Kohn lưu ý rằng ông rất ấn tượng với việc các sinh viên trong Trường ông đã góp chungmột quỹ tập thể để trang bị các pin mặt trời cung cấp toàn bộ điện cho khu nhà thi đấu: “Khi những ng
Trang 2Mục lục
- -Phần A: Tổng quan trang 3
I Đặt vấn đề trang 3
II Nguồn năng lượng gió trang 5
III Nguồn năng lượng mặt trời trang 8
IV Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời trang 11
V Bộ điều khiển hỗn hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời trang 12
VI Các bước cài đặt hệ thống trang 12
Phần B: Các ví dụ hệ thống phát điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời trang 17
I Máy phát điện SOLAR WIND trang 17
II Máy phát điện SOLAIR trang 21
III Máy phát điện FLOW trang 23
Nguồn trang 25
Trang 3A TỔNG QUAN
I Đặt vấn đề
Kỷ nguyên mới: Năng lượng chủ yếu là gió và mặt trời?
“Những nghiên cứu và phát triển liên tục các nguồn năng lượng thay thế sẽ nhanh
chóng thúc đẩy sự xuất hiện một kỷ nguyên mới trong Lịch sử loài người, trong đó hai
nguồn điện tái sinh là điện gió và điện mặt trời sẽ đóng góp áp đảo trong ngành năng
lượng” Một nhà khoa học đã từng được giải Nobel đã nói như vậy tại Hội nghị lần thứ
240 của Hội Hoá học Mỹ”
Tiến sĩ Walter Kohn, người được trao giải Nobel Hoá học năm 1998 và đang làm việc tạiTrường ĐH California, phân hiệu tại Santa Barbara, đã lưu ý rằng dầu mỏ và khí thiênnhiên, hiện nay vẫn đang cung cấp khoảng 60% tổng năng lượng toàn cầu và được dựđoán là từ nay cho đến 10 – 30 năm sau vẫn chiếm một tỷ trọng cao nhất Sau đó, hainguồn nhiên liệu này sẽ giảm tỷ lệ một cách nhanh chóng
Nguồn năng lượng được sử dụng chủ yếu trong thời gian tới sẽ là mặt trời…
(Ảnh: Internet).
Nobel gia Walter Kohn nhận định: “Khuynh hướng này đã tạo ra hai thách thức toàn cầu
chưa từng có tiền lệ Một là nó đe doạ sự thiếu hụt năng lượng trên quy mô toàn thế giới Hai là nó tạo ra nguy cơ không thể chấp nhận được là sự nóng lên toàn cầu và những hậu quả của nó”.
Trang 4Ông chỉ ra rằng các thách thức đó đòi hỏi phả i tìm ra nhiều giải pháp khác nhau mà theo
ông: “Giải pháp tốt nhất là tiếp tục áp dụng những tiến bộ khoa học và kỹ thuật cung cấp
các nguồn năng lượng thay thế phong phú, an toàn, sạch và không thải cácbon Vì những thách thức đó mang tính toàn cầu, nên công tác khoa học và công nghệ phải huy động được sự hợp tác quốc tế ở mức tối đa và bắt đầu ngay lập tức ”.
Trong thập kỷ qua, sản lượng điện mặt trời tăng 90% và phong điện tăng 10% TS Kohl
hy vọng hai nguồn năng lượng vô tận này sẽ tiếp tục tăng mạnh t rong thập kỷ tới và sau
đó nữa để đưa nhân loại bước vào một kỷ nguyên mới trong lịch sử, trong đó năng lượngmặt trời và năng lượng gió chiếm vị trí chủ đạo Một vấn đề quan trọng khác, có ý nghĩakhông kém nhưng còn ít được quan tâm là cần giảm việc tiêu thụ điện tính theo đầungười tại các nước phát triển Ông nói:
… và gió (Ảnh: Internet).
"Một tấm gương rất tiêu cực là tiêu thụ xăng dầu ở Mỹ cao hơn mức trung bình của thế
giới đến 5 lần” – ông nói – “Thật không thể hiểu được, các nước kém phát triể n lại đặt mục tiêu đưa mức sống lên ngang bằng những nước đã phát triển cao theo mô hình sẵn
có mà lẽ ra họ phải tìm mọi cách để ổn định dân số đang tăng lên nhanh chóng của mình”.
Kohn lưu ý rằng ông rất ấn tượng với việc các sinh viên trong Trường ông đã góp chungmột quỹ tập thể để trang bị các pin mặt trời cung cấp toàn bộ điện cho khu nhà thi đấu:
“Khi những người trẻ tuổi đã chủ động đứng ra giải quyết những vấn đề năng lượng và
nóng lên toàn cầu thì đó quả là điều kỳ diệu Đó là một sự cam kết xã hội đầy ý nghĩa trong thời đại của chúng ta”.
Trang 5II Nguồn năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất.
Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời Sử dụng năng lượnggió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên và đã đượcbiết đến từ thời kỳ Cổ đại
Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển,nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bịche khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ởcác vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vìthế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khígiữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròncũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì t rục quay của Trái Đất nghiêng đi (sovới mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạothành các dòng không khí theo mùa
Trang 6Bản đồ vận tốc gió theo mùa
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đấtnên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạothành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếunhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược vớichiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam báncầu thì chi ều hướng ngược lại
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địaphương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơnnước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vàoban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại
Vật lý học về năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc Khối lượng điqua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian là:
với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt nganghình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t
Vì thế động năng E (kin) và công suất P của gió là:
Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốcgió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió
Công suất gió có thể được sử dụng, thí dụ như thông qua một tuốc bin gió để phát điện,nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốcbin không thể giảm xuống bằng không Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% nănglượng tồn tại trong luồng gió Trị giá của tỷ lệ giữa công suất lấy ra được từ gió và côngsuất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz (xem Định luật Betz), do Albert Betz tìm ravào năm 1926
Trang 7Có thể giải thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió,gió sẽ chậm lại Nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra một tuốc bin gióphải không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắtngang Chính vì lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quaythông qua một tuốc bin gió là điều không thể được Trường hợp này đồng nghĩa với việc
là lượng không khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng yên
Sử dụng năng lượng gió
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay.Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyềnbuồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió cònđược sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xaygió
Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hìnhthành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện.Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổinhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thànhnăng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuấtnăng lượng điện Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tụcphát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của cáccánh quạt cũng được chế tạo đặc bi ệt hơn Ngày nayngười ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay giókhông còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bịnghiền Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sảnxuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc pháttriển các tuốc bin gió hiện đại
Sản xuất điện từ năng lượng gió
Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc b in gió chỉ có thểđược sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liêntục Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sảnxuất điện có thể được điều hòa một phần Một khả năng khác là sử dụng các nhà máyphát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vậnhành tuốc bin khi không đủ gió Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tácđộng lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao
Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm
và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban
Trang 8ngày Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnhcủa mạng lưới và nhu cầu dùng điện
Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió Cánh quạt gió sẽ đượctruyền động trực tiếp để quay máy nén khí Động năng của gió được tích lũy vào hệthống nhiều bình khí nén Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tựphun vào các turbine để quay máy phát điện Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sửdụng ổn định hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào b ình, và người
ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí nén từ bình phun ra), hệ thống cácbình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí luân phiên để đảm bảo sự liên tục cung cấp nănglượng quay máy phát điện (khi 1 bình đang xả khí quay máy phát điện t hì các bình khác
sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào)
Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thảicác chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn nănglượng rẻ tiền nhất
III Nguồn năng lượng Mặt Trời
Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt
trời, đã được khai thác bởi con người từ thời cổ đạibằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triểnhơn bao giờ hết Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyênthứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sứcsóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết nănglượng tái tạo có sẵn trên trái đất Chỉ có một phần rấtnhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng
Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện Sử dụng nănglượng mặt trời chỉ bị giới hạn bởi sự k héo léo của con người Một phần danh sách cácứng dụng năng lượng mặt trời sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc nănglượng mặt trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng , chiếu sáng bằng ánh sáng banngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời, và quá trình nhiệt độcao nhiệt cho công nghiệp purposes Để thu năng lượng mặt trời, cách phổ biến nhất là sửdụng tấm năng lượng mặt trời
Công nghệ năng lượng mặt trời được mô tả rộng rãi như là hoặc năng lượng mặt trời thụđộng hoặc năng lượng mặt trời hoạt động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi
và phân phối năng lượng mặt trời Kỹ thuật năng lượng mặt trời hoạt động bao gồm việc
sử dụng các tấm quang điện và năng lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lượng Kỹthuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm các định hướng một tòa nhà về phía Mặt
Trang 9trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc tài sản ánh sáng phân tán, vàthiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên.
Năng lượng từ mặt trời
Khoảng một nửa số năng lượng mặt trời đến đạt đến bềmặt của trái đất
Trái đất nhận được 174 petawatts (PW) của bức xạ mặttrời đến (sự phơi nắng ) ở phía trên không khí Khoảng30% được phản xạ trở lại không gian trong khi phầncòn lại được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương vàvùng đất phổ của ánh sáng năng lượng mặt trời ở bềmặt của trái đất là chủ yếu lây lan qua nhìn thấy được
và cận hồng ngoại phạm vi với một vai nhỏ trong các cận tử ngoại
Bề mặt Trái đất, biển và bầu không khí hấp thụ bức xạ mặt trời, và điều này làm tăngnhiệt độ của chúng Không khí ấm có chứa nước bốc hơi từ các đại dương tăng lên, gây
ra lưu thông khí quyển hoặc đối lưu Khi không khí đạt đến một độ cao, nơi nhiệt độ thấp,hơi nước ngưng tụ thành mây, mưa lên trên bề mặt của trái đất, hoàn thành chu kỳ nước [[Tiềm ẩn nhiệt ngưng tụ nước khuếch đại đối lưu, sản xuất các hiện tượng khí quyển nhưgió, cơn bão và chống cơn bão s Ánh sáng mặt trời bị hấp thụ bởi các đại dương và cácvùng đất giữ bề mặt ở nhiệt độ trung bình là 14 ° C Bằng cách quang hợp cây xanhchuyển đổi năng lượng mặt trời vào năng lượng hóa học, trong đó sản xuất thực phẩm, gỗ
và sinh khối từ nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch
Yearly Solar fluxes & Human Energy
Trang 10năm sản lượng 3.850.000 EJ -> Trong năm 2002, đây là năng lượng trong một giờ so vớithế giới được sử dụng trong một năm
Đèn năng lượng mặt trời có tính phí trong ngày và ánh sáng vào lúc hoàng hôn là mộtcảnh tượng phổ biến dọc theo lối đi
Mặc dù ánh sáng ban ngày tiết kiệm thời gian quảng cáo là một cách để sử dụng ánh sángmặt trời để tiết kiệm năng lượng, nghiên cứu gần đây đã được hạn chế và báo cáo kết quảtrái ngược nhau: một số nghiên cứu báo cáo tiết kiệm, nhưng cũng giống như nhiều chothấy không có hiệu lực hoặc thậm chí bị lỗ, đặc biệt là khi xăng tiêu thụ được đưa vào tàikhoản Sử dụng điện bị ảnh hưởng rất nhiều bởi khí hậu, địa lý và kinh tế, làm cho nó khó
có thể khái quát từ các nghiên cứu đơn lẻ
ấm mặt trời Các loại phổ biến nhất của máy nước nóngnăng lượng mặt trời được sơ tán thu ống (44%) và thugom tấm kính phẳng (34%) thường được sử dụng nướcnóng trong nước; và các nhà sưu tập không tráng nhựa(21%) sử dụng chủ yếu để làm nóng bể bơi
Đến năm 2007, tổng công suất lắp đặt của các hệ thốngnước nóng năng lượng mặt trời là khoảng 154 GW Trung Quốc là nhà lãnh đạo thế giớitrong việc triển khai của họ với 70 GW đã được cài
đặt năm 2006 và mục tiêu dài hạn của 210 GW vào
năm 2020 Israel và Síp là các nhà lãnh đạo bình
quân đầu người trong việc sử dụng các hệ thống
nước nóng năng lượng mặt trời với hơn 90% hộ gia
đình sử dụng chúng Tại Hoa Kỳ, Canada và Úc làm
nóng bể bơi là ứng dụng ưu thế của nước nóng năng
lượng mặt trời với công suất lắp đặt 18 GW vào năm
2005
Trang 11Hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió
Tại Hoa Kỳ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) chiếm 30%(4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại và gần 50% (10,1 EJ)năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư Công nghệ sưởi ấm, làm mát và thông giónăng lượng mặt trời có thể được sử dụng để bù đắp một phần năng lượng này
Nhiệt khối là vật liệu bất kỳ có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ Mặt trời trongtrường hợp của năng lượng mặt trời Các vật liệu nhiệt khối phổ biến bao gồm đá, ximăng và nước Chúng đã được sử dụng trong lịch sử ở vùng khí hậu khô hạn và khu vực
ôn đới ấm để giữ mát các tòa nhà bằng cách hấp thụ năng lượng mặt trời vào ban ngày vàbức xạ nhiệt đã lưu trữ để không khí mát vào ban đêm Tuy nhiên, chúng cũng có thểđược sử dụng trong khu vực ôn đới lạnh để duy trì sự ấm áp Kích thước và vị t rí củanhiệt khối phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện khí hậu, chiếu sáng bằng ánh sángngày và bóng râm Khi kết hợp đúng cách, nhiệt khối duy trì nhiệt độ không gian trongmột phạm vi thoải mái và làm giảm sự cần thiết để sưởi ấm phụ trợ và thiết bị làm mát
Một ống khói năng lượng mặt trời (hoặc ống khói nhiệt, trong bối cảnh này) là một hệthống thông gió năng lượng mặt trời thụ động bao gồm một trục thẳng đứng kết nối nộithất và ngoại thất của một tòa nhà Do sự nóng lên của ống khói, không khí bên trongđược đun nóng gây ra một updraft kéo không khí thông qua tòa nhà Hiệu suất có thểđược cải thiện bằng cách sử dụng kính và vật liệu nhiệt khối theo cách bắt chước nhàkính
Rụng lá cây và thực vật đã được phát huy như một phương tiện để kiể m soát năng lượngmặt trời sưởi ấm và làm mát Khi trồng ở phía nam của một tòa nhà, lá của chúng cungcấp bóng mát trong mùa hè, trong khi các cành trụi lá cho phép ánh sáng đi trong mùađông Kể từ trần, cây trụi lá tạo bóng râm 1/3 đến 1/2 của bức xạ mặt trời, có một sự cânbằng giữa lợi ích của bóng mát mùa hè và mất mát tương ứng của sưởi ấm mùa đông.Trong khí hậu với tải làm nóng đáng kể, cây rụng lá không nên được trồng ở phía namcủa một tòa nhà bởi vì chúng sẽ can thiệp với tính có sẵn năng lượng mặt trời mùa đông.Tuy nhiên, chúng có thể được sử dụng ở phía đông và phía tây để cung cấp một mức độbóng mát mùa hè mà không làm ảnh hưởng đến tăng năng lượng mặt trời mùa đông
IV Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời
Một máy phát điện tua bin gió lai năng lượng mặt trời là một giải pháp thay thế nguồnnăng lượng đáng tin cậy Nó sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió đểtạo ra một nguồn năng lượng độc lập mà là cả hai đáng tin cậy và nhất quán Năng lượngmặt trời và năng lượng gió là hai trong số những nguồn năng lượng có trữ lượng lớn nhấttrên hành tinh Cả hai đều là những nguồn năng lượng tái tạo dồi dào quanh năm ở tất cảcác lĩnh vực
Trang 12Trong khi năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió sự dụng một mình có thể biến độngnhưng khi được sử dụng chung với nhau nó cung cấp một nguồn năng lượng đáng tincậy Ở nhiều khu vực, khi mặt trời mạnh nhất là lúc tốc độ gió thấp và ngược lại khi tốc
độ gió cao nhất là ánh nắng mặt trời là yếu nhất (vào mùa đông) Giải pháp hoàn hảo làkết hợp hai nguồn năng lượng để tạo ra một dòng chảy năng lượng không đổi Hệ thốnghybrid này cân bằng các biến động về năng lượng để cung cấp cho một dòng chảy nănglượng ổn định cao hơn
Máy phát điện tua bin gió lai năng lượng mặt trời sử dụng tấm pin mặt trời thu ánh sáng
và chuyển đổi nó thành năng lượng cùng với các tua-bin gió thu thập năng lượng từ gió
Bộ điều khiển phụ trách việc sạc năng lượng trước khi nó được lưu trữ trong các ngânhàng pin Một biến tần, nằm trong ngân hàng pin, thay đổi dòng điện từ DC đến AC AC,hoặc xen kẽ hiện nay, là loại năng lượng được sử dụng trong hầu hết các gia đình và cácdoanh nghiệp
Lai năng lượng mặt trời máy phát điện tua bin gió cung cấp điện chi phí thấp Điện làđáng tin cậy bởi vì nó kết hợp năng lượng mặt trời và gió Các chi phí hoạt động thấp sovới các nguồn không tái tạo Việc sử dụng hai nguồn năng lượng mặt trời và gió - cùngnhau giúp cho việc cung cấp cho một nguồn năng lượng ổn định cho pin
V Bộ Điều Khiển Hỗn Hợp Năng lượng gió và năng lượng mặt trời
Mô tả chung về bộ điều khiển hỗn hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời
Bộ điều khiển hỗn hợp năng lượng gió
và năng lượng mặt trời cao cấp đượcđặc biệt thiết kế cho hệ thống hỗn hợpnăng lượng mặt trời/năng lượng gió quy
mô nhỏ đầu trên, phù hợp với hệ thốngđèn đường hỗn hợp năng lượng gió vànăng lượng mặt trời và phù hợp với hệthống kiểm soát hỗn hợp năng lượng gió
và năng lượng mặt trời Nó cũng điềukhiển máy phát điện gió và pin mặt trời
để sạc vào ắc quy một cách an toàn vàhiệu quả
Bộ điều khiển hỗn hợp năng lượng mặttrời và năng lượng gió cao cấp là thành