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.
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 2- 3% 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]. 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.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: 𝑚𝑚 = 𝜌𝜌𝜌𝜌 = 𝜌𝜌. 1 Trong đó: − 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.
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 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 tua- bin.
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].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.