Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết hợp với địa nhiệt

Để khắc phục hạn chế của nguồn năng lượng mặt trời và địa nhiệt, Luận văn đề xuất mô hình máy phát điện kết hợp năng lượng nhiệt mặt trời với địa nhiệt sẽ tạo ra hiệu suất phát điện cao

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

KẾT HỢP VỚI ĐỊA NHIỆT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

KẾT HỢP VỚI ĐỊA NHIỆT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 1620610

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ TẤN HÙNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

KẾT HỢP VỚI ĐỊA NHIỆT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 1620610

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Ngày, tháng, năm sinh: 05 – 09 – 1976 Nơi sinh: Tp.HCM

Địa chỉ liên lạc: 24B Đống Đa, F2, Q Bình Thạnh

Điện thoại riêng: 0917528497

Ngành học: Điện – Điện Tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: tìm hiểu và thiết kế crad giao tiếp dùng cho việc nhận dạng tiếng nói

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1999 tại trường đại học

sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Việt Hùng

2 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 5/2016 đến 10/2017 Nơi học (trường, thành phố): Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật điện

Tên luận văn: Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết hợp với địa nhiệt

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 10/2017 tại trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: PGS TS Lê Chí Kiên

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 9 năm 2017

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Tấn Hùng

iv

CẢM TẠ

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, cùng với sự nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ của quý Thầy Cô, Tôi đã hoàn thành được Luận văn tốt nghiệp này

Trước hết, Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử và Phòng quản lý sau đại học Trường Đại học Sư Phạm

Kỹ Thuật Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ và thực hiện tốt Luận văn tốt nghiệp trong thời gian qua

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Lê Chí Kiên, người thầy đã

tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm để tôi hoàn thành tốt Luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình và bạn bè đã tạo

cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành Luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2017

Học viên thực hiện

Lê Tấn Hùng

v

TÓM TẮT

Nhu cầu điện năng tiêu thụ ngày càng tăng, theo dự đoán năm 2020 cần có

265 tỷ KWh, đến năm 2030 cần có 570 tỷ KW, nguồn năng lượng hoá thạch như than, khí đốt…ngày càng cạn kiệt Vấn đề đặt ra phải tình toán để khai thác tiềm năng, các nguồn điện trong nước cần đầu tư khai thác, đặt biệt là nguồn năng lượng tái tạo: điện gió điện mặt trời, địa nhiệt, điện sinh khối …

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận và hoàn toàn miễn phí nên rất

có tiềm năng để cung cấp điện cho chúng ta trong tương lai Nhưng năng lượng mặt trời phụ thuộc rất nhiều thời thời tiết

Bên cạnh đó địa nhiệt là nguồn năng lượng vô tận ít chịu ảnh hưởng của thời tiết đã được con người sử dụng từ lâu chủ yếu là sưởi ấm Với công nghệ hiện nay con người có thể sử dụng nguồn nhiệt từ các giếng địa nhiệt để tạo ra điện bằng cách sử dụng hơi nóng làm quay tua bin của máy phát Nhưng hiệu suất các máy phát điện đó không cao do bị tổn thất bởi các thành phần cơ khí chuyển động

Để khắc phục hạn chế của nguồn năng lượng mặt trời và địa nhiệt, Luận văn

đề xuất mô hình máy phát điện kết hợp năng lượng nhiệt mặt trời với địa nhiệt sẽ tạo ra hiệu suất phát điện cao hơn các mô hình địa nhiệt điện truyền thống sử dụng tua bin Luận văn sử dụng phương pháp giải tích sử dụng trong mô hình đề xuất Kết quả là mô hình đề xuất có hiệu suất phát điện 51,44% lớn hơn hệ thống địa nhiệt truyền thống 39.8% và hệ thống nhiệt mặt trời 19.89%

vi

ABTRACT

Demand for power consumption is increasing, 2020 is expected to be 265 billion KWh, by 2030 to 570 billion KW, fossil fuels such as coal, gas increasingly exhausted The problem is set to exploit the potential, the power sources in the country need to invest in exploitation, especially renewable energy sources: wind power solar, geothermal, biomass electricity

Solar energy is inexhaustible and free so it has the potential to provide power for us in the future But solar energy is highly dependent on weather

In which geothermal energy is inexhaustible less affected by the weather and it was long used mainly heating Now people can use heat from geothermal wells to generate electricity by using steam that turns a tua bine's generator But the efficiency of the tua bine generator is not higher due to losses by the moving mechanical components

To overcome the limitations of solar and geothermal power, the thesis proposes a generator model combining solar thermal power with geothermal will generate higher generation efficiency than geothermal transmission models using tua bines The dissertation uses the analytical method used in the proposed model

As a result, the proposed model is more efficient 51,44% than conventional geothermal systems 39.8% and solar thermal systems 19.89%

vii

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

CẢM TẠ iv

TÓM TẮT v

ABTRACT vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG x

CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Error! Bookmark not defined Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài 7

1.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của chuyên đề 8

1.4 Phương pháp nghiên cứu 8

1.5 Điểm mới của đề tài 8

1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài 8

1.7 Bố cục 9

Chương 2 C S L TH ẾT 10

2.1 Tổng quan về năng lượng địa nhiệt và các phương pháp khai thác sử dụng 10

2.1.1 Nguồn năng lượng địa nhiệt 10

2.1.2 Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng địa nhiệt 14

2.1.3 Phân loại các nguồn năng lương địa nhiệt 15

2.2 Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác sử dụng 16

2.2.1 Nguồn năng lượng mặt trời 16

2.2.2 Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời 18

2.2.3 Tập trung NLMT hiệu suất cao 20

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 23

3.1 Tua bin khí 23

viii

3.1.1 Khái niệm 23

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 23

3.2 Mô hình phát điện sử dụng tua bin khí kết hợp nhiệt mặt trời và địa nhiệt 25

3.2.1 Nguyên lý làm việc: 25

3.2.2 Phân tích bộ thu năng lượng mặt trời và địa nhiệt: 27

3.2.3 Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt: 28

3.2.4 Phân tích máy nén: 28

3.2.5 Phân tích tua bin khí: 30

3.2.6 Phân tích thiết bị làm lạnh: 31

3.3.7 Phân tích nhiệt lượng 31

3.3.7 Tính entropy 32

Chương 4 TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC CHU TRÌNH 33

4.1 Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình địa nhiệt dùng tua bin khí33 4.2 Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình nhiệt mặt trời bằng tua bin khí 35

4.3 Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình nhiệt mặt trời kết hợp địa nhiệt bằng tua bin 36

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 39

5.1 Kết luận 39

5.2 Hướng phát triển của đề tài 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 42

ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1:Hệ thống địa nhiệt lý tưởng [4] 10

Hình 2.2 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ sâu 11

Hình 2.3:Nhà máy trong tổ hợp Điện địa nhiệt Geysers, California, Mỹ [6] 14

Hình 2.4: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển [5] 18

Hình 2.5: Các mô hình khai thác năng lượng mặt trời [7] 18

Hình 2.6: Sơ đồ nhà máy SCOT [8] 21

Hình 2.7: Bộ tập trung không đối xứng [8] 21

Hình 3.1 chu trình Brayton lý tưởng [9] 24

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý tua bin khí kết hợp địa nhiệt và nhiệt mặt trời 25

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý tua bin kí địa nhiệt 33

Hình 4.2 Sơ đồ tua bin khí nhiệt mặt trời 35

x

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Dữ liệu đầu vào của hệ thống địa nhiệt truyền thống 34 Bảng 4.2 Dữ liệu đầu vào của hệ thống nhiệt mặt trời 35 Bảng 4.3 Dữ liệu đầu vào của hệ thống nhiệt mặt trời kết hợp với địa nhiệt 37

xi

CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Các từ viết tắt

NLMT: Năng lượng mặt trời

SCOT: Solar concentration off-tower (Tập trung năng lượng mặt trời ngoài tháp)

Ký hiệu

Bộ thu năng lượng mặt trời

Cp: Nhiệt dung riêng

G: Lưu lượng của chất khí

N: Số tầng nén

P: Công suất

p: Tỷ lệ lưu lượng

Pc: Năng lượng máy nén cần

Pi: Áp suất tại nút thứ i (at)

Pref: Áp suất lấy mẫu (at)

Qi: Nhiệt lượng tại nút thứ i (W)

Qin: nhiệt lượng đầu vào

Si: Entropy

Ti: Nhiệt độ tại nút thứ i (0K)

Trec: Nhiệt độ thu

Tref: Nhiệt độ lấy mẫu (0K)

W: năng lượng (điện năng)

xii

Πt: Tỉ số áp suất ra - vào tua bin

τc: Tỉ số nhiệt độ ra– vào máy nén

τs: Tỉ số nhiệt độ ra – vào các tầng nén τt: Tỉ số nhiệt độ ra – vào tua bin

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 T nh ấ th ết đề tà

Năng lượng có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi Quốcgia Năng lượng là một trong các nhu cầu thiết yếu đối với sinh hoạt của nhân dân

và cũng chính là yếu tố đầu vào không thể thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác,

có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động kinh tế, chính trị, văn hóa, xã hội

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành Công nghiệp sử dụng các dạng năng lượng tăng mạnh Cùng với sự biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nguồn năng lượng thiên nhiên khai thác tăng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu, nguồn năng lượng thiên nhiên dần cạn kiệt đang dẫn tới tình trạng khủng hoảng về năng lượng trên toàn thế giới

Trong vài năm gần đây, do giá dầu mỏ liên tục có những thay đổi bất thường

và sự bất ổn về chính trị của các nước sản xuất dầu lớn trên thế giới đã gây nên khủng hoảng năng lượng trên phạm vi toàn cầu, ảnh hưởng trầm trọng đến nền kinh

tế của tất cả các quốc gia, gây mất ổn đinh nền kinh tế thế giới, do đó an ninh năng lượng đã trở thành vấn đề quan trọng bậc nhất, không chỉ đối với từng quốc gia mà

cả trên quy mô toàn cầu

Trước tác động sâu sắc của cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu, nhiều quốc gia và các tổ chức liên kết khu vực đã tích cực nghiên cứu, triển khai các giải pháp xử lý cuộc khủng hoảng Các nhà phân tích cho rằng, các giải pháp gây áp lực buộc OPEC phải tăng sản lượng khai thác dầu để hạ giá dầu chỉ là biện pháp trước mắt chứ không phải là giải pháp gốc Vì vậy, tất cả các quốc gia đều đi tìm nguồn năng lượng mới, kêu gọi tiết kiệm trong sử dụng xăng dầu, khí đốt, than, điện và giải quyết xung đột ở các điểm nóng Tuy nhiên, mỗi giải pháp đều có những hạn chế của nó và cần có thời gian cũng như tiền bạc

Một là: giải pháp đa dạng hoá các nguồn cung cấp năng lượng Thế giới đã

và đang tập trung phát triển năng lượng hạt nhân, năng lượng tái sinh và năng lượng sinh học Tuy nhiên, mỗi một dạng năng lượng này đều có những nhược điểm, thậm

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

chí là rất lớn Về năng lượng hạt nhân, đến nay đã có 32 quốc gia và vùng lãnh thổ (dân số gần 4 tỉ người) có nhà máy điện hạt nhân với 441 tổ máy, công suất đạt 367.197 MW, cung cấp 16,4% sản lượng điện toàn cầu Theo ước tính của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), tổng thời gian vận hành tích luỹ của các tổ máy điện hạt nhân trên thế giới đạt tới 12.000 năm nhiều nước, năng lượng điện nguyên tử giữ vai trò chủ chốt trong chiến lược an ninh năng lượng Pháp, điện nguyên tử cung cấp 80% tổng nhu cầu điện năng quốc gia; ở Hàn Quốc con số này

là 46% (tính đến 2005); Nhật Bản và Mỹ: 25%, Nga: 16%… Tuy nhiên, năng lượng hạt nhân có nhược điểm là thiếu sự an toàn (đã xảy ra sự cố xảy ra ở Mỹ, Nga, Nhật Bản), nguy cơ bị chủ nghĩa khủng bố quốc tế đánh cắp, bị lợi dụng sản xuất vũ khí hạt nhân, và không phải quốc gia nào cũng có đủ tài chính và công nghệ để xây dựng và vận hành nhà máy điện nguyên tử

Hai là: năng lượng tái sinh cũng được các quốc gia hướng tới Hiện có ít

nhất 45 quốc gia đang sử dụng loại năng lượng này, 60 nước có chương trình quốc gia phát triển năng lượng tái sinh, 19 nước khuyến khích sử dụng năng lượng mặt trời để thắp sáng và sưởi ấm Theo ước tính, đến năm 2010, các nước muốn thoát khỏi tình trạng phụ thuộc vào nguyên liệu hoá thạch sẽ nhận được 30% sản lượng điện từ năng lượng tái sinh một số nước, tỷ lệ này sẽ cao hơn tỷ lệ trung bình của thế giới như Áo (từ 75-80%), Thụy Điển (dự kiến 60%), Lát-vi-a (49%)… Tuy nhiên, năng lược tái sinh có khá nhiều nhược điểm Ví dụ, nguồn nước trên thế giới ngày một khan hiếm nên không thể phát triển thuỷ điện, các công trình thuỷ điện lớn có thể gây ra những biến đổi về địa chất, gây ra những thảm họa thiên tai khó lường (đập Tam Hiệp của Trung Quốc là một ví dụ điển hình); năng lượng gió và năng lượng mặt trời lại bị phụ thuộc khá nhiều vào điều kiện thời tiết và chế độ gió,

số giờ nắng vốn hết sức thất thường, không phải ở đâu cũng sản xuất được điện từ gió và nắng

Ba là: phát triển năng lượng sinh học như sản xuất ê-ta-nôn, dầu diezen từ

dầu cọ và lương thực Năng lượng sinh học được xem như một loại “năng lượng xanh” bởi nó ít thải ra khí các-bon-níc gây hiệu ứng nhà kính, hủy hoại môi trường

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

Tuy nhiên, giải pháp này đang bị các nhà khoa học, bảo vệ môi trường phản đối Sản xuất diêzen sinh học sẽ cướp đi một diện tích đất canh tác (hiện nay là 14 triệu

ha, chiếm 1%, và sẽ là 3,5% vào năm 2030 diện tích đất canh tác của thế giới, bằng

cả diện tích Pháp và Tây Ban Nha cộng lại) sẽ làm giảm sản lượng lương thực, trong khi thế giới đang đối mặt với khủng hoảng lương thực Không thể chấp nhận được tình trạng, trong khi hàng tỉ người trên hành tinh đang ở tình trạng thiếu đói thì hàng triệu tấn lương thực lại được dùng để làm nhiên liệu Hơn thế nữa, việc phá rừng để trồng cây nguyên liệu (chủ yếu là cọ) sẽ gây ra những hậu quả khủng khiếp

về môi trường Vấn đề phá rừng, trồng cọ ở đảo Bô-rơ-nê-ô (In-đô-nê-xi-a) là một

ví dụ điển hình Việc phá hàng ngàn héc-ta rừng trồng cọ ở đây đã làm thay đổi lưu vực sông, phá hoại môi trường sống của các loài động vật, tạo ra những đợt khói dày đặc kéo dài hàng tháng, lan toả hàng trăm km, bao phủ cả Đông Nam Á Một nghiên cứu được đưa ra trước hội nghị Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu đã xếp In-đô-nê-xi-a là nước có lượng khí thải các-bon-níc nhiều thứ ba thế giới, chỉ sau Mỹ

và Trung Quốc Chính vì vậy mà vào tháng 10 năm 2006, Ủy ban Nghị viện châu

Âu kiến nghị Liên minh châu Âu (E ) cấm tất cả nhiên liệu sinh học làm từ dầu cọ Các nhà hoạt động bảo vệ môi trường quốc tế đã ngăn chặn được một dự án trồng cây cọ làm nguyên liệu sản xuất dầu diêzen sinh học lớn nhất thế giới tại In-đô-nê-xi-a trị giá 8 tỉ SD [4]

Ngoài ra, tiết kiệm năng lượng cũng là một giải pháp được các chuyên gia ưu tiên, điển hình là ở Nhật Bản Tuy tiết kiệm là một ưu tiên hàng đầu, nhưng nó không thể làm giảm được nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng của thế giới Người ta vẫn phải tìm ra loại năng lượng khác để thay thế dầu lửa, than đá, khí đốt

mà không gây ra những hậu quả về môi trường và an ninh Câu trả lời vẫn còn ở phía trước

Thế giới đang đối mặt với một loạt các vần đề năng lượng khó giải quyết, và ngày một trầm trọng hơn trong những năm gần đây Đây là các vấn đề ngày một gay cấn trên mặt địa cầu cũng như trong lòng đất Bên dưới bề mặt, trữ lượng dầu lửa, hơi đốt, và than đá dễ khai thác, một thời dồi dào, hiện đang ngày một cạn kiệt

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

Trên mặt địa cầu, tính toán sai lầm của con người và địa chính trị đang giới hạn ngạch số sản xuất và khả dụng trong số cung năng lượng các loại Với nhiều vấn đề ngày một nghiêm trọng trên và dưới mặt đất, viễn tượng năng lượng chỉ có thể ngày một u ám hơn

Một sự kiện đơn giản cần ghi nhớ vì sẽ giúp chúng ta hiểu được tính nghiêm trọng của cuộc khủng hoảng năng lượng: kinh tế thế giới được cơ cấu trong phương cách một sự dậm chân tại chỗ trong ngạch số năng lượng sản xuất không phải là một lựa chọn Để thỏa mãn nhu cầu khổng lồ của các cường quốc kỹ nghệ kỳ cựu như Hoa Kỳ cùng với nạn cực kỳ khát dầu của các cường quốc đang lên như TQ, sản lượng dầu khí toàn cầu phải tăng trưởng đáng kể mỗi năm Theo dự tính của Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ (DOE), sản lượng toàn cầu, căn cứ trên mức sản xuất năm

2007, phải tăng trưởng 29% lên 640 triệu tỉ BTU (640 quadrillion British thermal units) vào năm 2025, mới đủ để thỏa mãn nhu cầu ước tính Trên đây chính là những điều kiện chi phối kinh tế thế giới hiện nay và mãi mãi trong tương lai [4]

Kể từ năm 2011 nhân loại đang đứng trước ba vấn đề lớn về năng lượng:

và cho nền kinh tế nói chung Một trong những nội dung then chốt được thảo luận trong những hội nghị nói trên đó là việc đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo Những giải pháp tổng thể có tính chiến lược về đảm bảo an ninh năng lượng

đã được sự đồng thuận và thống nhất cao của tất các quốc gia trên toàn thế giới, trong đó chủ yếu tập trung vào các vấn đề sau đây:

- Bảo tồn các nguồn năng lượng truyền thống,

- Sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng,

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

- Phát triển các nguồn năng lượng mới và tái tạo

Các nguồn năng lượng tái tạo được đặc biệt chú trọng là nguồn năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, năng lượng sinh khối và năng lượng biển

Trên cơ sở những giải pháp có tính định hướng chiến lược nêu trên, từng quốc gia, tùy theo điều kiện cụ thể của mình mà xác định các giải pháp và hoạch định chiến lược đảm an ninh năng lượng phù hợp

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23 độ 23’ Bắc đến 8 độ 27’ Bắc, nằm trong vùng cận Xích Đạo, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng

4 kWh/m2do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân (Tô Quốc Trụ, 2010) Việt nam, bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm (Tô Quốc Trụ, 2010; Trịnh Quang Dũng, 2010) 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 Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Theo giáo sư, tiến sĩ khoa học Nguyễn Tiến Khiêm, nguyên Viện trưởng Viện Cơ học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dải

bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được

Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển

Nếu so với một số nước ở châu Phi hay Nam Á có cùng hoàn cảnh, Việt Nam vẫn còn đi sau họ Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ nhiều năm nay đã coi hướng phát triển năng lượng tái tạo như một quốc sách vì thế năng lượng mặt 12 trời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ điện năng

Năng lượng địa nhiệt là một dạng năng lượng tự nhiện ở sâu trong lòng đất, phát sinh từ nguồn nhiệt sơ khai trong lòng trái đất, từ nhiệt ma sát do các phiến lục địa trượt lên nhau, và từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại tự nhiên với

1 lượng nhỏ trong đá Trữ lượng năng lượng địa nhiệt là rất lớn, nếu không muốn nói là vô tận Các nhà khoa học đã ước tính rằng chỉ cần 1 phần trăm lượng nhiệt chứa trong lớp 10 km phía trên vỏ trái đất đã tương đương với 500 lần năng lượng

mà các nguồn dầu, khí của trái đất mang lại

Thật ra thì năng lượng địa nhiệt đã được khai thác và sử dụng từ những năm đầu thế kỷ 20 cho mục đích sưởi ấm, sấy nông sản, tắm thư giãn… Từ đó đến nay, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt ngày càng phát triển nhanh về quy mô và hiệu suất

Hiện trên thế giới đã có nhiều nước chú trọng vào phát triển khai thác nguồn năng lượng này và đã có nhiều hiệu quả đáng mong đợi Có thể kể đến như tại thành phố Swabian (Bad Urach), miền nam nước Đức , một công trình HDR đang được triển khai với giếng khoan sâu 4445m (nơi có nhiệt độ khoảng 1700C) Giai đoạn đầu nhà máy điện đủ cung cấp năng lượng cho trên 2000 hộ dân quanh vùng Ngoài

ra còn có ở Iceland, một nước chỉ có khoảng 300 nghìn dân nhưng công nghiệp năng lượng địa nhiệt chiếm đến 26% (2006) so với sản lượng điện của nước này Nguồn địa nhiệt cũng đã cung cấp được nước nóng cho 87% số hộ dân của nước này

Mỹ đang là quốc gia đi đầu trong việc sản xuất địa nhiệt trong số các quốc gia trên thế giới có phát triển địa nhiệt Công suất địa nhiệt của Mỹ hiện chiếm 32% công suất địa nhiệt của các nhà máy trên thế giới.Trong thời gian tới nước Mỹ có thể sản xuất tới 100.000 MW điện địa nhiệt đủ cung cấp điện cho 25 triệu hộ cư dân

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

trong 50 năm (chi phí khoảng 40 triệu SD/năm) trong khi chi phí ban đầu chỉ vào khoảng 0,8-1 tỷ USD

Việt Nam cũng được đánh giá là có tiềm năng địa nhiệt trung bình so với thế giới Bên cạnh đó nguồn năng lượng này ở nước ta còn có ưu điểm là phân bố đều trên khắp lãnh thổ cả nước nên cho phép sử dụng rộng rãi ở hầu hết các địa phương Hiện nay, Quảng Trị đã cấp phép cho xây dựng nhà máy địa nhiệt đầu tiên tại Đakrông với công suất 25MW, mở ra hy vọng ngành điện sẽ có thêm một nguồn cung cấp mới cho điện lưới quốc gia trong tương lai gần

Hiện Nhật Bản cũng đang bắt đầu có ý quay lại với địa nhiệt kể từ sau thảm họa Fukushima Qua đó cho ta thấy quyết định đầu tư vào công nghệ năng lượng địa nhiệt là dấu hiệu quyết tâm tiếp tục phát triển các nguồn năng lượng trong nước, tăng cường an ninh năng lượng quốc gia và rời bỏ nguồn năng lượng hạt nhân của Nhật Bản

Mặc dù năng lượng tái tạo có nhiều ưu việt như sạch, ít gây ô nhiễm môi trường, có tiềm năng lớn, một số nguồn vô tận, tuy nhiên những nguồn này vẫn có những nhược điểm như nguồn phân tán, không ổn định, phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên… gây khó khăn cho việc khai thác

Để giải quyết nhược điểm này ta có thể kết hợp các dạng năng lượng tái tạo với nhau thành một hệ thống phát điện tổng hợp có thể có hiệu suất cao hơn hoặc ổn định ít phụ thuộc vào một dạng năng lượng tái sinh nào

Máy phát hỗn hợp sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời và địa nhiệt giải quyết vấn đề nhược điểm của năng lượng tái tạo cho hiệu suất tốt hơn và tính ổn định ít phụ thuộc vào thời tiết môi trường bên ngoài nhiều

1 Nh ệ à t u đề tà

Nghiên cứu và tìm hiểu các vấn đề về hệ thống máy phát điện địa nhiệt và nhiệt mặt trời, từ đó tìm kiếm điểm chung đưa ra hướng phối kết hợp hai hệ thống phát điện này thành hệ thống phát điện hỗn hợp

Các mục tiêu sau đây sẽ được thực hiện trong chuyên đề:

- Tìm hiểu về cấu tạo hệ thống máy phát điện nhiệt mặt trời hiện nay trên thế giới đang thực triển khai thực hiện

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

- Tìm hiểu về cấu tạo hệ thống máy phát điện địa nhiệt hiện nay trên thế giới đang thực triển khai thực hiện

- Nghiên cứu đưa ra giải pháp kết hợp 2 dạng phát điện nhiệt mặt trời và địa nhiệt dựa trên cấu tạo chung của các hệ thống

Dựa trên cơ sở mục tiêu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của đề tài sẽ được tập trung hướng đến giải quyết các vấn đề về:

- Tính hiệu suất của phát điện hỗn hợp nhiệt mặt trời và địa nhiệt

1 G ớ h n à h ngh n u hu n đề

Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi là:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của máy phát điện nhiệt mặt trời và địa nhiệt,

- Khảo sát hệ thống phát điện hỗn hợp nhiệt mặt trời và địa nhiệt

1 Phương h ngh n u

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Do ở nước ta vấn đề nghiên cứu hệ thống phát điện này còn sơ khai nên chưa có đủ điều kiện thực nghiệm Vì vậy tác giả chọn phương pháp nghiên cứu cấu trúc, mô phỏng, phân tích quá trình cân bằng nhiệt dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học của chất khí sau đó rút ra kết luận

1.5 Đ ể ớ đề tà

- Kết hợp nhiệt mặt trời với địa nhiệt để phát điện

- Tính toán hiệu suất từ đó đề ra giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy phát điện nhiệt mặt trời và địa nhiệt

1.6 G trị thự t ễn đề tà

- Đề tài “Ngh n u hệ thống đ ện ặt trờ kết hợ ớ đị nh ệt” nhằm

làm cơ sở để lập kế hoạch xây dựng nhà máy nhiệt điện hiệu suất cao phù hợp với điều kiện địa lý, nguồn nhân lực và tiềm lực kinh tế của đất nước

Luận văn thạc sĩ Tổng quan

- Tạo ra mô hình nhà máy điện mới sử dụng NLMT và địa nhiệt với hiệu suất cao góp phần cải thiện môi trường thiên nhiên

Chương : Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết về nguồn năng lượng địa nhiệt, nhiệt mặt trời nguyên lý hoạt động máy phát nhiệt điện

Chương : Xâ dựng ô hình địa nhiệt và nhiệt mặt trời

Trên cơ sở mô hình địa nhiệt, nhiệt mặt trời xây dựng mô hình phát điện kết hợp

Chương : Kết quả tính toán

Chương 5: Kết luận à hướng phát triển để tài

Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết

Chương

C S THUYẾT

2.1 Tổng quan về năng lượng địa nhiệt à hương h kh th sử d ng .1.1 Nguồn năng lượng đị nh ệt

Năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại

bề mặt Trái Đất

Hình 2.1:Hệ thống địa nhiệt lý tưởng [4]

Năng lượng địa nhiệt hay nhiệt đất là một dạng năng lượng được tích tụ dưới dạng nhiệt lượng nằm ngay dưới lớp đất của vỏ trái đất Việc khai thác nhiệt lượng tầng nông có nghĩa là khai thác nhiệt của đất nằm ở độ sâu từ 1 đến 100 m dưới bề mặt đất

Nhiệt lượng đất ở tầng trên cùng, tính đến độ sâu 100 m gồm: Một phần năng lượng mặt trời được tích lại và một phần năng lượng của lòng đất Chính vì vậy, giữa hai đại lượng nhiệt độ và độ sâu của đất (tính đến 10 m dưới mặt đất) có quan

hệ với nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ mùa trong năm, ví dụ mùa hè thì thường cao hơn mùa đông Song, từ độ sâu 15 m trở đi thì biểu đồ nhiệt độ gần như đi vào ổn

Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết

định trong cả năm Theo một số nghiên cứu, cứ 100 m sâu thêm thì nhiệt độ của trái đất tăng thêm khoảng 3oC (Hình 2.2)

Hình 2.2 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ sâu

Do nhiệt độ chỉ giao động trung bình trong miền 8-12oC mà lại đem sử dụng trực tiếp cho sưởi ấm hay làm mát thì quả là quá ít Chính vì vậy mà người ta phải

sử dụng loại máy bơm nhiệt đặc biệt được lắp tiếp nối với mục đích nâng nhiệt độ (làm nóng lên) đến một mức cần thiết, thông thường vào khoảng 35-65oC Để làm được việc đó ta cần một số thiết bị chuyên dụng thì mới có thể khai thác được tiềm năng của nhiệt đất đã được tích trong lòng đất bao la với nhiệt độ phân bố tương đối đồng đều trong cả năm, như bộ phận thu tích nhiệt, mũi khoan hút nhiệt, giếng nước ngầm hay các tấm bêton áp đất Gần 80% nhiệt lượng dùng cho việc sưởi ấm đều được khai thác 2 từ nguồn cấp nhiệt nằm trong lòng đất và như vậy việc sưởi ấm có

Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết

thể được coi như không phát thải khí CO2 và hoàn toàn không ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu

Kỹ thuật mang tính sáng tạo đột phá ở đây là biến ngay lòng đất không những thành nơi lưu tích nhiệt phục vụ cho sưởi ấm hay làm mát công trình, mà còn tích thêm nhiệt lượng dư thừa phát ra từ các nguồn như: bức xạ mặt trời, nhiệt phát thải trong quá trình sản xuất, năng lượng sưởi ấm hay làm lạnh trong các mùa Đặc biệt ở các vùng cần phải sử dụng máy điều hoà nhiệt độ như Việt Nam thì việc sử dụng địa nhiệt có thể giúp ta tiết kiệm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ mà an toàn trong sử dụng và đảm bảo tính cân bằng sinh thái so với các máy điều hoà nhiệt độ truyền thống đang sử dụng Việc lựa chọn nguồn nhiệt (lòng đất hay nước ngầm) và các phương án kỹ thuật để khai thác (máy thu nhiệt đất, mũi hút nhiệt, giếng nước ngầm hay các tấm bêton áp đất) phụ thuộc vào đặc điểm địa chất và thuỷ văn của khu vực cũng như diện tích mặt bằng có thể sử dụng được Xét ở góc độ kinh tế thì phải lưu ý đến mức độ nhiệt độ cao, khả năng tái tạo nhiệt tốt và khả năng cung ứng nhiệt lượng quanh năm Việc khai thác nguồn nhiệt lượng cần phải tính đến chi phí khai thác rẻ và quản lý vận hành thấp

Năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại, nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện Có khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp 0,3% nhu cầu điện toàn cầu Thêm vào đó, 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu vực

Khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện

và thân thiện với môi trường, nhưng trước đây bị giới hạn về mặt địa lý đối với các khu vực gần các ranh giới kiến tạo mảng Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của các tài nguyên tiềm năng này, đặc biệt

là các ứng dụng trực tiếp như dùng để sưởi trong các hộ gia đình Các giếng địa nhiệt có khuynh hướng giải phóng khí thải nhà kính bị giữ dưới sâu trong lòng đất, nhưng sự phát thải này thấp hơn nhiều so với phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa

Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết

thạch thông thường Công nghệ này có khả năng giúp giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu nếu nó được triển khai rộng rãi

b Nguồn gố năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt được tạo ra do các quá trình phản ứng phóng xạ hạt nhân của các nguyên tố phóng xạ nặng có trong lòng đất như thori (Th), protactini (Pa) , urani ( ) , …Đây là nguồn nhiệt chính

Nhiệt năng cũng có thể tích tụ dần thông qua sự hấp thụ năng lượng mặt trời của lớp vỏ trái đất Năng lượng địa nhiệt còn được tạo ra do ma sát khi hai mảnh vỏ Qủa Đất dịch chuyển mà một mảnh chuyển động trượt trên mảnh kia

Một phần trong tổng khối nhiệt lượng khổng lồ trong lòng Trái Đất này bắt nguồn từ quá trình hình thành hành tinh trong khoảng 4,5 tỷ năm trước (Trái Đất hình thành từ một khối cầu vật chất cực nóng, nguội dần từ trong ra ngoài qua quá trình quay quanh trục), và phần còn lại là kết quả của quá trình phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại trong lõi Trái Đất Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng

từ nơi nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp, dòng nhiệt của Trái Đất di chuyển từ trong lõi ra ngoài vỏ

Dưới tác động của một quá trình địa chất gọi là kiến tạo mảng , vỏ Trái Đất được phân ra thành 12 mảng lớn và được tái tạo (tái sinh) một cách chậm chạp qua hàng triệu năm Các mảng này di chuyển tương đối với nhau (phân tách hoặc hội tụ) với tốc độ vài cm/năm Khi hai mảng kiến tạo va chạm vào nhau, 1 mảng có thể hút chìm xuống mảng còn lại, tạo nên các trũng đại dương và gây ra động đất Đây chính là nơi vỏ Trái Đất trở nên yếu hơn bình thường, cho phép vật chất nóng từ trong lòng đất dịch chuyển lên mặt độ sâu lớn tại đới hội tụ, ngay bên dưới mảng sụp chìm, nhiệt độ tăng lên đủ cao đến nung chảy đất đá và tạo ra magma (nham thạch) Do có mật độ thấp hơn khối đất đá xung quanh, magma di chuyển lên phía trên vỏ Trái Đất và mang theo nhiệt lượng cùng với nó Đôi khi magma di chuyển lên tới bề mặt Trái Đất thông qua các điểm yếu của vỏ Trái Đất và phun trào lava tại các miệng núi lửa Tuy nhiên, đa phần magma được giữ lại trong vỏ Trái Đất và nung nóng đất đá và các khối nước ngầm (subterranean water)

Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết

Hình 2.3:Nhà máy trong tổ hợp Điện địa nhiệt Geysers, California, Mỹ [6]

1 C hương h kh th , sử d ng năng lượng đị nh ệt

a Sử d ng trực tiếp

Thông qua việc khai thác địa nhiệt tầng nông Khai thác địa nhiệt tầng nông

là khai thác nhiệt của đất nằm ở độ sâu từ 1 đến 150m dưới bề mặt đất Nhờ có những công nghệ tiên tiến (máy bơm nhiệt, máy thu tích nhiệt, mũi hút địa nhiệt, giếng nước ngầm hay các tấm bêtông áp đất) mà lượng nhiệt tầng nông tuy có độ chênh lệch nhiệt độ tương đối thấp so với nhiệt độ không khí song vẫn có thể được khai thác phục vụ cho sưởi ấm vào mùa đông và làm mát về mùa hè cho các công trình như nhà văn phòng, trường học, nhà trẻ, trạm y tế, siêu thị,…

Gần 80% nhiệt lượng dùng cho việc sưởi ấm hay làm mát toà nhà đều được khai thác từ nguồn cấp nhiệt nằm ngay trong lòng đất và như vậy việc sưởi ấm hay làm mát có thể được coi gần như không có xả thải khí CO2 và không hề ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu Trong báo cáo này sẽ giới thiệu về mặt kỹ thuật và công nghệ, phân tích ở khía cạnh kinh tế và tác dụng môi trường cũng như nêu xu thế chung Bơm địa nhiệt hay còn được biết như bơm nhiệt từ lòng đất (ground-source heat pump), là một kỹ thuật năng lượng mới có hiệu suất cao và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình cũng như trong công sở Kỹ thuật này ứng dụng trong việc điều hòa nhiệt độ và cung cấp nước nóng Thuận lợi lớn nhất của nó là khả