MỤC LỤCChương 1: GIỚI THIỆU11.1: Đặt vần đề11.2Phương pháp nghiên cứu31.3Nội dung đề tài3Chương 2: PSIM42.1: Khái quát về Psim42.2.Giới thiệu Tool => Renewble Energy6CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI143.1: Khái quát về năng lượng sing khối143.2: Điện năng từ năng lượng sinh khối233.3: Khí sinh học Biogas263.3.1: Khái niệm263.3.2: Quy trình tạo ra khí sinh học263.3.3: Các loại hầm Biogas phổ biến ở Việt Nam29CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG334.1: Sơ đồ khối334.2: Hệ thống sản xuất khí Biogas334.3: Thiết kế hệ thống lọc:344.3.1: Thiết kế hệ thống lọc H2S344.3.2 Thiết kế hệ thống lọc CO236Chương 5: KẾT LUẬN40
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ, đời sốngcủa người dân ngày càng được nâng cao Đây là cơ hội nhưng cũng là thách thứccho ngành điện với việc phát triển điện năng, phục vụ nhu cầu của xã hội
Hệ thống phát điện Biogas ra đời khẳng định được vai trò cũng như tầm quantrọng trong việc phát triển xã hội, nâng cao đời sống nhân dân nông thôn, giảmthiểu chất thải ảnh hưởng đến môi trường Vì vậy đòi hỏi phải phát triển hơnnữa hệ thống phát điện Biogas để tối ưu hóa hiệu suất phát điện cũng như giáthành để tiếp cận gần hơn với bà con chăn nuôi ở nông thôn, vùng xâu, vùng xa.Môn học “Năng Lượng Tái Tạo” đã kết thúc và em đã tích luỹ thêm được vốnkiến thức nhất định về các loại năng lượng tái tạo hiện nay Được sự đồng ý của
thầy, em được giao đề tài bài tiểu luận: “Thiết kế hệ thống phát điện dùng
Biogas”.
Bài tiểu luận của em gồm năm chương:
Chương 1: GIỚI THIỆU
MỤC LỤC Bình Dương ngày 25 tháng 10 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Trang 2Chương 1: GIỚI THIỆU 1
1.1: Đặt vần đề 1
1.2 Phương pháp nghiên cứu 3
1.3 Nội dung đề tài 3
Chương 2: PSIM 4
2.1: Khái quát về Psim 4
2.2.Giới thiệu Tool => Renewble Energy 6
CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI 14
3.1: Khái quát về năng lượng sing khối 14
3.2: Điện năng từ năng lượng sinh khối 23
3.3: Khí sinh học Biogas 26
3.3.1: Khái niệm 26
3.3.2: Quy trình tạo ra khí sinh học 26
3.3.3: Các loại hầm Biogas phổ biến ở Việt Nam 29
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33
4.1: Sơ đồ khối 33
4.2: Hệ thống sản xuất khí Biogas 33
4.3: Thiết kế hệ thống lọc: 34
4.3.1: Thiết kế hệ thống lọc H2S 34
4.3.2 Thiết kế hệ thống lọc CO2 36
Chương 5: KẾT LUẬN 40
Trang 3MỤC LỤC HÌNH
Chương
Hình 2.2: Đường đặc tính của pin mặt trời: (Mặc định) 7
Hình 2.3: Giới thiệu mạch 8
Hình 2.4: Cách lấy pin mặt trời 8
Hình 2.5: Lấy khối Proportional 9
Hình 2.6: Lấy khối nguồn một chiều 9
Hình 2.7: Lấy nguồn xoay chiều 9
Hình 2.8: Lấy khối Voltage Sensor 9
Hình 2.9: Lấy khối Multiplier 10
Hình 2.10: Lấy khối nối đất 10
Hình 2.11: Lấy khối Current Sensor 10
Hình 2.12: Nối linh kiện 10
Hình 2.13: Lấy thiết bị đo 11
Hình 2.14: Gắn thiết bị đo vào mạch 11
Hình 2.15:Lấy khối Simulation control và Parameter 11
Hình 2.16: Cài đặt mô phỏng 12
Hình 2.17: Cài đặt mô phỏng 13
Hình 2.18: Màn hình mô phỏng 13
Hình 2.19: Màn hình mô phỏng 13
Chương 3 Hình 3.1: Bột giấy 16
Hình 3.2: Mùn cưa 17
Trang 4Hình 3.3: Võ trấu 18
Hình 3.4: Chất thải gia súc 19
Hình 3.5: Củi gỗ đô thị 20
Hình 3.6: Chất thải đô thị 21
Hình 3.7: Cấu tạo hầm Biogas 26
Hình 3.8: Biogas bạt HDPE 29
Hình 3.9: Biogas gạch 30
Hình 3.10: Biogas composite 30
Chương 4: Hình 4.1: Hệ thống phát điện Biogas 33
Hình 4.2: Hầm Biogas 33
Hình 4.3 : Phoi sắt 35
Hình 4.4: Tháp lọc khí H2S 36
Hình 4.5: Than hoạt tính làm từ gáo dừa 37
Hình 4.6: Tháp lọc khí CO2 37
Hình 4.7: Tháp lọc H2S và CO2 38
Trang 5MỤC LỤC BẢNG
Chương 2
Bảng 2.1: Phiên bản PSIM 4Bảng 2.2: Pin năng lượng mặt trời 6Chương
Bảng 3.1: Ưu nhược điểm 31Chương 4Y
Bảng 4.1: Thống kê công suất thiết bị chiếu sáng 39
Trang 6Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1: Đặt vần đề
Trong sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội ở nông thôn, miền núi vùng sâu, vùng
xa và hải đảo, điện có vai trò quan trọng và là nhân tố thúc đẩy sản xuất kinhdoanh, nâng cao đời sống tinh thần và vật chất của người dân Nhưng nền kinh
tế nước ta vẫn còn yếu kém, do vậy nhà Nước vẫn chưa đủ kinh phí để hỗ trợđưa điện đến từng hộ dân nơi đây, nếu có thì điện mà khi đến được với ngườidân cũng khá là yếu, do các địa điểm trên thường cách khá xa khu vực tập trungcủa lưới điện nên quá trình truyền tải điện năng ổn định và được như ở các vùngtrung tâm là rất khó và tốn kém.Chính vì lẽ đó nên mỗi hộ gia đình ở nông thôn,miền núi vùng sâu, vùng xa và hải đảo có thể tự phát điện cho chính hộ gia đìnhmình, góp phần ổn định hơn nhu cầu dùng điện cũng như góp phần giảm bớtkinh phí đầu tư lưới điện cho nhà Nước, nâng cao chất lượng đời sống người dânnơi đây
Nông thôn, miền núi vùng sâu, vùng xa và hải đảo hiện nay cũng đang làm giấylên những lo ngại về vấn đề môi trường sống do ở nông thôn các lượng chất thảisinh khối là rất lớn nhưng vì nơi này phát triển khá chậm nên những phươngpháp để giải quyết vấn nạn này còn khá thô sơ và không cho hiệu quả cao
Tài nguyên sinh khối được xem là nguồn năng lượng mới, có khả năng táisinh và thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch Đây là nguồn tài nguyên đượcđánh giá là phát sinh lượng khí nhà kính thấp, nguồn tài nguyên
có trữ lượng sinh khối dồi dào Việt Nam với thế mạnh là một đất nước nôngnghiệp, đa dạng các loại sinh khối, điều kiện khí hậu thuận lợi để phát triểnnhiều loại cây làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học
Từ các vấn để trên khi mới xem xét sơ qua thì ta thấy chúng không liên quan vớinhau nhưng khi nghiên cứu sâu hơn thì ta có thể giải quyết các vấn đề này bằngmột phương pháp là tạo ra điện từ năng lượng sinh khối được thải ra đó Vừa cóthể giải quyết được nhu cầu dùng điện của người dân lại vừa giải quyết vấn đềmôi trường gần như triệt để cho nông thôn, miền núi vùng sâu, vùng xa, hải đảo
Trang 7Khảo sát tài liệu liên quan
a Đề tài thứ nhất
- Tên đề tài: Đồ án nghiên cứu sử dụng khí Biogas để chạy động cơ máy phát
điện ở trại chăn nuôi
- Người thực hiện đề tài: SV - Đặng Hữu Thành và GVHD - GS.TSKH Bùi
Văn Ga tại Đại Học Bách khoa Đà Nẵng thực hiện
- Thời gian thực hiện đề tài: 30/5/2007.
- Nội dung đề tài: Nghiên cứu sử dụng khí Biogas chạy máy phát điện cỡ nhỏ.
Cải thiện hệ thống nhiên liệu động cơ nguyên thủy sang sử dụng nhiên liệuBiogas bằng cách thiết kế hệ thống cấp khí Biogas bằng điện
b Đề tài thứ hai
- Tên đề tài: Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 2KVA sử dụng
nhiên liệu Biogas được ủ từ phân heo
- Người thực hiện đề tài: SV- Nguyễn Quốc Dũng và GVHD - TS Dương
Nguyên Khang tại Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh thực hiện
- Thời gian thực hiện đề tài: 15/ 3/2007 – 21/8/2007.
- Nội dung đề tài: tận dụng gas sinh ra từ phân heo được lên men yếm khí để
chạy máy phát điện loại 2 kVA để sản xuất điện sạch đáp ứng tình hình thiếuđiện trầm trọng hiện nay và so sánh động cơ chạy bằng khí biogas hoặc xăng
ở ba mức tải nhỏ, vừa và cao được lặp lại 10 lần mỗi lần cách nhau 7 ngàytrong thời gian khảo sát
c Đề tài thứ ba
- Tên đề tài: Luận văn Nghiên cứu thiết kế máy phát điện chạy bằng khí biogas
- Người thực hiện đề tài: SV – Kim Cường và Minh Hoàng, GVHD – Ths.
Nguyễn Vũ Quỳnh tại Đại Học Lạc Hồng
- Thời gian thực hiện đề tài: 2006.
- Nội dung đề tài: Thiết kế máy phát điện chạy khí biogas để tận dụng nguồn
gas còn lại sau khi đã sử dụng cho việc đun nấu
d Đề tài thứ tư
Trang 8- Tên đề tài: Sử dụng Biogas để chạy động cơ diesel cỡ nhỏ.
- Người thực hiện đề tài: GS-TSKH Bùi Văn Ga tại Đại Học Bách Khoa Đà
Nẵng
- Thời gian thực hiện đề tài: 2007
- Nội dung đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí Biogas trên động cơ đốt trong
đánh lữa cưỡng bức cỡ nhỏ
1.2 Phương pháp nghiên cứu
- Đọc phân tích tài liệu.
- Mô hình mô phỏng
1.3 Nội dung đề tài
- Giới thiệu năng về lượng sinh khối
Trang 9Chương 2: PSIM 2.1: Khái quát về Psim
- Khái niệm về PSIM:
PSIM là công cụ thiết kế, mô phỏng cho các mạch điều khiển và trong lĩnh vựcđiện tử công suất
- Tính năng:
PSIM bao gồm các tính năng cơ bản : thiết kế mạch (SIMCAD) , mô phỏngmạch (PSIM) , và hiển thị dạng sóng (SIMVIEW)
- Các phiên bản của Psim:
Tính đến thời điểm hiện tại PSIM gồm 20 phiên bản
Trang 10+ Cho phép mô phỏng nhanh chóng với giao diện người dùng thân thiện.
+ PSIM cần thiết cho mô phỏng mức, thiết kế mạch vòng điều khiển và nghiêncứu hệ thống điều khiển động cơ
- Công ty nhà sản xuất: Powersim Technologies Inc Hoa Kỳ
Website: http://www.powersimtech.com.
2.2.Giới thiệu Tool => Renewble Energy
- Mô phỏng năng lượng mặt trời
Tấm pin mặt trời trong PSIM gồm các thông số như sau:
Bảng 2.2: Pin năng lượng mặt trời
Trang 11Name Tên tấm pin
Standard Light Intensity S0 Tiêu chuẩn cường độ ánh sáng
Series Resistance Rs Điện trở nối tiếp của mỗi thành phần
tấm pin
Short Circuit Current Isc0 Dòng ngắn mạch
Temperature Coefficient Ct Hệ số nhiệt độ Ct
Trang 12Hình 2.1: Đường đặc tính của pin mặt trời: (Mặc định)
Trang 13- Vẽ lại mạch có pin Năng lượng mặt trời: Mô phỏng thực hiện theo thứ tự sau: + Giới thiệu mạch
Hình 2.2: Giới thiệu mạch + Lấy linh kiện
B1: Lấy khối pin năng lượng mặt trời
Hình 2.3: Cách lấy pin mặt trời
Trang 14B2: Lấy khối Proportional
Hình 2.4: Lấy khối ProportionalB3: Lấy khối nguồn một chiều ở thanh công cụ nằm phía dưới của giao diệnPSIM
Hình 2.5: Lấy khối nguồn một chiềuB4: Lấy nguồn xoay chiều cũng gần giống như trên
Hình 2.6: Lấy nguồn xoay chiềuB4: Lấy khối Voltage Sensor
Hình 2.7: Lấy khối Voltage SensorB5: Lấy khối Multiplier
Trang 15Hình 2.8: Lấy khối MultiplierB6: Lấy khối nối đất
Hình 2.9: Lấy khối nối đấtB7: Lấy khối Current Sensor
Hình 2.10: Lấy khối Current Sensor+ Nối linh kiện
Nhấp vào biểu tượng cây bút trên thanh công cụ phía trên giao diện PSIM và nốicác linh kiện lại với nhau như hình
Hình 2.11: Nối linh kiện+ Gắn thiết bị đo
Trang 16Chọn các thiết bị đo được đặt ở thanh công cụ phía dưới giao diện PSIM
Hình 2.12: Lấy thiết bị đoGắn các thiết bị đo vào mạch điện như hình sau
Hình 2.13: Gắn thiết bị đo vào mạch+ Chạy mô phỏng
Để mô phỏng được ta cần thêm khối Simulation control và Parameter
Hình 2.14:Lấy khối Simulation control và Parameter
Và làm theo các bước sau:
+ Nhấp vào biểu tượng: Run PSIM simulation
Trang 17Màn hình sẽ hiện ra hộp thoại “Properties”
Hình 2.15: Cài đặt mô phỏng + Click vào “Add on” ta sẽ được
Trang 18Hình 2.16: Cài đặt mô phỏng
+ Màn hình mô phỏng sẽ hiện lên
Hình 2.17: Màn hình mô phỏng
Trang 19Hình 2.18: Màn hình mô phỏng
Trang 20CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI 3.1: Khái quát về năng lượng sing khối
Nguồn gốc năng lượng sinh khối
Năng lượng sinh khối vốn dĩ được tạo ra từ các sinh vật trong tự nhiên và cácchất thải trong nông nghiệp, sinh hoạt, công nghiệp, vv Các nguồn này có thểdùng trực tiếp, gián tiếp để tạo ra năng lượng hoặc được chuyển đổi qua cácdạng khác dưới dạng chất mang năng lượng ở thể khí, lỏng hoặc rắn
Nguồn gốc của năng lượng sinh khối ta có thể chia chúng ra làm hai loại:
- Nguồn sinh khối cổ điển
Cành cây, lá cây, rơm rạ, việc sử dụng nguồn sinh khối này đã có từ khi conngười bắt đầu dùng củi và cỏ khô để nhóm lửa sưởi ấm, sản phẩm thu được lànhiệt năng giúp giải quyết mọi vấn đề trong cuộc sống
- Nguồn sinh khối hiện đại
Nguồn sinh khối này phát triển hơn nguồn sinh khối cổ điển Cũng bắt nguồn từnguồn sinh khối cổ điển nhưng dưới sự tác động của con người với trình độ kỹthuật cao giúp tạo ra được nhiều sản phẩm năng lượng đa dạng như: nhiên liệudưới dạng lỏng, khí, có đặc điểm nổi bật là thân thiện với môi trường
Nguồn sinh khối hiện dại phát triển qua ba giai đoạn:
+ Giai đoạn một: Nguồn sinh khối chủ yếu được lấy từ nguồn lương thực chủyếu của con người như ngô, khoai, mía củ cải đường, dầu thực vật, mỡ độngvật, nhược điểm của nguồn nhiên liệu này là việc khai tthacs chúng ảnh hưởngđến vấn đề an ninh lương thực Như xe tải chỉ đổ một lần đầy bình nhiên liệuBioethanol 100%(tức xăng E100: E100 là Ethanol nguyên chất sau khi sảnxuất.) là đã lấy đi số lượng ngũ cốc nuôi sống một người trong một năm
+ Giai đoạn hai: Nguồn sinh khối sử dụng chủ yếu là các phụ phẩm hoặc phếphẩm trong sinh hoạt và trong sản xuất như: Rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, thân ngô, chúng có ưu điểm là tận dụng được các phế phẩm, phụ phẩm không làm ảnh
Trang 21hưởng đến an ninh lương thực và giảm thiểu được lượng lớn rác thải ra môitrường, nhưng nguồn cung ứng chưa đáp ứng được nhu cầu và việc chuyển hóanăng lượng không đạt hiệu suất cao.
+ Giai đoạn ba: Nguồn nguyên liệu được khai thác từ các loại tảo, cỏ (cỏjatropha curcas, cỏ switchgrass, các loại cây tạo ra nhiên liệu để chạy động cơDiezel ) chúng có ưu điểm tuyệt đối là không gây ảnh hưởng đến an ninh nănglượng cũng như về nguồn cung ứng
Thành phần năng lượng sinh khối
Năng lượng sinh khối có nguồn gốc từ Carbon và được tạo thành từ các phân tửhợp chất có chứa Hidro, thường có cả nguyên tử Oxi, Nitơ và cả một lượng nhỏKiềm, đất kiềm và kim loại nặng Những kim loại này thường được tìm thấytrong phân tử hoạt động như những Porphyrin có bao gồm chất diệp lục chứaMagiê
Phân loại năng lượng sinh khối
- Chất bã của sinh khối đã qua xử lý
Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra các sản phẩm phụ và các dòng chất thảigọi là chất bã Các chất bã này có một lượng thế năng nhất định Không phải tất
cả các chất bã đều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phảiđược bổ sung với các chất dinh dưỡng hay các nguyên tố hóa học Tuy nhiên,việc sử dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã được thu thập/phân loại quaquá trình xử lý
- Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy
Cây cối có các thành phần như lignin, hemicellulose, và sợi cellulose Do cáctính chất hóa học và vật lý, lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose Quá trìnhnghiền nhão làm tách rời và chia nhỏ các sợi lignin trong cây nhằm suspend cácsợi cellulose để tạo ra giấy Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã Các chất bãnày là các sản phẩm phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ Các quá trình xử lý
gỗ để tạo ra sản phẩm, đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và
Trang 22bột giấy Thông thường, các nhà máy giấy hay dùng các chất thải này để tạo rađiện cho vận hành nhà máy.
Hình 3.1: Bột giấy
- Bã cây rừng
Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảmnguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗcứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừngnhư phát rừng và di dời các cây đã chết Một trong những thuận lợi của việc tậndụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máygiấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sửdụng ngay được Cũng vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo nănglượng tập trung ở các nhà máy công nghiệp giấy và gỗ, những tiềm năng nguyênliệu thật sự là lớn Theo WEC, tổng công suất dự đoán trên toàn cầu của bã thải
từ rừng là 10.000 MW
Trang 23Hình 3.2: Mùn cưa
- Bã nông nghiệp
Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch Chúng có thểđược thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặthái Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu Hằngnăm, có khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đoán sẽ làdạng sinh khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học Ở một số nơi, đặcbiệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chấtdinh dưỡng cho đất cho vụ mùa kế tiếp Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất
cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và
bị mục rữa làm thất thoát năng lượng
Trang 24Hình 3.3: Võ trấu
- Chất thải từ gia súc
Chất thải gia súc, như phân trâu, bò, heo và gà, có thể được chuyển thành gashoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng Ở những nướcđang phát triển, các bánh phân được dùng như nhiên liệu cho việc nấu nướng.Hơn nữa, phần lớn phân gia súc có hàm lượng methane khá cao Do vậy,phương pháp này khá nguy hiểm vì các chất đôc hại sinh ra từ việc đốt phân lànguy hại đối với sức khỏe người tiêu dùng, là nguyên nhân gây ra 1,6 triệungười chết mỗi năm ở các nước đang phát triển tạo ra một số lượng lớn phângia súc tạo nên nguồn hữu cơ phức tạp cùng với các vấn đề môi trường Cáctrang trại này dùng phân đế sản xuất năng lượng với các cách thức thích hợpnhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng.Các chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm và tạo
ra điện năng thông qua các phương pháp tách metan và phân hủy yếm khí