Giáo trình Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh - Nguyễn Thanh Tùng

Nội dung text: Giáo trình Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh - Nguyễn Thanh Tùng

1. TDMU,Tạp chí Khoa số 2 h- ọ2016c TDMU Thiết kế môS ốhình 3(28 nh) –à 2016, ở năng Tháng lượ ng6 – xanh2016 ISSN: 1859 - 4433 THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ Ở NĂNG LƯỢNG XANH Nguyễn Thanh Tùng Trường Đại học Thủ Dầu Một TÓM TẮT Bằng 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 điện năng cho các nhu cầu thiết yếu của một căn hộ gia đình. Đáp ứng lời kêu gọi của Liên Hiệp Quốc về việc khuyến khích sử dụng nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp tất yếu cho vấn đề năng lượng của toàn cầu trong tương lai nhằm chống biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường. Từ khóa: thiết kế, mô hình, năng lượng, mặt trời, tái tạo 1. Tổng quan 1.2. Mặt trời và năng lượng mặt trời 1.1. Đặt vấn đề Mặt trời là một khối khí hình cầu có Nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, đường kính 1,39 triệu km (lớn hơn 110 lần dầu hoả và khí đốt ) được hình thành bởi đường kính trái đất), cách xa trái đất 150 quá trình phân huỷ của các sinh vật bị chôn triệu km (bằng một đơn vị thiên văn AU). 30 vùi cách đây hàng triệu năm, là nguồn năng Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.10 kg. lượng có hạn và đã được khai thác từ nhiều Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi 7 7 năm, đang cạn kiệt dần. Quá trình khai thác trong khoảng từ 1.10 K đến 2.10 K, trung 7 các loại nhiên liệu hoá thạch thường tác bình khoảng 1,56.10 K. Ánh sáng nói động xấu đến nguồn nước và đa dạng sinh riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề học, làm ô nhiễm môi trường. Khi đốt cháy mặt của mặt trời được xem là nguồn năng chúng thường sinh ra khí CO2 đây là lượng chính cho trái đất. Chùm tia truyền nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. kính, biến đổi khí hậu và hậu quả là làm trái Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là đất nóng lên kéo theo rất nhiều hệ quả khác tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở 2 ảnh hưởng đến cuộc sống của con người. ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m bề Năng lượng tái tạo hay “năng lượng mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được xanh” là năng lượng từ những nguồn liên tục tính theo công thức: q = ϕ .C (T/100)4 có thể xem gần như vô hạn (năng lượng mặt D-T o 2 trời, gió, thủy triều, năng lượng sinh học, Trong đó: ϕD-T = β /4 hệ số góc bức xạ sóng và địa nhiệt). Việc khai thác sử dụng giữa Trái đất và Mặt trời; β : góc nhìn Mặt trời các nguồn năng lượng tái tạo cũng không với β ≃32’; 2 4 (hoặc ít) gây ảnh hưởng xấu đến môi trường Co = 5,67 W/m .K hệ số bức xạ của sinh thái. Việc đưa vào sử dụng năng lượng vật đen tuyệt đối; T ≃ 5762 K- nhiệt độ bề tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan mặt Mặt trời. Suy ra: q ≃ 1353 W/m2. trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu Do khoảng cách giữa trái đất và mặt biến đổi khí hậu, có lợi ích kinh tế. trời thay đổi theo mùa trong năm nên β 35
2. TDMU, số 2 - 2016 Nguyễn Thanh Tùng cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi cho pin mặt trời là các silic tinh thể có hiệu nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có suất từ 3% - 16%. Hệ thống pin mặt trời bao thể xem q là không đổi và được gọi là gồm các thành phần: các tấm pin mặt trời hằng số mặt trời. (Solar Array), các tải tiêu thụ điện, các thiết Ở Việt Nam bình quân có khoảng bị lưu trữ điện năng (Battery) và các thiết bị 1800 – 2200 giờ nắng hay 300 ngày/năm, điều khiển sạt (Charge Controller), bộ lượng bức xạ mặt trời ở phía Nam tăng chuyển đổi dòng điện một chiều DC thành 20% so với các tỉnh phía Bắc. Ở vùng này, xoay chiều AC (Inverter) Khi có ánh mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả nắng mặt trời các tấm pin sẽ chuyển đổi vào mùa mưa. Do đó, đối với các địa năng lượng ánh nắng thành dòng điện DC. phương ở Nam Trung Bộ và Nam Bộ, Dòng điện này sẽ thông qua thiết bị điều nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài khiển sạc để nạp cho ắc quy. Khi ắc quy nguyên to lớn để khai thác sử dụng, trung đầy sẽ tự động ngưng sạc đồng thời khi ắc bình các ngày trong năm năng lượng mặt quy quá cạn nó sẽ không đưa điện DC ra tải trời ở phía bắc là 3,6 kWh/m2.ngày và phía nhằm bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của ắc quy. nam là 5 kWh/m2.ngày. Khi điện áp của ắc quy giảm mạch sẽ tự 1.3.Cấu tạo, hệ thống pin mặt trời động nạp lại cho đến khi đầy. Inverter có Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp chức năng chuyển đổi điện năng DC từ ắc tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi quy thành điện xoay chiều hình sine trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành 220V/50Hz để dùng cho các tải AC. Tổng điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên công suất của các tải AC luôn phải nhỏ trong. Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu hơn công suất cực đại của Inverter. Hình 1. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời 1.4. Thành phần khí sinh học đất gồm có: bể phân giải, ngăn chứa khí, Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí ống dẫn khí, cửa nạp nguyên liệu, cửa xả. phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu 2. Thực nghiệm cơ gồm CH , CO , N , O , H S, CO 4 2 2 2 2 2.1. Thiết kế mô hình nhà ở được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 - 40oC Ý tưởng, mục tiêu của đề tài là thiết Thiết kế của thiết bị composit gồm kế mô hình một căn nhà giống như căn nhà những bộ phận được chôn chìm dưới mặt thật, nằm trong khuôn viên một mảnh đất 36
3. TDMU, số 2 - 2016 Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh rộng, có sân vườn, cây cảnh và kết hợp cả Với hệ thống vườn rau, cây cảnh xung chuồng trại có thể chăn nuôi gia súc, gia quanh nhà được làm mát bằng hệ thống cầm. Căn nhà chính và các phương tiện, phun sương năng lượng mặt trời, máy bơm thiết bị sử dụng điện đều được tạo từ nước mini dùng nguồn DC làm cho khu nguồn năng lượng mặt trời thông qua hệ nhà luôn có cảm giác mát mẻ, thân thiện thống 2 tấm pin mặt trời 21V/6W, qua bộ môi trường và chủ nhân có thể tự cải thiện sạc điện (mô hình chỉ sử dụng diode ngăn bữa ăn gia đình bằng cách tự trồng các loại dòng ngược) dòng điện tích vào bộ nguồn rau cải quanh nhà. ắc quy và bằng bộ chuyển đổi điện Ngoài ra chúng tôi còn thử lắp đặt (Inverter) biến dòng DC thành dòng AC sử thêm hệ thống 02 mạch cảm biến ánh sáng, dụng cho các thiết bị điện công suất nhỏ. dùng để tự động đóng ngắt nguồn điện Trên mái nhà có tích hợp mô hình máy cung cấp cho các thiết bị khi trời bắt đầu nước nóng dùng năng lượng mặt trời và tối (cảm biến 1) và ngược lại có thể kích các tấm pin nhỏ dùng để cung cấp cho hệ hoạt máy bơm nước phun sương (cảm biến thống đèn, quạt khi ban ngày có nắng. 2) khi trời nắng gắt. Với chiếc xe trò chơi Hệ thống hầm biogas làm bằng trẻ em chúng tôi cũng lắp đặt tấm pin Mặt composit (chỉ dùng vật minh họa) sử dụng trời 6V/6W để sạt vào bộ 3 pin Li-Ion khi khí sinh học lấy từ chất thải hữu cơ (do có nắng và nguồn DC này sẽ cung cấp cho người và gia súc, vật nuôi trong nhà) thay động cơ xe hoạt động. Trong thực tế người thế khí gas dùng để nấu ăn cho gia đình. ta cũng sản xuất xe chạy bằng ắc quy theo cách này. Hình 2. Toàn cảnh khu nhà mô hình 37
4. TDMU, số 2 - 2016 Nguyễn Thanh Tùng Hình 3. Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng dùng IC Hình 4. Sơ đồ mạch Inverter DC/AC 40W 2.2. Khảo sát hoạt động của hệ thống sáng LUX kế, thước đo góc, vôn kế chỉ thị pin năng lượng mặt trời nhà mô hình led 7 đoạn. Chúng tôi tiến hành ghi nhận Để khảo sát hệ thống pin mặt trời của các số liệu sau mỗi 45 phút, 12 thời điểm nhà mô hình, chúng tôi đặt hai tấm pin mặt mỗi ngày, đo vào 2 ngày có nắng tốt trời hợp nhau một góc 900 trên mái nhà với 23/04/2016-(1) và 29/04/2016-(2), tại Biên các dụng cụ đo: nhiệt kế, máy đo cường độ Hòa, Đồng Nai, với kết quả ở bảng 1. Bảng 1. Thống kê số liệu đo đạc ngày 23 và 29/04/2016 tại Biên Hòa, Đồng Nai STT Thời điểm đo Điện thế ra(V) Nhiệt độ (0C) Cường độ (klx) Góc (0) (1) (2) (1) (2) (1) (2) 1 7h30’ 17,1 17,2 27 26 36,4 28,3 70 2 8h30’ 18,2 18,4 31 29 58,3 31,3 60 3 9h15’ 18,8 18,5 32 32 58,4 31,7 35 4 10h 18,7 18,6 36 33 80,9 44,5 30 5 10h45’ 18,8 18,7 37 30 83,2 48,3 20 6 11h30’ 18,4 18,8 36 33 83,4 47,1 10 7 12h15’ 18,3 19,2 35 35 77,1 53,6 5 8 13h 18,2 19,1 37 34 56,6 52,4 -10 9 13h45’ 18 19,2 35 37 50,6 53,5 -20 10 14h30’ 17,8 18,6 36 37 31,3 44,7 -30 11 15h15’ 17,2 18,2 33 34 29,7 22,6 -45 12 16h 16 16,6 31 32 25,2 14,2 -60 TB 18,2 V 33,20C 47,6 klx 38
5. TDMU, số 2 - 2016 Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh Hình 5. Đồ thị quan hệ giữa điện thế đầu ra và các thời điểm trong ngày Qua đo số liệu đo chúng tôi nhận thấy thống ắc quy trong ngày từ gần 7h30 đến nhiệt độ môi trường ngoài trời trung bình sau 16h (8,5 giờ sạt). Qua đó, chúng tôi có 330C và điện thế thu được có giá trị trung thể đánh giá khả năng cung cấp điện năng bình sau 02 ngày là 18,2V với độ chiếu của pin Mặt trời hoàn toàn có thể thay thế sáng trung bình là 47,6 klx (Kilo Lux). điện từ nguồn năng lượng hóa thạch. Chuyển đổi đơn vị 1 Lux = 1,46 mW/m2 = 2 3. Bài toán kinh tế thông qua mô hình 1 lumen/m ( hay 1lm/1W = 683). Theo giá nhà ở trị đo được thì tấm pin Mặt trời nhận được độ rọi sáng chiếu trên bề mặt là: 3.1. Chi phí điện hàng tháng ở hộ gia đình 47,6 klux = 47,6 klm/m2 = 47,6.103 x 1,46 x 10-3 = 69,5 W/m2 Theo thiết kế mô hình căn nhà có thể sử dụng cho 6 người. Chi phí sử dụng điện (Theo quy chuẩn QCVN09:2013 của năng, giá thành khi dùng điện lưới cho hộ Bộ Xây dựng, độ chiếu sáng tối đa trong 2 gia đình với các thiết bị điện cơ bản nhất nhà là 13 W/m ). (tính ở mức sử dụng điện trung bình hàng Với giá trị điện thế từ pin mặt trời ngày) như trong bảng 2. 18,2V hoàn toàn có thể sạt điện cho hệ Bảng 2. Thống kê các thiết bị sử dụng điện trong hộ gia đình STT Thiết bị Công suất (W) SL Số giờ/ngày Số ngày/tháng Công suất (kWh) 1 Đèn neon 40 6 5 30 36 2 Tủ lạnh 100 1 24 30 72 3 Tivi 40 3 4 30 14,4 4 Quạt máy 30 3 4 30 10,8 5 Nồi cơm điện 450 1 2 30 27 6 Máy tính 30 3 5 30 13,5 7 Bơm mini 40 1 2 30 2,4 8 Máy nước nóng 200 2 1 30 12 9 Bàn ủi điện 1000 1 1 30 30 10 Đun nước 2000 1 1 30 60 TỔNG CỘNG 237 39
6. TDMU, số 2 - 2016 Nguyễn Thanh Tùng Với tính toán mức điện năng bình ngày, H1 - hiệu suất ắc quy, H2 - hệ số quân của EVN chi phí tiền điện là mức xả sâu DOD, U-điện thế ắc quy. 453.644VNĐ. Chi phí nấu ăn trung bình Để tính dung lượng bình ắc quy của hộ gia đình là 12kg gas/tháng với giá chúng ta lấy hiệu suất khoảng 85% và hệ 270.000 VNĐ (Petro Viet Nam), tổng chi số mức xả sâu DOD khoảng 60%, điện phí cho điện và gas là: 453.644 + thế bình 12V. Dự phòng số ngày không 270.000 = 723.644 VNĐ. có nắng Aday (autonomyday) ta có công 3.2. Chi phí lắp đặt hệ thống năng thức thực nghiệm là: lượng mặt trời W CA h – Tính tổng số tấm pin cần dùng M, day HHU12 Wh-tổng công suất tiêu thụ trong ngày, W-giá trị công suất của mỗi tấm pin, A Thay các thông số với số ngày dự (kW/m2/ngày) là năng lượng ánh sáng phòng không nắng là 3 và công suất từ chiếu lên pin, ta có công thức: Bảng 1, ta có dung lượng ắc quy cần dùng W 1.3 cho hệ thống là: M h WA Wh 7900.3 C Aday 3.873( Ah ) – Tính dung lượng ắc quy cần trang HHU12 0,85.0,6.12 bị theo công thức thực nghiệm sau: Tương ứng số ắc quy loại 400Ah (mắc W song song) là: 3.873 / 400 = 9,7 = 10 (ắc C h quy). Chúng tôi có thể tạm thống kê chi phí HHU12 Trong đó, C- dung lượng ắc quy trang bị hệ thống pin năng lượng mặt trời, (Ah), Wh-tổng công suất tiêu thụ mỗi theo số liệu cập nhật (bảng 3). Bảng 3. Bảng kê chi phí vật tư, thiết bị cơ bản STT Vật tư Đơn vị Số lượng Đơn giá Giá thành 1 Pin solar cell 400W Bộ 5 7.200.000 36.000.000 2 Charge controller 30A Bộ 1 4.000.000 4.000.000 3 Inverter 30A/3000W Bộ 1 5.600.000 5.600.000 4 Accu 400Ah Cái 10 4.000.000 40.000.000 5 Dây cáp điện mét 100 10.000 1.000.000 6 Nước nóng NLMT/200L Bộ 1 6.000.000 6.000.000 7 Biogas Composit Bộ 1 15.000.000 15.000.000 8 Vật tư khác (giàn sắt) 4.000.000 9 Chi phí lắp đặt 3.000.000 TỔNG CỘNG 114.600.000 Theo số liệu bảng 3, chi phí cần thiết Với nguồn kinh phí đầu tư cho hệ để lắp đặt thiết bị cho hệ thống năng lượng thống pin năng lượng mặt trời và hầm mặt trời cung cấp điện năng, máy nước biogas theo giá thị trường hiện tại thì cần nóng và hầm biogas chúng tôi có thể tính phải sau hơn 13 năm mới hoàn vốn. Với giá trị tương ứng chi trả chi phí tương ứng: các tấm pin được bảo hành 15 năm còn 114.600.000 / 723.000 = 159 tháng các thiết bị khác cần phải thay thế, sửa = 13 năm 3 tháng chữa vài lần trong thời gian này, dẫn đến 40
7. TDMU, số 2 - 2016 Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh tăng nguồn kinh phí đầu tư lên cao hơn dùng các nguồn năng lượng tái tạo thay nhiều. cho hoá thạch thì không có, phải nhiều 4. Kết luận năm mới hoàn vốn vì giá thành các thiết bị Qua nghiên cứu thực tế bằng nhà mô hiện thời còn khá đắt. hình chúng tôi đã lắp đặt các thiết bị tương Với chi phí còn cao nhưng chúng ta đối đủ để nó hoạt động như một căn nhà vẫn có thể chuyển đổi sang cách dùng các thật, kết quả cho thấy nhà mô hình có thể nguồn năng lượng tái tạo để giảm thiểu sự hoạt động độc lập, tự cung cấp điện bằng ảnh hưởng khi khai thác và sử dụng các năng lượng mặt trời. Qua đó chúng tôi đã nguồn năng lượng hoá thạch gây ô nhiễm tính toán được chi phí lắp đặt xây dựng hệ môi trường, hiệu ứng nhà kính và tác động thống sử dụng năng lượng Mặt trời cho đối không tốt đến môi trường sinh thái, biến tượng nhà ở với quy mô lớn và đã thu được đổi khí hậu đã và đang ảnh hưởng rất lớn kết quả cụ thể. Kết quả đề tài cho thấy với đến cuộc sống hiện tại và tương lai của con hiệu quả kinh tế khi chuyển đổi hình thức người trên hành tinh này. 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 nuôi 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, Công nghệ khí sinh học, NXB Lao động Xã hội, 2002. [3] Nguyễn Công Vân, Năng lượng mặt trời quá trình nhiệt và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005. [4] Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả, QCVN, BXD, 09:2013. [5] Nhiên liệu hoá thạch, [6] Năng lượng tái tạo, 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 6 Trần Văn Ơn, Phú Hòa – Thủ Dầu Một – Bình Dương Email: nttung@tdmu.edu.vn 41