Bài giảng Các nguồn năng lượng tái tạo - TS. Lê Thị Minh Châu

Bài giảng giới thiệu các khái niệm và vai trò của các nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống năng lượng; trình bày về nguyên lý biến đổi năng lượng, các phẩn tử chính, đặc điểm vận hành và ưu điểm, nhược điểm của các hệ thống năng lượng tái tạo. Khái quát các vấn đề cơ bản khi vận hành và kết nối; hướng dẫn tính toán sơ bộ công suất phát của hệ thống;... Mời các bạn cùng tham khảo.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN – BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN

CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Giảng viên: TS Lê Thị Minh

Châu

1 MÔ TẢ HỌC PHẦN

1 Giới thiệu các khái niệm và vai trò của các nguồn NLTT

trong HT năng lượng

2 Trình bày về nguyên lý biến đổi NL, các phẩn tử chính, đặc

điểm vận hành và ưu điểm, nhược điểm của các HT NLTT

Khái quát các vấn đề cơ bản khi vận hành và kết nối

3 Hướng dẫn tính toán sơ bộ công suất phát của hệ thống

4 Trong các bài giảng có các bài tập và ví dụ ứng dụng, các

giờ trình bày và thảo luận để hướng tới người học có kỹ

năng tư duy, trình bày các chuyên đề kỹ thuật liên quan đến

các nguồn NLTT

MỤC ĐÍCH MÔN HỌC

1 Nắm được các lý thuyết chung về các nguồn năng lượng

tái tạo

2 Trình bày được các quy trình biến đổi năng lượng tái tạo

thành điện năng

3 Trình bày được các tiềm năng và cơ hội ứng dụng năng

lượng sạch và tái tạo ở Việt Nam

4 Sau khi học xong học phần này, người học có khái niệm

tổng quát về năng lượng tái tạo và ứng dụng khi có điều

2 ĐẶT VẤN ĐỀ

Solar; 8.25% Wind; 0.57% Biomass; 0.63% Diesel; 0.04% Im_Lao; 1.06%

Cơ cấu nguồn điện việt nam, 7/2019

P đặt (MW) Thủy điện lớn 16,881 Nhiệt điện than 19,258 Tuabin khí 7,260 Nhiệt điện dầu 1,412 Thủy điện nhỏ 3,530

Điện mặt trời 4,438 Điện gió 305

Sinh khối 337 Diesel 24 Nhập khẩu Lào 572

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 0

Tương quan tổng công suất đặt và phụ tải đỉnh giai đoạn 2001-2019

P_instal (P1) Annual peak load (P2) P2/P1

2 ĐẶT VẤN ĐỀ

Công suất khả dụng HTĐ QG qua các

tuần

2 ĐẶT VẤN ĐỀ

2 4 6 8 10 12

Tăng trưởng GDP hàng năm

2 ĐẶT VẤN ĐỀ

Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam (J Polo et al., 2015).

11/2017/QĐ-TTg: Cơ chế khuyến khích phát triển các dự

án điện mặt trời tại Việt Nam (Ngày hết hạn: 30/6/2019)

9.35 Uscents/kWh

1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

84 84 84 84 174 174 174 211 260 260 260 260 260

310 398

559 712

882 1097 1780 2231 2834 3323 3570 4110

SUM 1091.3

Tỉnh, thành phố MWac

Ha Tinh 40.3 Thanh Hoa 29

Tỉnh, thành phố MWac

Ninh Thuan 983.4 Binh Thuan 892.3

Tay Ninh 628.5 Long An 224.5

Ba Ria – Vung Tau 232.5

An Giang 176 Tra Vinh 140

SUM 3277.2

2 ĐẶT VẤN ĐỀ

 Trữ lượng các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng giảm.

 Nhu cầu sử dụng năng lượng của thế giới tiếp tục tăng trong các thập kỷ qua.

 Sau cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên 1974, thế giới mới khởi động cho sự hỗ trợ ngành năng lượng tái tạo

 Nguồn năng lượng chủ yếu: nguồn năng lượng truyền thống (than đá, dầu mỏ, khí đốt, ) => các nguy cơ:

=> Hiệu ứng nhà kính

2 ĐẶT VẤN ĐỀ

THEO CƠ QUAN THÔNG TIN NĂNG LƯỢNG MỸ (EIA), MỨC TIÊU THỤ NL CỦA THẾ GIỚI SẼ TĂNG 57% TỪ 2004-2030 (TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG SẼ TĂNG VỚI TỐC ĐỘ TRUNG BÌNH LÀ 0,46 TỶ GWH/NĂM)

 Hiệp định Kyoto liên quan Công ước khung Liên Hiệp Quốc về Biến đổi Khí hậu

 Chỉ có Năng lượng tái tạo mới đủ điều kiện giúp nhân loại giải quyết lâu bền những vấn đề trọng yếu sau đây:

khí, hạt nhân có thể gây ra chiến tranh

2 ĐẶT VẤN ĐỀ

3 GIỚI THIỆU CHUNG NLTT

3.1 KHÁI NIỆM

 Các dạng năng lượng có khả năng tái tạo được tức là trữ lượng của chúng được bổ sung liên tục => còn gọi là năng lượng lựa chọn, năng lượng thay thế hay năng lượng xanh

 Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng NLTT là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào sử dụng Các quy trình này được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt trời.

3.2 NGUỒN GỐC CÁC NGUỒN NLTT

 Phân loại theo nguồn gốc sinh ra

 Nguồn gốc từ bức xạ của mặt trời

 Nguồn gốc từ nhiệt năng của trái đất

 Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất – Mặt trăng

Nguồn gốc từ bức xạ của Mặt trời

 NL mặt trời thu được trên Trái đất là NL của dòng bức xạ điện từ Có thể trực tiếp thu lấy NL này thông qua:

 Hiệu ứng quang điện, chuyển NL các photon của Mặt trời thành điện năng (pin mặt trời)

(bình đun nước nóng MT, làm sôi nước trong tháp MT của NM điện MT

3 GIỚI THIỆU CHUNG NLTT

Nguồn gốc từ bức xạ của Mặt trời

của các phản ứng quang hóa => Quá trình quang hợp => quá trình

này được cho là dự trữ NLMT vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch

hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ NL có thể khai thác được (Dòng chảy của gió, khí là quay tuabin gió - cối xay gió, chuyển động sóng biển)

điện (cối xay nước, nhà máy điện dùng dòng hải lưu)=> thủy điện

ban ngày => khai thác chện lệch nhiệt độ để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dung nhiệt lượng của biển

 Khí nhiệt năng hấp thụ từ photon của MT làm bốc hơi nước biển, một phần NL đó được dự trữ sử dụng tách muối ra khỏi nước biển Nhà máy nhiệt điện dùng phản ứng nước ngọt – nước mặn thu lại phần NL này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

3.2 NGUỒN GỐC CÁC NGUỒN NLTT

Nguồn gốc từ nhiệt năng của trái

đất  Địa nhiệt: năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất

 Nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất.

 Năng lượng nhiệt có được thông qua các phản ứng phân rã hạt nhân

âm ỉ trong lòng đất => nhà máy nhiệt địa nhiệt và sưởi ấm địa nhiệt

Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất – Mặt

Trăng

3.2 NGUỒN GỐC CÁC NGUỒN NLTT

 Trường hấp dẫn không đều trên Trái Đất không đều gây ra bởi Mặt trăng + trường lực quán tính ly tâm không đều trên bề mặt thủy quyển của Trái đất + Trái Đất quay quanh Mặt Trăng => mực nước biển tại một điểm trên TĐ dâng lên hạ xuống trong ngày => hiện tượng thủy triều

 Sự nâng hạ của nước biển -> chuyển động các NMĐ trong các

NM thủy triều

3.3 CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

1 Năng lượng Gió

2 Năng lượng Mặt Trời

3 Năng lượng Thủy điện nhỏ

4 Năng lượng Sinh khối

5 Năng lượng Địa nhiệt

6 Năng lượng Đại dương

Đặc trưng các nguồn năng lượng tái tạo

3.3 CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

 Năng lượng tái tạo thường không ổn định, lúc có lúc không, lúc mạnh lúc yếu phụ thuộc vào nguồn năng lượng thiên nhiên

 Năng lượng tái tạo thường không phát thải các chất độc hại nên khi sử dụng chúng sẽ có lợi cho môi trường

 NLTT trừ các nguồn thuỷ năng lớn ra còn lại thường là nguồn NL phân tán, nhỏ lẻ, rất phức tạp khi hoà vào lưới điện Khi kết nối vào lưới điện dễ gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng (dao động chậm về điện áp, dao động nhanh hoặc các bước nhảy vọt

về điện, nhấp nháy điện, phát sóng hài và các sóng hài đa hài, không cân bằng, gây nhiễu lên các hệ thống tín hiệu), ảnh hưởng đến độ nhạy và độ chọn lọc của toàn bộ hệ thổng bảo vệ,

Đặc trưng các nguồn năng lượng tái tạo

 Giá thành của các thiết bị thu hồi NLTT còn khá cao nên nếu không

có sự tài trợ thì chúng rất khó cạnh tranh với các nguồn NL truyền thống.

 Ảnh hưởng đến cơ chế giá mua bán điện.

4 NĂNG LƯỢNG GIÓ

4.1 Năng lượng gió

 Năng lượng gió là động năng

của luồng không khí di

chuyển,có nguồn gốc từ năng

lượng Mặt Trời.

Ưu điểm

Nguồn năng lượng tái tao hoàn toàn và sạch Tăng

trưởng kinh tế vùng sâu vùng xa

Nguồn nhiên liệu vô tận

Gía thành thấp

Làm sạch không khí,giảm thiểu hiệu ứng nhà

kính

Sử dụng được ở mọi nơi

turbine

- Cánh turbine:

là để nâng cao khả năng hứng

gió

25

tuabin gió

gió thổi đến cánh quạt làm rotor quay dẫn đến quay máy

phát.

Rotor

26

Pitch - Pitch: Điều

chỉnh góc nghiêng của cánh quạt, hoạt động nhờ động cơ hoặc cơ cấu thủy lực.

1 Cấu tạo

27

Bộ hãm

- Bộ hãm:

Giảm tốc độ turbine hoặc dừng rotor khẩn cấp

1 Cấu tạo

28

Trục tốc độ thấp

1 Cấu tạo

Trục tốc độ cao

29

Hộp số

thông qua trục quay tốc độ cao và thấp.

1 Cấu tạo

Bánh răng 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 -> yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện

Rất đắt tiền và là một phần của bộ động cơ và tuabin gió

30

Máy phát

- Máy phát:

Chuyển đổi momen quay nhận được từ cánh rotor thành điện năng.

1 Cấu tạo

31

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.32

Đo tốc độ gió

- Đo tốc độ gió : Đo tốc độ gió, truyền tín hiệu về hệ thống điều khiển, thường

sử dụng thiết bị đo gió kỹ thuật số.

1 Cấu tạo

33

Đuôi định hướng

yane):

Là thiết bị xác định hướng gió

và gửi tín hiệu về

hệ thống điều khiển.

1 Cấu tạo

34

Điều khiển độ lệch

- Điều khiển

độ lệch (Yaw drive):

Giữ cho rotor luôn hướng về hướng gió chính.

1 Cấu tạo

35

Động cơ điều

khiển

1 Cấu tạo

Động cơ điều chỉnh hướng tuabin (Yaw motor) : động cơ điều chỉnh tuabin đúng theo hướng gió bằng cách điều chỉnh rotor đối diện cới hướng gió khi gió thay đổi 36

Tháp (tower)

1 Cấu tạo

37

Nguyên lý làm việc của turbin gió

38

Wind vane (đuôi định hướng) đưa tín hiệu đến Yaw motor (động cơ điều khiển) để giữ cho rotor luôn hướng về hướng gió chính thông qua Yaw drive (điều khiển độ lệch) Gió thổi làm quay cánh quạt dẫn đến rotor quay, thông qua trục quay tốc độ thấp truyền động đến trục quay tốc độ cao thông qua hộp số Trục tốc độ cao quay kéo theo rotor máy phát quay tạo ra điện.

- Khối lượng không khí đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió là:

V

4.2 Phương trình vật lý về NL gió

MẬT ĐỘ KHÔNG KHÍ

T: Nhiệt độ không khí (Celsius)

h: Độ cao của gió trên mực nước biển (m)

- Vì thế, động năng E và công suất P của gió là:

41

3 )

273 (

3

273

353

m kg

e T

1

v t p A

v m

Ta thấy: công suất gió tăng theo lũy thừa 3

của vận tốc gió vận tốc gió là một

trong những yếu tố quyết định khi muốn sử

dụng năng lượng gió.

Công suất P của gió

Với A là diện tích mặt cắt ngang hình tròn (vòng quay cánh quạt) có

1

v

A t

E

3 2

.

2

Pi

v

r t

E

Tính toán sơ bộ trong thiết kế

VD1: Tính toán công suất phát của 01 tuabin gió

Biết rằng độ cao tại đây là 150m, vận tốc gió đạt 8m/s, nhiệt độ môi trường 300C Tuabin gió sử dụng loại có bán kính 41m

Mật độ không khí tại khu vực được tính theo công thức:

Trong đó: h: độ cao của khu vực

T: nhiệt độ môi trường

Từ đó ta có công suất của luồng gió được tính bởi: 43

)

3/

(1455,

1)

27330

.(

3,

29 150

27330

353)

273.(

3,29

- Giả sử hiệu suất thực tế của cánh quạt và roto đạt 40%, hộp số 95%, hiệu suất máy phát đạt 70%

Như vậy hiệu suất tuabin gió có được là:

Từ đó ta tính được công suất thực tế của 1 tuabin gió:

% 6

, 26 7

, 0 95 ,

0 4 , 0

  b  gret  g



) (

4119 ,

0 6

, 26

54864 ,

1

VD2: Xác định NL gió dựa vào vận tốc gió trung bình, r = 10m, ρ = 1,23kg/m3

a) Gió thổi liên tục 10h với v=6m/s

b) Gió thổi liên tục 5h với v=3m/s sau đó thổi 5 với v=9m/s

Năng lượng gió khi gió thổi liên tục 10h với vận tốc không đổi v=6m/s

Năng lượng gió

 khi gió thổi trong 5h đầu:

 khi gió thổi trong 5h sau:

 NL gió thu được trong 10h với vận tốc thay đổi:

Wh v

r t

r t

r t

4.4 Phân loại tuabin gió

Dựa vào hướng của cánh quạt

Dựa vào số lượng cánh quạt

PHÂN LOẠI

Dựa vào hướng của cánh

quạt

1

Đ iệ n g ió t rụ

c n g a n g

Đ iệ n g ió t rụ

c đ ứ n g

4.4 Phân loại tuabin gió

Tuabin trục ngang, loại

3 cánh quạt hiệu suất

cao hơn 1 hoặc 2 cánh

quạt

Tuabin trục đứng, dạng cánh phẳng trục đứng, cánh tròn trục đứng, dạng Darrieur

4.4 Phân loại tuabin gió

iệ

n g ió t rụ

1 Ưu điểm:

- Không cần điều khiển để cho trục hướng theo

chiều gió như loại trục ngang

- Cánh quạt loại này chỉ có thể ở gần mặt đất nơi

có vận tốc gió thường không cao và gió thường

iệ

n g ió t rụ

56

NĂNG LƯỢNG GIÓ

1 Ưu điểm:

- Tuabin gió nằm trên cao nơi có vận tốc gió cao nên loại này có công suất lớn hơn và hiệu suất cũng cao hơn.

- Mô men khởi động lớn, Khi gió to có thể

thay đổi góc pitch để bảo vệ máy phát

2 Nhược điểm:

- Cấu trúc cơ cồng kềnh và nặng nề nhất bố

trí ở trên cao nên khó bảo trì, có trụ đỡ lớn hơn

- Cánh quay phức tạp hơn và đắt hơn

1

Đ iệ n g ió 1

c á n h

Đ iệ n g ió n h iề u

c á n h

Dựa vào số lượng cánh

quạt

Đ iệ n g ió 2

c á n h

4.4 Phân loại tuabin gió

Dựa vào điều chỉnh cánh

1

K h ô n g đ iề u

c h ỉn h

c á n h

C ó đ iề u

c h ỉn h

c á n h

4.4 Phân loại tuabin gió

Loại Tuabin: không điều chỉnh cánh và điều chỉnh được

cánh

60

M

á y p h á

t đ ồ n g b ộ

M áy p h á

t m ộ

t c h iề u

M

á y p h á

t K Đ B

Dựa vào cấu tạo của

máy phát

4.4 Phân loại tuabin gió

Kết nối (coupling):

 Direct coupling (không có bộ biến đổi điện AD/DC/AC)

 Indirect coupling (có bộ biến đổi điện AD/DC/AC)

Hệ thống truyền động (drive train):

 Direct drive (không có hộp số)

 Indirect drive (có hộp số)

Điều khiển tốc độ (control speed):

 Tốc độ (tuabin gió) không đổi

 Tốc độ biến đổi

62

4.4 Phân loại tuabin gió

Máy phát điện gió được phân thành 4 loại:

Loại A: Máy phát điện gió có vận tốc cố định (máy phát cảm ứng vận tốc cố định – FSIG)

tốc độ quá đồng bộ với độ trượt từ 1-2% có thể xem như vận tốc không đổi hoặc

cố định.

tỷ số truyền và thiết kế máy phát điện

CSPK của máy phát, giảm gánh nặng cho lưới điện tại điểm kết nối.

63

4.4 Phân loại tuabin gió

Loại B: Máy phát điện gió có vận tốc thay đổi giới hạn

nối với mạch điện rotor Biến trở ngoài được điều khiển bằng một mạch điện tử

và được gắn trên rotor => có thể thay đổi điện trở rotor do đó kiểm soát được

độ trượt => công suất của động cơ được kiểm soát.

thường phạm vi từ 0 đến 10% tốc độ đồng bộ.

64

Đặc tính công suất theo vận tốc quay của máy

Để lấy ra công suất gió Max từ các

vận tốc gió khác nhau Vân tốc máy

phát cần thay đổi dọc theo đường

cong Với MF có vận tốc cố định, nó

vận hành theo đường màu đỏ nên

không trích được công suất Max từ

gió

=> vận tốc máy phát cần thay đổi

theo tốc độ gió => sử dụng các

giao diện hay các bộ điều khiển

công suất Người ta thường dùng

máy phát loại C và D

65

Loại C: Máy phát điện DFIG là máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn kích từ kép

Để có thể vận hành với vận tốc thay đổi, ta đưa một điện áp thay đổi vào rotor tại tần số trượt Điện áp đưa vào rotor có được bằng cách sử dụng hai bộ biến tần nguồn áp (VSC) trên cơ sở chỉnh lưu cầu toàn phần IGBT, được kết nối thông qua một bộ góp DC.

Điều khiển để thay đổi vận tốc rất khó

filter

66

Loại D: Máy phát điện là loại FDC

Máy phát điện nối trực tiếp với lưới điện thông qua công cụ chuyển đổi tần số Đây là loại tần số thay đổi từ đầu cực máy phát thành dòng điện AC tần số cố định Sơ đồ này ít gây

ra méo dạng sóng hài

Hiện đại và được sử dụng nhiều nhất

67

Các phương thức sản xuất

2 phương

thức

Onshore (trên đất liền)

Offshore (Ngoài biển)

68

Danh sách 10 nhà máy điện gió trên bờ lớn nhất thế giới

Danh sách 10 offshore wind farm lớn nhất thế giới:

Tên dự án Tổng công suất

(MW)

Quốc gia Năm hoàn

thành