Mục lục bài họcĐang ở d06-b3
Renewable Energy: Water, Sun, Wind, Earth, and Biomass
Hydroelectric
A reservoir dam stores water and releases it through turbines on demand; a run-of-river plant takes whatever the river gives. Reservoirs trap sediment, starving downstream floodplains and deltas of nutrients, flood habitat, lose water to evaporation, block fish migration, and release methane from vegetation decomposing underwater.
Solar
- Photovoltaic (PV) — semiconductors convert light directly into DC electricity. No moving parts, no water use.
- Concentrated solar / solar thermal — mirrors focus sunlight to make heat, then steam, then electricity. Needs cooling water and direct sun.
- Passive solar — no machinery at all: south-facing glazing in the Northern Hemisphere, overhangs sized to block high summer sun but admit low winter sun, and interior thermal mass to even out the day-night swing.
Wind, geothermal, biomass, hydrogen
Wind power scales with the cube of wind speed, so siting matters enormously. Turbines kill birds and bats and raise noise and view complaints, but occupy little land — farming continues between towers.
Geothermal power plants need tectonically active crust and can emit $\text{H}_2\text{S}$; ground-source heat pumps work anywhere, using the shallow subsurface's steady temperature to move heat rather than generate it.
Biomass (wood, charcoal, dung, ethanol, biodiesel) is renewable only if regrown, and burning it indoors is a leading cause of respiratory illness in low-income households. Hydrogen fuel cells emit only water at the point of use, but most commercial hydrogen is made by steam reforming of methane, which releases $\text{CO}_2$ upstream.
Thuỷ điện. Đập có hồ chứa tích nước rồi xả qua tuabin khi cần; thuỷ điện dòng chảy lấy đúng lượng nước con sông đang có. Hồ chứa giữ lại phù sa, làm đồng bằng và châu thổ hạ lưu mất nguồn dinh dưỡng; nó nhấn chìm sinh cảnh, mất nước do bốc hơi, chặn đường di cư của cá, và thải mêtan từ thảm thực vật phân huỷ dưới nước.
Mặt trời có ba kiểu hoàn toàn khác nhau — đề hay tráo chúng cho nhau:
- Quang điện (PV): chất bán dẫn biến ánh sáng trực tiếp thành điện một chiều. Không bộ phận chuyển động, không dùng nước.
- Nhiệt mặt trời hội tụ: gương gom nắng tạo nhiệt, rồi hơi, rồi điện. Cần nước làm mát và cần nắng trực xạ.
- Thụ động: không có máy móc nào. Ở Bắc bán cầu là cửa kính hướng nam, mái đua tính đúng độ vươn để chắn nắng cao mùa hè nhưng vẫn đón nắng thấp mùa đông, cùng khối tích nhiệt bên trong để san bằng chênh lệch ngày đêm.
Gió cho công suất tỉ lệ với luỹ thừa ba của tốc độ gió, nên chọn vị trí quan trọng bậc nhất: gió tăng $26\%$ thì công suất tăng gấp đôi. Tuabin gây chết chim và dơi, gây tiếng ồn và tranh cãi cảnh quan, nhưng chiếm rất ít đất — bên dưới vẫn canh tác bình thường.
Địa nhiệt có hai thứ rất khác nhau: nhà máy điện địa nhiệt đòi vỏ Trái Đất hoạt động kiến tạo và có thể thải $\text{H}_2\text{S}$; còn bơm nhiệt đất thì lắp được ở mọi nơi, dùng nhiệt độ ổn định của lớp đất nông để di chuyển nhiệt chứ không sinh ra điện.
Sinh khối (củi, than củi, phân khô, etanol, dầu diesel sinh học) chỉ tái tạo nếu được trồng lại, và đốt nó trong nhà là một nguyên nhân hàng đầu gây bệnh hô hấp ở hộ thu nhập thấp. Pin nhiên liệu hiđro chỉ thải nước tại nơi sử dụng, nhưng phần lớn hiđro thương mại được sản xuất bằng reforming hơi nước từ mêtan — khâu đó vẫn phát thải $\text{CO}_2$.
Một tuabin gió có công suất định mức $3{,}0$ MW và hệ số công suất $35\%$. Một hộ gia đình Mỹ trung bình dùng $10\,800$ kWh mỗi năm. Tính sản lượng điện năm của tuabin và số hộ nó cấp được.
Bước 1 — số giờ trong năm. Con số phải nhớ:
$$365 \times 24 = 8\,760 \text{ giờ}$$Bước 2 — sản lượng nếu chạy hết công suất suốt năm.
$$3\,000 \text{ kW} \times 8\,760 \text{ h} = 2{,}628 \times 10^{7} \text{ kWh}$$Bước 3 — nhân hệ số công suất. Hệ số công suất nói rằng gió không thổi đủ mạnh suốt ngày đêm, nên sản lượng thật chỉ bằng một phần:
$$2{,}628 \times 10^{7} \times 0{,}35 = 9{,}198 \times 10^{6} \text{ kWh mỗi năm}$$Bước 4 — chia cho mức dùng của một hộ.
$$\frac{9{,}198 \times 10^{6}}{10\,800} \approx 852 \text{ hộ}$$Ý nghĩa của con số: một cánh đồng gió $50$ tuabin cấp được cho khoảng $42\,600$ hộ — cỡ một thị xã. Và hệ số công suất $35\%$ chính là lý do không thể so công suất định mức của gió với công suất định mức của một nhà máy than (hệ số công suất khoảng $55$–$60\%$) như thể chúng tương đương.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 6 — Energy Resources and Consumption gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.