BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG & MÔI TRƯỜNG113.160.134.160/sach/09200049.pdf · Bài giảng Năng lượng & Môi trường ... Những quy trình này có thể cung ... mỏ bị

Bài giảng Năng lượng & Môi trường

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

BÀI GIẢNG

NĂNG LƯỢNG & MÔI TRƯỜNG

HƯNG YÊN - 2012



CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

1.1. Khái niệm

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

năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các

chuẩn mực của con người thì là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng

tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người

(thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn

và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong

một thời gian dài trên Trái đất. Tóm lại, “NLTT là năng lượng thu được từ những

nguồn liên tục được xem là vô hạn”.

Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do

Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang

năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay

tức khắc hay được tạm thời dự trữ.

Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ

đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh

học so với năng lượng hóa thạch). Trong cảm giác về thời gian của con người thì

Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là

vô tận. Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình

diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất. Những quy trình này có thể cung cấp năng

lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng.

Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử

dụng trong quá khứ.

Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn

năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được

tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều. Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại

"vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện

trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các

lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium

hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc

dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này.

1.2. Tiềm năng, trữ lượng và môi trường

1.2.1. Các dạng năng lượng hóa thạch

Dầu mỏ.



Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục. Dầu thô

tồn tại trong các lớp đất đá tại một số nơi trong vỏ Trái đất. Dầu mỏ là một hỗn hợp

hóa chất hữu cơ ở thể lỏng đậm đặc, phần lớn là những hợp chất của hydrocacbon

thuộc gốc alkan, thành phần rất đa dạng. Hiện nay dầu mỏ chủ yếu dùng để sản xuất

dầu hỏa, diezen và xăng nhiên liệu. Ngoài ra, dầu thô cũng là nguồn nguyên liệu chủ

yếu để sản xuất ra các sản phẩm của ngành hóa dầu như dung môi, phân bón hóa

học, nhựa, thuốc trừ sâu, nhựa đường... Khoảng 88% dầu thô dùng để sản xuất nhiên

liệu, 12% còn lại dùng cho hóa dầu. Do dầu thô là nguồn năng lượng không tái tạo

nên nhiều người lo ngại về khả năng cạn kiệt dầu trong một tương lai không xa.

Tùy theo nguồn tính toán, trữ lượng dầu mỏ thế giới nằm trong khoảng từ

1.148 tỉ thùng (barrel) (theo BP Statistical Review 2004 đến 1.260 tỉ thùng (theo

Oeldorado 2004 của ExxonMobil). Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy và có khả năng khai

thác mang lại hiệu quả kinh tế với kỹ thuật hiện tại đã tăng lên trong những năm gần

đây và đạt mức cao nhất vào năm 2003. Người ta dự đoán rằng trữ lượng dầu mỏ sẽ

đủ dùng cho 50 năm nữa. Năm 2003 trữ lượng dầu mỏ nhiều nhất là ở Ả Rập Saudi

(262,7 tỉ thùng), Iran (130,7 tỉ thùng) và ở Iraq (115,0 tỉ thùng) kế đến là ở Các Tiểu

Vương quốc Ả Rập Thống nhất, Kuwait và Venezuela. Nước khai thác dầu nhiều

nhất thế giới trong năm 2003 là Ả Rập Saudi (496,8 triệu tấn), Nga (420 triệu tấn),

Mỹ (349,4 triệu tấn), Mexico (187,8 triệu tấn) và Iran (181,7 triệu tấn). Việt Nam

được xếp vào các nước xuất khẩu dầu mỏ từ năm 1991 khi sản lượng xuất được vài

ba triệu tấn. Đến nay, sản lượng dầu khí khai thác và xuất khẩu hàng năm đạt vào

khoảng 20 triệu tấn/năm.

Việc sử dụng dầu mỏ đã và đang có những tác động xấu đến môi trường: dầu

mỏ bị tràn ra biển gây ô nhiễm môi trường , ảnh hưởng đời sống sinh vật biển . Dầu

mỏ đem đốt cũng gây ra ô nhiễm vì sinh ra nhiều khí như SO2 , CO2 . Xe cộ , máy

móc ... chạy bằng xăng góp phần làm Trái Đất nóng lên .

Than đá.

Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành ở các hệ sinh thái

đầm lầy nơi xác thực vật được nước và bùn lưu giữ không bị ôxi hóa và phân hủy bở

sinh vật (biodegradation). Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có

các nguyên tố khác như lưu huỳnh. Than đá, là sản phẩm của quá trình biến chất, là

các lớp đá có màu đen hoặc đen nâu có thể đốt cháy được. Than đá là nguồn nhiên

liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide

lớn nhất, được xem là nguyên nhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu.

Than đá được khai thác từ các mỏ than lộ thiên hoặc dưới lòng đất (hầm lò).



Than đá sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Trước đây, than dùng làm

nhiên liệu cho máy hơi nước , đầu máy xe lửa . Sau đó , than làm nhiên liệu cho nhà

máy nhiệt điện , ngành luyện kim . Gần đây than còn dùng cho ngành hóa học tạo ra

các sản phẩm như dược phẩm , chất dẻo , sợi nhân tạo . Than chì dùng làm điện cực

Than có tính chất hấp thụ các chất độc vì thế người ta gọi là than hấp thụ hoặc là

than hoạt tính có khả năng giữ trên bề mặt các chất khí , chất hơi , chất tan trong

dung dịch . Dùng nhiều trong việc máy lọc nước , làm trắng đường , mặt nạ phòng

độc ....

Trữ lượng than của cả thế giới vẫn còn cao so với các nguyên liệu năng lượng khác (

dầu mỏ , khí đốt ... ) . Được khai thác nhiều nhất ở Bắc bán cầu , trong đó 4/5 thuộc

các nước sau : Hoa Kì , Nga , Trung Quốc , Ấn Độ , Úc , Đức , Ba Lan , Canada ... ,

sản lượng than khai thác là 5 tỉ tấn/năm

Tại Việt Nam , có rất nhiều mỏ than tập trung nhiều nhất ở các tỉnh phía Bắc

nhất là tỉnh Quảng Ninh , mỗi năm khai thác khoảng 15 đến 20 triệu tấn. Than được

khai thác lộ thiên là chính còn lại là khai thác hầm lò

Cũng như dầu mỏ, việc sử dụng than đá đã và đang tạo ra nhiều tác động có

hại đến môi trường: việc khai thác than tạo ra khói bụi, nước thải xử lý chế biến than

làm ảnh hưởng môi trường nước. Việc sử dụng các công nghệ khí hóa than cũng như

sử dụng than làm nhiên liệu tạo ra nhiều khí CO, CO2, SO2,... ảnh hưởng đến môi

trường không khí.

1.2.2. Các dạng năng lượng tái tạo.

Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và

năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và

trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu

năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời.

Trong các mô hình tính toán trên lý thuyết người ta cũng đã cố gắng chứng

minh là với trình độ công nghệ ngày nay, mặc dầu là bị thất thoát công suất và nhu

cầu năng lượng ngày một tăng, vẫn có thể đáp ứng được toàn bộ nhu cầu về năng

lượng điện của châu Âu bằng các tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi

hay là bằng các tuốc bin gió được lắp đặt ngoài biển (off-shore). Sử dụng một cách

triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lượng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu

cầu nước nóng.

Với điều kiện địa lý và khí hậu thuận lợi, Việt Nam là nước có nguồn NLTT

khá lớn và đa dạng, phân luồng trên nhiều vùng sinh thái khác nhau, có thể khai thác



để đáp ứng một phần nhu cầu năng lượng, điện năng tại chỗ cho miền núi, hải đảo,

nông thôn, thành thị cũng như nối lưới điện quốc gia.

Việt Nam có thể phát triển mạnh nguồn NLTT, đó là thủy điện nhỏ, gió, mặt

trời và sinh khối. Trong đó, thủy điện nhỏ có sức cạnh tranh so với các nguồn năng

lượng khác, ước tính Việt Nam có khoảng 480 trạm thủy điện nhỏ với tổng công

suất lắp đặt là 300MW, phục vụ hơn 1 triệu người tại 20 tỉnh.

Các đề tài nghiên cứu đang được tiến hành cho thấy Việt Nam có thể phát

triển mạnh nguồn năng lượng tái tạo, đó là thuỷ điện nhỏ, gió, mặt trời và sinh khối

(biomass). Từ lâu, thuỷ điện nhỏ đã được sử dụng ở Việt Nam nhằm giải quyết nhu

cầu năng lượng ở quy mô gia đình và cộng đồng nhỏ, chủ yếu là vùng trung du miền

núi. Thuỷ điện nhỏ có sức cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác do điện từ

đó có giá thành cạnh tranh, trung bình khoảng 4 cent (600 đồng)/KWh. Ước tính

Việt Nam có khoảng 480 trạm thuỷ điện nhỏ với tổng công suất lắp đặt là 300MW,

phục vụ hơn 1 triệu người tại 20 tỉnh. Trong số 113 trạm thuỷ điện nhỏ, công suất từ

100KW-10MW, chỉ còn 44 trạm đang hoạt động. Con số 300MW quả là quá nhỏ bé

so với tiềm năng của thuỷ điện nhỏ ở Việt Nam là 2.000MW, tương đương với công

suất của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình.

Còn về điện mặt trời, Việt Nam đã phát triển nguồn năng lượng này từ những

năm 1960 song cho tới nay vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi. Theo ý kiến của nhiều

chuyên gia, nên phát động phong trào sử dụng loại hình năng lượng này ở thành phố

nhằm tiết kiệm điện. Bức xạ nắng mặt trời sau khi đi qua tấm kính có thể đun nóng

nước tới 80oC và nước được nối qua bình nóng lạnh để tắm rửa hoặc đun nấu. Với

một bể 500 lít nước nóng/ngày, một hộ gia đình cần đầu tư 3 triệu đồng để mua thiết

bị và 3 năm sẽ thu hồi được vốn.

Một loại NLTT nữa là gió. Mặc dù Việt Nam không có nhiều tiềm năng gió

như các nước châu Âu, song so với khu vực Đông Nam Á thì lại có tiềm năng lớn.

Tuy nhiên tốc độ gió ở Việt Nam không cao, phân bố mật độ năng lượng vào

khoảng 800 -1.400 kWh/m2/năm tại các hải đảo, 500-1.000 kWh/m2/năm tại vùng

duyên hải và Tây Nguyên, các khu vực khác dưới 500kWh/m2/năm.

Ngoài phong điện, tiềm năng sinh khối trong phát triển năng lượng bền vững

ở Việt Nam cũng khá lớn. Nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam là trấu, bã mía, sắn,

ngô, quả có dầu, gỗ, phân động vật, rác sinh học đô thị và phụ phẩm nông nghiệp.

Trong đó, tiềm năng sinh khối từ mía, bã mía là 200-250MW, trong khi trấu có tiềm

năng tối đa là 100MW. Hiện cả nước có khoảng 43 nhà máy mía đường, trong đó



33 nhà máy sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bằng bã mía với tổng công suất

lắp đặt 130MW.

Mặc dù có nhiều nỗ lực trong việc thúc đẩy nguồn NLTT nhưng cho đến nay

số dự án NLTT thực hiện ở Việt Nam còn rất “khiêm tốn”. Theo nhiều chuyên gia,

mức độ giảm tỷ trọng trên sẽ còn tiếp diễn trong những năm tới bởi Việt Nam hiện

vẫn chưa có kế hoạch tổng thể về vấn đề này.

Kinh nghiệm thế giới cho thấy, một trong những phương cách đầy triển vọng

có thể giải quyết được những nhiệm vụ của chiến lược phát triển bền vững là thiết

lập cơ chế hữu hiệu, khuyến khích sử dụng các nguồn NLTT. Cơ chế này được hình

thành ở các nước công nghiệp phát triển vào những năm 1970. Chính phủ các nước

phải can thiệp vào ngành năng lượng mạnh hơn về phương diện đa dạng hóa nguồn

cung cấp năng lượng và nâng cao tính tự chủ về năng lượng cũng như về kiểm soát

sự tiêu thụ. Chính trong giai đoạn đó, NLTT bắt đầu được sử dụng tích cực hơn. Các

nhà sản xuất và người tiêu thụ năng lượng “sạch” được Nhà nước dành cho những

ưu đãi như: tài trợ và cấp tín dụng với mức lãi suất thấp, bảo lãnh tiền vay ngân

hàng, xác lập giá cố định mua điện năng được sản xuất bằng NLTT, cấp tài chính

cho các công tác nghiên cứu và triển khai trong lĩnh vực năng lượng phi truyền

thống…

Hiện nhiều nước trên thế giới có biện pháp trợ giúp hữu hiệu của Nhà nước

đối với ngành năng lượng phi truyền thống là các hợp đồng dài hạn (từ 15 tới 30

năm) mua điện theo giá cố định (thường cao hơn giá thị trường) của các công ty nhỏ

sản xuất điện năng bằng các nguồn NLTT.

Tại Mỹ, năm 1992 nước này đã thông qua Luật về chính sách năng lượng,

trong đó quy định ưu đãi thuế cố định là 10% đối với vốn đầu tư cho thiết bị sử dụng

năng lượng mặt trời và địa nhiệt. Bằng cách đó đã tạo được cơ sở để các nhà máy

điện sử dụng năng lượng truyền thống và các nguồn NLTT cạnh tranh với nhau, còn

các nhà đầu tư có đủ cơ sở để thu được lợi nhuận do sử dụng NLTT. Trong những

năm gần đây, chương trình “Gió cung cấp năng lượng cho Mỹ” đã được đưa vào

thực hiện với nguồn trợ cấp hàng năm của Bộ Năng lượng Mỹ là 33 triệu USD. Mỹ

còn là một trong những quốc gia dẫn đầu trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời

với mục đích thương mại. Trong 20 năm qua, Mỹ đã chi hơn 1,4 tỷ USD cho việc

nghiên cứu triển khai các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện.

Hiện nay trên 10.000 ngôi nhà ở Mỹ sử dụng hoàn toàn năng lượng mặt trời.

1.3. Phân loại các nguồn NLTT

1.3.1. Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời



Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ

điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng

năng lượng 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 năng lượng này thông qua hiệu ứng

quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong

pin Mặt Trời. 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.Năng lượng của các photon có thể được hấp

thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản 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 nguồn nhiên liệu hóa thạch

không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng.

Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho

sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống.

Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên

liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật),

khí (khí đốt sinh học) hay rắn.

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí

quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng

lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống

bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ

photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và

không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy

phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy

sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có

thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển.

Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió.

Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng

để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển.

Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển.

Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi

nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương

nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh



lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy

điện dùng nhiệt lượng của biển.

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần

năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà

máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa

nước ngọt của dòng sông trở về biển.

1.3.2. Nguồn gốc từ nhiệt năng trái đất

Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có

được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng

chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và

sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ

lòng Trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của Mặt Trời.

Địa nhiệt dù sao vẫn có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa,

trong các lĩnh vực như:

- Nhà máy điện địa nhiệt

- Sưởi ấm địa nhiệt

1.3.3. Nguồn gốc từ hệ động năng trái đất - mặt trăng.

Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng

với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy

quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái

Đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi

Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái

Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều.

Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà

máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu

thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt

về phía Mặt Trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với

tuổi thọ của Mặt Trời.

1.3.4. Các nguồn NLTT nhỏ khác.

Ngoài các nguồn năng lượng nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có

các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng:



- Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lượng lắc lư của tay khi con người hoạt

động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con quay. Năng lượng

này được dùng để làm chuyển động kim đồng hồ.

- Một số động cơ có rung động lớn được gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến

dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và tạo nguồn điện

phụ. Tinh thể này cũng có thể được gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên

của người để phát điện cho các thiết bị cá nhân nhỏ như PDA, điện thoại di động...

- Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nước hay các nguồn nước

chảy, khi nước đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp.

- Các ăngten thu dao động điện từ (thường ở phổ radio) trong môi trường

sang năng lượng điện xoay chiều hay điện một chiều. Một 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 chế này.

1.4. Vai trò của năng lượng tái tạo

1.4.1. Về môi trường

Vấn đề biến đổi khí hậu

Việc sử dụng quá mức các nguồn năng lượng truyền thống đã và đang gây ra

các vấn đề nghiêm trọng về môi trường, đó là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu.

Để ứng phó với biến đổi khí hậu, nhiều quốc gia đang nỗ lực tìm kiếm và sử

dụng hiệu quả các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo, giảm lượng khí thải

gây hiệu ứng nhà kính.

Báo cáo phát triển Thế giới do Ngân hàng Thế giới công bố mới đây cho biết ba yếu

tố chính khiến người dân ở khu vực Đông Á và Thái Bình Dương bị ảnh hưởng bởi

biến đổi khí hậu là: Lượng dân cư lớn sống dọc theo bờ biển và ở đảo thấp; một số

nước nghèo phụ thuộc vào nông nghiệp; các nền kinh tế khu vực phụ thuộc nhiều

vào nguồn thuỷ hải sản.

Việt Nam là một nước chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu và cũng đã

chủ động có kế hoạch hành động cùng cộng đồng quốc tế chống biến đổi khí hậu.

Theo Thứ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường Trần Văn Đức, Việt Nam đã có

nhiều nỗ lực trong việc ứng dụng các công nghệ giảm carbon. Chương trình mục

tiêu quốc gia chống biến đổi khi hậu đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt. Kịch

bản nước biển dâng cũng đã được công bố dựa trên các cơ sở nghiên cứu thực tiễn.



Một số nước khác cũng đã giảm sự thâm dụng năng lượng, đầu tư vào năng lượng

tái tạo, tích cực bảo vệ rừng, xây dựng các đô thị thông minh với khí hậu.

Một số nước khác cũng đã giảm sự thâm dụng năng lượng, đầu tư vào năng lượng

tái tạo, tích cực bảo vệ rừng, xây dựng các đô thị thông minh với khí hậu.

Thái Lan đang theo đuổi con đường năng lượng tái tạo để cải thiện an ninh năng

lượng. Quốc gia này dự kiến tăng tỷ lệ tiêu thụ năng lượng tái tạo toàn quốc từ 1%

như hiện nay lên 20% vào năm 2020.Hay như Trung Quốc đang xây dựng các toà

nhà chọc trời ở thành phố Rizhao (tinhr Sơn Đông) có khả năng sử dụng năng lượng

mặt trời. 99% hộ dân của thành phố sẽ sử dụng hơn 500.000 m2 tấm đun nước nóng

bằng năng lượng mặt trời, giảm được một nửa phát thải cacbon.

Trên thực tế, vấn đề đặt ra là cần nâng cao nhận thức của cộng đồng, thuyết phục

cộng đồng đương đầu với sự thay đổi và nắm bắt các cơ hội để đạt được sự tăng

trưởng bền vững

Mới đây, tại Hội nghị về khí hậu do tạp chí The Economist, Viện nghiên cứu Trái

đất của Đại học Columbia và doanh nghiệp viễn thông Ericsson đồng tổ chức, Tổng

Thư ký Liên hợp quốc, tuyên bố: “Chúng ta đang sống trong một thế giới phát triển

nhanh, một thế giới phụ thuộc, tương trợ lẫn nhau”. Ông cũng nhấn mạnh tăng

trưởng xanh chính là con đường để giúp giải quyết các thách thức về khí hậu. “Điều

này có thể giúp chúng ta đạt được các nền tảng phục hồi bền vững và rộng mở”.

1.4.2. Về kinh tế xã hội

Nhu cầu sử dụng năng lượng trên Thế giới ngày càng tăng và việc lạm dụng

các nguồn năng lượng hóa thạch đã làm cho các nguồn năng lượng này ngày càng

trở nên cạng kiệt, đồng thời kéo theo đó là giá cả năng lượng leo thang. Do đó việc

sử dụng các nguồn NLTT sẽ góp phần giải quyết nhu cầu sử dụng năng lượng, giảm

chi phí cho việc sử dụng năng lượng, góp phần vào sự phát triển của nền kinh tế, cải

thiện đời sống kinh tế và tinh thần của người dân ở những vùng sâu, vùng xa,...

1.4.3. Về an ninh quốc gia.

Hạn chế, tiến đến chấm dứt sự phụ vào năng lượng của nước ngoài, bảo đảm

an ninh năng lượng trong nước

1.4.4. Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mới và năng lượng tái tạo.

Đức hiện đang dẫn đầu thế giới về mức sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và

có thể trở thành quốc gia đầu tiên của G20 từ bỏ các nguồn nhiên liệu từ dầu



mỏ. Đức hiện đang dẫn đầu thế giới về mức sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và có

thể trở thành quốc gia đầu tiên của G20 từ bỏ các nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ.

Theo nghiên cứu mang tên Cách mạng năng lượng: Hướng tới cung cấp năng

lượng tái tạo đầy đủ tại châu Âu (Energy (R)evolution: Towards a fully renewable

energy supply in the EU) của tổ chức Greenpeace và hội đồng Năng lượng tái tạo

châu Âu (EREC) công bố ngày 8.7, đến năm 2050, Liên minh châu Âu (EU) có thể

chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo gần như hoàn toàn.

Nghiên cứu cho biết 27 nước thành viên châu Âu có thể hướng tới loại bớt

năng lượng hóa thạch và hạt nhân để dần sử dụng các nguồn khác như năng lượng

gió, mặt trời, địa nhiệt và sinh khối (biomass). Cụ thể: vào năm 2050, 92% năng

lượng sử dụng và 97% lượng điện của châu Âu sẽ là năng lượng tái tạo; 8% số năng

lượng còn lại là dầu, chỉ được dùng trong hàng hải và hàng không, vốn là hai lĩnh

vực được xem là khó tìm nguồn năng lượng thay thế.

Mục tiêu trên có thể làm EU tiêu tốn trên 2.000 tỉ euro từ nay đến năm 2050,

đồng thời làm giá năng lượng trong khu vực này tăng cao trong ngắn và trung hạn.

Đầu tư cho năng năng lượng tái tạo từ 2007 đến 2030 có thể lên đến 30 tỉ euro/năm,

tương đương 80% tổng số đầu tư của EU.

Tuy nhiên Greenpeace và EREC khẳng định các kế hoạch năng lượng xanh

sẽ giúp châu Âu giảm gánh nặng 19 tỉ euro (24,05 tỉ USD) mỗi năm cho nhập khẩu

dầu và khí đốt. Tính tổng cộng đến năm 2050, EU có thể tiết kiệm 2650 tỉ euro chi

phí nhiên liệu. Ngoài ra, các dự án năng lượng xanh sẽ giải quyết việc làm cho

khoảng 1,2 triệu người lao động châu Âu vào năm 2030 và tạo ra 280.000 việc làm

mới từ năm 2020 đến 2030.

Việt Nam được đánh giá là nước có nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo sạch

khá dồi dào, nhưng ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo vẫn ở bước đầu chập

chững và còn nhiều hạn chế. Theo “Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của

Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050” mục tiêu hướng tới của các

nguồn năng lượng mới và tái tạo vẫn còn ở mức khiêm tốn (đạt tỉ lệ khoảng 5% tổng

năng lượng thương mại sơ cấp đến năm 2010 và 11% vào năm 2050). Trong khi đó,

nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng ở mức chóng mặt ở Việt Nam.

Mặc dù chưa được đầu tư đúng mức nhưng năng lượng tái tạo hiện cũng đã

thu hút sự chú ý của một số cơ quan nghiên cứu trong nước. Thách thức chung của

các nghiên cứu ở Việt Nam hiện nay là giá thành vật liệu cao, do đó, các sản phẩm

làm ra khó có thể cạnh tranh với hàng ngoại nhập và chủ yếu nghiên cứu ứng dụng

năng lượng thủy điện, năng lượng mặt trời, và năng lượng gió.

http://tin180.com/

http://tin180.com/



CHƯƠNG II. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1. Năng lượng mặt trời

2.1.1. Cấu trúc của mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,39.106km (lớn hơn 110

lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU

ánh sáng, mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng cách này đến trái

đất). Khối lương mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg. Nhiệt độ To trung tâm mặt

trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K.

Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường

gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của

nguyên tử chuyển đông tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va

chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật

chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết

luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời.

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí

khổng lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy

ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lương mặt trời, vùng này

có bán kính khoảng 175.000km, khối lương riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ

14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng

trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lương truyền từ trong ra ngoài,

vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr),

kền (Ni), cacbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng

này khoảng 400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng

“quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km. Ở vùng này gồm các bọt

khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K

và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và

gọi là“khí quyển” của mặt trời.

Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các

nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng

lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở

phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được rằng trên

mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đât. Nguyên tố phổ biến nhất

trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydro. Vật chất của mặt trời bao gồm chừng

92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác. Nguồn năng



lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân

Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hydro có một hạt

mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau,

nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển đông của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến

gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của

các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 neutrino và

một lương bức xạ :

4H11 → He24 + 2 Neutrino +

Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.

Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham

gia vào các “biến cố” sau đó.

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị

mất đi. Khối lương của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên

theo các nhà nghiên cứu, trang thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian

hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng

nhiệt hạch lên đến 9.1024kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải



phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong

một năm trên trái đất).

2.1.2. Khái quát về năng lượng bức xạ mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng

hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ ban đầu khi đi qua

5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng

của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ

là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 2) Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm

hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có

bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài

hơn. Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong

trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra.

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là

một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 0,1 – 10 m và

hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 –

0,78 m, đó là vùng nhìn thấy của phổ.

Hình 2.2. Dải bức xạ mặt trời

Chùm tia xuyên thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực

xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển tính

đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ được xác định theo công thức:

4

D-T 0

Tq = .C

100

(0.1)

Trong đó:



D-T là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời

D-T

2β =

4

- góc nhìn mặt trời (hình 1.7)

C0 = 5,67 W/m2K4 - hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

T 57620K – nhiệt độ bề mặt trời (coi là vật đen tuyệt đối)

Hình 2.3. Góc nhìn mặt trời

Vậy:

2

4

2.3,14.32

5762360.60q = .5,67.

4 100

= 1353 W/m2

Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên

cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có

thể xem như q = const và được gọi là hằng số mặt trời.

2.1.3. Quá trình truyền bức xạ mặt trời đến trái đất

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị

hấp thụ và tán xạ bởi ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng

lượng được truyền trực tiếp tới trái đất. Lúc đầu ôxy phân tử bình thường O2 phân ly

thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó cần phải có các photon bước

sóng ngắn hơn 1,18 m, do đó các photon (coi bức xạ như các hạt rời rạc - photon)

có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết

hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với phân tử ôxy khác



để tạo thành phân tử ôzôn O3. Ôzôn cũng hấp thụ các bức xạ tử ngoại nhưng với

mức độ thấp hơn so với ôxy. Dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn

0,32 m, sự phân tách O3 thành O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng

lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của

O, O2 và O3, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển bức

xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại

của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá

vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và

một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là

bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí

quyển,

bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong

sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ

rất mạnh bức xạ mặt trời. Khi đi qua lớp khí quyển, bức xạ mặt trời còn gặp một trở

ngại đáng kể nữa đó là sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp

chất khác. Mức độ của sụ hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất là ở

khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.

Hình 2.4. Quá trình truyền bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất



Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày

quang mây ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000 W/m2. (Hình 4)

Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào đó trên

trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn

liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa trong

năm và vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với

mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh mặt trời gây ra (hình 5). Góc nghiêng vào khoảng

23,5o và thực tế xem như không đổi trong không gian. Sự định hướng như vậy của

trục trái đất trong chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những sự dao động

quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm.

Thêi gian ®Ó tr¸i ®Êt hoµn thµnh mét quü ®¹o chuyÓn ®éng lµ mét n¨m.

T¹i mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh trªn quü ®¹o, phÇn b¸n cÇu nµo nghiªng vÒ phÝa mÆt

trêi sÏ nhËn ®îc lîng bøc x¹ trùc x¹ nhiÒu h¬n víi thêi gian chiÕu s¸ng dµi h¬n

trong mét ngµy so víi b¸n cÇu kia.

Hình 2.5. Trái đất trên quỹ đạo chuyeenrr động quanh mặt trời

Tõ mét vÞ trÝ quan s¸t trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt, sù thay ®æi cña vÞ trÝ mÆt trêi

theo thêi gian trong n¨m ®îc minh häa nh trªn h×nh 5. Vµo ngµy 22 th¸ng 6 mÆt

trêi ë vÞ trÝ gÇn b¸n cÇu b¾c nhÊt vµ ®i qua ®Ønh ®Çu vµo lóc gi÷a tra t¹i chÝ

tuyÕn b¾c (vÜ tuyÕn 23,50N). KÕt qu¶ lµ b¾c b¸n cÇu nhËn ®îc ¸nh s¸ng mÆt

trêi nhiÒu nhÊt vµo ngµy nµy trong n¨m. Khi tr¸i ®Êt tiÕp tôc quay theo quü ®¹o

cña nã, mÆt trêi sÏ chuyÓn dÞch t¬ng ®èi vÒ phÝa nam b¸n cÇu lµm thêi gian

®îc chiÕu s¸ng ë phÝa nam b¸n cÇu trong mét ngµy dµi h¬n so víi b¾c b¸n cÇu.

Vµo ngµy 22 th¸ng 9 mÆt trêi trùc tiÕp ®i qua thiªn ®Ønh t¹i xÝch ®¹o nªn c¶ hai

b¸n cÇu ®Òu nhËn ®îc ¸nh s¸ng mÆt trêi nh nhau trong mét ngµy. Sau khi tiÕp

tôc di chuyÓn t¬ng ®èi vÒ phÝa nam cho ®Õn khi ®i qua thiªn ®Ønh t¹i chÝ

23,5

®é

nghiªng

21/6

21/3

MÆt trêi

B¾c cùc

Híng quay

tr¸i ®Êt

21/12

21/9



tuyÕn nam (vÜ ®é 23,50S) vµo ngµy 22 th¸ng 12. Trong ngµy nµy b¸n cÇu b¾c cã

thêi gian chiÕu s¸ng Ýt nhÊt vµ b¸n cÇu nam cã thêi gian chiÕu s¸ng dµi nhÊt. Sau

khi ®¹t tíi vÞ trÝ thiªn ®Ønh ë nam chÝ tuyÕn, mÆt trêi l¹i di chuyÓn t¬ng ®èi

vÒ phÝa b¾c b¸n cÇu vµ ®i ngang qua xÝch ®¹o lÇn n÷a vµo ngµy 21 th¸ng 3 råi

l¹i ®èi diÖn trùc tiÕp víi trÝ tuyÕn b¾c vµo ngµy 22 th¸ng 6 hoµn thµnh mét chu

kú chuyÓn ®éng cña tr¸i ®Êt quanh mÆt trêi trong thêi gian mét n¨m

Cêng ®é bøc x¹ mÆt trêi phô thuéc vµo kho¶ng çch t¬ng ®èi gi÷a mÆt trêi

vµ víi ®iÓm quan s¸t trªn tr¸i ®Êt. Trong mét ngµy, kho¶ng çch nµy sÏ gi¶m dÇn

tõ khi mÆt trêi mäc ®Õn khi ®¹t ®îc gi¸ trÞ thÊp nhÊt vµo gi÷a tra khi mÆt trêi

ë trªn ®Ønh ®Çu, sau ®ã l¹i t¨ng dÇn cho tíi khi mÆt trêi lÆn. Nh vËy cêng ®é

bøc x¹ t¬ng øng sÏ t¨ng dÇn trong buæi s¸ng cho tíi khi ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt Imax vµo

gi÷a tra sau ®ã l¹i gi¶m dÇn trong buæi chiÒu

Phân bố cường độ bức xạ đơn sắc Io() của mặt trời được xác định theo định

luật Planck:

2

-5

10λ C

λT

C λI =

e -1 (0.2)

Với: - chiều dài bước sóng (m);

T - nhiệt độ tuyệt đối (0K);

C1 = 0,374.10-15 W/m2

C2 = 1,4388.10-2 m.0K

Diện tích phía dưới đường cong I0 = f() mô tả năng suất bức xạ toàn phần

E0 = 0

0

I d

của mặt trời (hình 6)

Hình 2.6. Phân bố I0 () của mặt trời

Phần năng suất bức xạ mang tia sáng (AS) thấy được là:

I0

(W/m3)

83

80

60

40

20

50%E0

E0



EAS =

-6

-6

0,8.10

0λ 0λ 0

00,4.10

I dλ = 0,5 I dλ = 0,5E

I0 đạt giá trị cực đại tại (max) = 2,98.10-3 /T0 = 0,5 m

Vậy:

I0max = I0 ((max), T0) = 8,3.10-3 W/m3

Năng suất bức xạ toàn phần:

E0 = 0.T04 = 6,25.107 W/m2

Công suất bức xạ toàn phần của mặt trời:

Q0 = E0.F = D2.0.T04 = 3,8.1026 W

Công suất này bằng 4.103 lần tổng công suất điện trên toàn thế giới hiện nay,

vào khoảng 1013W.

2.2. Các phương pháp biến đổi năng lượng mặt trời

Ngày nay, NLMT đã được sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng khác nhau.

Quá trình biến đổi NLMT là quá trình chuyển đổi vật lý của năng lượng nhiệt mặt

trời thành các dạng năng lượng khác, bao gồm các các phương pháp chuyển đổi

sau:

- Nhiệt – nhiệt: chuyển năng lượng bức xạ nhiệt của mặt trời thành nhiệt năng

hấp thụ trong các vật thể. Ví dụ: đun nước nóng bằng NLMT

- Nhiệt – Điện (hiện tượng quang điện): chuyển năng lượng bức xạ của các

photon của mặt trời thành điện. Ví dụ: tế bào quang điện - pin mặt trời.

- Nhiệt – Cơ: chuyển hóa năng lượng nhiệt bức xạ của mặt trời thành cơ năng

làm quay động cơ. Ví dụ: động cơ Stirling

- Nhiệt – hóa (quang – hóa): hấp thụ và chuyển hóa năng lượng nhiệt mặt trời

thành năng lượng trong các phản ứng quang hóa

2.3. Hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích luỹ năng lượng bức xạ mặt trời dưới

một tấm kính hoặc một lớp khí nào đó, ví dụ CO2 hoặc NOx. Hiện tượng này được

giải thích như sau: tấm kính hoặc khí có độ trong đơn sắc D giảm dần khi bước

sóng tăng. Còn bước sóng max khi E đạt giá trị cực đại – là bước sóng mang

nhiều năng lượng nhất – thì lại giảm theo định luật Wien max.T = 2,9.10-3 (m.K).



Hình 2.7. Hiệu ứng nhà kính

Bức xạ mặt trời phát ra ở nhiệt độ cao T0 = 5762K, có năng lượng tập trung quanh

sóng max0 = 0,5 m sẽ xuyên qua kính hoàn toàn

vì D(max0) 1. Bức xạ thứ cấp phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T 400K,

có năng lượng tập trung quanh sóng max = 8m hầu như không xuyên qua kính vì

D( max) 0, và bị phản xạ lại mặt thu. Hiệu số (năng lượng vào – năng lượng ra) >

0, được tích luỹ phía dưới tấm kính làm nhiệt độ tại đó tăng lên.

2.4. Bộ thu bức xạ nhiệt mặt trời dạng tấm phẳng (bộ thu phẳng-collector)

2.4.1. Định nghĩa và kết cấu bộ thu phẳng

Bộ thu phẳng là một hệ tấm phẳng: kính, tấm hấp thụ, lớp cách nhiệt được đặt

song song thành một hệ bền vững. Về nguyên lý thì các bộ thu phẳng có cấu tạo

dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính nhưng tùy thuộc vào việc sử dụng nhiệt

vào mục đích sử dụng: nung nóng không khí, đun nước nóng, chưng cất nước,

bếp mặt trời,... mà cấu tạo của bộ thu có hình dạng khác nhau

Hình 2.8. Kết cấu bộ thu phẳng

1. Tấm kính trong suốt

2. Lớp cách nhiệt

3. Tấm hấp thụ

4. Tia vào có bước sóng

ngắn

5. Tia nhiệt có bước

sóng dài phát xạ từ tấm hấp thụ

6. Tia nhiệt bị phản xạ

ngược về tấm hấp thụ.



* Nguyên lý hoạt động của bộ thu phẳng (nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng

nhà kính): Ta khảo sát một bộ thu phẳng (hình 8). Mặt trên hộp được đậy bằng tấm

kính, thành chung quanh và đáy làm bằng vật liệu cách nhiệt tốt. Đáy hộp là một tấm

kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của tấm được phủ một lớp sơn có hệ số hấp thụ cao.

Tấm này được gọi là tấm hấp thụ. Tia mặt trời sau khi truyền qua tấm kính đậy phía

trên hộp tới bề mặt tấm hấp thụ, bị tấm này hấp thụ một phần năng lượng và chyển

hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng dần lên. Khi đó tấm hấp thụ trở thành

nguồn phát ra các tia bức xạ nhiệt thứ cấp có bước sóng dài hướng về mọi phía. Nhờ

nhận liên tục các tia bức xạ mặt trời nên nó được nung nóng liên tục, và bức xạ nhiệt

cũng được phát ra liên tục. Những tia bức xạ nhiệt hướng lên phía trên bị kính ngăn

lại do phần lớn các tia bức xạ nhiệt thứ cấp có bước sóng dài λ > 0,7 μm (nhiệt độ

tấm hấp thụ không cao), bị phản xạ trở về tấm hấp thụ và lại bị tấm hấp thụ hấp

thụ,… Quá trình này dẫn đến nhiệt độ tấm hấp thụ tăng lên nhờ các mặt đáy và các

thành bên đước cách nhiệt tốt nên nhiệt không bị truyền dẫn ra khỏi hộp. Kết quả là

năng lượng từ các tia bức xạ mặt trời vào được hộp mà không ra ngoài đựơc. Hộp

thu thành một bẫy nhiệt. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng nhà kính. Nhiệt độ của

tấm hấp thụ càng cao phát xạ nhiệt từ mặt hấp thụ càng lớn, cho đến khi năng lượng

mà tấm hấp thu nhận đựơc từ bức xạ mặt trời cân bằng với năng lượng mất mát với

môi truờng xung quanh thì trạng thái cân bằng nhiệt được thiết lập

* Nguyên lý hội tụ bức xạ:

Tất cả các tia tới của bức xạ mặt trời đến một mặt gọi là mặt phản xạ, các tia

bức xạ sẽ bị khúc xạ, các tia khúc xạ này sẽ hướng về một điểm hay một đường tuỳ

thuộc vào cấu tạo của mặt phản xạ, do cường độ tia bức xạ quá lớn ở tại điểm hoặc

đường mà tia khúc xạ tới nên làm nóng vật đặt tại đó. Dựa trên nguyên lý hội tụ bức

xạ người ta chia làm hai loại:

- Loại hội tụ bức xạ theo điểm là các thiết bị dùng gương cầu lõm có dạng

paraboloit tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao, nhờ vậy tập trung ở tiêu điểm

nhiệt độ từ vài trăm đến trên 3000 oC.

- Loại hội tụ theo đường là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặt

cắt ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ theo đường tiêu

cự. Nếu đặt tại đường tiêu cự một ống dài cho nước đi qua thì nước sẽ được đun

nóng lên.

Nói chung các thiết bị chuyển hoá quang nhiệt làm việc theo nguyên lý hội tụ ít

được phổ biến do có một số nhược điểm sau:

+ Mặt phản xạ nhanh bị mờ sau một thời gian làm việc ngoài trời do đó mà

hiệu suất giảm nhanh,



+ Phải thường xuyên xoay mặt phản xạ theo hướng mặt trời, nếu dùng thiết bị

tự động thì giá thành sẽ cao mà xoay thủ công cũng không được thuận tiện,

+ Thiết bị này chỉ thu được phần trực xạ (tia nắng trực tiếp) còn phần tán xạ

thì không thu được, nếu khi bị mây che khuất thì thiết bị không thu được năng

lượng.

2.4.2. Kết cấu và hoạt động của một vài bộ thu phẳng.

2.4.2.1. Bộ thu phẳng dùng để nung nóng không khí

Collector phẳng: Collector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng dạng tấm phẳng.

.

Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của collector phẳng

Tấm che được làm bằng thuỷ tinh hay bằng vật liệu trong suốt khác. Nhiệm vụ

cơ bản của các tấm che là tạo ra hiệu ứng lồng kính để làm giảm bớt tổn thất năng

lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của colletor ra ngoài môi trường, đồng thời góp

phần hạn chế tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu. Các tấm che này phải có độ trong

suốt cao để cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức tối đa. Tuỳ theo mức nhiệt độ làm

việc của Collector mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N. Khi nhiệt độ làm việc

càng cao thì N càng lớn, giá tri phổ biến của N là từ 1 đến 2. Trong một vài trường

hợp có thể người ta không cần dùng đến tấm che.

Bề mặt hấp thụ là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho môi chất

làm việc (không khí hoặc chất lỏng). Thông thường bề mặt này được sơn mầu đen.

Để gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược

lại từ bề mặt hấp thụ người ta có thể dùng các loại sơn chuyên dụng để tạo nên bề

mặt hấp thụ chọn lọc (selective surface).

Lớp cách nhiệt đặt ở mặt dưới của collector để giảm tổn thất nhiệt theo hướng

đáy của collector, ngoài ra có thể bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bên

của collector.



So với các loại collector khác thì collector dạng tấm phẳng có một số ưu điểm

như: có thể hấp thụ tất cả các loại tia bức xạ, không cần quay theo mặt trời, dễ gia

công, không cần bảo trì thường xuyên và giá thành khá rẻ.

Collector phẳng được chia thành nhiều loại, sau đây là một số loại collector

phẳng sử dụng phổ biến:

- Collector tấm trần:

Hình 2.10. Collector tấm trần

Loại collector tấm trần không cần tấm che, tấm hấp thụ nằm phía trên, dòng

khí chuyển động phía dưới của tấm hấp thụ, tổn thất bức xạ và đối lưu lớn ở trên bề

mặt, thích hợp cho việc tăng nhiệt độ khoảng 3 ÷ 5 (oC)

- Collector dòng trên:

Hình 2.11. Collector dòng trên

Collector dòng trên có dòng khí chuyển động giữa tấm hấp thụ và tấm che.

Năng lượng hữu ích có giảm chút ít do phản xạ và tính hấp thụ của tấm che. Giảm

được mất mát nhiệt đối lưu và bức xạ. Nhiệt độ có thể tăng lên 10 ÷ 30oC.

- Collector dòng dưới:

Hình 2.12. Collector dòng dưới



Collector này giảm mất mát nhiệt do tấm hấp thụ được che bằng vật liệu trong

suốt. Dòng khí chuyển động bên dưới tấm hấp thụ. Nhiệt độ dòng khí tăng lên được

30oC, giảm bám bụi vào bề mặt hấp thụ và tấm che.

.- Collector dòng song song:

Hình 2.13. Collector dòng song song

Đặc điểm của collector dòng song song là dòng khí chuyển động cả bên trên

và bên dưới của tấm hấp thụ. Điều đó làm tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ

tấm hấp thụ thấp, giảm được tổn thất nhiệt do bức xạ. Tuy nhiên bề mặt hấp thụ bị

lắng bụi.

Collector dạng zic zắc: Cấu tạo của collector dạng này gần giống như

collector phẳng chỉ khác bề mặt hấp thụ có dạng zic zắc. Mục đích làm mặt hấp thụ

có dạng zic zắc là để tăng diên tích bề mặt hấp thu nhiệt, đồng thời tăng hiệu suất

hấp thụ nhiệt do các tia bức xạ tới được phản xạ và hấp thụ nhiều lần.

Hình 1.38. Collector zíc zắc

Hình 2.14. Collecor dạng zic zăc

Để đạt được hiệu suất cao nhất khi sử dụng thiết bị dạng này thì góc nghiêng và kích

thước của tấm hấp thụ là yếu tố được quan tâm nhất khi tính toán thiết kế.

Bức xạ mặt trời



Collector dạng tập trung:

Cấu tạo của collector dạng tập trung gồm hai phần (hình 15): Bề mặt thu nhận

(bề mặt hứng các tia trực xạ) và bề mặt tiếp nhận. Bề mặt thu nhân có nhiệm vụ

hứng các tia trực xạ và hội tụ thành một điểm hoặc một đường tại đó có đặt một mặt

tiếp nhận. Mặt tiếp nhận có tác dụng hấp thụ và bị làm nóng bởi các tia bức xạ từ

mặt thu nhận hội tụ lại tại mặt tiếp nhận này và chuyển thành nhiệt.

Nhìn chung, nhiệt độ làm việc của collector dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt

độ làm việc của collector dạng tấm phẳng. Vì vậy, người ta thường thay thế collector

dạng tấm phẳng bằng collector dạng tập trung khi nhiệt độ làm việc vượt quá 100oC.

Về nguyên tắc, collector dạng tập trung cần phải được cho quay theo mặt trời nhằm

đảm bảo các tia trực xạ có thể được phản chiếu tốt nhất đến bề mặt tiếp nhận của

collector.

Hình 2.15. Collector tập trung

Khi nghiên cứu về collector dạng tập trung này ta cần phải chú ý đến một

thông số đặc biệt thể hiện tính đặc thù của loại collector nay, đó là tỷ số giữa diên

tích bề mặt hứng các tia trực xạ Aa và diện tích bề mặt tiếp nhân Ar, ta gọi đó là tỷ số

tập trung CR (Concentration Ratio)

Khi đó ta có: CR =

Collector dạng tập trung có hai loại điển hình là dạng chỏm cầu (mặt tròn

xoay) và dạng lòng máng. Loại chỏm cầu có độ hội tụ cao, hội tụ về 1 điểm có nghĩa

là có tỷ số CR cao do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngàn độ. Còn loại

lòng máng có độ hội tụ trung bình, hội tụ thành một dải (một đường) vì vậy tỷ số CR

nhỏ hơn của loại chỏm cầu loại này có nhiệt độ khoảng 350 ÷ 500 oC.

rA

aA



2.4.2.2. Bộ thu nhiệt đun nước nóng bằng NLMT

Hình 2.16. Cấu tạo bộ thu phẳng đun nóng nước

1. Lớp cách nhiệt; 5. Bề mặt hấp thụ nhiệt;

2. Lớp đệm tấm phủ trong suốt; 6. Lớp tôn bọc;

3.Tấm phủ trong suốt; 7. Đường nước lạnh vào;

4. Đường nước nóng ra; 8. Khung đỡ.

Hình 2.17. Sơ đồ bộ thu sản xuất nước nóng(a) và hệ thống ống kim loại

hàn vào dưới tấm hấp thu (b)



Trong các bộ phận của collector, bộ phận quan trọng nhất và có ảnh hưởng lớn

đến hiệu quả sử dụng của collector là bề mặt hấp thụ nhiệt. Sau đây là 3 mẫu

collector có bề mặt hấp thụ nhiệt đơn giản với hiệu quả hấp thụ cao có thể dễ dàng

chế tạo trong điều kiện Việt Nam

Hình 2.18. Các dạng bề mặt hấp thụ của collector đun nóng nước.

Nhận xét:

- Loại bề mặt hấp thụ dạng dãy ống có kết quả thích hợp nhất về hiệu suất hấp

thụ nhiệt, giá thành cũng như chi phí chế tạo. Tuy nhiên nếu trong trường hợp không

có điều kiện để chế tạo thì có thể chọn loại bề mặt hấp thụ dạng loại hình rắn. Bề

mặt hấp thụ dạng tấm cũng có kết quả tốt như dạng dãy ống nhưng đòi hỏi nhiều

công và khó chế tạo hơn.

- Tấm hấp thụ dạng dãy ống được đan xen vào tấm hấp thụ có hiệu quả cao

nhất. Ngoài ra có thể gắn tấm hấp thụ và ống hấp thụ bằng phương pháp hàn sẽ cho

hiệu quả hấp thụ cao hơn nhưng tốn thời gian và giá thành chế tạo cao hơn.

Nhiều nước trên thế giới, điển hình là Mỹ, Úc, Israel, Ấn Độ, Nhật,

Trung Quốc và các nước châu Âu đã nghiên cứu ứng dụng NLMT để đun nước

phục vụ sản xuất và sinh hoạt. Hà Lan tuy dân số ít nhưng hiện nay cả nước đã

có 26.000 hộ gia đình dùng nước nóng mặt trời và 15.000 m2 bộ thu nhiệt cấp

nước nóng cho 500 khu nhà ở. Israel và Hy Lạp là hai nước có tỷ lệ sử dụng đun

nước mặt trời rất cao, chiếm 80% số gia đình dùng nước nóng, trong khi Nhật Bản



mới có 20%. Khu vực châu Á, Trung Quốc là nước đi đầu trong việc sản xuất và

sử dụng đun nước mặt trời với 500 cơ sở sản xuất, mỗi năm xuất xưởng trên 4 triệu

m2 đun nước mặt trời, hiện cả nước đã lắp đặt cho các cơ sở sản xuất và gia đình

được 20 triệu m2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị đun nước mặt trời dựa trên

hiệu ứng nhà kính và kết cấu là bộ thu góp phẳng.

Một số nước có cường độ bức xạ mặt trời (W/m2) và số giờ nắng trong năm

khá lớn như Israel, Trung Quốc, Hàn Quốc nên chính quyền địa phương đã khuyến

khích phát triển việc sử dụng NLMT nhằm giảm tối đa tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch

bằng cách đưa ra các chính sách trợ giá cho nhà sản xuất thiết bị đun nước mặt

trời. Dựa trên nền tảng công nghiệp hiện đại và công nghệ tiên tiến người ta đã

chế tạo ra mẫu đun nước mặt trời có hiệu suất cao (trên 70%), có kiểu dáng công

nghiệp, làm việc ổn định và giá thành phù hợp cho hầu hết các gia đình từ thành thị

đến nông thôn. Tuy nhiên, giá tiền mua thiết bị đun nước mặt trời hiện nay còn cao

hơn (khoảng 1,5 lần) bình đun nước nóng bằng điện, nhưng được bù lại do không

cần chi phí năng lượng trong quá trình sử dụng và điều quan trọng đối với cộng

đồng là bảo vệ được môi trường trong sạch. Ví dụ, đun nước mặt trời của Korea

(mã hiệu KSH.201) hoặc của Israel (PNEO) vào mùa đông nhiệt độ 150C, sau

khi hấp thụ NLMT nước nóng ở đầu ra có thể đạt 28 - 320C và sau 01 đêm vẫn còn

giữ được 22 - 250C; vào mùa hè giữa trưa nước nóng có thể lên tới 70 - 800C.

Thiết bị đun nước bằng NLMT có thể sử dụng một trong bốn kiểu sau:

1 - Hấp thụ trực tiếp: Dùng bề mặt để hấp thụ trực tiếp bức xạ mặt trời và truyền

nhiệt làm cho nước nóng lên. Loại này kết cấu đơn giản nhưng hiệu suất thấp.

2 - Hộp phẳng (bằng kim loại): Bên trong hộp chứa nước để hấp thụ nhiệt và nối liền

với bình chứa tập trung tạo thành dòng nước tuần hoàn kín. Loại này chế tạo và

lắp đặt đơn giản nhưng hiệu suất được cải thiện.

3 - Dàn ống kim loại: Những ống này ghép lại thành dàn và nối liền với bình chứa

tạo sự tuần hoàn đối lưu tự nhiên làm cho nước lạnh đi xuống còn nước nóng đi

lên bình. Dàn ống trực tiếp hấp thụ năng lượng bức xạ nên hiệu suất rất cao, tuy

nhiên kết cấu, lắp ráp có phức tạp và nặng nề hơn. Israel và Korea phần lớn sản xuất

theo kiểu này.

4 - Dàn ống thuỷ tinh chân không: Mặt trong ống được sơn đen để hấp thụ bức

xạ, ở giữa ống thuỷ tinh là ống kim loại có nước chảy qua. Loại này hiệu suất rất

cao nhưng đòi hỏi công nghệ chế tạo và lắp ráp mang tính công nghiệp. Nhược

điểm là giá thành cao và nặng nề. Hiện nay Trung Quốc đang phát triển thiết bị đun

nước mặt trời theo kết cấu này.



Sự khác nhau về hiệu suất của từng loại thay đổi theo công nghệ chế tạo và

chất lượng cũng như kỹ thuật sơn phủ bề mặt tấm hấp thụ. Diện tích và hiệu suất

tầm hấp thụ sẽ quyết định lượng nước nóng tạo ra. Bình bảo ôn thường được chế tạo

2 lớp, lớp cách nhiệt ở giữa bằng bông thuỷ tinh hoặc PUFoan (có độ dày lớn hơn 50

mm, đảm bảo thời gian giữ nhiệt lâu trong điều kiện mưa bão, không có nắng ).

Có hai loại bộ thu phẳng: một loại hoạt động theo chu trình đối lưu tự

nhiên và loại hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức

Bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên

Hình 1.19. là sơ đồ một bộ thu sản xuất nước nóng hoạt động theo chu trình

đối lưu tự nhiên. Nước lạnh qua bộ thu hấp thụ nhiệt và sẽ nóng lên, khối lượng

riêng giảm nên nổi lên phía trên. Phía dưới các ống áp suất nước bị giảm nên nước

lạnh lại chảy vào. Cứ như thế nước sẽ tự động chuyển động tuần hoàn theo chiều

mũi tên chỉ trên hình 19. Kết quả là dòng nước sẽ tự chảy qua bộ thu nhiều lần và do

đó nước trong bình chứa (có lớp cách nhiệt tốt xung quanh) sẽ đạt được nhiệt độ

cao.

Hình 2.19. Hệ thống bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên

Khi lấy nước nóng trong bình chứa để sử dụng, nước trong bình sẽ vơi đi và

nước lạnh tự động chảy bổ sung vào.

Ưu điểm của hệ thống đun nước nóng dùng đối lưu tự nhiên là việc chế tạo lắp

đặt bộ thu đơn giản, rẻ tiền. Tuy nhiên, hệ thống này có nhược điểm là năng suất sản

xuất nước nóng thấp. Vì vậy cấu hình sản xuất nước nóng dùng đối lưu tự nhiên chỉ

phù hợp cho việc sản xuất nước nóng dùng cho sinh hoạt trong các hộ gia đình hay

các hộ sử dụng nước nóng không nhiều lắm(khách sạn, bệnh xá, trang trại,..)

Hiệu suất bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên chỉ đạt 40-50%.



Bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức

Khi cần một lượng nước lớn thì hệ thống nước nóng đối lưu tự nhiên không thích

hợp. Khi đó người ta sử dụng hệ thống dùng đối lưu cưỡng bức. Hình 20. là sơ đồ hệ

thống sản xuất nước nóng dùng năng lượng mặt trời với chu trình đối lưu cưỡng

bức.

Hình 2.20. Hệ thống bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức.

Hệ thống bộ thu đối lưu cưỡng bức chỉ khác hệ bộ thu đối lưu tự nhiên là có

thêm một máy bơm(3). Nước bị bơm cưỡng bức chảy qua bộ thu mà không phải

chảy tuần hoàn tự nhiên như hệ thống đối lưu tự nhiên. Vì vậy hiệu suất và năng

suất của loại thiết bị này cao hơn. Hiệu suất thu nhiệt của hệ thống phụ thuộc vào tốc

độ nước chảy qua bộ thu. Để điều khiển quá trình cưỡng bức này thông thường

người ta lắp thêm một thiết bị điện tử(4), nó tự động theo dõi hiệu số nhiệt độ ΔT =

T1 – T2. Căn cứ hiệu số nhiệt độ ΔT mà thiết bị điều khiển điện tử sẽ cho bơm làm

việc hay ngừng bơm.

Trong trường hợp phải sử dụng nước nóng cho sản xuất hay các dịch vụ yêu

cầu nước nóng liên tục người ta còn lắp thêm bộ phận đun nước bằng điện hay khí

đốt dự phòng(6) cho những thời gian không có nắng .

2.4.2.3. Bếp mặt trời.

Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT

như ở Châu Phi.



H×nh 2.21. TriÓn khai bÕp nÊu c¬m b»ng

NLMT.

Ở Việt Nam việc ứng dụng

bếp năng lượng mặt trời cũng

đã được nghiên cứu và triển

khai ở một số nơi.

Năm 2000, Trung tâm

Nghiên cứu thiết bị áp lực

và năng lượng mới - Đại

học Đà Nẵng đã phối hợp

với các tổ chức từ thiện Hà

Lan triển khai dự án (30 000

USD) đưa bếp năng lượng

mặt trời - bếp tiện lợi (BTL)

vào sử dụng ở các vùng nông

thôn của tỉnh Quảng Nam

Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng đựơc đông đảo nhân dân ủng hộ.

Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi

Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm

và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT .

a) Bếp hình hộp

Nguyên lý cấu tạo bếp

Bếp nấu hình hộp có nguyên lý cấu tạo như hình 1.22. hộp bảo vệ (1) được làm

bằng gỗ (có thể làm bằng tôn), tiết diện ngang có thể hình vuông hoặc tròn. Mặt

phản xạ bên trong (2) được làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc Inox), đánh

bong nhẵn để có độ phản xạ cao. Biên dạng của mặt phản xạ là tổ hợp của mặt

Parabola tròn xoay như hình vẽ để có thể nhận ánh sáng từ mặt trời và từ gương

phản xạ (5).

Hình 2.22. Nguyên lý cấu tạo bếp


Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 32 -

Nồi chứa thức ăn (3) là nồi nấu bình thường bên ngoài được sơn màu đen (chọn

loại sơn có độ hấp thụ cao) để có thể hấp thụ ánh sáng tốt, dung tích của nồi tùy thuộc

vào kích thước của bếp và tùy thuộc vào thời gian chúng ta cần nấu chin thức ăn. Tấm

kính trong (4) là tấm kính có độ trong suốt cao để có thể cho ánh sáng xuyên qua tốt,

thường được chế tạo từ tấm kính trong có chiều dày 2 – 3 mm, tấm kính này có tác

dụng tạo “lồng kính” và giảm tổn thất nhiệt khi nấu. Gương phản xạ (5) là tấm gương

có độ phản xạ ánh sáng cao, gương có thể xoay quanh trục (6) để hướng chum tia phản

xạ từ gương vào nồi, phía sau tấm gương có tấm bảo vệ và cũng là nắp đậy của bếp

khi không sử dụng. Lớp vật liệu cách nhiệt (7) là bông thủy tinh cách nhiệt (hoặc có

thể dùng bất kỳ vật liệu cách nhiệt nào như rơm rạ … thậm chí để không chỉ có không

khí nhưng phải kín) nhằm giảm mất mát nhiệt khi nấu. Đế nồi (8) nhằm mục đích ngăn

cách giữa nồi và các bộ phận khác của bếp để giảm mất mát nhiệt khi nấu, nên đế đặt

nồi có thể là một tấm bông thủy tinh dạng ép cứng, tấm Amiang hoặc bất kỳ vật liệu gì

nhưng chịu nhiệt độ (đến 4000C) và cách nhiệt.

2.4.2.4. Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của

NLMT thì làm lạnh và điều hoà

không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất

vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó

có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc

biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh

thuộc các nước đang phát triển không

có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu

quá đắt so với thu nhập trung bình

của người dân. Với các máy lạnh làm việc

trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là

thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao.

Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy

máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế,

tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng

rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này

chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ

thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế. ở Việt Nam cũng đã có một số nhà

khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố

định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo

được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần

lắp đặt hệ thống cần phải rộng.

Hình 2.23. Tủ lạnh dùng pin mặt trời



2.4.2.5. Thiết bị chưng cất nước.

Trên trái đất của chúng ta, những nơi có nhiều nắng thì thường bị khan hiếm

nước uống. Bởi vậy năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ rất lâu để cung cấp nước

uống bằng phương pháp chưng cất từ nguồn nước bẩn hoặc nhiễm mặn. Trên hình

1.44 là sơ đồ nguyên lý của thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời đơn

giản.

Hình 2.24. Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất nước dùng NLMT.

Nước bẩn hoặc nước mặn được đưa vào khay chứa từ phía dưới và được đốt

nóng bởi năng lượng mặt trời. Phần đáy của khay được sơn đen để tăng khả năng hấp

thụ năng lượng bức xạ. Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho

nước. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ chuyển động của các phân tử nước tăng làm tăng động

năng và chúng có thể tách ra khỏi bề mặt thoáng với số lượng tăng dần. Đối lưu của

không khí phía trên mặt thoáng mang theo hơi nước tạo ra quá trình bay hơi. Hơi nước

bốc lên sẽ ngưng tụ trên bề mặt tấm che do tấm này được làm mát bởi quá trình đối

lưu không khí bên ngoài. Nước ngưng chảy xuống máng chứa ở góc dưới. Không khí

lạnh chuyển động xuống dưới tạo thành dòng khí đối lưu tự nhiên.

Để đạt hiệu quả ngưng tụ cao, tấm che phải có độ dốc đủ lớn để các giọt nước

ngưng chảy xuống dễ dàng, sao cho ở mọi thời điểm khoảng nửa bề mặt tấm che chứa

đầy các giọt nước. Quá trình ngưng tụ của nước dưới tấm che có thể là ngưng giọt hay

ngưng màng, điều này phụ thuộc vào quan hệ giữa sức căng bề mặt của nước và tấm

che. Hiện nay người ta thường dùng tấm che là kính để thuận lợi cho quá trình ngưng

giọt. Người ta thấy rằng ở những vùng khí hậu nhiệt đới hệ thống chưng cất nước này

có thể cho lượng nước ngưng tương đương với lượng mưa 0,5cm/ngày.

Nước ngưng tụ trên tấm che

Khay chứa nước được sơn

đen làm bề mặt hấp thụ

Máng chứa

nước ngưng

Nước vào



Tính toán thiết bị chưng cất nước

Quá trình chưng cất nước thực chất là một quá trình phức tạp có liên quan đến

quá trình truyền chất. Tuy nhiên có thể phân tích quá trình này một cách đơn giản như

sơ đồ hình 1.25.

Hình 2.25. Sơ đồ quá trình truyền chất trong thiết bị chưng cất nước

Giả thiết rằng nước tiếp xúc với bề mặt hấp thụ và có cùng nhiệt độ T, nhiệt độ

tấm che là T1, thì dòng nhiệt truyền qua 1 đơn vị diện tích giữa hai bề mặt được xác

định theo công thức:

q = k(T – T1) (1.35)

với k là hệ số truyền nhiệt (W/m2.K)

Có thể coi quá trình đối lưu này được tạo bởi hai dòng không khí chuyển động

ngược chiều nhau (hình 1.45), mỗi dòng có lưu lượng khối lượng tương đương là

m(kg/m2.h). Nếu coi không khí ở đây là khí lý tưởng có nhiệt dung riêng C thì dòng

nhiệt trao đổi giữa các bề mặt là:

q = mC(T – T1) (1.36)

Từ (1.35) và (1.36) tính được:

mC = k

Hay: m = k/C

Ví dụ: Với nhiệt dung riêng của không khí C = 0,28 Wh/kg.K, và với hệ số

truyền nhiệt k = 4 W/m2.K thì m = 14,3 kg/m2.h.

Dòng đi

lên với

nhiệt độ T Dòng đi

xuống với

nhiệt độ T1

Sản phẩm cuối cùng

Lọc dầu

Ép dầu

Bảo quả

Bảo quản Chưng cất thành

ethanol khô Chuyển thành đường

Sấy khô bán sản phẩm (hạt)

Thức ăn gia súc

Tách bán sản phẩm

(đường)

Hạt nông sản

Cây có đường Chưng cất tới 95%

ethanol Lên men

Pha loãng với nước Cô đặc thành xirô để dự

trữ (không bắt buộc) Tách đường

Ethanol

Methanol thô

Bảo quản

Tái sử dụng bã và dầu

Ôxy

Gỗ hoặc cây thân thảo

Methanol

Bảo quản

Chưng cất

Nén cùng với chất xúc

tác

Thay đổi thành phần khí

Thu khí

Hoá khí bằng thổi khí

ôxy

Tấm che có nhiệt độ T1



Giả sử dòng không khí đối lưu chuyển động tương tự và cùng tốc độ khi nó chứa

đầy hơi ẩm. Giả thiết này rất phổ biến khi nghiên cứu quá trình truyền chất nhưng chỉ

đúng khi quá trình xảy ra với tốc độ nhỏ.

Hơn nữa, có thể cho rằng dòng không khí rời khỏi mỗi bề mặt mang tổng lượng

hơi nước phù hợp để cân bằng với nhiệt độ tương ứng của bề mặt. Ở trạng thái cân

bằng thì có bao nhiêu phân tử nước rời khỏi mặt thoáng sẽ có bấy nhiêu phân tử nước

quay trở lại. Sau đó sự tập trung của các phân tử hơi nước trong lớp không khí gần mặt

thoáng làm cho không khí tại đây trở nên bão hoà với độ ẩm w.

Tiếp theo, nếu mô tả quá trình đối lưu bởi sự chuyển động đồng thời của hai

dòng không khí, mỗi dòng có lưu lượng m (kg/m2.h) thì lượng nước vận chuyển ra

ngoài sẽ là mw và lượng nước vào trong là mw1. Vậy lượng nước đi ra là m(w – w1)

chính là lượng nước được sản xuất ra bởi thiết bị lọc nước trên một đơn vị diện tích bề

mặt, M (kg/m2.h)

Tương tự như quá trình trao đổi nhiệt giữa hai tấm phẳng, có thể viết phương

trình cân bằng năng lượng cho thiết bị chưng cất như sau:

E = k(T – T1) + qd(T4 – T14) + mr(w – w1) (1.37)

Trong đó: E - năng lượng bức xạ mặt trời đến (W/m2),

- độ đen quy dẫn của tổ hợp bề mặt hấp thụ và tấm che,

r - nhiệt hoá hơi của nước (Wh/kg).

Với r = 660 Wh/kg; độ đen của tấm hấp thụ = 1 và độ chênh nhiệt độ trung

bình của thiết bị T = 40K thì sản lượng nước của thiết bị là:

M = (E – 160)/660 (kg/m2.h) (1.38)

Tại Hà Nội, với cường độ bức xạ trung bình E = 650 W/m2, từ (1.38) tính được

M = 0,6 kg/m2h, hay với 6 giờ nắng/ngày thì cứ mỗi ngày 1m2 bề mặt hấp thụ thiết bị

sản xuất được Mng = 3,6 kg nước.

Đối với các hệ thống lớn thường đặt cố định trên diện tích lớn thì các dòng năng

lượng chủ yếu trong một thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời khi đang

hoạt động có thể biểu diễn như hình 1.26.



HÌnh 2.26.Các dòng năng lượng chính trong thiết bị chưng cất nước kiểu bể.

Khi thiết kế cần tính toán sao cho nhiệt lượng dùng để làm bay hơi nước là lớn

nhất, đồng nghĩa với lượng nước ngưng lớn nhất thu được. Tất cả các thành phần

năng lượng tổn thất ra đáy và xung quanh cần phải hạn chế càng nhiều càng tốt.

Hầu hết các dòng năng lượng có thể xác định theo nguyên lý cơ bản, nhưng sự rò

rỉ các tổn thất qua các góc cạnh rất khó xác định và có thể gộp lại để xác định bằng

thực nghiệm nhờ các thiết bị chưng cất thực tế.

Trên hình 1.35 là các thiết bị chưng cất nước dùng NLMT đơn giản.

Hình 2.27. Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời.

2.5. Pin mặt trời

2.5.1 Mở đầu

Các tấm pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, như thường

được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay. Chúng được làm từ các vật

liệu bán dẫn tương tự như trong các con bộ điện tử trong máy tính. Một khi ánh sáng

Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt



điện tích (electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép

các hạt tích điện này di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện. Quá trình chuyển đổi

photon thành điện này này gọi là hiệu ứng quang điện. Cho dù được phát hiện từ hơn

200 năm trước, kỹ thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ

cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973

Loại thiết bị này được nghiên cứu và triển khai ứng dụng ở Việt Nam từ đầu

những năm 90. Đến năm 1994 việc triển khai ứng dụng các thiết bị này phát triển

mạnh mẽ. Thiết bị này thường được sử dụng để cung cấp điện sinh hoạt cho các hộ

dân cư ở những vùng chưa có điều kiện đưa lưới điện quốc gia đến như: vùng núi, hải

đảo, vùng sâu, vùng xa...

2.5.2. Hiệu ứng quang - điện

2.5.2.1. Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lượng

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp

Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng 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

năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương

pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình 1.36) E1<E2, bình thường điện tử chiếm

mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có

năng lượng hν (trong đó h là hằng số Planck, ν là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và

chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

h ν = E2 – E1

Hình 2.28. Hệ 2 mức năng lượng



Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài,

nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành

các vùng năng lượng (hình 1.37). Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi

ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev.

Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là

vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec. Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng

dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng

cho phép nào của điện tử.

Hình 2.29. Các vùng năng lượng

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hν tới hệ thống và bị điện tử ở vùng

hoá trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để

lại ở vùng hoá trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h+. Lỗ

trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.

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

Ev + hν -> e

- + h

+

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên

vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là

hν = hc/λ ≥ Eg = E

c - E

v .

Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e

- - h

+ :

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h

+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục

hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng lượng



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

+ chuyển đến mặt của E

v, quá trình

phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12

÷ 10-1

giây và gây ra dao

động mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph

= hν - Eg.

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng

photon hν 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.

2.5.2.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết η của quá trình biến đổi quang

điện của hệ thống 2 mức như sau:

Trong đó:

Jo(λ) là mật độ photon có bước λ

Jo(λ)dλ là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ ÷ λ + dλ

hc/λ là năng lượng của photon

Eg= là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện,

Là tổng năng lượng của các photon tới hệ

Như vậy hiệu suất η là một hàm của Eg (hình 1.38).

Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất η ≤ 0,44.

Hình 2.30. Quan hệ η(Eg)



2.5.2.3. Hiệu ứng quang điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn pn

Bán dẫn tinh khiết (Bán dẫn Si, Ge)

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng

lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián

đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với

nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các

vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính.

Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị

được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống

năng lượng.

Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng

lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.

Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà

điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử

dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng

dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.



Hình 2.31. Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng điện tử của chất bán dẫn

Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn,

không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm.

Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm

(mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ

rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng

cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải

một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

- Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn

luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện.

- Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 0K),

mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do

đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng

lượng nhiệt nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử

vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được

năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở



thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng

lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất

giảm dần theo nhiệt độ)

Bán dẫn loại n

Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm - Negative): Pha tạp một nguyên tố có hóa trị

cao hơn hóa trị của bán dẫn tinh khiết (chẳng hạn pha tạp P hóa trị V vào bán dẫn tinh

khiết Si hóa trị IV). Các nguyên tử pha tạp dùng 4 electron tạo liên kết và một electron

lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính, khi đó hệ sẽ

giàu electron và nghèo lỗ trống.

Hình 2.32. Cấu trúc năng lượng của bán dẫn loại n

Bán dẫn loại p

Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương - positive ) có tạp chất là các nguyên tố thuộc

nhóm III (pha tạp As, In hóa trị III vào bán dẫn Si hóa trị IV) dẫn điện chủ yếu bằng

các lỗ trống

http://vi.wikipedia.org/wiki/Nhi%E1%BB%87t_%C4%91%E1%BB%99

http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%87n_tr%E1%BB%9F_su%E1%BA%A5t

http://vi.wikipedia.org/wiki/Electron



Hình 1.33. Cấu trúc năng lượng của bán dẫn loại p

Lớp tiếp xúc p-n

Ghép hai lớp bán dẫn loại n và bán dẫn loại p lại với nhau ta được lớp tiếp xúc p-

n. Tại vị trí tiếp xúc, một ít electron từ bán dẫn loại n (thừa e-) sẽ tự động dịch chuyển

sang lấp vào các lỗ trống của bán dẫn loại p. Quá trình dịch chuyển của dòng electron

này sẽ tạo ra một dòng điện giữa lớp tiếp xúc, dòng điện này tạo ra lực điện trường

tiếp xúc Etx có chiều ngước với chiều dịch chuyển của các electron, có vai trò ngăn

cản sự dịch chuyển của chúng. Mặc khác, sự trung hòa về điện thế giữa 2 lớp bán dẫn

khi các electron thừa từ bán dẫn n di chuyển sang lấp vào các lỗ trống (h+) của bán

dẫn loại p sẽ làm cho lớp tiếp xúc vừa thiếu lỗ trống vừa thiếu electron, người ta gọi

đó là vùng nghèo. Do đó, sau khi ghép lớp tiếp xúc p-n lại với nhau, dòng điện không

còn xuất hiện trong lớp tiếp xúc nữa (do không còn có sự dịch chuyển của các

electron)

Nhưng nếu đưa lớp tiếp xúc p-n tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thì các photon của

ánh sáng mặt trời sẽ kích thích làm cho các electron liên kết với nguyên tử bâtj ra khỏi



nguyên tử tạo thành diện tử tự do, đồng thời để lại trong nguyên tử những lỗ trống vì

thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo cặp lỗ trống – electron. Kết quả là bán

dẫn loại p sẽ giàu lỗ trống còn bán dẫn loại n sẽ giàu electron, sự chênh lệch điện thế

sẽ được tái lập và nếu ta nối 2 lớp bán dẫn với một mạch ngoài qua một phụ tải thì các

electron từ lớp n sẽ chuyển động qua mạch ngoài đến lấp vào các lỗ trống ở bán dẫn

loại p, làm xuất hiện dòng điện trong mạch. Đó là dòng điện pin mặt trời khi được

chiếu sáng.

Hình 2.34. Nguyên lý hoạt động của lớp tiếp xúc pn

2.5.2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện

nhờ hiệu ứng quang học. Cơ sở của nguyên lý là các cơ cấu vật lý điện tử trong kỹ

thuật transitor của vật liệu bán dẫn.

Các tế bào quang điện có khả năng chuyển các photon ánh sáng thành điện. Bằng

cách nối các tế bào quang điện với nhau và ghép thành các mô đun sẽ sinh ra điện

năng. Các mô đun này được nối lại với nhau để sản xuất điện năng mà chỉ dùng mặt

trời làm nguồn nhiên liệu.



Do cấu tạo đặc biệt của các tế bào quang điện nên bên trong nó xuất hiện một lớp

biên từ trường, mặt khác theo lí thuyết vùng năng lượng khi các hạt trong tinh thể

Silicon nhận năng lượng photon của ánh sáng thì sẽ chuyển sang mức năng lượng cao

hơn do đó làm cho các loại hạt trong tinh thể, ở đây các hạt là điện tử và lỗ trống sẽ

chuyển động hỗn loạn nhưng do có lớp từ trường nên các hạt này lại chuyển động theo

hướng nhất định theo từng loại hạt và khi đó ở lớp giữa hai vùng bên ngoài của tế bào

quang điện sẽ xuất hiện một điện thế. Nối các đầu của tế bào quang điện ta được các

mô đun của pin mặt trời để sử dụng.

Hiệu suất của pin mặt trời

Hiệu suất của một mô đun pin mặt trời là tỷ số giữa công suất cực đại đạt được

và năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt của mô đun ở một nhiệt độ xác định:

M(T) = ax

1F

mP

E (1.39)

Trong đó: Pmax - công suất cực đại của mô đun pin mặt trời, W

Ft - diện tích hứng nắng của mô đun, m2

E – năng suất bức xạ mặt trời tới bề mặt mô đun, W/m2.

Ví dụ: Một mô đun pin mặt trời có tổng diện tích bề mặt 0,5 m2 và công suất cực

đại 35W đạt được tại nhiệt độ 25oC và năng suất bức xạ mặt trời 1000 W/m2. Khi đó

hiệu suất của mô đun này là:

M(25o) = = 0,07 (7%) (1.40)

Ở nhiệt độ cao hơn, hiệu suất mô đun sẽ giảm. Hiệu suất ứng với nhiệt độ làm

việc của mô đun Top và năng suất bức xạ mặt trời tới 1 kW/m2 được tính theo phương

trình sau:

M(Top) = M(25o) [(1 + PTC(Top – 25)]

Hình 2.35. Sơ đồ nguyên lý của tế bào quang

điện Silicon



pmax(Top) = Pmax(25o) [1 + PTC(Top – 25)]

Trong đó: PTC là hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ của Pmax.

Đối với mô đun ở ví dụ trên, với Pmax = - 0,003 khi nhiệt độ làm việc là 55oC thì:

M(55o) = 0,07[1 – 0,003(55 – 25)] = 0,064

Pmax(55o) = 35[1 – 0,003(55 – 25)] = 32 W

Hiệu suất mô đun là một trong những thông số quan trọng để tính toán hệ thống

pin mặt trời.

Các dạng pin mặt trời

Ở đây chỉ đề cập đến các dạng pin mặt trời quan trọng nhất đang được ứng dụng

trên trái đất. Có thể phân chia khái quát thành hai loại pin mặt trời là loại lớp dày và

loại lớp mỏng.

a) Pin mặt trời lớp dày

Trên cơ sở phát triển từ các ứng dụng vũ trụ, hiện nay các pin mặt trời chế tạo từ

silic tinh thể đang được phổ biến rộng rãi. Người ta phân biệt: pin mặt trời silic đơn

tinh thể và pin mặt trời silic đa tinh thể.

- Pin mặt trời silic đơn tinh thể được chế tạo hàng loạt có hiệu suất cao nhất. Đối

với một pin mặt trời ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 25oC, công suất bức xạ G = 1000

W/m2, phổ bức xạ/khối lượng không khí = 15) có hiệu suất vào khoảng 13 – 16%. Về

khoảng hiệu suất rộng này có thể giải thích bởi sự phân tán bất ký trong chế tạo, bởi

các quá trình công nghệ khác nhau và bởi chất lượng của silic.

- Pin mặt trời silic đa tinh thể được mô tả như sau: silic tinh thể lỏng được rót và

làm lạnh thnàh khối có chiều dài cạnh đến 40 cm.. Nhờ đó tạo ra một số lượng giới

hạn các tinh thể được định hướng. Các khối sau đó được cắt tương ứng với hướng tinh

thể có chiều dài 10 – 15 cm và tiếp tục thành đĩa (tấm) có chiều dày 0,4mm. Tuy có

quá trình công nghệ chế tạo đơn giản so với silic đơn tinh thể và có chi phí giảm thiểu

song pin silic đa tinh thể lại có hiệu suất thấp (10 – 12 %).

b) Pin mặt trời lớp mỏng

Đã từ lâu người ta tìm kiếm các biện pháp kỹ thuật để xử lý tiết kiệm một cách

cơ bản chất silic đắt tiền nhờ việc tránh hao tổn khi cắt và nhờ giảm thiểu chiều dày

lớp hoạt tính.

Các quá trình để chế tạo các pin mặt trời cực mỏng từ silic vô định hình có chiều

dày lớp khoảng 1 m hiện nay là một phát kiến tiến bộ nhất. Dạng pin này chính là pin

mặt trời lớp mỏng.

Nhờ những quá trình tương đối đơn giản, người ta tách từ pha khí ở khoảng

150oC được các lớp silic vô định hình dày khoảng 1 m. Do có tính chất hấp thụ đặc



biệt so với silic tinh thể mà các lớp silic vô định hình cực mỏng có thể hấp thụ hoàn

toàn các phôton.

Trong thực tế người ta cần điện áp cao hơn điện áp có thể cấp từ một pin riêng

biệt. Để có điện áp cao cần mắc nối tiếp nhiều pin. Đối với pin mặt trời lớp mỏng

người ta chế tạo được các mô đun điện mặt trời liên kết các mạch nối tiếp các pin riêng

biệt nhờ kỹ thuật ép mặt nạ và phương pháp lade.

Các ưu thế mang tính tiềm năng về chi phí của pin mặt trời lớp mỏng tuy nhiên

không lấn át được các hạn chế cơ bản như hiệu suất thấp (6 8%) và khả năng mở

rộng sản xuất còn bị giớ hạn nên đến nay vẫn còn chưa được phổ biến.

Đối với pin mặt trời chế tạo từ các chất bán dẫn liên kết, các lớp hoạt tính của nó

là hỗn hợp của các vật liệu bán dẫn khác nhau, thí dụ từ galli – arsen, cadmisinfid -

đồng sunfit, đồng – indi-selen (Cí) có triển vọng phát triển nhất. Ưu thế cơ bản so với

silic tinh thể (lớp dày) của loại này là có kết cấu rất mỏng (2 3 m), điều này cho

khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn. Do phát triển mạnh pin CiS nên ở Mỹ loại pin này

có khả năng bổ xung và thay thế các pin mặt trời vô định hình.

Trong tương lai người ta sẽ tiến hành nghiên cứu để chế tạo pin mặt trời từ liên kết

silic – germani, mà theo lý thuyết khi được bổ sung chính xác một lượng C và H trên

những khoảng cách giải mong muốn sẽ có thể đạt hiệu suất 20%.

2.5.2.5. Ứng dụng pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến

đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng

mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT dưới dạng này được

phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã

ứng dụng pin mặt trời trong rất nhiều dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ

dùng hàng ngày. Pin mặt trời còn dùng để chạy xe ôtô thay thế dần nguồn năng lượng

truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình.

Trong công nghệp người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống điện dùng pin mặt trời với

công suất lớn.

Hiện nay giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay

khoảng 5USD/WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả

năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà

đường điện quốc gia chưa có.



Hình 2.36. Xe dùng Pin NLMT

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện công việc

xây dựng các trạm điện dùng pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu

sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông

Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng

xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta.

Trên thế giới người ta bắt đầu xây dựng các nhà máy quang điện mặt trời với công suất

lớn.

Hình 2.37. Lắp pin NLMT cho nhà ở

Một nhà máy điện mặt trời quy mô lớn công suất 154MW nối với lưới điện

quốc gia với trị giá 420 triệu Đôla, đây là nhà máy quang điện lớn nhất và hiệu quả

nhất thế giới sẽ được xây dựng ở Tây Bắc bang Victoria - Australia. Nhà máy này sẽ

sử dụng công nghệ tập trung quang năng bằng kính hướng nhật (HCPV) (Các tấm



gương dò theo hướng mặt trời). Nhà máy sẽ bao gồm nhiều bãi đặt kính hướng nhật

thu ánh nắng mặt trời vào các bình chứa. Các thiết bị thu này chứa nhiều module gồm

nhiều dãy tấm pin mặt trời hiệu suất siêu cao sẽ chuyển trực tiếp ánh sáng mặt trời

thành điện năng.



CHƯƠNG III. THỦY NĂNG, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ ỨNG DỤNG

3.1. Phương pháp tập trung năng lượng và các dạng trạm thủy điện

Từ thời xa xưa con người đã biết lợi dụng sức nước để thay thế môt số công việc

nặng nhọc như đưa nước từ suối lên ruộng bằng các cọn nước, giã gạo bằng sức nước

mà hiện nay các dân tộc miền núi nước ta vẫn đang dùng. Đến thế kỷ thứ 18 khi phát

minh ra turbin hơi nước thì việc lợi dụng sức nước càng thuận lợi và kỹ thuật ngày

càng hoàn thiện hơn.

Kinh nghiệm của nước ta cũng như các nước đang phát triển cho thấy: ở những

hợp tác xã hay cụm dân cư miền núi thì không nhất thiết phải dùng điện làm năng

lượng chạy máy bơm nước, máy xát gạo … Vì như vậy sẽ đòi hỏi lắp đặt máy phát

điện có công suất lớn, dùng các động cơ điện cho máy công tác, thiết bị dây dẫn, … và

đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu lớn. Để tiết kiệm người ta lắp đặt các máy bơm nước trực

tiếp, máy xay xát gần turbin, đấu trực tiếp hoặc qua dây đai để turbin kéo máy công tác

quay. Như vậy dùng ngay thuỷ năng để phục vụ sản xuất.

Chỉ riêng các máy công tác không thể đặt gần turbin do khó khăn về vận chuyển

sản phẩm hoặc địa điểm thì cần dẫn điện tới nơi đặt máy. Như vậy nhu cầu điện sẽ

gồm các máy công tác đặt ở xa, điện thắp sáng, điện truyền thanh, … Tổng nhu cầu

điện sẽ là cơ sở để xác định công suất máy phát điện. Làm như vậy thì turbin vừa cung

cấp điện năng vừa cung cấp thuỷ năng.

Hiện nay nhiều nước đã có tiêu chuẩn phân loại thuỷ điện nhỏ theo cấp công suất

của trạm như sau:

- Loại cực nhỏ (micro) từ 100 kW trở xuống

- Loại nhỏ (mini) từ 101 1000 kW

- Loại vừa từ 1000 10.000 hoặc 20.000 kW

3.1.1. Tính toán đơn giản công suất dòng chảy

Trong turbin nước, động năng của dòng chảy được biến đổi thành chuyển động

quay (cơ năng) và được xác định bằng chiều cao của cột nước và lưu lượng dòng chảy.

Đối với thuỷ điện nhỏ có thể dùng công thức đơn giản sau đây để tính công suất:

H×Q

P = 200

(3.1)

Trong đó:

P – công suất (kW);



H - độ cao cột nước (m);

Q – lưu lượng dòng chảy (lít/ngày) với hiệu suất toàn bộ tính bằng 50%

Một điều đáng chú ý là các sông suối nhỏ rất thiếu về số liệu thuỷ văn, vì vậy cần

phải kết hợp với việc đo trực tiếp và tìm hiểu kinh nghiệm của người dân sống lâu năm

ở địa phương về mức nước cao nhất đã từng thấy trong mấy chục năm qua cũng như

mức nước về mùa cạn. Muốn cho trạm hoạt động quanh năm thì phải căn cứ vào mức

nước mùa cạn để tính toán, nhưng như vậy công suất của trạm sẽ bị hạn chế. Ngược lại

nếu tính toán theo mức nước mùa mưa thì công suất trạm sẽ lớn nhưng thời gian hoạt

động của trạm lại bị hạn chế. Vì vậy cần lựa chọn công suất và cột nước sao cho có lợi

nhất và phù hợp với nhu cầu của địa phương là vấn đề cần lưu ý khi thiết kế trạm thuỷ

điện nhỏ.

3.1.2. Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn

Xây dựng đập tại một tuyến thích hợp nơi cân khai thác. Đập tạo ra cột nước do

sự chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập. Đồng thời tạo nên hồ chứa có tác dụng tập

trung và điều tiết lưu lượng, làm tăng khả năng phát điện trong mùa kiệt, nâng cao

hiệu quả lợi dụng tổng hợp nguồn nước như cắt lũ chống lụt, cung cấp nước, nuôi cá,

vận tải thuỷ…

Phương thức tập trung cột nước được gọi là phương thức khai thác kiểu đập.

Phương thức này có ưu điểm là vừa tập trung được cột nước vừa tập trung và điều tiết

lưu lượng phục vụ cho việc lợi dụng tổng hợp nguồn nước. Song nó có nhược điểm là

đập càng cao, khối lượng xây lắp càng nhiều, kinh phí lớn, ngập lụt và thiệt hại nhiều.

Khi thiết kế xây dựng phải thông qua tính toán kinh tế kỹ thuật , so sánh lựa chọn

phương án có lợi.

Sơ đồ khai thác kiểu đập thường thích ứng với các vùng trung du của các sông

nói có độ dốc lòng sông tương đối nhỏ, địa hình địa thế thuận lợi cho việc tạo nên hồ

chứa có dung tích lớn là tổn thất ngập lụt tương đối nhỏ. Ngược lại ở vùng thượng lưu,

do lòng sông hẹp, độ dốc lòng sông lớn nên dù có làm đập cao cũng khó tạo thành hồ

chứa có dung tích lớn. Ở hạ lưu, độ dốc lòng sông nhỏ, xây đập cao dẫn đến ngập lụt

lớn thiệt hại nhiều. Cho nên ở vùng này ít có điều kiện khai thác kiểu đập.

3.1.3. Phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn

Ở những đoạn sông thượng lưu, độ dốc lòng sông thường lớn, lòng sông hẹp, dùng

đập để tạo nên cột nước thường không có lợi cả về tập trung cột nước, tập trung và



điều tiết lưu lượng. Trong trường hợp này cách tốt nhất là dùng đường dẫn để tạo

thành cột nước.

Đặc điểm của phương thức này là cột nước do đường dẫn tạo thành. Đường dẫn có

thể là kênh máng, ống dẫn hay đường hầm có áp hoặc không áp. Đường dẫn có độ dốc

nhỏ hơn sông suối, nên dẫn càng đi xa độ chênh lệch giữa đường dẫn và sông suối

càng lớn, ta được cột nước càng lớn. Hay nói cách khác, đường dẫn dài chủ yếu để

tăng thêm cột nước cho trạm thủy điện. Đập ở đây thấp và chỉ có tác dụng ngăn nước

lại để lấy nước vào đường dẫn. Do đập thấp nên nói chung tổn thất do ngập lụt nhỏ.

Đối với sơ đồ khai thác này tuỳ tình hình và yêu cầu cụ thể mà có thêm các

công trình phụ khác như: cầu máng, xi phông, bể áp lực, tháp điều áp, bể điều tiết

ngày.vv…

Cách tập trung cột nước bằng đường dẫn được ứng dụng rộng rãi ở các sông

suối miền núi có độ dốc lớn và lưu lượng nhỏ.

3.1.4. Phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy

Khi vừa có điều kiện xây dựng hồ để tạo ra một phần cột nước và điều tiết lưu lượng

lại vừa có thể lui tuyến nhà máy ra xa đập một đoạn nữa để tận dụng độ dốc lòng sông

làm tăng cột nước, thì cách tốt nhất là dùng phương pháp tập trung cột nước bằng đập

và đường dẫn.

Với phương thức này, cột nước của trạm thuỷ điện do đập và đường dẫn tạo thành.

Đập thương đặt ở chỗ thay đổi độ dốc của lòng sông nơi khai thác.

3.2. Các kiểu turbin nước thông dụng

3.2.1.Turbin Pelton

Về nguyên lý, bánh xe nước cổ xưa được áp dụng vào bánh xe của turbin Pelton, bao

gồm một bánh xe xung quanh có gắn các gáo, một vòi phun nước cao tốc phun nước

vào gáo và đẩy bánh xe quay. Tốc độ của turbin được điều chỉnh bởi đầu kim đặt trong

vòi phun. Khi đầu kim trong vòi phun chuyển động sẽ tăng hoặc giảm lượng nước

phun vào gáo. Trong trường hợp phụ tải giảm đột ngột thì có bộ phân lái tia nước sẽ

lái một phần tia nước lệch đi cho đến khi kim phun điều chỉnh giảm dòng nước đến

mức thích hợp. Nếu không có bộ phận lái tia nước mà kim phun đóng đột ngột dòng

nước sẽ gây ra hiện tượng xô nước làm hư hại hệ thống dẫn nước.

Loại turbin này thường dùng cho các trạm thuỷ điện có cột nước cao trên 40m. Ở nhà

máy thuỷ điện Đa Nhim được đặt 4 turbin Pelton với cột nước 800m. Một số trạm thuỷ



điện có cột nước trên 100m cũng được đặt loại turbin Pelton này (trạm thuỷ điện Bạch

Mã ở Thừa Thiên - Huế)

Hình 3.1. Turbin Pelton.

3.2.2. Turbin Francit

Đa số trường hợp cột nước lớn hoặc nhỏ người ta đều dùng turbin này. Cấu

tạo của turbin Francit gồm có: Buồng xoắn bao quanh, ở chu vi bên trong của

buồng xoắn có gắn các cánh hướng dòng nước theo hướng chảy tối ưu đi vào các

cánh cong gắn trên bộ phận quay làm turbin quay, sau đó nước thoát ra ở trung tâm

turbin. Các cánh hướng dòng nước được điều chỉnh sao cho thích hợp với hướng

biến đổi của lưu lượng nước và phụ tải của turbin. Do thay đổi khi thiết kế, loại

turbin này có thể dùng ở phạm vi cột nước từ 30 – 700m và hiện nay được đặt

nhiều ở các trạm thuỷ điện nhỏ ở nước ta có ký hiệu là F10 và F30.



Hình 3.2. Turbin Francit

3.2.3. Turbin Kaplan

Đối với trường hợp cột nước rất thấp và lưu lượng lớn, turbin đặt ngay ở đập

ngăn sông thì người ta thường dùng turbin Kaplan. Cấu tạo của loại turbin này gồm

có các cánh hướng điều chỉnh dòng nước sao cho thích hợp với lưu lượng và phụ

tải. Dòng nước vào làm quay bộ phận quay có gắn các cánh chân vịt, sau đó nước

thoát ra ở bên dưới.



Hình 3.3. Turbin Kaplan Hình 3.4. Turbin Michel-Banki

3.2.4. Turbin Michel - Banki

Đặc điểm chính của loại turbin này là dòng nước được phun thẳng góc với tiết

diện của các cánh gắn trên phần quay hai lần: lần thứ nhất nước vào cánh rồi đi vào

trung tâm, sau đó nước lại đập vào cánh ở phía đối diện rồi thoát ra ngoài, nhờ vậy

việc biến đổi năng lượng được thực hiện hai lần.

Loại turbin này có thể dùng ở cột nước từ 2 – 100m, chế tạo đơn giản hơn so

với các loại trên nên được dùng phổ biến ở nước ta và các nước đang phát triển.

3.3. Ưu điểm và nhược điểm của thủy điện

3.3.1. Các tác động về môi trường

a) Thuận lợi

Thủy điện có rất nhiều mặt lợi thế trong các dạng năng lượng sản xuất điện

khác, trong đó cần kể đến mức độ tin cậy cao, giá thành phải chăng và dễ dàng đáp

ứng với sự thay đổi nhanh chóng về tiêu thụ điện. Do các tổ máy phát điện có thể

vận hành hoặc ngưng lại một cách tương đối nhanh chóng và dễ dàng, thủy điện có

thể tự điều chỉnh đáp ứng linh hoạt theo mức nhu cầu tải. Mặt khác, tại các nhà

máy thủy điện, người ta còn có khả năng điều chỉnh lưu lượng nước cho phù hợp

với nhu cầu tải theo từng ngày hoặc theo mùa.

Mặt khác, các nhà máy thủy điện không thải các khí độc hại. Các nhà máy

thủy điện chỉ thải ra một lượng rất nhỏ các khí CO2 và mêtan (chủ yếu từ các hồ

trữ), và không thải ra các chất khí độc hại khác như SO2, NO2 và các khí ô nhiễm

bắt nguồn từ việc đốt nhiên liệu như ở các nhà máy nhiệt điện.

Hồ trữ nước còn có thể được sử dụng như một phương tiện cung cấp nước,

kiểm soát lũ lụt. Tại khu vực các nhà máy thủy điện, có rất nhiều cơ hội để phát

triển các sinh hoạt giải trí ngoài trời. Các hồ trữ tạo các khu vực cho các hoạt động

như chèo thuyền, câu cá, trượt nước và bơi. Khu vực hạ lưu có thể tạo điều kiện

cho các hoạt động giải trí liên quan đến dòng chảy như câu cá, chèo thuyền, trượt

nước (water rafting)... Khu vực đất đai xung quanh nhà máy thủy điện có thể tạo ra



rất nhiều nguồn lợi, ví dụ như các hoạt động cắm trại, pinic, leo đồi, cũng như các

hoạt động văn hóa và giáo dục khác.

b) Bất lợi

Tuy rằng thủy điện được xem là nguồn năng lượng sạch và tái tạo, việc phát

triển các nhà máy thủy điện có thể gây ra các tác động lớn về môi trường. Sau đây

là một số ví dụ thường gặp:

- Việc xây dựng các hồ trữ làm thay đổi cảnh quan thiên nhiên

- Việc thay đổi dòng chảy của sông dẫn tới sự thay đổi môi trường sống của

cá

- Các đập thủy điện gây ra sự đứt đoạn đường di trú của các loài cá khác

nhau (như cá hồi sông Mê Kông – Xem Mekong Commission)

- Làm chết hoặc bị thương các loài cá trên đường di chuyển của chúng qua

turbin

- Các đập thủy điện có thể gây thay đổi lớn trong chất lượng và khối lượng

của nguồn nước uống và sinh hoạt

- Thủy điện gây ra đoạn sông chết từ sau đập đến nhà máy và gây các ảnh

hưởng khác ở hạ lưu

Một số tài liệu gần đây cho biết thủy điện vẫn có khả năng sinh khí nhà kính,

đặc biệt là mê tan. Việc sinh khí mê tan là do các thực vật, tảo lắng trong các bể

chứa, phân rã trong môi trường yếm khí dưới lòng hồ. Khí mê tan được thải vào

khí quyển khi nước được xả ra từ các bể chứa và quay các turbin. Theo báo cáo của

World Comission on Dams (WCD), ở những hồ trữ được xem là vượt quá công

suất vận hành của đập (dưới 100 W/m2) và không có việc nạo vét lòng hồ một cách

tích cực, lượng khí nhà kính thải ra từ đập thủy điện có thể ngang bằng với lượng

khí thải từ các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch có cùng công suất.

Các nhà môi trường trong thời gian gần đây đã nhấn mạnh về các mối lo ngại

của họ về việc các đập thủy điện cỡ lớn có thể gây phân đoạn hệ thống sinh thái

của môi trường xung quanh. Các nghiên cứu cho thấy các đập thủy điện dọc theo

bờ Thái Bình Dương và Đại Tây Dương ở Bắc Mỹ là nguyên nhân của sự sụt giảm

lượng cá hồi do đường di chuyển lên môi trường sinh sản ở thượng nguồn bị chặn

đứt bởi các turbin, dù rằng các đường dẫn cá (fish-ladder) đã được thiết lập tại hầu

hết các đập này. Cá hồi con cũng là nạn nhân của các turbin thủy điện trên đường

di chuyển của chúng về hạ lưu. Chính vì những lý do này mà hiện nay người ta

đang cố gắng tập trung vào các nghiên cứu thiết kế turbin và nhà máy thủy điện có

khả năng giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường.



Như vậy rõ ràng rằng, việc xây dựng các đập thủy điện lớn ở thượng nguồn

có thể gây xáo động rất lớn về quần thể sinh thái, cảnh quan, tác động lớn đến

ngành đánh cá và tưới tiêu nông nghiệp. Trước nhất, nước sông chảy qua turbin

chứa rất ít phù sa, từ đó có khả năng gây ra hiện tượng sục sạch bùn ở lòng sông và

gây ra lở bờ ở phía hạ lưu. Thứ hai, do turbin thường được đóng mở một cách gián

đoạn, dẫn đến dao động bất thường và đột xuất của lưu lượng sông. Cuối cùng,

nước chảy trong turbin thường có nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ bình

thường của sông, điều này dẫn đến sự thay đổi quần thể động thực vật, trong đó có

thể có những loài đang bị nguy cơ tuyệt chủng.

Theo thống kê của Quĩ Hoang Dã Quốc Tế (WWF), 60% trong số 227 con

sông lớn nhất đã bị phân đoạn nặng nề, trong đó các đập nước (gồm có đập thủy

điện) được xem là có trách nhiệm lớn nhất. Trong số này, theo ước lượng của

LHQ, chỉ mới 1/3 tổng số tiềm năng thủy điện được khai thác trên toàn thế giới và

phần lớn số tiềm năng chưa được khai thác nằm ở các nước đang phát triển.

Như vậy, với chiến dịch xóa đói giảm nghèo ở các nước đang phát triển, mà

bước quan trọng là điện khí hóa nông thôn, việc xây dựng chính sách sử dụng tiềm

năng thủy điện hợp lý và kế hoạch chi tiết và cẩn trọng đóng một vai trò vô cùng

quan trọng. Việc đầu tư phát triển cho các hệ thống thủy điện phân tán -

Decentralized Hydro Power (các hệ thống micro hoặc pico hydro) cho các vùng

sâu vùng xa (không có khả năng kết nối vào lưới điện quốc gia) có thể là một giải

pháp vô cùng hiệu quả so với việc đầu tư vào xây dựng các nhà máy thủy điện lớn

tốn kém với cái giá phải trả về lâu về dài về môi trường.

3.3.2. Các tác động về xã hội

Các tác động về mặt xã hội do dự án thủy điện thường liên quan đến vấn đề

chuyển hóa đất sử dụng trong khu vực khai triển thủy điện và vấn đề di dời dân cư

trong vùng xây dựng bể chứa. Mức độ ảnh hưởng của các tác động này phụ thuộc

vào qui mô khai triển dự án. Đây là một vấn đề quan trọng mà các nhà qui hoạch

dự án thủy điện cần phải đưa vào tính toán ngay những giai đoạn đầu trong quá

trình thiết kế và lên kế hoạch khả thi, nhằm mục đích xác định cụ thể các mặt tiêu

cực của việc khai triển thủy điện trong khu vực có tiềm năng, và cân nhắc kỹ lưỡng

với các mặt tích cực mà thủy điện có thể đem tới.

Một vấn đề khác trong quá trình xây dựng đập thủy điện là việc tái định cư

cho người dân sống trong khu vực qui hoạch hồ nước. Việc đền bù giải tòa không

chỉ đơn thuần là vấn đề về tài chính mà còn phải xét đến các vấn đề khác như di

sản văn hóa, di tích lịch sử và các địa điểm gắn liền với các truyền thống tôn giáo

và tín ngưỡng



3.4. Khái niệm cơ bản về năng lượng gió

3.4.1. Tổng quan về năng lượng gió.

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng quan trọng và có tiềm năng rất lớn.

Đây là dạng năng lượng sạch, phong phú và là nguồn cung cấp năng lượng gần như vô

tận. Công nghệ và kỹ thuật khai thác năng lượng gió phát triển vượt bậc trong 2 thập

kỷ vừa qua, ví dụ như công suất turbin gió hiện nay lớn gấp 100 lần so với 20 năm

trước. Do đó, năng lượng gió được liệt vào một trong những dạng năng lượng hoàn

nguyên sản xuất điện năng phát triển nhanh nhất trong thời gian gần đây, với tốc độ

gia tăng trung bình mỗi năm là 26%. Cho đến cuối năm 2003, điện gió được phát triển

tại hơn 50 quốc gia trên thế giới, với tổng công suất điện toàn cầu đạt tới 40.300 MW,

trong đó Châu Âu chiếm 73%. 5 quốc gia đứng đầu về sản xuất điện gió là Đức, Mỹ,

Tây Ban Nha, Đan Mạch và Ấn Độ, chiếm 84% tổng công suất toàn cầu.

Các lợi thế chính của năng lượng gió:

Sạch, không gây ô nhiễm: năng lượng gió không thải khí và suy kiệt theo thời

gian.

Tăng cường phát triển kinh tế địa phương: các nông trại gió có khả năng nâng

cao thu nhập của chủ đất qua các hình thức cho thuê đất để phát triển trại gió,

đưa tới việc tăng lợi tức từ thuế cho cộng đồng địa phương.

Đa dạng về hình thức và qui mô: ứng dụng năng lượng gió gồm nhiều hình thức

và qui mô từ nhỏ đến lớn, từ các trại gió tập trung đến các hệ thống phát điện

gia dụng.

Ổn định giá năng lượng: với khả năng đóng góp và đa dạng hóa năng lượng,

năng lượng gió có thể góp phần giảm sự phụ thuộc vào các dạng năng lượng

truyền thống (năng lượng hóa thạch) vốn thay đổi theo giá thành và khả năng

cung cấp.

Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, góp phần giữ vốn đầu tư nội địa

và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu từ nước ngoài.

Với vai trò và khả năng giảm thiểu tỷ lệ khí nhà kính của năng lượng gió, các nước

phát triển đang đẩy mạnh các kế hoạch khai triển điện gió đầy tham vọng. Trong đó

gần đây nhất là các dự án phát triển điện gió ngoài khơi, cho dù dạng điện gió ngoài

khơi thường có chi phí khai thác cao hơn nhưng nguồn gió rất dồi dào và ít các tác

động môi trường hơn.



Điện gió cũng đang thu hút dần dần sự chú ý của các nước đang phát triển do nó có

thể được khai triển tương đối nhanh chóng ở những khu vực đang có nhu cầu cấp bách

về điện năng. Điện gió cũng có thể là giải pháp có hiệu quả kinh tế để thay thế một khi

các nguồn nhiên liệu truyến thống bị khan hiếm hoặc giá cả dao động mạnh, bất ổn.

Điện gió cũng có những ứng dụng rất phù hợp ở các địa phương vùng sâu vùng xa do

khả năng linh hoạt của nó trong qui mô khai triển.

3.4.2. Đặc trưng năng lượng gió

Điều kiện trước hết cần thiết cho việc khai thác một cách kinh tế năng lượng gió là

sự hiểu biết về chế độ gió của vùng nghiên cứu, điều này đã được ghi trong bản đồ.

Các turbin gió chỉ bắt đầu quay tại vận tốc gió 2 – 3 m/s, vận tốc này gọi là vận tốc

cắt.

Công suất P của turbin gió tỷ lệ bậc 3 với vận tốc gió và được tính theo công

thức sau:

P = 31ρAv

2 (3.1)

Với: v - vận tốc gió (m/s)

- khối lượng riêng của không khí (kg/m3)

A - diện tích bề mặt cánh (m2)

Công suất P của turbin cũng có thể được tính theo công thức kinh nghiệm:

P = 0,2D2v3 (3.2)

Trong đó: D - đường kính ngoài của turbin (m)

0,2 - hệ số đặc trưng cho cấu tạo của turbin

Để nghiên cứu tính chất hoạt động của các turbin gió và khả năng chuyển đổi

sức gió người ta đưa ra hệ số công suất, là tỷ số giữa công suất đầu ra thực tế của

turbin với công suất lý thuyết. Hệ số công suất phụ thuộc vào tỷ số giữa vận tốc

đầu cánh với vận tốc gió. Công suất danh nghĩa của turbin gió bị hạn chế việc thiết

kế thường đạt tại vận tốc 10 – 12 m/s.

Một điều bất lợi đối với turbin gió là nó chỉ sử dụng được ở những nơi có gió

thổi. Ngoài ra, các thiết bị kèm theo để biến đổi năng lượng gió thành năng lượng

điện rất đắt tiền, thí dụ: các bộ điều chỉnh ăcqui, thiết bị chống nhiễu cho sóng vô

tuyến dân dụng, … Để tích luỹ năng lượng cho những thời gian không có gió,

người ta đã nghĩ đến việc nghiên cứu thiết kế và sử dụng các bể lưu trữ khinh khí

hoặc bể lưu trữ khí nén.



Hình 3.6. Hoạt động của các rotor gió khác nhau

Hiện nay trên thế giới người ta vẫn tiến hành nghiên cứu và phát triển turbin

gió nhằm nâng cao hiệu suất và tính kinh tế. Ở các nước đang phát triển đã xuất

hiện nhiều ứng dụng có ý nghĩa như chạy bơm nước và phát điện cho những vùng

có chế độ gió trung bình và những nơi có nhu cầu sử dụng có hiệu quả kinh tế.

Việc thiết kế và chế tạo những turbin gió đơn giản bằng những nguyên liệu sẵn có

ở địa phương là điều có thể làm được. Tuy nhiên những turbin gió giá thấp phải là

những turbin được chế tạo theo phương pháp công nghiệp. Hệ thống biến đổi năng

lượng gió đòi hỏi đầu tư cao, do đó yêu cầu tuổi thọ phải đạt trên 10 năm.

Một số nhà nghiên cứu đã đề nghị thiết kế những turbin có công suất lớn đến

15 kW cho bơm nước và máy phát điện thay thế cho động cơ diesel ở những vùng

nông thôn.

3.4.3. Động cơ gió

Turbin gió thu năng lượng nhờ chuyển đổi lực thổi của gió thành lực quay để

quay các quạt của rotator. Năng lượng chuyển đổi từ gió sang rotator phụ thuộc vào

mật độ không khí, diện tích rotator và vận tốc gió.



Ba thành phần chính trong Turbin gió bao gồm rotor, nacelle (trong đó có hộp điều

tốc: gearbox, máy phát điện và hộp điều khiển và thiết bị theo dõi) và cột/tháp chống

(tower). Turbin gió hiện đại cỡ lớn bao gồm rotor ba lưỡi quạt với đường kính từ 42-

80 m, máy phát công suất 600 kW – 2 MW, lắp trên tháp chống cao từ 40-100m. Các

trại điện gió hoặc công viên điện gió bao gồm tập hợp các turbin dạng này.

20 năm về trước, những turbin gió đầu tiên ra đời có công suất tương đối nhỏ

(50-100 kW, đường kính từ 15-20 m). Từ đó trở đi, công suất của turbin gió tăng

không ngừng. Ngày nay, các turbin thương mại có mức xấp xỉ 1 MW và các turbin gió

ngoài khơi có công suất lên đến 3 MW. Việc tăng công suất của turbin có 2 thuận lợi

chính: giảm giá thành và tăng sản lượng. Độ tin cậy của các turbin cũng được cải thiện

đáng kể (95%).

Hầu hết các turbin hiện nay trên thế giới là dạng 3 lưỡi quạt nhựa gia cố. Ngoài ra

còn một số dạng khác như turbin 2 lưỡi quạt (thậm chí 1 lưỡi quạt) với các dạng vật

liệu làm lưỡi quạt khác nhau (như wood epoxy). Các turbin đa tốc ngày càng trở nên

phổ biến với khả năng gia tăng sản lượng điện qua việc ứng dụng hệ thống



AC/DC/AC. Ngoài ra hệ thống đa tốc còn có những thuận lợi rõ rệt khác, ví dụ như

rotor quay chậm hơn khi gió thổi nhẹ (vận tốc nhỏ), do đó giảm tiếng ồn ...

Các tháp đỡ thường được làm bằng thép và đa số là có dạng ống. Các tháp lattice,

vốn rất phổ thông ở các turbin thế hệ cũ, hiện giờ rất hiếm, chỉ trừ đối với trường hợp

các turbin công suất từ 100 kW trở xuống

Ngoài ra, do công suất gió tăng rất nhanh so với sự gia tăng vận tốc của gió (xem

công thức), người ta còn phải thiết kế các hệ thống giới hạn công suất gió của turbin

trong trường hợp turbin vận hành trong điều kiện gió lớn. Có 2 dạng thiết kế phổ biến

là dạng rotor điều tốc (stall controlled rotor) và dạng hiệu chỉnh công suất đỉnh (pitch-

controlled).

3.5. Ứng dụng động cơ gió

3.5.1. Ứng dụng động cơ gió bơm nước

Một trong những ứng dụng sức gió trong sản xuất là sử dụng trực tiếp năng

lượng cơ học của turbin để chạy bơm nước. Trường hợp này người ta gọi là động cơ

gió. Hình 3.7 giới thiệu sơ đồ hoạt động của một động cơ gió trục ngang nhiều cánh

quay để kéo bơm nước. Hệ thống bơm nước dùng sức gió kiểu này có thể đưa nước

lên cao 100m.

Động cơ nước được thiết kế phải đạt được các yêu cầu sau:

Khởi động và bắt đầu làm việc ở vận tốc 2m/s.

Làm việc với hiệu suất cao ở tốc độ gió 2,5 - 3m.

Tự động định hướng theo chiều gió và hạn chế số vòng quay khi gió quá

mạnh, có bộ phận tự đóng mở an toàn khi có gió bão lớn.

Đạt dược hiệu suất tương đối cao, kích thước gọn nhẹ, kết cấu đơn giản, giá

thành hạ.

Nguyên lý làm việc của máy bơm chạy bằng sức gió như sau: chuyển động

quay của turbin gió 1 được biến thành chuyển động tịnh tiến của thanh truyền 4

nhờ cơ cấu biên tay quay, qua cần bẩy 5, thanh nối 6 đến piston 7. Để đảm bảo việc

tư động định hướng theo chiều gió, turbin dược đặt trên hai ổ đỡ bi côn và có thể

quay tự do, ống trong của ổ đỡ dược bố trí con trượt và cơ cấu tay quay con trượt.

Có thể tham khảo các thông số kĩ thuật của một hệ thống bơm nước chạy

bằng sức gió đã được đo đạc, kiểm tra đánh giá theo kết quả tính toán lý thuyết

dưới đây:

Đường kính turbin: 3,3m

Tỷ số giữa tốc độ quay đầu cánh quạt và tốc độ gió: 1,3



Chiều cao cột đỡ : 3,5m

Khối lượng turbin: 150kg.

Nhờ có cơ cấu tự động nên hạn chế được tốc độ quay, đảm bảo động cơ làm

việc an toàn. Khi tốc độ gió lớn hơn 7 m/s, cánh hướng gió sẽ chuyển động lệch đi

một góc nào đó để hạn chế tốc độ quay của turbin. Khi tốc độ gió nhỏ hơn 7 m/s

cánh hướng gió nằm vuông góc với hướng gió. Khi có gió bão lớn hơn 14 m/s thì

turbin ngừng quay. Máy còn được thiết kế tời quay chủ động ngừng hoạt động khi

dông bão.

3.5.2. Ứng dụng động cơ gió phát điện

Biến đổi sức gió thành điện năng là một biện pháp khá thuận tiện trong sử

dụng năng lượng gió, song hiện nay quá trình này đòi hỏi chi phí quá lớn. Trên thị

trường người ta chào bán hàng loạt turbin gió, từ turbin cỡ nhỏ công suất 200W có

giá bán khoảng 2000 USD/1kW, cỡ 5 kW giá khoảng 600 USD/1kW, tới các turbin

công suất lớn 800 kW.

Dưới đây giới thiệu một số máy phát điện bằng sức gió đang có trên thị

trường.

Hình 3.8. Máy bơm nước piston chạy bằng

sức gió 1. Turbin gió; 2. Trục; 3. Tay quay;

4. Thanh truyền; 5. Đòn bẩy; 6. Thanh nối;

7. Piston; 8. Cột đỡ



Hình 3.9. Máy phát cỡ nhỏ công suất 100W, đường kính vòng ngoài 910 mm.

Hình 3.10. Máy phát công suất 250 và 600 W

Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ

có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng

lượng liên tục. Tại châu Âu các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó

mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần. Một khả năng khác là sử dụng

các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng

nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió. Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính

xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện. Xây



dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây

chúng trên các đỉnh núi cao.

Trên nhiều thị trường điện, năng lượng gió phải cạnh tranh với các nhà máy điện

mà một phần đáng kể đã được khấu hao toàn bộ từ lâu, bên cạnh đó công nghệ này

còn tương đối mới. Vì thế mà tại Đức có đền bù giá giảm dần theo thời gian từ những

nhà cung cấp năng lượng thông thường dưới hình thức Luật năng lượng tái sinh, tạo

điều kiện cho ngành công nghiệp trẻ này phát triển.

Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước

với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy điện dùng năng lượng gió với

khoảng cách xa so với các nước còn lại (bảng 3.1)

Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng lượng gió liên tục trong

nhiều năm qua được khuyến khích bằng các chính sách hỗ trợ. Nhờ vào đó mà một

ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này.

Mặc dù là các quốc gia còn lại, ngoại trừ Ai Cập với 145 MW, đều có công suất

lắp đặt ít hơn 100 MW, có thể nhận ra được là nhiều nước chỉ mới khám phá ra năng

lượng gió ở những năm gần đây và được dự đoán là sẽ có tăng trưởng mạnh trong

những năm sắp đến. Trong năm 2005 theo dự đoán sẽ có khoảng 10.000 MW được lắp

đặt mới trên toàn thế giới mà trong đó có vào khoảng 2.000 MW là ở Đức.

Bảng 3.1. Công suất điện sản xuất từ năng lượng gió trên thế giới.

Số thứ tự Quốc gia Công suất

(MW) Số thứ tự Quốc gia

Công suất

(MW)

01 Đức 16.628 12 Bồ Đào Nha 523

02 Tây Ban Nha 8.263 13 Hy Lạp 466

03 Hoa Kỳ 6.752 14 Canada 444

04 Đan Mạch 3.118 15 Thụy Điển 442

05 Ấn Độ 2.983 16 Pháp 390

06 Ý 1.265 17 Úc 380

07 Hà Lan 1.078 18 Ireland 353

08 Nhật 940 19 New Zealand 170

09 Liên hiệp Anh và

Bắc Ireland 897 20 Na Uy 160

10 Trung quốc 764 Các nước còn lại 951

11 Áo 607 Tổng cộng trên

toàn thế giới 47.574

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Lu%E1%BA%ADt_n%C4%83ng_l%C6%B0%E1%BB%A3ng_t%C3%A1i_sinh_%28%C4%90%E1%BB%A9c%29&action=edit

http://vi.wikipedia.org/wiki/Ai_C%E1%BA%ADp

http://vi.wikipedia.org/wiki/2005



Hình 3.11. Turbin gió tại bờ biển Đan Mạch Hình 3.12. Trang tại turbin gió tại Đức

Hình 3.13. Turbin gió tại Tây Ban Nha

http://vi.wikipedia.org/wiki/H%C3%ACnh:Windpark.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7b/Windenergieanlagen_Tarifa2004.jpg



CHƯƠNG IV. CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHÁC

4.1. Năng lượng sinh khối

4.1.1. Sinh khối và năng lượng sinh khối

4.1.1.1. Khái niệm sinh khối và năng lượng sinh khối

Biomass là các chất hữu cơ có thể sinh nhiệt năng (trừ nhiên liệu hóa thạch),

bao gồm gỗ, củi, rơm rạ, thân cây cỏ, phân động vật khô, ….

Năng lượng từ biomass đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu. Tuy

nhiên biomass bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng

cả trên phương diện kỹ thuật, công nghệ và kinh tế. Gần đây, nhu cầu về năng

lượng cung cấp cho các phương tiện chuyển động ngày càng tăng đồng thời ý thức

về môi trường cũng tăng lên trong khuôn khổ toàn cầu đã buộc chúng ta phải suy

nghĩ lại về việc sử dụng biomass.

Hàng năm khối lượng biomass được sản xuất ra trên toàn cầu là rất lớn.

Biomass có thể được đốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt hoặc được chế biến thành các

dạng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí. Hình 4.1. trình bày tổng quát các phương pháp

sử dụng biomass.

Hình 4.1. Các phương pháp sử dụng biomass.

Nguồn Biomass: gỗ,

thân cây, cành cây,

rơm rạ, phân gia súc,

Các quá

trình chế

biến: nhiệt

phân, lên

men, yếm

khí, …

khô Chuyển thành đường

Sấy khô bán sản phẩm (hạt)

Thức ăn gia súc

Tách bán sản phẩm

(đường)

Hạt nông sản

Cây có đường Chưng cất tới 95%

ethanol Lên men

Pha loãng với nước

thành ethanol

Chưng cất

Bảo

quản

Bảo

quả

Ép

dầu

cuối cùng

Lọc dầu

Sản

phẩm



4.1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng sinh khối

Theo lý thuyết, năng lượng hữu ích lấy ra từ biomass gấp khoảng 6 lần nhu cầu

năng lượng hiện nay trên toàn thế giới. Tuy nhiên, để có thể thay thế nhiên liệu hoá

thạch bằng năng lượng từ biomass là cả một vấn đề lớn, lâu dài, bởi vì bên cạnh những

ưu điểm, việc sử dụng năng lượng từ biomass hiện tại còn gặp một số khó khăn như

sau:

a) Ưu điểm:

1. Rất sẵn có và phân bố rộng khắp trên toàn thế giới.

2. Có thể dự trữ được

3. Có khả năng tái tạo

4. Chuyển đổi dễ dàng

5. Mức đầu tư đa dạng tuỳ thuộc vào công nghệ, có thể giảm đến mức tối thiểu

nên phù hợp với mọi đối tượng có mức độ thu nhập khác nhau.

6. Có thể có tính kinh tế trong những điều kiện đặc thù của địa phương, nhất là

những đơn vị kinh tế nhỏ có điều kiện vận chuyển phù hợp.

7. Có thể phát triển ở trình độ thủ công.

8. Tạo việc làm và tăng thu nhập.

9. Không gây hại cho hệ sinh thái và an toàn đối với môi trường.

10. Không làm tăng lượng khí nhà kính CO2 trong khí quyển.

b) Hạn chế:

1. Đòi hỏi diện tích đất sử dụng lớn, cạnh tranh với đất canh tác

2. Nguồn cung cấp không chắc chắn trong thời gian đầu.

3. Yêu cầu chi phí về phân bón, đất và nước.

4. Cồng kềnh, khó khăn trong khâu vận chuyển và dự trữ.

5. Thay đổi thất thường theo điều kiện khí hậu.

4.1.2. Các nguồn nguyên liệu biomass

Các nguồn nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh học bao gồm phế thải

nông nghiệp, các loại thực vật cho năng lượng, thực vật biển và tảo. Các nguồn

biomass này trải rộng trên toàn cầu và được coi là nguồn nhiên liệu bổ sung quan

trọng cho dầu mỏ.



4.1.2.1. Nguồn phế thải nông nghiệp

a) Phế thải thực vật

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định số lượng phế thải thực vật

được sản xuất trên nhiều vùng khác nhau. Thông tin thu thập được từ các chương

trình nghiên cứu này bao gồm: sản lượng hàng năm, cách sử dụng hiện tại, phương

pháp sử dụng đề nghị và những cản trở việc sử dụng phế thải đúng cách.

Các phế thải dễ tiếp cận như vỏ trấu, thân, cành cây, lá, cuống hoa, dây leo và

rễ luôn là những nguồn năng lượng quan trọng ở vùng nông thôn tại các nước đang

phát triển. Số lượng phế thải của mỗi loại cây trồng được ước tính dựa vào hệ số

phế thải như trình bày trong bảng 2.1. Khoảng giá trị của mỗi hệ số tương đối rộng

do phương pháp thu hoạch khác nhau, đồng thời có thể do số liệu thu thập không

chính xác, nhưng một điều hiển nhiên là số lượng phế thải thu được hàng năm là

rất lớn. Khi nhân hệ số phế thải này với diện tích canh tác các loại cây trồng có thể

ước tính lượng phế thải sản xuất ở các nước khác nhau và trên toàn thế giới (bảng

4.1, 4.2).

Bảng 4.1. Hệ số phế thải đối với một số cây trồng chính

STT Cây trồng Hệ số phế thải

1 Lúa 0,75 – 2,51

2 Lúa mì 1,10 – 2,57

3 Ngô 0,55 – 1,30

4 Lúa mạch 0,82 – 1,50

5 Yến mạch 1,20 – 1,75

6 Luá miến 0,85 – 1,90

7 Khoai tây 0,20 – 0,30

8 Đậu tương 1,10 – 2,60

9 Mía 0,20 – 0,25

10 Bông 1,40 – 3,00

11 Cải dầu 1,85 – 2,0



Bảng 4.2. Sản lượng phế thải của một số loại cây trồng chính trên thế giới

STT Khu

vực

Ngũ

cốc

(Mt)

Cây

có

củ

(Mt)

Cây

họ

đậu

(Mt)

Mía

đường

(Mt)

Tổng

sản

lượng

(Mt)

%

1 Nam

Mỹ

430 3 2 5 440 19

2 Châu

Âu

330 22 4 - 356 15

3 Liên

Xô

(cũ)

203 18 8 - 229 10

4 Mỹ

Latin

118 9 7 58 192 8

5 Châu

Phi

99 15 8 10 132 6

6 Châu

Á

836 44 38 54 972 41

7 Châu

Đại

Dương

29 - - 5 34 1

8 Các

nước

phát

triển

1035 46 14 13 1108 47

9 Các

nước

đang

phát

triển

1009 66 53 119 1247 53

10 Toàn

thế

giới

2044 112 67 132 2355 100

Không phải tất cả các loại phế thải đều có thể sử dụng làm nhiên liệu. Phế

thải nói chung có rất nhiều công dụng, như làm thức ăn cho gia súc, làm phân bón,

làm nguyên liệu công nghiệp và nguyên liệu chế biến. Cần phân biệt lượng phế thải

tổng cộng và lượng phế thải có thể sử dụng được trong thực tế. Một loại phế thải có

thể có nhiều công dụng khác nhau. Ví dụ: thân cây lúa (rơm rạ) có thể sử dụng để



che phủ bảo vệ đất, giữ ẩm cho đất, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động,

tăng khả năng trao đổi cation và giảm cacbonic.

Bảng 4.3. Năng suất phế thải từ ngũ cốc ở các nước đang phát triển

STT

Tên

nước

Năng suất cây

trồng (t/ha.năm)

Tỷ số

cây

trồng/phế

thải

Sản lượng phế thải

(t/ha.năm)

Khoảng Trung

bình

Khoảng Trung

bình

1 Lúa 0,7 –

5,7

2,5 1:2 1,4 –

11,4

5,0

2 Lúa mì 0,6 –

3,6

1,5 1:1,75 1,1 –

6,1

2,6

3 Ngô 0,5 –

3,7

1,7 1:2,5 1,3 –

9,3

4,3

4 Luá

miến

0,3 –

3,2

1,0 1:2,5 0,8 – 8 2,5

5 Lúa

mạch

0,4 –

3,1

2,0 1:2 0,7 –

5,4

3,5

6 Kê 0,5 –

3,7

0,6 1:2 1,0 –

7,4

1,2

Năng lượng thu được từ phế thải của ngũ cốc tính theo đầu người ở một số

nước đang phát triển được đánh giá một cách tương đối như trình bày ở bảng 4.4.

Bảng 4.4. Năng lượng thu được từ phế thải ngũ cốc ở một số nước trên thế

giới

STT Tên nước Năng lượng từ phế

thải ngũ cốc

(GJ/người.năm)

1 Achentina 25,0

2 Thái Lan 9,3

3 Malauy 8,6

4 Brasil 8,1

5 Nepal 7,1

6 Trung Quốc 6,8

7 Ấn Độ 5,5

8 Bănglađet 4,3



9 Ethiopia 3,3

10 Pêru 2,9

11 Somalia 2,1

12 Cônggô 1,1

Trung bình tại các nước đang phát triển 5,6

b) Phân động vật là một dạng phế thải quan trọng ở các nước đang phát triển.

Cũng như phế thải thực vật, phân động vật có thể được sử dụng theo nhiều cách

như bón thẳng ra ruộng, ủ để làm phân hữu cơ hoặc sản xuất khí sinh hoc (biogas).

4.1.2.2. Cây trồng làm nhiên liệu

a) Cây hàng năm: Nhiều loại cây trồng hàng năm có thể sử dụng làm nguyên liệu

để sản xuất nhiên liệu như ngô, mía, củ cải đường, … Tỷ số năng lượng của các

loại cây này (là tỷ số giữa năng lượng đầu ra so với tổng năng lượng đầu vào để

sản xuất và chế biến một loại nhiên liệu từ biomass) nằm trong khoảng 1 17. Tuy

nhiên hiện nay việc chế biến nhiên liệu từ sản phẩm của cây trồng hàng năm còn

gặp nhiều khó khăn do tính kinh tế thấp và tính cạnh tranh với cây lương thực.

b) Cây rừng và cây lâu năm: Mặc dù rất khó đo đếm, nhưng phải thừa nhận rằng

nguồn tài nguyên rừng trên thế giới là vô cùng lớn. Theo ước tính, tổng diện tích

rừng trên thế giới vào khoảng 3800.106 ha, hàng năm có thể cho 19.109 m3 gỗ với

51% từ các vùng nhiệt đới. Trong tổng sản lượng gỗ nói trên, có 11% đang được

sử dụng – 2% cho công nghiệp và 9% làm nhiên liệu.

Mặc dù diện tích rừng rất lớn và trải rộng nhưng phân bố không đều. Nạn phá

rừng đang là vấn đề nghiêm trọng ở nhiều nước đang phát triển, và nhiều thảm hoạ

đã xảy ra ở những vùng mà tốc độ khai thác gỗ làm củi đun nhanh hơn tốc độ phát

triển của cây rừng hàng năm.

c) Cây lấy dầu: Gần đây người ta quan tâm nhiều đến các cây lấy dầu như hướng

dương, đậu tương, lạc, cải dầu, cọ, đậu cọc rào, … Nhiều chương trình nghiên cứu

về kỹ thuật sản xuất, ép dầu và tinh chế dầu thực vật làm nhiên liệu đang được tiến

hành ở Nam Phi, Brasil, Úc, Mỹ và Đức.

4.1.2.3. Cây sống dưới nước:

a) Cây nước ngọt: Cây nước ngọt rất đa dạng, từ vi tảo đến những cây lớn sống ở

đầm lầy như cây đuôi mèo, lan dạ hương, đước… Những loại cây này có thể cho



khối lượng lớn biomass, tới hơn 45 tấn/ha.năm. Số liệu về cây nước ngọt hiện còn

rất hạn chế.

b) Cây nước mặn: Tảo khổng lồ được trồng và khai thác nhờ các trang trại trên

biển. Hàng năm trên thế giới thu được khoảng 2 triệu tấn loại tảo này, nhưng các

chuyên gia ước tính rằng tiềm năng thực tế phải lớn gấp 10 lần con số này. Đây là

nguồn nguyên liệu lớn để sản xuất khí đốt tự nhiên (methane). Tuy nhiên việc canh

tác trên biển đang gặp những khó khăn lớn mà đến nay vẫn chưa giải quyết được.

4.1.3. Các công nghệ biến đổi sinh khối

Năng lượng được coi là cơ sở để tạo ra công có ích trong các thiết bị nhiệt. Nhiệt

năng là một dạng của năng lượng. Biomass có thể được đốt trực tiếp để sinh nhiệt hoặc

chế biến thành các dạng nhiên liệu thuận tiện cho sử dụng, bao gồm nhiên liệu rắn,

nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí.

Hầu hết các quá trình chuyển đổi sinh khối có thể được chia ra làm hai loại như

sau:

- Chuyển đổi nhiệt hóa (thermochemical): bao gồm đốt nhiệt (combustion), khí

hóa và nhiệt phân

- Chuyển đổi sinh hóa (biochemical): bao gồm phân hủy yếm khí (sản phẩm sinh

khối và hỗn hợp methane và CO2) và lên men (sản phẩm ethanol).

Một quá trình khác là chiết xuất, chủ yếu là quá trình cơ học, được sử dụng để

sản xuất energy carriers (chất tải năng lượng – tương tự như khái niệm của hydrogen –

xem phần Hydrogen trong tài liệu này) từ sinh khối. Cũng có các phân biệt những cách

chiết suất khác nhau, phụ thuộc vào sản phẩm của quá trình này là nhiệt, điện năng

hoặc nhiên liệu.

4.1.3.1. Các công nghệ nhiệt hóa

a) Công nghệ đốt trực tiếp và lò hơi (Direct-fired, Conventional Steam Boiler)

Đây là 2 phương pháp tạo điện từ sinh khối rất phổ biến và được vận dụng ở

hầu hết các nhà máy điện năng lượng sinh khối. Cả 2 dạng hệ thống này đều đốt trực

tiếp các nguồn nguyên liệu sinh học (bioenergy-feedstock) để tạo hơi nước dùng quay

turbin máy phát điện. Hai phương pháp này được phân biệt ở cấu trúc bên trong buồng

đốt hoặc lò nung. Tại hệ thống đốt trực tiếp, sinh khối được chuyển vào từ đáy buồng

đốt và không khí được cung cấp tại đáy bệ lò. Trong khi đó, ở phương pháp lò hơi

thông thường, draft được chuyển vào lò từ phía bên trên nhưng sinh khối vẫn được tải

xuống phía dưới đáy lò. Các hệ thống đốt trực tiếp truyền thống là hệ thống pile (sử

dụng lò đốt song hành - two-chamber combustion chamber) hoặc lò hơi stoker. Khí



nóng sau đó được chuyển qua turbine và quay cánh turbine, vận hành rotor máy phát

điện.

Hình 4.2 . Sơ đồ công nghệ đốt trực tiếp

Khi được sử dụng để đốt trực tiếp, sinh khối phải được hun khô, cắt thành

mảnh vụn, và ép thành bánh than (hay còn gọi là briquetting).

Một khi quá trình chuẩn bị được hoàn tất, sinh khối được đưa vào lò nung/lò hơi

để tạo nhiệt/hơi nước. Nhiệt tạo ra từ quá trình đun, ngoài việc cung cấp cho turbin

máy phát điện, còn có thể được sử dụng để điều nhiệt nhà máy và các công trình xây

dựng khác, tức là để khai thác tối đa hiệu suất. Nhà máy dạng này còn được gọi là nhà

máy liên hợp nhiệt-năng lượng (Combined Heat Power – CHP), tức là tận dụng lẫn

nhiệt và hơi nước để khai thác tối đa tiềm năng năng lượng được tạo ra, tránh lãng phí

năng lượng.



Hình 4.3. Sơ đồ công nghệ đốt lò hơi

b) Phương pháp đốt liên kết

Đốt liên kết, kết hợp sinh khối với than để tạo năng lượng, có lẽ là phương pháp

sử dụng tích hợp tốt nhất sinh khối vào hệ thống năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa

thạch.

Trong quá trình đốt liên kết, sinh khối bắt nguồn từ gỗ và cây cỏ (thảo mộc) như

gỗ dương (poplar), liễu (willow), cỏ mềm (switchgrass), có thể được trộn một phần

vào nguyên liệu cho nhà máy than thông thường. Trong quá trình này, sinh khối có thể

chiếm tỷ lệ 1%-15% tổng năng lượng của nhà máy than. Trong các nhà máy dạng này,

sinh khối cũng được đốt trực tiếp trong lò nung, tương tự như than. Phương pháp đốt

liên kết có một lợi thế kinh tế tương đối rõ ràng, do kinh phí đầu tư chủ yếu chỉ là để

trang bị một lò đốt liên kết mới hoặc nâng cấp lò đốt hiện tại trong nhà máy nhiệt điện

chạy bằng than, tức là có chi phí thấp hơn nhiều so với xây dựng một nhà máy điện

sinh khối.

Công nghệ đốt liên kết đem lại nhiều tác động tích cực đến môi trường, bao gồm

việc giảm tỷ lệ khí NOx và SOx, khói công nghiệp, mưa axít, và ô nhiễm tầng ozone.

Ngoài ra, việc đốt liên kết sinh khối-than cũng giúp giảm đáng kể lượng khí thải CO2.

Tuy rằng pp đốt liên kết không có lợi thế gì hơn về mặt môi trường so với các phương

pháp "thuần túy sinh học" khác (vốn giảm tỷ lệ khí thải độc hại xuống đến gần ...

zero), nhưng nó lại có mặt khả thi rất lớn vì kỹ thuật hỗ trợ cho phương pháp này là

tương đối đơn giản và hầu như có sẵn, do đó việc áp dụng có thể được thực hiện tức

thời. Nói cách khác, phương pháp đốt liên kết có thể được xem là một lựa chọn tuyệt

vời cho việc thúc đẩy tiến tới sử dụng rộng rãi năng lượng hoàn nguyên. Phương pháp

đốt liên kết hiện đang được chú ý quan tâm đặc biệt tại các quốc gia như Đan Mạch,

Hà Lan và Hoa Kỳ.



Hình 4.4. Sơ đồ công nghệ đốt kết hợp

c) Nhiệt phân sinh khối (Pyrolysis)

Nhiệt phân là quá trình đốt sinh khối ở nhiệt độ rất cao và sinh khối phân rã

trong môi trường thiếu khí oxy. Vấn đề trở ngại ở đây là rất khó tạo ra một môi trường

hoàn toàn không có oxy. Thông thường, một lượng nhỏ oxy hóa vẫn diễn ra và có thể

tạo ra một số sản phẩm phụ không mong muốn. Ngoài ra, công nghệ này đòi hỏi một

nguồn thu nhiệt lượng cao và do đó vẫn còn rất tốn kém. Quá trình đốt sinh khối tạo ra

dầu nhiệt phân (pyrolysis oil), than hoặc khí tổng hợp (char & syngas). Các sản phẩm

này có thể được sử dụng tương tự như dầu khí để tạo điện năng. Như vậy, quá trình

nhiệt phân không tạo ra tro hoặc năng lượng một cách trực tiếp, mà nó chuyển sinh k

thành các nhiên liệu có chất lượng cao hơn. Tiến trình này bắt đầu từ việc hun khô

sinh khối để tăng tối đa hiệu suất đốt, tương tự như trong quá trình đốt trực tiếp. Khi

nguội lại, dầu nhiệt phân có dạng lỏng, màu nâu, và được sử dụng như nhiên liệu đốt

gasifier.



Hình 4.5. Sơ đồ công nghệ nhiệt phân sinh khối

d) Khí hóa sinh khối (gasification)

Sinh khối dạng rắn có thể được chuyển thành dạng khí, được gọi là khí tổng hợp

(syngas). Khí này có thể cung cấp cho các turbine chu kỳ liên hợp CCGT hoặc các kỹ

thuật chuyển đổi khác nhưng các nhà máy nhiệt chạy than.

Nhiều chuyên gia hy vọng rằng khí hóa sinh khối sẽ có hiệu suất cao hơn nhà

máy điện sinh khối thông thường. Tuy nhiên, cho đến nay, quá trình khí hóa vẫn chưa

được ứng dụng rộng trong thực tế mà chỉ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm kỹ thuật..

Các lò chuyển đổi sinh khối rắn thành khí đốt nóng sinh khối ở một môi trường mà tại

đó sinh khối rắn phân hủy chuyển thành khí dễ cháy. Quá trình này có thuận lợi hơn so

với việc đốt trực tiếp. Khí sinh học có thể được làm sạch và lọc để phân loại và tách

các hợp chất hóa học có thể có hại. Sản phẩm khí có thể được dùng ở các máy phát

điện hiệu suất cao (dạng CCGT) – như liên hợp turbine khí và hơi – để sản xuất điện

năng. Hiệu suất của những hệ thống dạng này có thể lên đến 60%.

Nhiên liệu khí là sản phẩm của quá trình hoá khí các nguyên liệu biomass thô

thông qua các quá trình hoá học. Biomass thô là hợp chất của xenlulô, lignin và các

nguyên liệu khác được tạo thành từ cacbon, hydro và ôxy. Hoá khí là sự chuyển đổi

thành phần cacbon trong biomass thành chất khí dễ cháy bằng cách điều khiển tốc độ

dòng khí thổi qua lớp vật liệu.



Để hoá khí nhiên liệu rắn có 3 phương pháp quen thuộc, đặc điểm của mỗi

phương pháp này tuỳ thuộc vào chiều dẫn chất mang nhiệt so với dòng chuyển động

của vật liệu, bao gồm:

- Hoá khí dòng đều hay dòng xuống.

- Hoá khí dòng ngược hay dòng lên.

- Hoá khí dòng xoáy theo lớp với các vùng lên và vùng xuống.

Quá trình hoá khí dòng đều phù hợp với gỗ nhưng không phù hợp với các loại

cây thân thảo do cần thiết phải tạo ra những bối vật liệu và nguy cơ tạo xỉ từ tro. Việc

hút khí nóng qua các bối vật liệu dẫn đến khả năng tách nhựa và cacburhydro thành

CO, CO2 và H2O, đây là một khả năng có lợi. Hiệu suất của lò hoá khí dòng đều vào

khoảng 50 – 80%, nguyên liệu ngoài gỗ cần có hàm lượng nước < 20%.

Lò hoá khí dòng ngược làm việc với quá trình hút khí đốt ở vùng vào của vật

liệu. Khí đốt nóng tác động làm khô sơ bộ vật liệu vào lò và phần nào làm tách các

phần tử lớn dẫn đến làm giàu khí đốt. Lò hoá khí dòng ngược có yêu cầu về hàm

lượng nước của vật liệu, về độ tách nhỏ và cấu trúc vật liệu ở khoảng rộng hơn so với

hoá khí dòng đều. Loại lò này còn dùng để hoá khí các vật liệu thân thảo, cây lá có

sinh khối lớn. Việc ngưng tụ khí đốt ẩm dẫn đến tạo nước, tạo nhựa hoặc axit axetic và

các hợp chất khác, cần quan tâm để loại bỏ. Hiệu suất của lò dòng ngược vào khoảng

85%.

Quá trình hoá khí dòng xoáy về mặt kỹ thuật hoạt động như quá trình đốt dòng

xoáy theo lớp. Yêu cầu đảm bảo dòng vật liệu đều đặn đối với cả chất mang nhiệt và

vật liệu dẫn đến chi phí lớn cho thiết bị và cho điều khiển quá trình. Nhiệt độ quá trình

cần được giữ đúng ở nhiệt độ hoá tro của nguyên liệu để đảm bảo hoạt động của quá

trình.



Hình 4.6. Sơ đồ công nghệ khí hóa (gasification) sinh khối

4.1.3.2. Công nghệ biến đổi sinh hóa

a) Khái niệm về biogas

Biogas hay khÝ sinh häc lµ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh lªn men ph©n ®éng vËt vµ

çc phÕ th¶i h÷a c¬ kh¸c. Thµnh phÇn chñ yÕu cña biogas gåm kho¶ng 50-70%

Metan vµ 30 - 45% CO2 vµ mét phần nhá chÊt lu huúnh.

Tû lÖ gi÷a çc chÊt trong hçn hîp phô thuéc vµo lo¹i nguyªn liÖu vµ diÔn biÕn

cña qu¸ tr×nh sinh häc.

B¶ng 4.5. Thµnh phÇn cña çc chÊt khÝ trong biogas

Lo¹i khÝ Tû lÖ (%)

CH4 50 –70



CO2 30 – 45

N2 0 – 3

H2 0 – 3

O2 0 – 3

H2S 0 – 3

Mªtan (CH4) lµ thµnh phÇn chñ yÕu cña khÝ sinh häc. Nã lµ chÊt khÝ kh«ng

mµu, kh«ng mïi vµ nhÑ b»ng nöa kh«ng khÝ, Ýt hßa tan trong níc. ë ¸p suÊt khÝ

quyÓn, mªtan hãa láng ë nhiÖt ®é –161,50c.

Khi Mªtan ch¸y sÏ t¹o ra ngän löa mµu l¬ nh¹t vµ táa nhiÒu nhiÖt lîng

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 kJ

Qu¸ tr×nh lªn men çc phÕ th¶i h÷a c¬ ®Ó t¹o thµnh biogas gåm ba giai ®o¹n

sau:

Giai ®o¹n 1: Díi t¸c dông cña ezin thñy ph©n çc chÊt h÷a c¬ lín ®îc ph©n

gi¶i thµnh çc chÊt h÷a c¬ ph©n tö nhá nh axit bÐo, axit amin

Giai ®o¹n 2: Díi t¸c dông cña vi khuÈn t¹o axit çc chÊt h÷a c¬ ph©n tö nhá

®îc ph©n gi¶i thµnh çc axit bÐo dÔ bay h¬i.

Giai ®o¹n 3: Çc axit bÐo dÔ bay h¬i ®îc chuyÓn hãa thµnh khÝ CH4 vµ khÝ

CO2 nhê çc vi khuÈn sinh mªtan (Methanogen).

Trong 3 giai ®o¹n trªn th× giai ®o¹n thø 2 vµ giai ®o¹n thø 3 x¶y ra díi ®iÒu

kiÖn yÕm khÝ chÆt chÏ (kÝn hoµn toµn). Cßn ë giai ®o¹n 1 th× nguyªn liÖu ®îc ñ

ë bÓ hë. Do ®ã qu¸ tr×nh lªn men çc chÊt th¶i h÷u c¬ cã thÓ chia thµnh 2 pha: pha

kh«ng kþ khÝ (giai ®o¹n 1) vµ pha kþ khÝ (gåm giai ®o¹n 2 vµ giai ®o¹n 3). Do vËy

®Ó t¹o ra khÝ sinh häc ngêi ta thêng thiÕt kÕ hÇm ñ cho c¶ 2 pha cña qu¸ tr×nh lªn

men (2 pha hçn hîp hoÆc cã v¸ch ng¨n 2 pha) hoÆc hÇm ñ nguyªn liÖu ë bÓ hë

kho¶ng 1 tuÇn cho pha kh«ng kþ khÝ råi míi chuyÓn xuèng hÇm kÝn.

b) Nguyên liệu để sản xuất biogas

Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt biogas lµ çc chÊt th¶i h÷u c¬ nh ph©n ®éng vËt,

çc lo¹i thùc vËt nh bÌo, cá, r¬m r¹, phÕ th¶i h÷u c¬ sinh ho¹t… Kh¶ n¨ng khai th¸c

biogas vµ n¨ng lîng tõ mét sè nguyªn liÖu kh¸c nhau ®îc tr×nh bµy trong b¶ng 4.6.

B¶ng 4.6. Kh¶ n¨ng khai th¸c biogas vµ n¨ng lîng cña mét sè vËt liÖu h÷u c¬.

STT VËt liÖu Kh¶ n¨ng khai th¸c

biogas (l/kg v.c.kh«)

N¨ng lîng hµm chøa

(kWh/kg v.c. kh«)

1 Th©n lóa m¹ch 200 – 310 1,19 – 1,85

2 Th©n c©y ng« 380 – 460 2,27 – 2,75

3 Th©n c©y khoai t©y 280 – 490 1,67 – 2,93

4 L¸ cñ c¶i ®êng 400 – 500 2,39 – 2,99



5 Rau bá ®i 330 – 360 1,97 – 2,15

6 Ph©n bß 200 – 400 1,19 – 2,39

7 Ph©n lîn 340 – 350 2,02 – 3,28

8 Ph©n gµ 330 – 620 1,97 – 3,70

9 Bïn 310 – 740 1,85 – 4,42

10 PhÕ th¶i lß mæ 1200 – 1300 7,16 – 7,76

11 B· mÝa 450 2,69

12 Vá qu¶ 379 2,21

ViÖt Nam lµ níc cã nguån nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt khÝ sinh häc rÊt ®a d¹ng.

Do lµ mét níc n«ng nghiÖp nªn lîng chÊt th¶i h÷u c¬ trong ch¨n nu«i, trång trät vµ

sinh ho¹t gia ®×nh lµ rÊt lín. ViÖc x©y dùng çc hÇm ñ khÝ sinh häc lµ vÊn ®Ò

®ang ®îc Nhµ níc vµ çc ®Þa ph¬ng quan t©m v× nã kh«ng nh÷ng gi¶i quyÕt

®îc vÊn ®Ò m«i trêng mµ cßn t¹o ra ®îc mét lîng lín khÝ sinh häc, mét nguån

n¨ng lîng s¹ch vµ rÎ tiÒn phôc vô cho sinh ho¹t gia ®×nh ®em l¹i lîi Ých kinh tÕ

®¸ng kÓ cho çc hé n«ng d©n.

ViÖc ph©n hñy yÕm khÝ x¶y ra tèt nhÊt khi tû lÖ gi÷a çcbon vµ nit¬ (C/N) trong

vËt liÖu n»m ë kho¶ng 30 tøc lµ vi khuÈn trong qu¸ tr×nh lªn men sö dông C nhanh h¬n

N ®Õn 30 lÇn. Tû lÖ C/N ë mét sè vËt liÖu th«ng thêng ®îc giíi thiÖu ë b¶ng 4.7.

B¶ng 4.7. Tû lÖ C/N cña mét sè lo¹i vËt liÖu

STT Nguyªn liÖu Tû lÖ C/N

1 Ph©n tr©u, bß 24 – 25

2 Ph©n lîn 12 – 20

3 Ph©n gia cÇm 5 – 15

4 Ph©n ngêi 2,9 – 10

5 BÌo t©y t¬i 12 – 25

6 R¬m r¹ kh«, trÊu 48 – 110

Qua b¶ng 4.7 cho thÊy r¬m r¹ kh« lµ lo¹i nguyªn liÖu cã tû lÖ C/N cao nhÊt do

®ã viÖc thñy ph©n yÕm khÝ x¶y ra rÊt chËm ®«i khi cã thÓ kh«ng thñy ph©n ®îc

nh trÊu. Tuy nhiªn ®é chøa N vµ C cã thÓ thay ®æi theo ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn cña

thùc vËt hoÆc møc ®é ¨n uèng, chÕ ®é nu«i nhèt cña sóc vËt. Cô thÓ ®èi víi ph©n

bß s÷a cã thÓ t¹o ra khÝ sinh häc sau 20 ngµy ñ kho¶ng 200 –250 lÝt khÝ sinh häc

trªn 1kg vËt liÖu h÷a c¬ cßn víi ph©n bß thÞt th× ®îc ®Õn 350 – 450 lÝt. Ngoµi ra

kh¶ n¨ng khai th¸c khÝ sinh häc cßn chÞu t¸c ®éng cña thêi gian ñ. Thêi gian ñ t¨ng sÏ

lµm t¨ng kh¶ n¨ng khai th¸c khÝ sinh häc. Th«ng thêng theo kinh nghiÖm thùc tÕ th×

ngêi ta chän thêi gian ñ lµ 20 ngµy v× nÕu ñ l©u h¬n th× kh¶ n¨ng khai th¸c khÝ

sinh häc còng t¨ng lªn rÊt Ýt.



c) Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình tạo Biogas

Qu¸ tr×nh s¶n xuÊt khÝ sinh häc chÞu ¶nh hëng cña rÊt nhiÒu yÕu tè nhng ë

®©y chóng ta chØ xÐt ®Õn nh÷ng yÕu tè quan träng nhÊt cÇn thiÕt nhÊt trong x©y

dùng vµ vËn hµnh ®Ó ®¶m b¶o cho thiÕt bÞ ho¹t ®éng tèt nhÊt

Møc ®é kþ khÝ: KhÝ sinh häc ®îc sinh ra do ho¹t ®éng cña nhiÒu vi sinh vËt

trong ®ã çc vi khuÈn sinh mªtan lµ quan träng nhÊt (vi khuÈn methanogen). Nhng

vi khuÈn nµy chØ sèng ®îc trong m«i trêng tuyÖt ®èi kh«ng cã «xy (kþ khÝ b¾t

buéc). V× vËy ®¶m b¶o m«i trêng ph©n hñy tuyÖt ®èi kþ khÝ lµ mét yÕu tè quan

träng ®Çu tiªn.

NhiÖt ®é: Ho¹t ®éng cña vi khuÈn sinh mªtan chÞu ¶nh hëng rÊt nhiÒu cña

nhiªt ®é m«i trêng. Trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn nhiÖt ®é thÝch hîp nhÊt ®èi víi chóng

lµ 30 – 400C. NhiÖt ®é thÊp hoÆc thay ®æi ®ét ngét ®Òu lµm cho qu¸ tr×nh sinh

mªtan yÕu ®i. NhiÖt ®é m«i trêng ph©n hñy xuèng díi 100C th× qu¸ tr×nh ph©n

hñy gÇn nh dõng l¹i. V× vËy ë nh÷ng vïng l¹nh cÇn ®¶m b¶o çch nhiÖt tèt ®Ó gi÷

Êm cho thiÕt bÞ. ViÖc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm díi lßng ®Êt lµ biÖn ph¸p tèt

®Ó gi÷ æn ®Þnh nhiÖt ®é cho m«i trêng ph©n hñy.

Tû lÖ C/N cña nguyªn liÖu: Tû lÖ gi÷a träng lîng cña C vµ N cã trong thµnh

phÇn nguyªn liÖu lµ chØ tiªu ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng ph©n hñy cña nã. Vi khuÈn tiªu thô

çcbon nhiÒu h¬n nit¬ kho¶ng 30 lÇn. V× vËy tû lÖ C/N cña nguyªn liÖu b»ng 30 lµ

tèi u. Tû lÖ qu¸ cao th× qu¸ tr×nh ph©n hñy x¶y ra chËm, ngîc l¹i tû lÖ nµy qu¸ thÊp

th× qu¸ tr×nh ph©n hñy ngõng trÖ v× tÝch lòy nhiÒu am«ni¨c lµ mét lo¹i ®éc tè ®èi

víi vi khuÈn ë nhiÖt ®é cao. Nãi chung ph©n tr©u, bß vµ ph©n lîn cã tû lÖ C/N

thÝch hîp nhÊt, ph©n ngêi vµ ph©n gia cÇm cã tû lÖ C/N thÊp. Çc nguyªn liÖu

thùc vËt cã tû lÖ C/N cao. §Ó ®¶m b¶o tû lÖ C/N thÝch hîp ta nªn dïng hçn hîp çc

lo¹i nguyªn liÖu ch¼ng h¹n dïng ph©n ngêi, ph©n gia cÇm kÕt hîp víi r¬m r¹

Hµm lîng chÊt kh«: Khi ta sÊy kh« nguyªn liÖu níc sÏ bay h¬i hÕt vµ cßn l¹i

lµ phÇn chÊt kh« cña nguyªn liÖu. Hµm lîng chÊt kh« lµ tû lÖ gi÷a träng lîng chÊt

kh« vµ tæng träng lîng cña nguyªn liÖu vµ ®îc tÝnh b»ng phÇn tr¨m (%).

Qu¸ tr×nh ph©n hñy sinh mªtan x¶y ra thuËn lîi nhÊt khi m«i trêng cã hµm lîng

chÊt kh« thÝch hîp. §èi víi çc lo¹i ph©n hµm lîng chÊt kh« tèi u vµo kho¶ng 7 –

9%. §èi víi bÌo t©y hµm lîng nµy lµ 4 –5%. §èi víi r¬m ra hµm lîng chÊt kh« tèi u

lµ 5 –8%. Nguyªn liÖu ban ®Çu thêng cã hµm lîng chÊt kh« cao h¬n gi¸ trÞ tèi u

nªn khi n¹p vµo thiÕt bÞ cÇn ph¶i pha thªm níc. Tû lÖ pha lo·ng thÝch hîp lµ tõ 1 –3

lÝt níc cho 1kg ph©n.

Thêi gian lu: Thêi gian lu lµ thêi gian tõ lóc n¹p nguyªn liÖu vµo ®Õn lóc lÊy

nguyªn liÖu ra. §èi víi chÕ ®é n¹p liªn tôc nguyªn liÖu sau ph©n hñy ®îc ®Èy dÇn

tíi lèi ra do bÞ nguyªn liÖu míi bæ xung chiÕm chç. Thêi gian lu lµ thêi gian nguyªn



liÖu ®îc n¹p vµo cho tíi khi bÞ ®Èy ra khái bÓ ph©n hñy vµ thêng ®îc t×nh b»ng

tû sè gi÷a thÓ tÝch ph©n hñy vµ thÓ tÝch nguyªn liÖu ®îc n¹p bæ xung hµng ngµy

(®· pha lo·ng).

Qu¸ tr×nh ph©n hñy cña nguyªn liÖu trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn x¶y ra trong mét

thêi gian dµi. §èi víi ph©n ®éng vËt thêi gian nµy cã thÓ kÐo dµi tíi hµng th¸ng. §èi

víi nguyªn liÖu thùc vËt thêi gian nµy cã thÓ tíi hµng n¨m. §èi víi çc thiÕt bÞ ho¹t

®éng liªn tôc, thêi gian lu cµng lín th× khÝ thu ®îc tõ mét lîng nguyªn liÖu nhÊt

®Þnh cµng nhiÒu. Song nÕu lµm nh vËy th× thÓ tÝch bÓ ph©n hñy ph¶i lín vµ vèn

®Çu t x©y dùng cao. Nh vËy ngêi ta chän thêi gian lu sao cho trong thêi gian nµy

tèc ®é sinh khÝ m¹nh nhÊt. Do ®ã thêi gian thêng ®îc chän c¨n cø vµo thiÕt bÞ cña

®Þa ph¬ng vµ nguyªn liÖu n¹p.

Çc ®éc tè: Ho¹t ®éng cña vi khuÈn chÞu ¶nh hëng cña mét sè hãa chÊt. Khi

hµm lîng cña hãa chÊt nµy vît qu¸ giíi h¹n quy ®Þnh çc vi khuÈn cã thÓ bÞ tiªu

diÖt.

Trong thùc tÕ s¶n xuÊt khÝ sinh häc cÇn tr¸nh çc ®éc tè hãa häc (thuèc trõ

s©u, thuèc s¸t trïng), chÊt kh¸ng sinh, níc xµ phßng, níc nhuém.

d) Các loại hầm sản xuất biogas

§Ó s¶n xuÊt khÝ sinh häc, tríc hÕt cÇn cã hÇm chøa (hÇm ph¶n øng biogas) lµ

n¬i ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh t¹o khÝ. Theo quan ®iÓm kü thuËt c«ng nghÖ, hÇm

ph¶n øng cã thÓ ho¹t ®éng nh mét thiÕt bÞ lu gi÷. ViÖc n¹p nguyªn liÖu cã thÓ

®îc thùc hiÖn theo 2 çch:

N¹p tõng mÎ: Toµn bé nguyªn liÖu ®îc n¹p vµo thiÕt bÞ mét lÇn. MÎ nguyªn

liÖu nµy ®îc ph©n hñy dÇn dÇn vµ cho khÝ sö dông. Sau mét thêi gian ®ñ ®Ó cho

nguyªn liÖu ph©n hñy gÇn hÕt th× toµn bé mÎ nguyªn liÖu ®îc lÊy ®i vµ thay thÕ

vµo ®ã lµ mét mÎ nguyªn liÖu míi. Th«ng thêng ph¬ng ph¸p nµy ®îc ¸p dông cho

çc nguyªn liÖu lµ thùc vËt v× chóng ph©n hñy trong thêi gian dµi (thêng tõ 3 – 6

th¸ng)

N¹p liªn tôc: Nguyªn liÖu ®îc n¹p ®Çy lóc míi ®a thiÕt bÞ vµo ho¹t ®éng. Sau

®ã nguyªn liÖu ®îc bæ sung thêng xuyªn, khi cã mét phÇn nguyªn liÖu ®· ph©n

hñy sÏ ®îc lÊy ®i nhêng chç cho phÇn nguyªn liÖu míi n¹p vµo. Ph¬ng ph¸p nµy

phï hîp víi ®iÒu kiÖn nguyªn liÖu kh«ng cã s½n ngay mét lóc mµ ph¶i thu gãp h»ng

ngµy nh ph©n ngêi, ph©n sóc vËt.

Trong thùc tÕ ngêi ta thêng ¸p dông c¶ 2 ph¬ng ph¸p trªn: Nguyªn liÖu thùc

vËt ®îc n¹p tõng mÎ, cßn ph©n ngêi vµ ph©n xóc vËt ®îc n¹p liªn tôc h»ng ngµy.

Ph¬ng ph¸p nµy gäi lµ b¸n liªn tôc

Trong qu¸ tr×nh ph©n hñy chØ cã mét phÇn nguyªn liÖu chuyÓn hãa thµnh khÝ

sinh häc, phÇn cßn l¹i ®îc lÊy ra cïng víi níc lo·ng gäi lµ b· th¶i



Dùa vµo çch thu tÝch khÝ ngêi ta chia hÇm s¶n xuÊt biogas thµnh hai lo¹i lµ

n¾p næi vµ n¾p cè ®Þnh

HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p næi

Bé phËn chøa khÝ 2 lµ mét n¾p cã d¹ng thïng ®îc óp trùc tiÕp vµo dÞch ph©n

hñy (h×nh 4.7) hoÆc vµo mét ®ai níc quanh miÖng bÓ ph©n hñy (h×nh 4.8). KhÝ

®îc tÝch l¹i cµng nhiÒu th× n¾p næi cµng cao. Träng lîng cña n¾p sÏ nÐn vµo khÝ

t¹o ra ¸p suÊt. Khi lÊy khÝ ra sö dông n¾p sÏ ch×m dÇn xuèng.

Khi n¹p nguyªn liÖu míi qua bÓ n¹p 3 th× nguyªn liÖu ®· ph©n hñy sÏ trµn ra

qua lèi tho¸t 4.

N¾p thêng ®îc chÕ t¹o b»ng s¾t hay xim¨ng cã líi thÐp. Yªu cÇu cña n¾p lµ

ph¶i ®¶m b¶o ®é kÝn khÝt. Ngoµi ra träng lîng cña n¾p sÏ t¹o ra ¸p suÊt khÝ. Tuy

5

1

2

3 4

H×nh 4.7. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p næi

1. BÓ ph©n hñy; 2. BÓ chøa khÝ; 3. BÓ n¹p nguyªn liÖu;

4. BÓ x¶; 5. Cöa lÊy khÝ ra.



vËy, nÕu chÕ t¹o n¾p b»ng thÐp th× gi¸ thµnh cao (30 – 40% gi¸ c«ng tr×nh) vµ khã

kh¨n khi tù s¶n xuÊt t¹i chç. N¾p thÐp thêng lµm cho dÞch ph©n hñy mÊt nhiÖt vÒ

mïa ®«ng nªn n¨ng suÊt gi¶m. Lo¹i cã ®ai níc h¹n chÕ ®îc nhîc ®iÓm nµy, ®ång

thêi kh¾c phôc ®îc níc ma trµn vµo bÓ ph©n hñy khiÕn dÞch ph©n hñy tiÕp xóc

víi kh«ng khÝ, kh«ng ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn kþ khÝ. Tuy nhiªn do x©y thªm ®ai níc

nªn t¨ng chi phÝ chÕ t¹o.

HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p cè ®Þnh

CÊu t¹o: Bé phËn chøa khÝ 2 vµ bÓ ph©n hñy 1 ®îc g¾n liÒn víi nhau thµnh

mét bÓ kÝn. DÞch ph©n hñy ®îc chøa ë díi vµ khÝ ®îc thu gi÷ ë phÝa trªn.

KhÝ sinh ra ë phÝa trªn sÏ t¹o ra ¸p suÊt nÐn xuèng mÆt dÞch ph©n hñy, ®Èy

mét phÇn dÞch ph©n hñy trµn lªn bÓ ®iÒu ¸p 6 ®îc th«ng víi lèi ra 4

Gi÷a bÒ mÆt dÞch ph©n hñy vµ mÆt tho¸ng ë ngoµi kh«ng khÝ cã mét ®é

chªnh lÖch nhÊt ®Þnh, thÓ hiÖn ¸p suÊt khÝ trong thiÕt bÞ. KhÝ tÝch l¹i cµng

nhiÒu th× ®é chªnh lÖch nµy cµng lín. Khi lÊy khÝ sö dông dÞch ph©n hñy tõ bÓ

®iÒu ¸p l¹i dån vµo bÓ ph©n hñy vµ ®Èy khÝ ra ngoµi, ¸p suÊt khi ®ã sÏ gi¶m dÇn

tíi 0.

ThiÕt bÞ n¾p cè ®Þnh cã thÓ x©y dùng b»ng nh÷ng vËt liÖu th«ng thêng nh

g¹ch, çt, xim¨ng nªn gi¸ thµnh h¹ h¬n. Ngoµi ra cã thÓ ®Æt ch×m díi mÆt ®Êt nªn

®ì tèn diÖn tÝch h¬n vµ gi÷ æn ®Þnh ®îc nhiÖt ®é. ThiÕt bÞ lo¹i nµy cã thÓ t¹o

®îc ¸p suÊt khÝ cao ( tíi 100cm cét níc) nªn khÝ dïng rÊt cã hiÖu qu¶.

Ngoµi ra cßn cã hÇm s¶n xuÊt biogas tói chÊt dÎo, ®ã lµ biÕn thÓ cña n¾p cè

®Þnh. ¸p suÊt khÝ t¹o ra do ®é ®µn håi cña vá tói nªn kh«ng cÇn ph¶i cã bÓ ®iÒu ¸p

nhng l¹i cÇn cã träng vËt ®Ì lªn tói. Lo¹i nµy cã gi¸ thµnh h¹ nhng tuæi thä ng¾n.

Trong sè çc lo¹i hÇm ñ khÝ sinh häc, lo¹i n¾p cè ®Þnh vßm cÇu lµ lo¹i cã

nhiÒu u ®iÓm nhÊt vµ ®ang ®îc øng dông réng r·i t¹i ViÖt Nam v× thiÕt bÞ nµy

cã mét sè u ®iÓm sau:

H×nh 4.9. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p cè ®Þnh vßm cÇu.

1. BÓ ph©n huû; 2. Bé phËn chøa khÝ; 3. Cöa n¹p;

4. èng dÉn; 5. Cöa lÊy khÝ ra; 6. Cöa th¶i b·.



- Vßm cÇu cho phÐp tiÕt kiÖm vËt liÖu tíi møc tèi ®a v× cïng mét thÓ tÝch

th× diÖn tÝch bÒ mÆt nhá nhÊt vµ chÞu lùc khoÎ nhÊt nªn bÒ dµy cña têng gi¶m tíi

møc thÊp nhÊt( g¹ch ®îc x©y nghiªng). Ngoµi ra chØ sö dông çc vËt liÖu th«ng

thêng, h¹n chÕ sö dông s¾t thÐp t¬Ý møc tèi ®a. Nhê vËy gi¸ thµnh h¹

- BÒ mÆt gi÷ kÝn lµ ®íi cÇu cã diÖn tÝch nhá nhÊt vµ liªn tôc, kh«ng cã gãc

c¹nh nªn dÔ ®¶m b¶o kÝn khÝ vµ tr¸nh ®îc sù r¹n nøt vÕ sau nµy.

- BÓ ph©n huû cã bÒ mÆt nhá, ®îc ®¹t ngÇm díi ®Êt nªn h¹n chÕ ®îc sù

trao ®æi nhiÖt gi÷a dÞch ph©n huû vµ m«i trêng xung quanh, gi÷ nhiÖt ®é æn

®Þnh, Ýt chÞu ¶nh hëng cña thêi tiÕt l¹nh vÒ mïa ®«ng.

- ThiÕt bÞ ®îc ®Æt ngÇm nªn dÔ vËn hµnh vµ Ýt tèn diÖn tÝch mÆt b»ng.

- §îc thiÕt kÕ b»ng m¸y tÝnh, çc kÝch thíc ®îc tÝnh to¸n sao cho diÖn tÝch

x©y dùng nhá nhÊt ®Ó tiÕt kiÖm vËt liÖu tèi ®a, çc chi tiÕt ®Òu ®îc c¶i tiÕn trªn

c¬ së 10 n¨m tuæi cña kiÓu nhiªn liÖu.

HiÖn nay çc hÇm ñ lo¹i nµy ®îc x©y dùng phæ biÕn ë níc ta, c«ng suÊt cña

chóng th«ng thêng tõ 1 – 10 m3. Lîng biogas t¹o ra chñ yÕu ®îc dïng lµm chÊt ®èt

phôc vô sinh ho¹t gia ®×nh. Tuy nhiªn biogas lµ mét lo¹i khÝ láng nªn kh«ng thÓ lu

gi÷ sö dông l©u dµi hay nÐn vµo trong çc b×nh ¸p suÊt. ChÝnh v× vËy viÖc nghiªn

cøu ®Ó ®a lo¹i khÝ nµy vµo sö dông trong çc môc ®Ých kh¸c ®ang lµ vÊn ®Ò

cÇn thiÕt vµ cÇn ®îc quan t©m bëi v× nã võa gi¶i quyÕt ®îc vÊn ®Ò m«i trêng

do xö lý ®îc çc chÊt th¶i g©y « nhiÔm , võa tiÕt kiÖm ®îc mét nguån n¨ng lîng

®¸ng kÓ.

e) Sử dụng biogas trong sản xuất và đời sống

Biogas sản xuất ra được sử dụng làm nhiên liệu phục vụ sản xuất và đời sống.

Tuỳ theo qui mô của thiết bị sản xuất biogas mà sản lượng cung cấp và phương thức

H×nh 4.10. ThiÕt bÞ khÝ sinh häc kiÓu tói chÊt dÎo

1. BÓ ph©n huû; 2. Bé phËn chøa khÝ; 3. Cöa n¹p;

4. Cöa x¶; 5. Cöa lÊy khÝ ra



sử dụng sẽ khác nhau. Đơn giản nhất là sử dụng trực tiếp biogas từ hầm phản ứng để

đun nấu trong một gia đình. Phức tạp hơn là cung cấp biogas cho mạng lưới sử dụng

nhiên liệu khí phục vụ sinh hoạt của một khu chung cư hay một khu vực nào đó, hoặc

để chạy máy phát điện cung cấp điện năng và nhiệt năng cho một đơn vị sản xuất.

Trong sản xuất nông nghiệp, nếu thiết bị được thiết kế hợp lý có thể vừa sản xuất

biogas làm nhiên liệu lại vừa sản xuất phân hữu cơ bón ruộng.

4.1.4. Đun nấu bằng biogas trong gia đình

Để sử dụng biogas trực tiếp từ hầm sản xuất của gia đình cần có bếp đun dùng

biogas. Loại bếp này có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.Dưới đây giới thiệu một loại bếp

đơn giản có năng suất tiêu thụ biogas 380 – 450 l/h với hiệu suất nhiệt 50–55%.

Hình 4.11. Sơ đồ bếp đun dùng biogas đơn giản.

Các thông số cơ bản của bếp biogas đơn giản:

- Đường kính vòi phun khí: 2,25 mm

- Diện tích vòi phun: 3,98 mm2

- Đường kính vòi lửa: 6 mm

- Số vòi lửa: 20

- Tổng diện tích vòi lửa: 565 mm2

- Chiều đài ống trộn khí: 200 mm

- Đường kính ống trộn khí: 20 mm

Bếp được thiết kế sao cho biogas trộn lẫn với không khí trong ống trộn trước khi

đến vòi lửa với tỷ lệ đủ lớn để đảm bảo không có mùi lạ, ngọn lửa sẽ có màu xanh.

Tổng diện tích các vòi lửa lớn hơn diện tích miệng vòi phun khoảng 80 – 200 lần.

Khoảng cách từ vòi lửa đến đáy nồi cần cao khoảng 2,5 cm để tạo điều kiện cho không

khí xung quanh tràn vào đảm bảo cháy hết biogas.



Nếu muốn bếp có công suất khác có thể tự điều chỉnh chế tạo trên cơ sở các

thông số nói trên.

g) Tính toán và vận hành hầm phản ứng đơn giản

Dung tích hầm phản ứng gồm hai phần: phần tự huỷ chứa vật liệu lên men tạo

biogas và phần chứa biogas. Việc tính toán dung tích hầm dựa trên một số cơ sở sau:

- Yêu cầu sử dụng nhiên liệu, tiêu chuẩn hàng ngày của gia đình hay tập thể.

- Loại nguyên liệu để tạo thành biogas.

- Chu kỳ khai thác (thời gian nguyên liệu lưu lại trong hầm), qui mô nguồn

nguyên liệu.

Các hầm sản xuất biogas theo thiết kế hiện nay được vận hành theo qui trình liên

tục (tính theo đơn vị thời gian là một ngày đêm):

- Vận hành đợt đầu (hầm mới xây dựng hoặc khi thau rửa): Để việc sử dụng được

ổn định thường tập trung nguyên liệu nạp một lần đầy hầm. Nạp lần đầu khoảng 70%

khối lượng tính toán, trường hợp này cần tăng khối lượng nước để đạt mức cốt thiết kế

qui định. Nên đưa nước vào hầm khoảng 3/5 dung tích phần tự huỷ. Đổ nguyên liệu

vào hầm từ miệng hầm, nạp đến đâu khuấy đều đến đó cho hỗn hợp trở thành dạng

loãng. Sau khi nạp đậy nắp hầm lại, khoảng 3 – 5 ngày sau sẽ thu được biogas. Những

ngày đầu cho hàm lượng khí methan thấp, ngọn lửa có màu vàng, những ngày sau sẽ

chuyển sang màu xanh tím.

- Vận hành thường xuyên: Sau 20 – 25 ngày sử dụng đảm bảo cho hầm sản xuất

biogas hoạt động ổn định, bắt đầu nạp nguyên liệu và nước thường xuyên hàng ngày.

Đồng thời với việc nạp thường xuyên hàng ngày, phía hệ thống thải cũng tràn ra một

khối lượng chất đã phân huỷ tương đương.

Nói chung các hầm trong gia đình cần kết hợp với hố xí tự hoại, hệ thống chuồng

gia súc. Hàng ngày khi làm vệ sinh chuồng trại, nước rửa và phân theo hệ thống chảy

vào hầm. Việc vận hành thường xuyên càng đều đặn thì hầm sản xuất biogas hoạt

động càng ổn định. Chú ý không được cho nước xà phòng vào hầm, vì như vậy sẽ làm

tăng độ pH làm xấu khả năng tạo biogas và có thể làm chết các vi khuẩn methanogen.

Một số qui tắc khi sử dụng biogas:

Khí methan nhẹ rất dễ bắt lửa, khi cháy hoàn toàn cho nhiệt lượng cao tới 13300

kcal/kg. Quá trình cháy không tạo sản phẩm gì có hại cho sức khoẻ. Vì thế loại khí này

đã được sử dụng trong công việc nội trợ gia đình ở nhiều nước trên thế giới. Khí

methan rất dễ gây nổ và nổ mạnh ở nơi có nồng độ 6 – 14% khi có tia lửa hoặc nhiệt



độ cao trên 7000C. Để phòng tránh các sự cố có thể xảy ra khi đun nấu bằng khí

methan cần chú ý một số điểm sau:

- Bệ ủ, hệ thống tạo khí methan và hệ thống đường ống dẫn đến các bộ phận tiêu

thụ phải tuyệt đối kín, cững vững. Nghiêm cấm mọi khả năng xuất hiện tia lửa quanh

khu vực sản xuất và sử dụng biogas.

- Trước khi bật lửa mồi bếp phải mở rộng cửa thông gió 10 – 15 phút để loại trừ

khả năng tích tụ khí methan do đường ống, van bị dò rỉ ra ngoài.

- Hệ thống dẫn khí vào các hộ tiêu thụ phải có đầy đủ van an toàn để kịp thời xử

lý khi cần thiết.

- Khi châm lửa vào bếp biogas cần mở từ từ van dẫn khí, khi không đun nấu nữa

phải vặn chặt van cấp khí.

- Trong quá trình sử dụng nếu thấy có hiện tượng khả nghi phải kiểm tra khắc

phục ngay.

4.2. Năng lượng địa nhiệt

4.2.1. Tổng quan

Địa Nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lòng đất.

Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt

Trái Đất, phần trên cùng của vỏ Trái Đất. Cùng với sự tăng nhiệt độ khi đi sâu vào vỏ

Trái Đất, nguồn nhiệt lượng liên tục từ lòng đất này được ước đoán tương đương với

với một khoảng năng lượng cỡ 42 triệu MW. Lòng đất thì vẫn tiếp tục nóng hằng tỷ

năm nữa, đảm bảo một nguồn nhiệt năng gần như vô tận. Chính vì vậy Địa Nhiệt được

liệt vào dạng năng lượng tái tạo.

Nguồn nhiệt lượng này được chuyển lên mặt đất qua dạng hơi hoặc nước nóng

khi nước chảy qua đất đá nóng. Nhiệt lượng thường được sử dụng trực tiếp, ví dụ như

hệ thống điều hòa nhiệt độ (bơm địa nhiệt), hoặc chuyển thành điện năng (nhà máy

nhiệt điện).

Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và bền vững. So với các dạng năng lượng tái

tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu

tố thời tiết và khí hậu. Do đó địa nhiệt cũng có hệ số công suất rất cao, nguồn địa nhiệt

luôn sẵn sàng 24h/ngày, 7 ngày trong tuần.

Cho đến nay, hơn 30 quốc gia trên thế giới đã khai thác tổng cộng 12.000 MW

địa nhiệt cho các ứng dụng trực tiếp và sản xuất hơn 8.000 MW điện. Tại một vài quốc

gia đang phát triển, địa nhiệt điện chiếm một vai trò đáng kể trong việc đáp ứng nhu

cầu điện.



Các nhà máy địa nhiệt có giới hạn công suất từ 100 kW cho đến 100 MW, phụ

thuộc vào nguồn năng lượng vào nhu cầu điện năng. Kỹ thuật này rất thích hợp cho

điện khí hóa nông thôn và các ứng dụng mạng lưới mini (mini-grid), bên cạnh ứng

dụng trong việc hòa mạng quốc gia. Tại các quốc gia có nguồn tài nguyên eo hẹp hoặc

có điều kiện khí hậu khắc nghiệt, địa nhiệt điện có thể đóng một vai trò rất hữu dụng.

Các ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt có thể góp phần tăng đáng kể sản lượng nông

nghiệp và ngư nghiệp (nuôi trồng thủy hải sản) và cung cấp nhiệt cho các quá trình xử

lý công nghiệp phụ trợ. Nguồn địa nhiệt được xem là đặc biệt quan trọng đối với các

quốc gia đang phát triển mà lại không có các nguồn tài nguyên năng lượng như than,

dầu và khí tự nhiên.

Tương tự như hầu hết các dạng năng lượng khác, các nhà máy điện địa nhiệt có

các thuận lợi và tác động môi trường nhất định. Các vấn đề môi trường liên quan đến

địa nhiệt gồm có: khí thải, sử dụng nguồn nước, nguồn đất, quản lý chất thải,

subsidence (sụp lún), địa chất cảm ứng, tác động về quần thể động vật và thực vật ...

Giá thành địa nhiệt điện phụ thuộc mật thiết vào nguồn địa nhiệt và qui mô nhà

máy. Giá điện dao động từ 2,5-10 xu Mỹ/kWh. Giá hơi nước (steam) thì có thể xuống

đến 3,5 USD/tấn. Các yếu tố ảnh hưởng đến giá cả địa nhiệt điện là độ sâu và nhiệt độ

của bồn địa nhiệt, sản lượng khai thác của giếng, các vấn đề đáp ứng tiêu chuẩn về

môi trường, cơ sở hạ tầng và các yếu tố kinh tế khác như qui mô phát triển, qui hoạch

tài chính …

4.2.2. Nguồn năng lượng địa nhiệt

Nguồn địa nhiệt liên quan mật thiết đến cấu trúc nhiệt độ của Trái Đất và chu trình đối

lưu nhiệt trong lòng Trái Đất. Nhiệt độ của Trái Đất tăng dần theo độ sâu và đạt đến

4.200oC tại tâm (hình 4.12)



Hình 4.12. Cấu trúc nhiệt độ sơ giản của trái đất (a) và các dạng biểu hiện của nguồn

năng lượng địa nhiệt

Một phần trong tổng khối nhiệt lượng khổng lồ trong lòng Trái Đất này bắt

nguồn từ quá trình hình thành hành tinh trong khoảng 4,5 tỷ năm trước (Trái Đất hình

thành từ một khối cầu vật chất cực nóng, nguội dần từ trong ra ngoài qua quá trình

quay quanh trục), và phần còn lại là kết quả của quá trình phân rã của các nguyên tố

phóng xạ tồn tại trong lõi Trái Đất. Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng từ nơi nhiệt

độ cao xuống nhiệt độ thấp, dòng nhiệt của Trái Đất di chuyển từ trong lõi ra ngoài vỏ.

Dưới tác động của một quá trình địa chất gọi là kiến tạo mảng, vỏ Trái Đất được

phân ra thành 12 mảng lớn và được tái tạo (tái sinh) một cách chậm chạp qua hàng

triệu năm. Các mảng này di chuyển tương đối với nhau (phân tách hoặc hội tụ) với tốc

độ vài cm/năm. Khi hai mảng kiến tạo va chạm vào nhau, 1 mảng có thể hút chìm

xuống mảng còn lại, tạo nên các trũng đại dương và gây ra động đất. Đây chính là nơi

vỏ Trái Đất trở nên yếu hơn bình thường, cho phép vật chất nóng từ trong lòng đất

dịch chuyển lên mặt. Ở độ sâu lớn tại đới hội tụ, ngay bên dưới mảng sụp chìm, nhiệt

độ tăng lên đủ cao đến nung chảy đất đá và tạo ra magma (nham thạch). Do có mật độ

thấp hơn khối đất đá xung quanh, magma di chuyển lên phía trên vỏ Trái Đất và mang

theo nhiệt lượng cùng với nó. Đôi khi magma di chuyển lên tới bề mặt Trái Đất thông

qua các điểm yếu của vỏ Trái Đất và phun trào lava tại các miệng núi lửa. Tuy nhiên,



đa phần magma được giữ lại trong vỏ Trái Đất và nung nóng đất đá và các khối nước

ngầm (subterranean water). Một phần khối nước nóng này có thể di chuyển lên mặt đất

thông qua các đới đứt gãy hoặc khe đá rạn (cracks), hình thành suối nước nóng (hay là

geysers, mạch nước nóng). Một khi khối nước nóng và hơi nước này bị “bẫy” do khối

đất đá không thấm (impermeable) ở phía bên trên và được giữ lại trong khối đất đá

thấm (permeable), bồn trũng địa nhiệt được hình thành. Các bồn trũng này chính là

nguồn địa nhiệt có thể được dùng trực tiếp hoặc để sản xuất điện qua hệ thống turbine

hơi nước (steam turbine).

Có 5 dạng nguồn địa nhiệt khác nhau, trong đó chỉ có bồn trũng thủy địa nhiệt

(hydrothermal reservoirs) và năng lượng trái đất (earth energy) là đã được đưa vào

khai thác thương mại. 3 dạng còn lại, nước muối địa áp (geopressureed brine), đá khô

nóng (dry hot rock) và magma, vẫn còn yêu cầu phát triển các kỹ thuật cao/tân tiến.

- Bể thủy nhiệt là các bể chứa hơi hoặc nước nóng bị bẫy trong đá porous (Hình

4.13). Để sản xuất điện, hơi hoặc nước nóng được bơm từ các bể lên mặt đất để vận

hành các turbin phát điện. Do nguồn hơi nước tương đối hiếm, nên hầu hết các nhà

máy địa nhiệt sử dụng nguồn nước nóng. Chi tiết về kỹ thuật sẽ được giới thiệu ở phần

sau.

- Đá khô nóng: địa nhiệt có thể được khai thác từ một số các nguồn đá khô,

không thấm ở độ sâu khoảng 5-10 m dưới mặt đất, hoặc thậm chí nông hơn ở một số

khu vực. Ý tưởng chủ đạo là bơm nước lạnh xuống nguồn đá khô này tại một giếng

khoan, cho khối nước này chảy qua nguồn đá khô và được nung nóng, sau đó dẫn khối

nước được nung nóng ra một giếng khoan khác và trữ trong bể địa nhiệt. Tuy nhiên

hiện nay vẫn chưa có ứng dụng thương mại nào cho kỹ thuật này (xem Hình 4.14).

Hình 4.13. Bể thủy nhiệt (hồ địa nhiệt)



Hình 4.14. Địa nhiệt đá khô

- Magma: tất cả các kỹ thuật địa nhiệt hiện nay đều chỉ khai thác “gián tiếp” nhiệt

năng từ lòng đất do magma chuyển lên. Hiện tại vẫn chưa có kỹ thuật này cho phép

khai thác trực tiếp nhiệt lượng từ magma, mặc dù magma là nguồn nhiệt lượng cực kỳ

dồi dào trong vỏ Trái Đất.

- Nước muối địa áp là dạng nước nóng, áp suất cao và chứa methane hòa tan. Cả

nhiệt và methane đều có thể được sử dụng để sản xuất điện thông qua turbine.

4.2.3. Ứng dụng của địa nhiệt

Địa nhiệt có 3 ứng dụng chính như sau:

- Sản xuất điện năng: người ta có thể khoan các giếng xuống các bể địa nhiệt để

hút hơi nước hoặc nước nóng cho việc vận hành turbine trên mặt đất, một cách trực

tiếp hoặc gián tiếp.

- Sử dụng trực tiếp: nguồn nước nóng gần bề mặt Trái Đất có thể được sử dụng

trực tiếp như nhiệt lượng. Một số ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt là: hệ thống suởi,

nhà kính, sấy thóc, làm ấm nước ở các trại nuôi cá, hoặc một số các ứng dụng trong

công nghiệp như tiệt trùng sữa.



- Bơm địa nhiệt: hay còn được biết như bơm nhiệt từ lòng đất (ground-source

heat pump), là một kỹ thuật năng lượng mới có hiệu suất cao và ngày càng được sử

dụng rộng rãi trong các hộ gia đình cũng như trong công sở. Kỹ thuật này ứng dụng

trong việc điều hòa nhiệt độ và cung cấp nước nóng. Thuận lợi lớn nhất của nó là khả

năng tập trung nhiệt từ tự nhiên (lòng đất) hơn là tạo nhiệt từ việc đốt các nhiên liệu

hóa thạch gây ô nhiễm môi trường.

Hình 4.15. Sơ đồ nhà máy điện địa nhiệt

4.2.3.1. Sản xuất điện từ địa nhiệt

Có 3 kỹ thuật chính được sử dụng trong việc sản xuất điện từ địa nhiệt: dry

steam, flash steam và hệ thống binary cycle. Việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật phụ

thuộc vào nhiệt độ và áp suất của bể địa nhiệt (pha của lưu chất thủy nhiệt: dạng hơi

hoặc dạng lỏng).

a) Dry steam (nhà máy điện địa nhiệt chạy bằng hơi khô)

Dry steam sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (>2350C) và một ít nước nóng từ bể

địa nhiệt. Hơi nước sẽ được dẫn vào thẳng turbine qua ống dẫn để quay máy phát điện.

Đây là dạng kỹ thuật cổ điển nhất và được sử dụng ở nhà máy địa nhiệt đầu tiên trên

thế giới tại Lardarello, Ý (1904).



Hình 4.16. Nhà máy điện địa nhiệt chạy bằng hơi khô

b) Flash steam (nhà máy điện địa nhiệt chạy bằng nước siêu lỏng)

Flash steam là dạng kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay. Nhà máy dạng flash steam

sử dụng nước nóng ở áp suất cao (>1820C) từ bể địa nhiệt. Nước nóng ở nhiệt độ cao

này tự phụt lên bề mặt thông qua giếng do chính áp suất của chúng. Trong quá trình

nước nóng được bơm vào máy phát điện, áp suất của nước giảm rất nhanh khi phụt lên

gần mặt đất. Chính sự giảm áp này khiến nước nóng bốc hơi hoàn toàn và hơi nước

sinh ra sẽ làm quay turbine phát điện. Lượng nước nóng không bốc thành hơi sẽ được

bơm xuống trở lại bể địa nhiệt thông qua giếng bơm xuyên (injection wells).

c) Binary-cycle (nhà máy điện địa nhiệt 2 chu trình)

Các nhà máy địa nhiệt binary-cycle sử dụng nước nóng có nhiệt độ trung bình

dao động từ 107-1820C từ bể địa nhiệt. Tại các hệ thống binary, chất lỏng địa nhiệt

được dẫn qua một bên của hệ thống trao đổi nhiệt để nung nóng chất lỏng thứ cấp ở

ống dẫn bên cạnh. Chất lỏng thứ cấp thường là hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp

hơn nhiệt độ sôi của nước, ví dụ như Isobutane hoặc Iso-pentane. Chất lỏng thứ cấp

sau khi được đun sôi ở hệ thống trao đổi nhiệt sẽ bốc hơi và được dẫn vào turbine.

Lợi thế chủ yếu của hệ thống binary là chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sôi thấp hơn

nhiệt độ sôi của nước, do đó các bể địa nhiệt nhiệt độ thấp vẫn có thể được sử dụng.

Mặt khác, do hệ thống binary cycle là một chu trình tương đối kính nên hầu như không

có khí thải nào được sinh ra. Vì những lý do kể trên mà các chuyên gia địa nhiệt dự

đoán rằng hệ thống binary sẽ là giải pháp kỹ thuật chủ đạo cho việc sản xuất điện địa

nhiệt trong tương lai.



Hình 4.17. Nhà máy điện địa nhiệt chạy bằng nước siêu lỏng

Hình 4.18. Nhà máy điện địa nhiệt chạy bằng 2 chu trình

Trong quá trình vận hành của bất kỳ nhà máy địa nhiệt điện nào, hệ thống làm

nguội đóng một vai trò hết sức quan trọng. Các tháp làm nguội (cooling towers) giúp

turbin không bị quá nóng và từ đó kéo dài thời gian sử dụng. Có hai dạng hệ thống làm

nguội chính yếu: dùng nước hoặc dùng không khí.

4.2.3.2. Hệ thống địa nhiệt tầng nông

Hầu hết ở mọi nơi trên bề mặt Trái Đất, nhiệt độ của lòng đất ở 30 cm trên cùng

giữ một nhiệt độ tương đối ổn định vào khoảng 100-160 C. Hệ thống bơm địa nhiệt có

thể tận dụng nguồn nhiệt này để điều hòa nhiệt độ các tòa nhà. Hệ thống bơm gồm có

một bơm nhiệt, một hệ thống dẫn khí, một hệ thống trao đổi nhiệt (hệ thống ống đặt

chìm trong lòng đất gần tòa nhà). Vào mùa đông, bơm nhiệt sẽ "lấy" nhiệt từ hệ trao

đổi nhiệt và bơm vào hệ thống dẫn nhiệt ở trong nhà. Vào mùa hè, quá trình này được

đảo ngược, bơm nhiệt sẽ "rút" nhiệt từ trong nhà và bơm vào hệ thống trao đổi nhiệt.



Mặt khác, nhiệt rút ra từ không khí trong nhà sẽ còn có thể được sử dụng để đun nước

ấm sử dụng trong mùa hè.

Hình 4.19. Hệ thống trao đổi nhiệt trong long đất

Một hệ thống bơm địa nhiệt bao gồm các phần như sau:

+ Hệ nối đất (earth connection): sử dụng Trái Đất như nguồn nhiệt, bao gồm một hệ

các ống dẫn, thường được gọi là loop, chôn dưới mặt đất ở khu vực gần công trình xây

dựng. Hệ thống này có thể được chôn dọc hoặc chôn ngang. Hệ thống này luân chuyển

một lưu chất (nước, hoặc hỗn hợp nước và chất chống đông – antifreeze) hấp thụ

nhiệt, hoặc “nhả” nhiệt, từ khối đất đá ép xung quanh, tùy thuộc vào nhiệt độ không

khí cao hơn hoặc thấp hơn nhiệt độ đất.

+ Bơm nhiệt (heat pump): một máy bơm nhiệt hút nhiệt từ lưu chất luân chuyển

trong loop, tập trung nhiệt này lại và chuyển nó vào trong tòa nhà. Để làm mát, quá

trình này được đảo ngược.

+ Các ống dẫn nhiệt (ductwork) thông thường được sử dụng để phân bố không

khí ấm hoặc mát từ bơm địa nhiệt ra khắp tòa nhà.

Trong thập kỷ vừa qua, một số quốc gia đã tiến hành khuyến khích việc khai triển bơm

địa nhiệt cho việc điều hòa nhiệt độ vào mùa đông và mùa hè với nhiều chương trình

trợ giá hấp dẫn khác nhau. Hoa Kỳ hiện vận dẫn đầu trong ứng dụng bơm địa nhiệt

(đạt 3.300 GWh/năm theo số liệu năm 1999), với tăng trưởng mỗi năm là 10%. Các

quốc gia dẫn đầu khác là Thụy Sĩ, Thụy Điển, Đức, Áo và Canada.



Hình 4.20. Hệ thống địa nhiệt tầng nông

4.3. Năng lượng đại dương

4.3.1. Năng lượng thủy triều

Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó ảnh

hưởng của mặt trăng tới thủy triều lớn hơn.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày

(do sự tự quay của trái đất quanh trục của nó).

Nước triều cường và triều kiệt xảy ra theo chu kỳ 14 ngày.

- Thủy triều cực đại (triều cường-khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn lớn nhất-lúc đó mặt

trăng, mặt trời và trái đất giống như thẳng hàng) xảy ra ngay sau khi trăng tròn và

trăng non, có sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng và nước hạ



Hình 4.21. Triều cường

- Thủy triều kiệt (khi ảnh hưởng của sức hút thấp nhất-khi đường thẳng nối trái đất và

mặt trăng tạo thành góc 90 độ với đường thẳng nối trái đất và mặt trời)

Hình 4.22. Triều kiệt

Việc chế ngự nguồn năng lượng này đã được chú ý hàng thế kỷ nay. Vào thế kỷ 18,

nhà máy năng lượng nước vận hành nhờ sự chuyển động lên xuống thủy triều được

xây dựng ở New England. Bơm nước cống rãnh dùng năng lượng thủy triều ở

Hamburg, Đức mãi đến năm 1880. Còn bơm nước sử dụng năng lượng thủy triều lắp



đặt năm 1580 dưới cầu London đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ. Những hệ thống này đã

dần được thay thế bằng các động cơ tiện lợi và hiệu quả hơn.

Bình thường, sự chênh lệch mực nước giữa triều dâng và triều hạ khoảng 0,5m. Tuy

nhiên, một số vùng bờ biển với vịnh hẹp có sự chênh lệch rất lớn giữa hai mực nước

triều. Vd như, vịnh Fundy ở Nova Scota (Đông Nam Canada), có mức triều lớn nhất

thế giới, độ chênh lệch có thể lên đến 16m. Bằng cách xây đập bắc ngang qua vịnh, ta

có thể điều khiển được nguồn năng lượng này để tạo ra điện năng.

Một lòng chảo thủy triều (tidal basin) là một hồ chứa đầy và cạn khi thủy triều lên và

xuống. Khi nước qua các cửa mở của đập, nó chảy trực tiếp vào các cánh tuabin nước

và phát ra điện. Tại đỉnh điểm thủy triều, cửa đóng và nước được giữ lại trong basin.

Thủy triều hạ dần, cửa mở ra và nước lại chảy qua các tuabin trở về đại dương, quay

tuabin và phát điện

Hình 4.23. Sơ đồ cơ chế vận hành của nhà máy điện thủy triều

Hiện nay, các trạm điện thủy triều đang hoạt động ở Pháp, Nga, Trung Quốc và

Canada. Tuy nhiên, năng lượng thủy triều không phải là một nguồn năng lượng quan

trọng trên toàn thế giới, bởi vì chỉ có một số ít các vị trí có mực nước triều dâng cao đủ

để việc phát điện mang tính khả thi.

Nhà máy điện thủy triều đầu tiên được xây dựng ở Pháp nơi sông Rance đổ ra Đại

Tây Dương trên vùng biển Brittany. Hoàn thành năm 1968, nó có công suất 240 MW.

"Lòng chảo" (basin) của nó rộng 8,5 dặm vuông và có mực triều dâng cao nhất là 27,6

feet (8,28m).

Trạm thủy triều đầu tiên ở Bắc Mỹ đặt trên sông Annapolis, nơi đổ vào vịnh

Fundy. Hoàn thành năm 1984, nó có công suất 20 MW.



Vấn đề đặt ra đối với năng bao gồm chi phí đầu tư xây dựng nhà máy điện khá cao và

tác động của nó đến môi trường. Năng lượng thủy triều lớn nhất tập trung ở những

vùng cửa sông, bờ biển, nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dương. Đây lại là nơi có

sự hòa trộn giữa nước ngọt và mặn, tạo nên môi trường thủy sinh có năng suất cao. Cá

và vô số động vật thân mềm đến đây sinh sản. Vì thế, việc xây dựng đập sẽ ảnh hưởng

lớn đến sinh thái khu vực.

4.3.2. Năng lượng nhiệt đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion – OTEC)

Khoảng 2/3 bề mặt trái đất được bao phủ bởi lớp nước đại dưong sâu hàng

kilomet. Điều này tạo nên một trữ lượng khổng lồ nguồn nhiệt năng. Do hấp thụ năng

lượng Mặt Trời mà bề mặt đại dương ấm hơn dưới đáy sâu. Ở vịnh Mêxicô và ở Thái

Bình Dương gần Hawaii, nhiệt độ giảm từ 25 độ C trên bề mặt xuống 5 độ C ở độ sâu

1000 feet (gần 300 m). Trong tương lai, người ta có thể tạo ra điện năng nhờ lợi dụng

gradient nhiệt độ này. Một động cơ sẽ lấy nhiệt từ lớp trên đại dương, chuyển thành

công có ích rồi bơm nó xuống lớp sâu dưới đáy.

Động cơ hoạt động giống như một tuabin hơi nước. Tuy nhiên do lấy ở 20 độ C và trả

lại ở 10 độ C nên nước không thể được dùng vì nó không bốc hơi ở nhiệt độ này.

Hình 4.24. Sơ đồ công nghệ chuyển hóa năng lượng nhiệt đại dương



Yêu cầu về một chất lỏng bay hơi ở 20 độ C và tạo ra áp suất bay hơi đáng kể

được đặt ra. Ammonia lỏng có khả năng này, tuy nhiên hiệu suất nhiệt cực đại của

thiết bị cũng chỉ trong khoảng vài phần trăm bởi vì sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ. Thiết

bị OTEC dài khoảng 1000 feet và được neo trong đại dương. Nước ấm (bề mặt) chảy

vào phần trên của hệ thống, sau đó đi qua bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt cho nồi

hơi, làm bay hơi Ammonia. Hơi sau đó ngưng tụ lại thành chất lỏng và trở lại nồi hơi.

Các ưu điểm hấp dẫn của OTEC là:

(1) Không sinh ra ô nhiễm, không sinh ra CO2.

(2) Sử dụng nguồn năng lượng gần như vô tận của mặt trời đã chuyển thành nhiệt năng

trên bề mặt đại dương.

Dự án thí điểm gần đây nhất ở Hawaii. Ngoài việc phát ra năng lượng điện, nước

sau khi sử dụng được dùng điều hòa không khí, hoặc đưa vào khu nuôi trồng thủy sản

gần đó, cung cấp nguồn nước biển sạch, giàu dinh dưỡng cho tảo, cá, động vật giáp

xác...

Mặc dù OTEC khả thi về mặt kỹ thuật nhưng ảnh hưởng tiềm tàng của việc đưa

một lượng lớn nước lạnh lên bề mặt ở vùng nhiệt đới cần được xem xét kỹ trước khi

tiến hành đại trà. Các tính chất của nước như: nồng độ khí hòa tan, độ đục, nồng độ

chất dinh dưỡng, sự chênh lệch độ mặn thay đổi theo nhiệt độ, và những thay đổi này

ảnh hưởng đến sinh vật biển.

4.3.3. Năng lượng sóng biển (Ocean Waves)

Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động của các

khối khí do chênh lệch nhiệt độ v.v..). Vì vậy, năng lượng sóng được xem như dạng

gián tiếp của năng lượng Mặt Trời. Giống như các dạng dòng nước chảy khác, năng

lượng sóng có khả năng làm quay tuabin phát điện. NaUy, Anh, Nhật và một số nước

đang nghiên cứu sản xuất điện từ sóng đại dương. Trạm phát điện từ sóng dùng một kỹ

thuật đơn giản. Thiết bị bằng bêtông rỗng được đặt chìm vào trong một máng rãnh

ngoài khơi để "bắt" sóng. Mỗi khi một cơn sóng mới đi vào khoang (khoảng 10

giây/lần), nước dâng lên trong khoang đẩy không khí đi vào lỗ thoát có đạt một tuabin,

làm quay tuabin chạy máy phát điện. Khi sóng hạ, nó kéo không khí trở lại khoang và

sự chuyển động của không khí lại tiếp tục làm quay tuabin.



Hình 4.25. Sơ đồ hệ thống năng lượng sóng biển

Điều cần lưu ý là sự cố ngoài khơi có thể làm hư hỏng thiết bị. Năm 1995, trạm phát

điện bằng sóng đầu tiên của thế giới ngoài biển Bắc Scotland đã bị nhấn chìm trong

một cơn bão sau khi nó hoạt động chưa đầy một tháng.

Mặc dù nguồn năng lượng từ sóng đại dương là rất lớn nhưng cho đến nay, hiệu suất

năng lượng thu được còn rất thấp nên việc ứng dụng năng lượng sóng chưa mang tính

kinh tế và thực tiễn.

Documents

BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG & MÔI TRƯỜNG113.160.134.160/sach/09200049.pdf · Bài giảng Năng lượng & Môi trường ... Những quy trình này có thể cung ... mỏ bị