Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất của nhà máy nhiệt điện lai năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất của nhà máy nhiệt điện lai năng lượng mặt trời ở Việt Nam trình bày các đặc điểm chính của các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả nhất, bao gồm nhà máy nhiệt điện lai. Triển vọng của các nhà máy nhiệt điện lai tại tỉnh Ninh Thuận, nơi có cường độ bức xạ mặt trời cao nhất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất của nhà máy nhiệt điện lai năng lượng mặt trời ở Việt Nam

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ TĂNG HIỆU SUẤT CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM Nguyễn Đức Toàn*, Đoàn Ngọc Anh Khoa Điện - Trường đại học công nghiệp Việt Trì *Email: ductoan.bf@gmail.com Tóm tắt Báo cáo này trình bày các đặc điểm chính của các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả nhất, bao gồm nhà máy nhiệt điện lai. Triển vọng của các nhà máy nhiệt điện lai tại tỉnh Ninh Thuận, nơi có cường độ bức xạ mặt trời cao nhất. Kết quả tính toán nhà máy nhiệt điện thông thường và nhà máy nhiệt điện lai có cùng công suất 4,6 MW được đem ra so sánh. Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu của việc áp dụng các công nghệ lai với năng lượng mặt trời là do hiệu suất của nhà máy tăng từ 6% đến 10% tùy vào thời gian trong năm và cường độ bức xạ trực tiếp của mặt trời và nhiệt độ môi trường xung quanh. Việc tiêu thụ nhiên liệu (khí tự nhiên) được sử dụng trong nhà máy tuabin khí đã giảm đáng kể. Từ khoá: Nhà máy điện lai, tiết kiệm năng lượng, bức xạ mặt trời, nhà máy điện tuabin khí. EVALUATION OF ENERGY SAVING EFFICIENCY AND INCREASE THE PERFORMANCE OF HYBRID THERMAL POWER PLANTS IN VIETNAM Abstract The work presents the main characteristics of the most efficient solar energy technologies, including hybrid thermal power plants. The prospect of hybrid thermal power plants in Ninh Thuan province, where the intensity of solar radiation is highest. The results of conventional thermal power plants and hybrid thermal power plants with the same capacity of 4.6 MW are compared. The fuel-saving effect of applying hybrid solar technologies is due to the plant's efficiency increase from 6% to 10% depending on the time of year and the direct radiation intensity of the solar radiation. weather and ambient temperature. The consumption of fuel (natural gas) used in the gas turbine plant has been significantly reduced. Keywords: hybrid thermal power plants, energy saving, solar radiation, gas turbine plant. 1. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, ngành năng lượng toàn cầu đang theo đuổi xu hướng tăng hiệu quả sản xuất năng lượng nhiệt và điện, đó là do sự gia tăng cạnh tranh trên thị trường năng lượng, cũng như các yêu cầu về môi trường ngày càng cao. Nhu cầu tiết kiệm các nguồn năng lượng sơ cấp, đặc biệt là năng lượng hóa thạch ngày càng trở nên cấp thiết hơn. 224
Một trong những định hướng của chính sách năng lượng hiện đại ở nhiều nước phát triển và đang phát triển là xây dựng các cơ sở năng lượng phân tán nhỏ, càng gần người tiêu dùng càng tốt. Nhờ vị trí gần mà việc giảm thất thoát năng lượng qua mạng lưới truyền tài và phân phối đã được giảm thiểu. Nhược điểm đáng kể của các cơ sở năng lượng phân tán có công suất thấp (nhỏ hơn 25 MW) là chi phí sản xuất cao hơn và ô nhiễm môi trường cục bộ ở khu vực lân cận do sử dụng các công nghệ đốt nhiên liệu truyền thống. Do đó vấn đề giảm chi phí sản xuất, tăng tính hấp dẫn về môi trường và đầu tư của các cơ sở này là cần thiết. Điều này có thể đạt được thông qua việc kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Các nguồn năng lượng tái tạo đã gây ra sự chuyển đổi toàn cầu về công nghệ năng lượng [1] và tạo động lực thúc đẩy phát triển trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Sử dụng các nguồn tái tạo cũng dẫn đến giảm lượng khí thải cacbon đioxit. Năng lượng mặt trời chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo hiện có. Theo ước tính, năng lượng mặt trời cung cấp cho bề mặt Trái đất khoảng 1,2 · 1017 W, chiếm hơn 99,99% tất cả các nguồn năng lượng tái tạo hiện có. Điều này tương ứng với công suất khả dụng trung bình cho mỗi người là 15 MW [2]. Đối với mục đích sử dụng thương mại, cường độ bức xạ mặt trời được xác định từ 2000-2800 kWh / m2 / năm, và theo một số ước tính từ 1800 kWh / m2 / năm [3]. Ở giai đoạn này, hứa hẹn nhất là sự kết hợp của các công nghệ sản xuất năng lượng truyền thống và công nghệ năng lượng tái tạo, ví dụ như nhà máy điện tuabin khí lai với năng lượng mặt trời. 2. CÔNG NGHỆ LAI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hãy xem xét các công nghệ tập trung năng lượng mặt trời (CSP) hiệu quả nhất được sử dụng hoặc đang trong quá trình thử nghiệm. Trong các nhà máy điện mặt trời, năng lượng điện được tạo ra bằng cách tập trung bức xạ mặt trời. Thông thường chúng bao gồm một số thành phần như bộ tập trung năng lượng mặt trời, bộ thu và tuabin. Có bốn công nghệ lai khác nhau [3]: - Máng parabol (PTC). - Tháp mặt trời (SPT). - Bộ phản xạ Fresnel tuyến tính (LFR). - Đĩa parabol (PDC). 225
Hình 1: Các công nghệ tập trung năng lượng mặt trời Hệ thống PDC sử dụng bộ tập trung dạng đĩa parabol. Với tỷ lệ tập trung khoảng 2000 tại tiêu điểm, nhiệt độ và áp suất của chất hấp thụ thường đạt khoảng 700-750 °C và 200 bar. Một hệ thống CSP sử dung công nghệ PDC có công suất trong khoảng từ 0,01 đến 0,5 MW [4]. Để cung cấp nguồn điện đáng tin cậy hơn, hệ thống PDC cũng có thể được kết hợp với một nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch [3]. Trong hệ thống PTC, các gương lớn hình máng được sử dụng để phản xạ bức xạ mặt trời lên đường ống chứa chất hấp thụ nhiệt. Hệ thống chứa hàng trăm máng, được xếp thành các hàng song song theo trục bắc nam để đảm bảo rằng bức xạ mặt trời liên tục được tập trung vào các ống thu. Tùy thuộc vào tỷ lệ tập trung, cường độ bức xạ mặt trời, tốc độ dòng chảy của chất lỏng và các thông số khác, nhiệt độ của chất hấp thụ có thể đạt tới 400 ° C [3]. Công nghệ máng parabol sử dụng nhiên liệu hóa thạch để bổ sung sản xuất năng lượng trong khi bức xạ mặt trời thấp và thường hệ thống này có thể được tích hợp vào nhà máy nhiệt điện khí hoặc nhiệt điện than [5]. SPT là một hệ thống phát điện sử dụng những tấm gương lớn, phẳng để phản chiếu ánh sáng mặt trời vào bộ thu năng lượng mặt trời trên đỉnh tháp trung tâm [6]. Vật liệu thu thường là gốm sứ hoặc kim loại bền ở nhiệt độ tương đối cao. Thông lượng mặt trời trung bình trên bộ thu thay đổi từ 200 đến 1000 W / m2, giúp nó có thể đạt được nhiệt độ hoạt động cao [7]. Trong bộ thu, nhiệt độ của chất hấp thụ trở nên đủ cao để tạo ra hơi nước hoặc làm nóng không khí. Bộ thu LFR bao gồm một loạt các dải gương phản xạ, bộ thu, hệ thống theo dõi, hệ thống xử lý và thiết bị, tuabin hơi nước và máy phát điện. Gương phản xạ là thành phần quan trọng trong hệ thống và cơ chế phản xạ cũng giống như cơ chế của thấu kính Fresnel. Các tia sáng mặt trời được phản xạ bởi một thấu kính Fresnel và hội tụ tại một điểm duy nhất, thường là trên một máy thu cố định trên một tháp tuyến tính. Vào ban ngày, các gương phản xạ Fresnel được tự động hướng về phía mặt trời, và từ đó bức xạ mặt trời phản xạ được chuyển đến một tháp tuyến tính, nơi có một bộ thu hình trụ dài 226
chứa một loạt các ống chứa đầy nước. Với bức xạ mặt trời cao, nước bốc hơi và dưới áp suất đi vào tuabin hơi nước, làm quay một máy phát điện để tạo ra điện [8,9-11]. Bảng 1: So sánh các công nghệ tập trung năng lượng mặt trời. Thông số kỹ thuật SPD PTC SPT LFR Công suất, MW 0,01-0,4 10-200 10-150 10-200 Độ tập trung 1000- 25-100 300-1000 70-80 3000 Hiệu suất năng lượng mặt trời 29 20 20 - 35 21 tối đa, Hiệu suất điện mặt trời hàng 20-35 15 20-35 8-10 năm, Diện tích yêu cầu (m2 / MWh) 30-40 4-6 8-12 6-8 Hiệu suất nhiệt% 30-40 30-40 30-40 - Hiệu suất tối đa, 30 14-20 23-35 18 Chi phí vốn, USD / kW 12578 3972 4000 - Chi phí vốn, USD / m2 - 424 476 234 Nhiệt độ làm việc chất hấp thụ, 800 290-550 250-650 250-560 ˚C Độ ổn định thấp trung cao trung bình bình đến cao Đối tượng nghiên cứu, nhà máy nhiệt điện mini hỗn hợp có công suất 4,6 MW, vận hành theo công nghệ SPT đã được lựa chọn, vì nó có những ưu điểm đáng kể về hiệu suất tối đa và nhiệt độ làm việc của chất hấp thụ. Hình 2 cho thấy sơ đồ nhà máy theo thiết kế truyền thống không sử dụng năng lượng mặt trời (a) và nhà máy nhiệt điện lai năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ tháp trung tâm - SPT (b). Để tính toán, các công thức sau đây được sử dụng để xác định hiệu suất và mức tiêu thụ nhiên liệu. Công để nén 1 kg không khí của máy nén được xác định theo công thức, kJ / kg: 𝑅𝑣 𝑐𝑝 ℎ 𝑘 = 𝑇 𝑣 . 𝑐 𝑝 . (𝜋 𝑘 − 1) (1) trong đó: Tv là nhiệt độ không khí tại đầu vào máy nén tương ứng với nhiệt độ môi trường, °С; cp - nhiệt dung của không khí, kJ / (kg˖°C); 𝜋 𝑘 - hệ số nén của không khí trong máy nén; Rv - hằng số khí đối với không khí, J / (kg˖K). 227
b) a) Hình 2: Sơ đồ nhà máy điện nhỏ tuabin khí: a) Sơ đồ truyền thống; b) Sơ đồ lai với năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ SPT Phương trình cân bằng năng lượng của buồng đốt tuabin khí có tính đến năng lượng nhận mặt trời được bởi đầu thu Ec, có thể được viết như sau: 𝐸 𝑐 + 𝐺 𝑣 . ℎ 𝑘 + 𝐵 𝑇 . ( 𝑄 𝑖𝑟 . 𝜂 𝑘𝑐 + ℎ 𝑇 ) = 𝐺 𝑟 . ℎ 𝑟 (2) trong đó Gv - tiêu thụ không khí, kg / s; BT - tiêu hao nhiên liệu, kg / s; 𝑄 𝑖𝑟 - là nhiệt trị của nhiên liệu, kJ / kg; 𝜂 𝑘𝑐 - hiệu suất của buồng đốt; Gr - tốc độ dòng khí phía trước tuabin khí, kg / s; hr là entanpi của các khí trước tuabin khí, kJ / kg. Tốc độ dòng khí được tạo thành trong buồng đốt, sau đó được đưa đến tua bin khí, được xác định bằng tổng tốc độ dòng chảy của không khí đi vào và các sản phẩm đốt cháy nhiên liệu: 𝐺𝑟 = 𝐺𝑣 + 𝐵 𝑇 (3) Khi đó mức tiêu thụ nhiên liệu có thể được biểu thị như sau: (𝐺 𝑣 .(ℎ 𝑟 −ℎ 𝑘 )) 𝐵𝑇 = (4) 𝑄 𝑖𝑟 .𝜂 𝑘𝑐 +ℎ 𝑇 −ℎ 𝑟 Công suất bên trong do máy nén của tuabin khí tiêu thụ, có tính đến Gi tiêu thụ và entanpi hi của không khí làm mát, được xác định theo công thức, kW: 𝑛 𝐺 𝑣 .ℎ 𝑘 +∑1 𝐺 𝑖 .ℎ 𝑖 𝑁 𝑖𝑘 = (5) 𝜂𝑘 trong đó ηк - hiệu suất của máy nén. Hiệu quả của trạm được xác định bởi sự phụ thuộc: 𝑁𝑒 𝜂= (6) 𝐵 𝑇 .𝑄 𝑖𝑟 trong đó Ne - công suất điện, kW; 𝑄 𝑖𝑟 - nhiệt trị của nhiên liệu, kJ / kg. 228
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3: Sự phụ thuộc của nhiệt độ môi trường vào cường độ bức xạ mặt trời: 1 – tháng 2; 2 - tháng 5; 3 - tháng 8; 4 - tháng 11 Kết quả của việc tính toán dựa trên các yếu tố phụ thuộc đã trình bày, các giá trị của hiệu suất của một cơ sở phát điện phân tán nhỏ có công suất 4,6 MW và mức tiêu thụ nhiên liệu đã được xác định. Tính toán đã tính đến sự thay đổi theo mùa của cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ của môi trường. Biểu đồ của sự phụ thuộc nhiệt độ môi trường và cường độ bức xạ mặt trời (DNI) của bốn tháng trong năm, đặc trưng cho các mùa khác nhau, được trình bày trong Hình 3. Do cường độ bức xạ mặt trời được đặc trưng bởi sự không đồng đều trong ngày, toàn bộ phạm vi từ 0 đến giá trị lớn nhất là 900 W / m2 đã được khảo sát. Đối với sơ đồ truyền thống có tổ máy tuabin khí, với sự gia tăng nhiệt độ không khí xung quanh, công suất tiêu thụ cho bộ truyền động máy nén tăng tương ứng, để tạo ra công suất yêu cầu là 4,6 MW, cần phải tăng nguồn cung cấp nhiên liệu và tổng thể hiệu suất của cơ sở giảm từ 35 xuống 33,5-34% (Hình 3, đường cong 1 ', 2', 3 '. 4'), và mức tiêu thụ nhiên liệu tăng từ 350 lên 355-360 g / kWh (Hình 4, đường cong 1 ', 2', 3 '. 4'). Khi thực hiện một sơ đồ lai với việc tăng cường độ năng lượng mặt trời bức xạ, ngay cả khi nhiệt độ xung quanh tăng, hiệu suất tăng lên đến giá trị 41% vào tháng Tám và lên đến cực đại là 45% vào tháng Mười Một. Đồng thời, mức tiêu thụ nhiên liệu giảm rất đáng kể trong tháng 8 xuống còn 297 g / kWh và tháng 11 xuống còn 274 g / kWh. 229
Hình 4: Sự phụ thuộc của hiệu suất nhà máy vào cường độ bức xạ mặt trời. Nhà máy nhiệt điện lai: 1 – tháng 2; 2 – tháng 5; 3 - tháng 8; 4 - tháng 11. Nhà máy nhiệt điện truyền thống: 1'- tháng 2; 2 '- tháng 5; 3 '- tháng 8; 4 '- Tháng 11 4. KẾT LUẬN Việc sử dụng các phương án kết hợp cho các cơ sở năng lượng phân tán quy mô nhỏ giúp kết hợp hiệu quả các nguồn năng lượng khác nhau - nhiên liệu truyền thống, cụ thể là khí thiên nhiên và năng lượng mặt trời. Sự kết hợp này hiệu quả nhất đối với các quốc gia có nguồn năng lượng mặt trời đáng kể. Phân tích hiệu quả sử dụng sơ đồ lai cho nhà máy điện nhỏ vận hành trên cơ sở tuabin khí công suất 4,6 MW cho tỉnh Ninh Thuận - Việt Nam cho các mùa khác nhau trong năm, khác nhau về cường độ bức xạ mặt trời, cho thấy hiệu suất của nhà máy có thể tăng lên 6-10%, do giảm mức tiêu hao nhiên liệu trên 1 kWh năng lượng tạo ra xuống giá trị tối thiểu là 274 g / kWh. Kết quả thu được chứng minh tính hiệu quả của việc sử dụng các đối tượng phát điện phân tán nhỏ có công suất khác nhau trong hệ thống điện Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Gielena D, Boshella F, Sayginb D, et al (2019), “The role of renewable energy in the global energy transformation”, Energy Strategy Reviews, V.24, p.38:50. 2. Spelling J.D. (2013), Hybrid Solar Gas-Turbine Power Plants: A Thermoeconomic Analysis, Sweden Universitetsservice US-AB, Stockholm, Sweden, p. 279 3. Md Tasbirul Islam, Nazmul Hud, A.B. Abdullah, R. Saidur (2018), “A comprehensive review of state- ofthe- art concentrating solar power (CSP) technologies: Current status and research trends”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, V.90, p.987:1018 4. Cavallaro F. (2009), “Multi-criteria decision aid to assess concentrated solar thermal technologies”, Renew Energy, V.34, p.1678:1685. 5. SolarPACES, CSP projects around the world, , accessed to: 07 May 2020. 230
6. Behar O, Khellaf A, Mohammedi K. (2013), “A review of studies on central receiver solar thermal power plants”, Renew Sustain Energy Rev, V.23, p.12:39. 7. Kalogirou SA. (2004), “Solar thermal collectors and applications”, Progress Energy Combust Sci, V.30, p.95:231. 8. EIA. U.S, Energy Information Administration international energy outlook, , accessed to: 22 January 2021. 9. El Gharbi N, Derbal H, Bouaichaoui S, et al (2011), “Comparative study between parabolic trough collector and linear Fresnel reflector technologies”, Energy Procedia, V.65, p. 565:572. 10. Chemisana D. (2011), “Building integrated concentrating photovoltaics: a review”, Renew Sustain Energy Rev, V.5, p.603:611. 11. Zhang H, Baeyens J, Degreve J, et al (2013), “Concentrated solar power plants: review and design methodology”, Renew Sustain Energy Rev, V.22. p.466:481. 231