MỤC LỤCChương 1: GIỚI THIỆU11.1: Đặt vần đề11.2Phương pháp nghiên cứu31.3Nội dung đề tài3Chương 2: PSIM42.1: Khái quát về Psim42.2.Giới thiệu Tool => Renewble Energy6CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI143.1: Khái quát về năng lượng sing khối143.2: Điện năng từ năng lượng sinh khối233.3: Khí sinh học Biogas263.3.1: Khái niệm263.3.2: Quy trình tạo ra khí sinh học263.3.3: Các loại hầm Biogas phổ biến ở Việt Nam29CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG334.1: Sơ đồ khối334.2: Hệ thống sản xuất khí Biogas334.3: Thiết kế hệ thống lọc:344.3.1: Thiết kế hệ thống lọc H2S344.3.2 Thiết kế hệ thống lọc CO236Chương 5: KẾT LUẬN40
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, kinh tế nước ta đà phát triển mạnh mẽ, đời sống người dân ngày nâng cao Đây hội thách thức cho ngành điện với việc phát triển điện năng, phục vụ nhu cầu xã hội Hệ thống phát điện Biogas đời khẳng định vai trò tầm quan trọng việc phát triển xã hội, nâng cao đời sống nhân dân nông thôn, giảm thiểu chất thải ảnh hưởng đến mơi trường Vì đòi hỏi phải phát triển hệ thống phát điện Biogas để tối ưu hóa hiệu suất phát điện giá thành để tiếp cận gần với bà chăn nuôi nông thôn, vùng xâu, vùng xa Môn học “Năng Lượng Tái Tạo” kết thúc em tích luỹ thêm vốn kiến thức định loại lượng tái tạo Được đồng ý thầy, em giao đề tài tiểu luận: “Thiết kế hệ thống phát điện dùng Biogas” Bài tiểu luận em gồm năm chương: Chương 1: GIỚI THIỆU Chương 2: PSIM Chương 3: NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Chương 5: KẾT LUẬN Bằng cố gắng nỗ lực thân đặc biệt giúp đỡ tận tình, chu đáo GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành, em hoàn thành tiểu luận thời hạn Do thời gian làm tiểu luận có hạn trình độ em nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn sinh viên để tiểu luận hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn GVHD ThS Nguyễn Bá Thành tạo điều kiện giúp đỡ em thời gian qua MỤC LỤC Bình Dương ngày 25 tháng 10 năm 2017 Sinh viên thực Lê Văn Anh MỤC LỤC HÌNH Chương Chương MỤC LỤC BẢNG Chương Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1: Đặt vần đề Trong nghiệp phát triển kinh tế - xã hội nông thôn, miền núi vùng sâu, vùng xa hải đảo, điện có vai trò quan trọng nhân tố thúc đẩy sản xuất kinh doanh, nâng cao đời sống tinh thần vật chất người dân Nhưng kinh tế nước ta yếu kém, nhà Nước chưa đủ kinh phí để hỗ trợ đưa điện đến hộ dân nơi đây, có điện mà đến với người dân yếu, địa điểm thường cách xa khu vực tập trung lưới điện nên trình truyền tải điện ổn định vùng trung tâm khó tốn kém.Chính lẽ nên hộ gia đình nông thôn, miền núi vùng sâu, vùng xa hải đảo tự phát điện cho hộ gia đình mình, góp phần ổn định nhu cầu dùng điện góp phần giảm bớt kinh phí đầu tư lưới điện cho nhà Nước, nâng cao chất lượng đời sống người dân nơi Nông thôn, miền núi vùng sâu, vùng xa hải đảo làm giấy lên lo ngại vấn đề môi trường sống nông thôn lượng chất thải sinh khối lớn nơi phát triển chậm nên phương pháp để giải vấn nạn thơ sơ không cho hiệu cao Tài nguyên sinh khối xem nguồn lượng mới, có khả tái sinh thay cho nguồn nhiên liệu hóa thạch Đây nguồn tài nguyên đánh giá phát sinh lượng khí nhà kính thấp, nguồn tài ngun có trữ lượng sinh khối dồi Việt Nam với mạnh đất nước nông nghiệp, đa dạng loại sinh khối, điều kiện khí hậu thuận lợi để phát triển nhiều loại làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học Từ vấn để xem xét sơ qua ta thấy chúng khơng liên quan với nghiên cứu sâu ta giải vấn đề phương pháp tạo điện từ lượng sinh khối thải Vừa giải nhu cầu dùng điện người dân lại vừa giải vấn đề môi trường gần triệt nông thôn, miền núi vùng sâu, vùng xa, hải đảo Khảo sát tài liệu liên quan a Đề tài thứ - Tên đề tài: Đồ án nghiên cứu sử dụng khí Biogas để chạy động máy phát điện trại chăn nuôi - Người thực đề tài: SV - Đặng Hữu Thành GVHD - GS.TSKH Bùi Văn Ga Đại Học Bách khoa Đà Nẵng thực - Thời gian thực đề tài: 30/5/2007 - Nội dung đề tài: Nghiên cứu sử dụng khí Biogas chạy máy phát điện cỡ nhỏ Cải thiện hệ thống nhiên liệu động nguyên thủy sang sử dụng nhiên liệu Biogas cách thiết kế hệ thống cấp khí Biogas điện b Đề tài thứ hai - Tên đề tài: Khảo sát hoạt động máy phát điện công suất 2KVA sử dụng nhiên liệu Biogas ủ từ phân heo - Người thực đề tài: SV- Nguyễn Quốc Dũng GVHD - TS Dương Nguyên Khang Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh thực - Thời gian thực đề tài: 15/ 3/2007 – 21/8/2007 - Nội dung đề tài: tận dụng gas sinh từ phân heo lên men yếm khí để chạy máy phát điện loại kVA để sản xuất điện đáp ứng tình hình thiếu điện trầm trọng so sánh động chạy khí biogas xăng ba mức tải nhỏ, vừa cao lặp lại 10 lần lần cách ngày thời gian khảo sát c Đề tài thứ ba - Tên đề tài: Luận văn Nghiên cứu thiết kế máy phát điện chạy khí biogas - Người thực đề tài: SV – Kim Cường Minh Hoàng, GVHD – Ths Nguyễn Vũ Quỳnh Đại Học Lạc Hồng - Thời gian thực đề tài: 2006 - Nội dung đề tài: Thiết kế máy phát điện chạy khí biogas để tận dụng nguồn gas lại sau sử dụng cho việc đun nấu d Đề tài thứ tư - Tên đề tài: Sử dụng Biogas để chạy động diesel cỡ nhỏ - Người thực đề tài: GS-TSKH Bùi Văn Ga Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng - Thời gian thực đề tài: 2007 - Nội dung đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí Biogas động đốt đánh lữa cưỡng cỡ nhỏ 1.2 Phương pháp nghiên cứu - Đọc phân tích tài liệu - Mơ hình mơ 1.3 Nội dung đề tài - Giới thiệu lượng sinh khối - Thiết kế hệ thống - Sơ đồ mạch nguyên lý - Mô kết - Thi công - Kết luận Chương 2: PSIM 2.1: Khái quát Psim - Khái niệm PSIM: PSIM công cụ thiết kế, mô cho mạch điều khiển lĩnh vực điện tử cơng suất - Tính năng: PSIM bao gồm tính : thiết kế mạch (SIMCAD) , mô mạch (PSIM) , hiển thị dạng sóng (SIMVIEW) - Các phiên Psim: Tính đến thời điểm PSIM gồm 20 phiên Bảng 2.1: Phiên PSIM STT Tên phiên Năm phát hành Phiên ( 2015) 6.1 Trước năm 2006 Phiên (2006 - 2007) 7.0.5 Tháng năm 2006 7.1.2 Tháng năm 2007 Phiên (2008 - 2009) 8.0.1 Tháng năm 2008 8.0.7 Tháng 12 năm 2009 Phiên (2010 - 2014) 9.0.4 Tháng 11 năm 2010 9.1.1 Tháng năm 2011 9.1.3 Tháng 11 năm 2011 9.2.1 Tháng 11 năm 2012 10 9.3.1 Tháng năm 2013 11 9.3.2 Tháng năm 2013 12 9.3.3 Tháng năm 2014 13 9.3.4 30 tháng năm 2014 Phiên 10 (2015 - 2016) 14 10.0.3 tháng năm 2015 15 10.0.4 12 tháng năm 2015 16 10.0.5 20 tháng năm 2016 17 10.0.6 tháng năm 2016 Phiên 11 (2016 - ) 18 11.0.1 30 tháng 11 năm 2016 19 11.0.2 24 tháng năm 2017 20 11.0.3 15 tháng năm 2017 - Khả ứng dụng: + Cho phép mơ nhanh chóng với giao diện người dùng thân thiện + PSIM cần thiết cho mơ mức, thiết kế mạch vòng điều khiển nghiên cứu hệ thống điều khiển động - Công ty nhà sản xuất: Powersim Technologies Inc Hoa Kỳ Website: http://www.powersimtech.com 2.2.Giới thiệu Tool => Renewble Energy - Mô lượng mặt trời Tấm pin mặt trời PSIM gồm thông số sau: Bảng 2.2: Pin lượng mặt trời Nội Dung Ý nghĩa Name Tên pin Number of cells Ns Số lượng pin pin Standard Light Intensity S0 Tiêu chuẩn cường độ ánh sáng Ref Temperature Tref Tiêu chuẩn nhiệt độ Series Resistance Rs Điện trở nối tiếp thành phần pin Shunt Resistance Rsh Điện trở Shunt Short Circuit Current Isc0 Dòng ngắn mạch Saturation Current Isc0 Dòng qua Diode Band Energy Eg Năng lượng ngồi Ideality Factor A Điều kiện lý tưởng A Temperature Coefficient Ct Hệ số nhiệt độ Ct Coefficient Ks Hệ số Ks 10 + Thắp sáng: đèn chiếu sáng biogas + Chạy động đốt trong: dùng thay cho xăng dầu diesel, theo ước tính m3 biogas có giá trị lượng tương đương với 0,4 kg dầu diesel, 0,6 kg dầu hỏa, 0,8 kg than, 0,8 lít xăng + Dùng chuyển hố thành điện sử dụng cho sinh hoạt: để đủ lượng khí đốt điện thắp sáng dùng cho sinh hoạt, hộ gia đình cần chăn ni thường xun từ – 10 lợn thịt Nhờ tiết kiệm từ – triệu đồng năm cho gia đình Với 1m biogas sản xuất tương đương 1,25 kWh điện sử dụng cho gia đình người thắp sáng bóng đèn 60W - Về nông nghiệp: Chất thải từ chuồng trại cho vào hầm biogas bị biến đổi phần chuyển hố thành khí biogas Phần lại nước thải chất cặn bã sử dụng vào nhiều mục đích khác, như: + Làm phân bón: bã thải dùng để ủ thành phân hữu sinh học, dùng để bón cho cối, hoa màu, giúp tăng suất, hạn chế sâu bệnh, nâng cao độ dinh dưỡng đất + Ngoài cặn bã nước thải biogas dùng vào việc ni cá theo mơ hình VAC(Vườn – Ao – Chuồng), dùng để nuôi giun quế, vv, làm tăng thêm nguồn thu nhập cho gia đình - Lợi ích khác từ biogas: + Làm đại hố nơng thơn, góp phần mơ hình xây dựng nơng thơn + Chị em phụ nữ dễ dàng việc nấu ăn phục vụ gia đình + Đời sống người dân cải thiện nên xã hội ngày phát triển 33 Do đó, việc đầu tư làm hầm biogas không giúp xử lý tốt môi trường chăn ni mà mang lại nhiều lợi ích tạo nguồn lượng sạch, tiết kiệm chi phí, giảm nguy gây bệnh cho người gia súc, thúc đẩy phát triển ngành chăn nuôi, ngành nông nghiệp 34 3.3.3: Các loại hầm Biogas phổ biến Việt Nam Gồm có loại hầm dùng phổ biến Việt Nam - Hầm Biogas sử dụng loại bạt HDPE (chống thấm) Hình 3.8: Biogas bạt HDPE 35 - Hầm Biogas xây gạch Hình 3.9: Biogas gạch - Hầm Biogas làm từ vật liệu composite 36 Hình 3.10: Biogas composite Ưu nhược điểm loại hầm Biogas Bảng 3.1: Ưu nhược điểm Loại hầm Ưu điểm Nhược điểm - Chi phí thấp so với công nghệ khác - Tuổi thọ không lâu - Lắp đặt nhanh Hầm HDPE - Rất dễ hư hỏng va chạm - Hiệu xử lý chất thải tác động bên ngoài, tốt chuột, bọ hay gia súc, gia - Chống chịu mơi trường cầm hố chất - Tính thẩm mỹ khơng cao - Có tính đàn hồi - Cần diện tích mặt lớn - Kín khí - Chỉ phù hợp với hộ chăn nuôi quy mô nhỏ - Áp lực vừa phải - Dễ vận hành 37 - Dễ bị sụt lún, rạn nứt gây rò rỉ khí bên ngồi - Dễ bị ăn mòn - Mất nhiều thời gian xây dựng - Phải nạp nhiên liệu thường khí thấp - Chi phí thi cơng cao Hầm Biogas xây gạch - Xây dựng từ vật liệu đơn giản như: gạch, cát, sỏi, đá - Khó bảo dưỡng dăm, xi măng, - Không tự phá váng - Áp dụng với tất - Hiệu suất sinh khí thấp quy mơ lớn nhỏ - Phải thường xun vệ sinh - Khơng có khả tự điều tiết áp lực khí gas phải lắp van bảo vệ - Chất lượng phụ thuộc vào tay nghề thợ - Kém an toàn rủi ro cao - Nước thải có mùi Hầm Biogas composite - Độ bền cao, chịu áp lực tốt - Chất lượng không đảm bảo, phù hợp với nhiều địa hình sản lượng gas thấp nhiều cơng ty sản xuất hầm Biogas - Kín khí chưa đáp ứng tiêu chuẩn chung - Có khả tự phá váng - Hay bị rò rỉ gas: Theo nhiều - Hiệu suất sinh khí cao nghiên cứu, tỷ lệ hầm biogas nguyên liệu composite - Dễ dàng lắp đặt thi cơng, bị rò rỉ gas lên tới 75% tiết kiệm chi phí 38 - Có khả tự điều áp - Cặn bã phân huỷ tự động trình thi cơng sơ sài đẩy ngồi - Dung tích nhỏ: Hiện tại, hầm - Dễ dàng di chuyển bảo biogas composite có dung tích dưỡng chứa chất thải tương đối hạn chế - Chất thải phân huỷ hiệu CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 4.1: Sơ đồ khối Bộ lọc khí H2S Bộ lọc khí CO2 Máy phát điện Tải chiếu sáng Hầm Biogas Hình 4.1: Hệ thống phát điện Biogas 4.2: Hệ thống sản xuất khí Biogas 39 Hình 4.2: Hầm Biogas Cơng thức tính kích thước hầm biogas: Phân tươi/ngày x số gia súc x (với bò) x (với heo) x thời gian lưu giữ (60 ngày) Đề tài ta thiết kế phát điện Biogas cho hộ gia đình chăn ni nhỏ lẻ gồm heo bò Như vậy: heo (một heo sản xuất 2kg phân/ngày) Phân heo x số x x thời gian lưu giữ = x x x 60 = 1.800kg Hộ ni bò (một bò sản xuất 23kg phân/ngày) Phân bò x số x x thời gian lưu trữ = 23 x x x 60 = 5.520kg Tổng lượng phân thải ngày gia súc là: 1800 + 5520 = 7320kg 40 Hầm biogas có kích thước là: 7,32m3 4.3: Thiết kế hệ thống lọc: Để lọc hai khí H2S CO2 khỏi Biogas ta nên dùng biện pháp hấp phụ Hấp phụ q trình hút khí hay chất lỏng bề mặt chất rắn 4.3.1: Thiết kế hệ thống lọc H2S Khí H2S có khí Biogas gây ăn mòn thiết bị gây nhiễm mơi trường ngồi Dùng phoi sắt để hấp phụ H2S Hình 4.3 : Phoi sắt Phoi sắt sợi mảnh phế liệu tiện phay bào, Rất dễ kiếm nên có hiệu kinh tế cao Phoi sắt có tính chọn lọc cao với H2S, có khả tách triệt để H2S Phoi sắt trước cho vào trình hấp phụ ta cần oxi hóa chúng cách phơi ngồi trời đốt chúng để tạo sắt oxít (Fe2O3) Phoi sắt EPA(cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận khơng gây nhiễm nguồn nước ngầm thải trực tiếp bãi rác Phản ứng hóa học xảy q trình hấp phụ 41 Fe2O3 + 3H2S → Fe2S3 + 3H2O Quá trình nhã hấp phụ giúp tái sử dụng lại phoi sắt(Đốt Fe2S3 khoảng 15 phút) Fe2S3 + 9/2O2 → Fe2O3 + 3SO2 Phoi sắt tái sử dụng từ – lần Phoi sắtt sau đốt trộng với mùn cưa với tỉ lệ : thể tích sau cho vào thiết bị lọc Hình 4.4: Tháp lọc khí H2S 4.3.2 Thiết kế hệ thống lọc CO2 CO2 chất khí, khơng cháy, khơng khơng mùi màu, Nặng gấp 1,5 lần khơng khí Nếu chiếm tỉ lệ cao khí sinh học làm cho chất lượng cháy khí sinh khí học Khí CO2 khơng gây ăn mòn H2S xuất với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị nhiên liệu Thành phần nước gây ảnh hưởng tương tự CO2 Tách CO2 khỏi Biogas thực dựa vào tính chất hấp thụ khí cacbonic than hoạt tính ta cho khí qua nước Than hoạt tính chọn loại than hoạt tính có xuất xứ từ gáo dừa 42 Hình 4.5: Than hoạt tính làm từ gáo dừa Được đặc trưng tính kỵ nước Vì ứng dụng rộng rãi để xử lý khí có dạng ẩm khác Hình 4.6: Tháp lọc khí CO2 43 Hệ thống lọc khí Biogas hoàn chỉnh kết hợp hai tháp lọc H2S tháp lọc CO2 hình sau: Hình 4.7: Tháp lọc H2S CO2 Khí Biogas ban đầu (chưa lọc) bao gồm 50 – 60% CH4, 30% CO2 lại chất khác nước, H2S, N2, O2, CO Sau qua trình lọc có khoảng 97,9% CH4 Để thử lượng Biogas sau sinh ta đốt cháy khí quan sát thấy khí cháy màu xanh đặc trưng nung nóng kim loại khơng tạo thành vết đen gas đạt tiêu chuẩn 44 4.5: Chọn máy phát điện Chiếu sáng cho hộ gia đình nơng thơn Bảng 4.1: Thống kê công suất thiết bị chiếu sáng Số Công lượng suất/thiết bị STT Tên thiết bị Với Đèn huỳnh quang 1m2 36W công suất Đèn compact 18W sử dụng Đèn sợi đốt 60W tổng suất Tổng công suất đèn: PTổng = 36 + 18.2 + 60 = 132W công tất thiết bị muốn chạy đồng thời thời điểm: Psử dụng = PTổng = 132W Hệ số cơng suất ta chọn = 0,8 (Hộ gia đình) Cơng suất tính tốn S = = = 165 (VA) Để khơng gây tình trạng q tải điện ta nên nhân hệ số an tồn khoảng 1.1 cho cơng suất chọn máy phát Công suất cần trang bị cho máy phát là: Smáy phát = 165.1,1 = 181,5 (VA) Vậy chọn máy phát có cơng suất 2kVA 45 Chương 5: KẾT LUẬN Ý nghĩa thực tiễn đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện dùng Biogas để chạy động máy phát điện hộ chăn nuôi Việt Nam quốc gia nông ngiệp nên qua tận dụng nguồn lượng chỗ Việc tận dụng nguồn lượng chỗ cho sản xuất giúp cho người dân tiết kiệm kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân, giải tình trạng chất thải nông nghiệp vương vãi đồng ruộng nông thôn, góp phần đẩy mạnh cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa nơng nghiệp nơng thơn, đảm bảo phát triển bền vững đất nước.Ý nghĩa khoa học đề tài sử dụng nhiên liệu khí Biogas để làm nhiên liệu chạy động đốt làm giảm mức độ phát thải khí CO2 góp phần thực công ước quốc tế môi trường mà Việt Nam cam kết tham gia Tuy hệ thống đạt nhiều lợi ích kinh phí để xây dựng bảo trì hệ thống điện Biogas vấn đề nan giải với đa số hộ gia đình nơng thơn nên hệ thống chưa triển khai rộng rãi đến với người dân mà có hộ chăn ni lớn có đủ kinh phí để đầu tư Vì cần có hỗ trợ vốn nhà nước tạo điều kiện để người dân nơng thơn nói chung hộ chăn ni nhỏ lẻ nói riêng mạnh dạn đầu tư cho mơ hình điện Biogas, giúp thảm thiểu ô nhiễm môi trường chất thải từ q trình chăn ni bà đóng góp phần lớn vào đại hóa nơng thơn, nhằm đưa chương trình nơng thơn tỉnh thành nhanh chóng hồn thành mục tiêu 46 Tài liệu tham khảo [1] Đồ án Tên tác giả: GVHD: Bùi Văn Ga - SVTH: Đặng Hữu Thành Tên tác phẩm: Đề tài Nghiên cứu sử dụng khí Biogas để chạy động máy phát điện trại chăn nuôi Thực hiện: Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Hoàn thành: 30/05/2017 [2] Tiểu luận Tên tác giả: Kiều Đỗ Minh Luân Tên tác phẩm: Năng lượng sinh khối – Giải pháp lượng tương lai Thực hiện: Khoa Kỹ thuật – Công nghệ - Môi trường, Trường Đại học An Giang Nội dung tham khảo: Phần lợi ích kinh tế phương pháp sản xuất lượng sinh khối [3] Đồ án Tên tác giả: GVHD: ThS Nguyễn Vũ Quỳnh - SVTH: Kim Cường – Minh Hoàng Tên tác phẩm: Nghiên cứu thiết kế máy phát điện chạy khí Biogas Thực hiện: Đại học Lạc Hồng Hồn thành: Năm 2006 47 ... Nghiên cứu sử dụng khí Biogas chạy máy phát điện cỡ nhỏ Cải thiện hệ thống nhiên liệu động nguyên thủy sang sử dụng nhiên liệu Biogas cách thiết kế hệ thống cấp khí Biogas điện b Đề tài thứ hai... - Thiết kế hệ thống - Sơ đồ mạch nguyên lý - Mô kết - Thi công - Kết luận Chương 2: PSIM 2.1: Khái quát Psim - Khái niệm PSIM: PSIM công cụ thiết kế, mô cho mạch điều khiển lĩnh vực điện tử công... dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bã mía với tổng cơng suất lắp đặt 130MW Gần đây, Viện Cơ điện nông nghiệp nghiên cứu áp dụng thành công dây chuyền sử dụng phụ phẩm sinh khối 29 đồng phát điện