Tài liệu Nghiên cứu một số giải pháp chuyển đổi và công nghệ lưu trữ năng lượng trên phương tiện vận tải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu một số giải pháp chuyển đổi và công nghệ lưu trữ năng lượng trên phương tiện vận tải VŨ QUANG HUY [email protected] Ngành Kỹ thuật ô tô Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Đăng Quốc Chữ ký của GVHD Khoa: Cơ khí động lực HÀ NỘI, 10/2022 Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này em xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo thuộc nhóm chuyên môn Hệ thống động lực Ô tô và nhóm chuyên môn Ô tô và Xe chuyên dụng, khoa Cơ khí Động lực, trường Cơ khí đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy giáo hướng dẫn TS. Trần Đăng Quốc, giảng viên khoa Cơ khí Động lực, trường Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành được luận văn này. Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn cách hoàn chỉnh nhất song còn do các kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót mà bản thân chưa thấy được, nên em rất mong nhận được góp ý của các Thầy giáo, Cô giáo để luận văn được hoàn chỉnh hơn. Cuối cùng em xin kính chúc các Thầy giáo, Cô giáo trong thuộc nhóm chuyên môn Hệ thống động lực Ô tô và nhóm chuyên môn Ô tô và Xe chuyên dụng luôn luôn mạnh khỏe và đầy nhiệt huyết để tiếp tục truyền thụ các kiến thức quý báu cho các thế hệ tiếp theo. Hà Nội, ngày……tháng 10 năm 2022 Học viên thực hiện VŨ QUANG HUY Tóm tắt nội dung luận văn Được sự phân công và hướng dẫn của Thầy giáo TS. Trần Đăng Quốc em đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu một số giải pháp chuyển đổi và công nghệ lưu trữ năng lượng trên phương tiện vận tải”. Mục tiêu cụ thể của luận văn được chia thành ba nội dung chính và đây cũng là ba chương: Chương 1. Tổng quan về năng lượng tái tạo. Chương 2. Nghiên cứu về các phương tiện vận tải sử dụng năng lượng điện. Chương 3. Nghiên cứu về công nghệ lưu trữ năng lượng trên các phương tiện vận tải điện. HỌC VIÊN VŨ QUANG HUY 3 MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ......................... 12 1.1 Năng lượng tái tạo ...................................................................................... 12 1.2 Năng lượng gió ........................................................................................... 13 1.3 Năng lượng mặt trời ................................................................................... 15 1.4 Năng lượng thủy triều ................................................................................. 17 1.5 Năng lượng sóng ............................................................................................ 22 1.6 Năng lượng địa nhiệt .................................................................................. 23 1.7 Thủy năng ................................................................................................... 25 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ....................................................................................... 28 2.1. Khái quát chung về ô tô điện ...................................................................... 28 2.1.1. Quá trình phát triển của ô tô điện ................................................. 28 2.1.2. Xe hybrid không sạc điện từ bên ngoài (HEV) ............................ 28 2.1.3. Xe Plug-in Hybrid (PHEV) .......................................................... 31 2.2. Xe ô tô điện................................................................................................. 33 2.3. Xe nâng điện (Forklift truck) ...................................................................... 35 2.3.1. Xe buýt chạy bằng lưới điện ........................................................ 37 2.3.2. Xe buýt điện sử dụng pin ............................................................. 41 2.4. Tàu điện ...................................................................................................... 43 2.4.1. Ưu điểm ........................................................................................ 43 2.4.2. Nhược điểm .................................................................................. 44 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI ĐIỆN .............................................. 45 3.1. Ắc quy (Pin điện hoá) ................................................................................. 45 3.1.1. Pin axit-chì ................................................................................... 47 3.1.2. Pin Niken ...................................................................................... 48 3.1.3. Pin kim loại-khí ............................................................................ 50 3.1.4. Pin natri-lưu huỳnh ....................................................................... 51 3.1.5. Pin ZEBRA................................................................................... 52 3.1.6. Pin Lithium ................................................................................... 53 3.2. Pin nhiên liệu hydro.................................................................................... 56 3.2.1. Tổng quan về pin nhiên liệu ......................................................... 56 3.2.2. Pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc ................................ 59 4 3.2.3. Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy ............................................... 60 3.2.4. Pin nhiên liệu oxit rắn .................................................................. 61 3.2.5. Pin nhiên liệu axit photphoric ...................................................... 62 3.2.6. Pin nhiên liệu kiềm ....................................................................... 63 3.3. Kiểm soát nhiệt độ pin ................................................................................ 66 3.3.1. Tầm quan trọng của hệ thống làm mát ......................................... 66 3.3.2. Hệ thống làm mát cho pin ............................................................ 66 3.4. Các giải pháp thu hồi năng lượng ............................................................... 69 3.4.1. Siêu tụ điện ................................................................................... 69 3.4.2. Bánh đà ............................................................................................. 80 3.5. Xác định dung lượng pin cho phương tiện vận tải ..................................... 85 3.5.1. Các thông số và so sánh pin ......................................................... 85 3.5.2. Xác định về kích thước và tuổi thọ pin ........................................ 87 3.5.3. Xác định pin dùng cho xe điện (BEV) ......................................... 90 3.5.4. Xác định pin dùng cho xe Plug in Hybrid (PHEV) ...................... 92 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................ 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 94 5 Danh mục hình ảnh Hình 1. 1 Năng lượng tái tạo trên thế giới ........................................................... 12 Hình 1. 2 Tiêu thụ năng lượng toàn cầu ............................................................... 13 Hình 1. 3 Cấu tạo cơ bản pin mặt trời .................................................................. 16 Hình 1. 4 Mô phỏng hiệu ứng quang điện ........................................................... 16 Hình 1. 5 Hệ thống máy phát điện năng lượng mặt trời và động cơ Stirling....... 17 Hình 1. 6 Đập nước phát điện thủy triều bắc ngang sông Rane` ......................... 18 Hình 1. 7 Máy phát điện thủy triều trục ngang đặt chìm ..................................... 18 Hình 1. 8 Tua- bin máy phát điện thủy triều trục đứng ....................................... 18 Hình 1. 9 Tua- bin máy phát điện thủy triều trục nghiêng ................................... 19 Hình 1. 10 Mô hình đập phát điện thủy triều ....................................................... 19 Hình 1. 11 Sơ đồ hệ thống phát điện địa nhiệt ..................................................... 24 Hình 1. 12 Khai thác địa nhiệt trên thế giới ......................................................... 25 Hình 1. 13 Sản lượng điện hàng năm của các quốc gia ....................................... 27 Hình 2. 1 Xe hybrid và xe điện ............................................................................ 29 Hình 2. 2 Cấu tạo xe HEV - Hybrid Electric Vehicle .......................................... 29 Hình 2. 3 Kiểu xe hybrid nối tiếp ......................................................................... 30 Hình 2. 4 Kiểu xe hybrid song song..................................................................... 30 Hình 2. 5 Kiểu xe hybrid hỗn hợp........................................................................ 31 Hình 2. 6 Cấu tạo xe PHEV- Plug in Hybrid Electric Vehicles .......................... 33 Hình 2. 7 Bố trí hệ thống động lực trên EV ......................................................... 34 Hình 2. 8 Xe forklift điện và forklift động cơ đốt trong ...................................... 35 Hình 2. 9 Giảm hiện tượng rung lắc ở xe forklift điện ........................................ 36 Hình 2. 10 Sơ đồ cấu tạo xe điện bánh hơi .......................................................... 39 Hình 2. 11 Hệ động lực của xe điện bánh hơi ...................................................... 39 Hình 2. 12 Xe điện bánh hơi hai cầu .................................................................... 40 Hình 2. 13 Xe điện bánh hơi ba cầu có khớp xoay .............................................. 40 Hình 2. 14 Xe điện bánh hơi ba thân ................................................................... 40 Hình 2. 15 Xe điện bánh hơi hai tầng .................................................................. 41 Hình 2. 16 Xe buýt điện sử dụng pin ................................................................... 42 Hình 2. 17 Bố trí các bộ phận trên xe buýt điện .................................................. 42 Hình 2. 18 Trạm sạc điện nhanh .......................................................................... 42 Hình 2. 19 Công nghệ sạc điện không tiếp xúc ................................................... 43 Hình 2. 20 Đầu kéo tàu điện................................................................................. 44 6 Hình 3. 1 Pin Axít chì .......................................................................................... 48 Hình 3. 2 Pin Niken cadimium ............................................................................. 49 Hình 3. 3 Pin kẽm- không khí .............................................................................. 50 Hình 3. 4 Pin kim loại khí .................................................................................... 50 Hình 3. 5 Pin lưu huỳnh natri ............................................................................... 51 Hình 3. 6 Pin Zebra .............................................................................................. 52 Hình 3. 7 Pin Li-ion ............................................................................................. 54 Hình 3. 8 Hệ thống pin Li- ion trên xe Chevroler Botl EV.................................. 55 Hình 3. 9 Hệ thống pin nhiên liệu Hydro trên xe ................................................. 57 Hình 3. 10 Sơ đồ pin nhiên liệu Hydro ................................................................ 58 Hình 3. 11 Cấu tạo pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc ......................... 59 Hình 3. 12 Sơ đồ dòng chất phản ứng trong pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy 61 Hình 3. 13 Các pin nhiên liệu của tàu Apollo ...................................................... 64 Hình 3. 14 Bình hydro cao áp .............................................................................. 65 Hình 3. 15 Bộ pin của Nissan Leaf được làm mát bằng không khí ..................... 67 Hình 3. 16 Hệ làm mát pin bằng không khí trên xe Toyota Prius ....................... 67 Hình 3. 17 Hệ thống làm mát pin của Tesla......................................................... 68 Hình 3. 18 Hệ thống làm mát bằng chất lỏng của Chevrolet Vol ........................ 68 Hình 3. 19 Pin của XING được làm mát trực tiếp bằng chất lỏng ....................... 69 Hình 3. 20 Xe buýt sử dụng siêu tụ ...................................................................... 70 Hình 3. 21 Cấu trúc cacbon hoạt tính được tạo hình ........................................... 73 Hình 3. 22 Cấu trúc ống nano cacbon .................................................................. 75 Hình 3. 23 Cấu trúc cacbon củ hành .................................................................... 76 Hình 3. 24 Cấu trúc sợi nano cacbon ................................................................... 77 Hình 3. 25 Cấu tạo một hệ thống lưu trữ năng lượng trên bánh đà ..................... 81 Hình 3. 26 Các hình dạng của bánh đà ................................................................ 82 Hình 3. 27 Cấu tạo hộp số vô cấp của hệ thống KERS........................................ 83 Hình 3. 28 Hệ thống phục hồi động năng sử dụng bánh đà ................................. 84 Hình 3. 29 Đường cong phóng điện của một ngăn pin Li-ion 33,3 Ah ............... 86 Hình 3. 30 Các chu kỳ sạc/xả dung lượng so với điện áp của pin Li-ion ............ 88 Hình 3. 31 Chu kỳ sạc/xả so với độ tự xả sâu (DOD) ......................................... 89 7 Danh mục bảng biểu Bảng 3. 1 Loại pin được sử dụng trên một số mẫu xe ......................................... 46 Bảng 3. 2 Cấu tạo của một số loại pin ................................................................. 55 Bảng 3. 3 Phương trình phản ứng của các loại pin .............................................. 56 Bảng 3. 4 Bảng thông số một số hệ thống lưu trữ pin ......................................... 56 Bảng 3. 5 So sánh siêu tụ điện với pin Li-on ....................................................... 72 Bảng 3. 6 Các thông số đại diện cho các loại pin khác nhau ............................... 85 8 ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Lý do chọn đề tài Phát triển kinh tế gắn liền với sự gia tăng nhu cầu về năng lượng, ngành sử dụng nhiều năng lượng nhất là ngành công nghiệp, tiếp đến là giao thông vận tải, sau đó lần lượt là dịch vụ thương mại, dân dụng và nông nghiệp. Nguồn nhiên liệu để tạo ra năng lượng điện ở nước ta chủ yếu vẫn là than đá và dầu mỏ, theo số liệu thống kê trữ lượng của các nhiên liệu này đang ngày càng cạn kiệt và có giá rất cao. Nếu tiếp tục phát triển các nhà máy nhiệt điện than sẽ làm tăng giá thành điện bán ra và nguy cơ ô nhiễm môi trường do khí thải rất lớn. Trong khi đó, năng lượng thủy điện từ các dòng sông chính sẽ không còn khả năng khai thác nữa và năng lượng thủy điện nhỏ cũng chỉ có thể khai thác và cho tổng công suất tối đa khoảng 7.000MW. Để giải quyết đồng thời hai vấn đề an ninh năng lượng và sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống (than đá và dầu mỏ), thì năng lượng sinh khối ở Việt Nam có thể lấy từ các nguồn nguyên liệu như bã mía, dăm gỗ, trấu và rơm rạ. Trong tương lai nếu phát triển và được quy hoạch ở quy mô lớn, nguồn năng lượng sinh khối không chỉ có thể cấp trên 2.000 MW điện, giảm phát thải carbon và ô nhiễm môi trường mà còn đem lại lợi ích kinh tế cho người nông dân tham gia vào chuỗi giá trị năng lượng sinh học. Tiềm năng phát triển năng lượng điện gió của Việt Nam dao động trong khoảng 1.785MW - 8.700MW nhưng khó cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác nếu không được trợ giá từ Chính phủ. Năng lượng địa nhiệt được lấy từ trong lòng đất, ở Việt Nam nguồn năng lượng địa nhiệt được phân bố rải rác và có thể khai thác đạt mức 340 MW. Ngoài ra còn các nguồn năng lượng lấy từ biển cũng có thể tạo ra điện như: thủy triều, sóng biển, các dòng hải lưu, băng cháy dưới đáy biển cũng cần được khai thác sử dụng. Trong tương lai khi mà khai thác các nguồn năng lượng khác đã đến mức tới hạn thì nguồn năng lượng mặt trời là một tiềm năng lớn. Việc phát triển kinh tế và năng lượng sẽ kéo theo sự gia tăng về ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm không khí ở các thành phố lớn với 70% nguồn phát thải là do các hoạt động giao thông gây ra. Một trong những giải pháp để phát triển kinh tế bền vững ở nước ta hiện nay đó là phát triển giao thông xanh, trong đó các phương tiện giao thông hạn chế thải khí CO2 và các loại khí thải độc hại khác ra môi trường, đồng thời tăng cường sử dụng phương tiện giao thông công cộng. Nhiên liệu phục vụ cho giao thông xanh sẽ là năng lượng tái tạo, điện, khí thiên nhiên và sức người (xe đạp), trong đó xe ô tô điện cũng là một giải pháp hiệu quả góp phần đẩy mạnh phát triển mạng lưới giao thông công cộng. Để phát triển và cải thiện khả năng sử dụng của xe điện phù hợp với nhu cầu thực tiễn “Nghiên cứu một số giải pháp chuyển đổi và công nghệ lưu 9 trữ năng lượng trên phương tiện vận tải” là rất cần thiết ở điều kiện nước ta hiện nay. 2. Mục tiêu của đề tài 2.1. Mục tiêu tổng quát Hiểu được các kiến thức cơ bản về một số giải pháp chuyển đổi năng lượng tái tạo thành điện năng và công nghệ lưu trữ năng lượng điện trên phương tiện vận tải. 2.2. Mục tiêu cụ thể − Tìm hiểu tổng quan về năng lượng tái tạo để có thể khai thác các công nghệ lưu trữ năng lượng một cách hiệu quả, an toàn, tiết kiệm và phù hợp với điều kiện thực tế ở nước ta hiện nay. − Nghiên cứu về các phương tiện vận tải sử dụng điện để có thể đánh giá được nhu cầu sử dụng điện trong ngành giao thông, qua đó có thể kiến nghị và xây dựng quy hoạch về phát triển cơ sở hạ tầng cho các phương tiện vận tải trong tương lai. − Nghiên cứu về công nghệ lưu trữ năng lượng trên phương tiện vận tải nắm được nguyên lý, cấu tạo và ưu nhược điểm của các công nghệ lưu trữ năng lượng đang được sử dụng trên thế giới và xác định loại pin phù hợp với từng loại phương tiện vận tải. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nguồn năng lượng tái tạo, phương tiện vận tải sử dụng năng lượng điện và giải pháp kỹ thuật để tích trữ năng lượng điện. Lợi ích của việc chuyển đổi và lưu trữ năng lượng trong lĩnh vực giao thông vận tải. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Mối quan hệ giữa chuyển đổi năng lượng tái tạo thành điện năng, sử dụng và tích trữ điện năng trên các phương tiện vận tải. 4. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu tổng quát và ba mục tiêu đã đề ra, luận văn đã sử dụng một phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp, khái quát hoá, hệ thống tổng quan, cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu để đưa ra những đánh giá và nhận xét phù hợp với thực tế của Việt Nam. 5. Ý nghĩa của luận văn và thực tiễn − Hệ thống hoá lại những nguồn năng lượng tái tạo ở Việt Nam và công nghệ lưu trữ năng lượng, để từ đó đưa ra nhận định về việc phát triển cơ sở hạ tầng phục vụ cho các phương tiện vận tải sử dụng điện năng. 10 − Luận văn là tài liệu nghiên cứu, tham khảo quý giá trong công tác đào tạo chuyên ngành kỹ thuật ô tô nói riêng và Cơ khí động lực nói chung tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. 6. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và khuyến nghị, luận văn gồm 3 chương sau: − Chương 1. Tổng quan về năng lượng tái tạo − Chương 2. Nghiên cứu về các phương tiện vận tải sử dụng năng lượng điện − Chương 3. Nghiên cứu về công nghệ lưu trữ năng lượng trên phương tiện vận tải điện. 11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 Năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là những nguồn có sẵn và tự sinh ra liên tục trong tự nhiên như năng lượng: mặt trời (Solar energy), gió (Wind energy), nước (Hydro energy), thủy triều (Tidal energy), sóng (Wave energy) và địa nhiệt (Geothermal energy), sinh khối (Biomass). Nguồn năng lượng tái sinh này sẽ được sử dụng để phục vụ mục đích của con người thông qua các hệ thống trang thiết bị làm việc theo các chu trình nhiệt khác nhau. Các quá trình tạo ra năng lượng tái sinh được diễn ra liên tục nhờ tác nhân đặc biệt là từ Mặt Trời, năng lượng tái sinh có thể thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập nông thôn. Có khoảng 16,7% lượng tiêu thụ điện toàn cầu từ các nguồn năng lượng tái tạo vào năm 2010, với 8,5% tất cả năng lượng từ sinh khối truyền thống, chủ yếu được dùng để cung cấp điện, nhiệt sưởi ấm, làm mát và vận tải. Các nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải cung cấp khoảng 3% nhiên liệu vận tải toàn cầu vào năm 2011. Điện mặt trời tăng trưởng nhanh nhất trong số tất cả các công nghệ tái tạo trong giai đoạn từ cuối năm 2006 đến năm 2011, với công suất hoạt động tăng trung bình 58% hàng năm, tiếp theo là nhiệt điện mặt trời tập trung (CSP), tăng gần 37% hàng năm so với từ một cơ sở nhỏ, và năng lượng gió (26%). Nhu cầu cũng đang tăng nhanh chóng đối với các hệ thống nhiệt năng lượng mặt trời, máy bơm nhiệt địa nhiệt nguồn từ mặt đất và một số nhiên liệu sinh khối rắn. Năng lượng thủy điện và địa nhiệt đang tăng trên toàn cầu với tốc độ trung bình 23% mỗi năm. Tuy nhiên, ở một số quốc gia, tốc độ tăng trưởng của các công nghệ này và các công nghệ tái tạo khác vượt xa mức trung bình toàn cầu [1]. Hình 1. 1 Năng lượng tái tạo trên thế giới 12 Hình 1. 2 Tiêu thụ năng lượng toàn cầu Các nguồn năng lượng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý, ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia. Việc đưa vào sử dụng năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong an ninh năng lượng, giảm biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế đặc biệt là ở các vùng nông thôn và vùng sâu, vùng xa như nước ta hiện nay. Chuyển đổi năng lượng là quá trình thay đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác hoặc có thể chuyển sang một vị trí hoặc vật thể khác, nhưng nó không thể được tạo ra hoặc phá hủy. Năng lượng có nhiều dạng sẵn có trong tự nhiên như gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều, sóng biển và hóa học đều có thể chuyển đổi thành năng lượng điện sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. 1.2 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 lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ cổ đại. Năng lượng gió được hình thành nhờ 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 bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời sẽ gọi là ban đêm, bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực. Do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và áp suất không khí giữa xích đạo và 2 cực khi trái đất quay, vì vậy mà gió được sinh ra. Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu, nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một 13 vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ, trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu như trên thì gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền, vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v, khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là: Trong đó: 𝑚𝑚 = 𝜌𝜌𝜌𝜌 = 𝜌𝜌. 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 = 𝜌𝜌. 𝜋𝜋𝑟𝑟 2 𝑣𝑣𝑣𝑣 PT 1. 1 − ρ: Tỷ trọng của không khí, − V là thể tích khối lượng không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kính r trong thời gian t. Vì thế động năng E (kinetic energy) và công suất P của gió được tính theo công thức: 1 𝜋𝜋 PT 1. 2 𝑚𝑚. 𝑣𝑣 2 = 𝑟𝑟 2 𝑡𝑡. 𝑣𝑣 3 2 2 𝐸𝐸𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝜋𝜋 PT 1. 3 𝑃𝑃 = = 𝜌𝜌𝑟𝑟 2 . 𝑣𝑣 3 𝑡𝑡 2 Từ công thức trên có thể thấy được rằng gió là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến công suất gió và là hàm lũy thừa 3 của vận tốc gió (v). Sử dụng công suất gió này làm quay tua-bin gió để phát điện, hệ số Betz (Định luật Betz) được sử dụng để xác định hiệu suất tua-bin gió và hiệu suất lý thuyết lớn nhất có thể đạt được tối đa là 59.3%, ngày nay với thiết kế tua-bin hiện đại có thể đạt hiệu suất tới 80%, từ hiệu suất lý thuyết này có thể thấy rằng, không thể biến đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay thông qua một tua-bin gió được, bởi vì khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió thì tốc độ gió sẽ chậm lại, nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra một tua-bin gió phải không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang, lượng không khí phía sau một tua-bin gió phải đứng yên, vì gió không thổi đều đặn và tốc độ gió ban đêm mạnh hơn ban ngày, nên năng lượng điện phát sinh từ các tua-bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời để cung cấp được điện liên tục. Một sự kết hợp khác khá phức tạp đó là xây dựng các nhà máy điện gió trên các đỉnh núi cao để bơm nước vào các bồn chứa đặt trên cao, nước sẽ được sử dụng để vận hành tua-bin khi 𝐸𝐸𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 = 14 công suất gió không đủ lớn, ngoài ra còn có một giải pháp khác đó là sử dụng cánh quạt gió để quay máy nén khí, động năng của gió được tích lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén. Một hệ thống điều khiển sẽ cho phép các bình khí nén lần lượt cấp khí có áp suất cao vào các tua-bin để quay máy phát điện, hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí luân phiên để đảm bảo sự liên tục và ổn định cung cấp năng lượng quay máy phát điện, vì vậy điện được tạo ra ổn định hơn ngay cả khi gió mạnh hay yếu và kiểm soát được cả lượng khí xả từ bình tích áp đến tuabin. Tua-bin gió là các thiết bị chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng điện, thiết kế tua-bin gió là quá trình xác định hình dạng và thông số kỹ thuật của một tua-bin gió để trích năng lượng từ gió, việc lắp đặt tua-bin gió bao gồm các hệ thống cần thiết để thu năng lượng từ gió, chuyển đổi vòng quay cơ học thành năng lượng điện và các hệ thống khác để cho quá trình có thể bắt đầu, dừng và từ đó điều khiển được tua-bin, khí động học của tua-bin gió không đơn giản, luồng không khí ở các cánh tua-bin không giống như luồng không khí ở xa tua-bin, bản chất từ việc năng lượng được tách ra từ không khí cũng làm cho không khí bị lệch hướng bởi tua-bin, ngoài ra khí động lực học của một tua-bin gió ở bề mặt rotor còn thể hiện hiện tượng hiếm thấy trong các lĩnh vực khí động học khác, hình dạng và kích thước của cánh tua-bin gió được xác định bởi hiệu suất khí động học cần thiết để trích xuất năng lượng từ gió, và do sức mạnh cần thiết để chống lại các lực trên các cánh tua-bin, ngoài thiết kế khí động học của cánh tua-bin, thiết kế của một hệ thống năng lượng gió hoàn chỉnh cũng phải giải quyết thiết kế của trục quay trung tâm rotor, vỏ bọc, cấu trúc tháp, máy phát điện, điều khiển và nền móng của thiết bị [2]. 1.3 Năng lượng mặt trời Năng lượng Mặt Trời gồm hai phần là bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt Trời, trong đó phần bức xạ ánh sáng được chuyển đổi thành điện thông qua một tấm pin quang điện có cấu tạo cơ bản như hình 3, phần nhiệt từ mặt trời có thể được sử dụng cho đun nước nóng, sưởi ấm không gian, làm mát không gian và quá trình sinh nhiệt. Các vật liệu nhiệt khối phổ biến có thể sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ mặt trời gồm: đá, xi măng và nước, trong thực tế người ta đã lợi dụng năng lượng nhiệt của mặt trời để làm mát và thông gió của tòa nhà cao tầng thông qua một ống trụ cao, nhiệt từ mặt trời truyền vào thành ngoài của ống trụ cao sau đó dẫn nhiệt đến thành bên trong của ống, tại đây có sự trao đổi nhiệt giữa thành trong của ống trụ cao với không khí bên trong ống, nhiệt độ của khối khí bên trong ống tăng dần lên và bay lên tạo thành luồng gió lưu thông kéo không khí thông qua tòa nhà, để cải thiện hiệu suất làm mát cho tòa nhà cao tầng các nhà khoa học đã sử dụng kính và vật liệu nhiệt khối để lưu giữ và giải phóng nhiệt mặt trời. Trong khi đó, phần ánh sáng mặt trời lại được tận dụng dẫn vào các ngăn pin quang điện hay còn gọi 15 là pin quang điện (Hình 1.3) để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện dựa trên cơ chế hiệu ứng quang điện trong vật lý (Hình 1.4). Một giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời đã được nhiều quốc gia phát triển, đó là sử dụng các thấu kính hội tụ để tập trung năng lượng mặt trời tại nguồn máy phát điện động cơ Stirling (Hình 1.5), [3]. Hình 1. 3 Cấu tạo cơ bản pin mặt trời Hình 1. 4 Mô phỏng hiệu ứng quang điện 16 Hình 1. 5 Hệ thống máy phát điện năng lượng mặt trời và động cơ Stirling 1.4 Năng lượng thủy triều Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều là một dạng của thủy năng có thể chuyển đổi năng lượng thu được từ thủy triều thành các dạng năng lượng hữu ích khác, chủ yếu là điện, năng lượng thủy triều được lấy từ thủy triều của đại dương, hiện tượng thủy triều là các biến thiên định kỳ trong lực hút hấp dẫn do các thiên thể gây ra, các lực này tạo ra các chuyển động hoặc dòng điện tương ứng trong các đại dương của thế giới. Do sự hấp dẫn mạnh mẽ tới các đại dương, sự phình ra ở mực nước được tạo ra, gây ra sự gia tăng tạm thời mực nước biển, khi Trái Đất quay, sự phình ra ở đại dương này gặp nước nông tiếp giáp với bờ biển và tạo thủy triều, sự xuất hiện này xảy ra một cách bất thường do quỹ đạo của Mặt Trăng quanh Trái Đất. Tầm quan trọng và đặc điểm của chuyển động này cho thấy các vị trí thay đổi của Mặt Trăng và Mặt Trời liên quan đến Trái Đất, sự ảnh hưởng của vòng quay Trái Đất, và tính chất địa lý của đáy biển và bờ biển, năng lượng thủy triều là công nghệ duy nhất khai thác năng lượng vốn có trong các đặc điểm quỹ đạo của hệ thống Trái Đất–Mặt Trăng, và ở mức độ thấp hơn trong hệ thống Trái Đất–Mặt Trời. Thủy triều của Trái Đất hình thành là do sự tương tác của lực hấp dẫn với Mặt trăng và Mặt trời và sự di chuyển của Trái Đất, năng lượng thủy triều là vô tận và được phân loại là một nguồn Năng lượng tái tạo [4]. Máy phát điện thủy triều chuyển đổi năng lượng của dòng thủy triều thành điện năng, động năng của các dòng chảy di chuyển tới các tua-bin điện làm quay tua-bin, kết hợp các máy phát điện kiểu tua-bin lại để tạo thành tổ hợp máy phát điện, tổ hợp này có thể được xây dựng thành các kết cấu của các cây cầu (Hình 1.6) hoặc có thể được đặt chìm hoàn toàn dưới nước (Hình 1.7). Với các kết cấu linh hoạt này có thể giải quyết được vấn đề tác động đến cảnh quan thiên nhiên và các hạn chế về đất đai như eo biển hoặc cửa hút gió để tạo ra vận tốc cao tại các địa điểm cụ thể. Trục của tua-bin máy phát điện thủy triều có thể đặt nằm ngang, thẳng đứng hoặc mở, hay ngầm hóa, năng lượng dòng chảy đi vào tua-bin có thể được sử dụng ở tốc độ 17 cao hơn nhiều so với tua-bin gió, đó là do nước có mật độ tập trung phân tử lớn hơn so với không khí. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ở tua-bin thủy triều cao hơn rất nhiều so với tua-bin gió, nếu công nghệ chế tạo và kích thước tua-bin là như nhau thì vận tốc của dòng thủy triều khoảng 4.47 m/s sẽ cho công suất bằng hoặc lớn hơn so với tua-bin gió ở tốc độ là 40.23 m/s. Hình 1. 6 Đập nước phát điện thủy triều bắc ngang sông Rane Hình 1. 7 Máy phát điện thủy triều trục ngang đặt chìm Hình 1. 8 Tua- bin máy phát điện thủy triều trục đứng 18 Hình 1. 9 Tua- bin máy phát điện thủy triều trục nghiêng Hình 1. 10 Mô hình đập phát điện thủy triều Để tạo ra năng lượng từ hiện tượng thủy triều, các đập thủy triều đã được xây dựng với chiều cao khác nhau, thế năng từ thủy triều bị thu giữ thông qua việc bố trí các đập chuyên dụng, khi hiện tượng thủy triều xuất hiện, mực nước biển dâng lên sẽ được dẫn vào một khu vực rộng lớn phía sau đập và đây chính là một thế năng của nước được dự trữ, khi thủy triều hạ xuống, lượng nước dự trữ này sẽ được chuyển đến các tua-bin phát điện, nhờ có thế năng của thủy triều đã được dự trữ và chuyển thành cơ năng làm quay tua-bin máy phát điện nên một lượng điện đã được sinh ra, tăng khả năng dự trữ nước cho các đập lớn hơn nữa, giải pháp được cho là hiệu quả đó là sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió với năng lượng thủy triều, trong đó, năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời dư thừa có thể được sử dụng làm năng lượng đầu vào cung cấp điện cho các máy bơm nước, bằng cách kết hợp này có thể cho sản lượng điện cao hơn rất nhiều so với điện thủy triều truyền thống, đầm phá thủy triều Lagoonea ở xứ Wales Vương 19 quốc Anh là trạm phát điện kết hợp thủy triều đầu tiên có công suất lớn trên thế giới. Mặc dù nguồn năng lượng thủy triều này là vô tận và được tái tạo nhưng việc xây dựng những nhà máy điện thủy triều có thể gây ảnh hưởng hưởng xấu đến sự sống của các sinh vật biển, cánh của các tua-bin trong quá trình hoạt động có thể giết chết các sinh vật biển sống gần khu vực đó, ngay cả khi có các hệ thống an toàn tắt tua-bin khi động vật biển tiếp cận gần khu vực tua-bin nhưng một số loài cá vẫn rời bỏ vùng biển có nhà máy điện thủy triều, một vấn đề nữa đó là tiếng ồn do các cánh tua-bin gây ra đây cũng là vẫn đề làm ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống của sinh vật biển, đặc biệt là những loài động vật biển có khả năng giao tiếp và điều hướng trong môi trường biển bằng tín hiệu, chẳng hạn như cá heo và cá voi. Các nghiên cứu dự báo đã chỉ ra rằng, nếu phát triển các dự án điện thủy triều sẽ có thể ảnh hưởng đến các lớp trầm tích gần thiết bị thủy triều, hoặc có thể ảnh hưởng nghiêm trọng tới các hệ sinh thái và quá trình ven bờ, một trong những vấn đề nghiêm trọng khi xây dựng các đập thủy triều có thể thay đổi bờ biển trong vịnh hoặc cửa sông, gây ức chế dòng chảy của nước trong và ngoài vịnh, cũng có thể có ứ đọng tại vịnh hoặc cửa sông, gây đục cục bộ (chất rắn lơ lửng) và giảm nước mặn lưu thông vào, có thể dẫn đến cái chết của cá. Việc xây dựng các đập thủy triều còn làm cản trở giao thông qua các khu vực này, tuy nhiên, việc xây dựng đập có thể cải thiện nền kinh tế địa phương. Các quá trình sinh học xảy ra trong bất kỳ cấu trúc nào trong một vùng có dòng thủy triều cao và năng suất sinh học cao trong đại dương đều sẽ đảm bảo rằng cấu trúc tại đó sẽ trở thành một chất nền lý tưởng cho sự phát triển của sinh vật biển, trong tài liệu tham khảo về 'Dự án thủy triều hiện tại' tại Race Rocks ở British Columbia, tài liệu này đã được ghi lại, cũng trong tài liệu này và trong 'Một số vật liệu kết cấu và lớp phủ' đã được kiểm tra bởi các thợ lặn Lester Pearson College để hỗ trợ Clean Current trong việc giảm ô nhiễm trên tua-bin và cơ sở hạ tầng dưới nước khác. Năng lượng thủy triều là một công nghệ tương đối mới và có chi phí ban đầu rất đắt, điều này có thể là một trong những lý do khiến năng lượng thủy triều không phải là nguồn năng lượng tái tạo phổ biến, tuy nhiên việc khai thác và sử dụng năng lượng thủy triều vẫn còn rất sớm trong quá trình nghiên cứu và khả năng giảm giá thủy năng có thể là một lựa chọn, hiệu quả chi phí phụ thuộc vào từng máy phát điện thủy triều được lắp đặt, để tìm ra hiệu quả chi phí họ sử dụng tỷ lệ Gilbert, bằng chiều dài của đập theo đơn vị mét để sản xuất năng lượng hàng năm tính bằng kilowatt giờ (1 kilowatt giờ = 1 kWh = 1000 watt sử dụng trong 1 giờ). Cơ sở thử nghiệm năng lượng biển đầu tiên trên thế giới được thành lập vào năm 2003, với mục đích bắt đầu phát triển ngành công nghiệp năng lượng từ sóng và thủy triều ở Anh, Trung tâm Năng lượng Biển Châu Âu (EMEC: European Marine Energy Centre), có trụ sở tại Orkney, Scotland đã hỗ trợ việc triển khai 20