Hình 2 .27 Modun mặt trời ghép song song
Hình 2. 34 Nhà máy điện đảm bảo cung cấp điện cả ngày với sự hỗ trợ của bồn nhiệt
nhiệt
Sự phát triển của loại nhà máy này bắt đầu từ năm 1906. Tại Mỹ và nhiều vùng ở Cairo (Ai cập dưới thời kỳ cai trị của người Anh) các nghiên cứu ứng dụng đã được thực hiện và bước đầu đã thành cơng. Nói chung, cấu tạo và ngun lý hoạt động của chúng hầu như không đổi cho đến ngày hôm nay. Mặc dù vậy, các vấn đề có liên quan đến vật liệu và các vấn đề kỹ thuật khác đã kết thúc nỗ lực đầu tiên về loại máy phát với công suất lớn vào năm 1914, trước chiến tranh thế giới thứ nhất.
Ngày nay Mỹ và một số nước châu Âu đã đưa ra nhiều chính sách hỗ trợ để phát triển loại hình nhà máy này. Một số nhà máy lớn được xây dựng tại Nevada (Mỹ), Guadix (Tây Ban Nha). Sự phát triển của công nghệ cũng giúp tăng hiệu suất và giảm giá thành. Một sự lựa chọn mới là hóa hơi trực tiếp nước bằng ánh sáng mặt trời. Với loại mới này, nước sẽ được bay hơi dưới áp suất cao, ở nhiệt độ khoảng 500 độ C trước khi được dẫn vào tuabin.
- Hệ thống thu nhiệt dạng tháp (Solar tower power plant): Với nhà máy điện tháp mặt
trời, hàng trăm hay thậm chí hàng nghìn các tấm gương được lắp đặt xung quanh một tháp. Được gọi là các kính định nhật, những tấm gương này được điều khiển riêng biệt bởi máy tính để dõi theo sự di chuyển của mặt trời đồng thời hướng đến đỉnh tháp. Chúng phải được hướng với độ chính xác vài phần trăm của một độ để có thể phản chiếu ánh sáng đến điểm trung tâm (tâm điểm). Một bình chứa sẽ được đặt ở đó với thiết bị thu, cái mà dưới tác dụng của ánh sáng tập trung sẽ được nung nóng lên đến nhiệt độ trên 1000 độ C. Khơng khí hay các muối nóng chảy vận chuyển nhiệt. Tuabin khí hay hơi sẽ điều khiển máy phát để biến đổi nhiệt thành năng lượng điện.
72
Có hai loại nhà máy điện tháp, loại bình chứa thể tích khơng áp suất và loại bình chứa có áp suất. Với loại bình chứa thể tích khơng áp suất, khơng khí từ mơi trường sẽ được chuyển đến bình chứa (nơi nhận các tia sáng phản xạ từ các tấm gương) bởi một quạt gió. Bình chứa được nung nóng bởi các tia bức xạ mặt trời và chuyển nhiệt độ đó qua cho khơng khí xung quanh (ở trong bình chứa). Khơng khí trước khi vào bình chứa có nhiệt độ thấp. Nhiệt độ cao chỉ đạt được trong bình chứa. Loại nhà máy này giảm mất mát nhiệt do phát xạ. Khơng khí được tăng nhiệt độ lên từ 650 độ C đến 850 độ C, trước khi đưa vào lò hơi để làm bay hơi nước, điều khiển chu trình hơi trong tuabin. Trong trường hợp địi hỏi, có thể nó sẽ được kết hợp với các loại nhà máy điện khác.
Hình 2. 35. Loại bình chứa khơng áp suất
Loại thứ hai là nhà máy điện tháp mặt trời với bình chứa có áp suất. Loại này đang cho thấy nhiều tương lai hứa hẹn. ánh sáng được tập trung để đốt nóng khơng khí trong bình chứa có áp suất khoảng 15 bar và nhiệt độ lên tới 1100 độ C. Khơng khí nóng được sử dụng để chạy tuabin. Khơng khí nóng sau khi được sử dụng một lần ở tuabin lại được tái sử dụng để tạo hơi nóng cho một chu trình khác. Với loại nhà máy này, hiệu suất sẽ tăng từ 35% đến 50%.
73
Hình 2. 36. Nhà máy điện với bình chứa áp suất
Trái với nhà máy điện hình máng parabol, chúng ta hiện khơng có nhiều kinh nghiệm về loại nhà máy này trên thị trường. Mặc dù vậy, mọi nghiên cứu ứng dụng để tối ưu hóa các thành phần cấu tạo hay kiểm tra chúng hiện đã được tiến hành ở Almeria (Tây Ban Nha), Daggett (Mỹ), và Rehovot (Israel). Nhà máy điện tháp đầu tiên được xây dựng có cơng suất 11 MW ở Seville, Tây Ban Nha năm 2006. Mặc dù vậy, thay vì đốt nóng khơng khí thì bình chứa của nhà máy này lại làm bay hơi nước. Do nhiệt độ thấp, hiệu suất của nó tương đối thấp. Năm 2006 người ta cũng khởi động việc xây dựng một nhà máy có cơng suất 20 MW gần Seville cũng như các nhà máy khác trong giai đoạn thiết kế.
Hình 2. 37. Nhà máy điện ở Almeria, Tây Ban Nha
Trước khi thành công trên thị trường, kỹ thuật sử dụng trong nhà máy với bình chứa khơng khí (khơng có áp suất) được phát triển lần đầu tại Đức đã được chứng minh
74
là phù hợp với ứng dụng thực tiễn. Hiện nó đã được kiểm tra tại nhà máy mới xây dựng tại Julich, Đức, tuy nhiên nó chỉ có cơng suất khoảng 1,5 MW. Mục tiêu của chính phủ Đức với loại nhà máy này chỉ là xuất khẩu cơng nghệ cho các nước ở vùng có nhiều nắng nóng trên thế giới.
Hệ thống thu nhiệt dạng chảo – động cơ Stirling (Dish-Stirling power plants):
Trong khi nhà máy điện hình máng và tháp vẫn chỉ kinh tế khi được sử dụng với những ứng dụng cỡ vài MW, thì nhà máy điện mặt trời với tên gọi hệ thống đĩa-động cơ Stirling có thể được sử dụng cho nhu cầu nhỏ hơn – ví dụ, để cung cấp điện cho các khu dân cư hay các ngôi làng ở vùng xa xôi hẻo lánh. Với hệ thống này một gương cầu lõm với kích cỡ lớn sẽ tập trung ánh sáng vào một điểm tập trung, gọi là tâm điểm. Để chắc rằng ánh sáng được tập trung đủ mạnh, gương này sẽ được điều khiển dựa trên nhiều trục quay để có thể dõi theo một cách chính xác sự di chuyển của mặt trời. Một bộ nhận sẽ được cài đặt ở tâm điểm. Bộ nhận này sẽ truyền nhiệt vào tâm của hệ thống: động cơ Stirling. Động cơ này sẽ chuyển hóa nhiệt thành động năng và chạy máy phát, tạo ra điện.
Một động cơ Stirling có thể được điều khiển khơng chỉ bởi nhiệt của mặt trời mà cịn nhiệt sinh ra bởi q trình đốt nóng. Khi được kết hợp với các buồng đốt sinh học, những nhà máy này có thể sản xuất ra điện vào buổi tối hay trong điều kiện thời tiết xấu. Và sự sử dụng khí sinh học cũng tạo ra các phân tử cacbon.
Nhà máy đầu tiên loại này đã được xây dựng tại Ả rập Sau đi, Mỹ hay Tây Ban Nha (hình vẽ). So với nhà máy điện máng và tháp, thì giá cho mỗi số điện loại này tương đối cao. Giá thành sẽ giảm đi tương đối nếu được lắp đặt với yêu cầu công suất lớn.
Hình 2. 38. Nhà máy 10 kW ở Almeria Tây Ban Nha
Hệ thống thu nhiệt dạng ống khói (Solar chimney power plants): Có một sự khác biệt lớn giữa nhà máy điện có ống khói với những nhà máy điện đã nói đến ở trên.
75
Trong khi nhà máy điện nhiệt mặt trời hoạt động dựa trên việc tập trung ánh sáng thì nhà máy điện có ống khói lại dựa trên nhiệt độ của khơng khí. Những khu thu thập được xây dựng bởi diện tích mặt phẳng lớn được bao phủ bởi một mái bằng kính hay nhựa. Một ống khói cao sẽ được đặt ở giữa khu vực đó, và những mái hấp thụ đặt vng góc với ống khói. Khơng khí có thể di chuyển tự do dưới mái khổng lồ. Mặt trời làm ấm khơng khí dưới mái kính. Khơng khí này tiếp đến sẽ di chuyển lên phía trên, chạy qua những phần dốc của mái và cuối cùng có tốc độ rất nhanh chảy qua ống khói. Dịng khơng khí di chuyển sẽ điều khiển tua bin gió, điều khiển máy phát tạo ra điện.
Hình 2. 39. Nhà máy điện mặt trời có thống thu nhiệt dạng ống khói
Mặt đất dưới những mái kính có thể dự trữ nhiệt nên nhà máy điện này vẫn có thể tạo ta điện thậm chí sao khi mặt trời đã lặn. Nếu những ống nước được đặt ở dưới đất, sẽ trữ đủ nhiệt để có thể giúp nhà máy cung cấp đủ điện trong tất cả các giờ. Đầu thập niên 80, một nhà máy điện nhỏ loại này với công suất định mức khoảng 50 kW đã được xây dựng gần Manzanares Tây Ban Nha. Mái thu nhận của nhà máy này có đường kính trung bình là 122 mét và chiều cao trung bình là 1,85 mét. Ống khói cao 195 m và đường kính là 5 mét. Nhà máy điện này bị phá hủy vào năm 1988 sau khi một trận bão đã quật đổ ống khói. Mặc dù vậy, tất cả những bài kiểm tra lên kế hoạch đã được hoàn tất và những nhà máy điện nghiên cứu sẽ được trơng đợi. Đó là thành cơng đầu tiên của loại nhà máy này.
Bởi hiệu suất của nhà máy điện ống khói khi so sánh với các kỹ thuật khác vẫn rất thấp, những nhà máy này đòi hỏi một diện tích đất đai lớn. Hơn nữa, hiệu suất tăng lên tỷ lệ thuận với chiều cao của tháp. Do vậy, để kinh tế, nhà máy điện này phải có một kích cỡ nhỏ. Ví dụ, những dự án nhà máy mới hiện đang được thảo luận ở Úc. Một nhà máy điện với công suất khoảng 200 MW với chiều cao tháp 1000 m, đường kính 180 m và
76
đường kính của khu vực thu ánh sáng bằng 6000 m. Sẽ rất khó khăn để phỏng đốn liệu việc xây dựng nhà máy điện với công suất lớn có được lợi về kinh tế hay khơng. Nhưng dựa vào tầm nhìn dài hạn, nhà máy điện ống khói ở những vùng sa mạc trên thế giới có tiềm năng để tạo ra sự cạnh tranh về kinh tế với những nhà máy điện truyền thống khác.
77
Câu hỏi chương 2
1. Hãy trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy nước nóng mặt trời.
2. Hãy trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại nhà máy nhiệt điện mặt trời? 3. Pin quang điện là gì? Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện? 4. Hãy trình bày tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và tiềm năng phát triển
ở Việt Nam?
5. Hãy trình bày các đặc trưng của pin mặt trời? 6. Trình bày sơ đồ hệ thống nguồn điện pin mặt trời?
78
CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG GIÓ Giới thiệu: Chương này trình bày các nội dung về năng lượng gió:
• Giới thiệu về năng lượng gió; • Sự hình thành năng lượng gió; • Tổng quan về Tuabin gió; • Máy phát điện tuabin gió;
• Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác năng lượng gió. - Về kiến thức:
+ Mơ tả khái qt về sự hình thành năng lượng gió. + Trình bày được cấu tạo của máy phát điện gió. + Trình bày cách thiết kế năng lượng gió trục đứng. - Về kỹ năng:
+ Tính tốn thiết kế năng lượng gió. + Lựa chọn công suất phù hợp với phụ tải.
- Về thái độ: Có tinh thần học tập, rèn luyện nâng cao kiến thức/kỹ năng, tự tìm tịi nghiên cứu tài liệu một cách sáng tạo và tích cực.
3.1. Giới thiệu
Lịch sử ứng dụng năng lượng gió: Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành các cỗ máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió để dong buồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc. Hình ảnh cối xay gió trên những miền quê phương Tây đã trở nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ
79
Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầu tiên ra đời, với tên gọi là turbine-gió để phân biệt với cối-xay-gió (biến năng lượng gió thành cơ năng). Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điện đầu tiên trên thế giới tại Cleveland, Ohio vào năm 1888. Giống như một cối xay gió khổng lồ có đường kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng, Hình 3.1. Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng một turbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Hình 3.2. Turbine gió này có một rơ to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn.
Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy của khái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình trịn, Hình 2.3. Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục đứng Darrieus. Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh mềm dạng cánh máy bay. Một đầu cánh gắn ở đỉnh và một đầu gắn xuống đáy của trục đứng chính turbine, giống như một cái máy đánh trứng khổng lồ. Sau đó những mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất turbine cao hơn.
Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạch hiện đại. Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia.
80
Hình 3. 3. Turbine gió trục đứng kiểu Savonius
Tuy nhiên mãi đến những năm 1980, cơng nghệ turbine gió mới đủ thuận lợi để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện. Hầu hết các nghiên cứu và phát triển đều tiến hành trên turbine trục ngang, mặc dù vẫn có các nghiên cứu sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đứng Darrieus ở Canada và Mỹ vào những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của nó là chiếc máy với đường kính rơ to là 100m có cơng suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” tại Cap Chat – Quebec, Hình 3.4. Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 tháng thì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng của cánh quạt q kém.
Hình 3. 4. Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C”, Cap Chat, Quebec
Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 cơng suất tối đa của các turbine gió chỉ có 50 kW. Đến năm 1995 các turbine gió thương mại đã đạt công suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW. Trong thời gian đó, chi phí xây dựng các turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điện năng giảm đi một nửa. Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loại cực nhỏ, vì sản lượng của chúng chỉ vài kWh/tháng. Các turbine gió ngày nay được xây dựng với kích thước lên đến 3 MW và đường kính là 100m. Hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn.
Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, cơng nghệ turbine gió có thể giải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài ngun hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tn thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên.
81
Cơng suất lắp đặt năng lượng gió trên thế giới tăng theo hàm mũ, và tăng gấp hai lần công suất của những năm cuối thập kỷ. Điều mà từ trước đến nay không một công nghệ năng lượng nào làm được. Mặc dù phải đối diện với nhiều khó khăn trong khâu truyền tải, cung cấp, nhưng thị trường năng lượng gió của năm 2006 tăng một cách chóng mặt tới 32% sản lượng năm 2005.
Năm 2006 tổng sản lượng điện gió tồn cầu đạt 74.223 MW, tức tăng thêm 15.197 MW so với năm 2005 là 59.091MW. Những nước có sản lượng cao ấn tượng nhất là:
• Đức : 20.621 MW
• Tây Ban Nha : 11.615 MW • Hoa Kỳ : 11.603 MW • Ấn Độ : 6.270 MW • Đan Mạch : 3.136 MW
Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu Âu, cho thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng. Mỹ và Canada cũng tích cực phát triển mở rộng tăng cơng suất năng lượng gió.
Các nước Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ cũng bắt đầu đưa năng lượng gió vào nền cơng nghiệp năng lượng của nước mình. Hiện tại các nước này có những dự án phát triển đến năm 2010 đạt được sản lượng là 150 GW.
Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mức độ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các nước cũng như cộng đồng quốc tế. Đây cũng là trách nhiệm chính cho các nước trong