THUYẾT MINH MÔ HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI

20-Thấy được điều đó, ngành điện lực đã triển khai nhiều công trình năng lượng quy mô lớn như nhà máy điện nguyên tử ở Ninh Thuận, các dự án năng lượng gió ở miền Trung, một loạt các nhà

MUC LỤC

1 Tính cấp thiết của Đề tài 1

2 Mục đích của Đề tài: 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 3

3.1 Phương pháp quan sát khoa học 3

3.2 Phương pháp điều tra 3

3.3 Phương pháp thực nghiệm khoa học 3

3.4 Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm 3

3.5 Phương pháp chuyên gia 3

4 Kết quả dự kiến đạt được: 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG I: 4

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 5

1 Tổng Quan năng lượng mặt trời và năng lượng gió 5

1.1.1 Năng Lượng Mặt Trời: 5

1.1.2 Năng Lượng Gió 5

1.2 Các Nghiên Cứu Liên Quan Đến Đề Tài 5

1.2.1 Các Nghiên Cứu Trong Nước 5

1.2.2 Các Nghiên Cứu Ở Nước Ngoài 6

2 Tình hình sử dụng năng lượng gió và mặt trời 6

2.1 Tình hình năng lượng gió và mặt trời trên thế giới 6

2.2 Tình hình năng lượng gió và mặt trời ở Việt Nam 9

2.3 Tại sao Việt Nam phải phát triển năng lượng gió và mặt trời ? 11

2.3.1 Tiềm năng của năng lượng gió và mặt trời của nước ta 11

2.3.2 Lợi ích của việc lắp đặt năng lượng gió và mặt trời 13

2.3.3 Các mặt hạn chế của năng lượng gió và mặt trời 15

2.4 Công suất của một tuốc bin gió 15

2.5 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống năng lượng gió 18

2.6 Cấu tạo của hệ thống năng lượng gió (Hình 10) 19

2.7 Những khó khăn trong việc phát triển điện gió và mặt trời tại việt nam 20

3 Điện mặt trời lai với điện gió: 21

3.1.2.Nguyên lý hoạt động 21

3.2 Kết Cấu Của Hệ Thống 22

4.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 23

4.1.Phân tích yêu cầu 23

4.2.Tính toán pin mặt trời cho hệ thống 23

4.2.1.Tính tổng lượng tiêu thụ điện của hệ thống solar 23

4.2.2.Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày 23

4.2.3.Tính toán kích cỡ tấm pin mặt trời cần sử dụng 23

4.2.4.Độ nghiêng của pin khi lắp đặt 24

4.2.5.Chọn bộ sạc năng lượng mặt trời 24

4.3.Tính toán thiết kế thiết bị gió 24

4.3.1.Tổng lượng tiêu thụ điện turbine gió phải cung cấp trong 1 ngày: 24

4.3.2.Công suất của turbine gió tạo ra được tính theo công thức: 24

4.3.3.Cánh quạt 25

4.3.4.Chọn mạch sạc cho turbine gió 25

4.3.5.Tính toán bộinverter 25

4.4.Tính toán battery 26

4.5.Những Tồn Tại Của Hệ Thống 26

CHƯƠNG 2 26

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH 26

1 CẤU HÌNH KỸ THUẬT 26

a Bàn thao tác 27

b Khối cung cấp gió và ánh sáng 27

c Khối tua bin gió 28

d Khối tấm pin mặt trời 28

e Khối điều khiển điện gió/điện mặt trời 29

f Khối ắc-quy tích điện 29

g Khối chuyển đổi điện DC/AC 30

h Khối tải (động cơ điện, bảng điện tử hiển thị LED, chiết áp, đèn LED, …) 31

i Hệ thống điện-điều khiển trung tâm 31

KẾT LUẬN 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

4

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Sau khi cải cách mở cửa, nền kinh tế Việt Nam đã có những bước chuyển biến tích cực, cơ cấu kinh tế cũng có những thay đổi cơ bản từ nông nghiệp sang công nghiệp hiện đại hóa Nền kinh tế phát triển với tốc độ nhanh khoảng 7% trong những năm gần đây; điều đó dẫn đến nhu cầu về năng lượng của nền kinh

tế tăng nhanh với trung bình 12%-13% gần gấp đôi so với tăng trưởng GDP Để

có thể đảm bảo việc cung cấp năng lượng cho nhu cầu của nền kinh tế đòi hỏi chúng ta phải dự báo được nhu cầu năng lượng trong tương lai để hoạch định được một chính sách phát triển phù hợp đủ sức đảm đương trọng trách nặng nề của nhu cầu năng lượng đất nước

Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDPtrung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1% /năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa của Việt Nam cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Điều này có nghĩa là nền kinh

tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 30% mỗi năm Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lực trở thành hiện thực thì hoặc là Việt Nam phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nước, hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào trì trệ và đời sống của người dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

20-Thấy được điều đó, ngành điện lực đã triển khai nhiều công trình năng lượng quy mô lớn như nhà máy điện nguyên tử ở Ninh Thuận, các dự án năng lượng gió ở miền Trung, một loạt các nhà máy thủy điện sẽ được đưa vào sử dụng trong thời gian tới Với dân sổ 87 triệu người, 96% điện cung cấp từ mạng lưới quốc gia Về thành phần điện sử dụng hiện tại 58 % thuộc từ năng lượng hóa thạch, 4% nhập cảng và 37 % thuộc về năng lượng tái sinh (thủy điện 6.304

MW, biomass 150 MW, điện gió 10.5 MW, điện mặt trời 1.25 MW)

Việc xây dựng nhà máy điện nguyên tử còn nhiều điều phải bàn về an toàn và việc nắm bắt công nghệ, đó là một công việc lâu dài và gian khổ Dù khó khăn thế nào đi nữa, Việt Nam cũng vẫn phải thực hiện nhưng về lâu dài trong nước vẫn còn thiếu trầm trọng điện năng cho nền kinh tế Việc triển khai tràn lan các nhà máy thủy điện chúng ta đã thấy hậu quả tai hại của nó đối với môi sinh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của các thế hệ con cháu chúng ta Tiếp tục xây dựng các nhà máy thủy điện là một phương pháp về lâu dài là cực

kỳ ảnh hưởng không tốt đến đất nước

Xét trên nhiều khía cạnh việc phát triển năng lượng gió và năng lương mặt trời

là một công việc đúng đắn và hợp lý Nó giải quyết nhanh chóng vấn đề năng lượng trong thời gian ngắn và về lâu dài nó cũng đóng góp không nhỏ cho

nguồn năng lượng quốc gia nhất là ở Việt Nam với tiềm năng về năng lượng gió thuộc vào hàng lớn nhất trên thế giới Theo báo cáo của Tập Đoàn 3TIER

Group thì trong năm 2008, với các tuốc bin có độ cao 80m so với mặt nước biển, miền Trung Việt Nam là nơi có tiềm năng công suất về năng lượng gió lớn nhất trên thế giới Miền Trung Việt Nam được dự báo có khả năng sản xuất

5000 tỉ KWh mỗi năm Với con số đó , Việt Nam có khả năng chu cấp năng lượng cho toàn bộ nhu cầu trong nước và các nước lân cận

Tiềm năng gió và mặt trời của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu phát triển năng lượng gió và mặt trời là một công việc cần thiết Thế giới tiến tới những nguồn năng lượng tái tạo đó là một xu thế không thể thay đổi, với xu thế

đó Việt Nam đang có những bước chuyển mình để phù hợp, thích nghi cho dù còn chưa nhanh và mạnh nhưng đó là một công việc cần làm và cần đẩy mạnh nhiều hơn nữa nhằm đáp ứng và nâng cao nhu cầu của nhân dân

Trong điều kiện hiện nay, việc tự nghiên cứu, chế tạo và xây dựng các thiết bị thực hành cho các phòng thí nghiêm, thực hành từ cán bộ giáo viên là vấn đề cấp thiết, vừa chủ động trong công nghệ, chất lượng của thiết bị, nâng cao tay nghề, chuyên sâu trong thực hành cho đội ngũ giảng viên

2 Mục đích của Đề tài:

 Thiết kế, lắp đặt bộ nạp cho ắc quy dùng năng lượng gió và năng lượng mặttrời, đồng thời cấp điện chiếu sáng sinh hoạt cho hộ gia đình khi mất điện

 Thiết kế được bộ nạp ắc quy ứng dụng thực tế

 Xây dựng được mô hình sản phẩm để sinh viên ngành điện thí nghiệm –thực hành

 Xây dựng các modules về phát triên ứng dụng theo hướng mở cung cấpđầy đủ các kiến thức từ cơ khí, điện tử công suất, máy điện, công nghệ

xử lý, kỹ thuật điện, điện tử, vi xử lý vi điều khiển Cho phép sinh viên

có thê triên khai kết quả thí nghiệm của mình thành kết quả/đồ án tốtnghiệp mới

 Phát triên chuyên ngành đào tạo về lĩnh vực liên quan: Chuyên ngànhđiện công nghiệp, điện tử công nghiệp, cơ điện tử, cơ khí và tự độnghóa

 Xây dựng và bổ sung tài liệu bài giảng tích hợp với các môn liên quan

- Điện điều khiên

- Mạch logic.

- Mạch duy trì

- Điều khiên trực tiếp động cơ AC

- Mạch bộ định thời / bộ đếm

- Nguyên lý và cách sử dụng thiết bị đo

 Xậy dựng và phát triên bổ sung kiến thức chuyên sâu cho đội ngũ giáo viêntrẻ

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Trong quá trình nghiên cứu, đề tài đã áp dụng những phương pháp cụ thể sau:

Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn

- Phương pháp quan sát khoa học

- Phương pháp điều tra

- Phương pháp thực nghiệm khoa học

- Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm

- Phương pháp chuyên gia

3.1 Phương pháp quan sát khoa học

Quan sát khoa học là phương pháp tri giác đối tượng một cách có hệ thống đểthu thập thông tin đối tượng Có 2 loại quan sát khoa học là quan sát trực tiếp vàquan sát gián ti

3.2 Phương pháp điều tra

Điều tra là phương pháp khảo sát một nhóm đối tượng trên diện rộng để pháthiện các quy luật phân bố và các đặc điểm của đối tượng

3.3 Phương pháp thực nghiệm khoa học

Là phương pháp các nhà khoa học chủ động tác động vào đối tượng và quá trìnhdiễn biến sự kiện mà đối tượng tham gia để hướng sự phát triển của chúng theomục tiêu dự kiến của mình

3.4 Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm

Là phương pháp nghiên cứu và xem xét lại những thành quả thực tiễn trong quákhứ để rút ra kết luận bổ ích cho thực tiễn và khoa học

3.5 Phương pháp chuyên gia

Là phương pháp sử dụng trí tuệ của đội ngũ chuyên gia để xem xét nhận địnhbản chất của đối tượng, tìm ra một giải pháp tối ưu

4 Kết quả dự kiến đạt được:

- Qúa trình tính toán, thiết kế đã tạo ra mô hình đạt được các chi tiêu đề ra nhưcông suất, chất lượng điện năng tạo ra cũng như chất lượng ổn định của mạchnạp, mạch công suất

- Hệ thống năng lượng gió và mặt trời đã phát ra điện đủ công suất để nạp cho

ắc quy cũng như cấp điện cho bóng đèn 12V, đúng như yêu cầu công nghệ

- Mô hình hoạt động ổn định

MỞ ĐẦU

Thế kỷ 20 đã trải qua với bao tiến bộ vượt bậc của loài người Một thế kỷtrong đó con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàn nhữngcông cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, giúp đáp ứng những nhucầu không ngừng của con người Nhưng bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó thìcon người cũng phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bềnvững của kinh tế thế giới Môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạnkiệt, áp lực công việc ngày càng lớn với mỗi người và hàng loạt những mặt tráikhác Trong thế kỷ 21 con người phải đối diện với một loạt các thách thứcmang tính toàn cầu.chẳng hạn như: năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại,bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế, v.v Trong đó vấn đề năng lượng vẫn là vấn

đề được xem là quan trọng nhất và cấp thất nhiết trong thế kỷ 21 Năng lượnghóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hưởng để duy trìnguồn cung cấp năng lượng là những mối họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột Nănglượng hóa thạch không đủ cung cấp cho cỗ máy kinh tế thế giới đang ngày càngphình 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 đóviệc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môitrường nảy sinh Trái đất có thể ấm lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bịthay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngàycàng mạnh hơn khó lường hơn, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến vấn đề lươngthực Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, khôngkiểm 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 nguồnnăng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Chúng ta- những con người thế

kỷ 21- phải thực hiện một loạt những hành động nhưng quan trọng nhất vẫn làtìm ra một nguồn năng lượng có thể thay thế cho năng lượng hóa thạch để đápứng cho nhu cầu của thế giới

Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn trong thế kỷ 21 này như: nănglượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối vànhững nguồn năng lượng khác Bằng những tiến bộ trong khoa học kỷ thuật và

xu hướng tất yếu của thế giới , các năng lượng tái sinh đang được nghiên cứu và

sử dụng ngày càng nhiều Năng lượng gió là một trong những nguồn nănglượng tái sinh quan trọng nhất đang và sẽ đóng góp ngày càng lớn vào sản lượngnăng lượng của thế giới

CHƯƠNG I:

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã hội cũng như duy trì sự sống trên trái đất Trong nhiều thập kỉ vừa qua, việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế

Việt Nam là nước đượcđánh giá là rất dồi dào tiềm năng về năng lượng táitạo (như năng lượng gió, thủyđiện, mặt trời…) Năng lượng tái tạo có thể tạo ra nguồn điện ngoài lưới tại chỗ, rẻ tiền, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng Nếu được đầu tư và phát triển đúng hướng nguồn năng lượng này sẽ góp phần quan trọng vào việc giải quyết vấn đề năng lượng, khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường, góp phần đảm bảo sự phát triển kinh tế bền vững của Việt Nam

1 Tổng Quan năng lượng mặt trời và năng lượng gió

1.1.1 Năng Lượng Mặt Trời:

Bức xạ mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1.000 Watt/m2 năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng khi Mặt Trời ở gần thiên

đỉnh Mỗi giây mặt trời phát ra 3,968.1026 J (tương ứng với đốt cháy 1,32.1016

tấn than), với khối lượng khoảng 1,98.1030 kg Nhiệt độ trung tâm biến đổi từ 10 triệu đến 20 triệuC

Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặt trời, phía Bắc bình quân có khoảng từ 1.800-2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000-2.600 giờ nắng/năm Bức xạ mặt trời làmột nguồn tài nguyên to lớn cho các tỉnh miền Trung và miền Nam trong quá trình phát triển bền vững

Hướng đến việc xây dựng ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam lên hàng đầu khu vực và cạnh tranh thế giới về công nghệ và sản lượng vào năm 2025, Dự thảo 2010-2025 đã vạch ra các mục tiêu cụ thể là khai thác hiệu quả điện mặt trời, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trong mọi tình huống (250

MWp = 456,25 tỷ KWh/năm), cùng với lưới điện khí hóa 100% toàn bộ lãnh thổViệt Nam vào năm 2025.

1.1.2 Năng Lượng Gió

Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các turbine gió thường được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cungcấp năng lượng

Nghiên cứu của Ngân hàng thế giới chỉ ra rằng, Việt Nam là nước có tiềmnăng gió lớn nhất trong 4 nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt

1.2 Các Nghiên Cứu Liên Quan Đến Đề Tài

1.2.1 Các Nghiên Cứu Trong Nước

 Khu công nghệ cao Q 9 Tp.HCM:Đây là hệ thống lai sử dụng năng

lượng gió và mặt trời đầu tiên của tập đoàn Intel tại châu Á Sử dụng tuabin giótrục ngang, chiều cao 15m, cung cấp năng lượng cho bóng đèn LED Ngoài ra,tại đây còn có các loại xe cộ chạy bằng năng lượng mặt trời trong nội bộ khucông nghiệp

 Công viên Thanh Niên trên đường Trần Phú, Nha Trang năm 2013:

Hệ thống gồm 8 trụ đèn sử dụng cánh quạt với 3 cánh quạt có chiều dài mỗicánh là 0,5m ngay công viên có chiều cao 10m 12 trụ đèn sử dụng pin mặt trời

có chiều cao 5m lắp đặt dọc theo sân bóng đá Thanh Niên Đây là hệ thống đènkhi trời tối sẽ tự động bật sáng

1.2.2 Các Nghiên Cứu Ở Nước Ngoài

 Sản phẩm đèn đường sử dụng hệ thống lai của Đài Loan

Lợiích lớn của việc xây dựng loại nhà máy năng lượng kết hợp này là giảm hệ thống lưới điện, đồng thời các nguồn năng lượng này sẽ bổ sung cho nhau, dẫn đến năng lượng được tải vào lưới điện ổn định hơn so với các nhà máy năng lượng mặt trời, năng lượng gió được xây dựng riêng

Hình 2 Hệ thống lai PG-SWL-004 Hình 1 Mô hình PG-SWL-001

Theo Alexander Woitas – người đứng đầu bộ phận kỹ thuật của

Solarpraxis AG: "Nghiên cứu đã kiểm tra với cùng một diện tích bề mặt Khi lắpđặt hệ thống quang điện kết hợp với tuabin gió sẽ tạo ra nguồn năng lượng gấp đôi so với việc chỉ lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời và sự che khuất gây ra bởi các tuabin gió chỉ chiếm 1-2% diện tích của hệ thống năng lượng mặt trời – thấp hơn rất nhiều so với suy nghĩ trước đây”

2 Tình hình sử dụng năng lượng gió và mặt trời

2.1 Tình hình năng lượng gió và mặt trời trên thế giới

Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung vànăng lượng gió, mặt trời nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giớiđang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễnnăng lượng gió,mặt trời giúp giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước

Hình 1 trình bày công xuất sản xuất từ điện gió trên thế giới trong khỏangthời gian từ 1996 đến 2008 [1] Tổng lượng công xuất sản xuất trên thế giới vàonăm 2009 là 159.2 GW , với 340 TWh năng lượng , xác nhận mức tăng trưởng31% mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế tòan cầu đang gặp nhiều khó khăn Theo thống kê trên thế giới, Đức , Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, ĐanMạch và Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió, mặt trời nhiều nhấttrên thế giới Chẳng hạn vào năm 2009 , điện gió và mặt trời chiếm 8% tổng sốđiện xử dụng tại Đức ; trong khi đó con số này lên đến 14% ở Ai len và 11% tạiTây Ban Nha Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió nhất thế giới với công xuất nhảyvọt từ 6 GW vào năm 2004 lên đến 35 GW vào 2009 và điện gió chiếm 2.4%tộng số điện tiêu dùng Trung Quốc và Ấn Độ cũng phát triễn nhanh về nguồnnăng lượng sạch này với 22.5 GW (Trung Quốc, 2009) và 10.9 25 GW (Ấn Độ, 2009)

Hình 1 : Công xuất điện gió và mặt trời trên thế giới trong thời gian

1996-2008 [1]

Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượnggió với khoảng cách xa so với các nước còn lại Tại Đức, Đan Mạch và Tây BanNha, năng lượng gió, mặt trời phát triển liên tục trong nhiều năm qua là nhờ sựnâng đỡ của chính phủ sở tại Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đãphát triển tại 3 quốc gia này Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từĐan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trongnhững năm vừa qua

Công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện gió và mặt trời vàonăm 2007 được nâng lên 94.112 MW Công suất này thay đổi dựa trên sức gió

và mặt trời qua các năm, các nước, các vùng như chúng ta có thể thấy trongBảng 1 [2]

Số thứ tự Quốc gia Công suất (MW)

Sự phát triễn của công xuất điện gió trên thế giới có thể tóm tắt ở Hình 2

Hình 2 : Sự phát triển của công xuật điện gió và mặt trời trên thế giới theo khu

vực [tài liệu của BTM Worl Market Update 2007, AWEA, Jan 2009, Worldpower

Monthly]

2.2 Tình hình năng lượng gió và mặt trời ở Việt Nam

Tiềm năng gió và mặt trời của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứuphát triển năng lượng gió và mặt trời là một công việc cần thiết Sự nghiên cứutriển khai năng lượng gió và mặt trời ở Việt Nam đã đi những bước đầu tiên.Nhưng cơ bản sự phát triển năng lượng gió trong nước còn nhỏ lẻ, còn khákhiêm tốn so với tiềm năng to lớn của Việt Nam Hiện tại Việt Nam có tất cả 20

dự án diện gió và mặt trời với dự kiến sản xụất 20 GW Nguồn điện gió và mặttrời này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được phân phối và quản

lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam Trong thời gian qua (tháng 4 năm2004) , Việt Nam đã lắp đặt trạm năng lượng gió công suất 858KW trên đảoBạch Long Vĩ do chính phù tài trợ và các tổ máy được chế tạo bởi hãngTechnology SA (Tây Ban Nha) Ngoài ra Trung Tâm Năng Lượng Tái Tạo vàThiết Bị Nhiệt (RECTARE) Đại học Bách Khoa tp Hồ Chí Minh đã lắp đặt trên

800 tuốc bin gió và mặt trời trong hơn 40 tỉnh thành với sự tài trợ của Hiệp hộiViệt Nam – Thụy Sĩ tập trung nhiều nhất gần Nha Trang, trong đó có gần 140tuốc bin gió và mặt trời đã hoạt động Ở Cần Giờ thành phố Hồ Chí Minh với

sự hỗ trợ của Pháp cũng đã lắp đặt được 50 tuốc bin gió và mặt trời Tuy nhiên

những tuốc bin gió và mặt trời trên đều có công suất nhỏ khoảng vài KW mức

độ thành công không cao vì không được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng yêucầu

Tháng 8-2008 Fuhrlaender AG, một tập đoàn sản xuất tuốc bin gió hàngđầu của Đức đã bàn giao 5 tổ máy (cánh quạt gió) sản xuất điện gió đầu tiên cho

dự án điện gió tại Tuy Phong , Bình Thuận với mỗi tổ máy có công suất 1.5MW(cũng xin ghi nhận nơi đây thời tiết ở Tuy Phong rất khô khan, nhưng có nhiềunắng vá gió Tốc độ gió trung bình ở đây là 6.7 m/s) Tổ máy đầu tiên được lắpđặt vào tháng 11-2008 và chính thức hòan thành kết nối vào điện lưới quốc giavào tháng 8 năm 2009 (xem Hình 3)

Hình 3 : Năm tổ máy của nhà máy điện gió và mặt trời tầm cỡ MW đầu tiên ở

Việt Nam

ở xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong , tỉnh Bình Thuận

Chiều cao của mỗi cái tháp là 103.75 m và đường kính của cánh quạt là 37.5 m

Tòan bộ thiết bị của 15 tổ máy còn lại của giai đọan 1 sẽ được hòan thànhtrong thời gian sắp tới để hòan tất việc lắp đặt toàn bộ 20 tổ máy cho giai đọan

1 Tổng công suất của nhà máy điện gió tại Bình Thuận trong giai đoạn này là30MW do Công Ty Cổ Phần Năng Lượng Tái Ttạo Việt Nam (REVN) làm chủđầu tư Thời gian hoạt động của dự án là 49 năm Nhà máy được xây dựng trêndiện tích 328ha Theo kế hoạch giai đoạn 2 sẽ mở rộng sau đó với công suất lên120MW.[4]

Tháng 10-2008 tại Hà Nội đã diễn ra lễ ký kết giữa Tổng Công Ty ĐiệnLực Dầu Khí Việt Nam (PV Power) thuộc Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam và TậpĐoàn Luyện Kim của Argentina Industrias Metallurgica Pescamona S.A.I.yF(IMPSA) thỏa thuận chi tiết về việc sản suất và phát triển các dự án điện gió vàmặt trời Hai bên đã đồng ý góp vốn để kinh doanh và thương mại hóa tuốc bingió, phát triển và quản lý các dự án điện gió, cung cấp các dịch vụ bảo trì, sửachữa các thiết bị điện gió ở Việt Nam Hai bên cũng đã kí thỏa thuận hợp táctriển khai nhà máy điện gió công suất 1 GW trên diện tích 10.000 ha nằm cách

xã Hòa Thắng huyện Bắc Bình tỉnh Bình Thuận khoảng 6 km về hướng đôngbắc Nhà máy sẽ được lắp đặt tuốc bin gió IMPESA Unipower IWP –Class IIcông suất 2,1MW các tổ máy gồm nhiều tuốc bin gió cho phép sản xuất5,5Gwh/năm Dự kiến tổng vốn đầu tư cho dự án là 2,35 tỷ USD trong 5 năm.Hai bên cũng thỏa thuẩn về dự án sản suất tuốc bin gió công suất 2MW có sảicánh quạt dài 80m cho Việt Nam và cho xuất khẩu.

Những đế án khác [3] chẳng hạn như: (i) Phương Mai - Quy-Nhơn vớicông xuất 2.5 MW do chuyên viên tập đòan Avantis Energy Group; (ii) hai đề

án với công xuất 150 MW & 80 MW tại tỉnh Lâm Đồng đang được tích cựctriễn khai; (iii) Công ty Thụy Sĩ Aerogie Plus Solution AG lắp đặt nhà máy điệngió có công xuất 7.5 MW kết hợp với động cơ diesel tại Côn Đảo , tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu

Thế giới tiến tới những nguồn năng lượng tái tạo đó là một xu thế khôngthể thay đổi, với xu thế đó Việt Nam đang có những bước chuyển mình để phùhợp, thích nghi cho dù còn chưa nhanh và mạnh nhưng đó là một công việc cầnlàm và cần đẩy mạnh nhiều hơn nữa

2.3 Tại sao Việt Nam phải phát triển năng lượng gió và mặt trời ?

2.3.1 Tiềm năng của năng lượng gió và mặt trời của nước ta

Sau khi cải cách mở cửa, nền kinh tế Việt Nam đã có những bước chuyểnbiến tích cực, cơ cấu kinh tế cũng có những thay đổi cơ bản từ nông nghiệp sangcông nghiệp hiện đại hóa Nền kinh tế phát triển với tốc độ nhanh khoảng 7%trong những năm gần đây; điều đó dẫn đến nhu cầu về năng lượng của nền kinh

tế tăng nhanh với trung bình 12%-13% gần gấp đôi so với tăng trưởng GDP Để

có thể đảm bảo việc cung cấp năng lượng cho nhu cầu của nền kinh tế đòi hỏichúng ta phải dự báo được nhu cầu năng lượng trong tương lai để hoạch địnhđược một chính sách phát triển phù hợp đủ sức đảm đương trọng trách nặng nềcủa nhu cầu năng lượng đất nước

Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởngGDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1% /năm thì nhu cầu điện sản xuấtcủa Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là327.000 GWh [5] Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điệntruyền thống thì sản lượng điện nội địa của Việt Nam cũng chỉ đạt mức tươngứng là 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Điều này cónghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếuhụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lựctrở thành hiện thực thì hoặc là Việt Nam phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-

3 lần so với giá sản xuất trong nước, hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế

sẽ rơi vào đình trệ, và đời sống của người dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.[5]

Thấy được điều đó , ngành điện lực đã triển khai nhiều công trình nănglượng quy mô lớn như nhà máy điện nguyên tử ở Ninh Thuận, các dự án nănglượng gió ở miền Trung, một loạt các nhà máy thủy điện sẽ được đưa vào sửdụng trong thời gian tới Với dân sổ 87 triệu người , 96% điện cung cấp từmạng lưới quốc gia Về thành phần điện xử dụng hiện tại : 58 % thuộc từ nănglượng hóa thạch, 4% nhập cảng và 37 % thuộc về năng lượng tái sinh (thủyđiện : 6.304 MW, biomass : 150 MW, điện gió : 10.5 MW, điện mặt trời : 1.25MW) [6]

Việc xây dựng nhà máy điện nguyên tử còn nhiều điều phải bàn về antoàn và việc nắm bắt công nghệ, đó là một công việc lâu dài và gian khổ Dù khókhăn thế nào đi nữa, Việt Nam cũng vẫn phải thực hiện nhưng về lâu dài trongnước vẫn còn thiếu trầm trọng điện năng cho nền kinh tế Việc triển khai trànlan các nhà máy thủy điện chúng ta đã thấy hậu quả tai hại của nó đối với môisinh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của các thế hệ con cháuchúng ta Tiếp tục xây dựng các nhà máy thủy điện là một phương pháp về lâudài là cực kỳ ảnh hưởng không tốt đến đất nước

Xét trên nhiều khía cạnh việc phát triển năng lượng gió và mặt trời là mộtcông việc đúng đắn và hợp lý Nó giải quyết nhanh chóng vấn đề năng lượngtrong thời gian ngắn và về lâu dài nó cũng đóng góp không nhỏ cho nguồn nănglượng quốc gia nhất là ở Việt Nam với tiềm năng về năng lượng gió và mặt trờithuộc vào hàng lớn nhất trên thế giới như đã được thể hiện qua màu trắng trong bản đồ gió ở Hình 4

Hình 4: Tốc độ gió trung bình theo mùa trên thế giới [7]

Hình 5: Tiềm năng gió và mặt trời ở Biển Đông [8]

Theo báo cáo của Tập Đoàn 3TIER Group thì trong năm 2008, với cáctuốc bin có độ cao 80m so với mặt nước biển , miền Trung Việt Nam là nơi cótiềm năng công suất về năng lượng gió lớn nhất trên thế giới (Hình 4) MiềnTrung ViệtNam được dự báo có khả năng sản xuất 5000 tỉ KWh mỗi năm Vớicon số đó , Việt Nam có khả năng chu cấp năng lượng cho toàn bộ nhu cầu trongnước và các nước lân cận

Nhìn vào biểu đồ biểu thị sức gió trên ta thấy Nam Trung Bộ củaViệt Nam là một nơi lý tưởng để lắp đặt các trạm năng lượng gió với tốc độ giótrung bình vào khoảng 10m/s

2.3.2 Lợi ích của việc lắp đặt năng lượng gió và mặt trời

Để thấy được lợi ích của việc lắp đặt năng lượng gió và mặt trời trước

tiên chúng ta phải tìm hiểu về những tác hại có thể có của các nguồn năng lượngtruyền thống khác

Năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng sạch, nhưng nó là một nguồn nănglượng tiềm tàng những hậu quả khôn lường Thứ nhất là về công nghệ, hiện naycon người cũng chỉ mới có kinh nghiệm vài chục năm trong việc xây dựng vàvận hành các nhà máy hạt nhân Đằng sau việc vận hành sử dụng , thì việc xử

lý, khai tử các nhà máy hạt nhân sau thời gian sử dụng là một điều hoàn toànmới mẻ Các sự cố về hạt nhân cũng có thể xảy ra và đem đến những hậu quảkhôn lường Vụ Trec_no_bưn (Chernobyl) là một bài học đắt giá của loài

người Thứ hai là về mặt chính trị: con người đang sống ngay trên kho vũ khíhạt nhân khổng lồ mà sức tàn phá của nó có thể phá hủy mấy mươi lần trái đất.

Vì thế sự nghi kỵ lẫn nhau của các quốc gia cũng là một hạn chế ảnh hưởng đến

sự phát triển một cách mạnh mẽ và chính thống của nguồn năng lượng vô tậnnày Bên cạnh đó các tổ chức khủng bố, phần tử quá khích luôn nhăm nhe đểtrao đổi mua bán loại năng lượng có sức công phá khủng khiếp này Nếu khắcphục được những điều đó thì năng lượng hạt nhân là chính là nguồn năng lượng

to lớn nhất của loài người

Nhiệt điện là nguồn năng lượng chủ yếu của thế kỷ 20, là mạch máu củacác cuộc đại công nghiệp trong các thế kỷ vừa qua Nhưng giờ đây đã đến lúckhai tử nguồn năng lượng không tái sinh này Việc sử dụng các nguồn nănglượng không tái sinh làm cạn kiệt tài nguyên dẫn đến tranh giành, chi phối đểtạo ảnh hưởng với các nguồn tài nguyên còn lại, phá hủy môi trường, trái đất ấmlên, băng tan ở hai cực, thiên tai tàn khốc hơn, môi trường sống bị hủy hoại phátsinh nhiều bệnh tật,… Tất cả những điều đó tiềm ẩn về một thế giới hỗn loạntranh chấp Năng lượng hóa thạch đã từng là đôi cánh cho nền kinh tế thế giớibay cao, nhưng nếu tiếp tục sử dụng và phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóathạch thì sẽ không có gì nhanh hơn để chôn vùi xã hội loài người

Thủy điện đã từng được xem là cứu cánh cho vấn đề thiếu hụt nănglượng, cho một loạt các vấn đề về xã hội như nông nghiệp, chăn nuôi Nhưnggiờ đây con người đã có đủ tri thức để nhận ra rằng con người không phải sinh

ra là để chinh phục thiên nhiên mà con người được sinh ra trong thiên nhiên vàphải sống hòa hợp với thiên nhiên Bất kỳ một hành động nào theo chủ quancon người mà không đánh giá đến tác động của thiên nhiên đều là những hànhđộng sai lầm; những điều đó sẽ hủy hoại đời sống của con người Qua nhiềunăm phát triển thủy điện một cách tràn lan giờ đây ta đang phải chịu đựng nhữngmặt trái của nó đối với môi trường Đất canh tác bị thu hẹp, rừng bị tàn phá, thayđổi dòng chảy của các sông, không còn rừng điều tiết nước làm cho các dòngsông cạn vào mùa khô, lũ lụt về mùa mưa,… Tất cả những điều đó để nói lênrằng phát triển thủy điện ở nước ta không mang nhiều ý nghĩa nữa nếu xét mộtcách nghiêm túc những lợi hại của nó Có chăng việc phát triển thủy điện chỉcòn ý nghĩa kinh tế đối với các tập đoàn kinh tế

Các nguồn năng lượng tái sinh mới như năng lượng mặt trời, năng lượnggió, năng lượng sinh học, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều,… là cácnguồn năng lượng mới hứa hẹn đem lại nhiều điều tốt đẹp cho xã hội loài ngườitrong tương lai Một cách khách quan và tổng thể đối với Việt Nam thì nănglượng 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 thểgiải quyết tốt và nhanh chóng các vấn đề năng lượng trong nước về hiện tại

cũng như là trong tương lai Đánh giá đúng mực về năng lượng gió, chúng ta cóthể rút ra được mấy ưu điểm sau của năng lượng gió mà các nguồn năng lượngkhác khó có được:

- Tận dụng được các đồi trọc để xây các tuốc bin gió

- Ảnh hưởng đến đất canh tác không đáng kể

- Ảnh hưởng của thiên nhiên nơi đặt các tuốc bin gió không đáng kể nếu sosánh với nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện hạt nhân,…

- Là nguồn năng lượng sạch và vô tận đối với thiên nhiên Điều đó là điềutiên quyết đem lại lợi thế của năng lượng gió và mặt trời so với các nguồnnăng lượng hóa thạch vốn có hạn và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môitrường.Với việc công nghệ ngày càng tiến bộ, và việc sử dụng năng lượnggió ngày càng phổ biến hơn thì giá thành của năng lượng gió ngày càng rẻcộng với xu hướng ngày càng tăng lên của các nguồn năng lượng hóa thạchphổ biến thì đây cũng là một lợi ích to lớn của năng lượng gió

- Thử lấy một ví dụ cụ thể để so sánh giá thành của điện gió và thủy điện.Nhà máy thủy điện Sơn La với 6 tổ máy, tổng công suất thiết kế là 2400

MW, được dự kiến xây dựng trong 7 năm với tổng mức đầu tư là 2,4 tỷUSD Giá thành khi phát điện (chưa tính đến chi phí môi trường) là 70 USD/MWh Như vậy để có được 1 KW công suất cần đầu tư 1.000 USD trong 7năm Trong khi đó theo thời giá năm 2003 đầu tư cho 1 KW điện gió ở nhiềunước Châu Âu cũng vào khoảng 1.000 USD Đáng lưu ý là giá thành nàygiảm đều hàng năm do cải tiến công nghệ Nếu thời gian sử dụng trung bìnhcủa mỗi trạm điện gió là 20 năm thì chi phí khấu hao cho một KWh điện gió

là sẽ 14 USD Cộng thêm chi phí thường xuyên thì tổng chi phí quản lý vàvận hành sẽ nằm trong khoảng 48 – 60 USD/MWh - tương đương với thủyđiện, vốn được coi là nguồn năng lượng rẻ và hiệu quả Theo dự đoán, đếnnăm 2020 giá thành điện gió sẽ giảm đáng kể, chỉ khoảng 600 USD/KW [9]Nhưng không phải năng lượng gió và mặt trời không có những mặt hạnchế của nó Từ tiềm năng đến việc cụ thể thành sản phẩm là một quá trình mànếu ta không đánh giá một cách toàn diện các mặt thì khó có thể biến tiềm năngtrở thành hiện thực được

2.3.3 Các mặt hạn chế của năng lượng gió và mặt trời

- Phụ thuộc hoàn toàn vào thiên nhiên, nên việc khảo sát từng vùng, lậpnhững bản đồ gió chi tiết là một điều cực kỳ quan trọng để đem lại hiệu quả chonăng lượng gió và mặt trời

- Có thể làm thay đổi dòng không khí làm ảnh hưởng đến các loài chim ditrú

- Thay đổi hoặc làm phá vỡ cảnh quan của vùng lắp đặt điện gió và mặttrời

- Tiếng ồn có thể ảnh hưởng đến các loài động vật hoặc con người sốnggần nơi đặt các trạm năng lượng gió và mặt trời.

- Có thể ảnh hưởng đến các trạm thu phát sóng điện thoại, truyền hình,…

Đó là một số mặt hạn chế của năng lượng gió và mặt trời, nhưng cơ bảnthì các hạn chế này rất nhỏ so với các hạn chế của các nguồn năng lượng hóathạch

2.4 Công suất của một tuốc bin gió

Công suất của một tuốc bin gió tạo ra có thể xác định theo các tính toándựa trên mô hình (Hình 6) sau:

Hình 6: Mô hình chuyển động của gió và tuốc bin [10]

Giả sử không khí chuyển động với vận tốc v, thời gian t để đi được quãngđường D, diện tích bề mặt A (tương ứng với diện tích do cánh quạt quét trongkhông gian), tỉ trọng không khí ρ, khối không khí chuyển động m sẽ được nhưsau:

hay

Động năng của khối không khí có khối lượng m chuyển động với vận tốcv:

hay

Vì công suất được tính bằng năng lượng E cho một đơn vị thời gian, do

đó công suất của tuốc bin gió P sẽ là :

Với hệ số hòan thiện hay Betz limit C, công thức tính công xuất trên cóthể viết lại như sau :

Trong đó: ρ - tỉ trọng không khí, kg/m3 (khoảng 1,225 kg/m3 ở mực nước biển,khi cao độ càng tăng tỉ trọng không khí càng giảm); A – bề mặt quét của cánhquạt hướng thẳng vào chiều gió, m2; v – tốc độ gió, m/sec và công xuất P, Watts(= Joules/sec) Theo lý thuyết , C bằng 16/27 = 0.59, nhưng trên thực tế C nằmvào khỏang 0.35

Từ biểu thức trên cho thấy, công suất của tuốc bin gió phụ thuộc vào lậpphương của tốc độ gió, vào bề mặt quét của cánh quạt (tức chiều sải dài củacánh quạt) và vào tỉ trọng không khí

Bằng cách xác định như trên, chúng ta có thể thiết lập biểu đồ đườngcong 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

Theo công thức trên cho thấy công suất do tuốc bin gió có thể tạo ra tỷ lệtheo lập phương của tốc độ gió, nghĩa là nếu tốc độ gió tăng lên 2 lần thì côngsuất 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 sốhoàn thiện của tuốc bin (coefficient of performance) vào hiệu suất của máy phátđiện (generator efficiency), hiệu suất của hộp số truyền động (gearbox/bearingsefficiency), v v

Nếu tính công suất (lý thuyết) do tuốc bin gió tạo ra cho 1m2 bề mặt cánhquạt quét trực tiếp với hướng gió, chúng ta được mật độ công suất gió (windpower 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:

Cấp độ gió Tốc độ gió đo ở độ cao 10m Tốc độ gió ở độ cao 50m

Bảng 5: 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 5 &6):

Cấp độ gió

Mật độ công suất gió, W/m2

Tốc độ gió đo ở độ cao

Bảng 6: Bảng phân loại theo mật độ công suất [11]

2.5 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống năng lượng gió

Về cơ bản hệ thống nhà máy hay tuốc bin sử dụng năng lượng gió là các

hệ thống máy móc chuyển đổi cơ năng của gió sang dạng điện năng phục vụ cácmục đích sử dụng của con người (Hình 7)

Hình 7: Mô hình cấu tạo của một hệ thống năng lượng gió

2.6 Cấu tạo của hệ thống năng lượng gió (Hình 10)

Tuốc bin gió biến đổi động năng (kinetic energy) sang cơ năng (mechanicalenergy) Khi cơ năng dùng để phát điện thì tuốc bin gió gọi là máy phát điệnbằng sức gió (wind generator); còn khi cơ năng dùng để chạy máy cơ khí thì gọi

là cối xay gió (windmill) Những bộ phận chính trong tuốc bin gió gồm có :động cơ điện một chiều, cánh quạt gió , đuôi lái gió, trụ và cột , bộ phận đổi điện cho thích hợp với bình ắc qui và máy đổi điện (inverter) để đổi sang dòngđiện xoay chiều Phần lớn điện từ máy phát điện gió được hòa nhập vào mangđiện chung (grid line) vừa giản tiện , vừa giảm giá điện Tuy nhiên điện từ máyphát điện gió cũng có thể tồn trử trong bình ắc quy để xử dụng trong phạm vinhỏ cho những nơi xa thành phố Tuốc bin gió có hai lọai chính: (i) trục ngang(Horizontal Axis Wind Turbine hay gọi nôm na HAWT) : đây là lọai truyềnthống hiện đang thịnh hành nhiều nơi trên thế giới và (ii) trục thẳng (VerticalAxis Design) : đây là lọai công nghệ mới có lợi điểm là cánh quạt luôn quay ổn

định với mọi chiều gió Hình 8 giới thiệu các mô hình tổng quát về hai lọaiđiện gió này Hình 9 là một lọai điện gió trục đứng có tên là Darrieus turbine Lọai điện gió nãy có năng xuật cao, tuy nhiên sức quay mạnh làm cho trụ cột layđộng gây nên sự bất an định cho tòan hệ thống Để biết chi tiết thêm, xin thamkhảo [12] Tại Việt Nam, General Electric (GE Việt Nam ) đã sản xuất 1.5 MWtuộc bin gió đầu tiên vào năm 2010 tại Khu Công Nghệ Nomura Hải Phòng [13] Đây là một bước đầu tiên đột phá trong việc xây dựng kỷ nghệ điện gió tạiViệt Nam Các hãng chế tạo những bộ phận phụ thuộc cũng bắt đầu thànhhình : chẳng hạn như Tập Đòan Trung Nam ở Bình Thuận hợp tác với công tyLilama 453 sàn xuất thân trụ gió và những cơ khí thiết bị khác [14].

Hình 8: Các thệ lọai máy phát điện gió [12]

2.7 Những khó khăn trong việc phát triển điện gió và mặt trời tại việt nam

Như trường hợp của nhiều nước trên thế giới như Đúc, Tây Ban Nha, Hoa

Kỳ và gần đây nhất là Trung Quốc và Ấn Độ, chính phủ đóng vai trò rất quantrọng trong việc phát triễn nguồn năng lượng gió Và Việt Nam cũng nằm trongthông lệ này Trong những năm gần đây, chính phủ bắt đầu có những chươngtrình khuyến khích viêc xử dụng và phát triễn nguồn điện gió , chẳng hạn như :(i) giúp đỡ tài chánh cho người dân ở vùng xa và vùng núi, (ii) miễn thuế 100%cho những máy móc nhập cảng liên hệ đến việc phát triễn nguồn năng lượng táisinh [19] Thêm vào đó là những khó khăn dưới đây làm trì trệ việc phát triễn :

- Tài liệu thông tin và dữ liệu không đầy đủ về địa lý, tốc độ gió tạinhiều vùng trong nước

- Thiếu nguồn đầu tư

- Chính sách/ kế họach và các quy định trợ giá về điện gió của những

cơ quan liên hệ trong chính phủ không rõ rệt

- Thiếu hạ tầng cơ sở và kỹ thuật

- Mức thu nhập và trình độ của người dân nói chung còn thấp

- Thiếu sự hợp tác quốc tế

3 Điện mặt trời lai với điện gió:

Là hệ thống sử dụng năng lượng từ cả điện mặt trời cục bộ và điện gió để cung cấp cho tải tiêu thụ

3.1.Hệ thống Điện mặt trời lai với Điện Gió bao gồm:

1 Pin mặt trời (Solar Panels)

2 Máy phát điện gió (Wind Generator)

3 Accu lưu trữ (Accu)

4 Bộ điều khiển sạc lai (Solar&Wind Charger)

Nguyên tắc tạo ra điện từ năng lượng mặt trời và gió

Năng lượng điện tạo ra từ Pin mặt trời và Máy phát điện gió được nạp vào Accu lưu trữ thông qua bộ điều khiện sạc lai (lai giữa gió và năng lượng mặt trời) Tải

sử dụng năng lượng lấy từ Accu thông qua một bộ biến tần

 Pin mặt trời tạo ra điện thông qua hiệuứng quang điện, dòngđiện

nàyđượcđưa tới bộ xạc để xạc vào bình

 Khi có gió, tuabine gió quay làm motor gắn theo cũng quay, sự biến đổi

từ trường của nam châm trong motor sinh ra điện Đây là dòngDC đượcđưa tới

bộ chỉnh lưu, tạiđây dòngDC sẽ được nâng lên để nạp vàoắc quy

 Dòngđiện sau khi vàoắc quy sẽđượcđưa đến bộ chỉnh lưuDC – AC biến dòng một chiềuđi ra từắc quy thành dòng xoay chiều đểđưa đến các thiết bị sử dụng

 Để tránh khi xạc đầy sẽ gây hư hỏng cho ắc quy nên ắc quy được nối với bộđiều khiển Khi bình đầy thì dòng sẽđược dẫnđi đốt nóngđiện trở nhằm

giảmáp cho ắc quy

3.2 Kết Cấu Của Hệ Thống

 Kết cấu sơ bộ của hệ thống gồm

 Phầnđế: Chịu tải trọng và liên kết các bộ phận khác trong hệ thống gồm turbine gió, các tấm pin mặt trời, bộ sạc, ắc quy và các thành phần khác

 Phần turbine gió: gồm 3 cánh vớiđường kính quay là 2m Được liên kết với motor phátđiện qua bộ truyềnđai

 Khung đỡ pin mặt trời: gồm 2 khung gắn vào trụ có tác dụng đỡ 2 tấm pin

 Hộpđựng: Chứa các phần khác của hệ thống như bộ xạc, bộ chuyển đổi… khỏi các tác nhân bên ngoài

Ưu điểm:

 Nguồn điện tạo ra ổn định và liên tục hơn nhờ 2 nguồn năng lượng Gió vàMặt trời bổ sung cho nhau

 Độc lập hoàn toàn với lưới điện nên linh hoạt trong lắp đặt

 Do kết hợp cả Gió và mặt trời nên giá thành tương đối cao

Ứng dụng:

 Cấp điện độc lập cho một tòa nhà

 Cấp điện độc lập cho trạm phát sóng vô tuyến

 Cấp điện cho một khu vực chưa có điện lưới

Khuyến nghị sử dụng:

 Ứng dụng trong lĩnh vực vô tuyến, nghiên cứu, cấp điện ngoài đảo, vùng

sâu vùng xa

 Thay thế máy phát điện quốc gia

4.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

4.1.Phân tích yêu cầu

 Số liệu cho trước:

- Nhiệt độ môi trường: 25 – 35oC

tới 270 giờ nắng một tháng, nhiệt độ trung bình 27 °C, cao nhất lên tới 40 °C,

thấp nhất xuống 13,8 °C Hàng năm, thành phố có 330 ngày nhiệt độ trung bình

25 tới 28 °C

- Thành phố Hồ Chí Minh chịu ảnh hưởng bởi hai hướng gió chính là gió mùa

Tây – Tây Nam và Bắc – Ðông Bắc Gió Tây – Tây Nam từ Ấn Độ Dương, tốc

độ trung bình 3,6 m/s, vào mùa mưa Gió Gió Bắc – Ðông Bắc từ biển Đông, tốc

độ trung bình 2,4 m/s, vào mùa khô Ngoài ra còn có gió tín phong theo hướng

Nam – Đông Nam vào khoảng tháng 3 tới tháng 5, trung bình 3,7 m/s

 Như vậy, địa điểm để lắp đặt hệ thống rất thích hợp để sử dụng năng lượng Mặt

Trời Tuy nhiên, với tốc độ gió trung bình được đánh giá là kém thì không phù

hợp để sử dụng năng lượng gió

 Ta chia năng lượng cần tạo ra thành

- Năng lượng Mặt Trời: 80% (120W)

- Năng lượng gió: 20% (30W)

4.2.Tính toán pin mặt trời cho hệ thống

4.2.1.Tính tổng lượng tiêu thụ điện của hệ thống solar.

Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị Cộng tất cả

lại chúng ta có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày

Ta có: 120W x 12h = 1440Wh

4.2.2.Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải

mỗi ngày.

Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin trời cung cấp phải

cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV

modules) = 1.3 x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng, theo đó:

PV panel = 1440 x 1.3 = 1872 Wh/ngày

4.2.3.Tính toán kích cỡ tấm pin mặt trời cần sử dụng

Hình 4 Mô hình được chọn lựa để thi công

 Để tính toán kích cở các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùythuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới

Watt- Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Việt Nam khoảng 5 kWh/m2/ngày,lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 5 ta sẽ có tổng số Wp củatấm pin mặt trời

Tổng Wp của PV panel = 1872 / 5 = 374,4WpChọn loại PV có 110Wp thì số PV cần dùng là 374,4 / 110 = 3,4 tấm

- Số lượng cells trên mỗi tấm pin: 72 cells

- Kích thước cells: 5 -6 inchs

- Loại cells: monocrystanlline và polycrystalline

- Chất liệu của khung: nhôm

- Tuổi thọ trung bình của pin: 30 năm

4.2.4.Độ nghiêng của pin khi lắp đặt

Góc nghiêng lắp đặt

(φ: là vĩ độ nơi lắp đặt)Địađiểm lắp đặt làĐH SPKT TP.HCM vĩ độ trong khoảng 8-10 nên:

chọnβ = 20

4.2.5.Chọn bộ sạc năng lượng mặt trời

Với số lượng 4 tấm pin năng lượng mặt trời 110W, ta chọn

bộ điều khiển sạc Kỹ thuật số Solar Charge Controller 12V –

250W (20A)

4.3.Tính toán thiết kế thiết bị gió

4.3.1.Tổng lượng tiêu thụ điện turbine gió phải

cung cấp trong 1 ngày:

Theo TCVN2737, áp lực gió theo vận tốc gió được xác định theo công thức:

W = 0,0613 = 0,0613 1 (daN/ ) = 100(N/m2)

Lực gió tác dụng cánh quạt: F = W.S = W.D.h = 100.0,5.1,5 = 75 N

Moment quay của cánh quạt: M = F.l = 75.0,905 = 67,875 Nm

Tần số góc của cánh quạt:

Chu kỳ quay của cánh quạt:

Tốc độ quay của cánh quạt:

4.3.4.Chọn mạch sạc cho turbine gió

Để điện áp đảm bảo sạc được vào ắc quy 12V, ta chọn mạch chỉnh lưu nhân áp

Nguyên lý hoạt động của mạch này: Giả sử tạo

nửa chu kỳ dương là điểm 1 dương thì điểm 2

sẽ là âm cho nên dòng điện sẽ đi từ điểm 1 để

nạp vào tụ điện C2 và đi qua Diode D1 để về

điểm 2 Trong nửa chu kỳ này tụ điện C1 và

Diode D2 không hoạt động Đến nủa chu lỳ tiếp

theo là nửa chu kỳ âm thì điểm 1 sẽ là âm và

điểm 2 sẽ là dương nên lúc bấy giờ dòng điện sẽ từ điểm 2 chạy qua D2 để nạp

vào tụ điện C1 và điểm 1 để hoàn thành chỉnh lưu của cả 2 nửa chu kỳ thành

một nguồn điện áp hai cực tính âm

– dương có tổng giá trị điện áp

bằng 2 lần điện áp ra trên cuộn thứ

cấp của biến áp…

4.3.5.Tính toán bộinverter

Hình 6 Sơ đồ mạch sạc cho turbine gió Hình 7 Sơ đồ mạch nghịch lưu

Đối với hệ solar stand-alone, bộ inverter phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi

tất cả tải đều bật lên, như vậy nó phải có công suất bằng 125% công suất tải Nếu tải là motor thì phải tính toán thêm công suất để đáp ứng

thời gian khởi động của motor

Chọn inverter có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định củabattery.Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện, ta không cần battery, điện áp vàodanh định của inverter phải phù hợp với điện áp danh của hệ pin mặt trời Theođó:

Số lượng battery cần dùng cho hệ solar là số lượng battery đủ cung cấp điệncho những ngày dự phòng (autonomy day) khi các tấm pin mặt trời không sảnsinh ra điện được Ta tính dung lượng battery như sau:

- Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụvới 0,85 ta có Wh của battery

Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0,6, ta chia số Wh củabattery cho 0,6 sẽ có dung lượng battery

Do đótheo yêu cầu đề ra:

Như vậy chọn battery deep-cycle 12V/700 Ah cho 3 ngày dự phòng

4.5.Những Tồn Tại Của Hệ Thống

Giá thành sản phẩm còn quá cao

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH

1 CẤU HÌNH KỸ THUẬT.

Mô hình hệ thống cung cấp điện dùng năng lượng gió và năng lượng mặt trờibao gồm bàn thao tác, hệ thống cung cấp điện dùng năng lượng gió và nănglượng mặt trời (khối cung cấp gió và ánh sáng, khối tuốc-bin gió, khối tấmpin mặt trời, khối điều khiển điện gió/điện mặt trời, khối ắc-quy tích điện,khối chuyển đổi điện DC/AC, khối tải (động cơ, đèn LED, biến trở, …), khối

đo kiểm và hiển thị), ngăn kéo chứa hệ thống điện-điều khiển trung tâm,ngăn kéo chứa dây nối và phụ kiện

a Bàn thao tác.

- Kích thước: Dài x Rộng = 1500x900 (mm)

- Chất liệu: Compact và chất liệu phù hợp để tạo khung cảnh, địa hình

- Bàn thao tác có các bánh xe có khóa giúp cố định hoặc di chuyển dễ dàngkhi cần thiết

- Bàn thao tác có 01 ngăn kéo chứa hệ thống điện-điều khiển trung tâm, 01ngăn kéo chứa dây nối và phụ kiện

- Bàn thao tác có một bộ khung gá, trên đó có gắn sơ đồ hệ thống phục vụcho công tác giảng dạy và thực hành

b Khối cung cấp gió và ánh sáng.

- Khối cung cấp gió và ánh sáng có nhiệm vụ cung cấp nguồn gió và nguồnánh sáng sơ cấp cho tua bin gió và tấm pin mặt trời trong quá trình thínghiệm

- Khối này bao gồm: 01 quạt thông gió công nghiệp, 01 đèn chiếu sáng cao

áp, giá đỡ và phụ kiện

- Thông số kỹ thuật:

Quạt gió:

+ Model: QĐ-450ĐM

+ Loại quạt: Kiểu đứng công nghiệp

+ Lưu lượng gió định mức: 67m3/phút

+ Điện áp làm việc: 220VAC, 50Hz

c Khối tua bin gió.

- Tua bin gió là cơ cấu biến đổi năng lượng gió thành điện năng Đây làmột trong hai đối tượng chính để thí nghiệm, nghiên cứu trong mô hìnhnày

- Thông số kỹ thuật tuabin gió thứ nhất:

+ Loại tuốc-bin gió: Trục ngang

- Thông số kỹ thuật tuabin gió thứ hai:

+ Loại tuốc-bin gió: Trục ngang

+ Công suất định mức: 50W

+ Số cánh quạt: 3

+ Điện áp đầu ra: 15-40VDC tùy theo tốc độ gió cấp vào

d Khối tấm pin mặt trời.

- Tấm pin mặt trời là cơ cấu biến đổi năng lượng mặt trời (năng lượng củaánh sáng) thành điện năng Đây là một trong hai đối tượng chính để thínghiệm, nghiên cứu trong mô hình này.

- Tấm pin mặt trời (bao gồm 02 tấm nhỏ 35W), thông số kỹ thuật của 01tấm nhỏ như sau:

+ Loại pin: Silic đơn tinh thể 18,5 x 50,5 (mm)

e Khối điều khiển điện gió/điện mặt trời.

- Thông số kỹ thuật của khối điều khiển điện gió/điện mặt trời:

+ Hệ thống điện áp: 12/24V nhận điện áp tự động

+ Dòng điện danh định: 30A

+ Công suất của tua bin gió (12/24V): 400 ~ 800W

+ Sạc điện áp ra HVD: 14,4/28,8 V

+ Điện áp thấp cắt LVD: 10,8/21,6 V

+ Điện áp thấp khôi phục LVR: 11,8/23,6 V

+ Bảo vệ quá tải: 31,5A

+ Ánh sáng hoạt động: Kiểm soát ánh sáng trên, điều khiển đèn tắt

+ Thời gian kiểm soát ánh sáng: Kiểm soát ánh sáng on/off, kiểm soátthời gian on/off

+ Chế độ điều khiển: sạc điện gió/điện mặt trời, công nghệ PWM

- Thông số kỹ thuật của khối điều khiển điện gió:

+ Hệ thống điện áp: 12/24V nhận điện áp tự động

+ Dòng điện danh định: 30A

+ Chế độ điều khiển: sạc điện gió (có thể dùng cho cả điện mặt trời), côngnghệ PWM

+ Trang bị màn hình LCD hiển thị trạng thái làm việc và điện áp sạc

f Khối ắc-quy tích điện.

Hình 2.8 Ắc quy sử dụng tích điện cho mô hình

g Khối chuyển đổi điện DC/AC.

- Thông số kỹ thuật:

+ Công suất: 500W

+ Hiệu suất: 80%

+ Điện áp đầu vào danh định: 12VDC

+ Dải điện áp đầu vào làm việc: 10~15,5VDC

+ Điện áp đầu ra: 220VAC

+ Tần số đầu ra: 50Hz

+ Dạng sóng đầu ra: Sóng hình sin

Hình 2.9 Bộ chuyển đổi điện áp 12V/DC sang 220V/AC công suất 500W

h Khối tải (động cơ điện, bảng điện tử hiển thị LED, chiết áp, đèn LED,

+ Điện áp làm việc: 220VAC, 50Hz

+ Tụ điện đi kèm: 1.5μF, 400VACF, 400VAC

Bảng điện tử hiển thị LED:

i Hệ thống điện-điều khiển trung tâm.

- Hệ thống điện-điều khiển trung tâm có nhiệm vụ cấp điện cho quá trìnhlàm việc của mô hình thí nghiệm, đo kiểm và hiển thị các thông số điệntrong quá trình thí nghiệm, điều khiển cung cấp điện, …

- Thông số kỹ thuật:

+ Hệ thống đóng cắt cấp điện bao gồm áp-tô-mát, cầu chì, đèn báo, nútnhấn, công tắc chuyển mạch, …

+ Hệ thống đo kiểm và hiển thị bao gồm các thiết bị sau:

++ Đồng hồ đo điện áp xoay chiều

++ Đồng hồ đo dòng điện xoay chiều

++ Đồng hồ đo điện áp một chiều

++ Đồng hồ đo dòng điện một chiều

++ Thiết bị đo tốc độ và lưu lượng gió cầm tay

++ Thiết bị đo ánh sáng cầm tay

++ Màn hình LCD đơn giản, nhỏ gọn để hiển thị dạng sóng sin đầu racủa khối chuyển đổi điện DC/AC

+ Bộ dây nối, giắc cắm an toàn loại 2mm và 4mm tiêu chuẩn dùng trongquá trình thí nghiệm

Hình 3.0 Hình ảnh cấu tạo thiết bị đo gió, điện áp, dòng điện, ánh

sang

 Hệ thống đóng cắt cấp điện cùng với các khối điều khiển điện gió/điệnmặt trời, ắc-quy tích điện, chuyển đổi điện DC/AC được bố trí trong mộtngăn kéo

 Hệ thống đo kiểm và hiển thị cùng với các khối tuốc-bin gió, tấm pin mặttrời, tải (động cơ điện, bảng điện tử hiển thị LED, chiết áp, đèn LED, …)được bố trí trên mặt bàn thao tác

Hình 3.1 Kích thước không giant trang trí mô hình

Hình 3.2 Mô hình tổng thể hệ thống phát điện gió và mặt trời

Hình 3.3 Kích thước máy phát điện gió

Hình 3.4 Kích thước pin mặt trời hấp thụ ánh sang