nghên cứu phát triển và ứng dụng một số công nghệ dò tìm thông minh cho các tàu cá

1


NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ
CÔNG NGHỆ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ DÒ TÌM THÔNG MINH
CHO CÁC TÀU ðÁNH CÁ
Nguyễn Hải Nam
1
, Nguyễn Văn ðức
1
Nguyễn Việt Dũng
1
, Phạm Thành Huy
1

1. Giới thiệu
Với sự phát triển kinh tế của ñất nước, hiện nay tại các tỉnh ven biển số lượng tàu ñánh
bắt cá trọng tải trung bình và lớn ngày càng tăng. Nhằm tăng hiệu quả ñánh bắt, thời gian gần
ñây nhiều trong số những tàu này ñược trang bị hệ thống ñèn chiếu sáng nhằm thu hút, dẫn dụ
cá và các loại thủy sản khác, cũng như hệ thống bảo quản lạnh nhằm duy trì nhiệt ñộ các hầm cá
(bảo quản bằng ñá xay). Các tàu ñánh cá, sử dụng nguyên liệu chính là xăng hoặc dầu, và việc
sử dụng hiệu quả lượng xăng dầu sử dụng chính là bài toán luôn ñược ñặt ra ñối với các chủ
tàu, và ñây cũng chính là yếu tố quyết ñịnh sự thành công của mỗi chuyến ra khơi trong khi giá
cả xăng, dầu ngày càng tăng. Hơn nữa ñể tăng hiệu quả ñánh cá, một số công nghệ dò tìm hiện
ñại như công nghệ dò cá sử dụng sonar cho phép dò, hiển thị và tính toán khoảng cách tới các
ñàn cá trên màn hình hiện sóng ñã bắt ñầu ñược nghiên cứu và áp dụng trong nước.
ðối với hệ thống chiếu sáng, cho ñến nay, hầu hết các tàu ñánh cá trong nước sử dụng
các loại ñèn Metal Halide (MH) công suất lớn cho các dàn ñèn chiếu sáng trên tàu. ðây là các
thiết bị chiếu sáng có hiệu suất chiếu sáng cao nhưng ñòi hỏi năng lượng tiêu hao lớn. Một số
kết quả nghiên cứu thực tế cho thấy, lượng xăng dầu sử dụng cho hệ thống tàu ñánh bắt cá ra
khơi một ñợt là khoảng 10.000 lít với các tàu trên 90 mã lực trở lên trong ñó trên 50% [1-3]

là
sử dụng cho hệ thống chiếu sáng dẫn dụ ñể ñánh bắt cá. Nhằm tiết kiệm nguyên, nhiên liệu sử
dụng cho các tàu ñánh cá, ở một số nước tiên tiến trên thế giới như Hàn Quốc, Nhật Bản…ñã
nghiên cứu xây dựng những hệ thống chiếu sáng trên tàu ñánh cá dùng ñiốt phát quang (LED)
tiết kiệm ñiện. Do ñược phát triển trên công nghệ bán dẫn, hệ thống chiếu sáng dùng LED có
ưu ñiểm là gọn nhẹ, thời gian hoạt ñộng kéo dài, có thể chủ ñộng thay ñổi bước sóng ánh sáng
nhằm thu hút các loại thủy sản khác nhau, và hơn hết có thể tiết kiệm ñược lượng xăng dầu
tiêu thụ từ 50-75%.
ðối với hệ thống bảo quản lạnh, do nguồn kinh phí ñầu tư hạn hẹp, việc bảo quản lạnh trên
các tàu ñánh cá xa bờ hiện nay rất thô sơ, sử dụng công nghệ lạnh không ñúng và kém hiệu quả, dẫn
tới không ñảm bảo chất lượng sản phẩm, lãng phí về mặt năng lượng, tăng giá thành sản phẩm.
Trong báo cáo này chúng tôi giới thiệu phương án xây dựng hệ thống ñèn chiếu sáng
cho tàu ñánh cá dùng ñiốt phát quang (LED). Chúng tôi cũng ñề cập ñến khả năng tích hợp hệ
thống dò tìm cá dùng công nghệ sóng siêu âm, cũng như khả năng lắp ñặt hệ thống bảo quản
lạnh, bảo ñảm nhiệt ñộ cho các hầm trữ cá trên tàu. Các lợi ích của việc thay thế hệ thống
chiếu sáng thông thường hiện tại trên các thuyền ñánh bắt cá bằng hệ thống chiếu sáng sử
dụng ñèn LED sẽ ñược làm sáng tỏ qua các ñánh giá cụ thể.


1
Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội
2


2. Thực trạng hệ thống chiếu sáng trên các tàu ñánh cá ở Việt Nam và giải pháp thay thế
sử dụng ñèn tiết kiệm ñiện LED cho hệ thống tàu ñánh bắt cá
2.1. Thực trạng hệ thống chiếu sáng trên các tàu ñánh cá ở Việt Nam
Hệ thống chiếu sáng trên các tàu ñánh cá ở Việt Nam thường sử dụng khoảng 100 ñèn
MH công suất 400 W (sử dụng chấn lưu công suất 70W) ñể chiếu xa dụ cá ñến gần tàu. Và

khoảng 2 ñèn MH công suất 1000 W (sử dụng chấn lưu công suất 70W) kết hợp với 4 ñèn 400W
ñể vây bắt cá. ðể cung cấp năng lượng cho hệ thống chiếu sáng như vậy và vận hành tàu ñánh cá
thì tàu ñược trang bị 2 loại máy phát chạy bằng dầu diesel: máy phát 50 kW, máy phát 10 kW.
Thời gian ñánh bắt một ñợt khoảng 50 ngày với gian ñánh bắt trong 1 ñêm là 10 tiếng.
Lượng dầu sử dụng 10.000 lít dầu/ ñợt. Lượng dầu cung cấp cho chiếu sáng dẫn dụ cá chiếm từ
60 - 70% tổng chi phí vận hành của mỗi ñợt ra khơi ñánh bắt.
Nhược ñiểm hệ thống chiếu sáng bằng ñèn Metal halide:
• Hệ thống ñèn ñánh cá sử dụng ñèn MH phải sử dụng các máy phát ñiện công suất
lớn, làm tăng chi phí ñầu tư thiết bị cho hệ thống chiếu sáng.
• Máy phát công suất lớn tiêu tốn nhiều nhiên liệu dầu làm tăng chi phí vận hành, thải
nhiều khí CO
2
gây ô nhiễm môi trường sinh thái trên biển làm ảnh hưởng ñến môi trường
sống của thuỷ sinh vật sẽ làm giảm nguồn lợi thủy sản.
• Mỗi loài cá có cách dẫn dụ khác nhau, sống ở mực nước sâu, nông khác nhau nên việc
dùng loại ñèn có cùng một bước sóng ánh sáng quá hao phí. Chỉ 20% năng lượng ánh sáng của
các giàn ñèn hữu ích cho dẫn dụ cá, còn lại 80% lãng phí do chiếu ánh sáng ra toàn không gian.
• Hệ thống ñèn MH không có tính ñịnh hướng, xuyên sâu nên chỉ dẫn dụ cá ở lớp nước
bề mặt, không dẫn dụ cá ở các lớp nước sâu hơn làm giảm sản lượng ñánh bắt.
• Việc bố trí hệ thống chiếu sáng như trên hình vẽ không ñảm bảo an toàn ñiện gây
nguy hiểm ñến tính mạng cho các ngư dân trên tàu.
• ðèn MH thích hợp cho chiếu sáng công cộng, trong khi mức ñộ nhiễm mặn trong không khí
ở biển cao, nên tuổi thọ của ñèn thấp. Sau một thời gian sử dụng nhiều, các bóng ñèn bị cháy, vỡ.
• Nhiệt tỏa ra từ ống ñèn và Ballast cao làm ảnh hưởng ñến trong môi trường làm việc
của các ngư dân như phải làm việc ở nhiệt ñộ cao và ánh sáng làm chói mắt dẫn ñến giảm thị
lực, gây tổn hại ñến da.

3

Hình 1. Hệ thống dây, ñèn ở phía sau tàu (trên) và hệ thống ñèn ñánh cá sử dụng bóng
Metal Halide (dưới)[2]
2.2. Phương án thay thế hệ thống cũ
Sử dụng ñèn LED 80W ñến 160W thay thế các ñèn MH:
Bảng 1. Bảng só sánh các thông số kỹ thuật chính khi thay thế ñèn Metal Halide bằng LED
Thành phần

MH

LED

Ưu ñiểm

Số lượng ñèn

100

50

Giảm trọng lượng tàu ñánh
cá, hệ thống chiếu sáng gọn
gang không cồng kềnh

Tổng trọng lượng

ðèn + ballast

>400 kg

>100 kg

Máy phát cho

chiếu sang

Máy 10 kW

Máy 50 kW

Máy 10 kW

Tổng công suất

cho chiếu sang

~50 kW

~4 kW

Giảm khoảng 90%

Lượng dầu sử dụng

(Tiêu chuẩn 10 h/ngày)

100 lít

20 lít

Giảm 80 lít

Chi phí dầu

(Tiêu chuẩn 10 h/ngày)

1.500.000

VNð

300.000

VNð

Giảm 1.200.000 VNð

Chi phí dầu trong một
ñợt ñánh cá (50 ngày)

75.000.000
VNð

15.000.000 VNð

Giảm 60.000.000 VNð

(tiết kiệm hơn 80% chi phí
dầu cho chiếu sáng)

Ưu ñiểm:

• Hệ thống ñèn ñánh cá sử dụng ñèn LED chỉ sử dụng máy phát 10 kW, tiết kiệm ñược
chi phí ñầu tư máy 50 kW (tiết kiệm gần 100 triệu ñồng).
• Lượng dầu cung cấp cho máy phát giảm 70%, tiết kiệm ñược chí phí nhiên liệu.
• Thân thiện với môi trường, giảm khí thải CO
2
gây hiệu ứng nhà kính.
• Trọng lượng vận tải của tàu giảm ñáng kể do loại bỏ hoàn toàn hệ thống ballast và
máy phát 50 kW.
4


• ðèn LED với IP cao có thể chống thấm nước, chống bụi, chống va ñập ñặc biệt ñèn
LED có tuổi thọ cao từ 50.000 h ÷ 100.000 h nên tỷ lệ ñèn bị cháy, hỏng rất thấp.
• Ánh sáng của ñèn LED (có nhiều bước sóng khác nhau) phù hợp sinh lý nhiều chủng loại cá.
• ðèn LED có tính ñịnh hướng, xuyên sâu tới nhiều lớp nước nên vừa dẫn dụ ñược cá ở
lớp bề mặt, vừa dẫn dụ ñược cá ở các lớp nước sâu, giúp cho ngư dân thu ñược sản lượng cá
lớn hơn so với sử dụng hệ thống chiếu sáng bằng ñèn MH. Theo ñiều tra của các chuyên gia
Hàn Quốc thì tàu ñánh cá khi sử dụng ñèn LED thu ñược sản lượng cá tăng 24,5 % và sản
lượng mực tăng 41,6% [1].
• ðèn LED dùng nguồn một chiều với ñiện áp thấp và có IP cao nên ñảm bảo an toàn
ñiện cho các ngư dân.


Hình 2. Hệ thống ñèn LED dẫn dụ cá trong ñêm ứng dụng cho các tàu ñánh cá [2]
5


2.3. Lợi ích của hệ thống ñèn LED
Hiệu quả kinh tế:
Bảng 2. Phân tích lợi ích kinh tế sau 03 lần ra khơi

TT Chi phí dầu, bảo dưỡng trong mỗi lần ra khơi

MH
(VNð)
LED
(VNð)
1 Lần thứ 1 76.000.000

15.000.000

2 Lần thứ 2 76.000.000

15.000.000

3 Lần thứ 3 76.000.000

15.000.000

Tổng chi phí vận hành, bảo dưỡng 228.000.000

45.000.000

ðầu tư ban ñầu 250.750.000

583.975.000

Lợi nhuận do tăng sản lượng 0

275.250.000

Tổng chi phí sau 03 lần ra khơi 478.750.000

353.725.000

Căn cứ vào bảng 2 có thể thấy: i) Thời gian hoàn vốn ñầu tư xây lắp ñặt hệ thống ñèn
LED là sau 3 lần ra khơi ; ii) Ngoài ra, hệ thống ñánh cá sử dụng ñèn LED có tuổi thọ trên 15
năm nên giảm chi phí bảo dưỡng và thay thế.
3. Nâng cao hiệu quản bảo quản bằng hệ thống bảo quản lạnh nhằm duy trì nhiệt ñộ các
hầm cá
Các loại hải sản sau khi ñánh bắt sẽ chết trong thời gian ngắn sau ñó ở nhiệt ñộ môi
trường bắt ñầu quá trình phân hủy sinh nhiệt. Ở phần lớn các loại thủy sản quá trình này diễn
ra khá mãnh liệt lượng nhiệt tỏa ra khoảng 1,047kJ/(kg.h), khiến nhiệt ñộ thủy hải sản tăng
lên rất nhanh khoảng 5
o
C so với nhiệt ñộ môi trường. Nhiệt ñộ càng cao lại càng thúc ñẩy quá
trình hư hỏng nhanh hơn. Ở nhiệt ñộ môi trường (25-30
o
C) nếu không có biện pháp bảo quản,
hải sản bắt ñầu phân hủy sau khi ñánh bắt trong khoảng thời gian từ 6-12h. Có nhiều biện
pháp bảo quản và sơ chế hải sản, tuy nhiên phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất không sử
dụng hóa chất là phương pháp làm lạnh hải sản. Bản chất là khi hạ nhiệt ñộ, chúng ta ñã ức
chế và làm chậm lại các phản ứng hóa sinh, phân rã thịt hải sản. Ở nhiệt ñộ dưới 0
o
C phần lớn
các hoạt ñộng của các enzim bị ñình chỉ hoặc diễn ra rất chậm.
ðối với hải sản sau khi ñánh bắt sẽ ñược làm lạnh sơ bộ, tức là hạ nhiệt ñộ của hải sản
từ nhiệt ñộ môi trường 25
o
C tới nhiệt ñộ 5-0
o

C.Tiếp theo hải sản sẽ qua khâu chế biến và lam
lạnh ñông tới -20÷-25
o
C ñể ñươc bảo quản và vận chuyển dài ngày cho tới tay người tiêu thụ.
ðối với các tàu ñánh cá của chúng ta, phần lớn là loại nhỏ chủ yếu ñánh bắt ven bờ,
sản lượng ñánh bắt từng chuyến không nhiều (từ vài tấn cho tới vài chục tấn) vì thế rất hiếm
các tàu ñược trang bị thiết bị cấp ñông, thậm chí các máy lạnh bảo quản. Do vậy quá trình bảo
quản lạnh hải sản trên tàu là bảo quản mát sơ bộ với nhiệt ñộ sản phẩm -2-0
o
C. Ở nhiệt ñộ này
hải sản chỉ có thể bảo quản trong vong 3-7 ngày. Sau ñó sản phẩm mới ñược chuyên chở tới
nhà máy chế biến hải sản ñông lạnh. Các biện pháp làm lạnh sơ bộ thông dụng gồm có: lành
lạnh bằng cách ướp ñá, làm lạnh bằng nước lạnh, làm lạnh sơ bộ bằng máy lạnh. Với hiện
6


trạng công nghệ hiện nay khâu làm lạnh hải sản ñánh bắt của ta chủ yếu ñược thực hiện thông
qua viêc ướp ñá.
Hạn chế cơ bản của phương pháp làm lạnh bằng ướp ñá là:
- Tỷ lệ ñá trên sản phẩm là 1,7÷2 cộng với tỷ lệ tổn thất ñá trung bình 30% , dẫn tới
lượng ñá chuyên trở cho mỗi chuyến ñánh bắt bằng 2,2÷2,6 lần lượng sản phẩm ñánh bắt.VD:
ñể bảo quản sơ bộ 10 tấn sản phẩm ñánh bắt tàu ñánh cá,cần thiết phải mang theo 22-26 tấn
ñá trong cả chuyến ñi. Như vậy một phần không nhỏ năng lượng tiêu thụ trong chuyến ñi là
dùng ñể chuyên chở ñá chứ không phải sản phẩm. Gây ra tổn thất năng lượng ñáng kể.
- ðể chuyên trở ñi dài ngày trên biển ñá mang theo là ñá cây, khi ướp sản phẩm ñá
ñược ñập nhỏ ra, nhưng thường không ñúng tiêu chuẩn dẫn tới tiêu hao ñá cao, chất lượng sản
phẩm bị ảnh hưởng. Tổn thất trung bình về sản phẩm là 20%. Như vậy dẫn tới chi phí năng
lượng, giá thành sản phẩm cao. Gây sự lãng phí ñáng kể về mặt kinh tế.
- Do thời gian bảo quản ñá không có máy lạnh là hạn chế, dù có ñể trong hầm bảo ôn ( từ
5-7 ngày) vì vậy thời gian chuyến ñi biển bị hạn chế, cũng như hạn chế khả năng ñánh bắt xa bờ.

Một số giải pháp ñề xuất
- Sử dụng hệ thống lạnh loại nhỏ và vừa trên tàu cá ñể tăng chất lượng sản phẩm, hạn
chế sử dụng ñá hoặc không sử dụng, tăng tải trọng có ích giảm chi phí năng lượng kéo dài
thời gian ñánh bắt.
- Chế tạo hầm bảo ôn, có máy lạnh nhỏ ñể duy trì bảo quản ñá cho tàu cá nhỏ + thiết bị
xay ñá ñảm bảo quy chuẩn.
4. Nâng cao hiệu quả ñánh bắt bằng tích hợp công nghệ dò tìm cá bằng sóng siêu âm
(sonar) trên tàu ñánh cá
Dò cá sử dụng công nghệ sonar là việc sử dụng sóng âm dưới nước ñể dò tìm vận cản.
Sóng âm ñược truyền ñi theo búp sóng nhỏ, khi gặp vật cản (cá) sẽ phản xạ lại, máy thu có
nhiệm vụ hiển thị và tính khoảng các tới các ñàn cá trên màng hình hiện sóng.
Kiến trúc tổng quan hệ thống dò tìm cá sử dụng công nghệ sonar bao gồm: Bộ thu
GPS: cho xác ñịnh vị trí, tốc ñộ, ñộ cao; Hydrophone (hoặc echosounder): hệ thống sonar dò
vật thể dưới nước; Microcontroller: xử lý, ñiều khiển và hiển thị tín hiệu.
Về nguyên lý, cá có thể nghe ñược các âm thanh có tần số không lớn hơn 1KHz, tai
người có thể nghe ñược tần số từ 10Hz tới 20KHz, ño ñó tần số của hệ thiết bị dò thường
ñược thiết kế, chế tạo vượt quá ngưỡng nghe của người và cá, nên có thể coi như thiết bị
không phát ra âm thanh.
Tùy vào môi trường hoạt ñộng mà ta sử dụng công nghệ này ở tần số dò tìm khác
nhau. Khi ñánh bắt cá ở vùng nước nông tần số hoạt ñộng của thiết bị ñược lựa chọn thường
là cao (180-200 KHz) và mô hình góc quét hẹp (20
o
-30
o
) là lựa chọn tốt. Góc nón hẹp sẽ cho
phép quan sát thấy mọi vật rõ hơn là quét bằng góc nón rộng và cho phép phân biệt các ñối
tượng trên màn hình hiển thị một cách dễ dàng. Trong trường hợp máy tìm kiếm cá có tần số
thấp (50-100 KHz) phù hợp ñộ sâu lớn (công suất 100 W cho phép dò tìm ở ñộ sâu 120 m), và
có góc quét rộng (40
o

-60
o
) cho khoảng cách ngang lớn hơn rất nhiều từ trục của nón. Việc kết
hợp này cho phép hệ thống quan sát ở ñộ sâu lớn hơn, nhưng việc nhận dạng sẽ không tốt.
7


Người ta có thể tăng khả năng nhận dạng bằng cách tích hợp thiết bị tìm kiếm với một
màn hình hiển thị ñộ nhạy cao. ðể nâng cao phạm vi quét sóng cũng như ñộ sâu, công nghệ
ngày nay ñã cho phép thiết kế và chế tạo các thiết bị dò, tìm kiếm cá với tần số kép. Hai trùm
quét khác nhau có thể chiếu xuống nước ở hai tần số khác nhau. Một trùm là tần số thấp, một
trùm tần số cao. Kết quả dò tìm của cả hai trùm tia có thể hiển thị ñồng thời trên màn hình
theo dõi gắn trên tàu.
Việc ứng dụng các thiết bị dò tìm cá trên các tàu ñánh bắt xa bờ cỡ trung bình và lớn,
chắc chắn giúp nâng cao hiệu quả ñánh bắt và qua ñó là hiệu quả kinh tế của ñánh
5. Kết luận
Như vậy, các phân tích ñánh giá ở trên cho thấy, mặc dù vốn ñầu tư ban ñầu cho
các hệ thống ñèn chiếu sáng dùng LED trên tàu ñánh cá là khá lớn (gấp ~2,5 lần so với hệ
thống ñèn truyền thống MH), thời gian hoàn vốn ñối với hệ thống này là rất nhanh (sau 3
lần ra khơi). Hơn nữa, do tuổi thọ của ñèn LED là rất cao (12-15 năm), việc thay thể bảo
dưỡng trong thời gian hoạt ñộng cũng có chi phí tiết kiệm hơn 80% so với hệ thống bằng
ñèn MH. ðể thấy rõ những lợi ích của hệ thống chiếu sáng dùng LED trên tàu ñánh cá, việc
nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm thực tế của hệ thống này trên các tàu ñánh cá ở các ñịa
phương khác nhau trong nước là cần thiết. Trong những trường hợp cụ thể, ñối với các tàu
ñánh cá cỡ lớn, việc lắp ñặt hệ thống bảo quản lạnh duy trì nhiệt ñộ cho hầm cá và thiết bị dò
tìm cá trên tàu là hoàn toàn khả thi về cả mặt kỹ thuật và kinh phí ñầu tư ban ñầu, do ñó sẽ
nâng cao hiệu quả kinh tế của ñánh cá xa bờ. Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội mong muốn
nhận ñược sự ủng hộ, phối hợp của các ñơn vị chức năng (các sở Khoa học và Công nghệ),
các ñơn vị liên quan và bà con ngư dân (các chủ tàu) tại các tỉnh ven biển trong việc triển khai
thử nghiệm, ñánh giá hiệu quả của các công nghệ tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi

trường và công nghệ dò tìm thông minh này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trần Trang, LED: Giải pháp tối ưu cho ñánh bắt xa bờ,

2. Trí Quang, Dùng ñèn LED khai thác thủy sản, tiết kiệm nhiên liệu,
/>9014.html
3.
4.
5. Hackmann, Willem. Seek & Strike: Sonar, anti-submarine warfare and the Royal Navy 1914-
54. London: Her Majesty's Stationery Office, 1984. ISBN 0-11-290423-8.
6. Hackmann, Willem D. "Sonar Research and Naval Warfare 1914–1954: A Case Study of a Twentieth-
Century Science". Historical Studies in the Physical and Biological Sciences 16#1 (1986) 83–110.
7. Urick, R. J. Principles of Underwater Sound, 3rd edition. (Peninsula Publishing, Los Altos, 1983).
8. Simmonds, E. John, and D. N. MacLennan. Fisheries Acoustics: Theory and Practice, second edition.
Fish and aquatic resources series, 10. Oxford: Blackwell Science, 2003. ISBN 978-0-632-05994-2.

8


NHỮNG GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
ðỂ LÀM LẠNH CÓ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Võ Chí Chính
1
, ðoàn Xuân Hiệp
2
, Lê Thượng Hiền
2

Tóm tắt

Từ lâu, vấn ñề năng lượng ñã trở thành cấp bách ñối với nhiều nước trên thế giới. Trong tất cả các phụ
tải ñiện của nước ta, phụ tải ñiện cho các máy ñiều hòa không khí là rất lớn, chiếm 80% trong khối các phụ tải
dân dụng. Trong khi ñó, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo rất sẵn có ở Việt Nam. Việc nghiên
cứu ứng dụng năng lượng mặt trời luôn ñược các Nhà nước khuyến khích ủng hộ. Một trong những hướng
nghiên cứu rất triển vọng và góp phần cải thiện tình hình khan hiếm năng lượng một cách ñáng kể là ứng dụng
ñể làm lạnh và ñiều hòa không khí. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày và phân tích các giải pháp có thể ứng
dụng năng lượng mặt trời ñể làm lạnh và ñiều hòa không khí, ñi sâu trình bày nguyên lý hoạt ñộng, phân tích ưu
nhược ñiểm và phạm vi ứng dụng của mỗi giải pháp. Từ các kết quả phân tích và nghiên cứu chúng tôi ñề xuất
các hướng ứng dụng phù hợp và hiệu quả nhất tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu này cũng ñặt tiền ñề cho các
nghiên cứu thực nghiệm về ứng dụng năng lượng mặt trời ñể làm lạnh và ñiều hòa không khí.
Từ khóa: ñộng cơ stirling, ñiều hòa không khí, làm lạnh, máy lạnh hấp thụ, năng lượng mặt trời, năng
lượng tái tạo
1. ðặt vấn ñề
Trong các phụ tải ñiện, phụ tải dành cho các máy ñiều hòa không khí chiếm một tỷ lệ
rất lớn, ñến 80% trong khu vực dân dụng và có xu hướng ngày càng tăng với tốc ñộ nhanh.
Dân số Việt Nam hiện nay trên 80 triệu, nếu chúng ta tính bình quân 40 người có một máy
12.000 Btu/h (một tỷ lệ khá thấp) thì tổng ñiện năng tiêu thụ ñã lên ñến 2.200 MW tương
ñương Nhà máy ðiện hạt nhân Ninh Thuận sẽ ñược xây dựng. Hiện nay, chúng tôi không có
số liệu về lượng máy ñiều hòa tại Việt Nam, nhưng có thể khẳng ñịnh là ñang có hàng triệu
máy ñang hoạt ñộng, chưa kể ñến các hệ thống lớn tại các khách sạn và công trình công cộng.
Vì vậy ñi tìm một nguồn năng lượng khác thay thế ñiện năng ñể ñiều hòa không khí
hay làm lạnh là một công việc có ý nghĩa rất lớn, nhất là khi sử dụng nguồn năng lượng tái
tạo. Một trong những hướng ñó là sử dụng năng lượng mặt trời ñể làm lạnh. Nghiên cứu ứng
dụng năng lượng mặt trời ñể làm lạnh ñược nhiều tác giả trong và ngoài nước tiến hành
nghiên cứu. Tuy nhiên, cho ñến nay ở nước ta việc triển khai ứng dụng gần như chưa ñược
thực hiện trên thực tế, nhiều vấn ñề kỹ thuật còn vường mắc và nhất là giá thành và hiệu quả
sản phẩm. Chúng ta hãy tìm hiểu và nghiên cứu các hướng có thể ứng dụng năng lượng mặt
trời ñể làm lạnh từ ñó tìm ra hướng hiệu quả nhất ứng dụng tại Việt Nam.
2. Nội dung nghiên cứu

Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời ñể làm lạnh ñã ñược
nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu. Về mặt nguyên lý, có 4 phương án có thể sử dụng năng
lượng mặt trời ñể làm lạnh cơ bản như sau:

1
Trường ðại học Bách Khoa, ðại học ðà Nẵng
2
Trường ðại học ðiện lực
9


- Dùng nhiệt năng lượng mặt trời cho máy lạnh hấp thụ, làm việc liên tục với môi chất
hấp thụ lỏng.
- Dùng nhiệt năng lượng mặt trời cho máy lạnh hấp thụ vận hành gián ñoạn với chất
hấp thụ rắn.
- Dùng ñộng cơ stirling năng lượng mặt trời ñể chạy máy lạnh.
- Dùng pin năng lượng mặt trời ñể thay thế một phần hay toàn bộ ñiện năng của máy lạnh.
Dưới ñây chúng ta hãy tìm hiểu nguyên lý hoạt ñộng của các hệ thống hoạt ñộng theo
các nguyên tắc trên.
2.1. Máy lạnh hấp thụ vận hành liên tục
Máy lạnh hấp thụ vận hành liên tục, làm việc với cặp môi chất lỏng (hình 1). Các cặp
môi chất thường sử dụng là NH
3
/H
2
O , H
2
O/LiBr và H
2
O/LiCl . Trong các cặp môi chất trên,

môi chất phía trước ñóng vai trò là môi chất lạnh, môi chất phía sau là chất hấp thụ. Yêu cầu
ñối với chất hấp thụ là có khả năng hấp thụ môi chất làm lạnh rất tốt ở nhiệt ñộ bình thường
và giải phóng môi chất lạnh ở nhiệt ñộ không quá cao. Hướng nhiên cứu này cũng có một số
tác giả quan tâm, nhưng chủ yếu là lý thuyết
[1,2,3,4].
Nguyên lý làm việc: Dung dịch môi chất hấp
thụ với môi chất lạnh ñậm ñặc ở bình sinh hơi III,
nhờ năng lượng mặt trời (hoặc nguồn nhiệt bất kỳ)
ñun nóng làm bay hơi và bay lên bình ngưng IV, ở
ñây nó trao ñổi nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng. Sau
ñó môi chất lạnh qua van tiết lưu V thực hiện tiết lưu
ñể giảm nhiệt ñộ và ñi vào buồng lạnh VI ñể làm
lạnh. Môi chất lạnh ra khỏi buồng lạnh ñược môi
chất hấp thụ trong bình I hấp thụ hết. Quá trình hấp
thụ ở bình I luôn tỏa ra nhiệt, nên ñể duy trì nhiệt ñộ thấp cần phải làm lạnh bình này. Muốn vậy
người ta sử dụng van tiết lưu dung dịch VII ñể tiết lưu làm lạnh. Khi nồng ñộ môi chất ở bình I
ñủ ñậm ñặc, người ta dùng bơm II bơm lên bình sinh hơi III và lặp lại quá trình.
Khi không có năng lượng mặt trời thì sử dụng một trong 2 nguồn nhiệt thay thế sau:
1- Dùng ñiện ñể gia nhiệt làm bay hơi môi chất lạnh.
2- Dùng các nguồn nhiệt khác hoặc nhiệt năng lượng mặt trời tích trữ.
ðể nâng cao hiệu quả làm lạnh phải làm
sao bình III có nhiệt ñộ càng cao càng tốt và bình I
ngược lại nhiệt ñộ càng thấp thì nó hấp thụ môi
chất càng mạnh, khi ñó sự tuần hoàn môi chất lạnh
trong hệ càng lớn và năng suất làm lạnh càng cao.
Ưu ñiểm của máy lạnh hấp thụ kiểu này là
không ñòi hỏi công nghệ chế tạo ñặc biệt gì, hệ
thống dễ gia công chế tạo. Ngoài ra, nó làm việc
1
2

3
5
4
Hình 2. Máy lạnh hấp thụ gián ñoạn
q
2
VI
q
1
I
II
III
IV
V
VII
q
h
q
c
Hình 1. Máy lạnh hấp thụ
10


liên tục và khi nhiệt bức xạ mặt trời càng lớn, công suất làm lạnh của máy càng cao. Ngoài ra,
máy lạnh hấp thụ kiểu này rất dễ ứng dụng các nguồn nhiệt khác ngoài năng lượng mặt trời
như nhiệt thải từ các nhà máy, các máy móc thiết bị hoặc các nguồn nhiệt ñốt từ than củi vv
ðây là dạng máy lạnh có thể ứng dụng tốt ở các vùng hẻo lánh không có ñiện lưới nhưng có
sẵn các nguồn nhiệt năng như năng lượng mặt trời hay than củi. Tuy nhiên, hệ thống này vẫn
còn sử dụng ñiện năng ñể chạy bơm và hệ thống giải nhiệt. Mặt khác do các chất lỏng có khả
năng hâp thụ hạn chế nên hệ thống khá cồng kềnh, giá thành cao. Một ñặc tính cố hữu của

ứng dụng năng lượng mặt trời là tính không ổn ñịnh trong ngày và trong năm, cũng ảnh
hưởng ñến khả năng ứng dụng của máy, vì vậy cần có giải pháp cấp nhiệt khác khi năng
lượng mặt trời không ñủ.
2.2. Máy lạnh hấp thụ vận hành gián ñoạn
ðặc ñiểm của máy lạnh hấp thụ vận hành gián ñoạn là sử dụng môi chất hấp thụ rắn, quá
trình bốc hơi môi chất lạnh khỏi chất hấp thụ và quá trình hấp thụ lại môi chất không ñồng thời xảy
ra nên nó vận hành gián ñoạn. Chất hấp thụ rắn có thể là silicagel, than hoạt tính, CaCl
2
, các chất
hữu cơ rỗng vv , môi chất lạnh có thể là nước, methanol hoặc các môi chất lạnh thông thường.
ðã có một số tác giả trong nước nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ rắn và bước ñầu ñã
có những thành công nhất ñịnh [5,6]. Tuy nhiên hiệu quả vẫn chưa cao.
Trong công trình [8], các tác giả ñã nghiên cứu chế tạo ra loại vật liệu mới thay thế các
loại vật liệu hấp thụ rắn truyền thống như silicagel. Vật liệu nhân tạo này ñược thực hiện bằng
cách tạo ra các cấu trúc nanô tự sắp xếp có hình dạng phức tạp ba chiều. Vật liệu này xốp hơn
silicagel nên khả năng hấp thụ nước lớn hơn silicagel từ 3-4 lần, và như vậy góp phần giảm
kích thước và chi phí ñầu tư
Sơ ñồ nguyên lý của máy lạnh hấp thụ gián ñoạn ñược mô tả trên hình 2. Nguyên lý
làm việc của nó gồm 2 giai ñoạn. Giai ñoạn cấp nhiệt: Năng lượng mặt trời ñốt nóng bộ thu, ở
ñó có chứa các chất hấp thụ rắn, làm bay hơi môi chất lạnh khỏi chất hấp thụ và bay ñến thiết
bị ngưng tụ 3 trao ñổi nhiệt và ngưng tụ chảy về bình chứa 3, trong giai ñoạn này các van ở
cụm tiết lưu ñóng. Giai ñoạn làm lạnh: Khi không có năng lượng mặt trời chiếu vào bộ thu,
nhiệt ñộ chất hấp thụ giảm xuống và nó bắt ñầu có thể hấp thụ môi chất lạnh. Trong giai ñoạn
này mở các van chặn ở cụm tiết lưu, môi chất chuyển
ñộng qua van tiết lưu ñi vào dàn lạnh và bay hơi làm
lạnh, sau ñó ñi vào 1 và ñược hấp thụ.
Ưu ñiểm của máy lạnh hấp thụ kiểu làm việc
gián ñoạn là khả năng hấp thụ của chất rắn lớn hơn các
chất lỏng nên cấu tạo gọn nhẹ và rẻ tiền hơn. Ngoài ra
trong hệ thống không cần các bơm môi chất nên hoạt

ñộng hoàn toàn không cần sử dụng ñiện năng.
Tuy nhiên máy lạnh hấp thụ gián ñoạn hoạt
ñộng theo chu kỳ có 2 quá trình hoàn toàn riêng biệt
là gia nhiệt và làm lạnh. Trong khi mặt trời ñang
chiếu nóng thì không thể làm lạnh, nhưng thực tế
Hình 3.
ðộng cơ stirling sản xuất ñiện
11


chính trong giai ñoạn này rất cần làm lạnh, ñó là sự mâu thuẩn. Muốn khắc phục nhược ñiểm
này cần phải thiết kế 2 cụm hấp thụ hoạt ñộng so le. Khi tận dụng các nguồn nhiệt khác, máy
lạnh kiểu này khó thực hiện hơn.
2.3. Máy lạnh sử dụng ñộng cơ Stirling năng lượng mặt trời
ðộng cơ stirling năng lượng mặt trời hoạt ñộng dựa trên năng lượng mặt trời.
Dùng ñộng cơ stirling có thể có 2 phương án ñể chạy máy lạnh :
- Dẫn ñộng trực tiếp máy lạnh.
- Sản xuất ñiện ñể chạy máy lạnh.
Trong 2 phương án trên, phương án sản xuất ñiện tuy phải thêm máy phát ñiện nhưng
tiện lợi hơn so với dẫn ñộng trực tiếp, vì các máy lạnh khó lắp ñặt tại nơi ñặt ñộng cơ stirling.
Còn trường hợp sản xuất ñiện thì không cần phải can thiệp vào hệ thống máy lạnh.
Trên hình 3 là hình ảnh về việc ứng dụng ñộng cơ stirling sản xuất ñiện.
Dựa vào cấu trúc của ñộng cơ Stirling mà người ta chia ñộng cơ Stirling thành 3 kiểu
cơ bản α, β, γ. Các kiểu này ñều có một ñiểm chung là có ít nhất 2 buồng làm việc ñó là
buồng nén và buồng giãn nở trong ñó môi chất khí công tác ñược ñiền kín. Qua nghiên cứu,
chúng tôi nhận thấy ñộng cơ Stirling kiểu γ là phù hợp nhất khi ứng dụng năng lượng mặt
trời. ðối với ñộng cơ Stirling kiểu γ thì piston làm việc và piston choán chỗ ñược bố trí vào 2
xy lanh riêng biệt. Sự liên kết giữa các Piston này có thể thực hiện theo các dạng sau:
- Liên kết lạnh : Piston làm việc ở phía nhiệt ñộ thấp.
- Liên kết nóng : Piston làm việc ở phía nhiệt ñộ cao.

- Liên kết trung bình: Piston làm việc nối vào bộ phận hoàn nhiệt
Ưu ñiểm của giải pháp sử dụng ñộng cơ stirling là hệ thống khá gọn nhẹ gồm: gương
parabol phản xạ năng lượng mặt trời, ñộng cơ stirling và máy phát ñiện. ðây là giải pháp gọn
nhẹ và chi phí ñầu tư rẻ nhất. Theo ñánh giá của chúng tôi là phương án rất triển vọng và có
thể ứng dụng cho nhiều mục ñích.
Tuy nhiên, hiện nay khả năng chế tạo máy nói chung và ñộng cơ stirling nói riêng của
chúng ta vẫn còn hạn chế, chính vì khâu này mà hiệu suất các ñộng cơ chế tạo chưa cao. Ở
nước ngoài nhất là ở Ấn ðộ ñã có nhiều nghiên
cứu ứng dụng ñộng cơ stirling ñể chạy máy lạnh.
Tại Ấn ðộ người ta ñã phát triển ứng dụng ñộng
cơ stirling ñể chạy các máy ñiều hòa. ðiển hình
là tại Trung tâm năng lượng mặt trời - Bộ năng
lượng mới và tái tạo, người ta ñã sử dụng 3 ñộng
cơ striling công suất mỗi chiếc 5 kW phát ñiện ñể
chạy hệ thống ñiều hòa cho Trung tâm này [7].
2.4. Máy lạnh sử dụng pin năng lượng mặt trời
Phương án sử dụng pin năng lượng mặt
trời, tuy về hình thức khá ñơn giản, gọn nhưng vì
chi phí khá cao nên việc triển khai khá hạn chế.
12


Chúng ta hãy ước tính, một máy ñiều hòa công suất 12.000 Btu/h cần nguồn ñiện công
suất 1,1 kW. ðể có công suất 1,1 kW từ pin năng lượng mặt trời cần khoảng 12m
2
pin. Với
giá thanh hiện nay khoảng 300 USD/m
2
thì mất 3.600 USD cho một máy 12.000 Btu/h, như
vậy chi phí này là rất ñắt và khó triển khai.

Vì vậy, khi sử dụng pin năng lượng mặt trời cho các máy ñiều hòa người ta chỉ sử
dụng ñể chạy các quạt của máy ñiều hòa, các quạt này có công suất không lớn lắm
Trong các ứng dụng này, ñiện năng cung cấp từ các tấm pin năng lượng mặt trời chỉ
ñủ ñể thay thế một phần ñiện lưới mà thông thường ñể chạy các mô tơ quạt, riêng mô tơ máy
nén vẫn còn phải sử dụng ñiện lưới. Như vậy, với giải pháp này chi phí ñiện năng tiêu thụ chỉ
giảm một phần chứ không phải toàn bộ. Với thời gian hoạt ñộng nhiều, công với thời gian vận
hành thông gió ban ñêm, có thể nói giải pháp cũng mang lại hiệu quả ñáng kể.
Công ty LG (Hàn Quốc) ñã chế tạo máy ñiều hòa sử dụng năng lượng mặt trời. Máy này
vận hành nhờ hệ thống pin năng lượng mặt trời. Dòng máy ñiều hòa không khí LG F-Q232LASS
có công suất làm lạnh 28.000 BTU, sử dụng năng lượng mặt trời ñể vận hành. ðể hoạt ñộng, máy
ñiều hòa LG F-Q232LASS cần có một tấm pin năng lượng mặt trời nối liền với bình ác quy làm
nhiệm vụ tích ñiện và ñặt trên cục nóng của ñiều hòa. Tuy chưa thể vận hành hoàn toàn bằng pin
mặt trời nhưng tấm năng lượng này có thể hấp thụ và chuyển ñổi bức xạ thành dòng ñiện có công
suất 70Wh, ñủ ñể chức năng quạt gió công suất 50W của ñiều hòa hoạt ñộng, với thời gian vận
hành 16 giờ/ngày thì ñiện năng tiết kiệm ñạt 0,8 kWh cho một ngày.
Công ty Mitsubishi LTD.Co. kết hợp với Công ty hóa chất Nippon Fruehauf Co. phát
triển hệ thống ñiều hòa không khí cho xe tải sử dụng năng lượng mặt trời. Ở ñây sử dụng các
pin ñể tích trữ ñiện, khi xe hoạt ñộng thì tích ñiện, còn khi xe dừng thì ñiện từ pin sử dụng cho
máy ñiều hòa.
3. Triển vọng ứng dụng tại Việt nam
Qua phân tích các hệ thống trên, chúng ta thấy cả 4 giải pháp ñều có thể ứng dụng vào
ñiều kiện Việt Nam, tùy trường hợp cụ thể mà nên chọn giải pháp nào cho phù hợp.
- ðối với máy lạnh làm việc liên tục có thể ứng dụng ở các nơi có nhiều nắng, ngoài
ra có thể tận dụng các nguồn năng lượng nhiệt khác ñể bù ñắp khi không có năng lượng mặt
trời, như than củi, nhiệt thải của các máy móc, hệ thống lò hơi vv
- Với máy lạnh hấp thụ làm việc gián ñoạn tiện lợi nhất là các hộ gia ñình do ñặc ñiển
gọn nhẹ, không ồn và khá hiệu quả. Tuy nhiên cần thiết kế có 02 hệ thống hoạt ñộng so le,
một hệ thống cấp nhiệt và một hệ thống hấp thụ, có thể ñặt rơ le thời gian ñể hoán ñổi chức
năng của các hệ thống cho nhau. Thời gian vận hành tùy thuộc vào thực tế và có thể ñiều
chỉnh ñược.

- Máy lạnh ñộng cơ stirling nên sử dụng cho các ñối tượng công suất tương ñối lớn ,
như các phòng họp, hội trường, nơi có sẵn khuôn viên lắp ñặt các bộ thu và ñộ ồn của ñộng cơ
stirling không ảnh hưởng không gian xung quanh, cũng như người sử dụng. Có thể ứng dụng
hộ gia ñình kiểu biệt thự mô hình này cũng rất tốt.
- Loại máy sử dụng pin năng lượng mặt trời thích hợp nhất là các hộ gia ñình, thay thế
một phần ñiện năng, giảm chi phí ñiện năng. Tuy nhiên pin năng lượng mặt trời vẫn còn khá
13


ñắt nên hướng này theo ñánh giá của chúng tôi là chưa thể triển khai hiệu quả, chừng nào giá
các pin năng lượng mặt trời vẫn còn rất ñắt như hiện nay.
4. Kết luận
Từ các kết quả phân tích và nghiên cứu có thể thấy rằng:
- Phụ tải ñiện dành cho ñiều hòa không khí là rất lớn và có xu hướng tăng nhanh ở
nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng các dạng năng lượng tái tạo, ñặc biệt là năng lượng mặt
trời thay thế ñiện năng sẽ mang lại lợi ích to lớn, góp phần giảm những khó khăn của ngành
ñiện.
- Có nhiều giải pháp ứng dụng năng lượng mặt trời ñể làm lạnh và ñiều hòa không khí,
mỗi giải pháp ñều có những thuận lợi khó khăn nhát ñịnh và chỉ phù hợp trọng những phạm vi
nhất ñịnh, cần phải có những nghiên cứu kỹ hơn ñể lựa chọn các mô hình thích hợp trong
từng hoàn cảnh cụ thể và tăng liệu quả làm việc của các máy.
- Mặc dù tiềm năng ứng dụng năng lượng mặt trời ñể làm lạnh rất lớn và hoàn toàn
khả thi, nhưng cho ñến nay ở nước ta hầu như chưa có sản phẩm măng tính thương mại nào
về hướng này. ðiều này cho thấy về mặt Nhà nước cần có những chính sách ñầu tư nghiên
cứu ứng dụng về lĩnh vực này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hoàng Dương Hùng và các cộng sự - Nghiên cứu khả năng sử dụng ống nhiệt mặt trời ñể cấp nhiệt
cho máy lạnh hấp thụ H
2

O-LiBr giai ñoạn 1 - Tuyển tập bài báo Hội nghị khoa học lần 20 nhân dịp kỷ
niệm 50 năm thành lập ðHBK Hà Nội - Năm 2006.
2. Hoàng Dương Hùng và các cộng sự - Khảo sát ảnh hưởng của thông số vận hành ñến hiệu quả của
máy lạnh hấp thụ H
2
O-LiBr tác ñộng kép - Tạp chí KHCN các trường ñại học kỹ thuật số 56/2006
3. Hoàng An Quốc - Nghiên cứu nâng cao hiệu quả cấp nhiệt bằng ống nhiệt mặt trời cho máy lạnh hấp
thụ H
2
O-Li loại single effect ở miền Nam Việt Nam
4. ðặng Trần Thọ, ðặng Thế Hùng - Nghiên cứu chế tạo máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải và năng
lượng mặt trời - Tạp chí Năng lượng Nhiệt, Số 104-3/2012 - trang 22-25

5. Phan Quang Xưng, Nguyễn Quốc Long - Làm lạnh gián ñoạn sử dụng năng lượng mặt trời - Tạp Chí
KHCN - ðHðN, số 4 (39) - 2010 trang 332-338.
6. Hoàng Dương Hùng, Trần Ngọc Lân - Máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời - Tạp chí KHCN
- ðại học ðà Nẵng - Số 2 - 2007
7.
8. Uli Jakob, Walter Mittelbach - Development and Investigation of a compact silicagel/water adsorption
chiller integrated in solar cooling systems - VII Minsk International Senemar “Heat Pipes, Heat
Pumps, Refrigerators, Powers sources” - Minsk, Belarus, september 8-11, 2008




14


NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TRONG CÁC MẠNG ðIỆN CỤC BỘ CỦA TÀU THUYỀN

Ngô ðức Minh
1,2
, Lê Tiên Phong
2
, Dương Hòa An
2
Tóm tắt

Nội dung bài báo này là một phần trích dẫn những kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả về ñề tài bảo vệ
tồn giữ môi trường xanh sạch ñẹp trong vấn ñề khai thác và sử dụng ñiện năng. Khi áp dụng với ñịa bàn tỉnh
Quảng Ninh – Kỳ quan thiên nhiên ñược thế giới xếp hạng năm 2012, bài báo tập trung quan tâm ñến vấn ñề sử
dụng hệ pin mặt trời cấp ñiện cho những công trình nổi trên biển, có thể ñó là những nhà nổi tại chỗ hay các du
thuyền chuyển ñộng. Phân tích các yếu tố làm ảnh hưởng ñến bức xạ mặt trời mà hệ pin nhận ñược bị thay ñổi
khác hẳn so với trường hợp hệ pin ñặt tĩnh tại trên ñất liền. ðề xuất giải pháp và những công nghệ phù hợp nhằm
ñảm bảo nhu cầu và chất lượng ñiện của công trình ñồng thời ñáp ứng các yêu cầu về môi trường và thẩm mỹ
ñối với một khu du lịch – kỳ quan thế giới. Xây dựng một mô hình mạng ñiện cục bộ có cấu trúc PV-MPPT-
DC/AC trong ñó có thực hiện giải pháp tối ưu về năng lượng cấp ra của hệ pin Mặt trời khi cường ñộ chiếu xạ
nhận ñược luôn không ổn ñịnh. Kết quả nghiên cứu ñược thể hiện thông qua các kết quả mô phỏng bằng
Matlab/Simulink.
Từ khóa: pin mặt trời, PV-MPPT, PV-LOAD, PV-MPPT-DC/AC
1. ðặt vấn ñề
Nếu như, từ những năm 80 của thế kỷ 20 người ta xem các quá trình sản xuất công
nghiệp hay sự phát triển ñô thị hóa…là nguyên nhân tác ñộng xấu ñến môi trường thì gần
ñây, ñặc biệt bước sang thế kỷ 21 các Nhà khoa học ñã chỉ rõ: chính các quá trình sản xuất và
truyền tải ñiện năng lại là tác nhân nguy hiểm hơn dẫn ñến hủy hoại môi trường toàn cầu. Từ
ñó, ngành năng lượng ñã có những thay ñổi căn bản cả về tư tưởng và các giải pháp khoa học
kỹ thuật, nhằm thu hút các nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới ñi ñôi các giải
pháp khai thác sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả…
ðối với những mạng ñiện cục bộ như mạng ñiện trên các hải ñảo cô lập hay trên các
nhà nổi, du thuyền , năng lượng cần thiết ñể ñáp ứng cho các phụ tải hiện nay ñang sử dụng

vẫn chủ yếu là từ máy phát ñiện chạy nhiên liệu hoá thạch (xăng, dầu diesel) gây ô nhiễm môi
trường và tiềm ẩn nhiều rủi ro. Việc lựa
chọn nguồn phát thay thế ñược ñịnh
hướng khá phổ biến vào hệ pin mặt trời
(PV – Photovoltaic). Trong trường hợp
này, nguồn phong ñiện không ñược lựa
chọn áp dụng bởi những trở ngại của bộ
phận turbine gió gây nên. Trong khi ñó,
các tấm PV có bản chất tĩnh nhưng cũng
rất linh hoạt hoàn toàn có thể tạo dáng
ñể làm tăng vẻ ñẹp và cách ñiệu cho
công trình nói riêng và toàn cảnh nói
chung. Hình 1 là ví dụ một du thuyền có
sử dụng PV.


1
TS.
2
Trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp, ðại học Thái Nguyên
Hình 1. Du thuyền sử dụng pin mặt trời
15


+

-

V

I

R
S

R
sh

I
sh

I
d

E

Hình 2. Sơ ñồ thay thế của PV

I
ph
Tuy nhiên, cái giá phải trả cho vẻ ñẹp và sự gìn giữ cảnh quan môi trường này là
nguồn PV có hai yếu ñiểm chính [1], [2], [3]:
- PV chỉ có thể phát ñiện khi nhận ñược bức xạ từ mặt trời.
- PV thuộc dạng nguồn siêu mềm, ñặc tính tải chịu ảnh hưởng của nhiều các tác ñộng
ngoại sinh như bức xạ mặt trời (BXMT), nhiệt ñộ, tải
Trong phạm vi hẹp của ñề tài này cả hai yếu ñiểm vừa nêu ñều phải ñược khắc phục
trước những ñặc ñiểm của công trình nổi trên biển. ðó là: luôn chịu tác ñộng của sóng biển
làm thay ñổi góc nghiêng của các tấm PV hay sự ñổi hướng của du thuyển cũng tương ñương
như thay ñổi góc tới của tia BXMT, thậm chí có khoảng thời gian mất hoàn toàn BXMT.
Như vậy, một số yếu tố cơ bản về PV cần ñược phân tích ñể có ñược giải pháp tốt nhất

cho sự lựa chọn.
2. Nội dung và kết quả
Nguồn phát ñiện quan trọng nhất trong hệ thống ñiện sử dụng năng lượng mặt trời là
các tấm pin mặt trời ñược chế tạo từ chất bán dẫn (silicon). Một cách hiểu ñơn giản là năng
lượng của pin mặt trời ñược chuyển ñổi từ bức xạ của mặt trời mà nó thu ñược [1, 2]. Một bộ
nguồn ñiện pin mặt trời ñược ghép với nhau thành các module và ghép các module thành các
mảng pin mặt trời. Một PV có ñược ñiện áp danh ñịnh V và dòng ñiện danh ñịnh Isc như
mong muốn hoàn toàn thực hiện ñược nhờ thiết kế từ hai kiểu nối song song và nối nối tiếp
các module. Các nghiên cứu về PV có thể thực hiện tương ñương qua các ñặc tính ñã có của
module pin mặt trời.
2.1. Những phân tích cơ bản về pin Mặt trời
Những ñặc tính cơ bản của PV ñược xây dựng xuất phát từ các phân tích sơ ñồ thay
thế của một module trên hình 2.
và những mô tả toán học từ sơ ñồ:
)1(
shdph
IIII
−
−
=

Trong ñó:
- Dòng ñiện qua ñiốt I
d
:







−=
+
1
)(
nkT
IRVq
Sd
S
eII
(2)
với: I
S
là dòng quang ñiện bão hoà [A/mm
2
], q=1,6.10
-19
C là ñiện tích của electron,
k=1,38.10
-23
[J/
0
K] là hằng số Boltzmann’s, n là hệ số số phụ thuộc vào mức ñộ hoàn
thiện công nghệ chế tạo PV, T là nhiệt ñộ của lớp tiếp xúc p-n [
0
K], R
S
là ñiện trở trong của
PV [Ω/m
2

] và thường có giá trị rất nhỏ.
- Dòng ñiện rò I
sh
:
sh
S
sh
R
IRV
I
+
=
(3)
R
sh
thường có giá trị rất lớn, vì vậy có thể bỏ qua trong các tính toán.

16


- Dòng quang ñiện I
ph
:
)(
1000
refTscph
TTC
S
II −+= (4)
I

sc
là dòng ñiện ngắn mạch [A], C
T
là hệ số nhiệt ñộ của dòng quang ñiện [A/
0
K],
T
ref
là nhiệt ñộ tiêu chuẩn, S là tổng lượng bức xạ thu ñược trên tấm pin ở thời ñiểm
xét [W/m
2
].
Vì vậy dòng ñiện phát ra của PV khi coi dòng ñiện rò có giá trị rất nhỏ:






−−=
+
1
)(
nkT
IRVq
Sph
S
eIII (5)
Công suất phát ra của PV là P = I.V.
Nói cách khác, ñặc tính công suất của PV ñược thể hiện thông qua biểu thức 6:

S
ph
RI
I
I
I
II
I
q
nkT
P
2
00
0
ln −








−
+
=
, (6)
từ ñó, thu ñược ñặc tính Vôn-Ampe (V-A)
của PV khi cấp nguồn cho tải qua biểu thức 7

S
SS
ph
IR
I
I
I
I
q
nkT
V −








+−= 1ln
(7)
và biểu diễn dưới dạng ñồ thị như hình 3.
- V
OC
là hiệu ñiện thế ño ñược khi mạch
ngoài pin mặt trời hở mạch. Giá trị V
OC
ñược xác
ñịnh từ biểu thức:
S

I
S
I
ph
I
q
nkT
oc
V
+
= ln
(8)
- I
SC
là dòng ñiện ngắn mạch ño ñược trong pin mặt trời khi V=0. Trong các ñiều kiện
chiếu sáng thông thường, có thể coi I
sc
≈ I
ph
.
- B là ñiểm vận hành ứng với yêu cầu của phụ tải (giao ñiểm của ñường ñặc tính tải và ñặc
tính V-A). Trên mỗi ñường cong V-A, khi tải thay ñổi thì ñiểm làm việc của hệ thống pin mặt trời-
tải (PV-LOAD) sẽ dịch chuyển khỏi ñiểm B: sang trái khi tăng tải hoặc sang phải khi giảm tải.
Mặt khác, từ (5) cho thấy V là
một hàm theo biến dòng ñiện, tham số
nhiệt ñộ T và cường ñộ BXMT.
• Ảnh hưởng của nhiệt ñộ T:
nhiệt ñộ càng tăng thì I
ph
và V càng tăng.

ðiều này thường xảy ra vào thời ñiểm
mặt trời ở thiên ñỉnh, làm cho ñường
cong V-I dịch chuyển lên trên, có nghĩa
là khi dòng tải chưa thay ñổi thì ñiện áp
ñã thay ñổi và công suất phát ra tăng.
(phạm vi bài báo không cần thiết phải
bàn ñến vấn ñề này)
V

I

O

U
t
ả
i
(I)

B

Hình 3. ðặc tính V-A của pin mặt trời


I
SC
V
O
ðường
cong V-A

β

α
z
θ
z
γ
z

γ

θ

Bắ
c

Nam

Pháp tuyến của
mặt phẳng ngang

Mặt
trời
Hình 4. Mô hình hình học tính toán BXMT

17


• Ảnh hưởng của BXMT:

Xét một PV ñặt ngẫu nhiên trên mặt ñất như hình 4.
Theo [1], góc tới của BXMT ñối với mặt phẳng PV ñược tính liên quan ñến các góc
hình học:
ωγβδωγβϕδ
ω
β
ϕ
δ
γ
β
ϕ
δ
β
ϕ
δ
θ
sin.sin.sin.coscos.cos.sin.sin.cos
cos.cos.cos.coscos.sin.cos.sincos.sin.sincos
++
+
−
=
(9)
Trong ñó:







+
=
365
284
360sin45,23
n
δ
(10)
với n là thứ tự ngày trong năm,
ω
là góc giờ,
ϕ
là góc vĩ ñộ.
Từ (9), nếu xét tương ứng cho một PV ñặt trên du thuyền (tàu) cho thấy tại một thời
ñiểm,
θ
cos
ñại diện cho lượng BXMT của PV nhận ñược phụ thuộc vào góc nghiêng
β
và
góc vĩ ñộ
ϕ
ñặc trưng cho ảnh hưởng của ñộ lắc dọc thân tàu, góc phương vị
γ
ñặc trưng
chuyển ñộng xoay hướng của tàu, góc giờ mặt trời
ω
ñặc trưng cho ñộ lắc ngang của thân tàu.
Như vậy, khi tàu ñứng tại chỗ dưới
tác ñộng của sóng biển làm các góc

β
,
ϕ
và
ω
thay ñổi có tính chất dao ñộng, còn khi
tàu chuyển ñộng góc
γ
phụ thuộc hướng tàu
chạy, khi tàu quay vòng thì
γ
có thể thay
ñổi ñến 360
0
, trong ñó có khoảng thời gian
mất hoàn toàn BXMT.
Tóm lại, ñối với PV gắn cố ñịnh
trên du thuyền thì BXMT mà PV nhận
ñược luôn bị thay ñổi dẫn ñến ñặc tính V-I
thay ñổi trượt tương ñối theo trục I. Hiện
tượng này ñược mô phỏng bằng Matlab
như hình 5.
2.2. Nhận xét và ñề xuất giải pháp
Như vậy, ñiểm vận hành (B) của hệ PV-LOAD không thể cố ñịnh. ðể ñảm bảo ñiện áp
tiêu chuẩn thì ñiểm làm việc B phải di chuyển về phía giảm dòng ñiện khi BXMT nhận ñược
giảm và ngược lại. Nghĩa là hệ thống cần phải
có thêm một bộ ñiều chỉnh dòng ñiện theo sự
thay ñổi của BXMT (theo ñiện áp) – Giải
pháp thứ nhất.
Mặt khác, khi mất hoàn toàn BXMT

thì hệ cần có nguồn thay thế, có thể là từ một
kho trữ ñiện ắc quy – Giải pháp thứ hai.

Hình 5. ðặc tính V-A khi S(
β
ββ
β
,
ϕ
ϕϕ
ϕ
,
γ
γγ
γ
,
ω
ωω
ω
) thay ñổi


Hình 6. Phạm vi dịch chuyển ñiểm làm việc B

18


2.2.1. Giải pháp thứ nhất
ðể hệ pin mặt trời luôn cấp ra một ñiện áp danh ñịnh khi tải thay ñổi nhằm ñáp ứng
yêu cầu của của phụ tải hoàn toàn có thể thực hiện ñược một cách ñơn giản nếu ta sử dụng bộ

biến ñổi có bộ ñiều chỉnh dòng ñiện phản hồi ñiện áp. Giả thiết, quy ñịnh ñiện áp thay ñổi
trong phạm vi (17-17,5)V, hình 6
Nhưng nếu yêu cầu cao hơn là dù BXMT thay ñổi ở giá trị nào bộ nguồn PV vẫn ñảm bảo
cấp ra ñược công suất lớn nhất cho phép thì ta áp
dụng bộ ñiều chỉnh dòng MPPT [4, 5 ,6]. Khi ñó
cấu trúc của hệ thống ñiện có dạng như hình 7.
Với cùng một kịch bản thay ñổi cường ñộ
BXMT như (11):
[0 1*60 2*60 3*60 4*60 5*60 6*60 7*60 8*60]
[0 400 850 950 400 800 600 400 0] (11)
Hệ thống có MPPT cho kết quả như hình 8 và hệ không có MPPT cho kết quả như
hình 9
So sánh hai kết quả cho
thấy: năng lượng phát ra của PV
khi có MPPT là 2,56 kWh và khi
không có MPPT là 1,69 kWh.
Hiệu quả tăng thêm (34%). Hơn
thế nữa, trên hình 9: ở thời ñiểm
BXMT là 400W/m
2
, với dòng tải
2,5A cố ñịnh thì công suất PV
bằng 0, không tồn tại ñiểm làm
việc B – tương ñương với hiện
tượng mất nguồn. Trong khi ñó
trên hình 8: nhờ có MPPT mà
PV vẫn cấp ra ñược lượng công
suất tối thiểu khoảng 0,22 kW.
2.2.2. Giải pháp thứ hai
Khi không có BXMT, PV sẽ mất hoàn

toàn ñiện áp. Giải pháp thông dụng nhất vẫn là
thay thế bằng nguồn ắc quy. Việc thiết kế một
bộ nguồn ắc quy kết hợp với nguồn pin mặt trời
ñáp ứng cho một mạng ñiện cục bộ không ñược
nhắc lại thêm nữa. ðóng góp tích cực của giải
pháp thư hai trong trường hợp này ñược thể hiện ở chỗ là ñề xuất một cấu trúc hoàn chỉnh cho
mạng ñiện cục bộ trên du thuyền như hình 10.
Trong ñó:
- MPPT làm nhiệm vụ khai thác tối ña công suất của hệ PV trong mọi hoàn cảnh,
- Battery có tác dụng như một kho trữ ñiện trung gian,

Hình 7. Cấu trúc hệ PV-MPPT-LOAD

0 1000 2000 3000 4000 5000
0
100
200
300
400
500
600
E var , I mppt
Vpv, Ppv, Pout , Pindial
Vpv
2.56 KWh
Pindial
Ppv , Pout

Hình 9. các ñặc tính của hệ PV khi không có MPPT,
Iref = 2.5A , enegyPV = 1.69 kWh

Hình 10. Cấu trúc hệ thống ñiện PV
trên du thuyền
19


- Bộ biến ñổi DC/AC (DC-DC/AC) có nhiệm vụ chuyển ñổi thành ñiện xoay chiều
phù hợp với các thiết bị dùng ñiện (tải) trên du thuyền.
Kết quả nghiên cứu hệ PV-
MPPT-DC/AC cấp cho hệ tải xoay
chiều trên du thuyền ñược mô phỏng
bằng Matlab/Simulink trên hình 11.
Trong ñó:
- Ppv ñặc trưng cho công suất
khai thai thác ñược từ pin Mặt trời
- Uac là ñiện áp xoay chiều ra
của bộ DC/AC
- Iac là dòng tải xoay chiều
- Ipv là dòng một chiều ñập
mạch cấp ra từ PV có tần số gấp ñôi
tần số dòng tải.
3. Kết luận
Kết quả nghiên cứu của bài báo ñã ñề xuất ñược một mô hình sử dụng hệ nguồn pin
mặt trời áp dụng cho du thuyền ñáp ứng những ñòi hỏi khắt khe:
- Về các tiêu chuẩn môi trường của một khu du lịch – Kỳ quan thế giới,
- ðảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng ñiện năng cung cấp cho một hộ tiêu thụ loại cao cấp.
Mô hình PV-MPPT-DC/AC có tiêu chí tiết kiệm ñiện năng, nâng cao hiệu quả khai
thác năng lượng từ nguồn pin mặt trời tăng thêm 34%, ñiều này mang lại rất nhiều lợi ích.
Thực tế, các Nhà khoa học phải mất nhiều năm nghiên cứu mới có ñược những công nghệ làm

tăng hiệu xuất của một bộ pin mặt trời lên vài phần trăm. Hơn nữa, giải quyết ñược vấn ñề tiết
kiệm năng lượng là ñồng nghĩa với không phải phát triển thêm công suất nguồn phát, giảm
thiểu các nguy cơ tàn phá môi trường.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời – Lý thuyết và ứng dụng, Nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật, 2007.
2. ðặng ðình Thống, Lê Danh Liên, Cơ sở năng lượng mới và tái tạo, Nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật, 2006.
3. Thân Ngọc Hoàn, Năng lượng ñiện mặt trời và những phương pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất,
Tạp chí khoa học công nghệ hàng hải, số 18, 2009.
4. Joe-Air Jiang, Tsong-Liang Huang, Ying-Tung Hsiao, Chia-Hong Chen, Maximum power tracking for
photovoltaic power system, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol. 8, No 2, pp. 147-153,
2005
5. T.Chaitanya, Ch.Saibabu, J.Surya Kumari, Modeling and Simulation of PV Array and its Performance
Enhancement Using MPPT (P&O) Technique, T.Chaitanya et al, International Journal of Computer
Science & Communication Networks, Vol 1,September-October 2011.
6. Roberto Faranda, Sonia Leva, Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems, Wseas
Transactions on power systems, ISSN: 1790-5060, Issue 6, Volume 3, June 2008.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60

Duty
Iin Iout 0.1*Vac 0.05*(Ppv Pout)
Ipv
Iac
Uac
Pin, Ppv
Hình 11. Các thành phần công suất, ñiện áp
và dòng
ñi
ệ
n c
ủ
a h
ệ

PV
-
MPPT
-
DC/AC

20

NGHIÊN CỨU ðỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
KHAI THÁC TRỮ LƯỢNG THAN NẰM DƯỚI SUỐI VÀNG DANH-
CÔNG TY CỔ PHẦN THAN VÀNG DANH
Trần Văn Thanh
1
, Nguyễn Cao Khải
2

,
Nguyễn Văn Thịnh
2
, Ngô Thái Vinh
2

Tóm tắt
Với trữ lượng nằm dưới suối Vàng Danh trên 5 triệu tấn than nếu không khai thác mà ñể lại làm trụ bảo
vệ suối Vàng Danh sẽ là tổn thất rất lớn, còn nếu khai thác sẽ gặp phải vấn ñề kỹ thuật khó khăn về lượng nước
chảy vào mỏ từ suối. ðể giải quyết những vấn ñề ñó, bài báo ñã phân tích ñiều kiện ñịa chất khu mỏ, ñề xuất và
lựa chọn giải pháp kỹ thuật công nghệ hợp lý khai thác hiệu quả phần trữ lượng nằm dưới suối Vàng Danh ñảm
bảo an toàn, hiệu quả và tận thu tối ña tài nguyên lòng ñất.
1. ðặt vấn ñề
Tình hình khai thác hầm lò trên thế giới trong những năm qua có những tiến bộ vượt bậc,
việc khai thác than hầm lò kết hợp với ñiều khiển áp lực mỏ hợp lý ñã giúp ngành mỏ có thể tận thu
tối ña tài nguyên lòng ñất mà vẫn không ảnh hưởng ñến những công trình trên mặt như ao, hồ, các
công trình xây dựng…Ở những nước có ngành công nghiệp mỏ phát triển, việc khai thác dưới
những công trình cần bảo vệ không còn là ñiều mới mẻ, việc BaLan khai thác các mỏ hầm lò dưới
lòng thành phố ñã khẳng ñịnh những tiến bộ vượt bậc trong khai thác hầm lò.
Ở Việt Nam với trữ lượng tài nguyên hạn chế, các khoáng sản nằm ở ñịa hình phức tạp
bị chia cắt bởi các sông suối, nếu không có biện pháp khai thác triệt ñể sẽ gây tổn thất khoáng
sản lớn do phải ñể lại trụ bảo vệ, ñặc biệt ở vùng than Quảng Ninh trữ lượng than nằm dưới
các suối, hồ chứa nước, các moong khai thác lộ thiên chiếm một tỷ lệ khá lớn. Do vậy việc
thực hiện nghiên cứu ñề xuất giải pháp công nghệ khai thác phần trữ lượng than này là cần
thiết nhằm tận thu tối ña tài nguyên lòng ñất.
2. Nguyên lý chung khi khai thác dưới các công trình, hồ nước

Bảo vệ các công trình và hồ nước trên bề mặt ñược thực hiện bằng cách ñể lại trụ bảo
vệ hay chèn lò. Bằng các biện pháp này có thể tránh ñược các biến dạng toàn phần hay biến
dạng lớn có ảnh hưởng tới các công trình trên bề mặt.

Các biện pháp ñể lại trụ bảo vệ thường gây mất mát trữ lượng khoáng sàng ñồng thời
phải khai thác xuống sâu. Ngoài ra việc ñể lại trụ bảo vệ có thể gây cháy và phải tăng cường
bảo vệ các lò chuẩn bị.
Sử dụng chèn lò (toàn bộ hay một phần) sẽ là không có lợi khi giá trị các công trình
trên bề mặt là nhỏ so với giá thành chèn lò.
Thử nghiệm tại một số mỏ trên thế giới chỉ ra rằng trong một số trường hợp, tồn tại
khả năng bảo vệ các công trình trên bề mặt mặc dù khai thác toàn bộ khoáng sàng nếu như
xác ñịnh ñược ñặc tính thực chuyển ñộng và biến dạng của bề mặt.
Các nguyên lý cần phải thực hiện khi ñặt vấn ñề bảo vệ các công trình trên bề mặt:
- Chọn hệ thống khai thác ñảm bảo không, hoặc chỉ gây biến dạng nhỏ nhất cho bề
mặt, tối ưu nhất là hệ thống khai thác chèn lò toàn phần.


1
PGS.TS.
2
Trường Đại học mỏ địa chất
21

- t v trớ lũ ch trờn mi va sao cho cỏc bin dng trờn b mt b gim bt cho cú
tỏc ủng ngc chiu.
- Khi khai thỏc lũ ch di ủc thc hin liờn tc v vi vn tc cao, nờn s dng cụng
ngh khai thỏc hin ủi t chc khoa hc cụng tỏc lũ ch.
- Khai thỏc cỏc va ủc thc hin khụng ủ li tr trong khong ủó khai thỏc, bi vỡ
tr bo v cũn li s l vựng tp trung ng sut v gõy bin dng nguy him cho b mt.
Ngoi ra cũn cỏc yu t khỏc ca thc t m cng phi ủc xem xột c th chi tit, ch vi
mt nghiờn cu sõu v chớnh xỏc mi cho cỏc ủỏp s ủỳng v k thut, kinh t ủi vi vic
khai thỏc v bo v cỏc cụng trỡnh trờn b mt.
3. c ủim ủa cht v tr lng than di sui Vng Danh
Trong khu vc khai thỏc phn lũ ging mc 0

ữ
+105 cú hai nhỏnh sui chớnh. Cỏc
sui bt ngun t dóy nỳi Bo i, chy theo hng Bc Nam, v hng Nam cỏc sui chy
vo sụng Uụng Bớ v ủ ra bin. Hai sui trờn chy qua hu ht ủa tng cha than nờn nh
hng ủn cỏc cụng trỡnh khai thỏc hm lũ phớa di.
Nhỏnh sui th nht: Sui Tõy Vng Danh 1 (sui TVD-1) l sui tng ủi ln cú l-
ng nc chy quanh nm. Mựa ma nc dõng cao, lu lng ln vo khong 1.277
ữ
1.376
l/s; mựa khụ lu lng nc nh, ch vi lớt/giõy. Sui chy theo hng t Bc xung Nam ct
qua cỏc va 7, 6, 5, v 4
Nhỏnh sui th hai: Sui Tõy Vng Danh 2 (sui TVD-2) phõn b v phớa ụng, bt
ngun t cỏc dóy nỳi cao phớa Bc v chy theo hng t Bc xung Nam, Tõy Nam ri nhp
vi sui TVD-1 gn khu vc nh sng ca m Vng Danh. Nhỏnh sui TVD-2 chy ct
ngang qua cỏc va 8, 7, 6, 5, v 4
Bảng 1. ặc điểm địa chất thủy văn mạng sông suối dải than Bảo Đài -Yên Tử do Giáo
s Gorobet lập năm 1987
Bảng 3.2
Từ Đến
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0,5 1,15 1 32 23,73 23,73 195,4 2 15,402 0,00025 0,19 0,15 61,6
3,9 7,1 4 4 17,8 17,8 77,6 2 52,469 0,061 0,03 0,11 860
292
517
Hệ số
chênh
lệch lu
lợng
nớc
giữa hai

mùa
17,258 0,059 0,08 0,2133,31 33,31 133,2
14,991 0,029 0,17 0,27
22,01 3,85 3 13
Số đoạn
suối
N/Km
2
Km/
Km
2
0,16 2,0 2 28 44,01 44,01 180,5 6
Chiều dài
suối (Km)
Bậc
Tổng
chiều
dài suối
Chiều
dài suối
trên diện
tích than
Q
max
Q
min
Phân loại suối
theo
Vganytsnnu H.A
Tổng chiều dài

suối (Km)
Độ dốc
trung
bình
suối
(

)
Số
điểm
đ
quan
trắc
Số
đoạn
sông
suối
(N)
Lu lợng (m
3
/s)
Mật độ suối

22

Qua ñánh giá cho thấy, phần trữ lượng than phải ñể lại làm trụ bảo vệ suối theo thiết
kế ñược phê duyệt có trữ lượng lớn (theo tính toán trữ lượng than phải ñể lại làm trụ bảo vệ
suối TVD-1 là 2.045.000 tấn, trữ lượng phải ñể lại bảo vệ TVD-2 là 3.718.300 tấn, tổng cộng
toàn bộ phần than phải ñể lại trụ bảo vệ hai suối là 5.763.300 tấn).
Việc ñể lại phần trữ lượng lớn than trụ bảo vệ suối sẽ gây lãng phí lớn ñã ñặt ra cho

Công ty Than Vàng Danh yêu cầu xem xét, nghiên cứu nhằm tăng cường khai thác, tận thu tối
ña nguồn tài nguyên than. Vấn ñề khai thác phần trữ lượng than dưới suối Vàng Danh thực
chất là vấn ñề khai thác an toàn dưới ñối tượng chứa nước.
4. Kinh nghiệm khai thác than dưới hồ nước của các nước trên thế giới
Khi khai thác các vỉa than dưới những công trình chứa nước cần phải có các biện pháp
chống bục nước và hạn chế sự gia tăng lưu lượng nước làm tổn hại ñến hoạt ñộng bình thường
của mỏ hay ñe dọa sự an toàn cho người ñang làm việc.
Trên thế giới, việc nghiên cứu phát triển các giải pháp công nghệ nhằm khai thác các
trụ than nằm dưới các công trình chứa nước ñã ñược triển khai và áp dụng nhằm tận thu tối ña
nguồn tài nguyên, tăng hiệu quả suất ñầu tư, giảm tổn thất.
Tại một số nước có nền công nghiệp than phát triển như Nga, Ba Lan, Trung Quốc hay
Nhật Bản, khi khai thác các vỉa than nằm dưới các công trình cần bảo vệ mặt ñất như nhà dân,
sông suối, công nghệ khai thác ñiều khiển ñá vách bằng các phương pháp sau:
4.1. Phương pháp chèn lò toàn phần
Công tác chèn lò ñược tiến hành với mục ñích chống giữ khoảng trống ñã khai thác
trong quá trình khấu gương lò chợ và các khoảnh khấu; ngăn ngừa lún (sụt) hoặc sập ñổ ñá
vách ñến bề mặt; ñảm bảo các ñiều kiện thuận lợi cho việc khai thác toàn bộ chiều dày vỉa,
khai thác không ñể lại trụ bảo vệ, khai thác các vỉa liền kề và các thân quặng; giảm và trong
một số ñiều kiện ngăn ngừa hoàn toàn
nguy hiểm về tự cháy mỏ; giảm ñến
mức tối thiểu khối lượng ñất ñá phải
ñưa lên mặt ñất trong quá trình ñào
chống các ñường lò chuẩn bị và khai
thác các vỉa mỏng; ngăn ngừa tụt lở
ñất ñá trong các ñường lò chuẩn bị và
khai thác. Sơ ñồ công nghệ khai thác
sử dụng phương pháp chèn lò toàn
phần xem hình 1

Hình 1. Công nghệ khai thác sử dụng phương pháp chèn lò toàn phần
Tùy theo ñiều kiện thực tế và ñể ñảm bảo công tác thoát nước tại khu vực chèn lò, gương
lò chợ có thể tiến theo hướng dốc lên hay dốc xuống theo ñộ dốc vỉa than. ðây là hai hướng
khai thác chính của gương lò chợ ñược áp dụng chủ yếu tại Ba Lan trong công nghệ khai thác
sử dụng phương pháp ñiều khiển ñá vách bằng phương pháp chèn lò toàn phần
23


Hình 2. Hướng tiến của gương khai thác khi sử dụng phương pháp chèn lò toàn
phần tại

Ba Lan

a) Hướng khấu dốc lên; b) Hướng khấu dốc xuống

Phương pháp ñiều khiển ñá vách bằng chèn lò trong khai thác các vỉa than ñảm bảo:
- Tăng hệ số thu hồi tài nguyên;
- ðảm bảo an toàn cho khai thác các vỉa có ñất ñá vách không ổn ñịnh;
- Cho phép khai thác các khoáng sàng, các khu vực và các trụ bảo vệ nằm dưới các
công trình bề mặt, rừng, sông, suối, hồ chứa nước, v.v.;
- Giảm nguy hiểm cháy và trong các ñiều kiện xác ñịnh loại trừ xuất hiện cháy ngầm
khi khai thác các khoáng sàng than có tính tự cháy;
- Khai thác các khoáng sàng trong ñiều kiện ñịa chất mỏ và ñịa chất thuỷ văn phức tạp;
- Giảm chi phí chống giữ lò chợ, ñặc biệt là trong ñiều kiện xuất hiện áp lực mỏ gia tăng
và trong vỉa có tính phân lớp và nứt nẻ song song với bề mặt lộ vỉa của không gian khai thác;
- Tăng cường ñộ khấu than và tập trung hóa sản xuất thông qua khả năng khai thác ñồng
thời một vài tầng. ðiều này mang ý nghĩa quan trọng ñối với các khoáng sàng có tính tự cháy;
- Cải thiện ñiều kiện lao ñộng cho công nhân nhờ sử dụng hiệu quả hơn trạm quạt gió
ñể tăng cường thông gió cho gương lò chợ do giảm khối tích khoảng trống ñã khai thác; giảm
thiểu nguy hiểm về sập ñổ ñột ngột ñất ñá, sập ñổ, tụt lở cục bộ,

4.2. Phương pháp ñể lại trụ than bảo vệ
Ở Australia và Nga, ñể khai thác các vỉa than có công trình cần bảo vệ trên bề mặt, sơ
ñồ công nghệ khai thác buồng, cột hay buồng – lò chợ cũng ñã ñược áp dụng. Trong công
nghệ khai thác này, các trụ than sẽ ñược giữ lại trong quá trình khai thác ñể ngăn ngừa sự sập
ñổ của vách vỉa than, từ ñó hạn chế sự ảnh hưởng của công tác khai thác ñến bề mặt ñịa hình.
Sơ ñồ công nghệ khai thác này ñơn giản, chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, tỷ lệ tổn thất lớn do
phải ñể lại các trụ bảo vệ trong quá trình khai thác.

24

Lò song song chân chợ
Lò dọc vỉa vận tải
Lò dọc vỉa thông gió
L = 70 m
Thợng mở lò chợ
Trụ than bảo vệ giữa các dải khấu
a
8m
Thợng cột
3m3m 10m3m10m10m 3m 10m
Trụ than bảo vệ giữa các blốc (cột khấu)
a
10m
Thợng cột
8
0

ữ
1
2

0
m
Lò dọc vỉa vận tải
80
ữ
120 m
Lò song song chân
15m
1
5
m
2
3

mặt cắt a - a
Lò dọc vỉa thông gió
Cột chống gỗ quan trắc

Hỡnh 3. S ủ cụng ngh khai thỏc bung lũ ch
4.3. Phng phỏp chốn lũ tng phn
gim t l tn tht than khai thỏc, mt s ni trờn th gii ủó s dng cụng ngh
khai thỏc gng lũ ch di, s dng phng phỏp ủiu khin vỏch bng chốn lũ tng phn.
Trong s ủ cụng ngh khai thỏc ny, cỏc di ủỏ chốn ủc xp dc theo chiu di lũ ch hay
ủc xp dc theo phng nhm mc ủớch hn ch kh nng sp ủ ca cỏc lp ủt ủỏ khu
vc khai thỏc v gim thiu mc ủ nt n ca cỏc khi ủt ủỏ lan truyn ti cỏc cụng trỡnh
cha nc trờn b mt ủa hỡnh.
Lò dọc vỉa thông gió
Gánh tăng cờng
100
ữ

120 m
1000
Lới thép
Bể lắng thu nớc
1000
Lò dọc vỉa vận tải

Hỡnh 4. S ủ cụng ngh khai thỏc ủiu kin ủỏ vỏch bng phng phỏp ủ li tr
nhõn to dc theo hng dc va
Lò dọc vỉa vận tải
1000
Lò dọc vỉa thông gió
Gánh tăng cờng
Bể lắng thu nớc
100
ữ
120 m
1000
Lới thép

Hỡnh 5. S ủ cụng ngh khai thỏc ủiu kin ủỏ vỏch bng phng phỏp ủ li tr nhõn
to dc theo phng va
25

Song song với công tác ñiều khiển ñá vách, các giải pháp công nghệ trong quy trình
công nghệ khai thác cũng ñã ñược nghiên cứu hoàn thiện nhằm nâng cao khả năng chịu tải
của các vì chống, ñẩy nhanh tiến ñộ của gương khai thác, từ ñó nâng cao mức ñộ an toàn và
hiệu quả khi khai thác phần trữ lượng than dưới các công trình chứa nước. Các giải pháp công
nghệ phổ biến ñược áp dụng là cơ giới hóa các loại vì chống (dàn tự hành, giá thủy lực) kết
hợp với ñồng bộ thiết bị máy khấu.

Ngoài các giải pháp công nghệ nêu trên, khi khai thác các vỉa than dưới các công trình
chứa nước, một số nơi trên thế giới ñã áp dụng các biện pháp giảm thiểu sự ảnh hưởng của
nước bề mặt ñến gương khai thác hầm lò như nắn chỉnh dòng suối ra khỏi phạm vi áp dụng,
hay các biện pháp nhân tạo nhằm ngăn không cho nước trên bề mặt ñịa hình chảy theo khe
nứt xuống khu vực khai thác.
5. ðề xuất, ñánh giá các giải pháp kỹ thuật, công nghệ khai thác than dưới suối Vàng Danh
5.1. ðề xuất các giải pháp kỹ thuật công nghệ
Từ phân tích dự báo biến dạng và phá hỏa do tác ñộng khi khai thác các vỉa than dưới suối
cho thấy, khi khai thác các vỉa 7, 6, 5, 4 phía dưới sẽ tạo ra sụt lún tới bề mặt ñịa hình khu vực
suối các suối TVD – 1 và TVD – 2, có thể gây mất an toàn sản xuất và ảnh hưởng tới môi trường
nước. ðể khắc phục vấn ñề này có thể áp dụng một trong các giải pháp công nghệ sau:
- Công nghệ khai thác cột dài theo phương ñiều khiển ñá vách bằng chèn lò toàn phần
hoặc từng phần;
- Công nghệ khai thác cột dài theo phương ñiều khiển ñá vách bằng các dải trụ than bảo vệ;
- Nắn chỉnh hướng chảy của suối ra khỏi phạm vi ảnh hưởng.
5.2. ðánh giá khả năng áp dụng các giải pháp
a) Khả năng áp dụng sơ ñồ công nghệ khai thác cột dài theo phương ñiều khiển ñá
vách bằng chèn lò toàn phần hoặc từng phần: Công tác ñiều khiển ñá vách bằng chèn lò toàn
phần hoặc từng phần ñảm bảo an toàn lao ñộng cao, hạn chế tối ña mức ñộ sập ñổ của các lớp
ñất ñá, dẫn ñến giảm thiểu sự ảnh hưởng của khai thác hầm lò ñến các công trình cần bảo vệ
trên mặt ñịa hình. Tuy nhiên, do chi phí gia công và vận tải vật liệu chèn vào lấp khoảng trống
ñã khai thác, dẫn ñến chi phí khai thác 1 tấn than cao, năng suất lao ñộng bình quân thấp. ðể
thực hiện ñược phương án này, cần thiết kế gia công vật liệu ñất ñá chèn lò và dây chuyền vận
tải vật liệu chèn ñến gương khai thác.
b) Khả năng áp dụng công nghệ khai thác cột dài theo phương ñiều khiển ñá vách
bằng các dải trụ than bảo vệ có hiệu quả khi ñá vách vỉa bền vững, khó sập ñổ. Ưu ñiểm của
phương án này là giá thành khai thác thấp hơn so với phương án ñiều khiển ñá vách bằng
chèn lò toàn phần hoặc từng phần. Việc ñiều khiển ñá vách ñược triệt ñể và có chủ ñộng ñịnh
hướng, hạn chế vách sập ñổ bằng các dải trụ than. Tuy nhiên, nhược ñiểm của giải pháp công
nghệ khai thác này là tỷ lệ tổn thất lớn do phải ñể lại các dải trụ than bảo vệ. Vách trụ các vỉa

than khu vực giếng Vàng Danh thuộc loại dễ sập ñổ nên khó hiệu quả trong việc hạn chế sụt
lún bề mặt ñịa hình. Hơn nữa, công tác khai thác lò chợ khi ñể lại trụ bảo vệ theo hướng dốc
phức tạp do phải tháo và vận chuyển thiết bị từ buồng này sang buồng khác, có thể gây gián
ñoạn quá trình khai thác.