Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ

Chia sẻ: Nguyen Bao Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

399
lượt xem 181
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ

Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ
MỤC LỤC Nội dung phần Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI MỞ ĐẦU 1 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC CÁC BẢNG 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9 CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI 11 VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo 11 1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo 11 1.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo 13 1.2. Vai trò của các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo hiện tại và trong 20 tƣơng lai 20 1.2.1. Các ứng dụng của NLMT 22 1.2.2. Các ứng dụng của năng lượng gió 22 1.2.3. Các ứng dụng của năng lượng sinh khối 22 1.2.4. Các ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ 23 1.2.5. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt 24 1.2.6. Các ứng dụng của năng lượng đại dương 24 1.3. Năng lƣợng mới và tái tạo ở Việt Nam 1.3.1. Nguồn và tiềm năng 24 1.3.2. Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam 27 1.3.3. Triển vọng phát triển của NLTT 29 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 2. NGUỒN NĂNG LƢỢNG GIÓ 34 TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM 2.1. Vật lý học về năng lƣợng gió 34 2.1.1. Các đặc trưng cơ bản về năng lượng gió 34 2.1.2. Năng lượng gió 37 2.2. Tiềm năng năng lƣợng gió ở Việt Nam 39 2.2.1. Tốc độ gió, cấp gió 39 2.2.2. Chế độ gió ở Việt Nam 40 2.3. Sản xuất điện từ năng lƣợng gió ở Việt Nam 43 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỔNG QUÁT 46 HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ 3.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống phát điện bắng sức gió 46 3.1.1 Tổng quan về hệ thống 46 3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường 49 3.1.3 Cấp điều khiển hệ thống 53 3.2. Nghiên cứu về hệ thống Turbine gió 54 3.2.1. Mô tả Turbine 54 3.2.2. Vận hành turbine 56 3.3. Nghiên cứu về máy phát điện sử dụng năng lƣợng gió 59 3.3.1. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 59 3.3.2. Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu 63 CHƢƠNG IV. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN 68 SỬ DỤNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Ở VÙNG NÚI VIỆT NAM 4.1. Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ 68 4.1.1. Tổng quan về hệ thống 68 4.1.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống 68 4.2. Thiết kế máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 1,5kW 70 4.2.2. Tính toán mạch từ 70 4.2.3. Tổn hao ở chế độ làm việc định mức 79 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.2.4. Các dặc tính làm việc của máy phát điện 81 4.2.5. Tính toán độ tăng nhiệt 81 4.2.6. Chỉ tiêu tiêu hao vật tư 83 4.2.7. Tổng kết các số liệu thiết kế 84 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 90 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT NLMT: Năng lƣợng mặt trời NLG: Năng lƣợng gió TL - HL: Thƣợng lƣu và hạ lƣu NLM & TT: Năng lƣợng mới và tái tạo NLTT: Năng lƣợng tái tạo PĐCSG: Phát điện chạy sức gió KĐB: Không đồng bộ KĐB - RDQ: Không đồng bộ rotor dây quấn DFIG: Máy phát không đồng bộ nguồn kép KĐB - RLS: Không đồng bộ rotor lồng sóc ĐK: ĐIều khiển NL: Nghịch lƣu MP: Máy phát HSCS: Hệ số công suất NLPL: Nghịch lƣu phía lƣới NLMP: Nghịch lƣu máy phát ĐB - KTVC: Đồng bộ kích thích vĩnh cửu CL: Chỉnh lƣu SG: Máy phát sức gió tạo năng lƣợng xoay chiều DSP: Bộ vi xử lý tín hiệu BĐKHT: Bộ điều khiển hiện trƣờng BĐKCT: Bộ điều khiển chƣơng trình 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Nội dung Trang 1.1 Một số kết quả chính của hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam 2.1 Bảng cấp gió Beaufor 2.2 Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam 2.3 Bảng đo vận tốc gió trên độ cao 12m và 50m 4.1 Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung Quốc) 4.2 Các số liệu thiết kế của máy phát ĐB-KTVC 1,5kW 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình, đồ thị Nội dung Trang 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 1.2 Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si 1.3 Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng 1.4 Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NMT 2.1 Bề mặt cánh bánh công tác động cơ gió chiếm chỗ khi quay 3.1 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sức gió 3.2 Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát điện sức gió 3.3 Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường 3.4 Cấu trúc phần cứng card điều khiển 3.5 Cấu trúc của Module điện trở hãm 3.6 Các thành phần chính của Turbine WESTWIND 3.7 Hệ thống vành ghóp và thanh quét lấy điện (nằm trong thân Turbine) 3.8 Hệ thống lò xo lật cánh khi tốc độ gió quá lớn 3.9 Đuôi Turbine có thể tự gập khi gió mạnh khi gió mạnh hay gập bằng tay 3.10 Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát 3.11 Đặc tính công suất có thể khai thác được từ gió với các tốc độ khác nhau: Cần điều khiển máy phát sao cho luôn đạt mức tối đa 3.12 Phạm vi hoạt động của máy phát KĐB-RDQ (a) với 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
dòng năng lượng chảy ở chế độ MP thuộc phạm vi dưới (b) và trên đồng hồ (c) 3.13 Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng máy phát loại KĐB-RDQ 3.14 Máy phát đồng hồ kích thích vĩnh cửu có thể được sử dụng theo 1 trong 2 phương án: a) Điện áp MP được chỉnh lưu đơn giản; b) Điện áp MP được chỉnh lưu có ĐK tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ NL và MP 3.15 a) Hệ thống PĐCSG dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với bộ CL đơn giản nên phải có thêm mạch tải giả; b) Sơ đồ chi tiết của mạch tải giả 3.16 Hệ thống PĐCSG với dàn ắc-quy (có bộ ĐK nạp) và mạch tải giả sen giữa CL và NL 3.17 Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng MP loại ĐB-KTVC công suất nhỏ 4.1 Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ 4.2 Kích thước rãnh lồng dây 4.3 Kích thước thanh nam châm 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió không ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian. Chính vì thế việc nhanh chóng điều tra, đánh giá để xác định các số liệu về tốc độ gió ở một khu vực cụ thể là việc làm rất cần thiết và quan trọng đối với công tác nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió. Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng như sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài. Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như đây là một lĩnh vực còn tương đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học KTCN Thái Nguyên, và đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Như Hiển đã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian qua. Thái nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2008 Vũ Thị Thanh Phương 1
TỔNG QUAN I. Tính cấp thiết của để tài: Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng song song với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phòng, sản xuất, công nghiệp, du lịch,... Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lên ngày một rõ rệt. Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá mạnh mẽ và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồn chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV. Hơn thế nữa từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hoá thạch. Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được nhiều nước trên thế giới đặc biệt được quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sức gió là để tạo ra hệ thống phát điện. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện nay. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Đánh giá và dự báo được tình hình nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện. Đồng thời nêu lên vai trò của các nguồn năng lượng mới và tái tạo hiện tại và trong tương lai - Ý nghĩa thực tiễn: Tìm ra được giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta hiện nay để lựa chọn xây dựng một hệ thống phát điện bằng nguồn phát năng lượng gió công suất nhỏ tương ứng với tiềm năng gió của Việt Nam, tạo điều kiện phát 2
triển kinh tế phù hợp với chiến lược phát triển của địa phương, nhất là ở những vùng núi mà điện lưới quốc gia chưa có khả năng vươn tới được. 3. Phương pháp nghiên cứu: Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: - Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng mới và tái tạo, hiện trạng về ứng dụng các nguồn NLM & TT trên thế giới và ở Việt Nam - Phân tích tiềm năng về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam để đưa ra biện pháp sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất - Xây dựng nghiên cứu cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện bằng sức gió - Tính toán, thiết kế hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ ở vùng núi Việt Nam, đặc biệt là vùng chưa có điện lưới quốc gia. 4. Nội dung nghiên cứu: Bản luận văn được chia làm 4 chương với nội dung như sau: 3
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo 1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo a. Nguồn năng lượng mặt trời Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của sự sống trên trái đất. Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong phú mà thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta. Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ ặt trời đến trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. b. Nguồn năng lượng gió Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối không khí từ những khu vực có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra hiện tượng gió thổi đều khắp trên bề mặt địa cầu. c. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ Từ các con sông, suối chảy từ nguồn xuống biển đều mang theo một tiềm năng về năng lượng (gọi là thuỷ năng). Thông thường nguồn thuỷ năng phụ thuộc vào độ dốc sông suối và lưu lượng nước chảy qua. Nguồn thuỷ năng có thể phân bố đều hoặc không đều trên một đoạn sông suối. Để tập trung năng lượng của dòng chảy, nghĩa là để tạo được độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu người ta sử dụng một số phương pháp kiểu trạm thuỷ điện như: Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn, phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn và phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy. d. Nguồn năng lượng sinh khối Sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên cạn cũng 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ như ở dưới nước, các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà phê..., các loại phế thải động vật như: phân người, phân gia súc, gia cầm.... Sinh khối là nguồn năng lượng đầu tiên của loài người và mặc dù ngày nay các nguồn năng lượng hoá thạch như: tha đá, dầu mỏ, khí đốt là các nguồn năng lượng chính nhưng sinh khối vẫn còn được sử dụng với một khối lượng và tỉ lệ khá lớn, nhất là ở các nước đang phát triển. Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh. Nó tồn tại và phát triển được trên hành tinh chúng ta là nhờ có ánh sáng mặt trời. Các loại thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời để thực hiện các phản ứng quang hợp, biến đổi các khoáng chất, nước và các nguyên tố vô cơ khác thành các chất hữu cơ. Phản ứng quang hợp còn là phản ứng cơ bản tạo ra thức ăn cho động vật. Nếu kể đến cả sản phẩm oxy của phản ứng quang hợp ta có thể nói rằng sinh khối nói chung và thực vật nói riêng có ý nghĩa quyết định đối với sự sống trên hành tinh chúng ta. Năng lượng sinh khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lượng hoá thạch đang bị khai thác cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề e. Nguồn năng lượng địa nhiệt Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên ở trong lòng quả đất, dưới một lớp vỏ không khí không dày lắm , nhiệt độ lên đến 10000C đến hơn 40000C. Còn ở lớp trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình quân trong năm là 15 0C, dưới lớp đó là một lớp có nhiệt độ bình quân là 5400C, còn tại lớp lõi trong nhiệt độ bình quân là 70000C. Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân, sự phân hủy các chất phóng xạ tiến hành thường xuyên trong lòng Trái đất như Thori (Th), Protactini (Pa), Urani (U)...vv, năng lượng do các phản ứng phóng xạ được tích tụ trong lòng quả đất hàng triệu năm với một lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp suất cao. Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy địa điểm) ta sẽ gặp tầng Thường ôn, tức là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Mặt Trời. Dưới tầng Thường ôn càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng. 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Theo đánh giá của các chuyên gia, có khoảng 10% diện tích vỏ quả đất có chữa các nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng của nó. Các nguồn này có thể cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng rất lớn. f. Nguồn năng lượng đại dương Nguồn năng lượng này được chia thành 3 loại chính: Năng lượng thuỷ triều, năng lượng nhiệt đại dương và năng lượng sóng biển. Tiềm năng là vô cùng to lớn, gió thổi trên một khoảng không gian bao la trên các đại dương sẽ tạo ra sóng biển dữ dội, liên tục và mang theo một nguồn năng lượng có thể nói là vô tận. Thuỷ triều là kết quả giữa lực hút của mặt trời, mặt trăng với quả đất và do sự chuyển động của quả đất xung quanh mặt trời, cũng như sự quay xung quanh trục nghiêng của quả đất. Với năng lượng nhiệt đại dương có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả. Nhiệt độ đại dương không biến đổi nhiều từ ban ngày sang ban đêm và vì vậy có thể coi là nguồn nhiệt rất ổn định. tuy nhiên có thể sẽ thay đổi theo mùa và phụ thuộc vào khoảng cách đến xích đạo. Cuối cùng là năng lượng sóng biển, đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. 1.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo a. Công nghệ năng lượng mặt trời (NLMT) * Công nghệ nhiệt mặt trời - Hiệu ứng nhà kính: Hiệu ứng nhà kính là một trong những hiệu ứng quan trọng nhất được ứng dụng để khai thác năng lượng mặt trời (NLMT). Ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt trời như hình 1.1. Mặt trên hộp được đậy bằng tấm kính (1). Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2). Đáy trong của hộp được làm bằng tấm 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và được gọi là tấm hấp thụ (3). 4 1 TÊm kÝnh 1 2 2 Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô 3 3 4 Tia s¸ng mÆt trêi Hình 1.1. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Các tia bức xạ mặt trời có bước sóng  < 0,7m tới mặt hộp thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm này hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ nhiệt có bước sóng  > 0,7m , hướng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài được. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận bức xạ mặt trời nên tấm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được nhưng không thể ra đựơc. Đó là nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”. - Bộ thu phẳng: Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v... Đối với vật liệu ngoài thuỷ tinh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do đó hệ số truyền qua sau khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5  10%. Tấm hấp thụ là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao càng tốt, ví 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ dụ > 85%, thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao. Ngoài ra, tấm hấp thụ bằng vật liệu kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (ví dụ ống nước bằng kim loại nếu bộ thu dùng để đun nước nóng) được dễ dàng hơn. Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để giảm hao phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh. Vật liệu cách nhiệt thường dùng là “xốp bọt biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng tấm hoặc hạt,... cũng có thể dùng vật liệu khác như bông thuỷ tinh, mút, gỗ khô, mùn cưa,... Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt đến 100 115oC hoặc cao hơn. * Công nghệ điện mặt trời (ĐMT) - Công nghệ nhiệt điện mặt trời Người ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt trời (tracker) để hội tụ các tia mặt trời đúng diện tích cần thiết kế. Đối với các bộ thu không yêu cầu độ hội tụ cao thì sự định hướng bộ thu có thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày và có thể thực hiện bằng tay. Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần phải điều chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục. Đa số các bộ hội tụ này là các bộ hội tụ máng parabol, các tia sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu hội tụ, tại đường tiêu này nhiệt độ có thể đạt 4000C hay cao hơn. - Công nghệ pin mặt trời (PMT) Đây còn gọi là công nghệ pin quang điện, khác với công nghệ nhiệt điện mặt trời là năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ để tập trung ánh sáng mặt trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng thì ở công nghệ pin mặt trời, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời tới nó. Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào mặt trên của pin, ánh sáng sẽ tạo ra trong các lớp bán dẫn lân cận lớp tiếp xúc pn (4) các cặp điện tử – lỗ trống. Các cặp này 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ ¸nh s¸ng mÆt trêi 2 1 3 4 7 5 6 Líp chÊt chèng ph¶n x¹ Líp tiÕp xóc b¸n dÉn p_n 1 4 ¸nh s¸ng 5 Líp b¸n dÉn p_Si §iÖn cùc lưới mÆt trªn 2 §iÖn cùc dưới 6 Líp b¸n dÉn n_Si 3 Bãng ®Ìn 7 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si là các hạt dẫn điện mang điện tích âm (điện tử) và điện tích dương (lỗ trống). Do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc bán dẫn, nên tại lớp tiếp xúc (4) đã có sẵn một điện trường tiếp xúc Etx. Điện trường này lập tức tách điện tử và lỗ trống trong các cặp điện tử, lỗ trống vừa được ánh sáng tạo ra và bắt chúng chuyển động theo các chiều ngược nhau để tạo thành dòng điện. Vì vậy nếu nối các điện cực trên và dưới bằng một dây dẫn có bóng đèn (7) thì sẽ có một dòng điện qua bóng đèn và đèn sáng. Hiện tượng chiếu ánh sáng vào lớp tiếp xúc bán dẫn pn ta thu được dòng điện ở mạch ngoài được gọi là hiệu ứng Quang - Điện. Như vậy pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện. b. Nguồn năng lượng gió Năng lượng gió (NLG) thường được khai thác từ các trạm đặt ở độ cao (20- 70)m so với bề mặt trái đất. Trên độ cao lớn (8-12)km gọi là tầng đối lưu, có gió thường xuyên hơn và gọi là dòng chảy luồng (hay luồng khí). Gió loại này có vận 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ tốc lớn (25-80)m/s, tiềm năng năng lượng của chúng lớn hơn nhiều. Đặc tính gió ở tầng này khác nhiều so với đặc tính gió trên mặt đất. Song sử dụng gió ở độ cao này gặp phải một số khó khăn rất lớn về mặt kỹ thuật khi chuyển tải điện từ độ cao lớn tới mặt đất. Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc. Dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất...), đồng thời các điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng. Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng của nó. Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời gian làm việc của tổ máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được. Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại (bão). Ngoài ra cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến đổi vận tốc gió trong khoảng thời gian xác định. Khi biết quy luật xác định và thông số của hàm này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được năng lượng sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu quả kinh tế...vv. c. Nguồn năng lượng sinh khối * Các công nghệ nhiệt hoá Công nghệ sinh hoá sử dụng các phản ứng lên men sinh khối như lên men rượu, lên men kỵ khí nhờ các chủng loại vi sinh để biến đổi sinh khối ở áp suất và nhiệt độ thấp thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc lỏng (ethanol, methanol…). * Các công nghệ biến đổi sinh hoá Ngược lại công nghệ nhiệt hoá sử dụng các quá trình nhiệt độ cao để biến đổi sinh khối nhờ các quá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí hoá, chất lỏng. 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ d. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ * Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn Phương pháp này là đắp đập tạo nên độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu. Đập có nhiều loại: đập đất, đập đá và đập bêtông. Còn trạm thuỷ điện có thể bố trí sau đập hay trong lòng đập. Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện sau đập hay trạm thuỷ điện trong lòng đập. Vì độ cao đập hạn chế nên phương pháp này được sử dụng chỉ cho các đoạn sông suối có độ dốc nhỏ. Cột nước toàn phần của trạm thuỷ điện được xác định bằng hiệu mực nước thượng lưu và hạ lưu. * Phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn Phương pháp này sử dụng đường dẫn để tạo độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu. Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện đường dẫn. Đường dẫn có thể bằng đường ống hoặc kênh dẫn. Trạm thuỷ điện dạng này thích hợp với các con sông, suối có độ dốc lớn hay có bậc thác. * Phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy Phương pháp này tạo độ chênh mực nước bằng đập ngăn và bằng đường dẫn đối với đoạn sông có độ dốc khác nhau. Độ chênh mực nước của trạm bằng tổng độ chênh mực nước đập tạo nên và độ chênh của đường dẫn. Trạm thuỷ điện dạng này gọi là trạm thuỷ điện tổng hợp. Cột áp toàn phần được xác định bằng tổng cột áp do đập và đường dẫn tạo nên. e. Nguồn năng lượng địa nhiệt Địa nhiệt là nguồn năng lượng nhiệt tự nhiên ở trong lòng Quả đất. Có 4 loại nguồn địa nhiệt. Đó là: nguồn nước nóng, nguồn áp suất địa nhiệt, nguồn đá nóng khô, các núi lửa hoạt động và magma. Nguồn nước nóng là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao, các nguồn hơi nước hay hỗn hợp của chúng ở trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm. Nguồn áp suất địa nhiệt là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình và chứa khí metan hoà tan. Các nguồn này bị vỏ quả đất nén lại dưới áp suất cao dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích không 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ thấm nước. Các nguồn đá nóng khô bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao từ 900C đến 6500C. Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có nước nóng. Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá, tạo ra các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị nứt gãy để thu nhiệt. Năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động. Magma là đá nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy từ 7000C đến 16000C. Khi còn nằm dưới vỏ quả đất đá nóng chảy là một phần của vỏ quả đất có độ dày khoảng từ 24km đến 48km. Các nguồn Magma chứa một nguồn năng lượng khổng lồ, lớn nhất trong các nguồn địa nhiệt, nhưng nó ít khi ở gần mặt đất nên việc khai thác rất khó khăn. f. Nguồn năng lượng đại dương * Năng lượng thuỷ triều Năng lượng thuỷ triều có tính chu kỳ, có thể là nửa ngày, nửa năm hoặc dài hơn. Các chu kỳ này ảnh hưởng đến độ chênh lệch của thuỷ triều. Biên độ của các chu kỳ thuỷ triều tăng lên một cách rất đáng kể, ở một số vùng biển có địa hình đặc biệt như ở các cửa sông, ở các vịnh dạng hình phễu, ở các khu vực có các đảo hay các doi đất chia mặt biển thành từng ngăn tạo ra sự phản xạ và cộng hưởng sóng biển. * Năng lượng nhiệt đại dương Có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả. * Năng lượng sóng biển Đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. Tuỳ theo nguyên lý hoạt động mà các thiết bị khai thác sóng biển được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo theo từng loại khác nhau. 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn