BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- PHẠM HUY TÂN ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ LAI GHÉP NĂNG LƯỢNG GIÓ - MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG ĐÈN LED CUNG CẤP ĐIỆN, TIẾT KIỆM
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
PHẠM HUY TÂN
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ
HỆ LAI GHÉP NĂNG LƯỢNG GIÓ - MẶT TRỜI VÀ ỨNG
DỤNG ĐÈN LED CUNG CẤP ĐIỆN, TIẾT KIỆM ĐIỆN
CHO CÁC TRẠM BTS NẰM XA LƯỚI ĐIỆN CỦA MOBIFONE HOẶC VINAPHONE TRÊN ĐỊA BÀN
Trang 2MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ 4
DANH MỤC BẢNG, BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH 5
LỜI CẢM ƠN 7
MỞ ĐẦU 8
CHƯƠNG I: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC ỨNG DỤNG VÀO ĐỜI SỐNG XÃ HỘI 11
1.1 Tổng quan về tình hình năng lượng và các công nghệ sạch đang được quan tâm 11
1.2 Năng lượng gió 14
1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió 14
1.2.3 Cấu tạo tuabin gió 18
1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió 20
1.2.7 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió 21
1.3 Năng lượng mặt trời 22
1.3.1 Nguyên lý làm việc của pin mặt trời 23
1.3.3 Sự chuyển đổi ánh sáng 26
1.3.4 Thành phần cơ bản của một hệ thống điện mặt trời: 27
1.3.5.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel) 27
1.3.5.2 Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller) 28
1.3.5.3 Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter) 28
1.3.5.4 Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter) 29
1.3.5.5 Ắc quy (Battery) 29
1.3.5 Ưu, nhược điểm của NLMT: 29
1.4 Các hệ thống lai ghép 32
1.4.1 Sơ đồ đấu nối hệ lai ghép 33
1.4.1.1 Hệ lai ghép thanh góp DC 33
Trang 31.4.1.2 Hệ lai ghép thanh góp AC : 35
1.4.2 Các ứng dụng của hệ thống điện hỗn hợp 36
1.4.3 Những ưu nhược điểm của hệ thống điện hỗn hợp 37
1.5 Các chỉ tiêu đánh gía tài chính một dự án 38
1.5.1 Phương pháp giá trị hiện tại ròng (NPV) 38
1.5.2 Phương pháp tỷ lệ hoàn vốn nội bộ ( IRR) 40
1.5.3 Phương pháp thời gian hoàn vốn (PP) 41
1.5.4 Phương pháp tỷ suất trung bình lợi nhuận trên đầu tư (ROI) 42
CHƯƠNG II: HIỆN TRẠNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO CÁC TRẠM BTS THUỘC MẠNG VIỄN THÔNG TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU TẠI KHU VỰC XA ĐIỆN LƯỚI 44
2.1 Giới thiệu khái quát về viễn thông Bà Rịa Vũng Tàu 44
2.2 Hiện trạng cung cấp năng lượng cho các trạm BTS thuộc mạng lưới viễn thông trên địa bàn Huyện Côn Đảo - tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu xa điện lưới 54
2.2.1 Cấu tạo, chức năng và nhu cầu năng lượng của các trạm BTS: 54
2.2.2 Hiện trạng cung cấp năng lượng cho các trạm BTS 57
2.2.3 Những khó khăn trong việc sử dụng nguồn điện và việc đảm bảo vận hành thiết bị VT – CNTT tại Huyện Côn Đảo 64
2.2.4 Khả năng ứng dụng các hệ lai ghép với năng lượng gió và mặt trời để cung cấp năng lượng cho các trạm BTS tại khu vực huyện Côn Đảo 65
2.3 Tình hình điều kiện khí tượng huyện Côn Đảo 68
CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁC HỆ LAI GHÉP VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỂ CUNG CẤP ĐIỆN CHO TRẠM BTS THUỘC KHU VỰC XA ĐIỆN LƯỚI 77 3.1 Đặt vấn đề 77
3.2 Tính toán thiết kế hệ lai ghép 77
3.2.1 Các thông số khí tượng 77
3.2.2 Tính toán nhu cầu sử dụng điện và dự phòng tương lai 80
3.2.3 Phương án cung cấp điện 81
Trang 43.2.4 Sơ đồ khối đấu nối hệ thống 82
3.2.5 Tính toán công suất và số lượng thiết bị 83
a Phương án 1 84
+ Tính toán động cơ gió 84
+ Tính toán số dàn pin mặt trời 85
+ Tính toán dàn acquy: 86
b Phương án 2 86
+ Tính toán động cơ gió 86
+ Tính toán số dàn pin mặt trời 86
+ Tính toán dàn acquy: 87
3.3 Phân tích hiệu quả kinh tế-tài chính hệ thống lai ghép 87
3.3.1 Phương án 1 87
+ Chi phí đầu tư ban đầu 87
+ Chi phí vận hành hệ thống 89
+ Hiệu quả kinh tế dự án được xác định trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế 89
+ Phân tích độ nhạy 90
3.3.2 Phương án 2 91
+ Chi phí đầu tư ban đầu 91
+ Chi phí vận hành hệ thống 93
+ Hiệu quả kinh tế dự án được xác định trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế 93
+ Phân tích độ nhạy 93
3.3.3 So sánh 2 phương án: 95
3.4 Kết luận và khuyến nghị 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO 99
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 100
Trang 5DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ
NLTT Năng lượng tái tạo
NLMT Năng lượng mặt trời
Trang 6DANH MỤC BẢNG, BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH
Danh mục Bảng
Bảng 1.1: Bảng phân loại các cấp độ gió 17
Bảng 1.2: Bảng phân loại theo mật độ công suất 18
Bảng 2.1 :Tình hình nhân sự qua các năm : (ĐVT : người) 49
Bảng 2.2: Thống kê nhân lực Viễn thông tỉnh 49
Bảng 2.3: Bảng thống kê lao động Viễn thông Tỉnh theo cơ cấu trình độ 50
Bảng 2.4:Bảng tổng hợp các chỉ tiêu hiệu quả hoạt động kinh doanh của Viễn thông BR - VT năm 2007-2011 51
Bảng 2.5 Tình hình phát triển dịch vụ của Viễn thông BR-VT từ năm 2007-2011 54 Bảng 2.6: Công suất tiêu thụ tại các trạm BTS 57
Bảng 2.7: Số liệu thống kê sử dụng điện năm 2011 60
Bảng 2.8: Thống kê thời gian vận hành máy phát điện 61
Bảng 2.9: Số liệu dầu năm 2011 62
Bảng 2.10: Tổng chi phí điện và dầu năm 2011 64
Bảng 3.1: Thống kê nhiệt độ hàng tháng trong năm 2011 79
Bảng 3.2: Thống kê vận tốc gió hàng tháng trong năm 2011 79
Bảng 3.3: Thống kê bức xạ mặt trời hàng tháng trong năm 2011 80
Bảng 3.4: Nhu cầu sử dụng điện tại trạm BTS 81
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật động cơ gió 85
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật pin mặt trời 85
Bảng 3.7: Bảng báo giá thiết bị PA1 88
Bảng 3.8: Tổng dự toán công trình PA1 89
Bảng 3.9: Bảng phân tích độ nhạy PA2 90
Bảng 3.10: Bảng báo giá thiết bị PA2 92
Bảng 3.11: Tổng dự toán công trình PA2 93
Bảng 3.12: Bảng phân tích độ nhạy PA2 94
Bảng 3.13: Bảng so sánh chỉ tiêu kinh tế 2 phương án 95
Trang 7Danh mục Biểu đồ
Biểu đồ 2.1: Biểu đồ cơ cấu nhân lực Viễn thông BR-VT 50
Biểu đồ: 2.2: Dự báo về sự phát triển các trạm BTS 66
Biểu đồ 3.1: Phân tích độ nhạy PA1 90
Biểu đồ 3.2: Phân tích độ nhạy PA2 94
Danh mục Hình vẽ Hình 1.1: Mô hình chuyển động của gió và tuốc bin 15
Hình 1.2: cấu tạo tuabin gió 18
Hình 1.3: Phân bố bức xạ mặt trời 23
Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 23
Hình 1.5: Các thành phần cơ bản của hệ thống điện mặt trời 27
Hình 1.6: Hệ lai ghép thanh góp DC: chỉ có phụ tải DC 34
Hình 1.7: Hệ lai ghép thanh góp DC mở rộng: phụ tải DC và AC hỗn hợp 1
Hình 1.8: Hệ lai ghép thanh góp AC 35
Hình 1.9: Giới hạn ứng dụng của các hệ lai ghép 1
Hình 2.1: Mô hình tổ chức, quản lý của VNPT BRVT 48
Hình 2.2 : Cấu trúc mạng GSM 55
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ lai ghép 82
Hình 3.2: Sơ đồ đấu nối chi tiết hệ lai ghép 83
Hình 3.3: Kích thước động cơ gió 84
Trang 8LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ khoa học: “Đánh giá hiệu quả kinh tế hệ
lai ghép năng lượng gió - mặt trời và ứng dụng đèn LED cung cấp điện, tiết kiệm điện cho các trạm BTS nằm xa lưới điện của mobifone hoặc Vinaphone trên địa bàn tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu” là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu
khoa học độc lập và nghiêm túc
Cam đoan các số liệu trong luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn và có tính kế thừa, phát triển từ các tài liệu, tạp chí, các công trình nghiên cứu đã được công bố, các trang web, …
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Văn Bình đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc VNPT Bà Rịa Vũng Tàu đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học
Hà Nội, ngày 24 tháng 9 năm 2012
Phạm Huy Tân
Học viên cao học Lớp QTKD khóa 2009 – 2011 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Trang 9- Xu thế kiệt quệ nguồn năng lượng dẫn đến giá xăng, dầu, than, điện, … tăng cao -> tăng chi phí sản xuất sản phẩm
- Xu hướng phát triển tất yếu của năng lượng sạch và các công nghệ phát triển, hỗ trợ cho các ứng dụng năng lượng sạch
- Điều kiện địa hình, vật lý của nước ta cũng như tại Vũng Tàu phù hợp với việc sử dụng nguồn năng lượng sạch
- Năng lực tài chính của đơn vị có thể tự triển khai được nhằm đáp ứng nhu cầu riêng của đơn vị
2 MỤC TIÊU CẦN ĐẠT ĐƯỢC
Nhằm thống kê hiện trạng sử dụng nguồn điện, chi phí, … của hệ thống nguồn cũ (điện lưới AC, máy phát điện); phân tích hiệu quả kinh tế hệ thống nguồn lai ghép năng lượng gió và mặt trời để tìm ra các điểm thuận lợi, khó khăn của hệ thống Trên cơ sở đó đưa ra một số đề xuất về việc sử dụng nguồn điện hiệu quả cung cấp cho các trạm BTS nằm xa lưới điện, những nơi sử máy phát điện bằng nguyên liệu dầu DO, than đá, … trong lương lai
3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Các trạm BTS nằm xa lưới điện quốc gia, những khu vực hay mất điện (thiếu điện) hoặc cung cấp điện bằng động cơ sử dụng nguyên liệu : dầu DO, than, …
4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Trang 10- Nghiên cứu cơ sở thực tiễn sử dụng nguồn điện lưới AC của một trạm BTS nằm
xa lưới điện
- Tìm hiểu về hệ thống lai ghép giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời
- Phân tích hệ thống năng lượng lai ghép giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời có công suất tương đương để đủ cung cấp điện cho 01 trạm BTS
- Tìm hiểu được hoạt động và đánh khả năng khi sử dụng hệ thống lai ghép năng lượng gió và năng lượng mặt trời thay cho hệ thống điện lưới AC truyền thống
5 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH
- Thống kê số liệu hiện trạng sử dụng năng lượng tại các trạm BTS hàng ngày/tháng: công suất tiêu thụ điện hàng tháng, chí phí chi trả hàng tháng, các chi phí năng lượng khác, các chi phí liên quan khác, ……
- Tìm hiểu hệ năng lượng lai ghép gió và năng lượng mặt trời
- Thống kê các số liệu về sức gió, số giờ nắng trong ngày/năm để xem xét khả năng lắp đặt hệ thống tại điểm cần khảo sát
- Tính toán hệ thống lai ghép năng lượng gió và năng lượng mặt trời có công suất tương đương với hệ thống cung cấp năng lượng cũ: công suất, chi phí đầu tư ban đầu, khấu hao hàng tháng, chi phí bảo trì bảo dưỡng,…
- So sánh ưu khuyết điểm của hệ thống năng lượng: chi phí đầu tư ban đầu, chí phí vận hành, khả năng hoàn vốn và lợi nhuận mang lại, …
- Đánh giá, phân tích được hiệu quả kinh tế khi sử dụng hệ thống lai ghép năng lượng gió và năng lượng mặt trời Đồng thời xem xét tính khả thi khi áp dụng
hệ thống lai ghép năng lượng trên
6 NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Năng lượng tái tạo và các ứng dụng vào đời sống xã hội
Trang 11Chương 2: Hiện trạng cung cấp năng lượng cho các trạm BTS thuộc mạng
viễn thông tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu tại khu vực xa điện lưới
Chương 3: Phân tích đánh giá khả năng ứng dụng các hệ lai ghép với năng
lượng gió và năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho trạm BTS thuộc khu vực xa điện lưới
Từ đó người viết đưa ra kết luận tổng quan và một số khuyến nghị
Trang 12CHƯƠNG I: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC ỨNG DỤNG VÀO ĐỜI
Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hưởng
để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những mối họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho cỗ máy kinh tế thế giới đang ngày càng phình to làm kinh tế trì trệ dẫn đến những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh
tế Bất ổn chính trị rất có thể sẽ xảy ra tại nhiều nơi trên thế giới
Bên cạnh đó việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh Trái đất có thể ấm lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng mạnh hơn khó lường hơn, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến vấn đề lương thực Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát
Từ những điều trên, để duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là chúng ta phải tìm ra những nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Chúng ta phải thực hiện một loạt những hành động nhưng quan trọng nhất vẫn là tìm ra một nguồn năng lượng có thể thay thế cho năng lượng hóa thạch để đáp ứng cho nhu cầu của thế giới
Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn trong thế kỷ 21 này như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối và những nguồn năng lượng khác Nguồn năng lượng này còn gọi là năng lượng lựa chọn,
Trang 13năng lượng thay thế hay năng lượng xanh Ưu điểm của nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm, không bị cạn kiệt và là giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai Các nguồn năng lượng được nghiên cứu như sau:
Pin nhiên liệu
Đây là kỹ thuật có thể cung cấp năng lượng cho con người mà không hề phát
ra khi thải CO2 (các bon điôxít) hoặc những chất thải độc hại khác Một pin nhiên liệu tiêu biểu có thể sản sinh ra điện năng trực tiếp bởi phản ứng giữa hydro và ôxy Hydro có thể lấy từ nhiều nguồn như khí thiên nhiên, khí mêtan lấy từ chất thải sinh vật và do không bị đốt cháy nên chúng không có khí thải độc hại Đi đầu trong lĩnh vực này là Nhật Bản Quốc gia này sản xuất được nhiều nguồn pin nhiên liệu khác nhau, dùng cho xe phương tiện giao thông, cho ôtô hoặc cả cho cả các thiết bị dân dụng như điện thoại di động
Năng lượng mặt trời
Nhật Bản, Mỹ và một số quốc gia Tây Âu là những nơi đi đầu trong việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời rất sớm (từ những năm 50 ở thế kỷ trước) Tính đến năm 2002, Nhật Bản đã sản xuất được khoảng 520.000 kW điện bằng pin mặt trời, với giá trung bình 800.000 Yên/kW, thấp hơn 10 lần so với cách đây trên một thập kỷ Nếu một gia đình người Nhật 4 người tiêu thụ từ 3 đến 4 kWH điện/mỗi giờ, thì họ cần phải có diện tích từ 30-40 m2 mái nhà để lắp pin Nhật Bản phấn đấu đến năm 2010 sẽ sản xuất được hơn 8,2 triệu kWH điện tử năng lượng mặt trời
Năng lượng từ đại dương
Đây là nguồn năng lượng vô cùng phong phú, nhất là quốc gia có diện tích biển lớn Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin phát điện Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển như hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường, …
Năng lượng gió
Trang 14Năng lượng gió được coi là nguồn năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có ở mọi nơi Người ta có thể sử dụng sức gió để quay các turbin phát điện
Ví dụ như ở Hà Lan hay ở Anh, Mỹ Riêng tại Nhật mới đây người ta còn sản xuất thành công một turbin gió siêu nhỏ, sản phẩm của hãng North Powen Turbin này
có tên là NP 103, sử dụng một bình phát điện dùng cho đèn xe đạp thắp sáng hoặc giải trí có chiều dài cánh quạt là 20 cm, công suất điện là 3 W, đủ để thắp sáng một bóng đèn nhỏ
Dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe
Dầu thực vật khi thải bỏ, nếu không được tận dụng sẽ gây lãng phí lớn và gây
ô nhiễm môi trường Để khắc phục tình trạng này, tại Nhật có một công ty tên là Someya Shoten Group ở quận Sumida Tokyo đã tái chế các loại dầu này dùng làm
xà phòng, phân bón và dầu VDF (nhiên liệu diezel thực vật) VDF không có các chất thải ôxít lưu huỳnh, còn lượng khỏi đen thải ra chỉ bằng 1/3 so với các loại dầu truyền thống
Năng lượng từ tuyết
Hiệp hội nghiên cứu năng lượng thiên nhiên ở Bihai của Nhật đã thành công trong việc ứng dụng tuyết để làm lạnh các kho hàng và điều hòa không khí ở những tòa nhà khi thời tiết nóng bức Theo dự án này, tuyết được chứa trong các nhà kho
để giữ nhiệt độ kho từ 0oC đến 4oC Đây là mức nhiệt độ lý tưởng dùng để bảo quản nông sản vì vậy mà giảm được chi phí sản xuất và giảm giá thành sản phẩm
Năng lượng từ sự lên men sinh học
Nguồn năng lượng này được tạo bởi sự lên men sinh học các đồ phế thải sinh hoạt Theo đó, người ta sẽ phân loại và đưa chúng vào những bể chứa để cho lên men nhằm tạo ra khí metan Khí đốt này sẽ làm cho động cơ hoạt động từ đó sản sinh ra điện năng Sau khi quá trình phân hủy hoàn tất, phần còn lại được sử dụng
để làm phân bón
Nguồn năng lượng địa nhiệt
Trang 15Đây là nguồn năng lượng nằm sâu dưới lòng những hòn đảo, núi lửa Nguồn năng lượng này có thể thu được bằng cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét sâu dưới lòng đất để chạy turbin điện Tại Nhật Bản hiện nay có tới 17 nhà máy kiểu này, lớn nhất có nhà máy địa nhiệt Hatchobaru ở Oita Kyushu, công suất 110.000
kW đủ điện năng cho 3.700 hộ gia đình
Khí Mêtan hydrate
Khí Mêtan hydrate được coi là nguồn năng lượng tiềm ẩn nằm sâu dưới lòng đất, có màu trắng dạng như nước đá, là thủ phạm gây tắc đường ống dẫn khí và được người ta gọi là “nước đá có thể bốc cháy” Metan hydrate là một chất kết tinh bao gồm phân tử nước và metan, nó ổn định ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao, phần lớn được tìm thấy bên dưới lớp băng vĩnh cửu và những tầng địa chất sâu bên dưới lòng đại dương và là nguồn nguyên liệu thay thế cho dầu lửa và than đá rất tốt
Một cách khách quan và tổng thể đối với Việt Nam thì năng lượng mặt trời
và năng lượng gió chính là những nguồn năng lượng dồi dào và có thể nói là vô tận đối với Việt Nam Chúng là những nguồn năng lượng có thể giải quyết tốt và nhanh chóng các vấn đề năng lượng trong nước về hiện tại cũng như là trong tương lai
Sau đây chúng ta cùng nhau tìm hiểu rõ hơn về năng lượng gió và năng lượng mặt trời:
1.2 Năng lượng gió
1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió
Gió là một dạng của năng lượng mặt trời Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện, …
Trang 16Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng cơ Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện
1.2.2 Công suất của một tuốc bin gió
Công suất của một tuốc bin gió tạo ra có thể xác định theo các tính toán dựa trên mô hình (Hình 1.1) sau:
Hình 1.1: Mô hình chuyển động của gió và tuốc bin
Giả sử không khí chuyển động với vận tốc v, thời gian t để đi được quãng đường D, diện tích bề mặt A (tương ứng với diện tích do cánh quạt quét trong không gian), tỉ trọng không khí ρ, khối không khí chuyển động m sẽ được như sau:
hay
Động năng của khối không khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v:
Trang 17Từ biểu thức trên cho thấy, công suất của tuốc bin gió phụ thuộc vào lập phương của tốc độ gió, vào bề mặt quét của cánh quạt (tức chiều sải dài của cánh quạt) và vào tỉ trọng không khí
Bằng cách xác định như trên, chúng ta có thể thiết lập biểu đồ đường cong biểu diễn quan hệ giữa vận tốc gió và công suất tạo ra của một tuốc bin gió (wind speed – power curve) khi đã có kích thước hình học xác định
Trang 18Theo công thức trên cho thấy công suất do tuốc bin gió có thể tạo ra tỷ lệ theo lập phương của tốc độ gió, nghĩa là nếu tốc độ gió tăng lên 2 lần thì công suất gió tăng lên 8 lần Tất nhiên công suất trên chỉ là công suất theo lý thuyết, công suất thực tế thu được sẽ thấp hơn (khoảng 60%) vì phụ thuộc vào hệ số hoàn thiện của tuốc bin (coefficient of performance) vào hiệu suất của máy phát điện (generator efficiency), hiệu suất của hộp số truyền động (gearbox/bearings efficiency), v v Nếu tính công suất (lý thuyết) do tuốc bin gió tạo ra cho 1m2 bề mặt cánh quạt quét trực tiếp với hướng gió, chúng ta được mật độ công suất gió (wind power density) (W/m2) Mật độ công suất gió chỉ phụ thuộc vào tốc độ gió v và tỷ trọng không khí ρ, có giá trị bằng:
Tốc độ gió đo ở độ cao 10m Tốc độ gió ở độ cao 50m Cấp độ gió
Bảng 1.1: Bảng phân loại các cấp độ gió
Tương ứng với cấp độ gió, mật độ công suất cũng được phân chia thành 7 cấp độ (Bảng 1.1 và 1.2):
Trang 19Mật độ công suất gió, W/m2Cấp độ gió Tốc độ gió đo ở độ cao
Bảng 1.2: Bảng phân loại theo mật độ công suất
1.2.3 Cấu tạo tuabin gió
Bao gồm các phần chính sau đây:
Hình 1.2: cấu tạo tuabin gió
Trang 20- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu
khiển
- Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các
cánh quạt chuyển động và quay
- Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện,
bằng sức nước hoặc bằng động cơ
- Controller: Bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió
khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng
- Gear box: Hộp số Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ
cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió
- Generator: Máy phát, phát ra điện
- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp
- Nacelle: Vỏ Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và
bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, and brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc
- Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục
- Tower: Trụ đỡ Nacelle Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép
Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn
Trang 21- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng
tuabin gió
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự
thay đổi hướng gió
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho "yaw drive" định được hướng gió 1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió
Tuabin gió làm việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượng của gió làm cho
2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện
Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió Ở tốc độ
30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thường Các tuabin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn
1.2.5 Các kiểu tuabin gió hiện nay
Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại:
- Một loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng
- Một loại theo trục ngang: Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay
3 cánh quạt Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi Ngày nay tuabin gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi
1.2.6 Công suất các loại tuabin gió
Dãy công suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài
MW Để có dãy công suất tuabin gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm những
Trang 22tuabin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện
Các tuabin gió loại nhỏ có công suất dưới 50kW được sử dụng cho gia đình, Viễn thông hoặc bơm nước đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diezen, pin
và hệ thống quang điện Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình
là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này
1.2.7 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió
a Những thuận lợi:
- Năng lượng gió là nhiên liệu sinh ra bởi gió, vì vậy nó là nguồn nhiên liệu sạch Năng lượng gió không gây ô nhiễm không khí so với các nhà máy nhiệt điện dựa vào sự đốt cháy nhiên liệu than hoặc khí ga
- Năng lượng gió có ở nhiều vùng, do đó nguồn cung cấp năng lượng gió của đất nước thì rất phong phú
- Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thể tái tạo lại được mà giá cả lại thấp
do khoa học tiến tiến ngày nay Điều đó còn tuỳ thuộc vào nguồn gió, tài chính của công trình và đặc điểm của công trình
- Tuabin gió có thể xây dựng trên các nông trại, vì vậy đó là một điều kiện kinh tế cho các vùng nông thôn, là nơi tốt nhất về gió mà có thể tìm thấy Những người nông dân và các chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất của họ bởi vì tuabin gió chỉ sử dụng một phần nhở đất trồng của họ, chủ đầu tư năng lượng gió chỉ phải trả tiền bồi thường cho những nông dân và chủ các trang trại mà có đất
sử dụng việc lắp đặt các tuabin gió
b Những khó khăn:
- Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông thường ở một giá
cơ bản Điều đó còn phụ thuộc vào nơi có gió mạnh như thế nào Vì thế nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn các máy phát điện chạy bằng nhiên liêu khác
Trang 23- Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không liên tục và nó không luôn luôn
có khi cần có điện Năng lượng gió không thể dự trữ được và không phải tất cả năng lượng gió có thể khai thác được tại thời điểm mà có nhu cầu về điện
- Những nơi có năng lượng gió tốt thường ở những vị trí xa xôi cách thành phố nhưng những nơi đó lại cần điện
1.3 Năng lượng mặt trời
Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng
ra từ ngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 joule Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên Trái Đất Ngay ngoài khí quyển Trái Đất, cứ mỗi một mét vuông diện tích vuông góc với ánh nắng Mặt Trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1.400 joule trong một giây Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn năng lượng mặt trời khổng lồ Mặc dù các hoạt động nghiên cứu đã được triển khai gần 30 năm, nhưng đến nay những sản phẩm sử dụng nguồn năng lượng này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi
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 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, 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)…
Trang 24
Hình 1.3: Phân bố bức xạ mặt trời Các khu vực màu vàng có cường độ bức xạ phù hợp với công nghệ CPV
1.3.1 Nguyên lý làm việc của pin mặt trời
Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện
Trang 25Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện
1.3.1 Lịch sử
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin
Nền tảng
Để tìm hiểu về pin mặt trời, thì cần một ít lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic
Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon
Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử
Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Trong cơ học lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm
Trang 26III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên
tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể
có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể
Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p
1.3.2 Vật liệu và hiệu suất
Nhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời Và hai tiêu chuẩn, hiệu suất và giá cả Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m² trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình,
và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tính toán cụ thể trên từng kilo Watt giờ (kWh) Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu
tố quyết định trong giá thành Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan trọng của nó Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng, điện năng tạo nên nối với mạng lưới điện sử dụng inverter; trong các phương tiện di chuyển,
hệ thống ắc quy sử dụng để lưu trữ nguồn năng lượng không sử dụng hiện tại Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15% Giá
Trang 27của điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
* Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt
từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module
* Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội
và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó
* Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại
vì không cần phải cắt từ thỏi silicon
Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có độ dày 300
μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module
1.3.3 Sự chuyển đổi ánh sáng
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
a Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn
b Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường
Trang 28được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống" Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống", và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được
1.3.4 Thành phần cơ bản của một hệ thống điện mặt trời:
Hình 1.5: Các thành phần cơ bản của hệ thống điện mặt trời
1.3.5.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel)
Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời sử dụng trong hệ thống điện mặt trời:
Hiệu suất: từ 15% - 18%
Công suất: từ 25Wp đến 225 Wp
Số lượng cells trên mỗi tấm pin: 72 cells
Trang 29 Kích thước cells: 5" – 6"
Loại cells: monocrystalline và polycrystalline
Chất liệu của khung: nhôm
Tuổi thọ trung bình của tấm pin: 25-30 năm
Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây).Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời lại với nhau
Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…
1.3.5.2 Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller)
Đây là thiết bị có chức năng điều khiển việc sạc điện từ tấm pin NLMTcho quy, ổn áp cho dòng điện nạp, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của tấm pin mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V) Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp của tấm pin mặt trời quá thấp
ắc-1.3.5.3 Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)
Bộ kích điện là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình ắcquy (12V – 24V - 48V hoặc lên đến 240V) thành điện áp xoay chiều (AC) có tần số phù hợp với lưới điện Việt Nam đang sử dụng là 220V, 50Hz Bộ kích điện được thiết
kế với nhiều loại công suất từ 300VA – 10kVA tuỳ yêu cầu sử dụng
Bộ kích điện có hai dạng: sóng điện hình sin mô phỏng và hình sin thực Loại đầu có ưu điểm là giá rẻ, nhỏ gọn, thường dùng cho máy vi tính, đèn compact,
Trang 30tivi, đầu máy… Loại sau sử dụng tốt với các thiết bị điện dân dụng, nhưng có giá cao hơn
1.3.5.4 Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter)
Thiết bị này dùng để chuyển mạch từ điện lưới và điện từ năng lượng mặt trời tuỳ trạng thái khi dùng phối hợp giữa hệ thống điện mặt trời với điện lưới Những
hệ thống điện mặt trời thông minh có thể vừa cấp điện cho lưới sau khi đã nạp đầy
ắc quy hoặc chuyển sang sử dụng điện lưới khi điện mặt trời không đủ cung cấp Đơn giản nhất có thể dùng loại cầu dao chuyển mạch thủ công hoặc muốn tự động hoàn toàn, phải dùng tủ điều khiển ATS
1.3.5 Ưu, nhược điểm của NLMT:
+ Ưu điểm:
Giúp bạn tiết kiệm tiền
Sau khi đầu tư ban đầu đã được thu hồi, năng lượng từ mặt trời là
thiết thực miễn phí
Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia đình của bạn sử dụng điện
Ưu đãi tài chính có hình thức chính phủ sẽ giảm chi phí của bạn
Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng nhiều hơn bạn sử dụng, chính phủ của bạn có thể mua điện từ bạn
Trang 31 Nó sẽ giúp bạn tiết kiệm tiền trên hóa đơn điện của bạn hàng tháng
Năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nhiên liệu
Nó không bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp và nhu cầu nhiên liệu và do đó không phải chịu mức giá ngày càng tăng của xăng dầu
Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới
Việc sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp làm giảm chi phí y tế
Thân thiện môi trường
Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá)
và bền vững, góp phần bảo vệ môi trường của chúng ta
Nó không gây ô nhiễm không khí do khí carbon dioxide phát hành, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hoặc thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều hình thức truyền thống của các thế hệ điện không
Vì vậy năng lượng mặt trời không đóng góp cho sự nóng lên toàn cầu, mưa axit hoặc sương mù
Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại
Bằng cách không sử dụng bất kỳ nhiên liệu, năng lượng mặt trời không đóng góp cho các chi phí và các vấn đề của việc thu hồi và vận chuyển nhiên liệu hoặc lưu trữ chất thải phóng xạ
Độc lập, bán độc lập
Năng lượng Mặt trời có thể được sử dụng để bù đắp năng lượng tiêu thụ, cung cấp tiện ích Nó không chỉ giúp giảm hóa đơn điện của bạn, nhưng cũng sẽ tiếp tục cung cấp điện trong trường hợp bị cúp điện
Một hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động hoàn toàn độc lập, không đòi hỏi một kết nối đến mạng lưới điện Hệ thống do đó có thể được cài đặt trong vị trí từ xa (giống như đăng nhập cabins kỳ nghỉ), làm cho nó thực tế hơn và hiệu quả hơn tiện ích cung cấp điện cho một trang web mới
Trang 32 Việc sử dụng năng lượng mặt trời làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nước ngoài, ảnh hưởng do thiên tai, các sự kiện quốc tế và vì thế góp phần vào một tương lai bền vững
Năng lượng mặt trời hỗ trợ việc làm địa phương và tạo ra sự giàu có, thúc đẩy nền kinh tế địa phương
Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như bảo dưỡng miễn phí và sẽ kéo dài trong nhiều thập kỷ
Sau khi cài đặt, không có chi phí định kỳ
Thiết bị hoạt động âm thầm, không có bộ phận chuyển động, không có mùi khó chịu phát hành và không yêu cầu bạn phải thêm bất kỳ nhiên liệu
Thêm tấm pin mặt trời có thể dễ dàng được thêm vào trong tương lai khi nhu cầu của gia đình bạn phát triển
Các tấm năng lượng mặt trời có thể được cài đặt trên hầu hết các mái nhà, loại bỏ các vấn đề của việc tìm kiếm một nơi phù hợp để cài đặt Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi ít hoặc không có bảo trì Các tế bào gốc công nghệ quang điện được sử dụng cho hầu hết các vệ tinh quay quanh trái đất của chúng ta ngày hôm nay mà không được duy trì ở tất cả các Nhiều nhà sản xuất tấm pin mặt trời cung cấp cho 25 đến 40 năm bảo hành sản phẩm của mình
Bởi vì hầu hết các vùng của đất nước nhận được một khối lượng ánh sáng mặt trời trong suốt cả năm, tấm pin mặt trời có thể được cài đặt bất cứ nơi nào
+ Nhược điểm :
Các chi phí ban đầu là bất lợi chính của việc cài đặt một hệ thống năng lượng mặt trời, phần lớn là vì chi phí cao của các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong việc xây dựng
Trang 33 Trong khi giá của các tế bào PV đang suy giảm liên tục, chi phí lắp đặt là đáng kể cao so với giá điện hiện hành Nhưng điều tốt là, sau khi ban đầu của bạn ra tiền mặt, bạn không phải trả tiền hàng tháng trên hóa đơn điện cho phần còn lại của cuộc sống của bạn
Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi khá một vùng rộng lớn để cài đặt để đạt được một mức độ tốt hiệu quả
Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, mặc dù vấn đề này có thể được khắc phục với việc cài đặt các thành phần nhất định
Trên khu vực thành phố và các khu vực với vấn đề ô nhiễm nặng, năng lượng mặt trời có thể không làm việc tốt Thời tiết cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của năng lượng mặt trời Nếu trời mưa, u ám thời tiết hoặc nếu
có một cơn bão, các tấm năng lượng mặt trời sẽ hiệu quả làm việc
Chỉ sản xuất năng lượng trong thời gian ban ngày
1.4 Các hệ thống lai ghép
Các hệ thống điện hỗn hợp ra đời là kết quả tất yếu do cuộc khủng hoảng dầu lửa và sự nhận thức về môi trường, các hệ thống năng lượng tái tạo (NLTT) đã được triển khai trong các chương trình năng lượng ở nhiều quốc gia trên thế giới Thuỷ điện nhỏ, mặt trời, sức gió, khí sinh học là các nguồn năng lượng sạch, tái tạo hiện đang được áp dụng rộng rãi nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng thông qua các phương thức nối trực tiếp với lưới điện, cấp điện độc lập và các dạng ứng dụng khác như: Bơm nước, thông tin liên lạc, thắp sáng ở các vùng sâu xa chưa có điện lưới quốc gia
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 Theo báo cáo mới nhất của Tổng công ty Điện lực Việt Nam số xã chưa có điện lưới chiếm gần 20%, số hộ
Trang 34chưa 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
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
Dàn pin mặt trời (Photovoltaic – PV)
Máy phát điện dùng động cơ đốt trong
Động cơ gió phát điện
1.4.1 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
Trang 35
DC Loads
Hình 1.6: Hệ lai ghép thanh góp DC: chỉ có phụ tải DC Dàn PV, động cơ gió cấp điện cho phụ tải và nạp acqui khi có bức xạ mặt trời và sức gió 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
ĐCG
ĐCG
DC Loads
Trang 36Đôi 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)
1.4.1.2 Hệ lai ghép thanh góp AC :
DC Loads Hình 1.8: 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
Dàn PV, động cơ gió có thể cung cấp năng lượng cho acqui tuỳ theo bức xạ mặt trời và sức gió 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 ĐCG
Trang 37“đồng bộ” hoặc song song: cả bộ đổi điện và MPD có thể cùng cung cấp cho phụ tải
1.4.2 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 1.9 sau đây:
0 50 100 150 200 250
Tải trung bình ngày (kWh)
Trang 38Hiện 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
1.4.3 Những ưu nhược điểm của hệ thống điện hỗn hợp
a Ưu điểm:
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
- Khai thác tốt hơn nguồn NLTT
- Cân đối tốt hơn với phụ tải
- Nguồn có khả năng đáp ứng cao hơn
- Chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với hệ chỉ có máy phát diezen
- Hiệu suất nhiên liệu cao
- Giảm chi phí đầu tư
- Đáp ứng phụ tải linh hoạt hơn
b Nhược điểm
Cũng như các hệ thống kỹ thuật khác, hệ thống điện lai ghép cũng có một số nhược điểm nhất định sau đây:
Trang 39- Phức tạp hơn trong điều khiển
- Yêu cầu kỹ thuật cao hơn
- Bảo dưỡng thường xuyên hơn các hệ PV thuần tuý
- Cần có trình độ chuyên môn kỹ thuật cao hơn trong việc xử lý những sự cố
- Gây tiếng ồn và tăng ô nhiễm môi trường
1.5 Các chỉ tiêu đánh gía tài chính một dự án
Một số các phương pháp thông dụng để tính toán tài chính được sử dụng trong thẩm định hiệu quả tài chính bao gồm 1 số phương pháp tính sau:
- Phương pháp giá trị hiện tại ròng (NPV)
- Phương pháp tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR)
- Phương pháp tỷ suất trung bình lợi nhuận trên đầu tư (ROI)
- Phương pháp thời gian hoàn vốn (PP)
Cho dù áp dụng phương pháp nào để thẩm định tài chính dự án thì nguyên tắc giá trị thời gian của tiền phải được áp dụng Đồng tiền có giá trị về mặt thời gian, một đồng tiền ngày hôm nay có giá trị hơn một đồng tiền ngày mai, bởi lẽ một đồng tiền hôm nay nếu để ngày mai thì ngoài tiền gốc ra còn có tiền lãi do nó sinh ra, còn một đồng ngày mai nguyên vẹn một đồng mà thôi
1.5.1 Phương pháp giá trị hiện tại ròng (NPV)
+ Khái niệm: NPV (Net present value) - Giá trị hiện tại ròng - là chênh lệch giữa tổng
giá trị của dòng tiền thu được trong từng năm thực hiện dự án với vốn đầu tư bỏ ra được hiện tại hóa ở mức 0 NPV có thể mang giá trị dương, âm hoặc bằng 0 Đây là chỉ tiêu được sử dụng phổ biến nhất trong thẩm định tài chính dự án
+ Cách xác định:
Trang 40Trong đó:
CFt: Dòng tiền ròng năm thứ t
k: Lãi suất chiết khấu
n: Số năm thực hiện dự án
+ Ý nghĩa của chỉ tiêu: NPV phản ánh giá trị tăng thêm cho chủ đầu tư NPV mang
giá trị dương nghĩa là việc thực hiện dự án sẽ tạo ra giá trị tăng thêm cho chủ đầu tư Hay nói cách khác, dự án không những bù đắp đủ vốn đầu tư bỏ ra mà còn tạo ra lợi nhuận Không những thế, lợi nhuận này còn được xem xét trên cơ sở giá trị thời gian của tiền Ngược lại nếu NPV âm có nghĩa dự án không đủ bù đắp vốn đầu tư, đem lại thua lỗ cho chủ đầu tư
+ Tiêu chuẩn lựa chọn dự án:
- Nếu NPV < 0: dự án bị từ chối
- Nếu NPV = 0: tùy vào vị trí và mục đích khác ( xã hội, môi trường, … ) để lựa chọn
- Nếu NPV > 0:
+ Nếu đó là các dự án độc lập thì tất cả được lựa chọn
+ Nếu đó là các dự án thuộc loại xung khắc thì dự án nào có NPV lớn nhất sẽ được chọn
+ Ưu điểm:
- Tính đến giá trị thời gian của tiền
- Cho biết lợi nhuận của dự án đầu tư và giúp chủ đầu tư tối đa hóa lợi nhuận
t t
k i CF NPV
