Giáo trình giáo dục sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả

TO -n CÁC TỪ VIẾT TẮT IEC: ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IAEA: ửy ban lượng nguyên tử quốc tế BTƯ: Đơn vị nhiệt lượng Anh CV.HP: Mã lực TOE: Tấn dầu tương đương TCE: Tấn than tương đương MBA: Máy biến áp HTĐ: Hệ thong điện ■ DSM: Quản lý nhu cầu điện TPM: Bảo dường sản xuất tổng thể TQM: Quản lý chất lượng tổng thể ITER: Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế TOKAMAK: Buồng hình xuyến bên có cuộn dây từ TRƯỜNG CAO DANG CONG MìrlE-ỊĨHỦ hức D1< R 00003136ó5 LỜI NÓI ĐÀU Năng lượng nguồn động lực cho hoạt động sản xuất đời sống nhân loại Trong thời đại ngày khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẻ toàn giới, nên đòi hỏi tiêu thụ lượng ngày tăng Nguồn lượng hóa thạch than, dầu mỏ, khí đốt cạn kiệt gây ô nhiễm mơi trường, tạo nên hiệu ứng nhà kính ngun nhân làm cho trái đất nóng dần lên Để phát triển ổn định người mặt phải sử dụng lượng cách tiết kiệm hiệu đồng thời cần tăng cường nghiên cứu sử dụng nguồn lượng có tính chất tái tạo lượng mặt trời, lượng gió, lượng sinh khối, nàng lượng địa nhiệt, lượng thủy triều Ở Việt Nam phủ đưa sách tổ chức tuyên truyền sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Điều nhân dân hưởng ứng cách tích cực Để góp phần thực chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, Bộ Giáo dục Đào tạo chủ trì dự án đưa giáo dục sử dụng lượng tiết kiệm hiệu vào nhà trường để góp phần giáo dục tuyên truyền việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Giáo trình tác giả biên soạn sở tham khảo nhiều nguồn tài liệu khác để phục vụ dạy học cho trường Cao đẳng Công nghệ Thù Đức, kiến thức thời gian có hạn nên khơng tránh khỏi sai sót Rất mong đóng góp ý kiến cùa Quý thầy cô, bạn Học sinh, Sinh viên bạn đọc để giáo trình hồn thiện Mọi góp ý xin gửi Khoa Điện - Điện tử, Trường Cao đẳng Công nghệ Thù Đức, Khu B, Lầu 1, số 53 Võ Văn Ngân, Phường Linh Chiểu, Quận Thù Đức, Thành phố Hồ Chí Minh Biên soạn Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong MỤC LỤC TRANG Mục lục Chương Năng lượng sản xuất đời song 1.1 Quá trình phát triển công nghệ nàng lượng 1.2 Tổng quan lượng 1.3 Tình hình khai thác sử dụng lượng giới 1.4 Tình hình khai thác sử dụng lượng Việt nam 1.5 Năng lượng mơi trường 1.6 Chính sách lượng Việt nam 1.7 Năng lượng số trình sàn xuất 1.8 Sử dụng lượng tòa nhà 1.9 Quản lý lượng 1.10 Kiểm toán lượng 1.11 Công tác truyền thông giáo dục sừ dụng lượng tiết kiệm hiệu quà Câu hỏi tập chương 1 11 12 16 25 27 27 Chương Sử dụng nhiệt tiết kiệm hiệu 2.1 Giới thiệu lượng nhiệt 2.2 Lò 2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt 2.4 Hệ thống bơm, quạt, máy nén 2.5 Hệ thống phân phổi mạng nhiệt 2.6 Đồng phát nhiệt-điện 2.7 Động đốt 2.8 Hệ thống lạnh 2.9 Hệ thống điều hịa khơng khí 2.10 Kho lạnh tủ lạnh 2.11 Hệ thống sấy 2.12 Lị điện cơng nghiệp Câu hỏi tập chương 33 33 33 36 37 38 38 41 42 46 48 49 51 53 Chương Sử dụng điện tiết kiệm hiệu 3.1 Khái niệm hệ thống điện 3.2 Sản xuất điện 3.3 Truyền tải điện 3.4 Cung cấp điện 3.5 Các biện pháp giảm tổn hao công suất điện áp 3.6 Quản lý nhu cầu sử điện DSM 3.7 An toàn sản xuất sử dụng điện 3.8 Tiết kiệm điện thiết kế, chế tạo lẳp đặt vận hành sử dụng thiết bị điện công nghiệp 3.9 Sừ dụng thiết bị điện gia dụng tiết kiệm hiệu Câu hỏi tập chương 54 54 55 64 64 66 74 76 30 31 84 86 97 - Chương Chiếu sáng tiêt kiệm hiệu 4.1 Giới thiệu chiếu sáng tiết kiệm hiệu quà 4.2 Đèn đèn 4.3 Các giải pháp thực chiếu sáng tiết kiệm hiệu 4.4 Điều khiển hệ thống chiếu sáng Câu hỏi tập chương 98 98 98 104 110 114 Chương Sử dụng nguồn lượng tái tạo 5.1 Đại cương lượng tái tạo 5.2 Năng lượng mặt trời 5.3 Năng lượng gió 5.4 Năng lượng địa nhiệt 5.5 Năng lượng sinh khổi 5.6 Công nghệ thủy điện nhỏ 5.7 Nguồn lượng tương lai Câu hỏi tập chương 116 116 116 127 134 137 141 144 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO v IU ỌiKJ CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG TRONG SẢN XUẨT VÀ ĐỜI SỐNG Mục tiêu: • Cung cấp cho Học sinh-Sinh viên kiến thức trình phát triển công nghệ lượng, dạng lượng sử dụng, tình hình khai thác lượng Việt Nam giới, tác động lượng đến mơi trường người, sách Việt Nam lượng, công tác tuyên truyền giáo dục việc sử dụng lượng tiết kiệm có hiệu • Học sinh-Sinh viên nắm vững kiến thức để áp dụng vào thực tế tính tốn giải toán tiết kiệm lượng sử dụng lượng hiệu Từ đó, tính tốn lượng lượng tiết kiệm lượng khí thải cắt giảm mơi trường xung quanh lượng nói chung sử dụng cách tiết kiệm có hiệu 1.1 Q trình phát triển cơng nghệ lượng Để tồn phát triển từ xa xưa loài người biết sử dụng dạng lượng khác như: lượng gió để kéo thuyền buồm xay xát lượng hóa thạch than gỗ, dầu mỏ, khí đốt Theo đà phát triển lịch sử người phát sử dụng thêm nhiều dạng lượng khác Năng lượng động lực cho hoạt động vật chất tinh thần người Trình độ sản xuất phát triến ngày cao tiêu tốn nhiều lượng tạo thách thức to lớn môi trường Theo nghiên cứu khảo sát tập đoàn dầu khí BP lượng cho thấy tình hình khai thác sau hon 40 năm dầu mỏ, khí đốt cạn kiệt than đá sau 200 năm không nhiều để khai thác Ngày lượng trở nên có tính chất sống cịn nhân loại mặt nguồn lượng hóa thạch cạn kiệt Mặt khác, phát triển sản xuất đặt vấn đề cấp bách yêu cầu lượng có nguy hủy hoại môi trường Đe phát triển bền vững người phải sử dụng lượng cách tiết kiệm hiệu quả, đồng thời phải nghiên cứu phát triển nguồn lượng có tính chất tái tạo thân thiện với môi trường Lịch sử phát triển công nghệ lượng giới tóm tắt Bảng 1.1 theo mốc thời gian Bảng 1.1 Các mốc lịch sử việc sử dụng lượng giới Thời gian Năng lượng sử dụng Tiền sử Với việc phát lửa người tiền sử biết sử dụng nhiệt từ gỗ để đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng Cổ đại Con người biết sử dụng lượng gió để xay xát, kéo thuyền bè, lượng dòng chảy để bơm nước tưới tiêu, xay xát 1687 Isaac Newton (1642-1727) xây dựng sở lý thuyết học cổ điển đặt móng cho việc sử dụng kỹ thuật Biên soạn: Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong GIÁO TRÌNH GIÁO DỤC sử DỤNG NÀNG LƯỢNG TIÉT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ 1738 Daniel Bernoulli (1700-1782) xây dựng sở cho nghiên cứu học chất lỏng đặt móng cho việc sử dụng thủy kỹ thuật 1756 Mikhail Lomonossov (1711-1785) đề xuất định luật bảo toàn biến đổi lượng 1763 James Watt (1736-1919) phát triển máy nước Năng lượng nước góp phần giải phóng lao động bắp nguời Bắt đầu kỷ ngun cơng nghiệp hóa khí hóa Than đá nguồn nhiên liệu chủ u 1831 1860 Michael Faraday (1791-1867) phát minh định luật cảm ứng điện từ đặt móng cho đời thiết bị điện Bắt đầu kỷ nguyên điện khí hóa J.c Maxwell (1831-1879) cơng bổ lý thuyết Trường điện từ thống nhất, hoàn thiện sở điện từ sử dụng lượng điện từ, đặt móng chò đời kỹ thuật điện tử 1860 Luyện thép đời thúc đẩy khai thác than phát triển 1870 Dầu mỏ bắt đàu sử dụng công nghiệp đời sống 1881 Tầu hỏa chạy lượng nước đời nước Anh 1890 Động đốt hồn thiện tơ sản xuất hàng loạt 1898 Pierre Marie Curie (1867-1934) tìm chất phóng xạ Bắt đau kỷ ngun mới, kỳ nguyên lượng nguyên tử 1899 Max Planck (1858-1947) công bố thuyết lượng tử Bắt đầu học lượng tử đời 1900 IEC (International Electrotechnical Commission) ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế đời thúc đẩy phát triển tiêu chuẩn hóa kỹ thuật điện 1906 Albert Einstein (1879-1955) công bố lý thuyết tương đổi với định luật tiếng E = mC2 1942 Các nhà khoa học Hoa Kỳ chế tạo bom nguyên tử 1954 Pin mặt trời bắt đầu chế tạo thương mại hóa 1954 Ngày 27-6-1954, nhà máy điện nguyên tử đời Liên Xô cũ, công suất 5MW Obninsk 1957 IAEA (International Atomic Energy Agency) Uỷ ban Năng lượng Nguyên tử quốc tế đời 1960 Tổ chức nước xuất dầu mỏ OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries) đời 1973 Khủng hoảng dầu mỏ hậu chiến tranh Trung Đông ■1974 IEA (International Energy Agency) ủy ban Năng lượng quốc tế đời 9/1992 Công ước khung biến đổi khí hậu Liên Hiệp Quốc nhằm on định nồng độ khí gây hiệu ứng nhà kính 2011 Ị Sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima Nhật Bản vtỉpn SAQĨÌ' TẦn Nonr Triềii - ĩ P Minh Phnn? 1.2 Tổng quan lượng 1.2.1 Các dạng nguồn lượng Năng lượng dạng vật chất ứng với trình sinh cơng Năng lượng hiểu khả sinh công sinh nhiệt Có nhiều hệ thống phân loại khác lượng sử dụng: Hình 1.1 Quan hệ loại lượng • Theo dạng vật chất lượng phân loại như: + Thể rắn than, củi, gỗ + Thể lỏng dầu mỏ sản phẩm dầu + Thể khí khí đốt sản phẩm khí • Theo dịng biến đổi lượng ta thường gặp khái niệm: - Năng lượng sơ cấp: Năng lượng sơ cấp lượng khai thác trực tiếp từ nguồn chưa qua cơng đoạn xử lý Ví dụ than đá, dầu thô - Năng lượng thứ cấp: Năng lượng thử cấp lượng qua vài trình biến đổi Ví dụ điện năng, khí hóa than - Năng lượng cuối cùng: Năng lượng cuối lượng đầu vào thiết bị sử dụng lượng Ví dụ lượng động dây chuyền sản xuất Biên soạn: Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong GIÁO TRÌNH GIÁO DỤC sử DỤNG NĂNG LƯỢNG TIÉT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ - Năng lượng hữu ích: Năng lượng hữu ích lượng nhận thiết bị sử dụng lượng trừ tổn thất truyền tải phân phối tổn thất thiết bị sử dụng lượng Quan hệ khái niệm lượng cho Hình 1.1 • Theo khả iái sinh lượng la thường gặp khái niệm lượng tái tạo khơng tái tạo Ví dụ lượng mặt trời, nâng lượng gió, thủy năng, lượng địa nhiệt, nàng lượng sinh khối tái tạo; lượng từ dạng nhiên liệu hóa thạch củi, than đá, dầu mở, khí đốt khơng có khả tái tạo 1.2.2 Đơn vị cơng, công suất lượng Để biểu diễn công, công suất nàng lượng thường dùng số đơn vị: • Đơn vị cóng Joule (J): Joule cơng lực Newton làm di chuyển điểm đặt lực mét theo hướng tác dụng lực Joule dùng làm đơn vị đo lượng nhiệt • Đơn vị lượng nhiệt Calorie (cal.): cal nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ gam nước lên thêm °C Cử cal gần bàng 4,18 J • Đon vị BTU (British Thermal Unit): BTU đơn vị nhiệt hệ Anh nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ pound nước 60°F lên thêm °F Cứ BTU gần bàng 'Ẩ kcal KilôOat (kWh), lkWh = 3,6.106 J • Một sổ đơn vị lượng thương mại khác Tấn dầu tuông đưong TOE (Tonne of Oil Equivalent) quy định cho dầu có nhiệt trị 10 Gcal = 41,9 GJ Tấn than tương đương TCE (Tonne of Coal Equivalent) có nhiệt trị Gcal • Đơn vị cơng suất ốt - Watt (W): w đon vị công suất công 1J thực thời gian giây (1 w=u/s) Mã lực (cv = chevaux; hp = horsepower): lev - 736w 1.2.3 Hiệu suất trình biến đổi lượng Từ khâu khai thác đến khâu cuối cùng, nâng lượng truyền dẫn phải trải qua số trình biến đổi nối tiếp nhau, từ dạng sang dạng khác Trong trình truyền dẫn biến đổi, phần lượng không đến khâu cuối cùng, chúng bị mát tỏa môi trường dạng nhiệt Theo định luật bảo toàn lượng “Năng lượng khơng tự sinh ra, khơng tự biến mà biến đổi từ dạng sang dạng khác, truyền từ vật sang vật khác” Ví dụ, xét trình biến đổi lượng từ than thành điện nhà máy nhiệt điện sau: Hóa nâng (Than) => Nhiệt (Lị hoi) =>Cơ (Tuabin)^>Điện (M F điện) Năng lượng qua lò hơi, tua-bin, máy phát điện bị tổn thất, làm cho lượng đầu nhỏ lượng đầu vào Nếu ký hiệu Ev Biễn soạn: Tơn Ngọc Tõều - Lê Minh Phong GIẢO TRÌNH GIÁO DỤC sử DỤNG NÀNG LƯỢNG TIÉT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ thấy suất khí hàm lượng mêtan thu q trình sản xuất khí sinh học từ vài chất điển hình Các yêu tẻ ảnh hưởng đen hiệu suất q trình khí sinh học Q trình phân hủy sinh khối mơi trường kỵ khí thường chịu tác động yếu tố sau đây: • Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu khoảng 30-40 Neu nhiệt độ thấp 15 lượng khí giảm đáng kể • Độ pH: Độ pH dung dịch phân hủy hầm ủ tối ưu từ 7,0-7,2 Nếu độ pH giảm xuống 6,2 mơi trường có hại cho vi khuẩn tạo khí mêtan • Tỷ lệ C/N nhu cầu dinh dưỡng: số lượng vi khuẩn tham gia vào q trình phân hủy kỵ khí cần cung cấp chất dinh dường để sinh sản phát triển Mồi loại vi khuẩn đòi hỏi cácbon nitơ Nếu có q nitơ, vi khuẩn khơng thể tạo enzym cần thiết Nếu có nhiều nitơ đặc biệt dụng NH3 vi khuẩn khó phát triển Thông thường tỷ lệ C/N tốt nằm khoảng 20:1 30:1 Bảng 5.11 liệt kê tổng lượng chất rán, chất rắn dễ bay tỷ lệ C/N số vật liệu để sản xuất khí sinh học Biền soạn: Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong 11VJ uruiv 1JUVHU IL ILLL1V1 V A IUJJ.U ỤUA Bảng 5.12 Năng suất khí hàm lượng mêtan q trình sản xuất khí sinh học (thời gian phân hủy 10-20 ngày, 30°C) Chất Khí sản phẩm (1/kg) Phân súc vật Phân gia cầm Rơm Bèo Tảo Hàm lượng CH4 (% thể tích) 340-550 200-300 170-280 375 420-500 65-70 60 59 59 63 Bảng 5.12 cho tỷ lệ họp lý C/N phân súc vật sử dụng cho mục đích phân hủy mơi trường kỵ khí từ 10 đến 27 Đối với phế thải nông nghiệp tỷ lệ C/N thường cao Một số chất có hại cho vi khuẩn axit dễ bay hơi, ôxit lưu huỳnh kim loại nặng có nồng độ cao có hại cho vi khuẩn tạo mêtan Khoảng 60.000 hầm khí sinh học tích từ 3-30 mét khối xây dựng sản xuất khoảng 110 triệu mét khối khí/năm Một sổ loại hầm ủ khỉ sinh học: Hình 5.26 minh họa hàm ủ khí sinh học điển hình theo mẫụ Trung Quốc áp dụng rộng rãi Việt Nam Mơ hình có dạng buồng hình chỏm cầu phía trên, phía hầm ủ chất sinh khối, nắp đậy cố định Khí sinh lưu chứa phía dẫn vịi khí có van Mơ hình cách ly tốt với thay đổi thời tiết áp suất khí thay đổi Phía có phận nạp khuấy trộn nguyên liệu Quy mô hầm phụ thuộc vào số lượng chất thải hàng ngày cho vào hầm, thông thường tích từ vài mét khối đến hàng chục mét khối ?60 Bình trộn; Khoang phân huỷ; Khoang chứa khí; Chất thài 5.ống dẩn khí: Vât năne Hình 5.26 cấu tạo hầm ủ khí sinh học điển hình 5.5.3 Nhiên liệu cồn etanon Nhiên liệu cồn etanon sản xuất từ sinh khối có khả thay thê chât đốt cho động nổ lĩnh vực giao thông có tác dụng giảm thiêu khí thải co2 Trong nãm gần công nghiệp biến đổi sinh khôi thành etanon metanon dã có tiên vượt bậc Quá trình hóa đường Biên soạn: Tơn Ngọc Triều — Lê Minh Phong 149 GIÁO TRÌNH GIÁO DỤC sử DỤNG NÃNG LƯỢNG TĨÉT KIỆM VÀ HIỆU QUÁ lên men đồng thời để sản xuất etanon từ sinh khối công nghệ khỉ hóa sử dụng q trình sản xuất có chi phí cạnh tranh so với nhiên liệu dầu mỏ Đê sản xuất etanon sử dụng loại vật liệu sinh khối: • Nguyên liệu chứa đường mật mía, củ cải đường • Ngun liệu chứa tinh bột sắn, ngơ, khoai • Ngun liệu chứa xenlulơ gỗ củi, phế thải nơng nghiệp Quy trình săn xdất etanon từ mía đường, mật, ngơ hồn thiện • Etanon sản xuất từ sinh khối bàng phản ứng có xúc tác sinh học khác nhau, phụ thuộc vào nguyên liệu sử dụng Đối với nơng sản chứa đường mía, chiết xuất trực tiếp lên men thành etanol Đối với nông sản chúa tinh bột ngô, khoai, san tinh bột phân đoạn thành sản phẩm đường glucơ sau cho lên men để tạo etanon Tương tự axit enzym xenlulô làm xúc tác cho phản ứng phân đoạn xenlulơ thành glucơ Sau glucơ lên men để tạo etanon Bảng 5.13 cho sản lượng etanon sản xuất' từ số loại sinh khối Bảng 5.13 Sản lượng etanon sản xuất từ số loại sinh khối Ngun liệu Mía đường Mật Sắn Ngơ Gỗ Sản lượng sinh khối tấn/ha/nãm) Sản lượng etanon (lít/ha/năm) Sản lượng etanon (lit/tấn) 50,0 12,0 6,0 20,0 3500 2.160 2.220 3.200 70 280 180 370 160 Các công đoạn sản xuất etanon phương pháp lên men cho Hình 5.27 Hình 5.27 Các cơng đoạn sản xuất etanon bàng phương pháp lên men 5.6 Công nghệ thủy điện nhỏ 5.6.1 Khải niệm chung thủy điện nhỏ Thủy điện nhỏ hiểu cách không thống Đa số nước phân loại thủy điện nhỏ có cơng suất 10 MW, nhiên Canada phân loại thủy điện nhỏ có cơng suất 20 MW, Hoa Kỳ 30 MW Trong loại thủy điện nhỏ, thủy điện mini có cơng suất 500 kW, micro 100 kW, trạm pico có cơng suất kW Trung Quốc nước đứng đầu giới khai thác thủy điện nhỏ Các tỉnh miền núi phía Bắc, miền Trung, Tây Ngun miền Đơng Nam Bộ có tiềm nàng lớn thủy điện nhỏ với tổng công suất khoảng 1.600-2.000 MW nhi^Ti chưa phát triển sử dụng có hiệu Thủy diện nhỏ nguồn lượng có hiệu kinh tế cao, ý rộng rãi Biên soan: Tôn Keoc Triêu - Lê Mhíh 150 yuvi 1IL1 IXI in VI va nitu yUA tồn giới, đóng góp quan trọng cho cân lượng quốc gia 5.6.2 Công nghệ thủy điện nhỏ Dịng chảy có lưu lượng Q (m3 /s), độ chênh cột nước H (m), tỷ trọng nước p (kg/m3), ĩ] hiệu suất truyền động, tao nên cơng suất p tính bàng kW: P = 9,81/?7jQH (5.3) Hình 5.28 Mơ hình nhà máy thủy điện nhỏ - nhà máy thủy điện YaLy Tuy dựa nguyên lý làm việc chung nhà máy thủy điện biến đổi dòng chảy quay tuabin thành điện máy phát điện, nhiên so với nhà máy thủy điện lớn trạm thủy điện nhỏ khơng có u cầu cao cơng trình thủy cơng đập chán, hồ chứa, bể xả, khả điều tiết mức nước Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn đường ống tới tuabin thủy điện làm quay rôto tổ tuabin-máy phát điện, biến đổi thành điện Vì trạm thủy điện thường nằm xa phụ tải nên cần truyền tải điện qua máy biến áp tăng áp Cũng sừ dụng trực tiếp điện qua nạp ăcquy Các trạm cơng suất nhỏ (loại mini) khơng có đập chắn mà sử dụng kênh tưới tiêu để lấy nước Bảng 5.14 sau cho ta quan hệ công suất đặt máy phát theo lưu lượng chiều cao cột nước Bảng 5.14 Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước Công suất p (W) Chiều cao H (m) 10 300 500 600 800 1000 1200 1500 3-5 4-7 3-5 3-5 3-5 4-6 4-6 5-8 Lưu lượng Q (1/s) 10 15 ■ 20 25 30 Các ưu điểm trạm thủy điện nhỏ: • Là nguồn lượng tái tạo, sạch, khơng gây nhiễm, khơng phát khí thải độc hại • Khơng tốn nhiên liệu, chi phí vận hành bảo dưỡng thấp Biên soạn: Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong • 151 GIÁO TRÌNH GIÁO DỤC sử DỤNG NĂNG LƯỌNG TIÉT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ • Tuổi thọ cao, nhiều trạm vận hành nửa kỷ hoạt động tốt • Có khả tự động hóa cao, khả sẵn sàng hoạt động cao Tùy theo lưu lượng nước chiều cao cột nước cần chọn kiểu tuabin thích hợp để đạt hiệu suất cao Khi chiều cao cột nước lớn nên chọn tuabin Pelton (tuabin gáo), cột nước trung bình cột nước thấp chọn loại tuabin Francis 5.6.3 Nhà máy điện thủy triều Hình 5.29 Nhà máy điện thủy triều Rancẹ, CH Pháp Nãng lượng thủy triều sóng biển tạo vơ to lớn khó khai thác Có hai giải pháp sử dụng lượng thủy triều sóng biển: • Sử dụng độ chênh mức nước thủy triều ngày theo tháng để quay tuabin phát điện • điện Sử dụng động sóng dịng hải lưu quay tuabin-máy phát Nguyên lý làm việc nhà máy điện thủy triều sử dụng độ chênh mức thủy triều sau: Tại vị trí eo biển hẹp có độ chênh mức thủy triều lớn người ta xây đập chắn đặt tổ tuabin-máy phát điện Khi thủy triều lên nước biển qua đập chắn quay tua bin vào hồ chứa, thủy triều xuống nước từ hồ qua tuabin thoát biển Như hai chu trình nước biển vào, hồ chứa có khả quay tuabin phát điện Năng lượng thủy triều E tính bàng cơng thức: E = ^pAh2 (5.4) Trong A diện tích bể chứa, plà khối lượng riêng nước biển bàng 1025 kg/m3, h chiều cao thủy tĩnh Hình 5.30 Trạm phát điện sử dụng dịng hải lưu SeaGen, Bắc Alien Bìêĩỉ 80ậíỉỉ Tơn Ngọc Triều - Lê Minh Phong 152 • - , ■ - vnv 111^1 V A Ill TAJ yu A Nhà máy điện thủy triều quy mô công nghiệp nằm cửa sông Rance, thuộc miền Bretagne phía đơng nước Pháp đổ vào biển Manche, Hình 5.29 Eo biển tạo nên hồ chứa rộng 22 km2 độ chênh nước thủy triều cực đại 10 m Ngày 28-10-1968 khánh thành nhà máy điện thủy triều gồm 24 tồ máy với công suât tổ máy 10 MW, tốc độ quay 93,75 v/ph Máy phát đồng kích từ tĩnh, điện áp định mức 3500 V Phần đập cố định dài 160 m đập di dộng dài 115 m, rộng 53 m Khối lượng bê tông 35.000 m3, 16.000 thép Nhà máy làm việc hồn tồn tự động máy tính PDP điều khiển, có tính đến chu trình nước biển, sẵn sàng hoạt động thiết bị Vào thấp điểm hệ thống người ta sử dụng bom để hỗ trợ tích nước hồ chứa Sản lượng điện bình quân năm 600 GWh tương đương công suất trung bình 68 MW Nhà máy điện thủy triêu Annapolis Royal, vịnh Fundy Canada công suất 18 MW, độ chênh mức nước thủy triều 17 m Nga có nhà máy điện thủy triều Vislaya Guba 12 MW Do giá đầu tư lớn nên nhà máy điện thủy triều phát triển Trong nhà máy sử dụng động sóng biển dịng hải lưu, cơng suất p (kW) tính bằng: (5.5) Trong hiệu suất tuabin, plà tỷ trọng nước biển bàng 1025 kg/m3, A diện tích cánh tuabin, V vận tốc dịng chảy (m/s) Năm 2008 nhà máy thủy điện sừ dụng dịng hải lưu SeaGen Bắc Alien có cơng suất 1,2 MW đưa vào vận hành Hhình 5.30) Hình 5.31 Nhà máy điện thủy triều điển hình 5.7 Nguồn lượng ÍL ng lai 5.7.1 Nguyên ỉý nhà máy điện nhiệt hạch Ta biết ràng phản ứng dây chuyền phân tách hạt nhân Uranium lò phản ứng hạt nhân tạo nên nguồn lượng vô to lớn, nhiên phản ứng kêt hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) cịn tạo ngn lượng to lớn nhiều Biên soạn: Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong 153 GIÁO TRÌNH GIÁO DỤC sử DỤNG NẤNG LƯỢNG TĨÉT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ Deuterium (\H) Tritinium () gọi nước nặng hai đồng vị hiđô kết hợp với tạo nên hạt Hêli (ịHe gọi hạt alpha), nơtron lượng cao giải phóng lương vơ to lớn 17,6 MeV theo phương trình: \H+\H^2He+ỵữn +1 7,6Me V (5.6) Vì hạt nhân có điện tích dương, để kết hợp lại với cần giảm khoảng cách chúng xuống khoảng femto mét (10'15m), lực đẩy tính điện chúng tỷ lệ nghịch với khoảng cách lớn nên đòi hỏi phải tạo nên nhiệt độ cao, vào khoảng vài chục triệu độ c Mặt trời cầu lửa khổng lồ phản ứng nhiệt hạch lịng vào khoảng trăm triệu độ c trì ổn định xạ lượng không gian xuống trái đất Chính mặt trời nguồn gốc sống trải đất Tiếc thay mật độ lượng mặt trời không gian không lớn bị phân tán việc thu sử dụng lượng mặt trời trái đất bị hạn chế Một câu hỏi đặt tạo nên mặt trời nhân tạo nhỏ trái đất để sinh lượng vô tận cho nhà máy điện khơng? Neu tốn lượng nhân loại giải ■ Hình 5.32 Nhà máy điện nhiệt hạch 5.7.2 TOKAMAK Là tên viết tẳt cụm từ tiếng Nga - buồng hình xuyến cuộn dây từ, nhà vật lý Xô viết Igor Yebgenyevich Tamm Andrei Sakharov thiết kế theo ý tường ban đầu Oleg Lavrentyeb sử dụng dòng plasma trì dạng hình xồn từ trường để tạo nên trạng thái cân bàng Từ sau chiến tranh giới lần thứ hai chạy đua hạt nhân Mỹ Liên Xô việc nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch đẩy mạnh Năm 1956 Viện Kurchatov Moskva xây dựng Tokamak đầu tiên, kết mẫu T-3, T-4 thử nghiệm vào năm 1968 Novosimbirsk, lần đạt phản ứng nhiệt hạch gần ổn định Năm 1968 hội nghị IAEA phía Liên Xơ thơng báo họ chế tạo thiết bị Tokamak 1000 eV Các ion, điện tử tâm nhiệt hạch plasma có nhiệt độ cao tốc độ lớn Đê trì q tíkìh kêt hợp hạt nhân hạt mang điện từ trường chịu lực Lorentz theo đưịĩìg xoắn ốc dọc theo đường sức từ trường Các hạt có Bỉền soạn: Tốn Ngọc 'I rỉềỉi - Lê Minh Phong 154 ưu i/ynguanu LUỢNG 11ET KIẸM VA HIỆU QUA thê tạo nên lớp song song từ trường Đe trì nhiệt độ cao cho phản ứng nhiệt hạch cần phải bổ sung lượng gia nhiệt cho plasma cách: • Gia nhiệt điện: Vì plasma chất dẫn điện nên sử dụng phương pháp đốt nóng cảm ứng Dịng điện cảm ứng qua cuộn thứ cấp máy biến áp Vì Tokamak hoạt động chu kỳ ngắn, đốt nóng điện trở phụ thuộc vào tích RI2 Tuy nhiên nhiệt độ cao điện trở plasma suy giảm đáng kể nên đốt nóng điện trở khơng thể tăng nhiệt đáng kể cần sử dụng phương pháp gia nhiệt khác • Gia nhiệt chùm natron: nguyên tử bị ion hoá bị bẫy từ trường ion lượng cao chuyển phần lượng tới hạt plasma va chạm lặp lại • Gia nhiệt nén từ: Plasma thể khí bị đốt nóng nén đột ngột Trong Tokamak việc nén thực đơn giản cách di chuyển plasma vùng có từ trường cao • Gia nhiệt cao tần ống cao tần 84 GHz 118 GHz dao động tần sổ cao Gyrotron Klystron đặt bên ngồi hình xuyến Nhiều kỹ thuật đốt nóng cộng hưởng cylotron thực Hình 5.33 Nguyên lý TOKAMAK Dù có nhiều cải tiến Tokamak Nga, Mỹ, EU, Nhật tạo nên phản ứng nhiệt hạch ổn định giây cách tiêu thụ lượng nguồn mà chưa phát lượng, tốn tạo nên nguồn lượng nhiệt hạch có điều khiển bị bỏ ngỏ 5.7.3 ITER Là tên viêt tăt cụm từ (International Thermonuclear Experimental Reactor) - Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế Người ta tránh nói đến lị phản ứng nhiệt hạch sợ phản đối dư luận với vũ khí nhiệt hạch Dự án quốc tế ký kết vào ngày 21-11-2006 gồm bên tham gia: EU, Hoa Kỳ, Nga, Trung Quốc, Hàn quốc, Canada Biên soạn: Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong 155 GIÁO TRINH GIÁO DỤC sứ DỤNG NÂNG LƯỢNG TIÉT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ Hình 5.34 Lị phản ứng nhiệt hạch kiểu ITER Các mục tiêu dự án là: • Tạo nên lượng nhiệt gấp 10 lần lượng cung cấp; • Duy trì dịng plasma ổn định vịng phút buồng phản ứng nhiệt hạch tích 840 m3; • Phát triển cơng nghệ q trình cần thiết cho nhà máy điện nhiệt hạch có mạch từ nam châm siêu dẫn điều khiển xa rơbơt Q trình kết hợp Deuterium Tritium với 0,5 gam nhiên liệu giải phóng lượng gấp lần Uranium 235 gấp triệu lần lượng giải phóng đốt than Đây bước tiến quan trọng việc xây dựng mặt trời nhỏ trái đất Công nghệ không gây hiệu ứng nhà kính, hồn tồn khơng có khí thải độc hại chất thải phóng xạ phải xử lý Nguồn nước nặng Deuterium Trititum có nước biển vô tận trái đất.Thành công dự án nhân loại làm chủ công nghệ nhiệt hạch vào mục đích hịa bình có bước tiến vững chác việc tạo nên nguồn lượng vô to lớn cho năm kỷ 21 tưong lai lâu dài Con người khơng cịn lo lắng nguồn lượng chế tạo khống che nhiều mặt trời nhỏ trái đất Hình 5.23 mơ hình lị phản ứng nhiệt hạch mục đích hịa bình ITER Biên soan: Tơn Nífoc Triêư - Lê Minh Phong 156 ựnu Hrtnu Ị.tụ.ìi.1 Iir.1 IVIẸ1V1 VA nitu yt)A Nucíeac Steam Supply System v»í Hình 5.35 Mơ hình lị phản ứng nhiệt hạch mục đích hịa bình Biên soạn: Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong 157 GIÁO TRĨNH GIÁO DỤC sử DỤNG NẤNG LƯỢNG TIỀT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ Câu hỏi tập ôn tập chương Câu hỏi 1: Vai trò lượng tái tạo tương lai? Câu hỏi 2: Các giải pháp sử dụng lượng mặt trời? Câu hỏi 3: Các giải pháp sử dụng lượng gió? Câu hỏi 4: Các giải pháp sử dụng lượng địa nhiệt? Câu hỏi 5: Các giài pháp sử dụng lượng sinh khối? Câu hỏi 6: Các giải pháp sử dụng lượng thuỳ điện nhỏ thuỷ triều? Câu hỏi 7: Sự cần thiết phải sử dụng lượng tái tạo, giới thiệu số loại điển hình? Câu hỏi 8: Nêu quy trình sản xuất lượng sinh khối? Bài tập 5.1 Tính cơng suất dàn PV đặt Hà Nội để cung cấp cho tải có nhu cầu E = 2000 Wh/ngày Biết xạ mặt trời trung bình ngày Tp HCM Biết ràng I = 3000 Wh/m ngày Hiệu suất tổng hệ PV, nạp ăcquy TỊ-0,75 Bài tập 5.2 Tính cơng suất đặt tram thủy điện nhỏ có độ chênh mức nước AH=10 m, tỷ trọng nước p= 0,001kg/m3 lưu lượng dòng chảy dòng chảy Q=15m3/s Hiệu suất truyền động T] - 0,9 Bài tập 5.3 Tính cơng suất p tuabin gió có sải cánh rơto r = 30m, tỷ trọng khơng khí p = 1,22 kg/m3, hiệu suất tuabin ĨỊ = 0,45 địa điểm có tốc độ gió v=4,15 m/s Bài tập 5.4 Tính cơng st p tuabin gió có sải cánh rơto r = 10m, tỷ trọng khơng khí p =1,22 kg/m ’, hiệu suất tuabin 77 = 0,45 địa điểm có tốc độ gió V = 5,5 m/s u èn snanỉ TẴt» Nienr Trìpss — ĩ ỉ Mirth PhếiMíỉ' 158 Lê Vân Doanh (chủ biên), Phạm Văn Bình, Phạm Hùng Phi, Trần văn Tớp, Nguyễn Xuân Hoàng Việt 2010 Sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Trường đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội Việt Nam Trần Đình Long 1999 Quy hoạch phát triển lượng điện lực NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam Nguyễn Đình Hiệp 2008 Hiện trạng chiến lược lượng Việt Nam, Tài liệu hội thảo lượng Tp Hồ Chỉ Minh Việt Nam ■ Trương Việt Anh, Tôn Ngọc Triều 2010 Chuyên đề Cung cấp điện Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Việt Nam Tài liệu Hội thảo khoa học Chiếu sáng tiết kiệm hiệu Hội chiếu sáng Việt nam tổ chức 2005 - 2009 Việt Nam Bùi Hải tác giả 2005 Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy 2006 Giảo trình điều hịa khơng khí, NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam Nguyễn Văn May 2007 Giáo trĩnh kỹ thuật sẩy nông sản thực phẩm NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam Đỗ Văn Thang, Trương Ngọc Tuấn 2007 Lị cơng nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam 10 Đặng văn Đào- Lê Văn Doanh 2000 Kỹ thuật điện NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam 11 Phạm Văn Bình- Lê văn Doanh 2003 Mảy biển áp: Lý thuyết-Vận hành- Bảo dưỡng- Thử nghiệm NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam 12 Lê Văn Doanh (chủ biên) 2008 Kỹ thuật chiếu sảng tiết kiệm hiệu quả, NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam 13 Lê Văn Doanh (chủ biên) 2006 Bảo dưỡng thử nghiệm thiết bị Hệ thống điện NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam 14 Trịnh Hùng Thám tác giả 2000 Phần điện nhà mảy điện trạm biển áp NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam 15 Đặng Đình Thống - Lê Danh Liên 2006 Cơ sở lượng tải tạo NXB Khoa học Kỹ thuật Việt Nam 16 IEA Publication 2000-2009 17 Tài liệu đào tạo biến tần Schneider electric Việt Nam CÁC TỪ VIÉT TẮT í IEC: ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IAEA: ủy ban lượng nguyên từ quốc tế BTU: Đơn vị nhiệt lượng Anh cv, HP: Mã lực TOE: Tấn dầu tương đương TCE: Tấn than tương đương MBA: Máy biến áp HTĐ: Hệ thống điện DSM: Quản lý nhu cầu điện TPM: Bảo dưỡng sản xuất tổng thể TQM: Quản lý chất lượng tổng thể ITER: Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế TOKAMAK: Buồng hình xuyến bên có cuộn dây từ ... chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, Bộ Giáo dục Đào tạo chủ trì dự án đưa giáo dục sử dụng lượng tiết kiệm hiệu vào nhà trường để góp phần giáo dục tuyên truyền việc sử. .. kiệm lượng Việt Nam Để thực việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu nhà nước xây dựng loạt vãn có tính chất pháp quy sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả: Cap nhà nước: • Luật sử dụng lượng tiết kiệm hiệu. .. sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Hình 1.9 Hội thảo tuyên truyền sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Tp HCM Biên soạn: Tôn Ngọc Triều - Lê Minh Phong 31 GIÁO TRÌNH GIÁO DỤC sử DỤNG NÃNG LƯỢNG TIÉT KIỆM VÀ