Bài học

Ôn tập tổng hợp: lựa chọn và vận dụng năng lượng tái tạo

Mục tiêu bài học

Sau bài học này, em hệ thống hoá được toàn bộ kiến thức khoá học về năng lượng tái tạo, giải được các bài tập tổng hợp nhiều bước kết hợp nhiều nguồn và nhiều khái niệm đã học, và trình bày được một lựa chọn đầu tư năng lượng tái tạo có lý do rõ ràng — đúng phong cách một câu hỏi tổng hợp trong đề thi tuyển sinh lớp 10.

Kiến thức nền cần nhớ — hệ thống hoá cả khoá học

Năm chương trước đã đi qua: (1) pin quang điện biến quang năng thành điện năng trực tiếp, dùng $A = P.t$ , phụ thuộc giờ nắng hiệu dụng; (2) tua-bin gió biến động năng gió thành điện năng qua tua-bin cơ học và cảm ứng điện từ, công suất tăng rất nhanh (không tuyến tính) theo tốc độ gió; (3) thuỷ điện biến thế năng nước thành điện năng qua tua-bin nước, phụ thuộc độ cao cột nước, lưu lượng, và hiệu suất; sinh khối/biogas tích trữ sẵn năng lượng hoá học, dùng bất cứ lúc nào; (4) mỗi chuỗi chuyển hoá đều hao phí một phần năng lượng ở mỗi bước, và lựa chọn nguồn phải cân bằng giữa lợi ích (giảm phát thải, tài nguyên vô hạn) với hạn chế (phụ thuộc thời tiết, chi phí đầu tư); (5) sử dụng năng lượng tiết kiệm — thiết bị hiệu suất cao, tắt khi không dùng — là trụ cột song song với phát triển năng lượng tái tạo trong mục tiêu phát triển bền vững.

Năm chương trước đã đi qua: (1) **pin quang điện** biến quang năng thành điện năng trực tiếp, dùng $A = P.t$, phụ thuộc giờ nắng hiệu dụng; (2) **tua-bin gió** biến động năng gió thành điện năng qua tua-bin cơ học và cảm ứng điện từ, công suất tăng rất nhanh (không tuyến tính) theo tốc độ gió; (3) **thuỷ điện** biến thế năng nước thành điện năng qua tua-bin nước, phụ thuộc độ cao cột nước, lưu lượng, và hiệu suất; **sinh khối/biogas** tích trữ sẵn năng lượng hoá học, dùng bất cứ lúc nào; (4) mỗi chuỗi chuyển hoá đều hao phí một phần năng lượng ở mỗi bước, và lựa chọn nguồn phải cân bằng giữa lợi ích (giảm phát thải, tài nguyên vô hạn) với hạn chế (phụ thuộc thời tiết, chi phí đầu tư); (5) sử dụng năng lượng tiết kiệm — thiết bị hiệu suất cao, tắt khi không dùng — là trụ cột song song với phát triển năng lượng tái tạo trong mục tiêu phát triển bền vững.

Khởi động

Một huyện muốn xây dựng hệ thống điện tái tạo, nhưng không chỉ chọn một nguồn duy nhất — họ cần cân nhắc số giờ nắng, tốc độ gió, độ dốc sông, và cả vùng chăn nuôi sẵn có cùng lúc. Đó chính xác là bài toán tổng hợp em sẽ giải trong bài học cuối cùng này.

Bảng tổng kết bốn nguồn năng lượng tái tạo

Trước khi vào bài tập, hãy nhìn lại bốn chuỗi chuyển hoá cạnh nhau lần cuối: mặt trời đi thẳng quang năng → điện năng (một bước); gió đi động năng không khí → động năng quay → điện năng (hai bước, cảm ứng điện từ); nước đi thế năng → động năng dòng chảy → động năng quay → điện năng (ba bước, cảm ứng điện từ, hiệu suất toàn chuỗi thường cao vì ít ma sát trong môi trường lỏng); sinh khối/biogas đi hoá năng → nhiệt năng → (có thể tiếp) điện năng. Biểu đồ dưới đây nhắc lại tỉ trọng đóng góp gần đúng của các nguồn trong hệ thống điện Việt Nam, để thấy quy mô tương đối giữa chúng.

Thuỷ điện vẫn là nguồn tái tạo đóng góp lớn nhất hiện nay; điện mặt trời và điện gió đang tăng nhanh trong những năm gần đây.

Ví dụ

Bài tổng hợp 1: từ công suất gió tới số hộ dân được cấp điện

1
Một tua-bin gió nhận công suất động năng gió đầu vào 800kW. Hiệu suất tua-bin cơ học là 45%, hiệu suất máy phát điện là 92%. Tua-bin hoạt động ổn định ở các thông số này trung bình 9 giờ mỗi ngày. a) Tính công suất điện đầu ra của tua-bin. b) Tính điện năng tua-bin tạo ra trong một ngày. c) Biết một hộ gia đình tiêu thụ trung bình 12kWh/ngày, tua-bin này đủ cấp điện cho khoảng bao nhiêu hộ mỗi ngày?
Một tua-bin gió nhận công suất động năng gió đầu vào 800kW. Hiệu suất tua-bin cơ học là 45%, hiệu suất máy phát điện là 92%. Tua-bin hoạt động ổn định ở các thông số này trung bình 9 giờ mỗi ngày. a) Tính công suất điện đầu ra của tua-bin. b) Tính điện năng tua-bin tạo ra trong một ngày. c) Biết một hộ gia đình tiêu thụ trung bình 12kWh/ngày, tua-bin này đủ cấp điện cho khoảng bao nhiêu hộ mỗi ngày?
2
Áp dụng hiệu suất giai đoạn 1: $P_{cơ} = 800 \times 45\% = 360\,\text{kW}$ . (1)
Áp dụng hiệu suất giai đoạn 1: $P_{cơ} = 800 \times 45\% = 360\,\text{kW}$. (1)
3
Áp dụng hiệu suất giai đoạn 2 trên (1): $P_{điện} = 360 \times 92\% = 331{,}2\,\text{kW}$ . (2)
Áp dụng hiệu suất giai đoạn 2 trên (1): $P_{điện} = 360 \times 92\% = 331{,}2\,\text{kW}$. (2)
4
Từ (2), áp dụng $A = P.t$ với $t = 9\,\text{h}$ : $A = 331{,}2 \times 9 = 2980{,}8\,\text{kWh}$ . (3)
Từ (2), áp dụng $A = P.t$ với $t = 9\,\text{h}$: $A = 331{,}2 \times 9 = 2980{,}8\,\text{kWh}$. (3)
5
Từ (3): số hộ $= \dfrac{2980{,}8}{12} \approx 248$ hộ (làm tròn xuống, vì phần lẻ không đủ cấp trọn cho một hộ tiếp theo).
Từ (3): số hộ $= \dfrac{2980{,}8}{12} \approx 248$ hộ (làm tròn xuống, vì phần lẻ không đủ cấp trọn cho một hộ tiếp theo).
6
Vậy công suất điện đầu ra là 331,2kW, điện năng mỗi ngày là 2980,8kWh, đủ cấp điện cho khoảng 248 hộ gia đình mỗi ngày.

Ví dụ

Bài tổng hợp 2: lựa chọn đầu tư năng lượng tái tạo cho một huyện ven biển

1
Một huyện ven biển Bắc Trung Bộ có: số giờ nắng trung bình 1900 giờ/năm (thấp hơn Nam Trung Bộ), tốc độ gió trung bình ngoài khơi 7,5 m/s, và một vùng chăn nuôi lợn quy mô lớn. Huyện đang cân nhắc hai phương án: (A) một hệ pin quang điện 200kWp, sản lượng trung bình 1100 kWh/kWp/năm; (B) 2 tua-bin gió công suất định mức 2MW mỗi cái, ở tốc độ gió 7,5 m/s ước tính phát khoảng 60% công suất định mức, hoạt động 7 giờ/ngày, 365 ngày/năm. a) Tính sản lượng điện cả năm của phương án A. b) Tính sản lượng điện cả năm của phương án B. c) So sánh và đề xuất huyện nên ưu tiên phương án nào, kèm ít nhất một lý do liên hệ vùng chăn nuôi lợn sẵn có.
Một huyện ven biển Bắc Trung Bộ có: số giờ nắng trung bình 1900 giờ/năm (thấp hơn Nam Trung Bộ), tốc độ gió trung bình ngoài khơi 7,5 m/s, và một vùng chăn nuôi lợn quy mô lớn. Huyện đang cân nhắc hai phương án: (A) một hệ pin quang điện 200kWp, sản lượng trung bình 1100 kWh/kWp/năm; (B) 2 tua-bin gió công suất định mức 2MW mỗi cái, ở tốc độ gió 7,5 m/s ước tính phát khoảng 60% công suất định mức, hoạt động 7 giờ/ngày, 365 ngày/năm. a) Tính sản lượng điện cả năm của phương án A. b) Tính sản lượng điện cả năm của phương án B. c) So sánh và đề xuất huyện nên ưu tiên phương án nào, kèm ít nhất một lý do liên hệ vùng chăn nuôi lợn sẵn có.
2
$A_{A} = 200\,\text{kWp} \times 1100\,\text{kWh/kWp/năm} = 220\,000\,\text{kWh/năm}$ . (1)
$A_{A} = 200\,\text{kWp} \times 1100\,\text{kWh/kWp/năm} = 220\,000\,\text{kWh/năm}$. (1)
3
Công suất phát ước tính: $P = 2\,\text{MW} \times 60\% = 1{,}2\,\text{MW} = 1200\,\text{kW}$ .
Công suất phát ước tính: $P = 2\,\text{MW} \times 60\% = 1{,}2\,\text{MW} = 1200\,\text{kW}$.
4
Một ngày: $1200 \times 7 = 8400\,\text{kWh}$ . Một năm: $8400 \times 365 = 3\,066\,000\,\text{kWh}$ . Hai tua-bin: $A_{B} = 2 \times 3\,066\,000 = 6\,132\,000\,\text{kWh/năm}$ . (2)
Một ngày: $1200 \times 7 = 8400\,\text{kWh}$. Một năm: $8400 \times 365 = 3\,066\,000\,\text{kWh}$. Hai tua-bin: $A_{B} = 2 \times 3\,066\,000 = 6\,132\,000\,\text{kWh/năm}$. (2)
5
Từ (1) và (2): $A_B (6\,132\,000\,\text{kWh}) \gg A_A (220\,000\,\text{kWh})$ , nên phương án B (điện gió) cho sản lượng lớn hơn rất nhiều — phù hợp vì huyện có số giờ nắng thấp hơn Nam Trung Bộ nhưng tốc độ gió ngoài khơi thuộc loại tốt.
Từ (1) và (2): $A_B (6\,132\,000\,\text{kWh}) \gg A_A (220\,000\,\text{kWh})$, nên phương án B (điện gió) cho sản lượng lớn hơn rất nhiều — phù hợp vì huyện có số giờ nắng thấp hơn Nam Trung Bộ nhưng tốc độ gió ngoài khơi thuộc loại tốt.
6
Vậy huyện nên ưu tiên đầu tư điện gió ngoài khơi làm nguồn chính. Đồng thời, tận dụng vùng chăn nuôi lợn sẵn có để xây dựng hầm biogas, vừa xử lý chất thải vừa bổ sung nguồn điện/nhiệt phân tán cho các trại — đúng nguyên tắc kết hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo đã học ở Chương 4.

Những sai lầm cần tránh khi làm bài tổng hợp

Ba lỗi hay gặp nhất trong các bài tổng hợp: (1) quên đổi đơn vị công suất giữa W, kW, MW trước khi tính điện năng, dẫn đến sai số gấp 1000 hoặc 1.000.000 lần; (2) nhầm công suất định mức (kWp, MW ghi trên thiết bị) với sản lượng điện thực tế tạo ra (kWh, phụ thuộc điều kiện tự nhiên và hiệu suất); (3) bỏ quên câu kết luận "Vậy..." nêu đầy đủ đơn vị và làm tròn theo đúng yêu cầu đề bài — một bài giải đúng số nhưng thiếu kết luận rõ ràng vẫn bị trừ điểm trình bày trong đề thi thật.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Bốn nguồn năng lượng tái tạo — mặt trời, gió, nước, sinh khối — mỗi nguồn có chuỗi chuyển hoá, điều kiện tự nhiên phù hợp, và mức độ ổn định riêng. Một bài toán tổng hợp thường ghép nhiều bước: đổi đơn vị, áp dụng hiệu suất từng giai đoạn, tính điện năng bằng $A = P.t$ , rồi so sánh hoặc quy đổi sang số hộ dân hay lượng CO2 giảm được — luôn kết thúc bằng một kết luận rõ ràng, đủ đơn vị.

Bốn nguồn năng lượng tái tạo — mặt trời, gió, nước, sinh khối — mỗi nguồn có chuỗi chuyển hoá, điều kiện tự nhiên phù hợp, và mức độ ổn định riêng. Một bài toán tổng hợp thường ghép nhiều bước: đổi đơn vị, áp dụng hiệu suất từng giai đoạn, tính điện năng bằng $A = P.t$, rồi so sánh hoặc quy đổi sang số hộ dân hay lượng CO2 giảm được — luôn kết thúc bằng một kết luận rõ ràng, đủ đơn vị.

Cầu nối

Khoá học Năng lượng tái tạo khép lại ở đây. Những công thức và cách suy luận đã luyện — đổi đơn vị công suất, ghép hiệu suất nhiều giai đoạn, so sánh dữ kiện để chọn giải pháp phù hợp — sẽ còn quay lại nhiều lần trong các đề thi tổng hợp Vật lí 9 và trong chương trình Vật lí ở bậc THPT.