Bài viết Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh trình bày phương pháp thiết kế mô hình nhà ở sử dụng các thiết bị pin năng lượng mặt trời, biogas chúng tôi đã đưa ra hướng giải quyết cơ bản về vấn đề cung cấp đi ện năng cho các nhu cầu thiết yếu của một căn hộ gia đình,... Mời các bạn cùng tham khảo,
Thiết kế mơSốhình lượng 3(28)nhà – 2016, Tháng – xanh 2016 TDMU, số học - 2016 Tạp chí Khoa TDMU ISSN: 1859 - 4433 THIẾT KẾ MƠ HÌNH NHÀ Ở NĂNG LƯỢNG XANH Nguyễn Thanh Tùng Trường Đại học Thủ Dầu Một TÓM TẮT Bằng phương pháp thiết kế mơ hình nhà sử dụng thiết bị pin lượng mặt trời, biogas đưa hướng giải vấn đề cung cấp điện cho nhu cầu thiết yếu hộ gia đình Đáp ứng lời kêu gọi Liên Hiệp Quốc việc khuyến khích sử dụng nguồn lượng tái tạo giải pháp tất yếu cho vấn đề lượng toàn cầu tương lai nhằm chống biến đổi khí hậu nhiễm mơi trường Từ khóa: thiết kế, mơ hình, lượng, mặt trời, tái tạo Tổng quan 1.2 Mặt trời lượng mặt trời 1.1 Đặt vấn đề Mặt trời khối khí hình cầu có đường kính 1,39 triệu km (lớn 110 lần Nguồn lượng hóa thạch (than đá, đường kính trái đất), cách xa trái đất 150 dầu hoả khí đốt…) hình thành triệu km (bằng đơn vị thiên văn AU) trình phân huỷ sinh vật bị chôn Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg vùi cách hàng triệu năm, nguồn Nhiệt độ T trung tâm mặt trời thay đổi lượng có hạn khai thác từ nhiều khoảng từ 1.107K đến 2.107K, trung năm, cạn kiệt dần Quá trình khai thác bình khoảng 1,56.107K Ánh sáng nói loại nhiên liệu hố thạch thường tác riêng, hay xạ điện từ nói chung, từ bề động xấu đến nguồn nước đa dạng sinh mặt mặt trời xem nguồn học, làm nhiễm mơi trường Khi đốt cháy lượng cho trái đất Chùm tia truyền chúng thường sinh khí CO2 thẳng từ mặt trời gọi xạ trực xạ nguyên nhân gây hiệu ứng nhà Tổng hợp tia trực xạ tán xạ gọi kính, biến đổi khí hậu hậu làm trái tổng xạ Mật độ dòng xạ trực xạ đất nóng lên kéo theo nhiều hệ khác ngồi lớp khí quyển, tính 1m2 bề ảnh hưởng đến sống người mặt đặt vng góc với tia xạ, Năng lượng tái tạo hay “năng lượng tính theo cơng thức: xanh” lượng từ nguồn liên tục q = ϕD-T.Co(T/100)4 xem gần vơ hạn (năng lượng mặt Trong đó: ϕD-T = β2/4 hệ số góc xạ trời, gió, thủy triều, lượng sinh học, Trái đất Mặt trời; β : góc nhìn Mặt trời sóng địa nhiệt) Việc khai thác sử dụng với β ≃32’; nguồn lượng tái tạo không Co = 5,67 W/m2.K4 hệ số xạ (hoặc ít) gây ảnh hưởng xấu đến mơi trường vật đen tuyệt đối; T ≃ 5762 K- nhiệt độ bề sinh thái Việc đưa vào sử dụng lượng mặt Mặt trời Suy ra: q ≃ 1353 W/m2 tái tạo nhanh hiệu có ý nghĩa quan trọng an ninh lượng, giảm thiểu Do khoảng cách trái đất mặt biến đổi khí hậu, có lợi ích kinh tế trời thay đổi theo mùa năm nên β 35 TDMU, số - 2016 Nguyễn Thanh Tùng thay đổi, q thay đổi độ thay đổi không lớn nên xem q khơng đổi gọi số mặt trời Ở Việt Nam bình quân có khoảng 1800 – 2200 nắng hay 300 ngày/năm, lượng xạ mặt trời phía Nam tăng 20% so với tỉnh phía Bắc Ở vùng này, mặt trời chiếu gần quanh năm, kể vào mùa mưa Do đó, địa phương Nam Trung Bộ Nam Bộ, nguồn xạ mặt trời nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng, trung bình ngày năm lượng mặt trời phía bắc 3,6 kWh/m2.ngày phía nam kWh/m2.ngày 1.3.Cấu tạo, hệ thống pin mặt trời Cấu tạo pin mặt trời lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện bên Cho tới vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời silic tinh thể có hiệu suất từ 3% - 16% Hệ thống pin mặt trời bao gồm thành phần: pin mặt trời (Solar Array), tải tiêu thụ điện, thiết bị lưu trữ điện (Battery) thiết bị điều khiển sạt (Charge Controller), chuyển đổi dòng điện chiều DC thành xoay chiều AC (Inverter)… Khi có ánh nắng mặt trời pin chuyển đổi lượng ánh nắng thành dòng điện DC Dòng điện thơng qua thiết bị điều khiển sạc để nạp cho ắc quy Khi ắc quy đầy tự động ngưng sạc đồng thời ắc quy q cạn khơng đưa điện DC tải nhằm bảo vệ kéo dài tuổi thọ ắc quy Khi điện áp ắc quy giảm mạch tự động nạp lại đầy Inverter có chức chuyển đổi điện DC từ ắc quy thành điện xoay chiều hình sine 220V/50Hz để dùng cho tải AC Tổng công suất tải AC phải nhỏ công suất cực đại Inverter Hình Sơ đồ hệ thống điện lượng mặt trời 1.4 Thành phần khí sinh học Biogas hay khí sinh học hỗn hợp khí phát sinh từ phân huỷ vật chất hữu gồm CH4, CO2, N2, O2, H2S, CO… thuỷ phân mơi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 - 40oC Thiết kế thiết bị composit gồm phận chơn chìm mặt đất gồm có: bể phân giải, ngăn chứa khí, ống dẫn khí, cửa nạp nguyên liệu, cửa xả Thực nghiệm 2.1 Thiết kế mơ hình nhà Ý tưởng, mục tiêu đề tài thiết kế mô hình nhà giống nhà thật, nằm khuôn viên mảnh đất 36 Thiết kế mô hình nhà lượng xanh TDMU, số - 2016 rộng, có sân vườn, cảnh kết hợp chuồng trại chăn ni gia súc, gia cầm Căn nhà phương tiện, thiết bị sử dụng điện tạo từ nguồn lượng mặt trời thông qua hệ thống pin mặt trời 21V/6W, qua sạc điện (mơ hình sử dụng diode ngăn dòng ngược) dòng điện tích vào nguồn ắc quy chuyển đổi điện (Inverter) biến dòng DC thành dòng AC sử dụng cho thiết bị điện cơng suất nhỏ Trên mái nhà có tích hợp mơ hình máy nước nóng dùng lượng mặt trời pin nhỏ dùng để cung cấp cho hệ thống đèn, quạt ban ngày có nắng Với hệ thống vườn rau, cảnh xung quanh nhà làm mát hệ thống phun sương lượng mặt trời, máy bơm nước mini dùng nguồn DC làm cho khu nhà ln có cảm giác mát mẻ, thân thiện mơi trường chủ nhân tự cải thiện bữa ăn gia đình cách tự trồng loại rau cải quanh nhà Ngồi chúng tơi thử lắp đặt thêm hệ thống 02 mạch cảm biến ánh sáng, dùng để tự động đóng ngắt nguồn điện cung cấp cho thiết bị trời bắt đầu tối (cảm biến 1) ngược lại kích hoạt máy bơm nước phun sương (cảm biến 2) trời nắng gắt Với xe trò chơi trẻ em lắp đặt pin Mặt trời 6V/6W để sạt vào pin Li-Ion có nắng nguồn DC cung cấp cho động xe hoạt động Trong thực tế người ta sản xuất xe chạy ắc quy theo cách Hệ thống hầm biogas làm composit (chỉ dùng vật minh họa) sử dụng khí sinh học lấy từ chất thải hữu (do người gia súc, vật nuôi nhà) thay khí gas dùng để nấu ăn cho gia đình Hình Tồn cảnh khu nhà mơ hình 37 TDMU, số - 2016 Nguyễn Thanh Tùng Hình Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng dùng IC Hình Sơ đồ mạch Inverter DC/AC 40W 2.2 Khảo sát hoạt động hệ thống pin lượng mặt trời nhà mơ hình Để khảo sát hệ thống pin mặt trời nhà mơ hình, chúng tơi đặt hai pin mặt trời hợp góc 900 mái nhà với dụng cụ đo: nhiệt kế, máy đo cường độ sáng LUX kế, thước đo góc, vôn kế thị led đoạn Chúng tiến hành ghi nhận số liệu sau 45 phút, 12 thời điểm ngày, đo vào ngày có nắng tốt 23/04/2016-(1) 29/04/2016-(2), Biên Hòa, Đồng Nai, với kết bảng Bảng Thống kê số liệu đo đạc ngày 23 29/04/2016 Biên Hòa, Đồng Nai STT Thời điểm đo 10 11 12 TB 7h30’ 8h30’ 9h15’ 10h 10h45’ 11h30’ 12h15’ 13h 13h45’ 14h30’ 15h15’ 16h Điện ra(V) (1) (2) 17,1 17,2 18,2 18,4 18,8 18,5 18,7 18,6 18,8 18,7 18,4 18,8 18,3 19,2 18,2 19,1 18 19,2 17,8 18,6 17,2 18,2 16 16,6 18,2 V Nhiệt độ (0C) (1) (2) 27 26 31 29 32 32 36 33 37 30 36 33 35 35 37 34 35 37 36 37 33 34 31 32 33,20C 38 Cường độ (klx) (1) (2) 36,4 28,3 58,3 31,3 58,4 31,7 80,9 44,5 83,2 48,3 83,4 47,1 77,1 53,6 56,6 52,4 50,6 53,5 31,3 44,7 29,7 22,6 25,2 14,2 47,6 klx Góc (0) 70 60 35 30 20 10 -10 -20 -30 -45 -60 Thiết kế mơ hình nhà lượng xanh TDMU, số - 2016 Hình Đồ thị quan hệ điện đầu thời điểm ngày Qua đo số liệu đo nhận thấy nhiệt độ mơi trường ngồi trời trung bình 330C điện thu có giá trị trung bình sau 02 ngày 18,2V với độ chiếu sáng trung bình 47,6 klx (Kilo Lux) Chuyển đổi đơn vị Lux = 1,46 mW/m2 = lumen/m2 ( hay 1lm/1W = 683) Theo giá trị đo pin Mặt trời nhận độ rọi sáng chiếu bề mặt là: 47,6 klux = 47,6 klm/m2 = 47,6.103 x 1,46 x 10-3 = 69,5 W/m2 (Theo quy chuẩn QCVN09:2013 Bộ Xây dựng, độ chiếu sáng tối đa nhà 13 W/m2) thống ắc quy ngày từ gần 7h30 đến sau 16h (8,5 sạt) Qua đó, chúng tơi đánh giá khả cung cấp điện pin Mặt trời hồn tồn thay điện từ nguồn lượng hóa thạch Bài tốn kinh tế thơng qua mơ hình nhà 3.1 Chi phí điện hàng tháng hộ gia đình Theo thiết kế mơ hình nhà sử dụng cho người Chi phí sử dụng điện năng, giá thành dùng điện lưới cho hộ gia đình với thiết bị điện (tính mức sử dụng điện trung bình hàng ngày) bảng Với giá trị điện từ pin mặt trời 18,2V hồn tồn sạt điện cho hệ Bảng Thống kê thiết bị sử dụng điện hộ gia đình STT Cơng suất (W) SL Số giờ/ngày Số ngày/tháng Công suất (kWh) Đèn neon Thiết bị 40 30 36 Tủ lạnh 100 24 30 72 Tivi 40 30 14,4 Quạt máy 30 30 10,8 Nồi cơm điện 450 30 27 Máy tính 30 30 13,5 Bơm mini 40 30 2,4 Máy nước nóng 200 30 12 Bàn ủi điện 1000 1 30 30 10 Đun nước 2000 1 30 TỔNG CỘNG 60 237 39 TDMU, số - 2016 Nguyễn Thanh Tùng Với tính tốn mức điện bình qn EVN chi phí tiền điện 453.644VNĐ Chi phí nấu ăn trung bình hộ gia đình 12kg gas/tháng với giá 270.000 VNĐ (Petro Viet Nam), tổng chi phí cho điện gas là: 453.644 + 270.000 = 723.644 VNĐ 3.2 Chi phí lắp đặt hệ thống lượng mặt trời – Tính tổng số pin cần dùng M, Wh-tổng công suất tiêu thụ ngày, W-giá trị công suất pin, A (kW/m2/ngày) lượng ánh sáng chiếu lên pin, ta có cơng thức: W 1.3 M h WA – Tính dung lượng ắc quy cần trang bị theo công thức thực nghiệm sau: Wh C H1 H U ngày, H1 - hiệu suất ắc quy, H2 - hệ số mức xả sâu DOD, U-điện ắc quy Để tính dung lượng bình ắc quy lấy hiệu suất khoảng 85% hệ số mức xả sâu DOD khoảng 60%, điện bình 12V Dự phòng số ngày khơng có nắng Aday (autonomyday) ta có cơng thức thực nghiệm là: C Wh Aday H1H 2U Thay thông số với số ngày dự phòng khơng nắng cơng suất từ Bảng 1, ta có dung lượng ắc quy cần dùng cho hệ thống là: C Wh 7900.3 Aday 3.873( Ah) H1H 2U 0,85.0, 6.12 Tương ứng số ắc quy loại 400Ah (mắc song song) là: 3.873 / 400 = 9,7 = 10 (ắc quy) Chúng tạm thống kê chi phí trang bị hệ thống pin lượng mặt trời, theo số liệu cập nhật (bảng 3) Trong đó, C- dung lượng ắc quy (Ah), Wh-tổng công suất tiêu thụ Bảng Bảng kê chi phí vật tư, thiết bị Đơn vị Số lượng Pin solar cell 400W Vật tư Bộ 7.200.000 36.000.000 Charge controller 30A Bộ 4.000.000 4.000.000 Inverter 30A/3000W Bộ 5.600.000 5.600.000 Accu 400Ah Cái 10 4.000.000 40.000.000 Dây cáp điện mét 100 10.000 1.000.000 Nước nóng NLMT/200L Bộ 6.000.000 6.000.000 Biogas Composit Bộ 15.000.000 15.000.000 Vật tư khác (giàn sắt) 4.000.000 Chi phí lắp đặt 3.000.000 TỔNG CỘNG 114.600.000 STT Đơn giá Giá thành Với nguồn kinh phí đầu tư cho hệ thống pin lượng mặt trời hầm biogas theo giá thị trường cần phải sau 13 năm hoàn vốn Với pin bảo hành 15 năm thiết bị khác cần phải thay thế, sửa chữa vài lần thời gian này, dẫn đến Theo số liệu bảng 3, chi phí cần thiết để lắp đặt thiết bị cho hệ thống lượng mặt trời cung cấp điện năng, máy nước nóng hầm biogas chúng tơi tính giá trị tương ứng chi trả chi phí tương ứng: 114.600.000 / 723.000 = 159 tháng = 13 năm tháng 40 Thiết kế mơ hình nhà lượng xanh TDMU, số - 2016 tăng nguồn kinh phí đầu tư lên cao nhiều Kết luận Qua nghiên cứu thực tế nhà mơ hình chúng tơi lắp đặt thiết bị tương đối đủ để hoạt động nhà thật, kết cho thấy nhà mơ hình hoạt động độc lập, tự cung cấp điện lượng mặt trời Qua chúng tơi tính tốn chi phí lắp đặt xây dựng hệ thống sử dụng lượng Mặt trời cho đối tượng nhà với quy mô lớn thu kết cụ thể Kết đề tài cho thấy với hiệu kinh tế chuyển đổi hình thức dùng nguồn lượng tái tạo thay cho hố thạch khơng có, phải nhiều năm hồn vốn giá thành thiết bị thời đắt Với chi phí cao chuyển đổi sang cách dùng nguồn lượng tái tạo để giảm thiểu ảnh hưởng khai thác sử dụng nguồn lượng hố thạch gây nhiễm mơi trường, hiệu ứng nhà kính tác động khơng tốt đến mơi trường sinh thái, biến đổi khí hậu ảnh hưởng lớn đến sống tương lai người hành tinh DESIGN MODEL OF GREEN ENERGY HOUSE Nguyen Thanh Tung ABTRACT By design methodology housing model using application equipment battery solar energy, biogas cellars we have been solving basic problems of power supply for the essential needs of a family apartments Responding to a call by the United Nations to encourage the use renewable energy sources is an essential solution to the problem of global energy in the future to combat climate change and environmental pollution TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Minh An, Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời ni tải DC, tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (AA10-121107_Isole), Luận văn tốt nghiệp cử nhân, Trường Đại học Bách khoa (VNU-HCM), 2008 [2] Nguyễn Quang Khải, Cơng nghệ khí sinh học, NXB Lao động Xã hội, 2002 [3] Nguyễn Công Vân, Năng lượng mặt trời trình nhiệt ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005 [4] Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cơng trình xây dựng sử dụng lượng hiệu quả, QCVN, BXD, 09:2013 [5] Nhiên liệu hoá thạch, https://vi.wikipedia.org/wiki [6] Năng lượng tái tạo, https://vi.wikipedia.org/wiki Ngày nhận bài: 19/03/2016 Chấp nhận đăng: 16/05/2016 Liên hệ: Nguyễn Thanh Tùng Khoa Khoa học Tự Nhiên Trường Đại học Thủ Dầu Một Số Trần Văn Ơn, Phú Hòa – Thủ Dầu Một – Bình Dương Email: nttung@tdmu.edu.vn 41 ... 2.1 Thiết kế mơ hình nhà Ý tưởng, mục tiêu đề tài thiết kế mơ hình nhà giống nhà thật, nằm khuôn viên mảnh đất 36 Thiết kế mơ hình nhà lượng xanh TDMU, số - 2016 rộng, có sân vườn, cảnh kết hợp... 40 Thiết kế mơ hình nhà lượng xanh TDMU, số - 2016 tăng nguồn kinh phí đầu tư lên cao nhiều Kết luận Qua nghiên cứu thực tế nhà mơ hình lắp đặt thiết bị tương đối đủ để hoạt động nhà thật, kết... thơng qua mơ hình nhà 3.1 Chi phí điện hàng tháng hộ gia đình Theo thiết kế mơ hình nhà sử dụng cho người Chi phí sử dụng điện năng, giá thành dùng điện lưới cho hộ gia đình với thiết bị điện