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

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 năn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

trên phương tiện vận tải

L ời 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 Tr ần 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

Học viên thực hiện

V Ũ QUANG HUY

3

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

V Ũ QUANG HUY

4

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

5

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

K ẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 93

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 94

6

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

7

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

8

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

9

ĐẶT VẤN ĐỀ

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

− 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 Ph ạm 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

11

− 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 C ấu 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

12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ 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]

Hình 1 1 Năng lượng tái tạo trên thế giới

13

Hình 1 2 Tiêu th ụ 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

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

với chiều gió trong thời gian t là:

𝑚𝑚 = 𝜌𝜌𝜌𝜌 = 𝜌𝜌 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 = 𝜌𝜌 𝜋𝜋𝑟𝑟2𝐴𝐴𝐴𝐴 PT 1 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:

15

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]

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

16

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 C ấu tạo cơ bản pin mặt trời

Hình 1 4 Mô ph ỏng hiệu ứng quang điện

17

Hình 1 5 H ệ thống máy phát điện năng lượng mặt trời và động cơ Stirling

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

18

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

19

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

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

21

nhiều thiết bị năng lượng sóng và thủy triều hơn bất kỳ địa điểm nào khác trên thế

giới Các hãng phát triển năng lượng thủy triều đã thử nghiệm tại nhiều địa điểm khác nhau bao gồm: Alstom (trước đây là Tidal Generation Ltd); ANDRITZ HYDRO Hammerfest; Tập đoàn Tài nguyên Atlantis; Nautricity; OpenHydro; Công suất thủy triều Scot renewables; Voith, công suất tại những địa điểm này có

thể đạt tới 4TJ hằng năm, những nơi khác ở Anh, công suất năng lượng hàng năm còn có thể đạt tới 50 TWh nếu trong tua bin được lắp đặt lưỡi xoay với công suất

25 GW Nhà máy điện thủy triều Rance tại La Rance, Pháp có công suất lắp đặt

240 MW, được xây dựng trong khoảng thời gian 6 năm từ 1960 đến 1966 Nhà máy điện thủy triều đầu tiên ở Bắc Mỹ là Trạm phát điện Hoàng gia Annapolis, Annapolis Royal, Nova Scotia, được khánh thành vào năm 1984 trên một vịnh nhỏ

của vịnh Fundy Nó có công suất lắp đặt 20 MW Năm 1985, phía nam Hàng Châu Trung Quốc, trạm điện thủy triều Jiangxia với công suất lắp đặt hiện tại là 3,2 MW Năm 2006 nhà máy phát điện thủy triều có công suất 0.4 MW do Liên Xô xây

dựng trên biển Barents đã được nâng cấp bằng các tua-bin phát điện trực giao và nâng công suất lên đến 1.2 MW Hàn Quốc là quốc gia phát triển các nhà máy điện

thủy triều nhiều nhất thế giới, năm 2009 tại Jindo Uldolmok, công suất phát điện

chỉ là 1 MW nhưng được nâng cấp vào năm 2013 để đạt được công suất là 90 MW Năm 2011, nhà máy điện thủy triều ở hồ Sihwa tại Hàn Quốc đã được khánh thành

và đưa vào sử dụng, đây là một trong những nhà máy điện thủy triều lớn nhất thế

giới có công suất 254 MW, nhà máy điện ở gần đảo Ganghwa (Hàn Quốc) phía tây bắc Incheon đã được xây dựng bởi nhà đầu tư Daewoo, công suất phát điện đạt

812 MW, năm 2017 chính phủ Hàn Quốc đầu tư ở phía tây Incheon nhà máy phát điện thủy triều có đập công suất 1.320 MW Chính phủ Scotland đã phê duyệt kế

hoạch cho một loạt máy phát điện thủy triều 10MW gần Islay, Scotland, trị giá 40 triệu bảng, và bao gồm 10 tua-bin đủ để cung cấp điện cho hơn 5.000 ngôi nhà

Tiểu bang Gujarat của Ấn Độ đang có kế hoạch tổ chức trạm thủy triều quy mô thương mại đầu tiên của Nam Á, công ty Atlantis Resources đã lên kế hoạch lắp đặt một trạm thủy triều 50MW ở Vịnh Kutch trên bờ biển phía tây Ấn Độ, với việc xây dựng bắt đầu từ đầu năm 2012, công ty Năng lượng tái tạo Đại dương là công

ty đầu tiên cung cấp điện thủy triều cho lưới điện Mỹ vào tháng 9 năm 2012 khi

hệ thống TidGen thí điểm của nó được triển khai thành công tại Vịnh Cobscook,

gần Eastport Tại thành phố New York, 30 tua-bin thủy triều được lắp đặt bởi Verdant Power ở sông Đông vào năm 2015 với công suất 1,05MW, việc xây dựng

một nhà máy điện đầm phá thủy triều 320 MW bên ngoài thành phố Swansea ở Anh đã được cấp phép lập kế hoạch vào tháng 6 năm 2015 và khởi công vào năm

2016 tạo ra hơn 500 GWh điện mỗi năm, đủ để cung cấp năng lượng 155.000 ngôi nhà [5]

22

Khác với năng lượng thủy triều, năng lượng sóng được sinh ra khi gió thổi qua bề mặt của biển vì vậy năng lượng của sóng được sinh ra chậm hơn so với năng lượng gió, sóng được sinh ra khi có sự khác biệt về áp suất khí quyển giữa

ngọn gió bên trên và phía khuất gió của đầu ngọn sóng, lẫn sự ma sát trên bề mặt nước gây ra bởi gió, khiến nước đi vào ứng suất cắt gây ra việc sóng dâng lên Chiều cao sóng được xác định bởi tốc độ gió, thời gian gió thổi (khoảng cách mà gió kích thích sóng) và bởi độ sâu và địa hình của đáy biển (có thể tập trung hoặc phân tán năng lượng của sóng), chuyển động dao động cao nhất trên bề mặt và

giảm dần theo cấp số nhân với độ sâu, tuy nhiên đối với sóng đứng (clapotis) gần

bờ biển phản xạ, năng lượng sóng cũng có mặt dưới dạng dao động áp suất ở độ sâu lớn, các sóng truyền trên bề mặt đại dương, và năng lượng sóng cũng được vận chuyển theo chiều ngang với một trường vận tốc, tốc độ truyền tải trung bình của năng lượng sóng thông qua một mặt phẳng theo chiều rộng đơn vị, song song với đỉnh sóng, được gọi là năng lượng sóng flux (hoặc công suất sóng)

Năng lượng sóng được tính theo công thức:

𝑃𝑃 = 𝜌𝜌𝑔𝑔64𝜋𝜋2𝐻𝐻𝑚𝑚02 𝑇𝑇𝑒𝑒 PT 1 4 Trong đó:

− P: Năng lượng sóng trên một đơn vị chiều dài đỉnh sóng, (kW)

− Hm0: Chiều cao của sóng, (m)

− Te: Khoảng thời gian sinh ra sóng, (s)

− ρ: Mật độ tập trung của nước biển, (kG/m3)

− g: Gia tốc trọng trường, (m/s2)

Từ công thức trên có thể thấy rằng công suất sóng tỉ lệ với chu kỳ năng lượng sóng và chiều cao của sóng, thu hồi năng lượng của sóng biển để thực hiện những công có ích như: sản xuất điện, khử muối trong nước hoặc bơm nước

Mật độ năng lượng sóng trung bình trên một đơn vị diện tích sóng hấp dẫn trên

mặt nước tỷ lệ thuận với chiều cao sóng bình phương, theo lý thuyết sóng tuyến tính:

𝐸𝐸 = 161 𝜌𝜌𝑔𝑔𝐻𝐻𝑚𝑚02 PT 1 5

Trong đó:

− E: Mật độ năng lượng sóng trung bình trên một đơn vị diện tích nằm ngang (J/m2), tổng mật độ động và năng lượng tiềm năng đơn vị diện tích nằm ngang Mật độ năng lượng tiềm năng bằng động năng, đều đóng góp một

23

nửa cho mật độ năng lượng sóng E, trong sóng biển, hiệu ứng căng bề mặt

là không đáng kể đối với bước sóng trên một vài dm

Khi sóng lan truyền, năng lượng của chúng được vận chuyển, năng lượng sóng flux qua một mặt phẳng thẳng đứng có chiều rộng đơn vị vuông góc với hướng truyền sóng, bằng với:

Với Cg là trường vận tốc (m/s), vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước sóng λ,

hoặc tương đương, trên sóng khoảng thời gian T Hơn nữa, mối quan hệ phân tán

là một hàm của độ sâu nước h, trường vận tốc của nước là khác nhau và phụ thuộc vào các giới hạn như độ sâu của nước [6]

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong tâm của Trái Đất, năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp

thụ lên bề mặt Trái Đất, khoảng 20% nguồn nhiệt này là từ sự bồi tụ và sự phân rã phóng xạ đã tồn tại trong quá khứ, dòng chảy của nguồn nhiệt tự nhiên không cân

bằng, và nhiệt độ sẽ giảm đi theo niên đại của địa chất, khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu, đặc biệt là các ứng

dụng trực tiếp như dùng để sưởi trong các hộ gia đình Các giếng địa nhiệt có khuynh hướng giải phóng khí thải nhà kính bị giữ dưới sâu trong lòng đất, nhưng

sự phát thải này thấp hơn nhiều so với phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch thông thường Công nghệ để khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt không quá phức

tạp, cứ xuống sâu 33m thì nhiệt độ trong lòng đất tăng 1oC và nhiệt độ địa nhiệt có

thể đạt tới 1800oC ở độ sâu 60km, muốn khai thác địa nhiệt ở vùng 200oC, chỉ cần khoan giếng sâu 3 - 5km, sau đó đưa nước xuống, nhiệt độ trong lòng đất sẽ làm nước sôi lên, hơi nước theo ống dẫn làm quay tua-bin máy phát điện (Hình 1.11), dòng nước nóng sẽ được tuần hoàn trong một chu trình khép kín và giúp cung cấp

đủ năng lượng cho một nhà máy điện công suất tới hàng trăm MW, ngoài ra các nguồn địa nhiệt từ 80oC đến 200oC có thể dùng trực tiếp để sấy nông thủy sản, sưởi

ấm cho các căn hộ, nhà máy, nguồn địa nhiệt dưới 80 độ C có thể dùng để dưỡng

bệnh, phục vụ du lịch … hiệu suất sử dụng nhiệt của nhà máy phát điện địa nhiệt khá thấp khoảng 10 - 23%, bởi vì dòng địa nhiệt lỏng không thể nào đạt đến nhiệt

độ hơi nước cao từ nồi nung, tuy nhiên chi phí đầu tư cho trang thiết bị của nhà máy điện địa nhiệt không cao như nhà máy điện dùng dầu hoặc than đá, bởi vì địa nhiệt không phụ thuộc vào sự thay đổi của nguyên liệu đầu vào và trữ lượng tương đối lớn Indonesia là quốc gia có lượng dự trữ địa nhiệt khoảng 28994 MW tức là

sản lượng dự trữ lớn nhất thế giới, năm 2007 có khoảng 10 GW điện địa nhiệt được

lắp đặt trên thế giới, các nhà máy điện địa nhiệt toàn cầu tăng khoảng 10% mỗi

24

năm Năm 2010, Mỹ dẫn đầu thế giới về sản xuất điện địa nhiệt với 3086 MW công suất lắp đặt từ 77 nhà máy phát điện, khu nhà máy địa nhiệt lớn nhất thế giới được đặt tại Geysers, cánh đồng địa nhiệt ở California Phillipines là quốc gia đứng

thứ 2, với sản lượng đạt 1904 MW, địa nhiệt điện chiếm khoảng 27% tổng sản lượng điện của Phillipines Năm 2016, Indonesia chính thức là quốc gia đứng thứ

3 về sản xuất điện từ địa nhiệt với sản lượng 1647 MW xếp sau Mỹ và Phillipines, nhưng Indonesia đã vượt lên vị trí thứ 2 nhờ vào việc thêm 130 MW vào cuối 2016

và 255 trong năm 2017

Hình 1 11 Sơ đồ hệ thống phát điện địa nhiệt

Mặc dù nguồn năng lượng địa nhiệt phù hợp và lâu dài để bảo vệ môi trường,

việc khai thác cần phải được kiểm soát để tránh tình trạng khai thác tràn lan gây nên tình trạng cạn kiệt tại địa phương, chất lỏng được lấy ra từ Trái Đất sâu mang theo một hỗn hợp các khí, đặc biệt là cacbon đioxit (CO2), hydrogen sulfide (H2S), metan (NH4) và amoniac (NH3), những chất gây ô nhiễm này góp phần gây ra hiện tượng nóng dần lên trên toàn cầu, mưa axit, và mùi độc hại nếu được giải phóng Bên cạnh các khí hoà tan, nước nóng từ các nguồn địa nhiệt có thể chứa trong các nguyên tố nguy hiểm, độc hại như thủy ngân, asen và antimony, các hóa chất này

kết tủa khi nước mát, và có thể gây ra thiệt hại về môi trường nếu được giải phóng Các nhà máy điện địa nhiệt hiện thải ra lượng khí trung bình 122 kg CO2 MW/h

của nguồn điện, một phần nhỏ của cường độ phát thải của các nhà máy nhiên liệu hóa thạch truyền thống

25

Hình 1 12 Khai thác địa nhiệt trên thế giới

Máy bơm nhiệt địa nhiệt có thể giải phóng đủ lượng nhiệt từ những chỗ nông

ở bất cứ đâu trên thế giới để cung cấp hệ thống gia nhiệt, nhưng các ứng dụng công nghiệp cần nhiệt độ cao hơn từ các nguồn tài nguyên sâu Hiệu suất nhiệt và lợi nhuận của việc phát điện đặc biệt phụ thuộc vào độ sâu Các ứng dụng đòi hỏi nhiều nhất nhận được lợi ích lớn nhất từ một dòng nhiệt tự nhiên với nhiệt độ cao,

lý tưởng nhất là khi sử dụng lò xo nóng, lựa chọn tốt nhất tiếp theo là khoan giếng vào tầng nước nóng, phương pháp cuối cùng này được gọi là năng lượng địa nhiệt nóng khô ở châu Âu, hoặc các hệ thống địa nhiệt gia tăng ở Bắc Mỹ, có thể có nhiều tiềm năng hơn từ cách tiếp cận này so với việc khai thác thông thường các

tầng lớp nước tự nhiên

Tiềm năng phát điện từ năng lượng địa nhiệt thay đổi biến thiên 6 lần, từ 0,235TW đến 2TW tùy thuộc vào quy mô đầu tư, các giếng khoan địa nhiệt nâng cao sâu tới 10 km (6 dặm), trong khi các kho địa nhiệt hiện tại hiếm khi ở độ sâu

3 km (2 dặm) giếng ở độ sâu này hiện nay được dùng phổ biến trong ngành công nghiệp dầu khí Sâu nhất thế giới, lỗ khoan siêu tân tinh Kola, sâu 12 cây số (7

dặm) [7]

Thủy năng hay năng lượng nước là năng lượng nhận được từ lực hoặc năng lượng của dòng nước, dùng để sử dụng vào những mục đích có lợi như tạo ra điện năng, tưới tiêu thủy lợi, cung cấp năng lượng cho cối xay, máy dệt, máy cưa, bơm

để nén khí với áp suất cao…v.v Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không

chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất Để có được áp suất cao nhất, nước cung

cấp cho một tua-bin nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock) [8]

26

Thủy điện, sử dụng động lực hay năng lượng dòng chảy của các con sông

hiện nay chiếm gần 20% lượng điện của thế giới Na Uy sản xuất toàn bộ lượng điện của mình bằng sức nước, trong khi Iceland sản xuất tới 83% nhu cầu của họ (2004), Áo sản xuất 67% số điện quốc gia bằng sức nước (hơn 70% nhu cầu của

họ) Canada là nước sản xuất điện từ năng lượng nước lớn nhất thế giới và lượng điện này chiếm hơn 70% tổng lượng sản xuất của họ [9]

Thủy điện không phải là một sự lựa chọn số 1 tại các nước phát triển bởi vì

đa số các địa điểm chính tại các nước có tiềm năng khai thác thủy điện theo cách

đó đã bị khai thác rồi hay không thể khai thác được vì các lý do khác như môi trường, lợi ích lớn nhất của thủy điện là hạn chế được giá thành nhiên liệu Các nhà máy thủy điện không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hóa thạch như dầu

mỏ, khí thiên nhiên hay than đá, và không cần phải nhập nhiên liệu, các nhà máy

thủy điện cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện, một số nhà máy thủy điện đang hoạt động hiện nay đã được xây dựng từ 50 đến 100 năm trước, chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường Các nhà máy thủy điện hồ chứa bằng bơm hiện là công cụ đáng chú ý nhất để tích trữ năng lượng về tính hữu dụng, cho phép phát điện ở mức thấp vào giờ thấp điểm (điều này xảy ra bởi vì các nhà máy nhiệt điện không thể dừng lại hoàn toàn hàng ngày) để tích nước sau đó cho chảy

ra để phát điện vào giờ cao điểm hàng ngày, việc vận hành cách nhà máy thủy điện

hồ chứa bằng bơm cải thiện hệ số tải điện của hệ thống phát điện

Trên thực tế, việc tích trữ nước là khá phức tạp bởi vì yêu cầu tưới tiêu có

thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu điện lên mức cao nhất, những thời điểm hạn hán có thể gây ra các vấn đề rắc rối, bởi vì mức bổ sung nước không thể tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng, nếu yêu cầu về mức nước bổ sung tối thiểu không đủ, có thể gây ra giảm hiệu suất và việc lắp đặt một tua-bin nhỏ cho dòng

chảy đó là không kinh tế Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường của dòng sông bên dưới, thứ nhất, nước sau khi ra khỏi tua-bin thường chứa rất ít cặn lơ lửng, có thể gây ra tình trạng xối sạch lòng sông và làm

sạt lở bờ sông, thứ hai, vì các tua-bin thường mở không liên tục, có thể quan sát

thấy sự thay đổi nhanh chóng và bất thường của dòng chảy Tại Grand Canyon, sự

biến đổi dòng chảy theo chu kỳ của nó bị cho là nguyên nhân gây nên tình trạng xói mòn cồn cát ngầm, lượng oxy hoà tan trong nước có thể thay đổi so với trước

đó, cuối cùng, nước chảy ra từ tua-bin lạnh hơn nước trước khi chảy vào đập, điều này có thể làm thay đổi số lượng cân bằng của hệ động vật, gồm cả việc gây hại

tới một số loài Các hồ chứa của các nhà máy thủy điện ở các vùng nhiệt đới có

27

thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và carbon dioxit, điều này bởi vì các

xác thực vật mới bị lũ quét và các vùng tái bị lũ bị tràn ngập nước, mục nát trong

một môi trường kỵ khí và tạo thành methane, một khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh

Methane bay vào khí quyển khi nước được xả từ đập để làm quay tua-bin Theo

bản báo cáo của Uỷ ban Đập nước Thế giới (WCD), ở nơi nào đập nước lớn so với

công suất phát điện (ít hơn 100 watt trên mỗi km2 diện tích bề mặt) và không có

việc phá rừng trong vùng được tiến hành trước khi thi công đập nước, khí gas gây

hiệu ứng nhà kính phát ra từ đập có thể cao hơn những nhà máy nhiệt điện thông

thường Ở các hồ chứa phương bắc Canada và Bắc Âu, sự phát sinh khí nhà kính

tiêu biểu chỉ là 2% đến 8% so với bất kỳ một nhà máy nhiệt điện nào

Một tác hại nữa của các đập thủy điện là việc tái định cư của dân cư sống

trong vùng hồ chứa, trong nhiều trường hợp không một khoản bồi thường nào có

thể bù đắp được sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hoá gắn liền với địa điểm đó vì

chúng có giá trị tinh thần đối với họ, hơn nữa, về mặt lịch sử và văn hoá các địa

điểm quan trọng có thể bị biến mất, như dự án Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, đập

Clyde ở New Zealand và đập Ilisu ở đông nam Thổ Nhĩ Kỳ Một số dự án thủy

điện cũng sử dụng các kênh, thường để đổi hướng dòng sông tới độ dốc nhỏ hơn

nhằm tăng áp suất có được, trong một số trường hợp, toàn bộ dòng sông có thể bị

đổi hướng để trơ lại lòng sông cạn, những ví dụ như vậy có thể thấy tại Sông

Tekapo và Sông Pukaki Tại Việt Nam đã có một số thủy điện đổi dòng, như thủy

điện An Khê - Kanak đổi dòng sông Ba gây thảm họa khô hạn cho vùng hạ lưu và

đang là đề tài tranh cãi [10]

Hình 1 13 S ản lượng điện hàng năm của các quốc gia

28

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ

Để giải quyết các vấn đề về nhiên liệu và môi trường, ngành công nghiệp ô

tô đã đưa ra các giải pháp công nghệ đối với động cơ đốt trong như: động cơ cháy nghèo, dowsizing và một giải pháp được cho là hiệu quả đó là sự kết hợp giữa nguồn động lực của động cơ đốt trong và nguồn động lực từ động cơ điện hay còn

gọi là nguồn động lực hybrid Chiếc xe hybrid đầu tiên được chế tạo vào năm 1899

bởi kỹ sư Ferdinand Porsche có tên gọi là Lohner-Porsche Mixte, sử dụng động cơ xăng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện dẫn động bánh trước của xe, Lohner-Porsche Mixte đã bán được hơn 300 chiếc vào thời gian đó Tuy nhiên, nhu cầu về xe hybrid bắt đầu suy yếu khi Henry Ford bắt đầu xây dựng dây chuyền

lắp ráp ô tô đầu tiên vào năm 1903, giá thành sản xuất ô tô chạy bằng xăng của Ford rẻ hơn so với xe hybrid nên đã thu hẹp đáng kể thị trường xe hybrid Trong khi những chiếc hybrid được sản xuất tốt vào những năm 1910 bằng công nghệ

của Mixte, hầu hết đều bán kém vì chúng có giá cao hơn và tiêu thụ năng lượng

lớn hơn so với những chiếc chạy bằng xăng Các xe hybrid ngày nay đã giải quyết được cùng lúc vấn đề về nhiên liệu tiêu thụ và khí thải nên đã được chú ý và phát triển Các kiểu xe hybrid cũng ngày càng đa dạng như xe hybrid không có sạc ngoài gồm kiểu: nối tiếp, song song, hỗn hợp hoặc xe hybrid có sạc điện (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) (Hình 2.1) Do tận dụng và nâng cao hiệu suất sản xuất điện của các nguồn năng lượng tái tạo nên xe điện phát triển là một trong những

giải pháp đảm bảo an ninh năng lượng và giảm khí thải góp phần thúc đẩy kinh tế phát triển bền vững Tuy nhiên, để phát triển được xe điện cần phải phát triển được

cơ sở hạ tầng và giải quyết được hai vấn đề quan trọng kèm theo đó là thời gian

sạc điện cho pin và tuổi thọ của pin Từ những yêu cầu trên, sự ra đời của xe hybrid như là một bước chuyển tiếp hợp lý cho các quốc gia đang phát triển như Việt Nam, đó là bởi vì xe hybrid có các ưu điểm như: giảm tiêu thụ nhiên liệu ở động

cơ đốt trong và giảm khí thải độc hại ra môi trường, vận hành mạnh mẽ và giảm

tiếng ồn Điều này vô cùng quan trọng trong xu hướng sử dụng xe tiết kiệm nhiên

liệu và thân thiện môi trường hiện nay của nhân loại

Hybrid là dòng xe sử dụng kết hợp động cơ đốt trong truyền thống và một hay nhiều động cơ điện để tạo ra lực kéo, hai loại động cơ này trên xe hybrid kết

hợp nhằm đạt những tiêu chí khác nhau, tùy vào mục đích của nhà sản xuất nhưng

có hai mục đích chính là tiết kiệm nhiên liệu và tạo ra hiệu suất cao

29

Hình 2 1 Xe hybrid và xe điện

HEV có pin nhưng không có cắm sạc ngoài như EV, xe HEV được bổ sung thêm đặc tính mô men và gia tốc bằng một động cơ điện, trong khi đó bình ắc quy dùng để dự trữ năng lượng là sự kết hợp của nhiều pin, vấn đề cung cấp năng lượng cho ắc quy là do động cơ đốt trong là chủ yếu, thêm vào đó là một phần năng lượng thu hồi khi xe phanh thông qua các hệ thống như phanh tái sinh hoặc bánh đà trên

hộp số Xe Hybrid chỉ kết hợp truyền động bằng điện giúp tăng hiệu suất, tiết kiệm xăng dầu so với ô tô thường, mặc dù vậy ngay cả khi không có điện xe HEV vẫn

chạy tốt bằng nguồn động lực phát ra từ động cơ đốt trong, động cơ đốt trong trang

bị trên xe HEV đã được tối ưu nên động cơ nhỏ hơn xe động cơ đốt trong truyền

thống, nên suất tiêu hao nhiên liệu cũng nhỏ hơn và hiệu suất nhiệt cao hơn Một

số xe HEV điển hình như: BMW i8, Toyota RAV4, Hyundai Ioniq, Honda CR-V Hybrid, … v.v

Hình 2 2 C ấu tạo xe HEV - Hybrid Electric Vehicle

Có ba kiểu kết hợp cơ bản giữa nguồn động lực của động cơ đốt trong và động cơ điện trên xe HEV không có sạc điện từ bên ngoài là: nối tiếp, song song

và hỗn hợp:

30

Hình 2 3 Ki ểu xe hybrid nối tiếp

- Xe HEV n ối tiếp (Series hybrid) là kiểu động cơ đốt trong nối trực tiếp với máy

phát điện còn động cơ điện dẫn động trực tiếp tới bánh xe (Hình 2.3) Động cơ đốt trong chỉ có nhiệm vụ như một máy phát điện, dòng điện được sinh ra từ máy phát điện mắc nối tiếp với động cơ đốt trong sẽ được chia thành hai phần, một phần của dòng điện sẽ được đưa đến để nạp cho ắc quy và một phần sẽ cấp cho động cơ điện

và truyền lực đến các bánh xe chủ động, loại xe này thường có động cơ đốt trong

nhỏ nhưng có dung lượng ắc quy lớn, cấu trúc kiểu nối tiếp này phù hợp với những

xe công suất nhỏ và thường xuyên hoạt động trong thành phố Đây là dạng nguyên

sơ của xe HEV, tuy nhiên cho đến thời điểm hiện này kiểu xe HEV nối tiếp này ít còn được sử dụng vì đặc tính mô men của xe khi vận hành chưa đáp ứng được yêu

cầu, hiệu quả sử dụng năng lượng không cao

điện đều dẫn động các bánh xe chủ động, do đó hệ truyền lực khá phức tạp (Hình 2.4)

Hình 2 4 Ki ểu xe hybrid song song

Động cơ đốt trong cung cấp lực kéo đến các bánh xe chủ động ở vùng tốc

độ trung bình và cao, động cơ điện đóng vai trò hỗ trợ cho động cơ xăng, khi chiếc

xe cần gia tốc nhanh, ngoài ra nếu lượng pin còn lại đủ lớn, động cơ điện sẽ thay

thế động cơ xăng để hoạt động trong điều kiện xe di chuyển chậm, không cần mô

31

men nhiều, việc sạc lại pin cũng tương tự như kiểu nối tiếp, năng lượng được nạp

từ động cơ đốt trong và cũng được thu hồi từ hệ thống phanh tái tạo (Regenerative Braking) Những mẫu xe trang bị hybrid song song cho khả năng vận hành tốt, nhưng hiệu quả nhiên liệu chỉ được cải thiện một phần, Hybrid song song có thể được lập trình để sử dụng động cơ điện thay thế cho đặc tính mô men của động cơ đốt trong nhờ vậy có thể giảm kích thước động cơ đốt trong xuống so với xe cùng kích thước Loại xe hybrid song song này phù hợp khi hoạt động trên đường cao

tốc do tốc độ xe tương đối ổn định

nối tiếp và song song, đây cũng là cơ cấu hybrid phức tạp và có chi phí sản xuất cao nhất, nhờ sự phối hợp công suất và năng lượng từ động cơ đốt trong và động

cơ điện nên nguồn động lực của xe được biến thiên liên tục Đặc tính làm việc của

xe là sự bổ trợ cho nhau giữa động cơ đốt trong và động cơ điện do vậy đặc tính làm việc của xe rất hiệu quả và linh hoạt, năng lượng tích trữ ở các cụm pin trên

xe hầu như lúc nào cũng được sạc đầy, xe có thể vận hành bởi chế độ lái thuần động cơ điện (EV-mode), rất hữu ích khi di chuyển trong điều kiện giao thông đông đúc Đây là dạng xe hybrid tiên tiến và sử dụng nhiều trên các mẫu xe hybrid

hiện nay

Hình 2 5 Ki ểu xe hybrid hỗn hợp

Do các tiêu chuẩn về môi trường và nhiên liệu ngày càng cao và để đáp ứng được các tiêu chuẩn đó từ xe HEV đã phát triển lên xe hybrid có sạc điện (PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

2.1.3 Xe Plug-in Hybrid (PHEV)

Plug-in là khái niệm phức tạp do đây là sự phát triển của quá trình kết hợp

giữa xe điện và xe hybrid, xe hybrid kiểu này mang đầy đủ đặc tính của xe hybrid thông thường mà còn được trang bị thêm một hệ thống nạp điện trực tiếp cho các pin thông qua lưới điện bên ngoài (thường là một phích cắm bình thường) Từ khái

niệm trên có thể thấy được rằng vấn đề nạp điện cho các pin ở PHEV có thể thực

nó có thêm phích cắm để kết nối với điện lưới, phần chính là một động cơ điện và

một động cơ đốt trong, điểm khác biệt là ở chỗ nguồn năng lượng cung cấp cho động cơ điện có thể sạc từ lưới điện bên ngoài mà không chịu sự kiểm soát của hệ

thống như ở xe Hybrid thông thường Trong quá trình vận hành người điều khiển

xe hybrid sạc ngoài có thể lựa chọn giữa việc sử dụng duy nhất hoặc động cơ đốt trong (xăng hoặc dầu diesel), hoặc động cơ điện hay sử dụng kết hợp cả 2 động cơ đốt trong và động cơ điện tương tự như trên hybird thông thường, tức là nếu bơm

đủ nhiên liệu dự trữ cho động cơ đốt trong thì PHEV hoạt động mà không cần sạc điện trong suốt quãng đường hoạt động, động cơ đốt trong sẽ tạo ra dòng điện thông qua bộ chuyển đổi để nạp điện tự động sang pin Nhờ có thiết kế cấu trúc tối

ưu mà PHEV có thể thu hồi năng lượng tốt hơn các xe thông thường, đồng thời làm cho việc lái xe trở nên thoải mái, an toàn và đáng tin cậy, các hệ thống thu hồi năng lượng được trang bị trên loại PHEV thường là các motor như những máy phát điện để sạc điện lại cho pin, với giải pháp này PHEV sẽ tối ưu hóa nhất trong từng điều kiện làm việc, mang lại sự linh hoạt để sử dụng như một chiếc xe điện 100%, dùng động cơ xăng để sạc điện cho pin, hoặc dẫn động sử dụng đồng thời cả motor điện và động cơ xăng, tùy thuộc vào điều kiện vận hành Chiếc xe kiểu PHEV có

thể chạy hoàn toàn bằng điện trong khoảng hơn 50 km bằng cách sử dụng năng lượng từ hệ thống pin trên xe, như vậy xe PHEV có thể sử dụng như một chiếc xe điện trong hầu hết điều kiện sử dụng hàng ngày và giảm ô nhiễm không khí trên cung đường hoạt động và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu có gốc từ dầu mỏ Kiểu

xe PHEV có thể làm giảm lượng khí nhà kính, loại khí thải đóng góp vào sự nóng lên toàn cầu, so với các phương tiện thông thường, xe PHEV cũng loại bỏ các vấn

đề về giới hạn phạm vi hoạt động của xe chỉ chạy bằng điện, bởi vì các động cơ đốt trong sẽ làm việc khi pin cạn kiệt, cho phép xe PHEV hoạt động trong phạm

vi tương đương với các xe chạy bằng xăng, xe lại sạc điện không sử dụng nhiên

liệu hóa thạch trong thời gian chạy bằng điện hoàn toàn (lưu trữ trong pin) và phát

thải khí nhà kính thấp hơn nếu pin được sạc bởi điện có nguồn gốc từ điện tái tạo

Xe PHEV được phát triển hơn so với xe HEV nên động cơ của PHEV được tối ưu hơn giảm trọng lượng cũng như kích thước, bình nhiên liệu cũng giảm đi còn rất

nhỏ, khí thải của PHEV cũng đã giảm rất nhiều so với HEV

Một số xe PHEV điển hình như: Mitsubishi Outlander, Kia Niro, Ford Fusion Energi, Toyota Prius Prime, Hyundai Ioniq, Chevrolet Volt, Honda Clarity,

… v.v Hệ thống dẫn động của xe PHEV sử dụng chế độ pha trộn hay thường gọi

là chế độ hỗn hợp, kiểu phối hợp nguồn công suất hỗn hợp trên PHEV cho xe có

33

tính năng vận hành linh hoạt, có thể hoạt động ở chế độ nối tiếp trong vùng tốc độ

thấp hoặc ở chế độ song song trong vùng tốc độ cao, hoặc cả hai Hệ thống truyền động Hybrid hiện đang được sử dụng bởi Ford, Lexus, Nissan, Toyota, Đến năm

2007, hầu hết các plug-in chuyển đổi hybrid của xe hybrid thông thường sử dụng

kiến trúc này [11]

Hình 2 6 C ấu tạo xe PHEV- Plug in Hybrid Electric Vehicles

Để giải quyết triệt để vấn đề môi trường và nhiên liệu với các tiêu chuẩn ngày càng khắt khe từ xe PHEV đã phát triển lên xe Electric Vehicle EV

Xe điện (EV: Electric Vehicle) hoạt động trên đường bộ sử dụng 100% năng lượng điện để cấp cho nguồn động lực chính của xe, EV dùng động cơ điện để dẫn động mà không phải là động cơ đốt trong, năng lượng điện được lưu trữ trong pin,

có thể sạc đầy nhiều lần sau khi dùng hết, xe điện cũng được biết đến như là một phương tiện giao thông gần như không gây ô nhiễm (Zero Emission Vehicle) Từ PHEV đã phát triển lên thành EV và xe này đã tối ưu đến không còn động cơ đốt trong nữa, không còn bình chứa nhiên liệu hóa thạch thay vào đó là hệ thống pin

và cũng không còn khí thải ở xe EV nữa, động cơ điện cũng được tối ưu hơn so

với động cơ của PHEV Các loại động cơ điện được sử dụng chủ yếu đó là: Động

cơ đồng bộ 3 pha, động cơ không đồng bộ 3 pha và động cơ từ trở biến đổi Với công nghệ tiến tiến, hiệu suất sử dụng năng lượng của động cơ điện có thể đạt trên 90% trên toàn vùng làm việc, trong khi đó hiệu suất sử dụng năng lượng ở động

cơ đốt trong chỉ khoảng 47% Chính vì vậy, trên hầu hết các xe điện, bộ hộp số Gearbox đã được lược bỏ hoàn toàn khiến việc lái xe trở nên dễ dàng hơn nhiều,

trọng lượng của xe cũng giảm đáng kể so với xe truyền thống Đối với EV có thể

có 4 động cơ điện ở 4 bánh, vì vậy cần một hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI: Artificial Intelligence) để điều tiết mô men và công suất tại mỗi bánh xe khi xe hoạt động

34

trên đường, hiện công nghệ này đã hoàn thiện ổn định và an toàn, có thể nói hệ

thống này giúp tự động cân bằng mọi truyền động trên xe, nhờ những cảm biến (Sensors) cùng những thuật toán được lập trình cho mỗi xe, hệ thống các cảm biến

sẽ thu thập tất cả các thông tin cần thiết: Dung tích pin còn lại, vận tốc xe, phanh

xe có được kích hoạt, bánh xe có bị trượt, … Nhờ vậy mà EV sẽ hoạt động đúng như mục đích người lái EV được sản xuất dựa trên những tiến bộ khoa học mới

nhất, ở tất cả các lĩnh vực từ Điện, Điện tử, Công nghệ thông tin, Khoa học máy tính, Cơ khí đến Công nghệ vật liệu [12] Do đó, EV đạt được những ưu điểm nhất định mà các loại xe ô tô khác không có như:

Hình 2 7 B ố trí hệ thống động lực trên EV

− Hiệu suất hoạt động ưu việt, tăng tốc rất nhanh trong thời gian ngắn

− Tính năng an toàn được trang bị tối đa, nhiều ứng dụng mới nhất

− Công nghệ thông minh như AI được tích hợp sẵn trên hệ thống của xe

− An toàn với môi trường vì không có khí thải, không sử dụng tài nguyên

− Giá xe EV rẻ hơn xe động cơ đốt trong do có các chính sách hỗ trợ

− Chi phí sau mua rất rẻ, việc sạc điện được các hãng xe hỗ trợ 99%

− Việc bảo trì, sửa chữa xe EV rất thuận tiện do cấu trúc xe đơn giản

− Được hỗ trợ các trạm sạc điện trên khắp các con đường lớn nhỏ

Ngoài những ưu điểm trên, hiện EV còn một số hạn chế nhất định do công nghệ chưa đạt tới đỉnh điểm, một số tính năng còn trong thời gian thử nghiệm VD: như quãng đường đi tối đa khoảng hơn 300 km với 1 lần sạc, thời gian sạc pin còn khá lâu 8 - 10 giờ (sạc chậm), khoảng 20 phút (sạc nhanh)

Từ những ưu, nhược điểm trên như vậy ở trong thành phố di chuyển với quãng đường không quá dài và không gây ô nhiễm môi trường cũng như không gây tiếng

ồn ta nên dùng xe điện

35

Trong những năm gần đây do sự phát triển về năng lượng tái tạo, yêu cầu cắt

giảm lượng khí thải ở những động cơ đốt trong ngày càng khắt khe hơn và giá nhiên liệu gốc dầu mỏ ngày càng tăng nên các thiết bị nâng hạ chuyển sang sử

dụng điện ngày càng tăng Năm 2006, tỷ lệ xe nâng chạy bằng điện trong tổng doanh số bán xe nâng hàng ở Nhật Bản là 47,9% chiếm gần một nửa tổng doanh

số Để đáp ứng yêu cầu về khí thải và nhu cầu của thị trường các loại xe nâng điện

loại bốn bánh và ba bánh đã được đưa ra bán trên thị trường với tính năng sử dụng tương tự như xe nâng trang bị động cơ đốt trong (nâng được tải nặng ổn định và

an toàn, chiều cao của xe thấp hơn so với xe Forklift truyền thống, xoay sở ổn định

và linh hoạt) Với sự phát triển về hệ thống điều khiển và kiểm soát an toàn nên xe Forklift điện có khối lượng nhẹ hơn và số lượng các cụm chi tiết chính cũng giảm được còn một phần ba so với xe Forklift sử dụng động cơ đốt trong, hình dáng của

xe forklif điện cũng nhỏ gọn hơn (Hình 2.8)

Hệ truyền động giúp cho xe di chuyển là hai động cơ điện được bọc kín tránh không cho bụi và nước lọt vào, hai động cơ này được đặt ở cầu trước tạo thành hệ truyền động kép, hệ thống truyền động này đảm bảo cho xe di chuyển thẳng ngay

cả trên đường có tuyết, đường trơn và ướt, hoặc trên đường gập ghềnh Hệ thống phanh đĩa sử dụng dầu trợ lực được bao kín hoàn toàn và có khả năng chống thấm nước giúp cho hệ thống phanh an toàn và tin cậy hơn khi di chuyển ngoài trời hoặc

ở các cảng cá, chợ, kho bảo quản lạnh và những nơi có độ ẩm cao, hệ thống phanh

có độ bền hơn 10.000 giờ (được kiểm tra bởi Komatsu), giảm chi phí bảo dưỡng

Hình 2 8 Xe forklift điện và forklift động cơ đốt trong

Chiều cao của phần kết nối giữa trục sau và khung gầm đã được nâng lên, do

đó giảm khoảng cách xoay ngang của thùng xe tải xuống khoảng một nửa so với các mẫu xe thông thường, nhờ vậy mà tăng tính ổn định hơn khi xe khi quay vòng

hoặc khi nâng hàng cao Ắc quy được đặt ở vị trí thấp và sử dụng lốp có cấu hình

36

thấp với độ bền bám mặt đường cao đảm bảo quay vòng an toàn và ổn định ngay

cả ở những nơi hẹp Tính năng an toàn cũng được trang bị trên xe để đảm bảo an toàn hơn nữa cho người vận hành, hệ thống nâng hạ sẽ không được kích hoạt khi người vận hành không được che chắn an toàn, trong trường hợp này, hệ thống truyền động cũng tự động dừng, vì vậy sẽ ngăn ngừa được các tai nạn như bàn tay

hoặc ngón tay bị kẹt ở hệ thống nâng hạ và các lỗi bất cẩn Công tắc tiến-lùi được

gắn vào cần điều khiển cho phép xe kiểm soát được tải và có thể thay đổi chiều chuyển động, giảm đáng kể các thao tác đối với người vận hành trong quá trình làm việc liên tục Chức năng điều khiển áp suất thủy lực của hệ thống nâng hạ được điều khiển bởi thiết bị xử lý thông qua một máy tính chuyên dụng, vì vậy có

thể khởi động và dừng hoạt động nâng/hạ một cách trơn tru, với hệ thống điều khiển này sẽ giảm đáng kể hiện tượng rung lắc tác động lên hệ thống giảm chấn khi xe di chuyển, đồng thời giữ cho hàng hoá không bị đổ xuống và giảm bớt căng

thẳng cho người vận hành mà không phải tập trung vào hàng hoá

Hình 2 9 Gi ảm hiện tượng rung lắc ở xe forklift điện

Nguồn năng lượng trên xe nâng điện gồm có hai hệ thống đó là pin điện đóng vai trò như là nguồn dự trữ và cung cấp năng lượng điện thông thường và hệ thống các tụ điện là nguồn dự trữ và cung cấp năng lượng kiểu điện năng, để nạp điện cho xe nâng điện sẽ là một hệ thống sạc nhanh và bộ điều khiển tích hợp cho hệ

thống được trang bị để nạp năng lượng dự trữ cho các pin trên xe, các tấm pin được

nối lại với nhau tạo thành Ắc quy kín và không cần đổ nước và động cơ sử dụng trên xe là động cơ điện xoay chiều (AC) do vậy không cần phải bảo dưỡng thường xuyên Hệ thống siêu tụ điện và bộ sạc nhanh giải quyết được các điểm yếu của xe

tải chạy bằng điện thông thường, nhờ vậy xe nâng điện có thể kiểm soát được công

suất tối ưu và làm việc trong khoảng thời gian dài hơn so với xe nâng điện thông thường Xe nâng điện có trang bị hệ thống siêu tụ điện tiết kiệm điện năng tiêu thụ đến 20% và có nhưng ưu điểm so với xe hybrid cùng kích cỡ như:

− Tiết kiệm năng lượng tối đa 20%, CO2 giảm 20%

− Không sập nguồn khi ắc quy yếu và đang ở giai đoạn phóng điện cao

− Hiệu suất làm việc cao hơn

37

− Thời gian hoạt động lâu hơn (Tối đa là 11 giờ liên tục)

− Pin không cần phải đổ thêm nước

− Xe buýt điện bánh hơi

Xe buýt điện bánh hơi (Trolleybus) bắt đầu sử dụng từ ngày 29 tháng 4 năm

1882, khi Tiến sĩ Ernst Werner Siemens trình diễn "Elektromote" tại ngoại ô Berlin Hiện nay, có khoảng 300 hệ thống xe buýt bánh hơi vẫn đang hoạt động trong các thành thị của 43 quốc gia Xe buýt điện bánh hơi là xe buýt chạy bằng năng lượng điện do hai dây điện (dây dương và dây âm) ở phía bên trên của nóc

xe cấp thông qua hai cần dẫn điện đặt trên nóc xe (Hình 2.10) Xe buýt điện bánh hơi khác với tàu điện hoặc xe điện là không sử dụng các thanh ray làm đường đi, nguồn điện cung cấp cho động cơ điện được lấy từ điện lưới quốc gia đã được chuyển đổi thành dòng một chiều với điện áp là 600V hoặc 750V (Hình 2.10) Cần

dẫn điện từ dây nguồn xuống bộ chuyển đổi dòng điện được gắn trên nóc của xe

và có độ dài là 6m, cả hai cần có thể xoay tròn do vậy xe buýt điện bánh hơi có thể chuyển động cách dây điện nguồn khoảng 4.5m Xe buýt điện bánh hơi thường được thiết kế dạng xe hai cầu với thân đơn dài khoảng từ 11m đến 12m và chứa được khoảng 85 đến 115 hành khách (Hình 2.12) Đôi khi cũng có những xe ba

cầu với thân đôi và có khớp nối, chiều dài của xe này thường 15-18m và chở được

145 đến 180 hành khách (Hình 2.13) Tốc độ vận hành trung bình của xe buýt điện bánh hơi tương tự như tốc độ của xe buýt và xe điện, dao động từ 15 đến 35 km/h Theo mức sử dụng trung bình và lưu lượng phương tiện thông thường, các xe buýt điện bánh hơi kiểu thân đơn có thể chở 2.500 - 3.500 hành khách mỗi giờ và xe thân đôi có thể chở 4.000 - 4.500 hành khách mỗi giờ Ngoài hai loại xe buýt điện bánh hơi phổ biến như trên còn có xe ba thân bốn trục hoặc xe hai tầng (Hình 2.14

và hình 2.15) [13]

Động cơ xe buýt điện bánh hơi thường được thiết kế với một động cơ kéo duy nhất, tuy nhiên đối với xe nhiều thân có khớp nối thường được thiết kế với hai động cơ kéo Với sự phát triển động cơ điện như hiện nay, động cơ điện kéo là động cơ điện 1 chiều hoặc động cơ điện không đồng bộ ba pha Để giảm tổn thất trên đường truyền công suất, các động cơ điện có thể truyền động trực tiếp đến các bánh xe và số lượng của động cơ điện phải phù hợp với số bánh xe chủ động Công

suất của mỗi xe nằm trong khoảng từ 110 đến 180 kW, lực kéo khi khởi động xe

một thân lên tới 22 ÷ 30 kN và đối với xe có khớp nối là 44 ÷ 52 kN, tốc độ tối đa thường là 60 km/h và ít khi lên đến 80 km/h, gia tốc trung bình có thể lên đến 1,5 m/s2 [14]

Ưu điểm của xe buýt điện bánh hơi so với xe buýt truyền thống là:

38

− Dễ dàng đạt được mô men cao ở vùng tốc độ thấp và khi tăng tốc độ của

xe, mô men giảm khi động cơ làm việc ở vùng tốc độ cao Do đó, xe buýt điện bánh hơi không cần hộp số

− Động cơ điện cho phép làm việc ở điều kiện quá tải, thời gian tăng tốc ngắn hơn và lên dốc dễ dàng hơn

− Hệ thống phanh điện hiệu quả hơn và ít làm mài mòn các phần tử ma sát

của phanh, giảm đáng kể chi phí bảo dưỡng xe

− Thân thiện với môi trường hơn vì khí thải gần như bằng không và tiếng ồn

rất thấp

− Hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn so với động cơ đốt trong

− Khả năng áp dụng tự động hóa trong tất cả các phân đoạn hoạt động của xe

dễ dàng hơn

− Điều khiển phương tiện đơn giản và dễ dàng hơn

− Chi phí khấu hao hàng năm thấp hơn là do vòng đời của xe buýt điện bánh hơi trung bình từ 15 đến 22 năm nhưng và xe buýt truyền thống từ 10 đến

12 năm

− Có khả năng thu hồi năng lượng điện quay lại chính mạng lưới điện cung

cấp khi thực hiện phanh xe

− Không chịu sự tác động của các tiêu chuẩn khí thải EURO 4, EURO 5, EURO 6

Trước những yêu cầu khắt khe về khí thải tại những thành phố lớn, xe buýt điện bánh hơi sẽ là một giải pháp hiệu quả thay thế các xe buýt truyền thống ở các thành

phố lớn Sử dụng xe buýt điện bánh hơi sẽ cải thiện hoặc định hình lại giao thông công cộng ở các thành phố lớn của Việt Nam Tuy nhiên khi sử dụng xe buýt điện bánh hơi làm phương tiện giao thông cần phải xem xét đến các vấn đề sau:

− Chi phí phát sinh để xây dựng cơ sở hạ tầng dây dẫn trên không và đơn giá cao hơn so với xe buýt tiêu chuẩn

− Chi phí vận hành liên quan đến việc duy trì nguồn lực bổ sung của cơ sở hạ

tầng dây điện trên không, sự tồn tại của các phương tiện giao thông đô thị khác

− Các vấn đề về kiến trúc do sự tồn tại của dây điện trên cao làm giảm giá trị

của không gian đô thị, đặc biệt là ở trung tâm thành phố

− Các quyết định trước đây về việc phát triển các phương tiện giao thông khác, chẳng hạn như xe buýt chạy bằng khí thiên nhiên

− Các vấn đề về hình ảnh khi phương tiện giao thông đô thị không hiện đại

− Chi phí sản xuất xe buýt điện bánh hơi đắt hơn 80% so với xe buýt truyền

thống, tuy nhiên nếu sản xuất hàng loạt với số lượng lớn thì giá của xe buýt điện bánh hơi sẽ giảm xuống rất nhiều

39

− Chi phí duy trì bảo dưỡng và vận hành đường dây điện để xe buýt điện bánh hơi hoạt động bình thường là khá lớn

− Tốc độ vào cua thấp hơn so với xe buýt truyền thống

− Cần phải tăng hơn nữa sản lượng điện được sản xuất ra

− Phải có hệ thống chống giật ở cửa xe và trong xe vì động cơ sử dụng điện

áp rất cao (khoảng 600 V đến 750 V)

Hình 2 10 Sơ đồ cấu tạo xe điện bánh hơi

1 Đường dây điện 9 Viền dùng để trang trí

2 Điểm đến, tuyến đường 10 Móc khoá

3 Kính chiếu hậu 11 Dây điều khiển

6 Cầu bị động 14 Móc thu giữ cần dẫn điện

8 Cầu chủ động 16 Số hiệu của tuyến xe

Hình 2 11 H ệ động lực của xe điện bánh hơi

40

Hình 2 12 Xe điện bánh hơi hai cầu

Hình 2 13 Xe điện bánh hơi ba cầu có khớp xoay

Hình 2 14 Xe điện bánh hơi ba thân