Kỹ thuật hệ thống năng lượng tái tạo

1 Hồ PHẠM HUY ÁNH (CHỦ BIÊN)

! NGUYỄN HỮU PHÚC - NGUYỄN VAN t à i - PHẠM ĐÌNH TRỰC

I NGUYỄN QUANG NAM - TRẦN CÔNG BINH - PHAN QUANG ÂN

1

Ị

j

KỸ 1ỆỊÉỊT HỆ THÌỈNG

NĂNG L Ì M l TÁI TạI

NHÀ XUẤT BẬN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. Hồ CHÍ MINH

Chương 1

ĐẠI CƯƠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

1.1 KHÁI NIỆM

Năng lượng tái tạo, hay năng lưọ’ng tái sinh, là năng lượng từ

những nguôn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn.

Nguyên tăc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phân

năng hrợng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa

vào trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy

đặc biệt là từ Mặt Trời.

1.1.1 Các khái niệm chung

Trong cách nói thông thường, năng lượng tái tạo được hiểu là những

nguôn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nêu đo

bằng các chuẩn rnực của con người thì là vô hạn. Ở đây, thuật ngữ vô hạn có

hai nghĩa: hoặc năng lượng tồn tại nhiều đến mức không thê cạn kiệt vì sự

sử dụng của con người (ví dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc năng lượng tự

tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối)

trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trải Đât.

ĐẠI CƯƠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 11

trong pin Mặt Tròi. Năng lượng 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 Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt

Trời, hoặc vận, động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời.

Hình 1.2 Trang trại gió tại Lubz, Mecklenburg-Vorpommern, Đức

Hình 1.3 Nhà mảy điện dùng nhiệt lượng cùa biển

tại Hawaii, Hoa Kỳ

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành

năng lượng trong các liên kết hóa học của các phàn ứng quang hóa.

Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình

này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguôn nhiên

liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp từ thê kỷ 19 đến thế

kỷ 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung câp năng lượng cho

mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đôt, những

14 CHƯƠNG 1

số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu năng lượng sóng vi

ba phát ra từ‘điện thoại để phát sáng hoạt động theo cơ chê này.

1.1.4 Khảo sát năng lưọrng tái tạo ở qui mô toàn cầu

Billion toe

18 r

SI Renewables

■ Hydro

□ Nuclear

■ Coal

o Gas

■ Oil

0

1990 2000 2010 2020 2030

Hình 1.4 Dự bảo đỏng góp của các nguồn năng lượng tải tạo so với các

nguồn năng lượng khác xét đến năm 2030

(Đom vị tính: Tỉ tẩn dầu qui đổi - Billion TOE)

ũ- Các mô hình tỉnh toán trên lý thuyểt

Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượnể

thạch và năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất c h o y ^

đôi là 10% và trên một diện tích 700 X 700 km ở sa mạc Sahara thì đã c° *

đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử d ụ n ể 11

lượng mặt trời.

rí*.

Trong các mô hình tính toán ưên lý thuyêt, người ta cũng đã c° ¡Tông

chựng minh là với trình độ công nghệ ngày nay, mặc dâu là bị thất thoa* kộ

suât và nhu cầu năng lượng ngày một tăng, vẫn có thể đáp ứng được Ịrá

nhu cầu về năng lượng điện của châu Âu bằng các turbine gió dọc ngoài

biển phía Tây châu Phi hay là bằng các turbine gió được lăp đặt xạ^ d ”

biển (off-shore). Sử dụng một cách triệt để các thịêt bị cung câp nhiẹt

lượng mặt ười cũng có thể đáp ứng tòan bộ nhu câu nươc nong.

ĐẠI CƯƠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 19

Hình 1.7 Năng hrợng mặt trời đun nước nóng

Đên năm 2007, tông công suất lắp đặt của các hệ thống nước nóng

năng lượng mặt trời là khọảng 154G W . Trung Quốc là nước đứng đầu the

giới trong lãnh vực này với 70GW đã được cài đặt năm 2006 và mục tiêu dài

hạn là đạt 210GW vào năm 2020. Israel và Síp là các nước đứng đầu nếu xét

theo bình quân đầu người trong việc sử dụng các hệ thống nước nóng năng

lượng mặt trời với hơn 90% hộ gia đình sử dụng chúng. Tại Hoa Kỳ,

Canada và ú c làm nóng bể bơi là ứng dụng nổi bạt của nước nóng năng

lượng mặt trời với công suất lắp đặt 18G W vào năm 2005.

Hình 1.8 Ngôi nhà mặt trời cùa Viện Công nghệ Massachụsetts - Hoa Kỳ, được

xây d\mg năm 1939, lưu trữ nhiệt theo mùa đề sưởi ấm quanh năm.

Tại Hoa Kỳ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí

(HVAC) chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà

thương mại và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân

ĐẠI CƯƠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 31

Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay

quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.

<J

Hình 1.17 Bản đồ vận tốc gió theo mùa

Do bị ảnh hường bời hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay

quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp

không chuyển động thẳng mà tạo thành các con gió xoáy có chiều xoáy

khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên

Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều

kim đông hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam

bán cầu thì chiều sẽ có hướng ngược lại.

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bời địa

hình tại từng địa phưong. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban

ngày đất nóng lên nhanh hom nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có

gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh

hom nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.

1.3.2 Khảo sát vật lý về năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc

V. Khôi lượng đi qua một mặt phăng hình tròn vuông góc với chiêu gió trong

thời gian t là:

m = pV = ọ.Avt = p.nr^vt

với p là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lượng không khí đi qua

mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kính r trong thời gian t.

36 CHƯƠNG 1

b- Công suất định mức lắp đặt tại Ảo

Tại Áo hiện nay có 424 turbine gió với công suất tổng cộng là 606 MW

trong mạng lưới điện (sô liệu vào cuôi năm 2004). Công suât này tương ứng

với nhu cầu tiêu thụ điện trung bình của khoảng 350.000 gia đình. Trọng tâm

sử dụng năng lượng gió tại Áo là 2 tiểu bang Niederôsteưeich và Burgenland.

Trang trại gió cao nhất thế giới được lắp đặt ở độ cao 1.900 m trên mực nước

biên tại tiêu bang Steiermark vào năm 2002. Trang trại gió này bao gôm 11

turbine gió với công suất tổng cộng là 19,25 MW.

Tiểu bang Số lượng turbine gỉỏ Cône suất (MW)

Burgenland 183 307,9

Kärnten 1 0,5

Niederösterreich 200 254,9

Oberösterreich 17 14,4

Salzburg 0 0

Steiermark 15 24,1

Tirol 0 0

Vorarlberg 0 0

Wien 8 4,4

Tổng cộng 424 606,2

Nguồn: IG Windkraft ồsterreich

c- Công suẩt định mức lắp đặt tại Đức

Trong năm 2004, với 25.000 GWh, lần đầu tiên tại Đức sản xuất điện

từ năng lượng gió đã vượt qua được nguồn cung cấp điện từ năng lượng tái

sinh khác được sử dụng nhiều nhất cho đến thời điểm này là thủy điện với

20.900 GWh.

Hình 1.19 Bản đồ phân bố của các turbine gió ở Đức

42 CHƯƠNG 1

được sản xuất bởi các nhà máy nhiệt điện để dành sử dụng vào giờ cao

diêm). Thủy điện không phải là một sự lựa chọn chủ chốt tại các nước phát

triên bởi vì đa sô các địa diêm chính tại các nước đó có tiêm năng khai thác

thủy điện theo cách đó đã bị khai thác rồi hay không thể khai thác thêm

được nữa vì các lý do khác như môi trường.

1.6.2 Ưu điểm

Lợi ích lớn nhất của thủy điện là hạn chế được giá thành nhiên liệu.

Các nhà máy thủy điện không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hóa

thạch như dầu mỏ, khí thiên nhiên hay than đá, và không cần phải nhập

nhiên liệu. Các nhà máy thủy điện cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy

nhiệt điện, một số nhà máy thủy điện đang hoạt động hiện nay đã được xây

dựng từ 50 đến 100 năm trước. Chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà

máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành

thông thường.

Hình 1.22 Những ngôi nhà đã bị ngập chìm lừ năm 1955, tái xuất hiện sau

một thời gian dài khô hạn

Hìnlt 1.23 Hỗ chứa nước thủy điện Vianden, Luxembourg (tháp)

ĐẠI CƯƠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 45

Việc xây đập tại vị trí địa lý không hợp lý có thể gây ra những thảm

hoạ như vụ Đập Vajont tại Ý, gây ra cái chết của 2001 người năm 1963.

1.6.4 Các sổ liệu về thủy điện

a- Các nhà mảy thủy điện cũ nhất

Hình 1.25 Hồ chứa nước Vianden, Luxembourg

- Cragsỉde, Rothbury, Anh Quốc hoàn thành năm 1870.

- Appleton, Wisconsin, Hoa Kỳ hoàn thành năm 1882, một bánh xe

nước trên sông Fox cung cấp nguồn thủy điện đầu tiên để thắp sáng

cho hai nhà máy giấy và một ngôi nhà. Hai năm sau Thomas Edison

đã trưng bày đen sợi đốt trước công chúng. Chỉ trong khoảng vài

tuần sau sự kiện này, một nhà máy phát điện cũng đã đi vào hoạt

động thương mại tại Minneapolis.

- Duck Reach, Launceston, Tasmania. Hoàn thành năm 1895. Nhà

máy thủy điện sở hữu nhà nước đầu tiên tại Nam Bán cầu. Cung cấp

điện thắp sáng đường phổ cho thành phố Launceston.

- Decew Falls 1, St. Catharines, Ontario, Canada hoàn thành 25 tháng

8, 1898. Thuộc sở hữu của Ontario Power Generation. Bôn tổ máy

hiện nay vẫn đang hoạt động.

Nhà máy thủy điện cổ nhất Hoa Kỳ nằm tại Claverack Creek, ờ

Stottville, NY 11721. Chiếc turbine, do Morgan Smith sản xuât, được hoàn

thành năm 1869 và lắp đặt 2 năm sau đó. Đây là việc lăp đặt một trong

những bánh xe nước sớm nhất trong lịch sử Hoa Kỳ. Ngày nay nó thuộc sở

hữu của Edison Hydro.

46 CHƯƠNG 1

b- Các nhà máy thủy điện lớn nhất

Tổ hợp La Grande tại Quebec, Canada, là hệ thống nhà máy thủy điện

lớn nhất thế giới. Bốn tổ máy phát điện của tổ hợp này có tổng công suất

16.021 MW. Chì riêng nhà máy Robert Bourassa có công suất 5.616 MW. Tổ

máy thứ chín (Eastmain-1) hiện đang được xây dựng và sẽ cung cấp thêm 480

MW. Một dự án khác trên Sông Rupert, hiện đang trải qua quá trình đánh giá

môi trường, sẽ có thêm hai tổ máy với tổng công suất 888 MW.

Hình 1.26 Nhà máy phát điện Đập Aswan, Ai Cập

Itaipú Brasil/Paraguay 1984/1991/2003 14,000 MW 93.4 TW-hours

Guri Venezuela 1986 10,200 MW 46 TW-hours

Grand Coulee Hoa Kỳ 1942/1980 6,809 MW 22.6 TW-hours

Sayano

Shushenskaya

Nga 1983 6,721 MW 23.6 TW-hours

Robert-Bourassa Canada 1981 5,616 MW

Thác Churchill Canada 1971 5,429 MW 35 TW-hours

Yaciretá Argentina/Paraguay 1998 4,050 MW 19.1 TW-hours

Iron Gates Romania'Serbia 1970 2,280 MW 11.3 TW-hours

1 Aswan Ai Cập 1970 2,100 MW

Các nhà máy trên được xếp hạng theo công suất tối đa.

M ÁY PH Á T ĐIỆN PHÂN PHỐ I 151

Công nghệ CSP dùng năng lượng mặt trời để vận hành các động cơ

nhiệt. Với nhiệt độ nguồn lạnh là nhiệt độ môi trường thì muốn tăng hiệu

suất của động cơ, bắt buộc chúng ta phải tăng nhiệt độ nguồn nóng. Neu

không tập trung năng lượng thì năng lượng mặt trời chi được sử dụng dưới

dạng nhiệt.

Công nghệ CSP đã chứng minh những thành tựu lý thú: đĩa parabol

hội tụ năng lượng mặt trời để vận hành động cơ Stirling, máng dài và kính

phản chiếu để tập trung năng lượng, hệ thống gương hướng năng lượng mặt

trời vào tháp công suất.

4.3.1 Động Ctf Stirling vói đĩa thu năng lưọng

Đĩa thu năng lượng là những gương dạng parabol để hội tụ năng lượng

mặt ười vào bình tích nhiệt (thermal receiver), năng lượng nhiệt được chuyên

cho động cơ Stirling. Bình tích nhiệt có thể là những hàng ống mà bên ưong

chứa chât tải nhiệt như helium, hydro. Một phương pháp khác là sử dụng ông

nhiệt (heat pipe) để cấp nhiệt cho động cơ Stirling thông qua các quá trình

bôc hơi và ngưng tụ của lưu chât trung gian. Giải nhiệt cho nguôn lạnh của

động cơ bằng nước, nước lại được quạt gió giải nhiệt (giống như giải nhiệt

động cơ ô tô). Hệ thống này ít tiêu hao nước vì mạch nước kín.

Cũng có thể thiết kế hệ thống lai (hybrid) kết hợp: cấp năng lượng cho

động cơ bằng đốt nhiên liệu khi thiếu năng lượng mặt trời.

Với hiệu suất trung bình là 20%, hiệu suất đỉnh gần 30% thì động cơ

Stirling có hiệu suất cao hơn các công nghệ biến đổi năng lượng mặt trời khác.

Dọn» cơ 25 k\v DKti-Siirling

íruiij» chr;m S;ilt Hi\rT ơ IMnHrìii*

( ì . 1 .

Hình 4.8 Động cơ Stirling với đĩa thu năng lượng mặt trời

152 CHƯƠNG 4

Hình 4.8 là hệ thống thu năng lượng mặt trcri để chạy động cơ Stirling

công suất 25 kw với hiệu suất điện trên 20%. Hệ thống có 16 tấm gương

thép không rỉ đường kính 3,2 m với bề mặt phản xạ tốt. Nhiệt độ nguồn

nóng đến 725°c và hiệu suất của động cơ đạt 36%.

Động cơ Stirling cùng đĩa thu năng lượng có thể làm việc độc lập,

không cần nhiên liệu, không cần nguồn nước giải nhiệt. Đây là nguồn

phát điện lý tưởng ở sa mạc, không phát thải khí độc hại,với thời gian lắp

đặt ngắn, công suất nhỏ (khoảng 25 kW), thời gian hoàn vốn nhanh

(khoảng 1 năm).

4.3.2 M ángparabol

Năm 2003, trung tâm điện mặt trời công suất 354 MW kiểu máng

parabol được lắp đặt ở sa mạc Mojave, California được gọi là SEGS. SEGS

bao gồm 9 bộ máng gương parabol phản chiếu, tập trung năng lượng mặt

trời vào bộ thu năng lượng dạng ống đặt ở tiêu điểm của parabol. Bộ thu

năng lượng (HCE) là ống thép không ri nằm bên trong lớp kính, giữa 2 lớp

là chân không để hạn chế thất thoát nhiệt. Chất tải nhiệt tuần hoàn qua bộ

thu năng lượng để cung cấp nhiệt chạy turbine hơi nước sàn xuất điện. Hình

4.9 mô tả máng parabol thu năng lượng.

Hình 4.9 Hệ thống mángparabol thu năng lượng

Ke hoạch đầu tiên, SEGS I, công suất 13,4 MW được lắp năm 1985 và

khi kết thúc dự án, SEGS IX, sản xuất 80 MW vào năm 1991. SGES I được

thiết kế với bộ tích trữ năng lượng để có thể vận hành thêm vài giờ khi mặt

trời lặn. Chất trữ nhiệt là dầu khoáng rất dễ cháy. Năm 1999, hỏa hoạn đã

làm hư hỏng toàn bộ hệ thống. Sau ke hoạch SEGS, hệ thống không trang bị

M ÁY PH Á T ĐIỆN PHẨN PHỐ I 153

bộ trữ năng lượng mà dùng hệ thống lai (hybrid): nguồn nhiệt từ nhiên liệu

hóa thạch để chạy máy khi mặt trời lặn. Trong tương lai, hệ thống trữ năng

lượng sẽ được trang bị lại nhưng dùng muối nóng chảy làm chất tải nhiệt

thay cho dầu khoáng.

Hình 4.10 Thu năng lượng máng paraboỉ kết hợp với bộ trữ nâng lượng và

lò hơi (NREL web)

Hình 4.10 giới thiệu sơ đồ tổng quát của hệ thống dùng máng parabol.

Chất tải nhiệt được nung đến 400°c, chất tải nhiệt xuyên qua nhiều bộ trao

đôi nhiỌt lắp nôi tiếp để tạo hơi nước quá nhiệt ờ nhiệt độ cao câp cho

turbine. Hệ thống cũng có thể được trang bị bộ tích nhiệt hoặc nổi hơi dùng

nhiên liệu hóa thạch để vận hành khi thiếu năng lượng mặt trời.

Hệ thông turbine hơi nước tiêu thụ nhiều nước giải nhiệt, nhưng hệ

thông thu năng lượng mặt trời thường được lắp ờ sa mạc nên khó có nguôn

nước. Hình H. \ 1 hệ thống giải nhiệt được cài tiến dùng không khí, quạt và

tháp giải nhiệt.

134 CHƯƠNG 4

Cánh đổng

năng lượng mặt trời

T

Bánh rẵ n a ^ ^ r^ l^ Đ ộ n g cơ

Hình 4.11 Hệ thống dùng turbine hơi nước giải nhiệt bằng không khí

(NREL 2002)

4.3.3 Hệ thống thu năng lượng mặt trời trung tâm

Một phương pháp tập trung năng lượng mặt trời dựa trên kỹ thuật điều

khiển các tấm gương thu năng lượng bằng máy tính, gọi là gương định

hướng (heliostats) để tập trung năng lượng vào tháp trên cao (hình 4.12)

Hình 4.12 Nguyên lý thu năng lượng mặt trời trung tâm

MÁ Y PHÁ T ĐIỆN PHÂN PHỐ I 155

Tháp năng lượng bắt đầu được phát triển từ năm 1976 với việc lắp hệ

thống thử nghiệm ở bang New Mexico (Hoa Kỳ). Ngay lập tức, nhiều hệ

thông được thử nghiệm trên khắp thê giới. Hệ thông lớn nhât có chiêu cao

90 m, công suất 10 MW, gọi là Solar One ở California, nước được bơm lên

tháp để tạo hơi nước, hơi nước được đẫn xuống để cấp cho turbine. Hơi

nước cũng được đưa đến bình trữ năng lượng chứa dầu, đá và cát để tìm

kích thước bôn trữ và nhiệt độ thích họp cho hiệu suất cực đại.

Năm 1988, 1818 tấm gương của Solar One được sử dụng cho dự án

Solar Two. Người ta thay tải nhiệt nước của Solar One bằng muối nitrat

nóng chảy trong dự án Solar Two. Hai bình muối nóng chảy trữ năng lượng

thay cho bình chứa dầu và đá của Solar One (hình 4.13). Hệ thống muôi

nóng chảy đã mang lại thành công lớn. Nhiệt độ 565°c rất tốt cho turbine

hơi nước, tổn hao nhiệt chi 3%. Hệ thống đáp ứng công suất 10 MW trong 3

giờ sau khi mặt trời lặn.

Hình 4.13 Nguyên lý dùng muỗi nóng chảy trong hệ thống thu năng lượng

trung tâm

Sau Solar Two, Hoa Kỳ và Tây Ban Nha tiếp tục thử nghiệm hệ thống

lớn hơn, trữ năng lượng nhiều hơn. Kết quả tính toằn cho thấy muốn hiệu

qua kinh tê thì công suât hệ thống phải lớn hơn 100 MW với giá đâu tư

khoảng 1000 USD/kW.

4.3.4 So sánh các hệ thống thu năng lượng mặt tròi

Ba hệ thông thu năng lượng mặt trời được sử dụng nhiêu hiện nay:

động cơ Stirling với dĩa thu năng lượng, máng parabol và tập trung năng

lượng vào tháp. Thực chât của 3 phương pháp này là dùng gương đê tập

trung năng lượng vào bình tích nhiẹt (thermal receiver) nhằm tăng nhiệt độ

đủ đê vận hanh các máy nhiệt với hiệu suất chấp nhận được.