Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió phù hợp với qui mô hộ gia đình

Do đó, vấn đề đặt ra hiện nay là thiết kế và chế tạo hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió có công suất nhỏ với giá thành phù hợp để bổ sung thêm nguồn điện cho những n

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Khương Anh Sơn Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả và cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn, chú thích nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Thừa Thiên Huế, ngày18 tháng 8 năm 2017

Tác giả Luận văn

Nguyễn Quốc Sếch

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Huế - Đại học Huế các thầy cô giáo phòng Đào tạo sau đại học, toàn thể các thầy cô giáo khoa Cơ khí - Công nghệ đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Khương Anh Sơn đã dành nhiều thời gian tâm huyết, trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài và hoàn chỉnh luận văn Thạc sĩ chuyên nghành Kỹ thuật Cơ khí và Cơ kỹ thuật

Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn gia đình, vợ, con và bạn bè đã luôn đồng hành, động viên, khích lệ, sẻ chia và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Thừa Thiên Huế, ngày 18 tháng 8 năm 2017

Tác giả Luận văn

Nguyễn Quốc Sếch

TÓM TẮT

Lý do chọn đề tài

Sử dụng năng lượng là một nhu cầu thiết yếu của cuộc sống Tuy nhiên khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràng của các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân có những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ không thể cung cấp đủ nhu cầu của con người trong tương lai không xa

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 hay năng lượng mặt trời nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi

Hiện nay, nguồn năng lượng sạch bao gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối… khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sản xuất ra các nguồn năng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng mặt trời và năng lượng gió

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.Năng lượng mặt trời cũng là một nguồn năng lượng tái tạo vô hạn tuy nhiên nguồn năng lượng này lại không phát huy được trong những ngày thiếu nắng Do đó, vấn đề đặt ra hiện nay là thiết kế và chế tạo hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió có công suất nhỏ với giá thành phù hợp để bổ sung thêm nguồn điện cho những nông trang cũng như hộ gia đình tại Quảng Ngãi

Đây là lý do tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết

hợp năng lượng gió phù hợp với qui mô hộ gia đình” để nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió với công suất nhỏ có giá thành phù hợp, khả năng làm việc ổn định và đáp ứng một số phụ tải của hộ gia đình

- Khảo sát, đánh giá tình hình sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió và năng lượng mặt trời tại Việt Nam nói chung và Quảng Ngãi nói riêng

- Tính toán, thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió với công suất 400W

- Tính toán, thiết kế bộ bộ điều khiển dàn pin mặt trời theo hướng nắng (theo dõi điểm làm việc cực đại của pin năng lượng mặt trời)

- Chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất 400W có khả năng làm việc ổn định

Đối tượng nghiên cứu

- Điều kiện khí tượng tỉnh Quảng Ngãi

- Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất nhỏ

- Tua bin năng lượng gió có công suất nhỏ

- Hệ thống giá điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời

- Bộ điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời

Phạm vi nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất 400W phù hợp với hộ gia đình

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập số liệu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết

- Phương pháp chuyên gia

- Phương pháp tính toán và phân tích

Nội dung và kết quả nghiên cứu

- Đánh giá về tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió

- Tính toán, thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất 400W

- Chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất 400W

- Tính toán, thiết kế bộ điều khiển tấm pin mặt trời theo hướng nắng

- Khảo nghiệm khả năng làm việc, đánh giá các thông số kinh tế - kỹ thuật của

hệ thống

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

2.1 Mục tiêu chung 1

2.2 Mục tiêu cụ thể 1

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

3.1 Ý nghĩa khoa học 2

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

3.3 Những điểm mới của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Năng lượng mặt trời và tiềm năng phát triển 3

1.1.1 Khái niệm về năng lượng mặt trời 3

1.1.2 Sự cần thiết phát triển năng lượng mặt trời 3

1.1.3 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời 3

1.1.4 Tình hình sử dụng NLMT trên thế giới và ở Việt Nam 4

1.1.5 Khái quát về pin NLMT 6

1.2 Năng lượng gió ở Việt Nam và tiềm năng phát triển 13

1.2.1 Năng lượng gió ở Việt Nam 13

1.2.2 Tiềm năng phát triển NL gió công suất nhỏ tại Việt Nam 15

1.2.3 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi NL gió 17

1.2.4 Tổng quan về các kiểu tua bin gió 18

1.3 Các hệ thống điện kết hợp các nguồn NL 19

1.3.1 Sơ đồ đấu nối hệ kết hợp 20

1.3.2.Tổng quan về kết nối tua bin gió và NLMT trong lưới điện công suất nhỏ 22

1.3.3 Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió trên thế giới và trong nước từ trước đến nay 22

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Phạm vi, đối tượng nghiên cứu 25

2.1.1 Phạm vi nghiên cứu 25

2.1.2 Đối tượng nghiên cứu 25

2.2 Nội dung nghiên cứu 25

2.3 Phương pháp nghiên cứu 25

2.3.1 Phương pháp điều tra thu thập số liệu 25

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 25

2.3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 26

2.3.4 Phương pháp chuyên gia 26

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 27

VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 27

3.1 Năng lượng gió và công suất tua bin 27

3.1.1 Năng lượng gió 27

3.1.2 Hiệu suất tua bin gió 29

3.1.3 Đường cong hiệu suất tua bin gió 32

3.1.4 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 34

3.2 Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT 37

3.2.1 Phương trình tương đương của pin NLMT 38

3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT 38

3.2.3 Phương trình tương đương của pin NLMT 39

3.3 Ắc quy lưu trữ NL 41

3.3.1.Ắc quy axít chì 41

3.3.2 Quá trình nạp và xả của pin axít – chì 42

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 43

4.1 Đặc điểm địa bàn nghiên cứu 43

4.1.1 Vị trí địa lý địa lý tỉnh Quảng Ngãi 43

4.1.2 Điều kiện khí tượng thủy văn tỉnh Quảng Ngãi 43

4.2 Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT kết hợp điện gió 45

4.2.1 Tính tổng lượng điện năng tiêu thụ của tất cả các thiết bị trong ngày 45

4.2.2 Tính số điện năng các tấm PMT phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày 45

4.2.3 Tính toán công suất tấm PMT cần sử dụng 46

4.2.4.Tính toán công suất tua bin gió có công suất nhỏ 46

4.2.5 Tính toán dung lượng AQ 48

4.2.6 Tính toán bộ điều khiển nạp AQ 48

4.2.7 Tính toán bộ đổi nguồn điện 49

4.2.8 Tính toán hệ thống ĐMT kết hợp điện gió cho các hộ dân ở tại nông thôn tỉnh Quảng Ngãi 49

4.3 Thiết kế, chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp với NL gió 54

4.3.1 Thiết kế hệ thống điện NLMT kết hợp với NL gió 54

4.3.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc nghiêng của tấm PMT theo hướng nắng 54

4.3.3 Thiết kế, chế tạo mô đun phát điện gió 62

4.3.4 Hệ thống điện NLMT kết hợp với NL gió 63

4.3.5 Tính sơ bộ hiệu quả kinh tế của hệ thống 63

4.4 Thí nghiệm khảo sát giá trị của hệ thống 64

4.4.1 Dụng cụ thí nghiệm 64

4.4.2 Bố trí thí nghiệm và kết quả đo 66

4.4.3 Nhận xét 72

4.5 Nhận xét chung 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

Kết luận 74

Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT

PMSG Máy phát điện nam châm vĩnh cửu

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Số giờ nắng các tháng trong năm (h) 43

Bảng 4.2 Nhu cầu sử dụng các thiết bị điện của ngôi nhà 49

Bảng 4.3 Bảng tham số định mức của PMT 200W của hãng solarcity 50

Bảng 4.4.Bảng thông số kỹ thuật động cơ gió công suất 300W của hãng Solarcity 51

Bảng 4.5 Bảng thông số kỹ thuật của bộ điều khiển sạcWS-WSC 300 53

Bảng 4.6 Chi phí chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió 63

Bảng 4.7 Thông số khảo sát tua bin gió 67

Bảng 4.8 Thông số khảo sát dàn pin cố định và dàn pin tự xoay 69

Bảng 4.9 Kết quả khảo nghiệm các giá trị của hệ thống pin NLMT kết hợp NL gió 71

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần

ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ 4

Hình 1.2 Các tấm pin silicon tại trạm điện mặt trời nổi Kasai Nhật Bản 5

Hình 1.3 Hệ thống các cột đèn điện sử dụng điện Mặt Trời 6

Hình 1.4 Hệ thống ĐMT trên nóc tòa nhà Bộ Công Thương ở Hà Nội 6

Hình 1.5 Hệ 2 mức năng lượng 7

Hình 1.6 Các vùng năng lượng của điện tử 7

Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của PMT 8

Hình 1.8 Quan hệ giữa hiệu suất và năng lượng hữu ích của chất bán dẫn Si 9

Hình 1.9 Pin mặt trời 10

Hình 1.10 Quá trình tạo mô đun pin mặt trời 11

Hình 1.11 Cấu tạo mô đun PMT 11

Hình 1.12 Tốc độ gió trung bình hàng năm ở độ cao 10m 13

Hình 1.13 Tua bin gió công suất 1kW tại HUE Riverside 15

Hình 1.14 Đồ thị so sánh NL gió thu được hàng năm 16

Hình 1.15 Hệ thống chuyển đổi NL gió 17

Hình 1.16 Cấu tạo tua bin trục đứng và trục ngang 19

Hình 1.17 Hệ kết hợp thanh góp DC chỉ có phụ tải DC 20

Hình 1.18 Hệ kết hợp thanh góp DC mở rộng: phụ tải DC và AC kết hợp 21

Hình 1.19 Hệ kết hợp thanh góp AC 21

Hình 1.20 Mô hình PG-SWL-001 22

Hình 1.21 Hệ thống lai PG-SWL-004 22

Hình 1.22 Hệ thống điện kết hợp NLMT và gió tại ga Nha Trang 23

Hình 1.23 Hệ thống chiếu sáng tại phường Trảng Dài 24

Hình 3.1 Năng lượng của khối không khí có diện tích mặt cắt ngang A 27

Hình 3.2 Biểu diễn luồng không khí qua một tua bin gió lý tưởng 28

Hình 3.3 Góc pictch của cánh quạt gió 30

Hình 3.4 Giới hạn của hiệu suất rô to 31

Hình 3.5 Đường cong hiệu suất rô to CP(λ,β) 32

Hình 3.6 Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tua bin 33

Hình 3.7 Đường công suất lý tưởng của tua bin gió 34

Hình 3.8 Mô hình mạch điện tương đương trong hệ tọa độ dq của PMSG 36

Hình 3.9 Mạch điện tương đương của pin NLMT 37

Hình 3.10 Mô hình PMT lý tưởng 39

Hình 3.11 Mô đun PMT 39

Hình 3.12 Đặc tuyến I –V với các bức xạ khác nhau 40

Hình 3.13 Đặc tuyến P – V với các bức xạ khác nhau 40

Hình 3.14 Cấu hình một ắc quy axít chì (đã nạp đầy) đang xả điện 41

Hình 3.15 Mạch tương đương của ắc quy 42

Hình 4.1 Hoa gió tại Quảng Ngãi 44

Hình 4.2 Hướng gió chính tại Quảng Ngãi 45

Hình 4.3 Hình chiếu bằng của tua bin gió khi có xương cánh 47

Hình 4.4 Ắc quy a xít – chì Đồng Nai 12V - 70Ah 52

Hình 4.5 Bộ điều khiển sạc của hãng Solarcity WS-WSC 300 có dòng 30A/12 V 52

Hình 4.6 Bộ đổi điện 12V – 220V-50hz, 300W 53

Hình 4.7 Mô hình hệ thống điện NLMT kết hợp với NL gió 54

Hình 4.8 Mô hình mô đun pin NLMT 55

Hình 4.9 Mô đun pin NLMT 55

Hình 4.10 Cụm điều khiển dàn xoay pin NLMT 56

Hình 4.11 Gối đỡ trục xoay tấm pin NLMT phương Đông – Tây và gỗi đỡ tấm pin NLMT phương Bắc – Nam 56

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển pin NLMT 57

Hình 4.13 Sơ đồ board mạch đồng 58

Hình 4.14 Sơ đồ bố trí linh kiện 58

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 60

Hình 4.16 Sơ board mạch cấp nguồn 60

Hình 4.17 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch cấp nguồn 61

Hình 4.18 Cảm biến dò góc ánh sáng 61

Hình 4.19 Mô hình mô đun phát điện gió 62

Hình 4.20 Mô đun phát điện gió 62

Hình 4.21 Hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió 63

Hình 4.22.Thiết bị đo vi khí hậu EN150 64

Hình 4.23 Mô hình thí nghiệm đo công suất tua bin gió 67

Hình 4.24 Đồ thị đường đặc tính công suất tua bin gió 300W 68

Hình 4.25 Mô hình thí nghiệm đo công suất của dàn pin NLMT xoay 1 trục 68

Hình 4.26 Mô hình thí nghiệm đo công suất của dàn pin NLMT cố định 69

Hình 4.27 Bức xạ mặt trời trong ngày tại Quảng Ngãi 70

Hình 4.28 Đồ thị so sánh điện áp thu được giữa dàn xoay một trục vàdàn cố định tại Quảng Ngãi 70

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Sử dụng năng lượng (NL) là một nhu cầu thiết yếu của cuộc sống Tuy nhiên, khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràng của các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân có những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ không thể cung cấp đủ nhu cầu của con người trong tương lai không xa

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng NL cũng tăng cao Năng lượng tái tạo (NLTT) còn gọi là NL phi truyền thống nói chung,

NL gió hay năng lượng mặt trời (NLMT) nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi

Hiện nay, nguồn NL lượng sạch bao gồm: NL gió, NLMT, NL địa nhiệt,

NL sinh khối,… khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn NL hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sản xuất ra các nguồn NL sạch, chủ yếu dựa trên NLMT và NL gió

Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là: NLMT cũng là một nguồn NL tái tạo vô hạn, nhưng lại không phát huy được trong những ngày thiếu nắng

NL gió thường không ổn định và mang tính chu kỳ, phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian Do vậy, nếu ta kết hợp được hai loại NL này sẽ tạo ra cho chúng ta nguồn điện ổn định cả năm Hiện nay, trên thế giới và Việt Nam đã có những nghiên cứu về việc kết hợp 2 nguồn NL này, để đáp ứng cho các phụ tải ở các

vị trí địa lý và kết cấu khác nhau

Do đó, vấn đề đặt ra hiện nay là thiết kế và chế tạo hệ thống NLMT kết hợp với

NL gió có công suất nhỏ có giá thành phù hợp để bổ sung thêm nguồn điện cho hộ gia

đình tại Quảng Ngãi Đây là lý do tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điện

NLMT kết hợp NL gió phù hợp với qui mô hộ gia đình” để nghiên cứu

2 Mục tiêu của đề tài

- Tính toán, lựa chọn, thiết kế và chế tạo cánh tua bin gió trục đứng

- Tính toán, thiết kế bộ điều khiển dàn pin mặt trời (PMT) theo hướng nắng (theo dõi điểm làm việc cực đại của pin NLMT)

- Chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió công suất 400W có khả năng làm việc ổn định

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

3.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần chung cho lý luận về thiết kế và chế tạo hệ thống NLMT kết hợp NL gió có công suất phù hợp với qui mô hộ gia đình

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Đề tài hướng đến việc tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp

NL gió công suất phù hợp với qui mô hộ gia đình

- Giúp cho các cán bộ kỹ thuật, người dân hiểu rõ được tính năng kỹ thuật của

hệ thống, từ đó dễ dàng lựa chọn và vận hành, bảo dưỡng thiết bị

- Đề tài góp phần vào việc giảm biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường, giảm quá tải cho hệ thống điện quốc gia và các hộ gia đình chủ động hơn trong việc sử dụng điện sinh hoạt

3.3 Những điểm mới của đề tài

Việc sử dụng NLMT, NL gió độc lập để phát điện, cũng như sự kết hợp giữa NLMT kết hợp với NL gió trên thế giới và tại Việt Nam đã được thực hiện Tuy nhiên, điểm mới của đề tài là sự kết hợp giữa NL gió và NLMT để phát điện với công suất tính toán từ 400W phục vụ cho hộ gia đình, trong đó:

1 Tính toán, lựa chọn, thiết kế và chế tạo cánh tua bin gió trục đứng

2 Tính toán, thiết kế bộ bộ điều khiển dàn PMTtheo hướng nắng nhằm đạt được hiệu quả tiếp nhận NLMT là cao nhất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Năng lượng mặt trời và tiềm năng phát triển

1.1.1 Khái niệm về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là NL của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến trái đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng NL này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa Có thể trực tiếp thu lấy NL này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển NL các photon của mặt trời thành điện năng, như trong PMT NL của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước nóng bằng NLMT, hoặc làm sôi nước trong các nhà máy nhiệt điện của tháp mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt của hệ thống lạnh, máy điều hòa…

1.1.2 Sự cần thiết phát triển năng lượng mặt trời

Trong quá trình phát triển, các quốc gia luôn đặt vấn đề an toàn NL lên hàng đầu Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống của người dân ngày càng tăng cao nên nhu cầu sử dụng NL ngày càng tăng Nguồn NL truyền thống đang sử dụng chủ yếu là dầu mỏ, than đá, khí ga Nguồn NL hóa thạch này đang được khai thác và sử dụng mạnh mẽ nên đang cạn kiệt dần, dẫn đến mất an ninh NL ở nhiều quốc gia, khu vực và quốc tế;Việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch quá mức đã phát thải khí nhà kính làm trái đất nóng lên gây ra biến đổi khí hậu đã tác động không nhỏ đến đời sống, môi trường của con người; Sự biến động giá cả của dầu mỏ trên thế giới đã tác động đến giá của nguồn cung NL.NL nguyên tử đem lại công suất lớn, nhưng giá thành đầu

tư cao và tiềm tàng nhiều sự cố rò rỉ phóng xạ, nên một số quốc gia không đưa vào ưu tiên lựa chọn phát triển.Vì vậy, việc phát triển khai thác NLTT, đặc biệt là NLMT đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển

1.1.3 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời

Ngày nay, con người đã ứng dụng NLMT trong nhiều lĩnh vực như: Chiếu sáng

và sinh hoạt: nấu ăn, sưởi ấm, đun bình nóng lạnh, sạc pin, ắc quy cho xe điện, chưng cất nước uống từ nước biển và khử trùng, sấy nông sản – thực phẩm, tín hiệu đèn giao thông, bảng quảng cáo, cung cấp NL cho thuyền, máy bay, sân vận động…[5]

Hiện nay, người ta đã sử dụng 2 công nghệ để phát điện đó là: Công nghệ quang điện và Công nghệ hội tụ NLMT

Công nghệ NLMT có 2 hình thức hoạt động: thụ động và chủ động, tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối NLMT Kỹ thuật NLMT chủ động bao gồm việc sử dụng các tấm pin quang điện và các tấm thu nhiệt để khai thác NL Còn kỹ thuật NLMT thụ động có thể minh họa bằng việc hướng một tòa nhà về phía

mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc ánh sáng phân tán và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên trong ngôi nhà đó để khai thác một cách hiệu quả lượng nhiệt thu được từ mặt trời

1.1.4 Tình hình sử dụng NLMT trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.4.1 Tình hình phát triển NLMT trên thế giới

Trong các năm gần đây, các công nghệ NLTT, trong đó có các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục Lý do của xu hướng trên là: Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLTT càng ngày càng giảm sâu; Vấn đề an ninh

NL, NLTT là nguồn NL địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác; Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu NL không ngừng tăng; Ô nhiễm môi trường

do khai thác sử dụng NL hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu Để cắt giảm một phần sự phát thải khí nhà kính các quốc gia cần khuyến khích sử dụng các nguồn NL sạch và các nguồn NLTT

Dưới đây là hình ảnh về các nhà máy ĐMT cho trên hình 1.1 Nhà máy ĐMT lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ Nhà máy sử dụng công nghệ nhiệt mặt trời với gần 350.000 tấm thu NL trải dài trên diện tích 14,2 km2

Hình 1.1 Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần

ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ

Trạm điện tại Kasai (hình 1.2) lắp đặt 9.072 tấm pin NLMT, có tổng cộng chiều dài 333m, rộng 77m có tổng diện tích bề mặt hấp thụ ánh nắng 25.000 mét vuông Các tấm pin silicon trên mặt nước, có diện tích nhỏ hơn so với các tấm pin mặt trời lắp đặt trên đất liền, sẽ được một mạng lưới làm từ sợi thủy tinh và chất dẻo siêu nhẹ nâng nổi trên mặt nước Để cho tia sáng mặt trời luôn hội tụ trong các tấm silicon, tấm lưới

nâng được xoay dần dần theo sự di chuyển của mặt trời trong ngày nhờ một động cơ nhỏ điều khiển từ xa qua ăng ten

Hình 1.2 Các tấm pin silicon tại trạm điện mặt trời nổi Kasai Nhật Bản

1.1.4.2 Tình hình phát triển điện NLMT ở Việt Nam

Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về NLMT, đặc biệt ở các vùng miền Trung và miền Nam của đất nước Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 230 ÷ 250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000 ÷ 5.000 giờ trên năm Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm NLMT được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt

Công ty cổ phần giấy An Bình ứng dụng ĐMT: lắp đặt hệ thống đèn đường NLMT (hình 1.3) cho khuôn viên nhà xưởng của công ty, với số trụ sẵn có là 26 trụ, năm 2015 công ty đã nâng số trụ lên thành 51 trụ, phục vụ cho nhu cầu chiếu sáng trong công ty

Hình 1.3 Hệ thống các cột đèn điện sử dụng điện mặt trời

Ở Hà Nội trên nóc tòa nhà Bộ Công thương đã lắp đặt hệ thống ĐMT có công suất 12 kWp gồm sản xuất 16.000 kWh/năm.Tổng diện tích lắp đặt là 100 m2 bao gồm

52 mô đun loại solarWorld SW 230 [20]

Hình 1.4 Hệ thống ĐMT trên nóc tòa nhà Bộ Công thương ở Hà Nội

1.1.5 Khái quát về pin NLMT

Pin NLMTthường gọi làPMT hay pin quang điện, bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi NL ánh sáng thành NL điện Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện

1.1.5.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên, cho đến năm 1883 một pin NL mới được

tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng

để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin NLMT đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

hấp thụ và chuyển lên mức NLE2 Ta có

phương trình cân bằng NL: Hình 1.5 Hệ 2 mức năng lượng

Hv = E2 – E1

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức NL của nó bị tách ra nhiều mức sát nhau và tạo thành các vùng NL (hình 1.6) Vùng NL thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức NLEv Vùng NL phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có NL là Ec Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với NL là Eg, trong đó không có mức NL cho phép nào của điện tử [12]

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có NL hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 1.6 Các vùng năng lượng của điện tử

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:

Ev +hv  e- + h+ Điều kiện để điện tử có thể hấp thuNL của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/>= Ec – Ev Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+:

 m E

E

h E E

h

g g c v c

và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng NL: điện tử e-

giải phóng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+

chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12

- 10-1giây và gây ra dao động mạnh (photon) NL bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg

Tóm lại, khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ NL photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của PMT

1.1.5.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết  của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống 2 mức sau:

0 0

d J E

0 : tổng NL của các photon tới hệ

Bằng tính toán lý thuyết đối với

i chất bán dẫn Silicon (Si) thì hiệu suất  0.44

Như vậy hiệu suất  là một hàm của E g(hình1.8)

Hình 1.8 Quan hệ giữa hiệu suất và NL hữu ích của chất bán dẫn Si

1.1.5.3 Cấu tạo PMT

Hiện nay, nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể PMT từ các tinh thể silic chia thành 3 loại:

* Đơn tinh thể mô đun sản xuất dựa trên quá trình Crochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có mặt trống ở góc nối các mô đun [12]

Hình 1.9 Pin mặt trời

* Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các pin đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

* Dãy silic tạo từ các tấm phin mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp NL bức xạ NLMT nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là PMT PMT được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các PMT được chế tao từ vật liệu tinh thể bán dẫn Si có hóa trị 4 Tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor

là photpho có hóa trị 5 Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với PMT từ tinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng ngắn mạch của

nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30mA/cm2

Hiện nay, người ta đã chế tạo PMT bằng Si vô định hình (a-Si) So với PMT tinh thể Si thì PMT a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định

Công nghệ chế tạo PMT gồm nhiều công đoạn khác nhau để cuối cùng ta được

mô đun Ví dụ để chế tạo PMT từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 1.10

Hình 1.10 Quá trình tạo mô đun pin mặt trời [9]

Hình 1.11 Cấu tạo mô đun PMT [9]

1.1.5.4 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ và hiệu suất của PMT

Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của PMT:

Điện trở sơn RSh đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc pn, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc Thông thường giá trị của RSh rất lớn, nên dòng rò có thể bỏ qua

Điện trở nội RS là tổng của các điện trở: điện trở tiếp xúc giữa điện cực dưới và bán dẫn p, R1; điện trở bán dẫn loại p, R2; điện trở bán dẫn loại p,R3; điện trở tiếp xúc giữa bán dẫn n và cực kim loại trên, R4; điện trở của cực lưới kim loại mặt trên, R5 và điện trở của các thanh góp kim loại mặt trên, R6 , tức là:

𝑹𝑺 = ∑ 𝐑𝐢 = 𝐑𝟏+ 𝐑𝟐+ 𝐑𝟑+ 𝐑𝟒+ 𝐑𝟓 + 𝐑𝟔

𝟔

𝐢=𝟏

Sự tăng RS hoặc sự giảm RSh ảnh hưởng đến công suất phát điện của PMT

1.1.5.5 Đặc tính kinh tế của pin NLMT

Trong bối cảnh NLMT đang được chú trọng đầu tư phát triển mạnh mẽ trên thế giới, hiệu quả sử dụng, hiệu quả kinh tế ngày càng cao thể hiện rõ ở chỗ số lượng pin

và các phụ kiện của hệ thống ĐMT xuất hiện trên thị trường càng nhiều, giá thành càng ngày càng thấp nhưng tính công nghệ không hề giảm mà càng được cải thiện với chất lượng rất cao Trong khoảng 10 năm trở lại đây, do có sự đầu tư của nhà nước và các danh nghiệp tư nhân nên giá thành ngày càng hạ

Điều quan trọng liên quan đến tính kinh tế của hệ thống điện mặt trời là giá thành của hệ thống, chi phí ban đầu cao so với các dạng NL truyền thống, cho nên chưa thu hút được các hộ dân và các doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực NLTT này

1.1.5.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất hệ thống ĐMT

- Sự thay đổi hàng ngày, liên quan đến vòng quay trái đất và mùa;

- Vị trí khu đất (bức xạ mặt trời tại đó);

- Độ nghiêng của thiết bị;

- Góc phương vị;

- Bóng đổ;

- Nhiệt độ

1.1.5.7 Các chú ý khi sử dụng pin mặt trời

Các tấm PMT được lắp đặt ở ngoài trời, những nơi có thể đón nhận được ánh sáng tốt nhất từ mặt trời

Để tính toán kích cỡ các PMT trời cần sử dụng, ta phải tính công suất cực đại (Wp) cần có của tấm PMT Lượng Wp tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới Như vậy, với 1 tấm PMT nhưng đặt ở vị trí khác nhau sẽ cho hiệu suất hấp thu NL sẽ khác nhau

Lựa chọn hãng sản xuất, công nghệ và công suất tấm PMT phù hợp với mục đích, khả năng của hộ sử dụng điện

Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống PMTcần được lắp đặt theo 1 góc nghiêng

và chọn ví trí các tấm pin có thể hấp thụ ánh nắng được tốt nhất cho cả ngày

1.2 Năng lượng gió ở Việt Nam và tiềm năng phát triển

1.2.1 Năng lượng gió ở Việt Nam

Tiềm năng về NL gió ở Việt Nam chỉ vào loại trung bình Hầu hết, các khu vực trên đất liền có NL gió thấp nên khai thác không hiệu quả Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt có tốc độ gió tương đối khá Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo

có NL gió tốt hơn Nơi có nguồn NL tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt được từ 7.1-7.3m/s Tiếp đến là các khu vực đảo Trường Sa, Phú Quí, Côn Đảo có tốc độ gió trong khoảng 4.0 - 6.6m/s Tuy nhiên, tiềm năng NL gió Việt Nam chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về NL gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm khí tượng thủy văn ở độ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất, mà thiếu số liệu về NL gió ở các độ cao trên 40m Hiện nay, có khoảng 10 trạm khí tượng đo gió ở

Hình 1.12 Tốc độ gió trung bình hàng năm ở độ cao 10m (a) và 100m (b) [1]

Những dự án NL gió đã và đang triển khai tại Việt Nam: nhà máy phát điện sức gió đầu tiên ở Việt Nam đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, thành phố Hải Phòng với công suất 800kW, vốn đầu tư 14 tỉ đồng Như vậy, với giá bán điện 750VNĐ/kWh thì thời gian hoàn vốn là 7 - 8 năm Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đã có 3 cơn bão lớn, tốc độ gió đều vượt qua cấp 12 nhưng tua bin gió vẫn vận hành an toàn Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước đặt ở huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi) vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tư gần

200 tỷ đồng

Nhiều dự án điện gió rất lớn với mục tiêu hòa vào lưới điện quốc gia vẫn đang được xúc tiến Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, tại khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình Định với tổng vốn đầu tư hơn 35.7 triệu USD Theo thiết kế, nhà máy được đầu

tư xây dựng toàn bộ 14 tua bin, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang thiết bị và dịch

vụ kèm theo Sản lượng điện hàng năm của nhà máy hòa vào lưới điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào hoạt động cuối năm 2008 Ngày 27/8/2016, tại xã Bắc Phong và Lợi Hải, huyện Thuận Bắc, tỉnh Ninh Thuận, Công ty

Cổ phần Đầu tư xây dựng Trung Nam (Trung Nam Group) long trọng tổ chức lễ khởi công dự án Nhà máy Điện gió Trung Nam, giai đoạn 1 gồm 17 tổ máy, công suất 34MW, với tổng vốn đầu tư 1.558 tỷ đồng Giai đoạn 2 gồm 28 tổ máy, công suất 56MW, với tổng vốn đầu tư 2.407 tỷ đồng

Nhận lời mời của Thủ tướng Vương quốc Thái Lan Prayuth Chan-o-cha, Thủ tướng nước ta Nguyễn Xuân Phúc và Phu nhân đã thăm chính thức Thái Lan từ ngày 17-19/8/2017 Trong khuôn khổ chuyến thăm, hai Thủ tướng chứng kiến Bản ghi nhớ

về dự án điện gió 300 MW Bạc Liêu/Cà Mau giữa Tập đoàn Super Energy và Công ty trách nhiệm hữu hạn Công Lý[23]

Theo thống kê của Hiệp hội Năng lượng Việt Nam, các dự án điện gió đang vận hành ở Việt Nam ước tính có khoảng 1.300 máy phát điện gió cỡ gia đình (công suất

từ 150 W đến 200 W) đã được lắp đặt sử dụng, chủ yếu ở vùng ven biển từ miền Trung, Đà Nẵng trở vào Đồng thời, đưa vào vận hành các nhà máy quy mô tương đối lớn với tổng công suất khoảng 160 MW như Nhà máy Phong Điện 1 Bình Thuận (30 MW), Bạc Liêu (99,2 MW), Phú Lạc (24 MW), Phú Quý (6 MW)[22]

Theo đánh giá của các tổ chức quốc tế cho thấy, Việt Nam có tiềm năng NL gió lớn, ước tính đạt hơn 500.000 MW, lớn hơn gấp 6 lần tổng công suất ước tính của toàn ngành điện vào năm 2020 Tuy nhiên, việc sử dụng tiềm năng này để biến thành hiệu quả kinh tế vẫn sẽ là một chặng đường dài và nhiều thách thức

Trong giai đoạn trước 2010, suất đầu tư cho điện gió ở Việt Nam từ 3.500 - 4.000 USD/kW, tương đương giá điện 15-17 cents/kWh, nhưng đến 2015-2016, suất đầu tư chỉ còn 2.000 - 2.500 USD/kW và giá điện chỉ còn 9-10 cents/kWh Dự báo đến

2020-2025, suất đầu tư điện gió sẽ chỉ còn 1.500 USD/kW và giá điện giảm còn 7 cents/kWh[22] Với quy mô nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa và hải đảo Với quy mô lớn thì thường được phát triển ở Cà Mau và những vùng trống, khô cằn như ở vùng Nam Trung bộ: Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Bình Thuận,

1.2.2 Tiềm năng phát triển NL gió công suất nhỏ tại Việt Nam

Tính đến cuối năm 2016, đã có 99,9% số xã và 98,6% số hộ dân nông thôn được sử dụng điện lưới quốc gia Trong năm 2016, Tổng công ty điện lực cũng đã thực hiện tiếp nhận lưới điện ở 11 xã và 2 cụm, cơ bản hoàn thành công tác tiếp nhận lưới điện hạ áp nông thôn để bán điện trực tiếp các hộ dân Đến nay đã có 3.476 xã/tổng số 4.048 xã (86%) do Tổng công ty bán điện trực tiếp đạt tiêu chí về điện của chương trình nông thôn mới[18]

Như vậy, căn cứ vào tổng quan tình hình NL và xu hướng phát triển của NL gió phân tán trên thế giới mà ta đã phân tích ở trên, thì mô hình MPĐ công suất nhỏ rất phù hợp với điều kiện Việt Nam Sau đây là những lý do vì sao cần phải phát triển mô hình MPĐ công suất nhỏ tại Việt Nam:

- Việt Nam có cả hàng ngàn km bờ biển, tập trung nhiều khu đô thị, cụm dân cư ven biển có nguồn gió phù hợp với mô hình MPĐ nhỏ (vận tốc gió từ 2m/s- 6m/s) Đối tượng này nếu được khai thác tốt sẽ làm giảm áp lực đáng kể lên lưới điện quốc gia Tua bin gió công suất 1kW tại HUE Riverside thuộc Công ty cổ phần Vườn xưa phường Thụy Biểu, tỉnh Thừa Thiên Huế (hình 1.13)

Hình 1.13 Tua bin gió công suất 1kW tại HUE Riverside

- Các hộ dân cư trên hàng ngàn đảo nhỏ ngoài khơi Việt Nam, tàu thuyền đánh

cá nhỏ có thể tự chủ nguồn NL cho chính mình với giá thành thấp hơn việc dùng máy phát diesel như hiện nay

- Chi phí đầu tư cho MPĐ gió công suất nhỏ sẽ có giá thành rẻ hơn loại dùng tấm PMT có cùng công suất

- Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng các nguồn nhiên liệu tại địa phương

- Dễ bảo trì, sửa chữa, thời gian sử dụng lâu hơn loại dùng tấm PMT

- Các MPĐ gió công suất nhỏ có thể hoạt động ở vận tốc gió thấp hơn so với các máy phát cỡ lớn

- Trong một số trường hợp với tốc độ gió trung bình hàng năm ở mức trung bình, tua bin nhỏ hơn sẽ sản sinh được hơn gấp đôi mức năng lượng so với tua bin cỡ lớn như hình 1.14

Hình 1.14 Đồ thị so sánh NL gió thu được hàng năm

Việt Nam có tiềm năng về NL gió khá lớn so với các nước trong khu vực, điều này là một thuận lợi lớn Việc đánh giá đúng mức chế độ gió và phát triển mô hình MPĐ gió công suất nhỏ là hoàn toàn phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam hiện nay Vấn đề đặt ra chúng ta cần lựa chọn mô hình MPĐ gió nào để phù hợp với tốc độ gió và điều kiện kinh tế của từng vùng miền của Việt Nam

1.2.3 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi NL gió

1.2.3.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi NL gió

Hình 1.15 Hệ thống chuyển đổi NL gió

Hệ thống chuyển đổi NL gió hiện đại bao gồm:

- Cánh gió: là bộ phận nhận NL từ gió

- Pitch: Cánh gió được lật hoặc xoay để điều chỉnh cánh gió

- Thiết bị Yaw: Thiết bị Yaw có hai chức năng Khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ thiết kế, nó giữ cho rô to đối diện với nguồn gió khi hướng gió thay đổi Nhưng khi tốc

độ gió lớn hơn tốc độ thiết kế, đặc biệt là gió bão nó sẽ làm rô to lệch với hướng gió

- Bộ đo tốc độ gió: Đo tốc độ gió và chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển

- Chong chóng gió: Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ rô to đạt tốc độ mong muốn

- Tháp đỡ: để có được nguồn gió lớn và ổn định người ta thường lấy gió trên cao Tháp đỡ dùng để nâng đỡ hệ thống tuabin, máy phát, các bộ phận cơ khí… cấu trúc tháp đỡ bằng bê tông hoặc thép, có tính toán tần số cộng hưởng khi đưa hệ thống vào hoạt động

- Hộp số: máy phát thường có tốc độ định mức khoảng 1000 - 1500 rpm trong khi tốc độ của tuabin gió chỉ khoảng 30-50 rpm Vì vậy hộp số được dùng để tương thích cho tốc độ này

- Máy phát điện: hầu hết các hệ thống kết nối với lưới điện đều sử dụng máy phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng Một số hệ thống làm việc độc lập sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu Trong luận văn này chúng ta dùng máy phát điện nam châm vĩnh cửu để chế tạo cho máy phát điện gió có công suất nhỏ

1.2.3.2 Các loại hệ thống chuyển đổi NL gió

Tua bin gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Đối với tua bin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện trên hầu như không thể điều khiển và do đó không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió Vì vậy, đối với hệ thống tua bin gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Đối với tua bin gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thụ bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rô to và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi NL gió vì thế có thể được hạn chế Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi tua bin gió có thể được cải thiện so với tua bin gió tốc độ cố định

Vì tốc độ quay của tua bin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tua bin theo vận tốc MPĐ

1.2.4 Tổng quan về các kiểu tua bin gió

Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho tua bin gió, và được phân ra làm hai loại

cơ bản chính: Tua bin gió trục ngang (HAWT) và tua bin gió trục đứng (VAWT) Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng để bắt NL gió để tạo ra mô men quay trục tua bin như hình 1.16

Tua bin gió trục ngang có rô to kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao nhất HAWT có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay được truyền động thông qua bộ nhông và trục Loại tua bin trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí (khí động học), nhưng yêu cầu phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió

Tua bin gió trục đứng có cánh nằm dọc theo trục chính đứng Loại này không cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ phận chính như

máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất Tuy nhiên, nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống

Hình 1.16 Cấu tạo tua bin gió trục đứng và trục ngang

1 Chiều gió đến của HAWT 2 Đường kính rô to

3 Chiều cao của Hub 4 Cánh rô to

9 Chiều gió phía sau rô to 10 Chiều cao rô to

13 Cánh rô to với góc bước cố định 14 Nền rô to

1.3 Các hệ thống điện kết hợp các nguồn NL

Các hệ thống điện kết hợp các nguồn NL ra đời là kết quả tất yếu do cuộc khủng hoảng dầu mỏ và sự nhận thức về môi trường Các hệ thống NLTT đã được triển khai trong các chương trình NL ở nhiều quốc gia trên thế giới Thủy điện nhỏ, mặt trời, sức gió, khí sinh học là các nguồn NL sạch, tái tạo hiện đang được áp dụng rộng rãi nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng NL thông qua các phương thức nối trực tiếp với lưới điện, cấp điện độc lập và các dạng ứng dụng khác như: Bơm nước, thông tin liên lạc, thắp sáng ở các vùng sâu, xa chưa có điện lưới quốc gia

Hệ thống điện kết hợp (còn gọi là hệ kết hợp) NLTT-Diezen là sự ghép nối giữa nguồn NLTT và máy phát điện Diezen đã và đang được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới với các ưu điểm như: giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm chi phí bảo dưỡng, kéo dài tuổi thọ và giảm tiêu thụ nhiên liệu

Hiện nay, ở các vùng nông thôn, nhu cầu dùng điện ngày càng cao do sự phát triển nhanh về kinh tế xã hội Tuy nhiên,ở những vùng nông thôn này lại xa nguồn

cấp, phụ tải thay đổi lớn trong ngày dẫn đến chi phí cho việc điện khí hoá rất cao Hệ thống phát điện diezen độc lập là giải pháp cần thiết, song lại khó khăn và thất thường

về nhiên liệu, đặc biệt giá nhiên liệu ngày một tăng Hơn nữa, các nghiên cứu cho thấy

hệ thống phát điện kết hợp giữa NLTT và diezen mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn nguồn phát diezen độc lập

Đặc trưng cơ bản của hệ thống điện kết hợp là có một số nguồn điện Việc kết hợp nhiều nguồn điện khiến cho hệ thống làm việc linh hoạt và liên tục hơn so với chỉ dựa vào một nguồn điện Ngoài ra, dùng nhiều nguồn điện có thể rẻ hơn dùng một nguồn điện tái tạo trong một khoảng thời gian trong năm Những nguồn điện thường được dùng trong hệ thống điện kết hợp:

- Dàn PMT

- MPĐ dùng động cơ đốt trong

- Động cơ gió

1.3.1 Sơ đồ đấu nối hệ kết hợp

Một trong những đặc điểm quan trọng trong việc thiết kế hệ kết hợp là sơ đồ ghép nối Các hệ kết hợp thường được phân thành hai loại theo cách bố trí “thanh góp” các hệ thống thanh góp một chiều DC và hệ thống xoay chiều AC

Dàn PMT, động cơ gió cấp điện cho phụ tải và nạp vào AQ khi có bức xạ mặt trời và sức gió Máy phát diezen chỉ vận hành khi NL của AQ cạn và điện áp tụt xuống mức cần được nạp (khi NLMT hoặc gió không đáp ứng đủ cho phụ tải) Như vậy trong điều kiện bình thường, máy phát diezen chỉ chạy để nạp AQ và cung cấp phần NL bổ sung cần thiết để khôi phục trạng thái nạp đầy của AQ

Hình 1.18 Hệ kết hợp thanh góp DC mở rộng: phụ tải DC và AC kết hợp

Đôi khi máy phát diezen cũng cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải xoay chiều qua một bộ chuyển mạch hoặc thanh góp DC cung cấp điện AC bằng cách đấu thêm một bộ đổi điện (inverter)

1.3.1.2 Hệ kết hợp thanh góp AC:

Hình 1.19 Hệ kết hợp thanh góp AC

Hệ kết hợp thanh góp AC là hệ kết hợp, trong đó thanh góp AC là nơi mà máy phát, bộ đổi điện và phụ tải AC nối với nhau Máy phát diezen cung cấp điện xoay chiều cho một số hoặc tất cả các phụ tải AQ được nạp điện nhờ sử dụng bộ điều phối hai chiều làm nhiệm vụ của cả bộ đổi điện và bộ chỉnh lưu Hệ kết hợp

thanh góp AC có thể có cả phụ tải một chiều DC, nhưng nói chung thường chỉ có phụ tải xoay chiều AC

Dàn PMT, động cơ gió có thể cung cấp NL cho AQ tùy theo bức xạ mặt trời và tốc độ gió Máy phát diezen có thể cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải AC và nạp điện cho AQ Bộ điều phối hai chiều có thể cấp điện cho phụ tải AC từ máy phát diezen để nạp cho AQ Một số bộ điều phối hai chiều có khả năng hoạt động theo phương thức đồng bộ hoặc song song, cả bộ đổi điện và máy phát diezen có thể cùng cung cấp cho phụ tải

1.3.2.Tổng quan về kết nối tua bin gió và NLMT trong lưới điện công suất nhỏ

Lưới điện công suất nhỏ là một hệ thống bao gồm các nguồn NL có công suất nhỏ, phát điện phân tán được chú trọng sử dụng nhiều các nguồn NLTT như: nguồn PMT, pin nhiên liệu, tua bin gió, biogas…cùng các phụ tải, hệ thống đo lường và kết nối Lưới điện công suất nhỏ có thể hoạt động ở chế độ độc lập hoặc được kết nối vào lưới điện phân phối chính

Tóm lại, lưới điện công suất nhỏ sẽ đêm lại các lợi ích sau:

- Sẽ giảm các tải đỉnh và tạo ra các phần dự trữ

- Sẽ làm giảm chi phí xây dựng đường truyền, nhà máy mới

- Sẽ giảm tổn thất đường dây cùng với giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng

- Sẽ chuyển hướng dòng NL chảy, thay đổi mô hình tải, cải thiện điện áp và tăng ổn định

- Sẽ cho phép hộ tiêu thụ tham gia phát điện vào hệ thống

- Sẽ tận dụng được nguồn NLTT và giảm ô nhiễm môi trường

1.3.3 Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió trên thế giới và trong nước từ trước đến nay

1.3.3.1 Một số nghiên cứu ở nước ngoài

- Sản phẩm đèn đường sử dụng hệ thống kết hợp của Đài Loan

Hình 1.21 Hệ thống lai PG-SWL-004 Hình 1.20 Mô hình PG-SWL-001

1.3.3.2 Một số nghiên cứu trong nước

- Dự án phát điện kết hợp NLMT, sức gió tại ga Nha Trang: là dự án thử

nghiệm thuộc Chương trình mục tiêu Quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu Hệ thống bao gồm: 20 tấm PMT, tổng công suất 5.000W với tổng diện tích lắp đặt gần 40m2, tổng công suất của hệ thống gió đạt ≈ 4,38kW, hệ thống ắc quy gồm 20 bình (Hình 1.22)

Hình 1.22 Hệ thống điện kết hợp NLMT và gió tại ga Nha Trang

- Khu công nghệ cao quận 9,thành phố Hồ Chí Minh: Đây là hệ thống kết hợp

NL gió và mặt trời đầu tiên của tập đoàn Intel tại châu Á Sử dụng tua bin gió trục ngang, chiều cao 15m, cung cấp NL cho bóng đèn LED Ngoài ra, tại đây còn có các loại xe chạy bằng NLMT trong nội bộ khu công 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 mỗi cánh là 0,5m ngay công viên có chiều cao 10m, 12 trụ đèn sử dụng PMT có chiều cao 5m lắp đặt dọc theo

sân bóng đá Thanh Niên Hệ thống đèn sẽ tự động bật sáng khi trời tối

- Hệ thống chiếu sáng công cộng tại phường Trảng Dài, thành phố Biên Hòa,

tỉnh Đồng Nai: Hệ thống gồm các trụ đèn sử dụng tua bin gió trục đứng kết hợp với

tấm PMT 40W để chiếu sáng Đây là hệ thống đèn khi trời tối sẽ tự động bật sáng

Hình 1.23 Hệ thống chiếu sáng tại phường Trảng Dài

1.4 Nhận xét và đề nghị hướng nghiên cứu

Qua phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu nêu trên có thể thấy rằng tại các nước trên thế giới đã có những nghiên cứu, chế tạo những hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió Tuy nhiên, nếu nhập khẩu những hệ thống điện này về áp dụng thì giá thành thiết bị khá đắt, hiệu quả kinh tế không cao và có thể không phù hợp với điều kiện thời tiết ở Quảng Ngãi

Ở nước ta, đã có một số công trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió, nhưng chủ yếu dưới hình thức nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm, chưa được triển khai nhân rộng trong sản xuất do giá thành còn cao, làm việc không ổn định, chưa hiệu quả về kinh tế Mặt khác, ở vùng xa, vùng cô lập hay kể cả các

hộ gia đình vùng đồng bằng của Quảng Ngãi cũng rất cần có hệ thống điện này để cung cấp điện cho một số phụ tải sinh hoạt, sản xuất để chủ động trong sử dụng điện năng

Từ những thực tế đã nêu trên, tôi đề xuất hướng nghiên cứu phù hợp với các

mục tiêu như sau:

- Khảo sát, đánh giá tình hình sử dụng NLTT đặc biệt là NL gió và NLMT tại

Việt Nam nói chung và Quảng Ngãi nói riêng

- Tính toán, thiết kế hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió với công suất 400W

- Tính toán, lựa chọn, thiết kế và chế tạo cánh tua bin gió trục đứng

- Tính toán, thiết kế bộ điều khiển dàn pin mặt trời (PMT) theo hướng nắng

(theo dõi điểm làm việc cực đại của pin NLMT)

- Chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió công suất 400W có khả năng

làm việc ổn định

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Phạm vi, đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Phạm vi nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió công suất từ 400W phù hợp với quy mô hộ gia đình

2.1.2 Đối tượng nghiên cứu

- Điều kiện khí tượng tỉnh Quảng Ngãi

- Hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió công suất nhỏ

- Tua bin NL gió có công suất nhỏ

- Hệ thống giá điều khiển tấm pin NLMT

- Bộ điều khiển tấm pin NLMT

2.2 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá về tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điện NLMT kết hợp

NL gió

- Tính toán, thiết kế hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió công suất từ 400W

- Chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió công suất 400W

- Tính toán, thiết kế bộ điều khiển dàn PMT theo hướng nắng

- Khảo nghiệm khả năng làm việc, đánh giá các thông số kinh tế - kỹ thuật của

hệ thống

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp điều tra thu thập số liệu

 Điều tra đặc điểm về khí hậu thời tiết

 Tìm hiểu thiết bị và khả năng hoạt động của hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió

 Phân tích, đánh giá lựa chọn các giải pháp, thiết bị

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

 Tính toán, thiết kế hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió: lựa chọn công suất dàn PMT, công suất tua bin gió, AQ và các thiết bị của hệ thống

 Tính toán kết cấu dàn xoay PMT

 Tính toán, thiết kế bộ điều khiển dàn xoay PMT

 Tính toán, thiết kế và chế tạo cánh quạt của tua bin gió

 Phương pháp tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế của hệ thống

2.3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

 Khảo nghiệm khả năng làm việc của hệ thống

 Đánh giá các thông số kinh tế - kỹ thuật của hệ thống

2.3.4 Phương pháp chuyên gia

Trực tiếp gặp các chuyên gia, những người có kiến thức chuyên môn sâu và nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế hệ thống điện MT, điện gió để tranh thủ ý kiến đóng góp trong quá trình thực hiện đề tài

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

3.1 Năng lượng gió và công suất tua bin

3.1.1 Năng lượng gió

Động năng của khối không khí có trọng lượng m, thổi với vận tốc v theo chiều x là:

2 2

) (

2

1 2

1

v Ax mv

x : độ dày khối khí, đơn vị là m

Giả sử khối khí đó được biểu diễn như hình 3.1, với chiều x di chuyển theo vận tốc v, ta thấy động năng tăng đều theo x, vì khối khí tăng đều

Như vậy, NL của gió Pw, chính là đạo hàm động năng theo thời gian:

Hình 3.1 Năng lượng của khối không khí có diện tích mặt cắt ngang A

Mặt khác, ta biết mật độ không khí được biểu diễn theo công thức

T

p

485

1

Av T Av

Nếu như ta xem khối không khí di chuyển ban đầu khi chưa tiếp cận tua bin gió

có đường kính dl, vận tốc v1, áp suất p1 Vận tốc khối khí sẽ giảm khi tiếp xúc với tua bin làm cho luồng khí giãn ra bằng với đường kính d của tua bin gió Áp lực không khí

sẽ tăng cực đại ở ngay trước tua bin và sẽ giảm ngay khi qua khỏi tua bin Chính động năng trong không khí được chuyển thành NL tiềm ẩn để gây ra sự tăng áp suất này Sau khi qua khỏi tua bin sẽ vẫn còn nhiều động năng được chuyển đổi thành NL tiềm

ẩn để làm tăng áp suất không khí trở lại bình thường Điều này làm cho tốc độ gió tiếp tục giảm cho tới khi áp suất trở lại cân bằng Một khi tốc độ gió tiến đến điểm thấp, thì tốc độ của khối khí sẽ tăng trở lại sao cho v4 = v1 như bầu không khí xung quanh nó

Hình 3.2 Biểu diễn luồng không khí qua một tua bin gió lý tưởng

d d

W

W