Đồ án Thiết kế cải tạo động cơ oto Toyota – 3Y thành động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện chạy bằng Biogas

MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 3 1. Mục đích, ý nghĩa đề tài 4 1.1. Mục đích 4 1.2. Ý nghĩa 4 2. Chất khí gây hiệu ứng nhà kính và vấn đề ấm dần lên toàn cầu 4 2.1. Chất khí gây hiệu ứng nhà kính 4 2.1.1. Hiệu ứng nhà kính 4 2.1.2. Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính 5 2.2. Vấn đề ấm dần lên toàn cầu 10 3. Các loại nhiên liệu thay thế và thế mạnh của biogas ở Việt Nam 12 3.1 Các loại năng lượng 12 3.1.1. Năng lượng mặt trời 12 3.1.2. Năng lượng gió 14 3.1.3. Năng lượng địa nhiệt 15 3.1.4. Thuỷ điện và thuỷ điện nhỏ 16 3.1.5. Năng lượng hạt nhân 17 3.1.6. Nguồn năng lượng khác 17 3.2. Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam 19 3.2.1. Thành phần chủ yếu của biogas 19 3.2.2. Các tính chất của biogas sử dụng làm động cơ đốt trong 20 3.2.3. Tình hình sử dụng biogas trên thế giới và nước ta hiện nay 21 3.2.4. Thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam 22 4. Yêu cầu đặt ra cho động cơ chạy bằng biogas 23 5. Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu quả kinh tế của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu biogas 24 5.1. Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu 24 5.1.1. Giới thiệu động cơ TOYOTA-3Y 24 5.1.2. Tính toán chu trình nhiệt của động cơ 25 5.2. Hiệu quả kinh tế khi chạy bằng biogas 41 6. Tính toán lắp đặt bộ điều tốc vạn năng lên động cơ 45 6.1. Giới thiệu bộ điều tốc vạn năng GATEC-20 45 6.2. Tính toán lắp đặt bộ điều tốc vạn năng lên động cơ 47 6.2.1. Phương án lắp đặt bộ điều tốc lên động cơ 47 6.2.2. Thiết kế bộ hoà trộn 47 6.2.3. Thiết kế bộ truyền đai 53 6.2.4. Tính toán van cung cấp khí 57 6.2.5. Tính toán thiết kế cơ cấu điều khiển 59 7. Tính toán thiết kế bộ truyền động từ động cơ sang máy phát điện 60 7.1. Các thông số ban đầu 60 7.2. Thiết kế bộ truyền bánh răng trong hộp số 60 7.3. Thiết kế trục và tính then 65 7.3. Chọn nối trục 67 8. Nguyên lí sử dụng lưỡng nhiên liệu trên động cơ TOYOTA-3Y 69 8.1. Ưu, nhược điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu 69 8.2. Đặc điểm liên quan đến quá trình cháy trong động cơ TOYOTA-3Y 70 8.3. Phương pháp cung cấp và vận hành hệ thống nhiên liệu trên động cơ TOYOTA-3Y 71 Thực nghiệm 1. Lắp đặt bộ điều tốc cho động cơ TOYOTA-3Y 71 2. Thử nghiệm máy phát điện được kéo bằng động cơ sau khi cải tạo 73 Kết luận Tài liệu tham khảo LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được đề tài đúng thời hạn, em xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo, cô giáo trong khoa Cơ Khí Giao Thông nói chung, bộ môn Động Cơ nói riêng đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài được tốt nhất. Em xin bày tỏ sự cảm ơn đến thầy giáo GS-TSKH Bùi Văn Ga đã tận tình hướng dẫn và có những chỉ bảo quý giá để em có được sự thành công của đề tài như hôm nay. Bên cạnh đó, em xin được cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quang Trung đã giúp đỡ và có những đóng góp ý kiến quý báu giúp em nhận ra những thiếu sót và hoàn thành đề tài được hoàn hảo hơn nữa. Em xin được kính chúc xưởng Nhiệm Vụ Ươm Tạo Công Nghệ, bộ môn Động Cơ - Khoa Cơ Khí Giao Thông -Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng ngày càng phát triển và mong ước quý thầy cô có được sức khỏe thật dồi dào. Ngày 01 tháng 06 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Phước Huy 1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài 1.1 Mục đích của đề tài Thấy rõ được vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ Nghiên cứu, thiết kế, cải tạo động cơ ô tô cũ chạy xăng thành động cơ tĩnh tại chạy bằng Biogas với việc sử dụng bộ điều tốc Gatec để kéo máy phát điện. Từ đó, sản xuất hàng loạt, áp dụng sử dụng phổ biến trên động cơ xăng nhiều xy lanh nhằm khai thác hiệu quả nguồn năng lượng Biogas cho động cơ tĩnh tại góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Nắm vững các thao tác trong quá trình lắp đặt, kiểm tra hiệu chỉnh cũng như chế tạo thay thế các chi tiết của hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ. 1.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài Nhiên liệu Biogas là nhiên liệu sạch nên khi sử dụng không gây ô nhiêm môi trường. Tận dụng động cơ ôtô cũ, những sản phẩm từ hoạt động nông nghiệp và chăn nuôi nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế. 2. Chất khí gây hiệu ứng nhà kính và vấn đề ấm dần lên toàn cầu 2.1. Chất khí gây hiệu ứng nhà kính 2.1.1. Hiệu ứng nhà kính Dải hấp thụ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí quyển và tác động của chúng đối với bức xạ mặt trời và bức xạ nhiệt từ mặt đất. Khi tia sáng mặt trời đến mặt đất một phần năng lượng được hấp thụ và làm mặt đất ấm lên. Vì mặt đất có nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với mặt trời, bức xạ từ mặt đất trong vùng bước sóng dài hơn rất nhiều so với bức xạ mặt trời. Khí quyển hấp thụ hiệu quả hơn đối với bước sóng dài so với bước sóng ngắn. Chính sự bức xạ nhiệt bước sóng dài làm quả đất ấm lên, bầu khí quyển cũng ấm lên do truyền nhiệt, do chênh lệch nhiệt độ do nhiệt ẩn từ bề mặt. Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính cũng phát xạ ở bước sóng dài về phía không gian cũng như về phía mặt đất. Phần bức xạ của khí quyển ứng với bước sóng dài về phía mặt đất này gọi là hiệu ứng nhà kính.
Hình 2 – 1 Hiệu ứng nhà kính. 2.1.2. Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính gồm hơi nước, COx, CxHy, SOx, O3, CFC. - Khí COX + Cơ chế hình thành: Khí COX là chất khí không màu, không mùi và không vị. COX được sản sinh trong quá trình hoạt động của con người, con người đã đốt rất nhiều nhiên liệu có chứa Cacbon, điển hình là trong sinh hoạt, công nghiêp, nông nghiệp và giao thông… C + OX ( COX + Trữ lượng: Với CO có trữ lượng 250 tấn/năm. Hàm lượng CO trong không khí không ổn định, chúng thường biến thiên nhanh nên khó xác định chính xác. Tổng khối lượng CO2 sinh ra do đốt cháy nhiên liệu là 2,5.1013 tấn/năm. Ngoài ra hoạt động núi lửa hằng năm sinh ra lượng CO2 bằng khoảng 40000 lần CO2 hiện có. + Hiệu ứng. Khí CO xâm nhập vào cơ thể theo đường hô hấp chúng sẽ tác dụng thuận nghịch với Hemoglobin tạo thành cacboxyhemoglobin là mất khả năng vận chuyển máu và gây ngạt: HbO2 + CO ( HbCO + O2 Thực vật ít nhạy cảm với CO nhưng nồng độ cao 100 – 10000ppm sẽ gây xoắn lá cây, chết mầm non, rụng lá và kìm hãm sự sinh trưởng của cây cối. Hình 2 – 2 Nồng độ Cacbon dioxit trong những năm gần đây Toàn bộ CO2 sinh ra không phải lưu đọng mãi trong khí quyển mà nó được cây xanh và biển hấp thụ đi khoảng một nữa. Lượng CO2 lưu tồn trong khí quyển, thực vật hấp thụ để tồn tại và phát triển, nhưng hàm lượng CO2 cao quá sẽ gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Theo G.N.Plass , nếu nồng độ CO2 trong khí quyển tăng gấp đôi thì nhiệt độ trung bình của Trái Đất tăng 3,60 C. - Khí CXHY. + Cơ chế hình thành: CXHY là hợp chất của hydro và cacbon, là khí không màu, không mùi, chủ yếu sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn, đặc biệt là tại các nhà máy lọc dầu, khai thác và vận chuyển xăng dầu, sự rò rỉ của ống dẫn khí đốt. Tùy vào hợp chất của chúng mà tạo ra các chất ô nhiễm khác nhau và gây tác hại khác nhau. Trong các hợp chất CXHY thì khí CH4 được xếp vào chất khí nhà kính góp phần vào quá trình nóng lên của trái đất. CH4 được sinh ra chủ yếu trong quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện thiếu không khí. + Trữ lượng: Từ năm 1999 đến năm 2006, CH4 tăng không đáng kể, xem như không đổi, nhưng trong năm 2007 và 2008, trên toàn cầu trung bình CH4 bắt đầu tăng trở lại, CH4 tăng 90%. + Hiệu ứng: khí CH4 cùng khí CO2 là khí nhà kính, chúng là thủ phạm chính gây hiệu ứng nhà kính và hiện tượng ấm lên toàn cầu. Hình 2 – 3 Nồng độ Methane trong nhưng năm gần đây - Khí NOX + Cơ chế hình thành: NOX xuất hiện nhiều trong giao thông và trong công nghiệp. Trong không khí nitơ và ôxy có thể tương tác với nhau khi có nguồn nhiệt cao (11000 C và làm lạnh nhanh để tránh phân hủy. t>11000C N2 + XO2 ( 2NOX Làm lạnh nhanh + Trữ lượng: NOX sinh ra khoảng 48 triệu tấn/ năm (chủ yếu là NO2) + Hiệu ứng: Tùy theo nồng độ mà NO2 có tác hại khác nhau. NOX sẽ làm phai màu thuốc nhộm vải, làm cứng vải tơ, nilông và gây han rỉ kim loại. Tùy theo nồng độ NO2 mà người, cây cối sẽ bị ảnh hưởng ở mức độ khác nhau. Ở mức độ cao 100 ppm thì có thể gây chết người. NO2 là chất khí nhà kính gây nên hiện tượng ám dần lên của trái đất. Hình 2 – 4 Nồng độ Nitơ Oxit trong những năm gần đây - Khí Ozon. + Cơ chế hình thành: Ozon là sản phẩm của chất chứa oxy (SO2, NO2, andehyt) khi có tia tử ngoại mặt trời kích thích. Tia tử ngoại NO2 ( NO + O Kích thích O + O2 ( O3 Ngoài ra, dưới tác dụng của tia tử ngoại Mặc Trời chiếu vào phân tử O2 sẽ phân tích chúng thành nguyên tử Oxy, các nguyên tử Oxy này lại tương tác với phân tử O2 để thành 03. Ozon sinh ra và mất đi rất nhanh, chỉ tồn tại trong vài phút. O2 + hv ( O + O ; O + O2 ( O3 + Trữ lượng: Ôzôn tập trung nhiều ở độ cao 25 km (tầng bình lưu) nồng độ khoảng 10 ppm. Còn ở sát mặt biển ozon còn chỉ khoảng 0,005 – 0,007 ppm. + Hiệu ứng: Ozon có tác dụng như lá chắn cản trở tia tử ngoại của Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất, điều tiết khí hậu. Nhưng nếu nồng độ trong khí quyển quá lớn sẽ gây ô nhiễm ozon và sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến con người. Ngoài ra Ozon còn ảnh hưởng đến quá trình phát triển của thực vật, chúng thường gây các bệnh đốm lá, khô héo mầm non. Nếu Ozon quá cao sẻ tham gia vào quá trình làm nóng lên của Trái Đất. Khi nồng độ Ozon tăng 2 lần thì nhiệt độ trung bình của Trái Đất tăng 10 C gây ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu. - Các hợp chất Halogen CFC + Cơ chế hình thành: CFC được sinh ra trong quá trình làm lạnh, xuất hiện nhiều trong tủ lạnh, máy điều hòa, xí nghiệp đông lạnh, thủy sản và trong các dung dịch tẩy rửa, bình cứu hỏa...Các chất này khếch tán sang tầng bình lưu và bị tấn công bằng bởi các tia cực tím Mặt Trời và phân hủy giải phóng nguyên tử Clo. Chính các nguyên tử này gây ra sự suy giảm tầng Ozon. Cl + O3 ( ClO + O2 ClO + O3 ( Cl + 2O2 Hình 2 – 5 Nồng độ CFC trong những năm gần đây + Trữ lượng: Người ta ước tính mỗi nguyên tử Cl có thể phản ứng với 1000 phân tử Ozon. Lượng CFC sẽ gia tăng tỉ lệ với sự phát triển công nghiệp. + Hiệu ứng: Các chất CFC khi bị phân hủy sẽ tạo ra Cl kết hợp với Ozon sẽ gây thủng tầng Ozon tạo điều điện cho các tia cực tím chiếu xuống Trái Đất gây các bệnh ung thư da và mắt cho con người, thực vật sẽ bị tổn thương và chết. - Hơi nước Hơi nước gần mặt đất có thời gian tồn tại tính theo ngày, phần lớn các chất khí gây hiệu ứng nhà kính khác tồn tại khá lâu trong khí quyển. Mặt dầu không dễ biết được chính xác bao lâu nhưng người ta cũng ước tính được thời gian tồn tại, nghĩa là thời gian cần thiết để chất khí đó biến mất trong khí quyển. * Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể loại bỏ bằng nhiều giải pháp: • Biến đổi vật lí (ngưng tụ hơi nước trong khí quyển) • Do các phản ứng hoá học trong khí quyển. Đó là trường hợp methane. Nó bị oxy hoá bởi phản ứng tự nhiên khi có gốc OH và sinh ra CO2 và hơi nước ở cuối dây chuyền phản ứng. • Do trao đổi vật lí qua bề mặt khí quyển và các bộ phận khác của hành tinh. Ví dụ như trao đổi giữa các chất khí của khí quyển và đại dương thông qua lớp biên. • Do trao đổi hoá học qua mặt tiếp giáp giữa khí quyển và bộ phận khác của hành tinh. Đó là trường hợp CO2 bị giảm do diệp lục hoá của cây cối hoặc CO2 hoà tan vào nước đại dương sau đó phản ứng sinh ra acid carbonic, bicarbonate và ion carbonate. Hai thang đo được dùng để mô tả ảnh hưởng của các chất khí khác nhau trong khí quyển. Thang đo thứ nhất là tuổi đời của khí quyển diễn tả thời gian hệ thống đạt cân bằng sau khi có một sự gia tăng nhỏ của một chất khí nào đó trong khí quyển. Những phân tử đơn lẻ có thể trao đổi với những hệ thống khác như đất, đại dương, hệ thống sinh học nhưng giá trị trung bình có tuổi đời khí quyển liên quan đến thời gian biến mất khí dư thừa. Đôi khi người ta có nhầm lẫn khi cho rằng thời gian tồn tại của CO2 trong khí quyển chỉ vài năm vì thời gian trung bình đối với bất kì phân tử CO2 nào tồn tại trong khí quyển trước khi bị lấy đi do hoà trộn vào đại dương, bởi diệp lục hoá hay những quá trình khác. Chính sự thay đỏi nồng độ của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính khác nhau bởi tất cả các nguồn phát sinh và biến mất xác định thời gian tồn tại của nó trong khí quyển chứ không chỉ có quá trình loại bỏ chúng. Thang đo thứ hai là khả năng ấm lên toàn cầu (GWP). GWP phụ thuộc cả hiệu quả phân tử của chất khí gây hiệu ứng nhà kính và thời gian tồn tại của nó trong khí quyển. GWP được đo tương đối so với cùng một khối lượng CO2 và được đánh giá đối với thang đo thời gian đặc biệt. Vì vậy nếu một phân tử có GWP cao trên thang thời gian ngắn (20 năm) nhưng chỉ có thời gian tồn tại ngắn, nó sẽ có GWP lớn trong thang đo 20 năm nhưng GWP nhỏ trong thang đo 100 năm. Ngược lại, nếu một phân tử có thời gian tồn tại lớn hơn CO2 GWP của nó gia tăng theo thời gian. 2.2. Vấn đề ấm lên toàn cầu Sự ấm lên của trái đất dựa trên sự gia tăng nhiệt độ trung bình của không khí gần mặt đất. Nhiệt độ trung bình của không khí gần mặt đất đã tăng 0,74±0,18o (1,33±0,32o F) trong thế kỉ qua. Người ta nhận thấy rằng sự gia tăng nhiệt độ trên tỉ lệ với sự gia tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính từ giữa thế kỉ XX đến nay. Các nhà khoa học dự báo của không khí gần mặt đất có thể tăng từ 1,1÷6,4oC (2÷11,5oF) trong khoảng thời gian từ 1990 đến 2100. Phạm vi gia tăng nhiệt độ phụ thuộc vào kịch bản phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong tương lai. Mặc dù tất cả các nghiên cứu tập trung đến giai đoạn 2100, sự ấm dần lên của trái đất và mực nước biển dâng cao vẫn tiếp tục diễn ra hơn 1 thiên niên kỉ nữa ngay cả khi nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính ổn định. Điều này phản ảnh nhiệt dung lớn của các đại dương. Sự ấm dần lên của trái đất sẽ gây ra những thay đổi khác bao gồm sự dâng lên của mực nước biển, sự gia tăng cường độ cực đoan của thời tiết, bão lụt thất thường gây thiên tai ảnh hưởng xấu đến nông nghiệp. Hình 2 – 6 Quả đất đang dần nóng lên Những điều chưa chắc chắn về mặt khoa học bao gồm độ gia tăng nhiệt độ chính xác trong tương lai và sự thay đổi này sẽ biến động như thế nào từ vùng này sang vùng khác trên hành tinh. Có những tranh luận đang diễn ra ở quy mô toàn cầu về hành động nào cần thực hiện để làm giảm hay đảo chiều sự ấm dần lên của trái đất trong tương lai. Hầu hết các quốc gia đã kí nghị định thư Kyoto đặt mục tiêu giảm chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Các nhà khoa học nghiên cứu sự gia tăng nhiệt độ trái đất bằng mô hình tính toán khí hậu. Các mô hình này dựa trên nền tảng các nguyên tắc vật lí của động học chất lỏng, truyền nhiệt bức xạ và các quá trình khác với các giả thiết đơn giản hoá cho phù hợp với công suất máy tính. Các mô hình này dự báo rằng ảnh hưởng tực tế của việc gia tăng nồng độ chất khí gây hiệu ứng nhà kính là việc khí hậu ấm dần lên. Tuy nhiên ngay cả khi cùng một giả thiết về mức độ tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch và mức độ phát thải CO2 mức độ cảnh báo cũng thay đổi theo các mô hình và vẫn còn phạm vi đáng kể về độ nhạy cảm thời tiết. Xét mức độ thiếu tin cậy về nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính và mô hình khí hậu, dự báo độ gia tăng nhiệt độ mặt đất khoảng từ 1,1÷6,4oC (2÷11,5oF) trong khoảng thời gian từ năm 1990 đến 2100. Các mô hình này cũng được dùng để khám phá các nguyên nhân gây sự biến động nhiệt độ hiện nay so với kết quả dự báo bởi mô hình ứng các nguyên nhân do thiên nhiên hay con người gây ra. Các mô hình khí hậu đã dự báo tốt sự thay đổi nhiệt độ trong thế kỉ qua nhưng chưa có thể cho biết tất cả các viễn cảnh xảy ra trong tương lai của khí hậu. Các mô hình đã không dự báo được sự thay đổi nhiệt độ trong khoảng thời gian từ 1910 đến 1945 đối với cả do tác động của thiên nhiên hay tác động của con người, tuy nhiên các mô hình này dự báo sự ấm dần lên của trái đất từ năm 1975 chủ yếu là do phát thải cá chất khí gây hiệu ứng nhà kính do con người gây ra. 3. Các loại nhiên liệu thay thế và thế mạnh của nhiên liệu biogas ở Việt Nam 3.1. Các loại năng lượng 3.1.1. Năng lượng mặt trời Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy. Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 joule. Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. Hình 3 -1 Nhà máy điện chạy bằng năng lượng mặt trời. Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xoay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển. Hiện nay ở các trại chăn nuôi dùng năng lượng mặt trời với mục đích chủ yếu là sấy thức ăn cho vật nuôi. Muốn sử dụng rộng rãi năng lượng mặt trời cho nhiều mục đích khác nhau như các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, điều hoà không khí và cung cấp nước nóng ở mức độ cao, pin mặt trời thì đòi hỏi trước hết phải giải quyết những vấn đề kỹ thuật cơ bản, công nghệ chế tạo cũng như khả năng ứng dụng thực tế của chúng. Ở nước ta việc ứng dụng khả thi của năng lượng mặt trời là vào việc nấu nước nóng và sấy gỗ. Có thể nói là khả thi vì công nghệ tương đối đơn giản, quá trình chế tạo dễ dàng và giá thành thì tương đối phù hợp với kinh tế Việt Nam. 3.1.2 Năng lượng gió Năng lượng gió được con người sử dụng hàng trăm năm nay. Con người đã sử dụng năng lượng gió để duy chuyển thuyền buồn hay kinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo ra công cơ học nhờ các cối xoay gió. Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó turbine gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các turbine gió hiện đại. Hình 3 – 2 Các turbine gió tại Hà Lan, phát điện nhờ sức gió, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục. Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành turbine khi không đủ gió. Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao. Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày. Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện. Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất Đây là một loại năng lượng sạch chi phí để thu năng lượng khá thấp nhưng đòi hỏi phải phù hợp với điều kiện địa lý ở từng vùng. Ở các nước khác việc sử dụng loại năng lượng này khá phổ biến. Đặc biệt ở các vùng hải đảo. 3.1.3 Năng lượng địa năng Một báo cáo mới đây của Viện công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết, câu trả lời cho cuộc khủng hoảng năng lượng của Mỹ lại nằm sâu trong lòng đất. Công trình nghiên cứu trong 2 năm này cho thấy rằng nếu đầu tư hợp lý vào nghiên cứu địa năng thì có thể khai thác được nguồn năng lượng đủ để cung cấp cho 25 triệu hộ gia đình. Để thu được nhiệt năng của Trái đất, người ta phải khoan sâu vào lòng đất thu lấy hơi nóng từ các nguồn phóng xạ, các luồng hơi nóng từ tâm Trái đất và lớp vỏ ngoài. Từ những năm 70 Mĩ đã nhận thấy đây là cách giúp họ thoát khỏi tình trạng phải phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu. Tuy nhiên cho đến nay ngành công nghiệp non trẻ này mới chỉ cung cấp ít hơn 1% nhu cầu năng lượng của nước Mỹ. Một phần là do ngay cả chi phí cho cách đơn giản nhất để khai thác nhiệt năng, đó là tập trung thẳng vào các mạch, các nguồn như suối nước nóng hay núi lửa, cũng là rất tốn kém. Theo nghiên cứu của MIT vẫn còn một cách hiệu quả hơn, là tập trung khai thác các nguồn nhiệt năng nằm sâu hơn trong lòng đất. Công trình nghiên cứu này được Bộ năng lượng Mĩ (DOE) tài trợ đã giới thiệu một công nghệ mới là chuyển hóa nhiệt năng. Bằng cách này lưu chất (khí hay chất lỏng) được bơm lên theo mạch đá granite sâu 1.500 mét (dưới bề mặt Trái đất), và sinh ra chất lỏng, ẩm để rồi hơi nóng từ chất lỏng đó được dùng để vận hành các turbine. Mặc dù còn gặp những trở ngại về kĩ thuật như vấn đề hơi nóng có nhiệt độ quá thấp không đủ để chuyển hóa thành điện, nhưng một dự án khoan phá ở Soultz - Pháp, đã thành công ngoài sự mong đợi trong việc tái tạo năng lượng hơi nước bằng việc áp dụng những quan niệm mới, phương pháp khoan ít tốn kém và cách tận dụng hữu hiệu lưu chất (khí hoặc chất lỏng) được giữ ở áp suất thông thường của khí quyển. Công trình nghiên cứu của MIT kêu gọi mức đầu tư 20 triệu USD/năm trong vòng 15 năm để tiếp tục nghiên cứu việc khai thác địa năng. Nhóm nghiên cứu cho rằng họ không tìm thấy trong tương lai, kĩ thuật khai thác này có khó khăn hay hạn chế đáng kể nào. Theo bản báo cáo, khoản đầu tư tương đối của DOE có thể sẽ hỗ trợ được rất nhiều trong nghiên cứu phát triển kĩ thuật khai thác, xây dựng các nhà máy, hay thậm chí sử dụng CO2 để thu hơi nóng từ lòng đất. Năm ngoái, DOE đã yêu cầu Quốc hội Mĩ lưu ý vào việc nghiên cứu phát triển địa năng, năng lượng mặt trời và nhiên liệu sinh học.