Nghiên cứu và chế tạo hệ thiết bị phát điện thông minh từ các nguồn năng lượng mới và tái tạo

Theo tính toán của các nhà khoa học, với tốc độ sử dụng năng lượng như hiện nay, nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm tới. Việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang là bài toán cấp bách của toàn nhân loại. Việt Nam đặt mục tiêu đến năm 2020 cơ bản trở thành một nước công nghiệp, trong đó kinh tế biển chiếm trên 50% GDP.  Nhu cầu về năng lượng đáp ứng nền kinh tế, đặc biệt kinh tế biển, là cực kỳ quan trọng. Do vậy, phát triển các hệ thiết bị phát điện từ các nguồn năng lượng mới và tái tạo  là lựa chọn khả thi cho bài toán thiếu hụt năng lượng,  góp phần đảm bảo an ninh quốc phòng tại các vùng sâu, vùng biển và hải đảo, nơi điện lưới quốc gia không thể vươn tới. Hơn nữa, nguồn năng lượng tái tạo luôn thân thiện với môi trường, không gây ra hiệu ứng nhà kính cũng như ảnh hưởng đến môi trường như các nguồn năng lượng truyền thống đang sử dụng.

Trên thế giới cũng như tại Việt Nam nhiều công trình nghiên cứu, chế tạo công nghệ phát điện từ các nguồn năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào đời sống xã hội. Theo các số liệu tổng hợp, hiện nay Việt Nam đã sản xuất được khoảng 2,5MW điện từ năng lượng mặt trời; về năng lượng gió đã sản xuất được khoảng 46 MW, chủ yếu từ điện gió tại Bạc Liêu và Bình Thuận. Công ty Cơ khí Quang Trung hiện nay đang chế tạo thiết bị phát điện sóng biển ven bờ. Đặc biệt năm 2006 tại Cù Lao Chàm, Viện Cơ học đã xây dựng trạm phát điện từ năng lượng gió công suất 1500W cung cấp điện năng cho đảo, và về năng lượng sóng biển, cuối năm 2011 Viện đã chế tạo thử nghiệm thiết bị phát điện từ sóng biển đặt tại đảo Hòn Dấu-Hải Phòng, bước đầu hiệu quả hoạt động còn chưa cao.  Ngoài ra, Viện  đang nghiên cứu chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị phát điện trực tiếp từ sóng biển công suất nhỏ, thiết bị hoạt động theo phương thẳng đứng, nhằm mục đích sử dụng ngoài khơi xa để cấp điện cho các đảo xa và nhà dàn DKI, góp phần cung cấp điện năng cho các hộ dân ngoài đảo xa và đảm bảo an ninh quốc phòng - chủ quyền biển đảo của Tổ quốc.

Đối với các nguồn phát điện độc lập từ năng lượng mặt trời, gió và sóng biển, vấn đề khó khăn là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, nên cần tổ hợp các nguồn phát điện độc lập, nhằm tạo ra một hệ thống thiết bị phát điện đảm bảo nguồn điện cấp ra được ổn định. Sau một thời gian nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm, Viện Cơ học đã chế tạo thành công hệ thiết bị phát điện thông minh từ các nguồn năng lượng mới và tái tạo. Đây là sản phẩm thuộc đề tài nghiên cứu và phát triển công nghệ VAST 02.04/11-12 “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu hệ thống phát điện bằng năng lượng tái sinh đa năng” (Đề tài được thực hiện trong hai năm 2011-2012 và được nghiệm thu đạt loại Khá vào ngày 08/3/2013, đã công bố 2 bài báo tại Hội thảo trong nước, 1 bài báo tại Hội nghị quốc tế).

Hệ thiết bị phát điện nhận điện đồng thời từ cả 3 nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển cho phép đầu vào biến đổi điện áp trong khoảng 9,5V đến 37V (do phụ thuộc vào thời tiết) với cường độ dòng điện lớn được thiết kế lên đến 180A, để nạp tích trữ vào ắc quy và cấp nguồn thông minh đến đầu ra với điện thế ổn định 12VDC, 220VAC tần số 50Hz thực sine với hiệu suất chuyển đổi DC-AC đạt trên 87%.

Cấu trúc hệ thiết bị tích điện năng lượng tái tạo

Quá trình thiết kế để chế tạo được tính toán với công suất thực 1800W, các nguồn năng lượng đầu vào nhận điện năng từ năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng sóng biển với các thông số: đầu vào năng lượng mặt trời đã thử nghiệm trên panel pin năng lượng mặt trời 595W, khi nhiệt độ ngoài trời 250C cung cấp điện áp ra 17,5V, cường độ dòng điện 34A; đầu vào năng lượng gió được thử nghiệm trên turbine gió công suất 600W, hoạt động khi tốc độ gió 12,5m/s cho điện áp phát ra 18V và cường độ dòng điện 32A; đầu vào năng lượng sóng biển được tính toán thiết kế với một thiết bị phát điện trực tiếp từ năng lượng sóng biển, thiết bị phát điện được thiết kế trên cơ sở sử dụng motor phát điện 03 pha nhập khẩu từ Mỹ với công suất phát điện cực đại đạt 1500W. Ngoài ra để giảm thiểu ảnh hưởng do tác động của tự nhiên đối với thiết bị phát điện hoạt động ở biển, nhóm nghiên cứu lựa chọn xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển khi hoạt động được lắp đặt cố định ở đáy biển. Thiết bị hoạt động theo phương thẳng đứng của sóng biển được tính toán để phù hợp với đặc trưng của sóng biển Việt Nam (như biên độ và chu kỳ sóng biển), trong đó phao của thiết bị được thả nổi trên mặt biển. Khi sóng biển tác động lên phao, phao sẽ dao động và truyền năng lượng đến thiết bị phát điện được lắp đặt cố định ở đáy biển qua dây cáp định hướng theo phương thẳng đứng. Mô hình thiết bị phát điện có ưu điểm phần phát điện của thiết bị nằm ở đáy biển sẽ không bị ảnh hưởng bởi tác động của sóng và bão biển.

Tổng quan mô hình hệ thống phát điện bằng năng lượng tái sinh đa năng gồm 03 nguồn vào

Kiểm tra công suất nguồn ra 220VAC  Đánh giá khối tích hợp 3 nguồn vào đồng thời	Phân tích dạng sóng điện áp phát ra bởi thiết bị đo Tektronix TDS 2022C – Nhật Bản

Kiểm ra công suất và đánh giá khả năng tích hợp 03 nguồn vào 
từ năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng sóng biển

Sóng điện thế 220VAC theo thời gian	Sóng điện thế 220VAC theo phổ tần số

Sử dụng phần mềm phân tích và xử lý tín hiệu cho kết quả phân tích điện áp cấp ra 
chỉ có một thành phần duy nhất 220VAC ± 2,27% và tần số 50Hz ± 0,68%

Kiểm tra hoạt động của Thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại phòng thí nghiệm, trước khi thử nghiệm tại biển

Kết quả nhận được cho phép đánh giá dạng sóng điện áp khối chuyển đổi DC-AC của hệ thiết bị tạo ra 220VAC tần số 50 Hz thực sine, điện áp vượt trội hơn các sản phẩm Inverter thông thường dùng để chuyển đổi điện áp DC-AC đang có trên thị trường về chất lượng dạng sóng điện áp 220VAC. Do vậy, hệ thiết bị phát điện thông minh từ các nguồn năng lượng mới và tái tạo khi dưa vào sử dụng đã đảm bảo và không gây hư hỏng hay làm giảm tuổi thọ đối với các thiết bị hoạt động lấy điện từ hệ thống cung cấp.

Hiện nay, hệ thiết bị phát điện thông minh đã và đang cung cấp điện năng trên cở sở pin năng lượng mặt trời được mua từ đề tài VAST 02.04/11-12 cho bộ phận thực nghiệm trong phòng Tự động hóa và Xử lý tín hiệu thuộc Viện Cơ học, sử dụng trong công tác nghiên cứu khoa học.

Trên cơ sở các kết quả này, nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm một sản phẩm mới (tại biển Hải Phòng) trong khuôn khổ đề tài VAST 01.10/16-17 "Thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển". Dự kiến nếu thiết bị hoạt động ổn định sẽ có thể hợp tác chuyển giao cho Sở Khoa học và Công nghệ Hải Phòng. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm hợp tác phát triển và triển khai công nghệ sản suất điện năng từ năng lượng tái tạo, đặc biệt là phát điện từ nguồn năng lượng sóng biển đến các đơn vị quân đội đang hoạt động ngoài biển đảo.

ThS. Nguyễn Văn Hải
Phòng Tự động hóa và Xử lý tín hiệu
Viện Cơ học
Xử lý tin: Bích Diệp