điện cho phụ tải 70 (KWh)

2.2.1.2 Điện khí hoá nông thôn

Hệ thống phát điện lai ghép cũng có thể sử dụng cho các công trình điện khí hoá nông thôn Các biểu đồ phụ tải nông thôn thường phù hợp với hệ lai ghép do phụ tải đỉnh thường xảy ra trong một vài giờ vào buổi tối, còn phụ tải vào các giờ khác thường thấp hơn vài giờ hoặc hơn Vì thế hiệu quả sử dụng nhiên liệu sẽ giảm nếu chỉ sử dụng diezen

Một công trình phát điện lai ghép giữa PV và diezen đã được nghiên cứu và xây dựng năm 1997 để cung cấp điện cho 250 hộ gia đình ở hòn đảo Miyako ở Nhật Bản với công suất dàn PV là 750 (KWp) được hỗ trợ bởi 300 (KW) công suất máy phát điện diezen Cho đến năm 1997, đây là công trình lớn nhất Nhật Bản

Một hệ thống lai ghép PV – diezen Pulau Pemangil đã được xây dựng trong vài năm gần đây với công suất dàn PV là 7,2 (KWp) và 26 (KW) công suất máy

phát diezen nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải 16 (KWh)/ngày cho một làng trên hòn đảo nhỏ ven biển ở Malaysia

Ở Thái Lan một hệ thống lai ghép với 12 (KWp) dàn PV và 56 (KW) công suất máy phát diezen được lắp đặt từ năm 1997 để điện khí hoá cho 250 hộ gia đình ở đảo Kokut thuộc tỉnh Trat

2.2.2 Ở Việt Nam

Tháng 9 năm 1999 đã hoàn thành một trạm phát điện lai ghép giữa phin mặt trời và thuỷ điện nhỏ công suất 125 (KW) , trong đó phin mặt trời là (KW) Dự án được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai Vốn đầu tư do tổ chức NEDO - Nhật Bản tài trợ ( Tổng công ty điện lực Việt Nam đóng góp phần xây dựng lưới điện hạ thế) Trong tháng 11 năm 2000, một trạm lai ghép PV- ĐCG mới được khánh thành Dự án do công ty TUHUKU của Nhật Bản tài trợ Viện năng lượng chịu trách nhiệm về kỹ thuật xây dựng và lắp đặt Trạm phát điện gồm hệ PV công suất 7 (KWp) và ĐCG công suất 1,8 (KW), cấp điện xoay chiều 220 (V) phục vụ sinh hoạt cho 40 hộ gia đình làng Kongu, xã Ngọc Vàng, huyện Dak Hà, tỉnh Kon Tum Trạm hoạt động hoàn toàn tự động, không cần người vận hành, đóng ngắt điện theo chế độ định giờ

2.3 Những ưu nhược điểm của hệ thống điện hỗn hợp

2.3.1 Ưu điểm của hệ thống điện lai ghép

Các hệ thống này có một số ưu điểm so với các hệ thống phát điện năng dùng lượng tái tạo độc lập như sau:

2.3.1.1 Khai thác tốt hơn nguồn NLTT

Các hệ thống sử dụng nguồn NLTT độc lập thường được thiết kế ở các điều kiện bất lợi nhất Đó là do nguồn NLTT thay đổi thất thường nên hệ thống phải được thiết kế sao cho nhu cầu phụ tải vẫn có thể được đáp ứng khi năng lượng sản ra ở mức tối thiểu Do vậy ở các điều kiện bình thường hoặc tốt hơn sẽ xảy ra tình trạng công suất nguồn lớn hơn nhu cầu phụ tải, năng lượng sản ra ở thời điểm công suất phụ tải đỉnh sẽ không được sử dụng và bị lãng phí

Trái lại hệ thống lai ghép được thiết kế ở điều kiện trung bình theo năm nên

sẽ khai thác tốt hơn nguồn NLTT Do đó, một hệ thống lai ghép được thiết kế hợp lý có công suất các thiết bị nhỏ hơn và sẽ giảm bớt lãng phí năng lượng

2.3.1.2 Cân đối tốt hơn với phụ tải

Một ưu điểm khác của hệ lai ghép là khả năng cân đối tốt hơn giữa cung với cầu Đối với một khu vực nông thôn, nhu cầu phụ tải đỉnh thường xảy ra vào các giờ cao điểm buổi tối, chủ yếu phục vụ nhu cầu thắp sáng và sinh hoạt Điều này tạo cho ta hướng thiết kế và vận hành hệ thống hợp lý bằng cách đáp ứng nhu cầu phụ tải ở phần lớn thời gian trong ngày sử dụng nguồn NLTT và sau đó tăng công suất phát vào các giờ cao điểm khi chạy thêm cả máy phát điện

Ngoài ra quy mô phụ tải cũng có thể cho thấy rằng sử dụng hệ lai sẽ mang lại hiệu quả Những phụ tải lớn đòi hỏi dòng điện có cường độ và điện áp cao hơn Trong trường hợp này, sẽ là rất đắt nếu chỉ sử dụng hệ thống phát điện độc lập bằng các nguồn NLTT

Đối với một thôn hoặc làng thường có nhiều loại thiết bị mang tải khác nhau, có thể thích hợp với các nguồn khác nhau Thay cho việc cố gắng cung cấp cho tất cả các phụ tải bằng một nguồn điện duy nhất, hệ thống lai ghép (Hybrid System) có thể cung cấp cho mỗi phụ tải bằng một nguồn thích hợp Ví dụ hệ PV rất thích hợp cho việc bơm nước phục vụ sinh hoạt và nông nghiệp và trong những thời kỳ nóng và khô, năng lượng mặt trời lại thường tốt nhất Một số phụ tải khác lại phù hợp với máy phát điện diezen như: những thiết bị có dòng khởi động cao có thể hoạt động tốt với máy phát diezen (máy làm đá) vì máy này có máy nén cần dòng khởi động lớn Phụ tải 3 pha là những phụ tải điển hình phải hoạt động với máy phát diezen

2.3.1.3 Nguồn có khả năng đáp ứng cao hơn

Với hệ PV độc lập thông thường, luôn xảy ra trường hợp năng lượng không đủ đáp ứng nhu cầu phụ tải Đó là do năng lượng thu được luôn theo một mẫu thống kê nhất định, và luôn có khả năng trong một khoảng thời gian dài nguồn năng lượng mặt trời rất yếu hoặc thậm chí kà không có Khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải của hệ PV thuần tuý ở các điều kiện như vậy gọi là “khả năng đáp ứng” Một hệ PV cần thương mại dùng cho thông tin liên lạc cần đạt được “khả năng đáp ứng” cao hơn

ghép thêm nhiều dàn PV hơn và như vậy sẽ rất tốn kém

Một hệ thống lai ghép với nguồn phát “theo nhu cầu” có thể tránh được vấn đề trên do máy phát diezen sẽ chạy trong thời gian khó khăn đó

2.3.1.4 Chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với hệ chỉ có máy phát diezen

Chi phí bảo dưỡng máy phát diezen tỉ lệ với thời gian vận hành Vì thế động cơ diezen chạy trong hệ lai ghép chạy chỉ khoảng 1/3 đến 1/2 so với hệ chỉ chạy máy phát diezen, do vậy chỉ mất nửa chi phí bảo dưỡng Đối với máy phát diezen thuần tuý, hệ số phụ tải thường rất thấp (50% hoặc thấp hơn) Điều này gây nên một số vấn đề và làm tăng đáng kể chi phí vận hành

Đối với hệ lai ghép, động cơ diezen thường vận hành trong thời gian phụ tải đỉnh hoặc nạp ăcquy vì hệ số phụ tải cao hơn và giảm chi phí vận hành so với máy phát diezen thuần tuý

2.3.1.5 Hiệu suất nhiên liệu cao

Ngoài các vấn đề về vận hành do hệ số phụ tải thấp, việc vận hành máy phát diezen khi non tải còn dẫn đến hiệu suất sử dụng nhiên liệu giảm thấp Khi vận hành đầy tải một động cơ sử dụng 100% suất tiêu hao nhiên liệu, còn khi mang 10% tải nó vẫn cần tới 50% suất tiêu thụ nhiên liệu Vì thế năng lượng sản ra khi tiêu hao 1 lít nhiên liệu sẽ thấp hơn

Trong hệ lai ghép, đóng tải cho máy phát có thể được khống chế có hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn

2.3.1.6 Giảm chi phí đầu tư

Các hệ PV thuần tuý đòi hỏi chi phí về bảo dưỡng thấp nhưng chi phí đầu tư lại cao Còn máy phát diezen thì ngược lại, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng tăng và chi phí đầu tư thấp

Đối với hệ lai ghép, chi phí ban đầu sẽ thấp hơn các hệ PV độc lập và sử dụng nhiên liệu cũng ít hơn hệ chỉ dùng máy phát diezen

2.3.1.7 Đáp ứng phụ tải linh hoạt hơn

Máy phát diezen có thể cung cấp bổ sung năng lượng bằng cách đơn giản là kéo dài thời gian vận hành, nhờ vậy mà hệ lai ghép sẽ dễ dàng chấp nhận sự tăng

của phụ tải Các hệ PV độc lập không thể đối phó được khi phụ tải tăng nhiều so với thiết kế và biện pháp duy nhất để gải quyết vấn đề này là tăng cỡ dàn lớn hơn phụ tải ban đầu Tương tự như vậy, máy phát diezen độc lập cũng không dễ dàng chấp nhận điều này và cũng chỉ có cách chọn lại cỡ máy theo phụ tải thực tế và hạn chế không cho phụ tải tăng, hoặc chọn cỡ máy lớn hơn và cho chạy non tải ở giai đoạn đầu

2.3.2 Những nhược điểm của hệ thống lai ghép

Cũng như các hệ thống kỹ thuật khác, hệ thống điện lai ghép cũng có một số các nhược điểm nhất định sau đây:

2.3.2.1 Phức tạp hơn trong điều khiển

Việc sử dụng kết hợp các nguồn phát điện với nhau dẫn đến sự phức tạp hơn trong điều khiển Ngoài việc vận hành riêng rẽ, hệ điều khiển cũng cần phải cho phép có sự tương hỗ và phối hợp vận hành giữa các nguồn Tuy nhiên, với sự phát triển của bộ vi xử lý, việc điều khiển và vận hành hệ thống sẽ bớt phức tạp hơn

2.3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật cao hơn

Các hệ lai ghép phức tạp hơn các hệ PV và diezen độc lập về mặt thiết kế Do vậy việc chế tạo và xây dựng đòi hỏi phải có kiến thức rộng về các thiết bị cũng như khả năng lắp giáp, vận hành

2.3.2.3 Bảo dưỡng thường xuyên hơn các hệ PV thuần tuý

Tuy các hệ lai ghép yêu cầu ít bảo dưỡng hơn hệ diezen thuần tuý, nhưng nó đòi hỏi bảo dưỡng nhiều hơn hệ PV thuần tuý Việc bảo dưỡng là yêu cầu cơ bản để duy trì vận hành của hệ thống Do ăcquy làm việc ở chế độ khắc nghiệt hơn nên việc duy trì, vận hành là rất cần thiết Việc thêm máy phát diezen vào hệ thống lai ghép cũng làm tăng thêm các công việc về chuyên môn và bảo dưỡng cho các thợ kỹ thuật

2.3.2.4 Cần có trình độ chuyên môn kỹ thuật cao hơn trong việc xử lý những sự cố

Các sự cố đối với hệ lai ghép đòi hỏi cán bộ cần có chuyên môn cao trong việc kiểm tra, xử lý Điều này có thể là khó khăn đối với địa phương, nơi không có

các cán bộ lành nghề Vì thế việc huấn luyện kỹ thuật viên cũng như các vấn đề về bảo dưỡng, các dịch vụ khác là rất cần thiết và phải chuẩn bị trước khi lắp đặt

2.3.2.5 Gây tiếng ồn và tăng ô nhiễm môi trường

Hệ PV thuần tuý tạo ra điện năng không gây ồn và ô nhiễm môi trường Việc đưa thêm vào hệ lai ghép máy phát diezen sẽ thải ra khí CO2 và các khí phát thải không mong muốn khác Ngoài ra tiếng ồn từ động cơ diezen có thể gây khó chịu đối với khu vực dân cư xung quanh

Thu thập sử lý các số liệu cơ sở như: số liệu về năng lượng gió, năng lượng mặt trời khu vực xung quanh vị trí được lựa chọn để xây dựng dự án (Các nguồn NLM & TT có thể tra trong sổ tay và năng lượng mặt trời, năng lượng gió của Viện Khí tượng thủy văn) Các số liệu khí tượng thủy văn khu vực lân cận cũng cần được thu thập, rồi bản đồ địa hình của khu vực xây dựng hệ thống, giá xây dựng trên địa bàn tại thời điểm xây dựng, giá các thiết bị trong hệ thống cũng như các thiết bị điện và thiết bị truyền tải khác Ngoài ra cần đánh giá tốc độ tăng trưởng tiêu thụ điện ở các khu vực nông thôn vừa mới được điện khí hoá (có thể lấy thông tin từ ngân hàng thế giới hoặc ngân hàng phát triển Châu Á)

Tiếp theo là đi đánh giá nhu cầu điện trong tương lai, phân tích nguồn cung cấp điện hiện tại, xác định nhu cầu tiêu dùng điện điển hình đối với các loại hộ sử dụng điện năng và phân bố công suất tải cho sinh hoạt, xác định nhu cầu tiêu dùng điện cho dịch vụ công cộng và cho sản xuất nông lâm nghiệp, Dự báo nhu cầu điện năng và công suất đỉnh cho sinh hoạt, sản xuất, dịch vụ và phục vụ công cộng khu vực trong 20 năm tới, điều kiện kinh tế và khả năng chi trả tiền điện của các hộ

Từ những đặc điểm trên và căn cứ vào tình hình thực tế của cụm dân cư Đầm Báy nằm ở đảo Hòn Tre thuộc Khu bảo tồn biển Vịnh Nha Trang tỉnh Khánh Hoà thì thấy rằng đây là địa điểm có thể lựa chọn để xây dựng dự án về hệ thống điện hỗn hợp sử dụng nguồn năng lượng mặt trời – diezen

3.2 Mô tả địa điểm lựa chọn xây dựng

3.2.1 Những đặc điểm về địa lý

Đảo Hòn Tre có diện tích 3600 ha, phần lớn là rừng và núi đá, chỉ có một số khu vực có dân sinh sống như: Vũng Me, Vũng Ngán, Đầm Báy, Bích Đầm Dân số tổng số trên đảo hiện nay là 355 hộ gia đình, bình quân có 5 người sống trong một hộ (trong đó Vũng Me: 45 hộ, Vũng Ngán: 94 hộ, Đầm Báy: 40 hộ và Bích Đầm là 176 hộ)

Đầm Báy nằm ở đảo Hòn Tre với 120

12’ độ vĩ Bắc, 1090

18’ độ kinh Đông thuộc khu vực nhiệt đới, nhưng ít mưa và mùa khô kéo dài Nhiệt độ trung bình năm khoảng 25 - 26oC và độ ẩm ở mức trung bình 85%

3.2.2 Điều kiện về kinh tế và xã hội

Hoạt động kinh tế chính của cư dân đảo Hòn Tre là đánh bắt cá và hải sản Việc đánh bắt cá và hải sản có thể suốt cả năm ở khu vực biển gần bờ Người ta thường dùng các thuyền nhỏ (công suất 9 -20kW) và đánh bắt 4 - 5 giờ trong 1 ngày (vào ban đêm)

Sản xuất nông nghiệp chủ yếu ở Đầm Báy là trồng lúa và chăn nuôi gia súc, gia cầm Có một vài hộ làm dịch vụ chế biến cá và hải sản Hiện tại chưa có một cơ sở tiểu thủ công nghiệp nào

Tiềm năng phát triển kinh tế, xã hội của đảo là phát triển xây dựng các cơ sở chế biến hải sản, bảo tồn sinh vật biển

Thu nhập bình quân của dân cư trên đảo khoảng 3,5 đến 4,0 triệu đồng/người một năm Khó khăn chính cho sự phá t triển kinh tế - xã hội là diện tích đất nông nghiệp quá ít, nguồn cá và hải sản không ổn định và ngày càng khan hiếm, thiếu nước sinh hoạt trong mùa hè, thiếu đường đi lại Phần lớn các nhu cầu tối thiểu