Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường I BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Biên Soạn: Lê Phương Trường Lưu Hành Nội Bộ Biên Hòa 1/10/2010 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường II PHẦN 1 NĂNG LƯỢNG GIÓ 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ………………………………… 2 1.1 Khái niệm 2 1.2 Lịch sử phát triển 3 1.3 Nguồn tài nguyên gió 4 1.3.1 Sự hình thành năng lượng gió 4 1.3.2 Bản chất của gió 5 1.4 Năng Lượng gió trên thế giới và Việt Nam 6 1.4.1 Thống kê tổng công suất năng lượng gió trên toàn thế giới 6 1.4.2 Năng lượng gió ở Châu Âu 11 1.5 Năng lượng gió ở Việt Nam Triển vọng và phát triển 14 1.5.1 Tình hình cung- cầu điện năng ở Việt Nam 14 1.5.2 Tiềm năng điện gió của Việt Nam 15 1.5.3 Phân bố năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam 17 Chương 2 TỐC ĐỘ GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG 24 2.1 Tốc độ gió và công suất 24 2.2 Vòng quét Rotor 25 2.3 Mật độ không khí 26 2.4 Hệ số mật độ không khí 27 Chương 3 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 32 3.1 Xác suất phân bố và mật độ năng lượng gió 32 3.1.1 Xác suất phân bố Rayleigh 33 3.1.2 Xác suất phân bố weibull 33 3.2 Mật độ năng lượng gió 36 3.3 Sự ảnh hưởng của chiều cao đặt rotor (hub height) đến tốc độ gió 38 3.3.1 Chuyển đổi tốc độ gió theo luật lũy thừa của công suất (power law profile) 39 3.3.2 Chuyển đổi tốc độ gió theo lôgaric (Logarithmic profile) 39 3.4 Tài nguyên gió tại Việt Nam 41 3.4.1 Quy luật và đặc điểm chung trong phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ Việt Nam 41 3.4.2 Phân bố tốc độ gió tại mặt đất trên lãnh thổ 42 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường III 3.4.3 Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại các độ cao 43 3.4.4 Đặc điểm phân bố của tiềm năng năng lượng gió theo mùa 45 3.5 Nguyên Lý hoạt động và cấu trúc của tuốc bin năng lượng gió……… …56 3.5.1 Nguyên Lý hoạt động 49 3.5.2 Cấu trúc tuốc bin gió 49 3.5.2.1 Cấu trúc tuốc bin gió có trục nằm ngang 49 3.5.2.2 Cấu trúc tuốc bin gió có trục dọc 51 3. 6 Cấu trúc của hệ thống năng lượng gió 52 3.6.1 Tháp đỡ 52 3.6.2 Tuốc bin 53 3.6.3 Cánh đón lấy gió 55 3.6.4 Điều khiển tốc độ 57 Phần 2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 63 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 64 1.1 Các khái niệm 64 1.2 Lịch sử phát triển của pin mặt trời 65 1.3 Năng lượng mặt trời trên thế giới 66 1.4 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 67 Chương 2 PIN MẶT TRỜI 70 2.1 Cấu tạo 71 2.2 Các công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời 72 2.2.1 Silic tinh thể (Crytalline silicon solar cell) 72 2.2.2 Pin màng mỏng (Thin-Film CIGS and CdTe Photovoltaic Technologies) 73 2.3 Nguyên lý hoạt động 74 2.3 Tấm và dãy năng lượng mặt trời 75 2.4 Đặc điểm của pin mặt trời 77 2.4.1 Mạch điện tương đương 77 2.4.2 Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch 79 Chương 3 BỨC XẠ MẶT TRỜI 82 3.1 Năng lượng từ mặt trời 82 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường IV 3.2 Một số khái niệm 84 3.3 Đo cường độ bức xạ mặt trời 87 Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 92 4.1 Lựa chọn sơ đồ cho hệ thống điện mặt trời 94 4.2 Tính toán hệ nguồn điện Pin mặt trời 94 4.2.1 Tính phụ tải theo yêu cầu 95 4.2.2 Tính toán năng lượng mặt trời cần thiết 97 4.2.3 Dung lượng của bộ acquy tính theo ampe-giờ, AH 98 Chương 5 HỆ THỐNG LAI 105 5.1 Khái niệm……………………………………………………………… 112 5.2 Các hệ thống lai thông dụng 106 5.2.1 Hệ thống lai năng lượng gió-mặt trời-ắc quy (Wind-PV-Battery hybrid system). ………………………………………………………………………… 106 5.2.2 Hệ thống lai năng lượng mặt trời – tế bào nhiên liệu (PV-fuel cell hybrid system) 107 Chương 6 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 111 6.1 Ứng dụng kết nối lưới 111 6.1.1 Nhà máy năng lượng mặt trời sử dụng pin năng lượng mặt trời 111 6.1.2. Nhà máy điện mặt trời sử dụng nhiệt độ cao 112 6.2 Ứng dụng không kết nối lưới 115 6.2.1 Các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập 115 6.2.1.1 Lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời ở arcata, California (Energy group get solarized) 115 6.2.1.2 Một hệ thống năng lượng dùng cho một hộ gia đình nông thôn điển hình ở anh 118 6.2.2 Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 121 6.2.2.1 Máy bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời 121 6.2.2.2 Xe năng lượng mặt trời 121 Phần 3 CÁC LOẠI NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHÁC 127 Chương 1 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI 128 1.1 Sinh khối và năng lượng sinh khối 128 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường V 1.2Các công nghệ biến đổi sinh khối 129 1.2.1Các công nghệ nhiệt hóa 130 1.2.2 Công nghệ biến đổi sinh hóa 134 Chương 2 NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT 141 2.1 Nguồn năng lượng địa nhiệt 141 2.2 Các phát triển kỹ thuật 145 Chương 3 NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG 148 3.1 Năng lượng thủy triều 148 3.2 Năng lượng nhiệt đại dương 153 3.3 Năng lượng sóng biển 156 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường 1 Phần1 NĂNG LƯỢNG GIÓ Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong phần này sinh viên nắm được  Định nghĩa năng lượng gió  Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam  Đặc điểm tính chất của gió  Cấu trúc của một hệ thống gió  Tính toán công suất của hệ thống năng lượng gió  Tính toán sự phân bố năng lượng gió Số tiết lên lớp 12 tiết Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Tổng quan về năng lượng gió 4 2 Tốc độ gió và năng lượng 4 3 Hệ thống năng lượng gió 4 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ Mục đích và yêu cầu Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được  Các khái niệm  Lịch sử phát triển  Tình hình năng lượng gió trên thế giới  Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam Số tiết lên lớp 2 tiết Bảng phân chia thời lượng STT NỘI DUNG SỐ TIẾT 1 Khái niệm, lịch sử phát triển 1 2 Năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam 3 Trọng tâm của bài giảng - Nêu các khái niệm về năng lượng gió - Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam 1.1 Khái niệm (xem [2] trang 9) Nguồn Năng lượng gió là sự biến đổi năng lượng của gió thành một loại năng lượng hữu dụng như là điện năng sử dụng tuốc bin gió, nguồn năng lượng được sản xuất từ tuốc bin gió là nguồn năng lượng xanh, sạch không gây ô nhiễm môi trường không gây hiệu ứng nhà kính. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường 3 Câu hỏi hiểu bài: 1. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao năng lượng gió được xem là một loại năng lượng sạch? 2. Anh (Chị) hãy cho biết năng lượng gió được sản xuất từ thiết bị gì? 3. Anh (Chị) hãy cho biết năng lượng gió hình thành như thế nào? 1.2 Lịch sử phát triển (Xem [3] trang 11) Năng lượng gió được con người sử dụng cách đây 5000 năm. Nó đã được người Hy lạp cổ đại ứng dụng để chạy các thuyền buồm trên dòng sông Nile. Sau đó người Châu Âu đã ứng dụng năng lượng gió trong các lĩnh vực giao thông vận tải và các mục đích khác.Vào những năm 1700 và 1800 nó được ứng dụng để xay ngũ cốc, máy bơm nước… Tuốc bin gió đầu tiên được lắp đặt để tạo ra điện sử dụng cho những vùng nông thôn ở Mỹ vào năm 1890 sau đó liên tiếp các thử nghiệm nối lưới các hệ thống tuốc bin gió được lắp đặt. Một thử nghiệm lắp đặt tuốc bin gió có công suất 2MW được lắp đặt tại Howard Knob năm 1979, tuốc bin gió 3MW được lắp đặt tại scốt len vào năm 1988. Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu về cung cấp điện cũng như các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Những tuốc bin gió lớn được lắp đặt ngày càng nhiều, nó mang lại những lợi ích về kinh tế và môi trường to lớn. Dung lượng trung bình của các tuốc bin gió vào khoảng 300 kW cho đến những năm 1990. Những tuốc bin gió mới được lắp đặt từ những năm 1990 đến nay nằm trong phạm vi 1MW đến 3MW. Những tuốc bin gió có công suất 5MW đang được lắp đặt tại một số quốc gia. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường 4 Câu hỏi hiểu bài 4.Anh (Chị) hãy cho biết con người ứng dụng năng lượng gió đầu tiên để làm gì ? 5.Anh(Chị) hãy cho biết trước khi con người biết sử dụng năng lượng gió để phát điện. Con người đã ứng dụng năng lượng gió để làm gì? 6.Anh(Chị) hãy cho biết trước thập niên 90 công suất trung bình của các tuốc bin gió là bao nhiêu ? 7.Ngày nay công suất lớn nhất của các tuốc bin gió là bao nhiêu ? 8.Anh (Chị) hãy cho biết tại sao các nhà khoa học tập trung nghiên cứu năng lượng gió ngày càng nhiều ? 1.3 Nguồn tài nguyên gió (xem [2] trang 22) 1.3.1 Sự hình thành năng lượng gió Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của trái đất, mặt ban đêm bị che khuất không nhận được bức xạ mặt trời và thêm vào đó bức xạ mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khàc nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và hai cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của trái đất di chuyển tạo thành gió. Trái đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của trái đất nghiêng đi (so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất tạo thành khi quay quanh mặt trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa. Do bị ảnh hưởng bởi 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 cơn 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 đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường 5 Ngoài các yếu tố tính toán trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn 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 nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. Câu hỏi hiểu bài 9. Anh (Chị) hãy cho biết các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành nên năng lượng gió? 10. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao chúng ta cần phải nghiên cứu sự hình thành năng lương gió? 11. Anh (Chị) hãy cho biết tại sao nói năng lượng gió được hình thành từ năng lượng mặt trời? 12. Anh (Chị) hãy cho biết nếu như không có bức xạ mặt trời thì sự hình thành năng lượng gió sẽ như thế nào? 1.3.2 Bản chất của gió Năng lượng có sẵn trong gió khác nhau tùy thuộc vào lập phương của tốc độ gió, do đó sự hiểu biết về đặc tính của tài nguyên gió là rất quan trọng cho tất cả các khía cạnh của khai thác năng lượng gió, từ việc xác định những địa điểm phù hợp và dự đoán khả năng kinh tế của các dự án trang trại năng lượng gió cho tới việc thiết kế các tuốc bin gió và sự hiểu biết về hiệu quả của năng lượng gió trên các mạng phân phối điện. Từ đặc điểm của năng lượng gió đặc tính nổi bật nhất của nguồn tài nguyên gió là sự biến thiên của nó. Gió có sự biến động về mặt địa lý và tính chất tạm thời của nó. Hơn nữa sự biến đổi này có quy mô ảnh hưởng trên phạm vi rộng cả về không gian và thời gian. Tầm quan trọng của điều này là mối quan hệ lập phương của tốc độ gió với hệ năng lượng có sẵn. [...]... nguồn năng lượng khác 11 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường - Hình 1.3Tổng công suất năng lượng gió được lắp đặt ở châu âu đến cuối năm 2008 12 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường - Bảng 1.3 Bảng báo cáo chi tiết tổng dung lượng năng. .. Phân bố năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam Để đánh giá tài nguyên năng lượng gió, đã nghiên cứu sự phân bố tổng năng lượng gió cả năm và hai mùa (nóng, lạnh) trên toàn lãnh thổ tại các mức độ cao đã nêu 17 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường - a Tiềm năng năng lượng gió tại mặt đất Ở mặt đất, tiềm năng năng lượng. .. Phương Trường - tiết tổng dung lượng năng lượng gió được lắp đặt từ năm 2007 đến năm 2008 trên toàn cầu theo từng châu lục: Bảng 1.1 Tổng dung lượng năng lượng gió trên toàn thế giới được lắp đặt từ năm 2007 đến hết năm 2008 7 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường ... lượng năng lượng gió được lắp đặt của các nước Châu Âu từ cuối năm 2007 đến cuối năm 2008 13 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường - Nguồn EWEA [4] Hình 1.4 Tổng công suất các nguồn năng lượng mới được lắp đặt ở Châu Âu 1.5 Năng lượng gió ở Việt Nam Triển vọng và phát triển (xem [1]) 1.5.1 Tình hình cung- cầu điện năng ở... tổng dung lượng năng lượng gió được lắp đặt ở Châu âu là 65,933 MW trên tổng số 120,791 MW chiếm 54.58% tổng năng lượng gió được lắp đặt trên toàn thế giới Theo bảng báo cáo của EWEA thì tổng công suất năng lượng gió được lắp đặt mới ở Châu Âu là 8,846 MW chiếm 36% tổng công suất các nguồn năng lượng mới được lắp đặt tại Châu Âu ( hình 1.4) Bảng báo cáo cho thấy tiềm năng phát triển nguồn năng lượng gió... sâu trong đất liền Tại nhiều vị trí ven biển, tổng năng lượng năm tới hơn 1500Kwh/m2 Trên các hải đảo phía Đông lãnh thổ, tổng năng lượng năm khoảng 900 ÷ 1000Kwh/m2 ở gần bờ, tăng lên khi xa bờ, tại Trường Sa là xấp xỉ 5000Kwh/m2 và hơn 7000Kwh/m2 Trên các đảo phía Nam lãnh thổ, tổng năng lượng năm chỉ 800 ÷ 1200Kwh/m2 22 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường ... dung lượng gió tích lũy trên toàn cầu từ 1990 đến 2007 (MW) Chú thích Rest of the world: Phần còn lại của thế giới EU: Châu Âu Hình 1.2 Dung lượng nănglượng gió hàng năm từ 1991 đến 2007(MW) Chú thích Rest of the world: Phần còn lại của thế giới EU: Châu Âu 10 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường - Câu hỏi hiểu bài: ... triển kinh tế của đất nước 1.5.2 Tiềm năng điện gió của Việt Nam Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng biển đông VIệt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa 15 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường ... ưu điểm gì? 1.4 Năng Lượng gió trên thế giới và Việt Nam (xem [4]) 1.4.1 Thống kê tổng công suất năng lượng gió trên toàn thế giới Theo thống kê của WEC (Global wind energy council) kết thúc năm 2008 tổng công suất sản xuất được của các tuốc bin gió trên toàn cầu là 120,791 gigawats (Gw) chiếm 1.5% dung lượng điện sản xuất được của thế giới Bảng 1.1 mô tả chi 6 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn... Tiềm năng năng lượng gió tại các độ cao 18 Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường - Mức độ tăng của tốc độ gió, do đó mức độ tăng của năng lượng gió theo độ cao phụ thuộc vào độ gồ ghề mặt đệm Độ gồ ghề mặt đệm càng lớn hay địa điểm càng bị che chắn nhiều thì độ tăng của năng lượng gió theo độ cao càng lớn Căn cứ trên . Bài Giảng Năng Lượng Tái Tạo Biên soạn : Lê Phương Trường I BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Biên. sử dụng năng lượng mặt trời 121 6.2.2.1 Máy bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời 121 6.2.2.2 Xe năng lượng mặt trời 121 Phần 3 CÁC LOẠI NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHÁC 127 Chương 1 NĂNG LƯỢNG SINH. năng năng lượng gió tại Việt Nam 3 Trọng tâm của bài giảng - Nêu các khái niệm về năng lượng gió - Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam 1.1 Khái niệm (xem [2] trang 9) Nguồn Năng lượng