Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài “Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin Năng Lượng Mặt Trời” là đề tài tìm hiểu và tính toán một ứng dụng thực tế về việc sử dụng năng lượng Mặt Trời cho các nhu cầu về sinh hoạt và sản xuất của con người. Đề tài sẽ giúp cho những người muốn tìm hiểu và mới tìm hiểu về nhu cầu sử dụng Năng Lượng Mặt Trời, để đưa nguồn năng lương mới phát triển rộng rãi và giúp một phần vào việc giải quyết bài toán năng lượng hiện nay.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ---------------------- NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành : 60 52 02 02 TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ---------------------- NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành : 60 52 02 02 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.TRƯƠNG VIỆT ANH TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG NGHỆ TP.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH Luận văn Thạc sĩ đư ợc bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM ngày tháng năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ g ồm : Stt Họ và tên Chức danh hội đồng 1 2 3 4 5 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn được sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Khoa quản lý chuyên ngành
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc TP.HCM, ngày ... tháng ... năm 2015 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Nguyễn Gia Hoàng Đăng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01 – 01 – 1986 Nơi sinh: Tỉnh Long an Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 134 183 000 2 I-TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nghiên cứu hệ thống pin năng lượng mặt trời. - Mô hình ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời. III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18 – 08 – 2014 IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21 – 03 - 2015 V-CÁN BÔ HƯỚNG DẨN : PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH CÁN BỘ HƯỚNG DẨN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đư ợc ghi rõ nguồn góc. Học viên thực hiện Luận văn Nguyễn Gia Hoàng Đăng
ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM. Xin chân thành cảm ơn tập thể quý Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt trí thức giúp em học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM. Tôi chân thành cảm ơn thầy hướng dẩn PGS.TS. Trương Việt Anh đã nhiệt tình hư ớng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm để em thực hiện luận văn này. Với sự nhiệt tình hướng dẫn của Quý Thầy đã làm động lực cho em có tinh thần cố gắng, nỗ lực trong tìm tòi, nghiêng cứu để hoàn thành Luận văn này. Em cũng xin lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM, Phòng Quản lý Khoa học và Đào tạo Sau Đại học đã h ổ trợ và giúp đỡ em trong quá trình học tập. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, b ạn bè đã đ ộng viên, giúp đỡ và tạo cho em niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn ! Tp.Hồ Chí Minh, ngày....tháng....năm 2015 Người thực hiện Nguyễn Gia Hoàng Đăng
iii TÓM TẮT Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của con người, trong đó nhu cầu sử dụng điện năng trong sinh hoạt và sản xuất là không thể thiếu đối với con người. Nhưng hiện nay việc sản xuất năng lượng điện vẫn chưa thể đáp ứng cho tất cả mọi người vì nhiều lý do khác nhau như: nhu cầu sử dụng năng lượng điện quá lớn hoặc những vùng sâu vùng xa chưa thể đưa nguồn điện đến được .v.v. Việc nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên để tạo ra nguồn điện là thật sự cần thiết để đáp ứng các nhu cầu sử dụng, các nguồn năng lượng tự nhiên như: năng lượng gió, nhiệt điện, năng lượng mặt trời,… là các nguồn năng lượng có thể đáp ứng được các nhu cầu đó. Đề tài “Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin Năng Lượng Mặt Trời” là một phần trong việc sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên đó vào trong sản xuất. Đề tài “Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin Năng Lượng Mặt Trời” là đề tài tìm hiểu và tính toán một ứng dụng thực tế về việc sử dụng năng lượng Mặt Trời cho các nhu cầu về sinh hoạt và sản xuất của con người. Đề tài sẽ giúp cho những người muốn tìm hiểu và mới tìm hiểu về nhu cầu sử dụng Năng Lượng Mặt Trời, để đưa nguồn năng lương mới phát triển rộng rãi và giúp một phần vào việc giải quyết bài toán năng lượng hiện nay.
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii TÓM TẮT ................................................................................................................. iii MỤC LỤC ..................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................vii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH ............................................ viii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................1 1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................1 1.1.1. Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11]................1 1.1.2. Năng lượng tái tạo..................................................................................5 1.1.3. Năng lượng mặt trời ...............................................................................7 1.1.4. Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời ...............................12 1.2 Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện .........................................................13 1.3 Định hướng của đề tài .............................................................................14 1.4 Nhiệm vụ của đề tài..................................................................................14 1.5 Kết quả mong muốn ................................................................................15 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI .....................................................................................................16 2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời ........................................................16 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời ..................................19 2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời .............................................................................20 2.3 Hệ thống pin mặt trời ...............................................................................26 2.3.1 Hệ thống pin mặt trời thường sử dụng hiện nay ...................................26 2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới.....................................................................27 2.4 Ứng dụng của pin mặt trời. [2].................................................................30 CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ MẠCH TĂNG ÁP...................................................................................................................34 3.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại. [8]................................................34 3.2 Các phương pháp dò công su ất cực đại- MPPT.......................................35
v 3.4 Tính toán và thi công mạch DC/DC converter.........................................39 3.4.1 Cơ sở tính toán ......................................................................................39 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶ T TRỜI .....................................................................................45 4.1 Xây dựng mô hình bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời....................45 4.1.1 Thiết kế mô hình bơm nư ớc sử dụng năng lượng mặt trời ...................45 4.1.1.1 Yêu cầu mô hình ................................................................................45 4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển.....................................45 4.1.2 Thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại ...................................46 4.1.2.1 Vật tư thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại.......................46 4.1.2.2 Yêu cầu của mô hình..........................................................................46 4.1.2.3 Kết quả thi công mạch........................................................................47 4.1.3 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính toán trên cơ sở lý thuyết ...........47 4.1.3.1 Cấu tạo máy bơm ly tâm [10].............................................................47 4.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm ................................................48 4.1.3.3 Các đặc điểm của bơm ly tâm.[4].[10].[11]. ......................................49 4.1.4 Nguồn lưu trữ năng lượng acquy ..........................................................54 4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống ...............................................................................55 4.1.6 Kết quả thi công mô hình và giá trị khảo sát thực tế.............................56 4.1.7 Kết quả nghiên cứu đạt được và đánh giá kết quả ................................58 4.2 Bài toán thực tế ........................................................................................58 4.2.1 Tính toán công suất máy bơm ...............................................................59 4.2.2 Tính toán chọn công suất pin mặt trời...................................................60 4.2.3 Tính kích cỡ tấm pin mặt trời [10] ........................................................60 4.2.4 Tính solar charge controller [10] ........................................................61 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ...................63 5.1. Kết luận của đề tài...................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64
vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PV : PhotoVotaic : Pin quang điện (pin mặt trời) PPT (Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó công suất thu được cực đại MPPT : Maximum Power Point Tracking : Dò tìm điểm cực đại DC (Direct current) : Điện một chiều AM (Air Mass ratio) : Tỷ số khối khí Phổ bức xạ DSC (dye-Sensitized solar Cell): chất màu (một loại Pin mặt trời giá rẻ) NLTT : Năng Lượng Tái Tạo. NLMT : Năng Lượng Mặt Trời
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch ..............................................1 Bảng 1.2 Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (đơn vị: triệu tấn dầu) ............2 Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn) ...............................4 Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn) ..............................4 Bảng 1.5 Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010 .........................................6
viii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035 ...................3 Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam ........................................................4 Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam ..................................................................5 Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT: GW).............................................................................................................................7 Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất .....................................8 Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời ..................................9 Hình 1.7 Công nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol ...........................10 Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời ................................................................................11 Hình 1.9 Tổng công suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005 -2010 ......11 Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời .................................13 Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11]. ..............................................................................16 Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ .[7]. .............................................................................17 Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời......................................................................................18 Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2]. ..........................................................................19 Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6]. ...................................................................20 Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời. [11]. ......................................20 Hình 2.6 Mộ t số loại panel pin Mặt Trời. [10].[11]. .................................................22 Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6] ..................................................23 Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời ......................................................23 Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 .[6].[7]. ...............................24 Hình 2.10 Các vùng năng lượng .[6]. ........................................................................24 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện ....................................25 Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .[6]. ..............................................26 Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời độc lập. [7]. .......................................27 Hình 2.14 Pin nhạy cảm với chất màu DSC .............................................................29 Hình 2.15 Pin Mặt Trời dạng keo nước.[11]. ............................................................29 Hình 2.16 Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời .[7]. ..................................................................................31 Hình 2.17 Nhà máy điện mặt trời.[7]. .......................................................................31 Hình 2.18 Trạm vũ trụ ISS . [11]. .............................................................................33
ix Hình 2.19 Pin mặt trời được ứng dụng trong nông nghiệp và trong các hộ gia đình [11]. ...........................................................................................................................33 Hình 3.1 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất cực đại khi nhiệt độ của pin ở 25 C .........................................................................34 Hình 3.2 Đặc tính I -V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất cực đại khi nhiệt độ của pin ở 50 C .........................................................................35 Hình 3.3 Phương pháp dò công suất cực đại của thuật toán P&O. [8]. ....................36 Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán P&O .......................................................36 Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần. [8]. .........37 Hình 3.6 Sơ đồ mạch Boost ......................................................................................39 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost .....................................................................40 Hình 3.8 Mạch điệ n khi đóng S ................................................................................40 Hình 3.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây khi dóng S .......................41 Hình 3.10 Mạch điện khi S mở .................................................................................41 Hình 3.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi S mở ...............................................42 Hình 3.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L. [8]. ............................43 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển .............................................46 Hình 4.2 Bo mạch tăng áp và dò điểm MPPT được hoàn thành ...............................47 Hình 4.3 Màn hình LCD hiển thị các giá trị cần theo dõi .........................................47 Hình 4.4 Động cơ bơm nước.[11]. ............................................................................49 Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm. [11] ...................................................................50 Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm. [4]. .......................................50 Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4] ................................................................51 Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4] ...................................53 Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thốn g ....................................................................................55 Hình 4.9 Mô hình sau khi thi công hoàn thành .........................................................56 Hình 4.10 Mô hình tấm pin mặt trời .........................................................................56 Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nước .........................................56 Hình 4.12 Đài phun nước [11] ..................................................................................57 Hình 4.13 Thiết lập phần mềm Hyper Terminal .......................................................57 Hình 4.14 Kết quả khảo sát ngõ ra thu được .............................................................58
1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Ngày nay, nhu cầu năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng. Trong khi đó, các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và thậm chí là thủy điện đều có giới hạn, điều đó làm cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và sử dụng các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời… là hướng đi quan trọng trong phát triển năng lượng. 1.1.1. Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11] Theo thống kê mức độ tiêu thụ năng lượng của con người trên hành tinh trong năm 2004 là khoảng 15 terawatt (TW), bao gồm tất cả mọi thứ. Hầu hết năng lượng này (87%) bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch. Sự phát triển liên tục trong quá trình công nghiệp hóa- hiện đại hóa ở các nước đang phát triển, sự phát triển dân số và tăng phúc lợi của con người nói chung sẽ làm tăng nhu cầu năng lượng của con người tăng mạnh trong tương lai. Đến năm 2050, dự báo mức tiêu thụ năng lượng của con người là 28 - 35 TW, đó là một thách thức lớn đối với chúng ta hiện nay khi các nguồn năng lượng có sẵn không thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại. Bảng 1.1 Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch Năng lượng Dầu thô Khí tự nhiên Than đá (Mt) Uranium (Kt) (Mt) (Gm3) Thế giới Trữ lượng 159 644 176 462 847 488 3 297 (*) Khai thác 3 898 2 834 5 901 42 Số năm khai thác 41 62 144 79 Việt Nam còn lại Trữ lượng 413 365 150 5 (*) Khai thác 19 4 35 ? Số năm khai thác 22 91 4 ? (*) Với giá thị trường 130 USD/kg còn lại Tại diễn đàn chính sách an ninh năng lượng Châu Á – Thái Bình Dương (ASEM) lần thứ nhất được tổ chức tại Việt Nam tháng 4 năm 2008 với sự tham gia của 45 nước thành viên của ASEM. Vấn đề nóng bỏng được các đại biểu đặt ra đó là: “ làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người
2 trong thời gian tới”. Hiện nay, sự giới hạn của nguồn năng lượng tỷ lệ nghịch với nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của các khu vực và trên thế giới. Vấn đề an ninh năng lượng của Thế gới đang trở nên bức bách hơn bao giờ hết.việc sử dụng năng lượng hiện nay đang tập trung ở nguồn năng lượng hóa thạch Theo dự báo của Cơ quan năng lượng quốc tế, lượng năng lượng tiêu thụ trên thế giới vẫn tăng đều đặn, trong đó nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm ưu thế cho đến năm 2030. Bảng 1.2 Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (đơn vị: triệu tấn dầu) Nhu cầu năng lượng của từng nước, từng khu vực cũng không giống nhau. Sự tăng trưởng về nhu cầu năng lượng tập trung vào các nước đang phát triển. Dự kiến ở các nước này nhu cầu năng lượng sẽ đạt 50% nhu cầu năng lượng của thế giới vào năm 2030. Các dạng năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ, khí đốt v.v…đang ngày càng cạn kiệt. Nhiều nước trong khu vực ASEM có nguồn dầu khí, trong đó Brunei, Inđônêsia thuộc nhóm các nước xuất khẩu dầu. Nhưng với nhu cầu năng lượng của khu vực như hiện nay sẽ dẫn đến nguy cơ phải chịu sự phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng. Theo nghiên cứu dự báo của giám đốc Trung tâm năng lượng ASEM, mức độ phụ thuộc này có thể đạt khoảng 49% đến 58%.
3 Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035 Ở Việt Nam là một nước hiện đang xuất khẩu than. Theo Tập đoàn Công nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam – VINACOMIN, trữ lượng than Việt Nam rất lớn: Quảng Ninh khoảng 10,5 tỷ tấn trong đó đã tìm kiếm thăm dò 3,5 tỉ tấn, chủ yếu là than antraxit. Đồng bằng sông Hồng dự báo tổng trữ lượng 210 tỉ tấn than Abitum, các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn và riêng than bùn phân bố hầu hết ở 3 miền khoảng 7 tỉ m3, chủ yếu tập trung ở miền Nam Việt Nam. Tuy nhiên việc khai thác và xuất khẩu của chúng ta chưa có chiến lược hợp lý, chưa đảm bảo tính bền vững. Theo chiến lược phát triển ngành điện, xi măng, phân bón, hóa chất… đến năm 2015 khả năng tiêu thụ than trong nước có thể vượt hơn 90 triệu tấn. Điều đó cảnh báo cho biết, nếu chúng ta không có chiến lược khai thác than hợp lí thì trong tương lai, chúng ta sẽ là một nước nhập khẩu than hoặc phải đóng cửa một số nhà máy.
4 Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn) Tổng trữ Trữ lượng khai Trữ lượng khai Trữ lượng khai lượng thác lộ thiên thác lò bằng thác giếng đứng Trữ lượng đã 3.523.640 215.476 470.356 2.837.808 thăm dò Trữ lượng mỏ 1.422.362 192.442 150.793 1.079.127 đang khai thác Trữ lượng các mỏ chuẩn bị khai 333.536 12.410 113.746 207.407 thác Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn) 2003 2004 2005 2006 2007 Sản lượng 18.409 28.109 35.710 41.776 49.141 Tiêu thụ 11.464 16.424 15.995 17.336 16.995 Nhập khẩu 0 0 111 326 493 Xuất khẩu 6.945 11.685 19.827 24.767 32.638 Theo số liệu từ Viện Năng lượng (Bộ Công nghiệp), nếu không có đột biến lớn về khả năng khai thác từ sau năm 2010 thì nguồn tài nguyên trong nước sẽ không còn đáp ứng được nhu cầu năng lượng. Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam Việc khai thác nguồn năng lượng hóa thạch này làm cho chúng ngày càng bị kạn kiệt và tác động rất lớn đến môi trường, như ô nhiễm môi trường, rừng bị tàn phá đất bị xói mòn, tăng hiệu ứng nhà kính, băng tan, biến đổi khí hậu .v.v. Theo
5 nghiên cứu thống kê của các tổ chức năng lượng, lượng khí CO2 thải bình quân trên đầu người ở các nước công nghiệp như Mỹ là 21tấn/năm (năm 1990), Singapore là 10 tấn/năm, Việt Nam là 0,8 tấn/năm (năm 2003). Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam Trước tình hình nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, nhu cầu sử dụng ngày càng tăng và các vấn đề về môi trường đang là vấn đề thách thức đối với toàn cầu. Điều đó đã dẫn đến việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và năng lượng tái tạo là một sự lựa chọn tối ưu. 1.1.2. Năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo là các loại năng lượng có từ các nguồn năng lượng không bị cạn kiệt khi sử dụng hay không cần phải tái tạo trong thời gian ngắn. Đó là các nguồn năng lượng có tiềm năng lâu dài như: thủy điện, gió, bức xạ mặt trời, địa nhiệt, thủy triều. Một loại năng lượng tái tạo khác có được từ các khối lượng tĩnh (khác với năng lượng động) như khí sinh học (biogas), ethanol sinh học, gỗ và sinh khối. Sinh khối có được từ nguyên vật liệu hữu cơ tiếp tục sinh sôi theo thời gian bằng hiệu ứng quang hợp như cây cối (rơm, trấu, lá cây...) và cả các vật liệu hữu cơ bắt nguồn từ đấy như thú vật, vi sinh… Việc sử dụng năng lượng tái tạo mang lại nhiều ưu điểm tich cực về mặt môi trường. Tuy nhiên việc lựa chọn sử dụng và phát triển mô hình năng lượng nào thì phụ thuộc vào từng quốc gia, một số quốc gia tìm đến nguồn năng lượng nguyên tử, một số nước tìm đến nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời, gió, nước, thủy
6 triều, năng lượng địa nhiệt, sinh khối vv…Việc lựa chọn tùy thuộc vào điều kiện địa lý, nhu cầu và chính sách năng lượng của quốc gia đó. Mặc dù thế giới đang trải qua giai đoạn khủng hoảng kinh tế nặng nề nhưng thị trường năng lượng tái tạo vẫn phát triển mạnh mẽ, liên tục trong những năm qua. Đây cũng là m ột xu hướng tất yếu mang tính toàn cầu để giải quyết vấn đề năng lượng và bảo vệ môi trường trong thế kỷ 21. Trong giai đoạn 2005 - 2010, tổng công suất NLTT gồm điện mặt trời, điện gió, nhiệt điện, nước nóng NLMT và nhiên liệu sinh học…tăng với tốc độ trung bình từ khoảng 15% đến gần 50% hàng năm. Đặc biệt điện mặt trời đã tăng v ới tốc độ nhanh nhất trong giai đoạn trên. Tiếp theo là nhiên liệu sinh học và điện gió. Thủy điện nhỏ, điện và nhiệt sinh khối (SK), điện và địa nhiệt tăng với tốc độ trung bình trong khoảng 3 -9%/ năm. Năm 2009, NLTT đã cung cấp trên 16% tổng tiêu thụ NL cuối cùng trên thế giới. Nói riêng về thị trường điện NLTT trong năm 2010, tổng công suất phát điện NLTT được xây dựng mới trên thế giới là 194 GW, chiếm khoảng 50% tổng công suất phát điện được xây dựng thêm trong năm. Tỷ lệ điện năng sản xuất từ các nguồn sơ cấp khác nhau được cho trong Bảng 1.5. Bảng 1.5 Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010 TT Nguồn sơ cấp Tỷ lệ (%) 1 Nhiên liệu hóa thạch 67,6 2 Nhiên liệu hạt nhân 13,0 3 Năng lượng tái tạo 19,4 Trong đó: Thủy điện nhỏ 16,1 và NLTT khác 3,3% Tổng công suất phát điện NLTT trên thế giới đến năm 2010 là 4.950 GW, chiếm khoảng 25% tổng công suất phát điện và cung cấp gần 20% điện năng trên toàn cầu, trong đó thủy điện nhỏ chiếm một tỷ lệ rất lớn (16,1%, Bảng 1.5). Nếu không kể thủy điện nhỏ thì tổng công suất phát điện NLTT là 312 GW, tăng 25% so với 2009 (250 GW), trong đó phát điện NL gió tăng nhanh nhất, với công suất lắp thêm năm 2010 là 39 GW, tiếp theo điện mặt trời tăng 17 GW. Các nước dẫn đầu về công suất phát điện NLTT đến cuối năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) là Trung Quốc, Mỹ, Canada, Brazin, Ấn độ và Đức (Hình 1.4).
7 Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT: GW) Phát điện năng lượng tái tạo (NLTT) có vai trò rất quan trọng ở khu vực châu Âu (EU). Năm 2010, công suất NLTT được xây dựng thêm là 22,6 GW, chiếm khoảng 41% tổng công suất phát điện xây dựng mới. Đặc biệt với cường độ bức xạ mặt trời không cao và giá đầu tư còn cao nhưng đi ện mặt trời đã phát tri ển rất mạnh, chiếm hơn 50% tổng công suất NLTT lắp thêm năm 2010. Như vậy có thể thấy trong lĩnh vực NLTT công nghệ phát triển nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo đó là năng lượng mặt trời. 1.1.3. Năng lượng mặt trời Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, trong 10 phút truyền xạ, Trái Đất nhận một năng lượng khoảng 5x1020 J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương với lượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm. Trong 36 giờ truyền xạ, mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất. Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận. Hơn nữa, nó không phát sinh các loại khí nhà kính và khí gây ô nhiễm môi trường.