Ngoài ra còn một năng lượng mới: Khí ga hydrat _ “đóng vai trò như một cầu nốitới nguồn năng lượng trong tương lai cho tới tận khi các nguồn năng lượng sạch hơn nhưhidrô và năng lượng mặ
Trang 1Tr ường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh ng Đ i H c S Ph m Thành Ph H Chí Minh ại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh ọc Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh ư ại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh ố Hồ Chí Minh ồ Chí Minh
Khoa Công Ngh Thông Tin ệ Thông Tin
Trang 2M c l c ục lục ục lục
Sơ Lược Về Năng Lượng 5
A Năng lượng mặt trời 6
I Khái quát 6
II Lịch sử hình thành và phát triển 6
III Nguồn năng lượng mặt trời 6
IV Ứng dụng của mặt trời 7
1 Nhiệt mặt trời 7
a Nước nóng: 7
b Hệ thống làm mát, sưởi ấm và thông gió: 7
c Xử lý nước: 7
d Nấu ăn: 8
2 Điện mặt trời 8
a Điện mặt trời tập trung 9
b Pin mặt trời 9
V Thành tựu 9
VI Phương pháp lưu trữ năng lượng mặt trời 10
VII Một số lợi ích và hạn chế của việc ứng dụng năng lượng mặt trời 11
B Năng lượng sinh học 11
I Tổng quan 11
II Phân loại 12
1 Năng lượng sinh khối 12
a Giới thiệu 12
b Thành phần và nguồn gốc của sinh khối 12
c Ứng dụng của năng lượng sinh khối 14
2 Năng lượng nội nhân 15
III Các tác động về môi trường 16
IV Kết luận 17
Trang 3C Năng lượng hạt nhân (Nuclear Energy) 17
I Tổng Quan 17
II Lịch sử hình thành và phát triển 17
III Ứng dụng 18
IV Ảnh hưởng của bức xạ hạt nhân 19
D Năng lượng gió 19
I Tổng quan 19
II Nguồn Năng Lượng Gió 20
III Tác động về môi trường 20
1 Các mặt thuận lợi 20
2 Các mặt bất lợi 20
IV Kết luận 20
E Năng lượng địa nhiệt 21
I Tổng quan 21
1 Nguồn Năng Lượng Địa Nhiệt 21
2 Các ứng dụng của Địa Nhiệt 21
3 Các vấn đề môi trường khác 21
a Sử dụng nguồn nước 22
b Chất lượng nước 22
c Sụp lún 22
d Động đất cảm ứng 22
e Thay đổi cảnh quan 22
4 Ảnh hường về môi trường 22
5 Kết luận 22
F Nhiên liệu hóa thạch 23
I Tổng quan 23
II Sự quan trọng 23
III Các nguồn nhiên liệu chính 24
1 Than đá (Coal) 24
Trang 42 Dầu và khí thiên nhiên 24
a Dầu mỏ (oil) 24
b Khí thiên nhiên 25
c Các vấn đề môi trường của dầu mỏ và khí thiên nhiên 25
3 Đá phiến dầu và cát chứa dầu 25
a Đá phiến dầu 25
b Cát chứa dầu 25
4 Băng cháy 26
5 Năng lượng đen (tối) 26
Trang 5Sơ Lược Về Năng Lượng
Năng lượng là khả năng làm việc
Năng lượng có nhiều hình thức khác nhau:
Các nguồn năng lượng có thể được phân loại thành:
1 Năng lượng tái tạo
a Năng lượng mặt trời từ mặt trời, có thể được chuyển thành điện và nhiệt
b Gió
c Năng lượng địa nhiệt từ nhiệt trong lòng đất
d Sinh khối từ các nhà máy, trong đó bao gồm củi từ cây, sản xuất ethanol từ ngô vàdầu diesel sinh học từ dầu thực vật
e Thủy điện từ hydroturbines tại một đập
2 Năng lượng không tái tạo
Hầu hết là năng lượng từ các nguồn năng lượng không thể tái tạo, trong đó baogồm các nhiên liệu hóa thạch - dầu mỏ, khí tự nhiên và than Chúng được gọi là nhiênliệu hóa thạch, vì chúng được hình thành qua hàng triệu và hàng triệu năm do tác độngcủa nhiệt từ lõi và áp lực từ đất đá trên phần còn lại (hoặc "hóa thạch") của thực vật đãchết và các sinh vật như tảo cát vi của Trái đất
Hầu hết các xăng được sử dụng trong xe ô tô và xe máy và các nhiên liệu dieselđược sử dụng trong xe tải được làm từ dầu mỏ, một nguồn tài nguyên không thể tái tạo.Khí thiên nhiên, được sử dụng để sưởi ấm, quần áo khô và nấu thức ăn, là không thể táitạo Các propan rằng nhiên liệu lò nướng ngoài trời được làm từ dầu và khí tự nhiên, cảhai không thể tái tạo
Ngoài ra còn một năng lượng mới: Khí ga hydrat _ “đóng vai trò như một cầu nốitới nguồn năng lượng trong tương lai cho tới tận khi các nguồn năng lượng sạch hơn nhưhidrô và năng lượng mặt trời, được phát hiện nhiều hơn” theotác giả nghiên cứu tiến sĩTim Collett, nhà nghiên cứu sinh học tại Denver, bang Colo
Trang 6A Năng lượng mặt trời
Việc thu giữ năng lượng Mặt Trời (NLMT) gần như không có ảnh hưởng tiêu cực
gì đến môi trường Việc sử dụng NLMT không thải ra khí và nước độc hại, do đó khônggóp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính
III Nguồn năng lượng mặt trời
Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1,4 triệu km với thành phần gồmcác khí có nhiệt độ rất cao Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với ápsuất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất Đây là điều kiện lý tưởng cho các phảnứng phân hạch của các nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này,trong qua trình được truyền từ tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khácbên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánhsáng và phần nhiệt của phổ năng lượng Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài
Trang 7từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau Quá trình bức xạcủa Mặt Trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa.
Trái Đất nhận được 174 petawatts (PW) của bức xạ mặt trời đến (sự phơi nắng) ởphía trên không khí Khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lạiđược hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và vùng đất phổ của ánh sáng năng lượng mặttrời ở bề mặt của Trái Đất là chủ yếu lây lan qua nhìn thấy được và cận hồng ngoại phạm
vi với một vai nhỏ trong các cận tử ngoại
IV Ứng dụng của mặt trời
b Hệ thống làm mát, sưởi ấm và thông gió:
Nhiệt khối là vật liệu bất kỳ có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ Mặt trời trong trường hợp của năng lượng mặt trời Các vật liệu nhiệt khối phổ biến bao gồm đá,
xi măng và nước Chúng đã được sử dụng trong lịch sử ở vùng khí hậu khô hạn và khu vực ôn đới ấm để giữ mát các tòa nhà bằng cách hấp thụ năng lượng mặt trời vào ban ngày và bức xạ nhiệt đã lưu trữ để không khí mát vào ban đêm Tuy nhiên, chúng cũng cóthể được sử dụng trong khu vực ôn đới lạnh để duy trì sự ấm áp Rụng lá cây và thực vật
đã được phát huy như một phương tiện để kiểm soát năng lượng mặt trời sưởi ấm và làm mát
Trang 8Năng lượng mặt trời có thể được sử dụng trong một ao nước ổn định để điều trị nước thải mà không có hóa chất hoặc điện Một lợi thế môi trường thêm rằng tảo phát triển trong ao như vậy và tiêu thụ carbon dioxide trong quang hợp, mặc dù tảo có thể sản xuất hóa chất độc hại làm cho các nước không sử dụng được.
d Nấu ăn:
Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khử trùng Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phản xạ Các bếp này đạt đến nhiệt độ 315° C và cao hơn nhưng yêu cầu ánh sáng trực tiếp để hoạtđộng đúng và phải được thay đổi vị trí để theo dõi Mặt trời
Bát năng lượng mặt trời là một công nghệ tập trung sử dụng các bếp năng lượng mặt trời tại Auroville, Pondicherry, Ấn Độ
2 Điện mặt trời
Điện mặt trời là việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện, hoặc trực tiếp bằng cách sử dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập trung (CSP) Hệ thống CSP sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung mộtkhu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ PV chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện
Các nhà máy CSP thương mại được phát triển đầu tiên vào những năm 1980, và lắp đặt CSP SEGS 354 MW là nhà máy điện mặt trời lớn nhất trên thế giới và nằm ở sa mạc Mojave của California Các nhà máy CSP lớn khác bao gồm Nhà máy điện mặt trời
Trang 9Solnova (150 MW) và Nhà máy điện mặt trời Andasol (100 MW), cả hai ở Tây Ban Nha.Nhà máy quang điện Sarnia Canada là nhà máy quang điện lớn nhất thế giới.
a Điện mặt trời tập trung.
- Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho một nhà máy điện thông thường Một loạt các công nghệ tập trung tồn tại, phát triển nhất là máng parabol tập trung phản xạ tuyến tính Fresnel, đĩa Stirling và các tháp điện mặt trời
Các pin Mặt Trời thông thường được lắp thành một modun khoảng 40 phiến pin, và
10 modun sẽ được lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện có thể dài vài mét Các chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng này được lắp ở một góc cố định hướng về phía Nam, hoặc được lắp trên một hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để luôn bắt được nắng theo sự thay đổi quĩ đạo của nắng Mặt Trời
Năm 1980, Gossamer Penguin thực hiện các chuyến bay thử nghiệm đầu tiên chỉ
sử dụng pin quang điện Điều này đã được nhanh chóng theo sau bởi Solar Challengervượt qua eo biển Anh trong tháng 7 năm 1981
Trang 10Năm 1990 Eric Scott Raymond trong 21 bước nhảy đã bay từ California đến BắcCarolina bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời
Máy bay chạy bằng năng lượng Mặt Trời lớn nhất thực hiện chuyến bay quốc tếđầu tiên Solar Impulse, máy bay chạy bằng năng lượng Mặt Trời lớn nhất thế giới củaThụy Sỹ, đã thực hiện thành công chuyến bay quốc tế đầu tiên hồi tháng 5/2011 trênquãng đường dài 630km từ Thụy Sỹ sang Brussels, Bỉ trong khoảng 13 giờ
Ngày 23/5,2013, chiếc máy bay chạy bằng năng lượng Mặt Trời có người lái đầutiên Solar Impulse đã thiết lập kỷ lục mới về khoảng cách bay với việc hoàn thành chặngđường dài 1.541km
VI Phương pháp lưu trữ năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời vào ban đêm, và lưu trữ năng lượng là một vấn đề quan trọngbởi vì các hệ thống năng lượng hiện đại thường giả định sẵn có liên tục của năng lượng
Hệ thống nhiệt khối có thể lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt ở nhiệt độtrong nước hữu ích cho mỗi ngày hoặc mùa thời Hệ thống lưu trữ nhiệt thường sử dụngvật liệu sẵn có với năng lực nhiệt đặc trưng cao như đất, nước và đá Hệ thống được thiết
kế tốt có thể hạ thấp nhu cầu cao điểm, thay đổi thời gian sử dụng về các giờ ngoài giờcao điểm và giảm các yêu cầu sưởi ấm và làm mát tổng thể
Các vật liệu thay đổi pha như sáp paraffin và Muối Glauber là một phương tiệnlưu trữ nhiệt khác Những vật liệu này rẻ tiền, sẵn có, và có thể cung cấp nhiệt độ trongnhà hữu ích (khoảng 64°C)
Xe máy chạy bằng năng lượngmặt trời là sản phẩm của hãngSunRed đoạt giải Nhất về Côngnghệ sáng tạo tại Triển lãm xe hơi
ở Barcelona (Tây Ban Nha)
Trang 11Năng lượng mặt trời có thể được lưu trữ ở nhiệt độ cao bằng cách sử dụng muốinóng chảy Muối là một phương tiện lưu trữ có hiệu quả bởi vì chúng có chi phí thấp, cónhiệt dung riêng cao và có thể cung cấp nhiệt ở nhiệt độ tương thích với các hệ thốngđiện thông thường.
VII Một số lợi ích và hạn chế của việc ứng dụng năng lượng mặt trời
Lợi ích mà NLMT đem lại là rất lớn:
- Cung cấp nguồn năng lượng lớn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người
- Chi phí nhiên liệu bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng, thân thiện với môitrường
- Thay thế nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt
- Sử dụng phổ biến, dễ dàng ở các nước có nguồn bức xạ mặt trời lớn
Tuy nhiên vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế như ở một số nước phát triển nguồn nănglượng này là nguồn gốc gây ô nhiễm Tại một số quốc gia này người ta đang sử dụngacquy chì axit để tích trữ năng lượng từ mặt trời, do đó ảnh hưởng nghiêm trọng tới môitrường Chỉ riêng Trung Quốc và Ấn Độ đã thải ra môi trường hơn 2,4 triệu tấn chì Cầnphải áp dụng những công nghệ hiện đại để lưu trữ nguồn điện năng và phát huy được thếmạnh của nguồn năng lượng này
B Năng lượng sinh học.
Trang 12VIII Phân loại.
Nguồn năng lượng sinh học bao gồm hai loại: Năng lượng sinh khối và năng lượng nội nhân
1 Năng lượng sinh khối.
a Giới thiệu.
Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất
có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do cácthành phần hóa học của nó.Với định nghĩa như vậy, sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên,cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp vàlâm nghiệp Sinh khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem nhưng chất thải từ các
xã hội con người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn nước cống,phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp (industrial by-product) và các thànhphần hữu cơ của chất thải sinh hoạt
Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng,nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp vàturbin hơi, phân hủy yếm khí (anaerobic digestion), đốt kết hợp (co-firing), khí hóa(gasification) và nhiệt phân (pyrolysis)
Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môitrường
e Thành phần và nguồn gốc của sinh khối.
Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất cellulose hay ligno-cellulosic.Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thảinông nghiệp, và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị
Cây dự trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào cellulose và lignin (chất gỗ) thôngqua quá trình quang hợp Cellulose là một chuỗi polymer của các phân tử đường 6-carbon Lignin là chất hồ kết dính các chuỗi cellulose với nhau
Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa, chất bã của sinh khối
đã được xử lý Các chất này gồm có bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗthành thị, chất thải rắn đô thị, khí ở các hố chôn lấp, chất thải của gia súc, các giống câytrên cạn và dưới nước được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng Các giống cây nàydược gọi là các giống cây năng lượng Ở số lượng lớn, nguồn sinh khối được gọi lànguyên liệu sinh khối Sử dụng các chất thải thì hiệu quả hơn để chúng tự phân rã, giảm
Trang 13mối nguy hại đối với môi trường xung quanh Dưới đây là các mô tả chi tiết của từng loạisinh khối:
Chất bã của sinh khối đã qua xử lý: Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra cácsản phẩm phụ và các dòng chất thải gọi là chất bã Không phải tất cả các chất bãđều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải được bổ sung vớicác 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 qua quá trình xử lý
Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy: Cây cối có các thành phầnnhư lignin, hemicellulose, và sợi cellulose Do các tính chất hóa học và vật lý,lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose Quá trình nghiền nhão làm tách rời và chianhỏ các sợi lignin trong cây nhằm suspend các sợi cellulose để tạo ra giấy Các bộtgiấy dư thừa tạo nên chất bã
Bã cây rừng (Forestry residues): Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quátrình làm thưa rừng nhằm giảm nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thuhoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừatrong quá trình quản lý rừng như phát rừng và di dời các cây đã chết Một trongnhững thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng nàyđược tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồnnguyên liệu có thể sửTh dụng ngay được
Bã nông nghiệp (Agricultural residues): Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừasau các vụ thu hoạch
Chất thải từ gia súc (Livestock residues): Chất thải gia súc, như phân trâu, bò, heo
và gà, có thể được chuyển thành gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sảnxuất năng lượng
Các loại bã thải khác:
o Chất thải củi gỗ đô thị: Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở cáccông trường Chất thải củi gỗ đô thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây
đã qua cắt tỉa Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự
án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được chuyển thành phân trộnhay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinhhọc
o Chất thải rắn đô thị: Chất thải đô thị có một hàm lượng nhất định của cácvật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng tái tạo khôngnhỏ
o Cây trồng năng lượng: Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏđược xử lý bằng công nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng