TIỂU LUẬN NĂNG LƯỢNG tái tạo

Kết quả điều tra sơ bộ của Bộ Công Thương cho thấy, 15,3% diện tích đất của Khánh Hòa được đánh giá là những vùng có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng điện gió, nhất là các khu vực

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tiềm năng phát triển nguồn năng lượng gió và biogas ở tỉnh Khánh Hòa

1.1.1 Năng lượng gió

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Khánh Hòa được đánh giá là một trong những địa phương có tiềm năng năng lượng gió tốt

Kết quả điều tra sơ bộ của Bộ Công Thương cho thấy, 15,3% diện tích đất của Khánh Hòa được đánh giá là những vùng có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng điện gió, nhất là các khu vực ven biển như Cam Ranh

Theo đánh giá của các nhà khoa học, tính đến tháng 7/2017 tổng công suất điện gió ở tỉnh Khánh Hòa ước đạt 50 [MW] Tuy nhiên, đây chỉ mới là tiềm năng lý thuyết, trên thực tế sản lượng có thể khai thác được sẽ ít hơn nhiều

Nhưng đây cũng sẽ là nguồn năng lượng đáng kể có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, thay thế các nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt

1.1.2 Năng lượng biogas

Tiềm năng trong phát triển nguồn năng lượng biogas ở tính Khánh Hòa cũng khá lớn Nguồn nguyên liệu cho sản xuất biogas chủ yếu là các chất thải của người và động vật (trâu, bò, lợn, gà…), và các phế thải hữu cơ công, nông, lâm nghiệp

Theo nghiên cứu của Bộ Nông Nghiệp, tiềm năng biogas của Khánh Hòa ước tính khoảng 10 – 15 [MW], chủ yếu được lấy từ phân động vật, rác thải sinh hoạt và rơm rạ

1.2 Tổng quan về hệ thống kết hợp năng lượng gió và biogas

sơ đồ nguyên lý hệ thống:

Mô hình khai thác hỗn hợp, tận dụng tối đa các nguồn năng lượng tại chỗ phù hợp với đặc điểm khu vực lắp đặt, điện năng nạp vào ắc-quy được cấp từ nguồn điện gió, do

đó có thể đảm bảo sự ổn định khi sử dụng, với các nhu cầu tức thời công suất lớn, thời gian ngắn được đáp ứng bằng máy phát điện biogas Do vậy, về cơ bản có thể đáp ứng nhu cầu các phụ tải ưu tiên tại khu vực sử dụng

1.2.1 Hệ thống năng lượng gió (loại turbine gió trục ngang)

1.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Turbine gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, từ cơ năng có thể biến đổi thành điện năng nhờ máy phát điện – Máy phát điện dùng sức gió

Cấu tạo của turbine gió trục ngang

1) Generator: Máy phát Phát ra điện.

2) Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay

3) 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

4) Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục

Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió

Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượng của gió làm cho 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

1.2.1.2 Đặc điểm của turbin gió trục ngang

- Công 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 2 – 3 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 và phạm vi sử dụng

Ưu điểm: - Đây là turbine gió có hiệu suất cao nhất

- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau

- Có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng

Nhược điểm:- hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao

- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió song vẫn gới hạn ở một góc quay nhất định nên chỉ thích hợp cho những nơi có vận tốc gió ổn định

Phạm vi sử dụng: turbine gió trục ngang được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi

1.2.2 Hệ thống năng lượng biogas (hầm bể biogas composite)

Hầm biogas là một hệ thống sinh khí khép kín tự động, hoạt động theo nguyên tắc: lượng phân và chất thải hữu cơ được lên men trong môi trường hiếm khí sẽ sinh ra một lượng khí, và lượng khí này sẽ đẩy cặn bã vào bể áp lực và ống nạp nhiên liệu Khi van được mở thì các chất cặn bã này sẽ đẩy khí ra ngoài, đi vào đường ống để sử dụng Nghĩa

là khi phân động vật và các chất hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật sẽ sinh ra một lượng khí tổng hợp gồm mêtan (CH4), nitơ (N2), cacbon điôxít (CO2) và hyđro sulfua Trong đó, khí mêtan (CH4) chiếm đến 50,6 %, là khí gây cháy và thường được dùng làm nhiên liệu đốt

1.2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Về mặt cấu tạo bể bao gồm 3 bộ phận chính là bể phân giải, bộ phận chứa khí và bộ phận điều áp Cả ba bộ phần này đều được kết hợp nằm trong một khối Cả khối được chôn chìm dưới mặt đất

Thiết kế của thiết bị compozite gồm những bộ 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 khi được cho vào bể biogas composite thông qua cửa nạp nguyên liệu cho đến khi vào cửa xả vừa đủ 60cm và nguyên liệu ngập mép dưới tại cửa nạp nguyên liệu vào Vào thời điểm này thì áp suất khi trong bể biogas phân giải bằng (P=0) Lượng khí được sinh ra trong bể sẽ được tích tụ trong hệ thống sinh khí của bể, sau đó khí tạo ra sinh ra một lượng áp suất đủ để đẩy dịch đã được phân giải dâng lên theo cửa nạp nguyên liệu và cửa xả Độ chênh giữa hai bề mặt dịch phân giải cửa nạp nguyên liệu/ cửa xả và ngăn chứa khí tạo nên áp suất trong bể đẩy khí sinh ra vào ống thu khí và đường ống dẫn khí đến nơi sử dụng Khí được sử dụng để đun nấu, thắp sáng, bình nước tắm nóng lạnh tự động, máy phát điện… Khí được sử dụng hết, áp suất trong ngăn chứa khí bằng 0, thiết bị trở về trạng thái ban đầu Vì cửa nạp nguyên liệu đã được bịt kín nên ở trạng thái Pmax, dịch phân giải chỉ được đẩy ra theo cửa xả Trong quá trình hoạt

động, bề mặt của dịch phân giải luôn luôn lên xuống làm cho tiết diện luôn luôn thay đổi trong ngày do vậy 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 có thể sản xuất được 400 – 500 lít khí, đủ để cung cấp nhiên liệu cho gia đình

04 người sử dụng, đối với chiếu sáng có thể đạt độ sáng tương đương đèn sợi tóc 60W…

1.2.2.2 Đặc điểm của hầm biogas composite

- Hầm được chế tạo bằng vật liệu composite, cốt thủy tinh, sợi các-bon

- Hầm phải đặc biệt kín khí

- Nhiệt độ duy trì tối ưu là 30-35 độ C

- Độ PH: môi trường kiềm 6,8 đến 7

- Thời gian lưu trữ: nguyên liệu nằm trong bể từ 30-60 ngày

1.2.2.3 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

Ưu điểm:hầm bể có khả năng chống oxi hóa hoàn toàn, bể rất kín khí, không lo bị axit ăn mòn Thi công nhanh, thuận tiện vận chuyển lắp đặt tới các vùng miền và phù hợp với mọi loại địa hình, các loại đất đai khác nhau kể cả 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 được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi

Chương 2 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Tính toán phụ tải chung của một 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 các thiết bị và công suất của chúng để tính chọn các thiết bị trong hệ thống được liệt kê trong bảng sau:

Bảng 4.1 Danh sách các thiết bị và công suất của chúng

Tên thiết bị Công suất

thiết bị

Số lượng Hệ số sử

dụng

Tổng Công suất(W)

Công suất tổng ∑P = 3842 W

Để các thiết bị điện có thể hoạt động ta cần phải thiếu kế hệ thống cung cấp có công suất tối thiểu là 3842 [W] Vì vậy, hệ thống cung cấp thiết kế sẽ có công suất 3900[W]

Điện áp dùng trong gia đình là điện áp 220V/50Hz

2.1 Hệ thống cung cấp băng năng lượng biogas.

Để ước tính và xây dựng được một mô hình hầm biogas thì ta cần biết một số thông số về các loại nguyên liệu được đưa vào sản xuất khí

Nguyên liệu chất khô [%]Hàm lượng Lượng thảihằng ngày

[kg]

Sản lượng khí hằng ngày [lít/kg]

Tổng lượng khí cho [lít/ngày] tính trung bình/con

Phân gia cầm 25 – 50 0,02 – 0,05 50 – 60 1,925

Lượng khí biogas của trại heo theo mô hình trang trại kín (Trại lạnh)

1 Số lượng heo có mặttrong chuồng Đầu con 100 300 500 1000 10000 30000 60000

3 Lượng nước thải m3/ngày (*) 3 9 15 30 300 900 1.800

4 Sản lượng biogas m3/ngày(**) 36 108 180 360 3.600 10.800 21.600

5 Sản lượng CH4 m3/ngày(***) 23 70 117 234 2.340 7.020 14.040

6 Điện từ Diezen-Biogas Kw/ngày(****) 29 88 146 293 2.925 8.775 17.550

7 Điện tiêu thụ cho trại Kw/ngày

(*****) 20 59 98 195 1.950 5.850 11.700

8 Diện tích chăn nuôi

cần thiết Hecta (ha) 0,06 0,18 0,3 0,6 6 18 36

(*) : 3 m3 nước thải/100 đầu heo/ngày

(**) : Số heo có mặt trong chuồng x hệ số 0,36,

(***) : ~65% sản lượng biogas

(****) : V CH4 (m3) x 1 kw

(*****) : Trại làm mát hoàn toàn (trại lạnh, trại kín)

Vậy, để có thể chạy máy phát điện có công suất 1kW thì quy mô chăn nuôi lợn phải có cỡ khoảng 11 con

Công thức tính kích thước của hầm biogas

Thể tích hồ (m3) = 0.03 x số đầu heo của 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 là 10 m3

- Hiệu suất của turbine cực đạitheo lý thuyết là η = 0,593 nhưng các turbine gió ngày nay thì chỉ đạt giá trị η = 0,3 – 0,4

- Khối lượng riêng của khí:ρ = 1,225 [kg/m3]

- Tỉ tốc đầu mũi cánh λ = 6

Bán kính cánh quạt rotor

R=√0,5.π ρ V P 3.η=√29000,5.π 1,225.73.0,35=3,314[ m]

Tốc độ quay của rotor

Ω= λ.V

6.7

3,314 =12,674[rad /s]

Tính dòng điện định mức

Chọn hệ số cosφ = 0,8

Với Tủ lạnh, quạt, máy bơm và điều hòa sử dụng động cơ xoay chiều nên ta tính dòng mở máy và dòng quá tải :

- Dòng mở máy :

Dòng quá tải

Imm = kmm.Iđm (4.2)

Iqt = 1,3.Iđm (4.3)

Bảng 4.2 Kết quả tính toán dòng điện cho các thiết bị

Tên thiết bị Dòng định mức (A) Dòng khởi động (A) Dòng quá tải (A)

Bóng đèn các loại 0,227

Lựa chọn thiết bị

Chọn hệ thống thu nhận và biến đổi gió

* Cánh quạt hứng gió :

Động năng lớn nhất mà cánh tua bin có thể nhận được chỉ bằng 0.593 lần động năng mà gió có thể sinh ra Năng lượng của gió được phân chia làm 2 phần khi tương tác với cánh tuabin, một là động năng làm quay tuabin và một là áp suất tác dụng lên bề mặt cánh tua bin, do đó khi thiết kế cánh quạt quay tuabin phải hướng tới chỉ tiêu thu được động năng nhiều nhất từ gió, giảm bớt năng lượng áp suất tác dụng lên bề mặt

* Máy phát :

Thông thường, công suất định mức của máy phát được tính toán ở các điều kiện tiêu chuẩn Trong thực tế, các điều kiện vận hành của thiết bị có thể không đúng với điều kiện tiêu chuẩn Vì thế công suất khả dụng thường thấp hơn công suất định mức

Do công suất của tải tiêu thụ là 2900W nên chọn máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3 pha có công suất 3kW

Chọn ắc quy dự trữ

Là bộ lưu trữ điện năng dưới dạng điện áp một chiều (DC) - “Lu” chứa điện Hiện nay có rất nhiều loại với những chất lượng, tính năng và giá thành rất khác nhau (axit chì, kín khí, chì khô, cadium, niken, Lithium….) Với mỗi loại ắc quy của

Tùy theo thời gian sử dụng khi bị mất điện dài hay ngắn mà ta chọn dung lượng ắc quy theo công thức sau :

(4.4) Trong đó:

- P là công suất tiêu thụ - watt

- T là thời gian hoạt động – h

- 0,7 là hệ số sử dụng

- U là điện áp của ắc quy- volt

Đối với hệ thống năng lượng gió công suất 2900 W, dùng nguồn điện 12VDC, dùng trong phục vụ hộ gia đình nên ta chọn thời gian sử dụng là trong 2 giờ đồng hồ, vậy ta có thể áp dụng công thức trên để tính dung lượng ắc quy:

Dung lượng ắc quy = = 690 Ah

Như vậy dung lượng ắc quy là rất lớn, để đáp ứng được yêu cầu có thể chọn

ắc quy của hãng Pinaco như sau:

Bảng 4.2 Chọn ắc quy cho hệ thống

Chọn bộ chỉnh lưu

* Bộ chỉnh lưu :

Bộ chỉnh lưu biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều cung cấp cho các tải một chiều như : động cơ điện một chiều, kích từ cho máy phát đồng bộ và cuộn dây hút của các khí cụ điện, công nghệ điện hóa: mạ, đúc điện, nạp ắc quy

Đây là sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng đi ốt Để giảm tiết diện dây quấn và

ngăn chặn các thành phần sóng hài và sóng thứ tự không chạy ngược về máy phát gây ảnh hưởng đến máy phát thì phía sơ cấp biến áp đấu tam giác, phía thứ cấp đấu sao (Δ/Y)

Điện áp ngược mỗi đi ốt phải chịu :

Unm = = = 29,39 V Chọn đi ốt chịu được điện áp ngược ku.Unm = 1,6 29,39 = 47,024 V Vậy chọn 6 đi ốt MR2000 Un = 50V, Imax = 20 A

Tính máy biến áp :

Dòng chỉnh lưu định mức Id = 154 A

Trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi pha thứ cấp máy biến áp :

I2 = Id = 125,7 A

Trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi 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

Các thông số chính của mô hình đã lắp đặt:

Hầm biogas + máy phát điện: 10m3, 1kW;

Tuabin gió: 2,9kW, trục ngang, cao 10m;

Ắc quy: 1x100 + 3x200 Ah, pinaco;

Các thiết bị phụ khác: inverter, điều khiển nạp, hộp đấu nối…

1 http://doc.edu.vn/tai-lieu/de-tai-tinh-toan-thiet-ke-mo-hinh-biogas-cho-ho-gia-dinh-48287/

2 http://www.mangchongtham.net/tai-lieu-mang-chong-tham-hdpe/cach-tinh-toan-lam-ham-biogas.html

[3] Đàm Quang Minh, Vũ Thành Tự Anh, Năng lượng gío Việt Nam, tiềm năng và triển vọng, Bài từ tủ sách VLOS

4 http://luanvan.co/luan-van/do-an-thiet-ke-ky-thuat-tuabin-gio-cong-suat-500w-43910/

2 Cách tính cho mô hình trang trại nhỏ, theo mô hình gia đình

Gia súc/thể tích 8m3 12m3 16m3

Công thức tính kích thước của hầm biogas loại gia đình:

Phân tươi/ngày x số gia súc x 2 (với bò) hoặc x 3 (với heo) x thời gian lưu giữ (60 ngày)

Ví dụ: một trại có 45 heo nái trên 60kg (một heo nái sản xuất 2kg phân tươi/ngày)

Phân heo x số con x 3 x thời gian lưu giữ = 2 x 45 x 3 x 60 = 16.200kg Như vậy, hầm biogas nên có kích thước là 16m3

TIỂU LUẬN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO (Xây dựng mô hình kết hợp giữa năng lượng gió và biogas để vận hành các thiết bị điện bao gồm: quạt, TV, tủ lạnh, điều hòa, bơm nước, đèn sợi đốt Mô hình được

ứng dụng tại Khánh Hòa)