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:

1


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

2


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.

3



- 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

4


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

5


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

6


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
Tivi
Tủ lạnh
Quạt
Bóng đèn sợi đốt
Máy bơm
Điều hòa

Công suất
thiết bị
100

150
55
60
125
2000

Số lượng

Hệ số sử
dụng
0,8
1
0,6
0,5
0,4
0,8

2
1
4
5
1
2

Tổng Công
suất(W)
160
150
132
150

50
3200

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

Hàm lượng
chất khô [%]

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
hằng ngày
[kg]
15 – 20
18 – 25
1,2 – 4
0,18 – 0,34
0,02 – 0,05

7

Sản lượng
khí hằng
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 của trại heo theo mô hình trang trại kín (Trại lạnh)

Những đặc điểm
1
3
4
5
6
7
8

Các thông số

Số lượng heo có mặt
Đầu con
trong 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 nuôi

Hecta (ha)
cần thiết

Các giá trị
100 300

500 1000 10000 30000 60000

3
36
23

9
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

(*)

: 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.

6

18

36

(*****) : 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
2.2. hệ thống cung cấp bằng năng lượng gió
- Các thông số đầu vào
- Vận tốc gió V = 7 [m/s]
- Công suất P = 2,9 [kW]
- Số cánh: Z = 3
- 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

8


- Khối lượng riêng của khí: = 1,225 [kg/m3]
- Tỉ tốc đầu mũi cánh λ = 6
Bán kính cánh quạt rotor


Tốc độ quay của rotor

Tính dòng điện định mức
Iđm =

(4.1)

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
Iqt = 1,3.Iđm

(4.2)
(4.3)

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

Tivi
Tủ lạnh
Quạt
Bóng đèn các 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 và biến đổi gió

9

Dòng quá tải (A)

4,25
1,75

1,105
0,46

2,85
56,85

0,71
14,78


* 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
mỗi hãng đều có những qui định chặt chẽ về cách sử dụng, bảo quản và chế độ nạp
điện khác nhau. Yêu cầu khi mua và sử dụng chúng ta đều phải có những hiểu biết
đầy đủ về ắc quy đã lựa chọn.
Trên thị trường, nên chọn mua những loại ắc quy tốt có chất lượng cao. Tránh
mua những loại ắc quy có chất lượng thấp tuy có giá thành rẻ ban đầu nhưng do
mau hư hỏng và gây ra các rắc rối khác trong quá trình sử dụng nên thực ra phải trả
chi phí cao.
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)

10



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
Loại

Số lượng

Điện Thế(V)

Dung Lượng (Ah)

N100

1

12


100

N200

3

12

200

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 =

.

=

11

= 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.
Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống:

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;

12



Ắc quy: 1x100 + 3x200 Ah, pinaco;
Các thiết bị phụ khác: inverter, điều khiển nạp, hộp đấu nối…

13


1 />2 />[3] Đàm Quang Minh, Vũ Thành Tự Anh, Năng lượng gío Việt Nam, tiềm năng và triển vọng,
Bài từ tủ sách VLOS

4 />2. Cách tính cho mô hình trang trại nhỏ, theo mô hình gia đình
Gia súc/thể tích
Bò sữa
Bò thịt
Heo

8m3
3
6
15

12m3
5
12
25

16m3
7
18
38


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)

14