TIỂU LUẬN NĂNG LƯỢNG tái tạo

Chương TỔNG QUAN 1.1 Tiềm phát triển nguồn lượng gió biogas tỉnh Khánh Hòa 1.1.1 Năng lượng gió Nằm khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Khánh Hòa đánh giá địa phương có tiềm năng lượng gió tốt Kết điều tra sơ Bộ Cơng Thương cho thấy, 15,3% diện tích đất Khánh Hòa đánh giá vùng có tiềm lớn để phát triển lượng điện gió, khu vực ven biển Cam Ranh Theo đánh giá nhà khoa học, tính đến tháng 7/2017 tổng cơng suất điện gió tỉnh Khánh Hòa ước đạt 50 [MW] Tuy nhiên, tiềm lý thuyết, thực tế sản lượng khai thác nhiều Nhưng nguồn lượng đáng kể khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, thay nguồn lượng ngày cạn kiệt 1.1.2 Năng lượng biogas Tiềm phát triển nguồn lượng biogas tính Khánh Hòa lớn Nguồn nguyên liệu cho sản xuất biogas chủ yếu chất thải người động vật (trâu, bò, lợn, gà…), phế thải hữu công, nông, lâm nghiệp Theo nghiên cứu Bộ Nông Nghiệp, tiềm biogas Khánh Hòa ước tính khoảng 10 – 15 [MW], chủ yếu lấy từ phân động vật, rác thải sinh hoạt rơm rạ 1.2 Tổng quan hệ thống kết hợp lượng gió biogas sơ đồ ngun lý hệ thống: Mơ hình khai thác hỗn hợp, tận dụng tối đa nguồn lượng chỗ phù hợp với đặc điểm khu vực lắp đặt, điện nạp vào ắc-quy cấp từ nguồn điện gió, đảm bảo ổn định sử dụng, với nhu cầu tức thời công suất lớn, thời gian ngắn đáp ứng máy phát điện biogas Do vậy, đáp ứng nhu cầu phụ tải ưu tiên khu vực sử dụng 1.2.1 Hệ thống lượng gió (loại turbine gió trục ngang) 1.2.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Turbine gió thiết bị biến đổi động gió thành năng, từ biến đổi thành điện nhờ máy phát điện – Máy phát điện dùng sức gió Cấu tạo turbine gió trục ngang 1) Generator: Máy phát Phát điện 2) Blades: Cánh quạt Gió thổi qua cánh quạt nguyên nhân làm cho cánh quạt chuyển động quay 3) Tower: Trụ đỡ Nacelle Được làm thép hình trụ dằn thép Bởi tốc độ gió tăng lên trụ cao, trụ đỡ cao để thu lượng gió nhiều phát điện nhiều 4) Rotor: Bao gồm cánh quạt trục Nguyên lý hoạt động tuabin gió Các tuabin gió hoạt động theo nguyên lý đơn giản Năng lượng gió làm cho cánh quạt quay quanh rotor Mà rotor nối với trục trục truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo điện 1.2.1.2 Đặc điểm turbin gió trục ngang - Cơng suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW - Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s – 25m/s - Chiều cao cột chống turbine 6m (loại công suất nhỏ) 120m (loại công suất lớn) - Số cánh quạt từ – cánh - Bán kính cánh quạt từ 3m – 45m - Số vòng quay cánh quạt từ 20 – 40 vòng/phút 1.2.1.3 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng Ưu điểm: - Đây turbine gió có hiệu suất cao - Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác - Có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng Nhược điểm:- hình dạng kích thước lớn nên đòi hỏi số an tồn cao - Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió song gới hạn góc quay định nên thích hợp cho nơi có vận tốc gió ổn định Phạm vi sử dụng: turbine gió trục ngang sử dụng phổ biến rộng rãi 1.2.2 Hệ thống lượng biogas (hầm bể biogas composite) Hầm biogas hệ thống sinh khí khép kín tự động, hoạt động theo nguyên tắc: lượng phân chất thải hữu lên men môi trường khí sinh lượng khí, lượng khí đẩy cặn bã vào bể áp lực ống nạp nhiên liệu Khi van mở chất cặn bã đẩy khí ngoài, vào đường ống để sử dụng Nghĩa phân động vật chất hữu bị phân hủy vi sinh vật sinh lượng khí tổng hợp gồm mêtan (CH4), nitơ (N2), cacbon điơxít (CO2) hyđro sulfua Trong đó, khí mêtan (CH4) chiếm đến 50,6 %, khí gây cháy thường dùng làm nhiên liệu đốt 1.2.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Về mặt cấu tạo bể bao gồm phận bể phân giải, phận chứa khí phận điều áp Cả ba phần kết hợp nằm khối Cả khối chơn chìm mặt đất Thiết kế thiết bị compozite gồm phận sau: - Bể phân giải; - Ngăn chứa khí; - Ống dẫn khí; - Cửa nạp nguyên liệu (ống lối vào); - Cửa xả (ống lối ra) Nguyên liệu sau cho vào bể biogas composite thông qua cửa nạp nguyên liệu vào cửa xả vừa đủ 60cm nguyên liệu ngập mép cửa nạp nguyên liệu vào Vào thời điểm áp suất bể biogas phân giải (P=0) Lượng khí sinh bể tích tụ hệ thống sinh khí bể, sau khí tạo sinh lượng áp suất đủ để đẩy dịch phân giải dâng lên theo cửa nạp nguyên liệu cửa xả Độ chênh hai bề mặt dịch phân giải cửa nạp nguyên liệu/cửa xả ngăn chứa khí tạo nên áp suất bể đẩy khí sinh vào ống thu khí đường ống dẫn khí đến nơi sử dụng Khí sử dụng để đun nấu, thắp sáng, bình nước tắm nóng lạnh tự động, máy phát điện… Khí sử dụng hết, áp suất ngăn chứa khí 0, thiết bị trở trạng thái ban đầu Vì cửa nạp nguyên liệu bịt kín nên trạng thái Pmax, dịch phân giải đẩy theo cửa xả Trong trình hoạt động, bề mặt dịch phân giải luôn lên xuống làm cho tiết diện luôn thay đổi ngày có tác dụng phá váng Năng suất khí m3 khí/m3 phân giải/ngày 0,32 lượng khí đủ dùng Sản lượng khí trung bình đạt 2,24 m3/ngày Từ 10kg phân lợn trở lên hàng ngày sản xuất 400 – 500 lít khí, đủ để cung cấp nhiên liệu cho gia đình 04 người sử dụng, chiếu sáng đạt độ sáng tương đương đèn sợi tóc 60W… 1.2.2.2 Đặc điểm hầm biogas composite - Hầm chế tạo vật liệu composite, cốt thủy tinh, sợi các-bon - Hầm phải đặc biệt kín khí - Nhiệt độ trì tối ưu 30-35 độ C - Độ PH: môi trường kiềm 6,8 đến - Thời gian lưu trữ: nguyên liệu nằm bể từ 30-60 ngày 1.2.2.3 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng Ưu điểm: hầm bể có khả chống oxi hóa hồn tồn, bể kín khí, khơng lo bị axit ăn mòn Thi cơng nhanh, thuận tiện vận chuyển lắp đặt tới vùng miền phù hợp với loại địa hình, loại đất đai khác kể đất vùng có bùn, đất lún Nhược điểm: hầm bể biogas composite có giá thành tương đối cao Phạm vi sử dụng: hầm bể biogas composite sử dụng phổ biến rộng rãi Chương TRÌNH TỰ TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Tính tốn phụ tải chung hộ gia đình Các thiết bị tiêu thụ điện gồm có tivi, tủ lạnh, điều hòa, quạt, máy bơm, bóng đèn sợi đốt Danh sách thiết bị công suất chúng để tính chọn thiết bị hệ thống liệt kê bảng sau: Bảng 4.1 Danh sách thiết bị công suất chúng Tên thiết bị Tivi Tủ lạnh Quạt Bóng đèn sợi đốt Máy bơm Điều hòa Cơng suất thiết bị 100 150 55 60 125 2000 Số lượng Hệ số sử dụng 0,8 0,6 0,5 0,4 0,8 Tổng Công suất(W) 160 150 132 150 50 3200 Công suất tổng ∑P = 3842 W Để thiết bị điện hoạt động ta cần phải thiếu kế hệ thống cung cấp có cơng suất tối thiểu 3842 [W] Vì vậy, hệ thống cung cấp thiết kế có cơng suất 3900[W] Điện áp dùng gia đình điện áp 220V/50Hz 2.1 Hệ thống cung cấp băng lượng biogas Để ước tính xây dựng mơ hình hầm biogas ta cần biết số thông số loại nguyên liệu đưa vào sản xuất khí Ngun liệu Hàm lượng chất khơ [%] Phân bò Phân trâu Phân lợn Phân người Phân gia cầm Rơm rạ khô 18 – 20 16 – 18 24 – 33 20 – 34 25 – 50 80 – 85 Lượng thải ngày [kg] 15 – 20 18 – 25 1,2 – 0,18 – 0,34 0,02 – 0,05 Sản lượng khí ngày [lít/kg] 15 – 32 15 – 32 40 – 60 60 – 70 50 – 60 1,5 – 2,0 Tổng lượng khí cho [lít/ngày] tính trung bình/con 470 470 130 16,9 1,925 Lượng khí biogas trại heo theo mơ hình trang trại kín (Trại lạnh) Những đặc điểm Các thông số Số lượng heo có mặt Đầu chuồng Lượng nước thải m3/ngày (*) Sản lượng biogas m3/ngày(**) Sản lượng CH4 m3/ngày(***) Điện từ DiezenKw/ngày Biogas (****) Kw/ngày Điện tiêu thụ cho trại (*****) Diện tích chăn ni Hecta (ha) cần thiết Các giá trị 100 300 500 1000 10000 30000 60000 36 23 108 70 15 180 117 30 300 900 1.800 360 3.600 10.800 21.600 234 2.340 7.020 14.040 29 88 146 293 2.925 8.775 17.550 20 59 98 195 1.950 5.850 11.700 0,3 0,6 0,06 0,18 (*) : m3 nước thải/100 đầu heo/ngày (**) : Số heo có mặt chuồng x hệ số 0,36, (***) : ~65% sản lượng biogas (****) : V CH4 (m3) x kw 18 36 (*****) : Trại làm mát hồn tồn (trại lạnh, trại kín) Vậy, để chạy máy phát điện có cơng suất 1kW quy mơ chăn ni lợn phải có cỡ khoảng 11 Cơng thức tính kích thước hầm biogas Thể tích hồ (m3) = 0.03 x số đầu heo trại x thời gian lưu trữ (30 ngày) Thể tích hồ = 0,03.11.30 = 9,9 [m3] Như vậy, thể tích bể chứa cần phải xây 10 m3 2.2 hệ thống cung cấp lượng gió - Các thơng số đầu vào - Vận tốc gió V = [m/s] - Công suất P = 2,9 [kW] - Số cánh: Z = - Hiệu suất turbine cực đạitheo lý thuyết η = 0,593 turbine gió ngày đạt giá trị η = 0,3 – 0,4 - Khối lượng riêng khí: = 1,225 [kg/m3] - Tỉ tốc đầu mũi cánh λ = Bán kính cánh quạt rotor Tốc độ quay rotor Tính dòng điện định mức Iđm = (4.1) Chọn hệ số cosφ = 0,8 Với Tủ lạnh, quạt, máy bơm điều hòa sử dụng động xoay chiều nên ta tính dòng mở máy dòng q tải : - Dòng mở máy : Dòng tải Imm = kmm.Iđm Iqt = 1,3.Iđm (4.2) (4.3) Bảng 4.2 Kết tính tốn dòng điện cho thiết bị Tên thiết bị Tivi Tủ lạnh Quạt Bóng đèn loại Máy bơm Điều hòa Dòng định mức (A) Dòng khởi động (A) 0,56 0,85 0,35 0,227 0,57 11,37 Lựa chọn thiết bị Chọn hệ thống thu nhận biến đổi gió Dòng q tải (A) 4,25 1,75 1,105 0,46 2,85 56,85 0,71 14,78 * Cánh quạt hứng gió : Động lớn mà cánh tua bin nhận 0.593 lần động mà gió sinh Năng lượng gió phân chia làm phần tương tác với cánh tuabin, động làm quay tuabin áp suất tác dụng lên bề mặt cánh tua bin, thiết kế cánh quạt quay tuabin phải hướng tới tiêu thu động nhiều từ gió, giảm bớt lượng áp suất tác dụng lên bề mặt * Máy phát : Thông thường, cơng suất định mức máy phát tính tốn điều kiện tiêu chuẩn Trong thực tế, điều kiện vận hành thiết bị khơng với điều kiện tiêu chuẩn Vì cơng suất khả dụng thường thấp công suất định mức Do công suất tải tiêu thụ 2900W nên chọn máy phát đồng nam châm vĩnh cửu pha có cơng suất 3kW Chọn ắc quy dự trữ Là lưu trữ điện dạng điện áp chiều (DC) - “Lu” chứa điện Hiện có nhiều loại với chất lượng, tính giá thành khác (axit chì, kín khí, chì khơ, cadium, niken, Lithium….) Với loại ắc quy hãng có qui định chặt chẽ cách sử dụng, bảo quản chế độ nạp điện khác Yêu cầu mua sử dụng phải có hiểu biết đầy đủ ắc quy lựa chọn Trên thị trường, nên chọn mua loại ắc quy tốt có chất lượng cao Tránh mua loại ắc quy có chất lượng thấp có giá thành rẻ ban đầu mau hư hỏng gây rắc rối khác trình sử dụng nên thực phải trả chi phí cao Tùy theo thời gian sử dụng bị điện dài hay ngắn mà ta chọn dung lượng ắc quy theo cơng thức sau : (4.4) 10 Trong đó: - P công suất tiêu thụ - watt - T thời gian hoạt động – h - 0,7 hệ số sử dụng - U điện áp ắc quy- volt Đối với hệ thống lượng gió cơng suất 2900 W, dùng nguồn điện 12VDC, dùng phục vụ hộ gia đình nên ta chọn thời gian sử dụng đồng hồ, ta áp dụng cơng thức để tính dung lượng ắc quy: Dung lượng ắc quy = = 690 Ah Như dung lượng ắc quy lớn, để đáp ứng yêu cầu chọn ắc quy hãng Pinaco sau: Bảng 4.2 Chọn ắc quy cho hệ thống Loại Số lượng Điện Thế(V) Dung Lượng (Ah) N100 12 100 N200 12 200 Chọn chỉnh lưu * Bộ chỉnh lưu : Bộ chỉnh lưu biến đổi điện xoay chiều thành chiều cung cấp cho tải chiều : động điện chiều, kích từ cho máy phát đồng cuộn dây hút khí cụ điện, cơng nghệ điện hóa: mạ, đúc điện, nạp ắc quy Đây sơ đồ chỉnh lưu cầu pha dùng ốt Để giảm tiết diện dây quấn ngăn chặn thành phần sóng hài sóng thứ tự khơng chạy ngược máy phát gây ảnh hưởng đến máy phát phía sơ cấp biến áp đấu tam giác, phía thứ cấp đấu (Δ/Y) Điện áp ngược ốt phải chịu : Unm = = 11 = 29,39 V Chọn ốt chịu điện áp ngược ku.Unm = 1,6 29,39 = 47,024 V Vậy chọn ốt MR2000 Un = 50V, Imax = 20 A Tính máy biến áp : Dòng chỉnh lưu định mức Id = 154 A Trị hiệu dụng dòng chảy pha thứ cấp máy biến áp : I2 = Id = 125,7 A Trị hiệu dụng dòng chảy pha phía sơ cấp : I1 = I2 = 125,7 = 3,97 A Công suất biểu kiến máy biến áp : S1 = 3.U1.I1 = 3.380.3,97 = 4525,8 VA S2 = 3.U2.I2 = 3.12.125,7 = 4525,2 VA Vậy STR1 = 4525,5 VA Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống: Các thơng số mơ hình lắp đặt: Hầm biogas + máy phát điện: 10m3, 1kW; Tuabin gió: 2,9kW, trục ngang, cao 10m; 12 Ắc quy: 1x100 + 3x200 Ah, pinaco; Các thiết bị phụ khác: inverter, điều khiển nạp, hộp đấu nối… 13 http://doc.edu.vn/tai-lieu/de-tai-tinh-toan-thiet-ke-mo-hinh-biogas-cho-ho-giadinh-48287/ http://www.mangchongtham.net/tai-lieu-mang-chong-tham-hdpe/cach-tinhtoan-lam-ham-biogas.html [3] Đàm Quang Minh, Vũ Thành Tự Anh, Năng lượng gío Việt Nam, tiềm triển vọng, Bài từ tủ sách VLOS http://luanvan.co/luan-van/do-an-thiet-ke-ky-thuat-tuabin-gio-cong-suat-500w-43910/ Cách tính cho mơ hình trang trại nhỏ, theo mơ hình gia đình Gia súc/thể tích Bò sữa Bò thịt Heo 8m3 15 12m3 12 25 16m3 18 38 Cơng thức tính kích thước hầm biogas loại gia đình: Phân tươi/ngày x số gia súc x (với bò) x (với heo) x thời gian lưu giữ (60 ngày) Ví dụ: trại có 45 heo nái 60kg (một heo nái sản xuất 2kg phân tươi/ngày) Phân heo x số x x thời gian lưu giữ = x 45 x x 60 = 16.200kg Như vậy, hầm biogas nên có kích thước 16m3 TIỂU LUẬN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO (Xây dựng mơ hình kết hợp lượng gió biogas để vận hành thiết bị điện bao gồm: quạt, TV, tủ lạnh, điều hòa, bơm nước, đèn sợi đốt Mơ hình ứng dụng Khánh Hòa) 14 ... = x 45 x x 60 = 16.200kg Như vậy, hầm biogas nên có kích thước 16m3 TIỂU LUẬN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO (Xây dựng mơ hình kết hợp lượng gió biogas để vận hành thiết bị điện bao gồm: quạt, TV, tủ lạnh,... dung lượng ắc quy: Dung lượng ắc quy = = 690 Ah Như dung lượng ắc quy lớn, để đáp ứng yêu cầu chọn ắc quy hãng Pinaco sau: Bảng 4.2 Chọn ắc quy cho hệ thống Loại Số lượng Điện Thế(V) Dung Lượng. .. 1,925 Lượng khí biogas trại heo theo mơ hình trang trại kín (Trại lạnh) Những đặc điểm Các thông số Số lượng heo có mặt Đầu chuồng Lượng nước thải m3/ngày (*) Sản lượng biogas m3/ngày(**) Sản lượng