DANH SÁCH CÁC ẢNG
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nƣớc
nƣớc
Vấn đề năng lượng tái tạo là một trong những chủ đề nóng nhất trên tồn thế giới ngày nay do sự tiêu thụ nhanh và rất lớn của các loại nhiên liệu hóa thạch. Năng lượng tái tạo có thể được bắt nguồn từ một số nguồn tài nguyên như năng lượng mặt trời, gió, sóng biển, dịng chảy và thủy triều, địa nhiệt, các nguồn sinh học... [1]. Năng lượng tái tạo trong các hệ thống điện đang gia tăng nhanh chóng đặc biệt là đối với hệ thống điện mặt trời và hệ thống gió. Năng lượng tái tạo đã chiếm khoảng 23,7% lượng tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên toàn thế giới trong năm 2015 trong đó năng lượng mặt trời và năng lượng gió chiếm 77% và cịn lại là các nguồn năng lượng khác [2].
Theo “Báo cáo năng lượng tái tạo tồn cầu” từ năm 2010 đến năm 2015 thì năng lượng mặt trời và năng lượng gió có xu hướng tăng mạnh nhất theo từng năm được tổng hợp cụ thể theo bảng 1.1.
Bảng 1.1: Năng lượng gió và mặt trời tổng hợp theo từng năm.
Nội dung Công
suất 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Dung lượng năng lượng tái
tạo (bao gồm thủy điện). GW 1.250 1.355 1.470 1.560 1.712 1.849 Dung lượng năng lượng tái
tạo (không bao gồm thủy điện).
GW 315 395 480 560 657 785 Dung lượng năng lượng
mặt trời. GW 40 71 100 139 177 227 Dung lượng năng lượng
gió. GW 198 238 283 318 370 433
2
Với số liệu trên, năng lượng gió đang gia tăng với tốc độ hàng năm là từ 16%- 20%, với cơng suất lắp đặt trên tồn thế giới của 198 MW cuối năm 2010 và tăng đến 433 GW vào đến cuối năm 2015. Tương tự, năng lượng mặt trời phát triển rất nhanh chóng, thống kê vào cuối năm 2010 sản lượng là 40 GW đến cuối năm 2015 sản lượng là 227GW, sản lượng điện năm 2015 đã tăng lên 567% so với năm 2010.
Việt Nam là nước có nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo sạch khá dồi dào, nhưng chưa được chú trọng khai thác. Nguồn năng lượng tái tạo của Việt Nam được phân bố trên khắp cả nước. So với tiềm năng thì khai thác năng lượng tái tạo vẫn còn ở mức khiêm tốn, như điện tái tạo chiếm 1,8% trong tổng sản xuất điện quốc gia [3]. Tiềm năng về năng lượng gió tốt khoảng 31.000 km2 diện tích đất có thể có sẵn cho phát triển gió, trong đó 865 km2 tương đương với một điện gió 3.572 MW có chi phí thế hệ thấp hơn 6 cent Mỹ/kWh [4].
Bảng 1.2: Tài nguyên gió của Việt Nam ở độ cao 80m
Tài nguyên gió của Việt nam Tốc độ gió trung bình < 4 m/s 4-5 m/s 5-6 m/s 6-7 m/s 7-8 m/s 8-9 m/s > 9 m/s Diện tích (km2) 95,916 70,868 40,473 2,435 220 20 1 Phần trăm diện tích 45.7% 33.8% 19.3% 1.2% 0.1% 0.01% < 0.01% Tiềm năng (MW) 956.161 708.678 404.732 24.351 2.202 200 10
(Nguồn: AWS TruePower, 2011. Wind resource atlast of Vietnam. 463 New Karner Road, Albany, New York 12205)
3 LEGEND Unit: m/s > 3.00 3.00 – 3.25 3.25 – 3.50 3.50 – 3.75 3.75 – 4.00 4.00 – 4.25 4.25 – 4.50 4.50 – 4.75 4.75 – 5.00 5.00 – 5.25 5.25 – 5.50 5.50 – 5.75 5.75 – 6.00 6.00 – 6.25 6.25 – 6.50 6.50 – 6.75 6.75 – 7.00 7.00 – 7.25 7.25 – 7.50 7.50 – 7.75 7.75 – 8.00 8.00 – 8.25 8.25 – 8.50 8.50 – 8.75 8.75 – 9.00 9.00 – 9.25 9.25 – 9.50 9.50 – 9.75 9.75 – 10.00 > 10 Quang Binh SOUTH CHINA SEA CHINA LAO THAILAND CAMBODIA Hanoi GULF OF THAILAND Ho Chi Minh . Batdambang . Phnom Penh
(Atlas gió năm 2010, độ cao 80m [21])
Hình 1.1: Bản đồ tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 m so với mặt đất.
Hiện nay, Việt Nam đã có nhiều dự án phát triển điện gió ở đang được triển khai, chủ yếu tập trung ở các tỉnh miền Trung và miền Nam với tổng cơng suất đăng
4
ký là 5.000 MW. Chính phủ Việt Nam đã ban hành Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió, nhằm mua tồn bộ năng lượng gió nối lưới điện của các dự án điện gió với mức giá tối thiểu là 1.614 đồng/ kWh. Một số dự án điện gió tiêu biểu của Việt Nam theo bảng 1.3
Bảng 1.3: Các dự án điện gió tiêu biểu ở Việt Nam [22]
Dự án điện gió Hợp tác với Cơng suất (MW) Tổng vốn đầu tƣ (triệu USD) Suất vốn đầu tƣ (triệu USD/MW) Giá bán điện (Cent /kWh) Thời gian hoàn vốn Phương Mai (Bình Định) Nhật 30 53,252 1,775 5,8 - Tu Bông 1 ( Khánh Hòa) Đức 10 17,384 1,738 5 16 Tu Bơng 2 ( Khánh Hịa) Đức 20 37,483 1,874 4,8 12 Cửa Tùng (Quảng Trị) Đức 20 21,160 1,058 4-7 7-8 Đảo Bạch Long Vĩ (Hải Phòng) Đức 0,8 0,874 1,092 5,8 7-8
Ưu điểm nổi bật nhất của điện gió là khơng lo hết hay cạn kiệt nguồn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng. Ngoài ra, các trạm điện gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện. Song nhược điểm cơ bản của năng lượng gió là phụ thuộc hồn tồn vào điều kiện gió và như vậy sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của dòng điện.
Một dạng năng lượng tái tạo khác có nguồn vơ hạn đó là năng lượng mặt trời. Ở các vùng miền Trung và miền Nam của đất nước với tổng số giờ nắng trong năm dao động trong khoảng 1.400-3.000 giờ, cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4-5 kWh/m2/ngày tăng dần từ Bắc vào Nam [5]. Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú có thể đáp ứng đầy đủ để xây dựng kinh tế Việt Nam [6]. Năng lượng điện mặt trời là loại
5
năng lượng tái sinh có nhiều ưu điểm: Dễ dàng lắp đặt tại mái các ngôi nhà cao tầng, ít tác động tới môi trường, dự trữ là một nguồn vô tận [7]. Nhược điểm hệ thống là hiệu quả làm việc phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, việc sản xuất điện mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự ảnh hưởng của các đám mây và không sản xuất được điện vào ban đêm.
(Nguồn: Map of solar resource and potential in Viet Nam)
Hình 1.2: Bản đồ phân bố bức xạ trung bình trong năm của Việt Nam
Năng lượng mặt trời và năng lượng gió thường khơng liên tục và có thể tạo ra những thách thức về kỹ thuật đối với việc cung cấp cho điện lưới, đặc biệt khi lượng điện từ năng lượng mặt trời và gió thay đổi mạnh thì sẽ dẫn đến sự dao động trong hệ thống điện. Ngoài ra, nếu năng lượng mặt trời hoặc gió được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một hệ thống độc lập thì cần phải có hệ thống lưu trữ năng lượng để đảm bảo cung cấp điện liên tục. Dung lượng của các bộ lưu trữ năng lượng
6
phụ thuộc vào mức độ liên tục của mặt trời hoặc gió. Bằng cách tích hợp các nguồn năng lượng với nhau ta có thể giúp giảm dung lượng của thiết bị lưu trữ này.
Giải pháp kết hợp hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời có thể cung cấp một phần nhu cầu năng lượng điện của cho hệ thống điện [8]. Sự kết hợp này có thể cung cấp độ tin cậy tốt hơn và tiết kiệm hơn cũng như sẽ bổ sung vào nhau để nâng cao năng suất hoạt động.
Hình 1.3: Sơ đồ kết hợp giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời.[2]
Tích hợp nguồn na ng lu ợng gió và na ng lu ợng mạ t trời với lu ới điẹ n đang là xu hu ớng phát triển hiẹ n nay của các quốc gia trên thế giới nhằm khai thác triẹ t để nguồn na ng lu ợng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi tru ờng và phá hủy môi tru ờng sinh thái. Các nghiên cứu tính khả thi của việc tích hợp các tấm pin mặt trời quang điện (PV) và tuabin gió vào lưới điện cũng bằng cách lưu trữ năng lượng [9]. Tuy nhiên, các hẹ thống tích hợp này thu ờng đu ợc áp dụng trong các hẹ thống nhỏ, công suất vài chục MVA [10-12]. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời [13] và năng lượng điện gió [14-15] trong hệ thống điện đã được triển khai. Thực tiễn, nhiều dự án thực hiện tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời đã được triển khai ở nhiều tỉnh gần biển, tiêu biểu như sau:
+ “Dự án xây dựng mơ hình trình diễn ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió và đèn LED tiết kiệm điện phục vụ chiếu sáng, tưới lan và làm mát san hô tại trụ sở Trung tâm Ứng dụng tiến bộ KH&CN”.
7
Hình 1.4: Lắp đặt Tuabin gió và pin mặt trời tại tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu.[23]
+ “Dự án tổng thể năng lượng sạch và chiếu sáng quần đảo Trường Sa và Nhà Dàn DK” được xây dựng trên đảo Trường sa Việt Nam”.
8
Hình 1.5: Lắp đặt tuabin gió và pin mặt trời tại Trường Sa [24]
+ “Dự án phát điện kết hợp năng lượng mặt trời, sức gió giúp giảm tải cho điện lưới Quốc gia đã hồn thành và chính thức đưa vào sử dụng tại Ga Nha Trang (tỉnh Khánh Hòa)”.
9
Các nghiên cứu về điều khiển máy phát điện gió đã được thực hiện thơng qua việc điều khiển dùng DFIG [ tài liệu] và
Ngày nay, với sự phát triển vu ợt bạ c của khoa học công nghẹ , các hẹ thống tích hợp này đã đu ợc triển khai trong các ứng dụng có cơng suất lớn, khoảng vài trăm MVA [16]. Ho n nữa, viẹ c hòa lu ới và kết hợp với các nguồn na ng lu ợng có cơng suất lớn từ các nhà máy máy thủy điẹ n, nhiẹ t điẹ n là xu hu ớng tất yếu. Trong [17], na ng lu ợng gió, na ng lu ợng mạ t trời tích hợp với các máy phát điẹ n phân tán đã đu ợc nghiên cứu và phần nào kh ng định đu ợc tính thiết thực trong xu hu ớng trên. Để hệ thống tích hợp năng lượng điện gió và mặt trời làm việc ổn định và hiệu quả trong lưới điện thơng minh cần phải có các hệ thống điều khiển linh hoạt, khắc phục được những tác động của các yếu tố ngẫu nhiên như bức xạ mặt trời, tốc độ gió,... [18], mơ hình lai gió kết nối hệ thống điện cho người sử dụng lưới điện độc lập với bộ điều khiển dịng điện thích hợp [19].
Do đó, các nghiên cứu về bộ điều khiển nối lưới điện cho hệ thống kết hợp tuabin gió và nguồn pin mặt trời được cơng bố; Với những hẹ thống phát điẹ n tích hợp này, viẹ c thiết kế các bộ điều khiển nhằm giảm dao đọ ng và nâng cao đọ ổn định hẹ thống đóng vai trị rất quan trọng. Vì dao động này có thể xuất phát từ sự thay đổi liên tục, ngẫu nhiên của tốc độ gió, từ sự thay đổi cu ờng độ của ánh sáng mạ t trời hay từ các nhiễu tác đọ ng trực tiếp lên các máy phát điẹ n. Trong đó, bộ điều khiển PID là một trong những phu o ng pháp đơn giản và mang lại hiẹ u quả cao nhằm nâng cao độ ổn định hẹ thống đu ợc đạ t ngay tại bộ chỉnh lu u trong đu ờng dây truyền tải điẹ n một chiều điẹ n áp cao [20]. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu của hệ thống tích hợp các dạng năng lượng này với các máy phát điện đồng bộ cũng chưa tạo được sự thu hút đặc biệt. Ngoài ra, việc nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển nhằm nâng cao ổn định của các hệ thống điện tích hợp này cũng chưa được triển khai. Trong trường hợp này, sử dụng bộ điều khiển PID dùng kỹ thuật gán cực là một trong những phương pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao, thiết bị này cũng phù hợp về giá thành cũng như tính năng điều khiển mà nó mang lại.
10