Bài tập nhóm năng lượng tái tạo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
VIỆN TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN: QUẢN LÝ CÁC NGUỒN NĂNG
LƯNG TÁI TẠO

TP. HCM – tháng 11/2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH


VIỆN TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN: QUẢN LÝ CÁC NGUỒN NĂNG
LƯNG TÁI TẠO
NHÓM THỰC HIỆN: NHÓM 7
Nguyễn Thị Mai Khanh
Nguyễn Thị Hoàng Oanh
Nguyễn Thị Phương Thảo
Nguyễn Văn Thành
Nguyễn Đình Tiến
Nguyễn Văn Huy

TP. HCM – tháng 11/2012


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

I. TỔNG QUAN
Hiện nay trên thế giới đang hối hả phát triển, ứng dụng nguồ n nă ng lượng tái tạo vì:
•

Năng lượng truyền thống (than, dầu,…) sắp cạn kiệt.

•

Nguồn cung cấp biến động về giá cả.

•

Phát thải hiệu ứng nhà kính gây hiệu ứng nóng lên tồn cầu.

•

Nă ng lượng truyền thống gây ơ nhiễm mơi trường.

•

Sử dụng năng lượng truyền thống gây ra các tai họa như hạn hán, lũ lụt xảy ra trên tồn

cầu.
•

Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng.

Nguồn năng lượng tái tạo được các quốc gia trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng vì nó có
những ưu điểm sau:
•

NLTT sử dụng nguồn năng lượng có sẵn trong thiên nhiên và khơng gây ơ nhiễm mơi

trường.
•

NLTT giảm lượng ơ nhiễm và khí thải từ các hệ thống NL truyền thống.

•

Sử dụng NLTT sẽ làm giảm hiệu ứng nhà kính.

•

Góp phần vào việc giải quyết vấn đề năng lượng.

•

Giảm bớt sự phụ thuộc vào sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
II. KHÁI NIỆM

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà
theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái
sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong mơi trường và đưa
vào trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt
Trời.
Trong cách nói thơng 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 vơ hạn. Vơ 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 cịn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất.

Nhóm 4

Trang 1


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

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 thơng 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 cịn 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, dịng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con
người sử dụng trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn
theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái.
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 "vơ 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 khơng được tính vào loại năng lượng này.
III. PHÂN LOẠI CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
2.1 Năng lượng mặt trời
a. Khái niệm bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng của Mặt Trời phát ra. Đây chính là nguồn năng
lượng chính cho các q trình phong hóa, bóc mịn, vận chuyển, bồi tụ trên Trái Đất, cũng như
chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời. Năng lượng bức xạ Mặt trời
thường biểu diễn bằng cal/cm².phút
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 γ 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 γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 2.1). Từ
tâm mặt trời đi ra do sự va cham hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ
chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài nhất. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen 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 khơng gian bên ngồi mặt trời là một phổ rộng
trong đó cực đại của cường độ xạ nằm trong dải 10-1 - 10 µm và hầu như một nửa tổng năng
Nhóm 4

Trang 2


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ.
Năng lượng bức xạ Mặt trời ở gần Trái Đất ở vào khoảng 2 cal/cm².phút (hằng số mặt trời).
Toàn bộ Trái Đất nhận được từ Mặt Trời 2,4.1018 cal/phút, gồm 48% năng lượng thuộc dải
phổ ánh sáng khả kiến (λ = 0,4-0,76 µm), 7% tia cực tím (λ < 0,4 µm) và 45% thuộc dải phổ
hồng ngoại và sóng vơ tuyến (λ > 0,76 µm).

Hình 2.1: Dải bức xạ điện từ
Chùm tia truyền 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 dịng bức xạ trực xạ ở ngồi lớp khí quyển, tính đối với với 1m2 bề mặt đặt
vng góc với tia bức xạ, được tính theo cơng thức :

Nhóm 4

Trang 3


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Hình 2.2: Góc nhìn mặt trời
Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi do
đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này khơng lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và
được gọi là hằng số mặt trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ
bởi tầng ơzơn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp
tới trái đất. Đầu tiên ơxy 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 0,18 µm, do đó các photon
(xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ
một phần các ngun tử ơxy kết hợp thành các phân tử, cịn đại đa số các nguyên tử tương tác
với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3. ôzôn cũng hấp thụ 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 µm, 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.

Nhóm 4

Trang 4


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Hình 2.3: Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất
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 khơng khí nhưng khơng 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. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển cịn gặp một trở ngại
đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nưóc, khí cacbơnic và các hợp chất khác,
mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng
ngoại của phổ.
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng
(khơng có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2 hình 2.3.
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một 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
Nhóm 4

Trang 5


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, 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. Góc nghiêng
vào khoảng 66,5o và thực tế xem như không đổi trong không gian. Sự định hướng như vậy của
trục quay 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.
Công suất này bằng 4.1013 lần tổng công suất điện toàn thế giới hiện nay, vào khoảng P =
1013W
b. Nguyên tắc tận thu bức xạ mặt trời
Cường độ bức xạ trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với
mặt phẳng bề mặt đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển nói chung là phụ
thuộc vào độ cao của mặt trời (góc giữa phương từ điểm quan sát đến mặt trời và mặt phẳng
nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một 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, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngồi khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo
phương trình sau:

Nhóm 4

Trang 6


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

c. Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ
Hệ số khối khơng khí: m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ truyền qua
và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở thiên đỉnh). Như vậy m
= 1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m = 2 khi góc thiên đỉnh θz là 600. Đối với các góc thiên đỉnh từ
0 – 700 có thể xác định gần đúng m = 1/cosθz. Cịn đối với các góc θz>700 thì độ cong của bề
mặt trái đất phải được đưa vào tính tốn. Riêng đối với trường hợp tính tốn bức xạ mặt trời

ngồi khí quyển m = 0.
Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi khơng bị bầu khí quyển phát tán. Đây là dịng bức
xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của
bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ cịn được gọi là bức xạ của bầu trời, ở
đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra).
Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên một bề
mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).

Nhóm 4

Trang 7


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng
với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ
Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp.
Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề
mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân
của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày).
Giờ mặt trời: lả thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy
ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt
trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó khơng đồng nghĩa với giờ
theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời truyền
tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định theo các góc đặc trưng
sau (hình 2.5):

Góc vĩ độ φ: vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phí nam đường xích đạo trái
đất, với hướng phía bắc là hướng dương.
-900≤ φ ≤ 900
Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính tốn và phương nằm ngang
0 ≤ β ≤ 1800
( β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới).
Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm
ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng chính nam , γ lấy dấu (+)
nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phí đơng.
-1800 ≤ γ ≤ 1800

Nhóm 4

Trang 8


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đơng hoặc tây của kinh tuyến địa
phương do q trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 150 cho 1 giờ đồng hồ,
buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+).
Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
Góc thiên đỉnh θz: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới. Trong trường
hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.
Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của
góc thiên đỉnh.
Góc phương vị mặt trời γs: góc lệc so với phương nam của hình chiếu tia bức xạ mặt trời
truyền tới trên mặt phẳng ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình chiếu lệch về phía đơng và
lấy dấu dương (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.

Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi mặt trời đi
qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là
hướng dương.
-23,450≤ δ ≤23,450

Nhóm 4

Trang 9


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa góc tới θ
và các góc khác nhau như sau:

Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời θz, giá trị của nó phải
nằm trong khoảng 00C và 900 tử khi mặt trời mọc đến khi mặt trời ở thiên đỉnh (β = 0):

d. Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngồi khí quyển được xác
định theo phương trình:

Thay giá trị cosθz vào phương trình trên ta có Eo.ng tại thời điểm bất kỳ từ lúc mặt trời mọc đến
lúc mặt trời lặn:

Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn (6h đến 18h
mặt trời) ta sẽ được Eo.ngay là năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một
ngày:

Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình tháng Eoth bằng cách thay giá trị n
và δ trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày trung bình của tháng và độ lệch δ tương ứng.

Nhóm 4

Trang 10


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể xác định khi
phân tích phương trình trong khoảng thời gian giữa các góc giờ ω1 và ω2:

e. Tổng cường độ bức xạ mặt trời trên trái đất
Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần chính đó là trực xạ và
tán xạ. Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, cịn thành phần tán xạ thì khá phức tạp. Hướng
của bức xạ khuyếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển,
các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều. Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành
phần (hình 2.6).
Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời.
Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh tia mặt
trời.
Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân trời.

Góc khuyếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản cạ Rg (còn gọi là albedo – suất phân
chiếu) của mặt đất. Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ bề mặt tuyết xốp có Rg = 0,7) sẽ
phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần lượt bị phát tán trở thành thành phần tán
xạ chân trời.
Như vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các dòng bức xạ bao gồm:

trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận Er:
Nhóm 4

Trang 11


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

EΣ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er
Tuy nhiên việc tính tốn các đại lượng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy người ta giả thuyết là sự
kết hợp của bức xạ khuyếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng hướng, nghĩa là tổng
của bức xạ khuyếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là như nhau trong mọi
trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt. Như vậy tồng xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là
tổng của trực xạ Eb, Bb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed.
Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc β so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ bằng tổng
của 3 thành phần:

Vả ta có tỷ số bức xạ Bb của bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang:

Nhóm 4

Trang 12


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

2.2 Năng lượng Gió
a. Khái niệm

Năng lượng gió là động năng của khơng khí di chuyển trong bầu khí quyển của trái đất. Gió
được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, trái đất xoay quanh mặt trời. Vì
vậy nă ng lượng gió là hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời.
Năng lượng gió được mơ tả như một q trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc
điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có
thể sử dụng cho những cơng việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực
hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện.
Nhóm 4

Trang 13


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Hình 2.9: Những cánh quạt chuyển hóa năng lượng gió
b. Sự hình thành năng lượng gió

Hình 2.10: Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ mặt trờichiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và
khơng khí nóng không đồng đều → khác nhau về nhiệt độ và áp suất → tạo ra gió.
c. Nguyên tắc tận thu năng lượng gió
Thiết bị chủ yếu để tận thu năng lượng gió đó là tuabin gió:
Cấu tạo tuabin gió:
Nhóm 4

Trang 14


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch

Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Bao gồm các phần chính sau đây:
- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
- Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt
chuyển động và quay.
- Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức
nước hoặc bằng động cơ.
- Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến
14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương
đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng.
- Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng
tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của
hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của
bộ động cơ và tuabin gió.
- Generator: Máy phát. Phát ra điện
- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
- Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các
phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, and brake. Vỏ bọc ngoài
dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể
đứng bên trong trong khi làm việc.
- Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió
khơng q cao hay q thấp để tạo ra điện.
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
- Tower: Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép. Bởi vì tốc
độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát
ra điện nhiều hơn.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng tuabin gió.
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi

hướng gió.
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho "yaw drive" định được hướng gió.
Các kiểu tuabin gió hiện nay
Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại:
- Một loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng.
- Một loại theo trục ngang .
Nhóm 4

Trang 15


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tuabin gió 3 cánh quạt
hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi. Ngày nay tuabin
gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.
Cơng suất các lại tuabin gió
Dãy cơng suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới cơng suất lớn hơn cỡ vài MW. Để có dãy cơng
suất tuabin gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm những tuabin với nhau trong một trại gió
và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện.
Các tuabin gió loại nhỏ có cơng suất dưới 50kW được sử dụng cho gia đình. Viễn thơng
hoặc bơm nước đơi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diezen, pin và hệ thống quang điện.
Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùng
xa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện khơng thể nối tới các khu
vực này.
Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió
Các tuabin gió tạo ra điện như thế nào? Một cách đơn giản là một tuabin gió làm việc trái
ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại
tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện.

Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng lượng của gió làm cho 2 hoặc
3 cánh quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động
làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện.
Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió. Ở tốc độ 30 mét trên mặt
đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thường.
Các tuabin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng có thể nối tới
một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn.
Nhìn từ phía ngồi vào một xưởng năng lượng gió thấy được một nhóm các tuabin làm việc và
tạo ra điện nhờ các đường dây tiện ích như thế nào? Điện được truyền qua dây dẫn phân phối
từ các nhà,
các cơ sở kinh doanh, các
trường học...

Nhóm 4

Trang 16


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Hình 2.11: Cấu tạo tua bin phong điện
2.3 Năng lượng thủy điện
a. Khái niệm
Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thuỷ điện có được từ
thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuốc bin nước và máy phát điện.
Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước khơng
bị tích bằng các đập nước như năng lượng thuỷ triều. Thuỷ điện là nguồn năng lượng có thể
hồi phục.
b. Nguyên tắc tận thu năng lượng thủy điện

Nước được lưu trữ lại trong hồ bởi những đập ngăn nước khổng lồ. Khi nước được rơi tự do từ
độ cao sẽ tạo một khối năng lượng nhất định tượng ứng với khối lượng của nước và tỷ lệ với
lực hút trái đất và độ cao. Khối năng lượng đó sẽ quay cánh quạt của máy phát điện (thế năng
của nước lúc này chuyển hóa thành động năng) và tạo ra điện năng để sử dụng.

Hình 2.12: Mơ hình đập thủy điện
Quy trình thực hiện 1 dự án thủy điện:
Bước 1: Khảo sát vị trí địa lý tại nơi thực hiện dự án
Bước 2: Chọn tuabin
Nhóm 4

Trang 17


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Bước 3: Chọn máy phát: Việc chọn máy phát phụ thuộc vào các tham số như: tần số, điện áp
và hệ số công suất được xác định bỡi lưới truyền tải.
Thủy điện tích năng (TĐTN)
Khái niệm
Nhà máy TĐTN là nhà máy thủy điện kiểu bơm tích lũy.
- Nhà máy TĐTN sử dụng điện năng của các nhà máy điện phát non tải trong hệ HTĐ vào nhữ
ng giờ thấp điểm phụ tải đêm hoặc một số giờ ở phần lưng của đồ thị phụ tải của HTĐ để bơm
nước từ bể nước thấp lên bể cao.
- Vào những giai đoạn đỉnh phụ tải của HTĐ, nhà máy TĐTN sẽ sản xuất điện năng nhờ dẫn
nước từ bể cao xuống theo các đường ống dẫ n đế n các tổ máy thuỷ lực được đưa vào vận
hành ở chế độ tuabin. Điện năng sản xuất ra được đưa vào hệ thống điện, còn nước được tích
luỹ trong bể cung cấp.
- Năng lượng được tích luỹ của nhà máy TĐTN phụ thuộc vào dung tích bể cao và cột nước

công tác.

1 – Bể chứa trên cao
2 – Bể chứa thấp
3 – Hệ thống các ống nước nghiêng
4 – Tuabin (Máy phát)
Nhóm 4

Trang 18


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Ưu điểm của nhà máy TĐTN
Về mơi trường
- Các hồ chứa có diện tích nhỏ (dưới 1km2), giảm thiểu tác động đến mơi trường tự nhiên và
si nh thái trong xây dựng nhà máy.
- Ngồi hai hồ chứa, tất cả cơng trình khác đều nằm trong lịng đất nên ít có tác động đến cảnh
quan xung quanh.
Về kinh tế
- Đầu tư xây dựng ban đầu mà khơng tốn chi phí cho nhiên liệu như các nguồ n nă ng lượng
khác.
Về hiệu suất hệ thống điện
- Điều chỉnh tần số và điện áp của hệ thống điện rất hiệu quả.
- TĐTN là phương án dự trữ năng lượng an toàn và tiết kiệm nhất.
2.4 Năng lượng sinh học
a. Khái niệm
Năng lượng sinh học có thể hiểu nơm na là nguồn năng lượng được hình thành từ nguyên liệu
tự nhiên thông qua các chuyển biến sinh học nhờ các tác nhân sinh học.

Phân tích theo Sơ đồ năng lượng phía dưới, mọi nguồn năng lượng đều xuất phát từ năng
lượng mặt trời, sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng này – năng lượng vô hạn – thì được xem là
nguồn năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh. Năng lượng sinh học chiếm ở nhánh thứ 3 –
Photosynthesis- trong sơ đồ.
Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo
chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh
là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong mơi trường và đưa vào
trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời.

Nhóm 4

Trang 19


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Nhóm 4

Trang 20


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

b. Nguyên lý chuyển hóa

Hình 2.13. Sơ đồ chuyển hóa nguồn thải từ hoạt động sản xuất thành các dạng năng lượng sinh
học
c. Sản xuất ethanol từ các nguồn biomass khác nhau

Dưới đây là quy trình chung để sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa cellulose. Vì bản
chất thực vật hệ thống lignocelluloses liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành lớp vỏ của tế bào
thực vật. Việc chúng ta chỉ tận dùng nguồn cellulose yêu cầu một quá trình tiền xử lý hiệu quả.

Nhóm 4

Trang 21


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Nguồn chứa
cellulose

Tiền xử lý

Chế phẩm vi
sinh

Xử lý
lignin

Thủy phân
cellulose

Hỗn hợp đường

Lên men
đường

Ethanol
thơ

Hình 2.14. Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol từ các nguồn chứa cellulose
Thuyết minh quy trình:
Thành phần hữu ích nhất của nguyên liệu đối với mục đích sinh học là cellulose. Hiệu
quả của các quá trình thủy phân cellulose phụ thuộc nhiều vào độ mẫn cảm của nó đối với tác
nhân thủy phân. Trong tự nhiên cellulose rất khó phân hủy vì phân tử của nó rất
lớn độ kết tinh cao và nó liên kết chặt chẽ với lignin vì vậy việc xử lý sơ bộ là cần thiết.
Phương pháp cổ điển là xử lý bằng kiềm dựa trên tác dụng kiềm hòa tan Lignin, kỹ
thuật đơn giản chỉ việc ngâm bã mía trong dung dịch NaOH 1,5% ở nhiệt độ thường sau 24h
lọc rửa lấy cellulose. Na2CO3, NaOCl, acid peracetic… cũng là tác nhân khử Lignin mạnh.
Phương pháp cắt, nghiền … tuy không làm giảm lượng Lignin nhưng sẽ làm tăng tiếp xúc bề
mặt của cơ chất, góp phần làm yếu đi liên kết Lignin-cellulose, giảm độ polyme hóa, độ kết
tinh của của cellulose do đó làm tăng độ thủy phân. Hiện nay phương pháp nổ hơi nước ở áp
suất cao được áp dụng trong quá trình tiền xử lý mang lại hiệu quả cao và có thể áp dụng ở quy
mơ cơng nghiệp.
Ngồi ra, phương pháp sinh học như sử dụng enzyme lignase cũng mang lại hiệu quả
cao, an tồn thân thiện với mơi trường nhưng u cầu thời gian dài, chi phí cao.
Nhóm 4

Trang 22


Môn học: Công nghệ xanh và năng lượng sạch
Tiểu luận: Quản lý các nguồn năng lượng tái tạo

Sau khi xử lý sơ bộ lignin ta tiến hành bổ sung chế phẩm vi sinh cellulase để thủy
phân cellulose, việc cắt nhỏ cellulose sẽ tạo ra sản phẩm chính là glucose, và đó chính là

nguồn cơ chất để vi sinh vật tiếp tục lên men tạo thành ethanol ở dạng thô. Tiếp tục chưng
cất ta sẽ thu được ethanol tinh.
d. Sản xuất biodiesel từ các nguồn mỡ cá
Biodiesel được sản xuất trên quy mô công nghiệp ở nhiều nước trên thế giới, trong đó, một số
nhà sản xuất quan tâm và thu hồi những sản phẩm phụ có ích trong nước thải như glycerine,
methanol dư, và muối. Nhìn chung, một quy trình cơng nghệ sản xuất Biodiesel được mơ tả
như trong hình 5.3.

Hình 2.15. Quy trình cơng nghệ sản xuất Biodiesel
Thuyết minh:
-

Dầu mỡ ĐTV được làm nóng dần lên đến 600C, cho vào lò phản ứng. Alcohol và xúc tác
được trộn với nhau theo 1 tỷ lệ xác định (tính theo % lượng dầu mỡ phản ứng), sau đó cho
vào lị phản ứng.

-

Tại lò phản ứng, hỗn hợp dầu mỡ, alcohol và xúc tác được khuấy trộn để phản ứng chuyển
hóa ester xảy ra, thời gian khuấy là 30 phút, sau đó để lắng trong thời gian 1 – 2 ngày, để
quá trình tách 2 pha ester và glycerine diễn ra, thời gian lắng càng lâu càng cho sản phẩn
ester có chất lượng tốt. Hoặc có thể bơm dung dịch sau phản ứng sang 1 bể lắng khác, kết
hợp với thiết bị ly tâm để tăng tốc quá trình tách pha ester và glycerine.

-

Sau khi tách, pha ester được trung hòa, rửa nước và chưng cất để loại bỏ alcohol dư,
glycerine lẫn và một số thành phần khác trong pha ester (nếu có). Cuối cùng ester được làm
khơ thu được sản phẩm cuối cùng có tính chất tương tự dầu Diesel và có thể sử dụng như
một loại nhiên liệu thay cho dầu Diesel, gọi là Biodiesel.

Nhóm 4

Trang 23