Lời nói đầu ---- Căn cứ vào quy hoạch báo chí đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, theo văn bản đề nghị của Bộ Giáo dục và Đào tạo, ngày 25 tháng 11 năm 2002, Bộ Văn hoá - Thông tin đã ra Quyết định số 510/GP-BVHTT, cấp giấy phép hoạt động báo chí cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng. Ngày 10 tháng 8 năm 2006, Cục Báo chí Bộ Văn hoá - Thông tin đã có Công văn số 816/BC đồng ý cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ xuất bản từ 03 tháng/kỳ lên thành 02 tháng/kỳ. Ngày 6 tháng 2 năm 2007, Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ đã có Công văn số 44/TTKHCN-ISSN đồng ý cấp mã chuẩn quốc tế: ISSN 1859-1531 cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ”, Đại học Đà Nẵng. Ngày 5 tháng 3 năm 2008, Cục Báo chí, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Công văn số 210/CBC cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng, ngoài ngôn ngữ được thể hiện là tiếng Việt, được bổ sung thêm ngôn ngữ thể hiện bằng tiếng Anh và tiếng Pháp. Ngày 15 tháng 9 năm 2011, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định số 1487/GP-BTTTT cấp Giấy phép sửa đổi, bổ sung cho phép Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ hạn xuất bản từ 02 tháng/kỳ lên 01 tháng/kỳ và tăng số trang từ 80 trang lên 150 trang. Ngày 07 tháng 01 năm 2016, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định số 07/GP-BTTTT cấp Giấy phép hoạt động báo chí in cho Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được xuất bản 15 kỳ/01 năm (trong đó, có 03 kỳ xuất bản bằng ngôn ngữ tiếng Anh). Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời với mục đích: Công bố, giới thiệu các công trình nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực giảng dạy và đào tạo; Thông tin các kết quả nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước nhằm phục vụ cho công tác đào tạo của nhà trường; Tuyên truyền, phổ biến đường lối chính sách của Đảng và Nhà nước trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo và nghiên cứu khoa học, công nghệ. Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời là sự kế thừa và phát huy truyền thống các tập san, thông báo, thông tin, kỷ yếu Hội thảo của Đại học Đà Nẵng và các trường thành viên trong gần 40 năm qua. Ban Biên tập rất mong sự phối hợp cộng tác của đông đảo các nhà khoa học, nhà giáo, các cán bộ nghiên cứu trong và ngoài nhà trường, trong nước và ngoài nước để Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” của Đại học Đà Nẵng ngày càng có chất lượng tốt hơn. BAN BIÊN TẬP
115
Embed
Lời nói đầu - tapchikhcn.udn.vntapchikhcn.udn.vn/OrtherFile/2017_12_13_14_51_283so 9(118).2017-q1... · Thiết kế bộ điều khiển trượt cho tuabin gió độc lập
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Lời nói đầu
----
Căn cứ vào quy hoạch báo chí đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, theo văn bản đề nghị của Bộ Giáo dục và Đào tạo, ngày 25 tháng 11 năm 2002, Bộ Văn hoá - Thông tin đã ra Quyết định số 510/GP-BVHTT, cấp giấy phép hoạt động báo chí cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng.
Ngày 10 tháng 8 năm 2006, Cục Báo chí Bộ Văn hoá - Thông tin đã có Công văn số 816/BC đồng ý cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ xuất bản từ 03 tháng/kỳ lên thành 02 tháng/kỳ.
Ngày 6 tháng 2 năm 2007, Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ đã có Công văn số 44/TTKHCN-ISSN đồng ý cấp mã chuẩn quốc tế: ISSN 1859-1531 cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ”, Đại học Đà Nẵng.
Ngày 5 tháng 3 năm 2008, Cục Báo chí, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Công văn số 210/CBC cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng, ngoài ngôn ngữ được thể hiện là tiếng Việt, được bổ sung thêm ngôn ngữ thể hiện bằng tiếng Anh và tiếng Pháp.
Ngày 15 tháng 9 năm 2011, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định số 1487/GP-BTTTT cấp Giấy phép sửa đổi, bổ sung cho phép Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ hạn xuất bản từ 02 tháng/kỳ lên 01 tháng/kỳ và tăng số trang từ 80 trang lên 150 trang.
Ngày 07 tháng 01 năm 2016, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định số 07/GP-BTTTT cấp Giấy phép hoạt động báo chí in cho Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được xuất bản 15 kỳ/01 năm (trong đó, có 03 kỳ xuất bản bằng ngôn ngữ tiếng Anh).
Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời với mục đích:
Công bố, giới thiệu các công trình nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực giảng dạy và đào tạo;
Thông tin các kết quả nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước nhằm phục vụ cho công tác đào tạo của nhà trường;
Tuyên truyền, phổ biến đường lối chính sách của Đảng và Nhà nước trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo và nghiên cứu khoa học, công nghệ.
Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời là sự kế thừa và phát huy truyền thống các tập san, thông báo, thông tin, kỷ yếu Hội thảo của Đại học Đà Nẵng và các trường thành viên trong gần 40 năm qua.
Ban Biên tập rất mong sự phối hợp cộng tác của đông đảo các nhà khoa học, nhà giáo, các cán bộ nghiên cứu trong và ngoài nhà trường, trong nước và ngoài nước để Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” của Đại học Đà Nẵng ngày càng có chất lượng tốt hơn.
Tóm tắt - Xác định các thông số cơ tính của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, tính toán mô phỏng phần tử hữu hạn cũng như dự đoán tin cậy cho các phương trình đường cong ứng suất - biến dạng. Bên cạnh đó, ngày nay, những yêu cầu về chế tạo các sản phẩm cơ khí, điện tử có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, tuổi thọ cao ngày càng tăng, nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả và năng suất sử dụng. Vì thế, để xác định chính xác các thông số cơ tính của những vật liệu này, cần phải thí nghiệm những chi tiết có kích thước nhỏ tương đương và sử dụng máy thí nghiệm phù hợp với độ chính xác cao. Bài báo này đã nghiên cứu chế tạo thành công máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ cũng như cách chế tạo chi tiết thí nghiệm phù hợp. Kết quả thí nghiệm của một chi tiết cụ thể được thực hiện đã chứng tỏ rằng máy thí nghiệm chế tạo đáp ứng tốt yêu cầu đề ra. Từ kết quả đó, các thông số cơ tính của vật liệu được xác định.
Abstract - Identification of the mechanical properties of the materials plays an important role in the finite element design and simulation as well as reliable prediction for stress-strain relation. In addition, up to date, with increasing requirements for manufacture of mechanical and electronic products which are smaller, less expensive, have longer life expectancy but still maintain their efficiency and productivity. Indeed, in order to determine the mechanical parameters of these materials, it is necessary to experiment on specimens with small size and high accurate testing machines. In this paper, the authors have researched and successfully manufactured miniature tensile machines to fabricate suitable specimens. The results have proved that our design miniature machine meets the requirements. From the results, all material parameters are determined.
Từ khóa - cơ tính vật liệu; máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ; vật liệu hàn; vật liệu mới; phần tử hữu hạn
Key words - material properties; miniature tensile machine; solder materials; advantaged materials; finite element analysis
1. Mở đầu
Xác định các đặc tính cơ học của vật liệu là một chủ đề
được quan tâm của những nhà nghiên cứu trong suốt thời
gian dài cho những vật liệu khác nhau. Xác định chính xác
các thông số cơ tính của vật liệu góp phần quan trọng vào
việc thiết kế, tính toán mô phỏng phần tử hữu hạn và đưa ra
sự dự đoán tin cậy cho các phương trình đường cong ứng
suất - biến dạng. Trong thiết kế và phân tích kỹ thuật,
phương pháp kiểm tra đặc tính cơ học của vật liệu bao gồm
thí nghiệm kéo-nén, uốn, va đập, đo độ cứng,… Trong các
Tóm tắt - Máy điều hòa không khí giải nhiệt bằng gió được sử dụng khá phổ biến tại Việt Nam, tuy nhiên, hệ số làm lạnh giảm khá nhiều trong những ngày nắng nóng làm tăng lượng điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, việc sử dụng một số lượng khá lớn và tập trung các máy điều hòa không khí gây nên những đảo nhiệt, càng làm gia tăng năng lượng tiêu thụ và giảm tuổi thọ của hệ thống. Bài báo đưa ra giải pháp làm mát sơ bộ không khí bằng phương pháp bay hơi để làm giảm việc tiêu thụ năng lượng trong những ngày nắng nóng, cũng như tránh hình thành các đảo nhiệt. Kết quả cho thấy rằng, có thể tiết kiệm được điện năng tiêu thụ cho máy điều hòa không khí khoảng 15 - 30% và lượng nước tiêu thụ cho làm mát trong khoảng 4 - 6 lít/h.HP. Như vậy, ta có thể thu gom nước ngưng từ dàn lạnh để sử dụng, với thông số thực nghiệm 1-3 lít/h hoặc lắp đặt đường ống nước cấp để sử dụng.
Abstract - Air cool air conditioners are very popular in Viet Nam; nevertheless, their Cooling of Performance (COP) is severely reduced in hot weather, resulting in increasing electrical consumption. Moreover, dense and large numbers of air conditioners could cause urban heat island, which increases energy consumption as well as air conditioners’ life-time reduction. This paper presents a measure by using evaporative air-precool in order to cut down power consumption in hot days along with urban heat island. The experimental result shows that electrical consumption could be saved about 15 - 30% in conjunction with air-precooling’s water demand approximately 4 - 6 l/h. Hence, we can utilize condensing water from evaporator with experimental flowrate from 1-3 lit/h or install the separate hydraulic system for air-precooling.
Từ khóa - làm lạnh bay hơi; làm mát phun sương; làm mát sơ bộ không khí; nước ngưng giàn lạnh; điều hòa không khí
Key words - evaporative cooling; water spraying system; evaporative air-precooling; condensing water collection from evaporator; air conditioner
1. Đặt vấn đề
Máy điều hòa không khí giải nhiệt bằng không khí có
ưu điểm là sử dụng không khí xung quanh để làm mát,
không phải tiêu tốn nước giải nhiệt, dễ lắp đặt, dễ vận
hành khi sử dụng. Tuy nhiên, ở những nước khí hậu nóng
như nước ta, trong những ngày nắng nóng làm tăng áp
suất ngưng tụ, tăng công nén và làm giảm hệ số làm lạnh
COP. Nhiệt độ ngưng tụ tăng 1°C sẽ làm giảm COP
khoảng từ 2-4%. Ngoài ra, vận hành máy trong điều kiện
áp suất ngưng tụ cao dễ làm hỏng và giảm tuổi thọ của
máy nén. Trong những tòa nhà, căn hộ, việc tập trung
nhiều máy điều hòa không khí sẽ làm gia tăng nhiệt độ
không khí xung quanh, càng làm gia tăng nhiệt độ ngưng
tụ và tăng điện năng tiêu thụ. Do đó, làm giảm nhiệt độ
ngưng tụ sẽ giúp giảm điện năng tiêu thụ. Một phương
pháp khá đơn giản được sử dụng khá nhiều tại các nước
có khí hậu nóng là làm mát bay hơi, [1] không khí sau khi
được phun ẩm đoạn nhiệt sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ
nhiệt kế ướt. Tuy nhiên, trên thực tế không khí sau khi
phun ẩm ít khi đạt được nhiệt độ trên.
Có 2 cách làm mát thiết bị ngưng tụ bằng cách phun
ẩm, đó là dùng vòi tán sương làm mát không khí trước dàn
ngưng tụ hoặc nước được tưới trên các tấm tổ ong đặt trước
đầu hút của dàn nóng, rồi được làm mát và đi vào giải nhiệt
thiết bị. Như vậy, cách thứ nhất khá đơn giản, rẻ, dễ lắp đặt
và cột áp của quạt giải nhiệt không cần phải lớn. Tuy nhiên,
cần phải bảo trì các mũi phun sương thường xuyên để tránh
bị tắc nghẽn.
Trên thế giới, làm mát sơ bộ không khí cho dàn ngưng
tụ được thực hiện khá nhiều, Goswami đã thực hiện phun
ẩm làm mát cho máy điều hòa không khí 2,5 ton lạnh bằng
cách cho nước tưới lên tấm tổ ong để trao đổi nhiệt hiện
và nhiệt ẩn với dòng không khí đi vào. Kết quả cho thấy,
hệ thống tiết kiệm được 20% khi nhiệt độ ngoài trời đạt
34°C [2].
Như vậy, bài báo sẽ thí nghiệm các chế độ phun sương
với một số lưu lượng nước làm mát khác nhau để chọn lựa
lưu lượng nước vừa đủ và mang lại hiệu quả năng lượng
cho máy điều hòa không khí.
2. Thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu
2.1. Mô hình thí nghiệm
Thiết bị gồm có:
- Máy điều hòa không khí loại âm trần Casset, năng suất
lạnh 24.000 Btu/h, môi chất R22.
- Bơm phun sương công suất 25 W, điện áp 24 V, lưu
lượng nước lớn nhất 1,8 l/p và các vòi phun sương.
- Dimmer điều chỉnh lưu lượng bơm.
- Các cảm biến áp suất để đo áp suất nén và áp suất hút.
- Các cảm biến nhiệt độ lắp đặt tại: cửa gió vào và ra
dàn lạnh, đầu vào và ra của thiết bị ngưng tụ, đường ống ra
của thiết bị ngưng tụ.
- Cảm biến độ ẩm được lắp tại đầu vào và ra của dàn lạnh.
- Ampe kẹp để đo cường độ dòng điện máy nén.
6 Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn
Hình 1. Mô hình máy điều hòa không khí và bộ phun sương
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Các vòi phun sương được lắp đặt tại ngõ vào của thiết
bị ngưng tụ, nước được phun ra với các lưu lượng khác
nhau và làm mát không khi đi vào, bài báo sẽ đánh giá hiệu
quả của lưu lượng nước phun và việc tiết kiệm năng lượng
theo từng chế độ vận hành. Các thông số được đo đạc dùng
để đánh giá năng suất lạnh, COP, nhiệt độ gió ra khỏi thiết
bị ngưng tụ theo từng chế độ phun sương. Theo [1], khi đã
có lưu lượng khối lượng không khí qua dàn lạnh GkkDL
(kg/s), entanpi vào, ra IvDL, IrDL (kJ/s), lưu lượng quạt dàn
lạnh trong mô hình tính được là 16 m3/p.
Qo = GkkDL.(IvDL – IrDN) (1)
Công suất máy nén N (W) dựa trên điện áp U (Volt) và
cường độ dòng điện đo được I (A), cùng với hệ số công
suất 0,85.
N = U.I.0,85 (2)
Ngoài ra, để đánh giá hiệu suất quá trình phun ẩm, ta sử
dụng hệ số tạo ẩm với nhiệt độ không khí ban đầu cần làm mát
t1 (°C), nhiệt độ bầu ướt ứng với trạng thái không khí ban đầu
tư (°C), nhiệt độ đạt được sau khi được phun ẩm t2 (°C).
𝜂 =𝑡1−𝑡2
𝑡1−𝑡ư (3)
Lưu lượng nước phun vào W (kg/s) được tính toán dựa
trên lưu lượng không khí GkkDN (kg/s), độ chứa hơi của
không khí vào d1 (kgh/kgkkk) và không khí sau khi được
phun ẩm d2 (kgh/kgkkk).
W = GkkDN.(d2-d1), (4)
Như vậy, ta có lưu lượng nước tiêu thụ trong khoảng 4-
6 l/giờ.HP.
3. Kết quả và thảo luận
Bài báo khảo sát một số chế độ vận hành hệ thống với
lưu lượng nước khác nhau để đánh giá sự ảnh hưởng và tìm
ra được lưu lượng nước thích hợp. Ngoài ra, thí nghiệm
được tiến hành vào buổi trưa để có thể đưa ra đánh giá hợp
lý cho phương pháp làm mát này.
3.1. Đánh giá sự thay đổi áp suất ngưng tụ khi sử dụng
hệ thống làm mát bay hơi
Hình 2. Sự thay đổi áp suất ngưng tụ theo
lưu lượng nước phun (lít/h)
Khi chưa sử dụng chế độ phun sương, áp suất ngưng
tụ trong khoảng 19-19,8 bar, áp suất bay hơi trong khoảng
5,5-5,6 bar, sau khi phun sương áp suất ngưng tụ giảm
dần theo lưu lượng nước phun vào (l/h). Trong vận hành,
áp suất bay hơi cũng suy giảm gần như tương ứng với áp
suất ngưng tụ. Theo Hình 2, áp suất ngưng tụ giảm với
lưu lượng từ 8,2 (l/h) trở lên và nhiều nhất tại lưu lượng
13 (l/h), do lúc này không khí đầu vào được làm mát khá
đáng kể.
3.2. Đánh giá độ quá lạnh của hệ thống
Thông số độ quá lạnh khi vận hành trong khoảng 14 K,
và tăng lên khi không khí đi vào thiết bị ngưng tụ được gia
ẩm. Lưu lượng nước phun càng tăng, độ quá lạnh càng tăng
do hiệu suất hiệu suất phun ẩm tăng lên. Độ quá lạnh tăng
từ 21% đến 36% và tăng nhanh khi lưu lượng từ 10,5 lít/h
trở lên.
Hình 3. Sự gia tăng độ quá lạnh (%)
ứng với lưu lượng nước phun (l/giờ)
3.3. Đánh giá năng suất lạnh Qo
Độ quá lạnh của hệ thống tăng lên theo lưu lượng nước
phun vào. Do đó, năng suất lạnh của máy điều hòa cũng
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 7
tăng lên như hình sau:
Hình 4. Sự thay đổi năng suất lạnh theo lưu lượng nước phun
Năng suất lạnh ở chế độ phun sương tăng từ 11,17% đến
21%, nhưng gia tăng nhanh nhất khi lưu lượng từ 8,2 lít/h
trở lên. Với lưu lượng từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h, năng suất lạnh
tăng không đáng kể (từ 20% đến 21%). Mặc dù có sự gia
tăng độ quá lạnh khá lớn, nhưng khi áp suất ngưng tụ giảm
thì áp suất bay hơi cũng giảm gần như tương ứng, nên năng
suất lạnh tăng chậm hơn so với sự gia tăng độ quá lạnh.
3.4. Đánh giá hiệu suất phun ẩm của thiết bị
Mối quan hệ giữa hiệu suất phun ẩm và lưu lượng nước
phun vào được thể hiện ơHình 5.
Hình 5. Mối quan hệ giữa hiệu suất phun ẩm
và lưu lượng nước phun
Do máy điều hòa không khí đang sử dụng có công suất
2,5 Hp, phun nước với lưu lượng 5,4 l/h nên hiệu suất phun
ẩm thấp, vì vậy, phun ẩm từ lưu lượng 8,2 l/h trở lên thì
hiệu suất phun ẩm tăng cao. Ngoài ra, do các đầu phun
sương tán nhuyễn nước nên điều này giúp hiệu suất phun
ẩm tăng và không khí được làm mát rất đáng kể, làm giảm
áp suất ngưng tụ, tăng độ quá lạnh, nhiệt độ không khí ra
khỏi thiết bị ngưng tụ cũng được giảm theo mối quan hệ
dưới Hình 6.
3.5. Sự suy giảm nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị
ngưng tụ (TBNT)
Hình 6. Sự ảnh hưởng của lưu lượng nước phun và nhiệt độ
không khí ra khỏi TBNT
Khi chưa được phun sương, nhiệt độ gió ra khỏi thiết
bị ngưng tụ là 47,7°C, với nhiệt độ ngoài trời 30,7°C.
Nhiệt độ này giảm dần ứng với sự gia tăng lưu lượng nước
phun vào. Với lưu lượng nước từ 8,2-9,5 l/h thì độ chênh
lệch nhiệt độ giữa không khí thổi ra khỏi thiết bị ngưng
tụ và không khí ngoài trời khoảng 9,1-9,3 K, và với lưu
lượng từ 10,5 l/h trở lên thì độ chênh lệch nhiệt độ này
còn 6,8-7,6 K. Khi nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị
ngưng tụ giảm sẽ làm không khí xung quanh khu vực đặt
dàn nóng giảm theo và tránh hình thành các vùng không
khí nóng cục bộ.
3.6. Đánh giá công nén của hệ thống
Hình 7. Sự ảnh hưởng của lưu lượng nước phun và công nén
Công nén giảm dần khi sử dụng chế độ phun sương
làm mát không khí đi vào dàn ngưng tụ. Ở chế độ phun
thấp nhất (5,4 lít/h) thì công nén giảm 8,6%; với lưu
lượng nước từ 6,1 lít/h đến 9,5 lít/h thì công nén giảm từ
13,4% đến 13,8%. Công nén giảm nhanh khi phun ở chế
độ 10,5 lít/h đến 13 lít/h, lúc này công nén giảm từ
15,4% đến 19%.
Như vậy, cùng với việc gia tăng năng suất lạnh và giảm
công suất tiêu thụ của máy nén, ta có biểu đồ đánh giá hệ
số làm lạnh COP như Hình 8.
8 Nguyễn Thế Bảo, Nguyễn Duy Tuệ, Đào Huy Tuấn
3.7. Đánh giá hệ thống COP khi làm mát không khí vào
thiết bị ngưng tụ
Hình 8. Sự phụ thuộc của COP vào lưu lượng nước phun
Khi phun ở chế độ từ 5,4 lít/h đến 6,1 lít/h thì COP tăng
từ 24% đến 36%, năng lượng tiết kiệm được khoảng 19,4%
đến 26,5%. Khi phun ở chế độ từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h thì
COP tăng khoảng 40% đến 43%. Đây là hệ số COP của
máy điều hòa không khí, chưa tính đến công suất tiêu thụ
của bơm làm mát. Do đó, ta sẽ phân tích, đánh giá hiệu quả
kinh tế dưới đây.
3.8. Đánh giá hiệu quả kinh tế
Theo Hình 7, khi phun ẩm với lưu lượng từ 8,2 lít/h đến
13 lít/h thì công nén giảm khoảng 15-19%, năng suất lạnh
cũng tăng lên do áp suất ngưng tụ giảm và độ quá lạnh tăng,
vì vậy COP tăng từ 40-43% (Hình 8), năng lượng tiết kiệm
khoảng 28,5% đến 30%. Như vậy, trong hệ thống này,
trung bình 1 giờ ta tiết kiệm được 660 W -700 W.
Ngoài ra, khi đo đạc thực nghiệm thì năng lượng tiêu
thụ của máy bơm trong khoảng từ 4 - 15 W, chiếm khoảng
từ 2 - 5% năng lượng của hệ thống. Do đó, nếu trung bình
1 ngày ta vận hành 4 giờ, thì trong 1 tháng, điện năng sẽ
tiết kiệm được khoảng 78-82 kWh, tương ứng với
180.000VNĐ-200.000VNĐ/tháng.
Tổng chi phí bơm, đường ống, vòi phun, dimmer chỉnh
lưu lượng... cho hệ thống này khoảng 1,5 triệu VNĐ. Như
vậy, thời gian hoàn vốn khoảng 8 tháng.
4. Kết luận
a. Để mang lại hiệu quả năng lượng, ta nên phun với
lưu lượng nước từ 8,2 lít/h đến 13 lít/h, tương ứng với 4 -
6 lít/h.HP, khi đó, áp suất ngưng tụ giảm từ 5-9%, COP
tăng từ 40-43%, năng lượng tiết kiệm được khoảng 28,5%
đến 30%.
b. Khi vận hành hệ thống làm mát, công nén giảm
xuống làm tăng tuổi thọ máy nén. Ngoài ra, nhiệt độ không
khí xung quanh cũng được giảm theo vì nhiệt độ không khí
ra khỏi dàn ngưng tụ chỉ khoảng 37-41°C. Điều này tránh
hình thành các đảo nhiệt ảnh hưởng đến sức khỏe và các hệ
thống lạnh xung quanh.
c. Trên cơ sở phân tích ở phần trên, bài báo đề xuất 2
phương án sử dụng hệ thống làm lạnh bay hơi để làm mát
thiết bị ngưng tụ như sau:
Phương án 1: Sử dụng phun ẩm trong khoảng 4 tiếng
nắng 1 ngày, nước dùng phun ẩm lấy từ nước ngưng tụ ở
dàn lạnh với lưu lượng thực nghiệm đo được khoảng 1
lít/h.HP để giảm việc lắp đặt đường ống cấp nước lạnh.
Như vậy, ta sẽ tiết kiệm được khoảng 15% điện năng tiêu
thụ trong 1 ngày.
Phương án 2: Đối với các khu resort, khu văn phòng có
mức độ tập trung máy điều hòa không khí nhiều, ta sẽ phun
sương làm mát liên tục trong ngày. Năng lượng sẽ tiết kiệm
được khoảng 30% so với khi chưa sử dụng.
Với kích thước máy bơm nước nhỏ gọn, nhẹ nhàng nên
dễ tìm vị trí lắp đặt, và do bơm sử dụng điện 1 chiều 24 V,
nên ta có thể sử dụng bình ắc quy hoặc tấm pin năng lượng
mặt trời để giảm bớt chi phí lắp đặt đường dây điện. Ngoài
ra, để tránh cho các vòi phun sương bị nghẹt, ta nên lắp đặt
thêm các phin lọc nước, lọc các cặn bẩn gây nghẹt vòi phun.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Chí Hiệp, Kỹ thuật điều hòa không khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007.
Tóm tắt - Khi kết nối hệ thống điện mặt trời (PV) vào lưới phân phối có thể gây ra sự thay đổi đáng kể của điện áp tại điểm kết nối. Nếu không có bộ điều khiển để giữ điện áp tại điểm kết nối hệ thống PV trong giới hạn cho phép, có thể gây ra sự ngắt kết nối của hệ thống PV ra khỏi lưới. Vì vậy, bài báo này tập trung nghiên cứu thuật toán điều khiển điện áp cục bộ được dựa trên việc tự động điều chỉnh điện áp của hệ thống PV. Việc điều chỉnh này sử dụng thông tin cục bộ nên cho phép hệ thống PV kết nối dễ dàng hơn và giảm chi phí kết nối, giúp tăng cường sự thâm nhập nhiều năng lượng mặt trời vào hệ thống điện. Bộ điều chỉnh điện áp này không chỉ điều khiển điện áp tại điểm kết nối mà có thể áp dụng cho mọi điểm trên lưới điện. Kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng Matlab-Simulink đã khẳng định hiệu quả đối với lưới điện phân phối có tính đến sự kết nối của các hệ thống PV khác nhau.
Abstract - There are interactions between photovoltaic installations (PV) and power network. PV system can have a significant impact on the operation of the electrical system or may cause malfunctions. The connection of PV systems on a distribution network causes important variations of voltage at the connection point. This variation can cause a tripping of the PV systems without a regulator to maintain the voltage of the PV within the acceptable limits. Thus, this paper presents a development of a local voltage control based on auto-adaptive voltage control of PV systems which makes the connection easier, reduces its cost and increases the penetration of solar energy into the electrical system. The regulator can control voltage not only at the connection point but also everywhere on the grid. The proposed solution is applied for a distribution network with presence of different types of PVs. The models and simulations are developed in Matlab-Simulink and the obtained results show the effectiveness of the proposed method.
Từ khóa - hệ thống điện mặt trời; tự động điều chỉnh điện áp; lưới phân phối; điều khiển P/Q; điều kiển P/V.
Key words - PV systems; auto-adaptative voltage control; distribution network; P/Q control; P/V control.
1. Đặt vấn đề
Nguồn năng lượng trong tương lai đang đứng trước một
thách thức lớn. Mức tiêu thụ năng lượng của thế giới ngày
càng tăng cao (khoảng 2% mỗi năm) và hầu hết sản lượng
năng lượng trên toàn thế giới được đảm bảo bởi các nguồn
hóa thạch, do đó, năng lượng sẽ trở nên quý hiếm và đắt
tiền. Bên cạnh đó, việc tiêu thụ các nguồn năng lượng hóa
thạch sẽ dẫn đến sự thay đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính do
phát thải khí CO2, ô nhiễm môi trường, v.v...
Trong bối cảnh đó, năng lượng tái tạo ngày càng khẳng
định được vị thế và tầm quan trọng so với các nguồn năng
lượng truyền thống như than đá, khí đốt, dầu mỏ và hạt
nhân. Sự phát triển không ngừng của thị trường năng lượng
tái tạo đã làm bừng lên hy vọng vào sự ra đời của một kỷ
nguyên mới – kỷ nguyên năng lượng tái tạo.
Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng
quang điện mặt trời là một nguồn đầy hứa hẹn. Trong bối
cảnh kinh tế hiện nay, rất thuận lợi cho sự phát triển của hệ
thống quang điện mặt trời (khoa học công nghệ phát triển,
chính sách trợ giá, ưu đãi thuế, trợ cấp vốn, hỗ trợ kỹ
thuật,...), số lượng yêu cầu kết nối các hệ thống PV đang
tăng theo cấp số mũ trên thế giới, đặc biệt cho các mô hình
điện mặt trời lắp mái.
Việc kết nối một hệ thống điện mặt trời (PV) sẽ gây ra
những thay đổi về điện áp trên lưới do sự thay đổi dòng
công suất tác dụng và phản kháng trong lưới. Một cách tổng
quát, điện áp sẽ tăng lên tại điểm kết nối và các điểm lộ
đường dây ra, điều này kéo theo sẽ có những thay đổi về
điện áp tại các điểm khác trên lưới. Tùy thuộc vào mức độ
và sự dao động (không liên tục) đóng góp năng lượng của
các hệ thống PV vào mạng lưới phân phối có thể gây ra sự
thay đổi đáng kể của điện áp tại điểm kết nối [4, 5]. Đặc
biệt dẫn đến hiện tượng quá điện áp tại điểm kết nối trong
trường hợp non tải mà mức độ thâm nhập của điện mặt trời
nhiều. Nếu không có bộ điều chỉnh để duy trì điện áp của
hệ thống PV trong giới hạn cho phép thì có thể gây ra sự
ngắt kết nối ra khỏi lưới.
Bài báo này trình bày việc xây dựng bộ điều khiển điện
áp cục bộ dựa trên việc tự động điều chỉnh thích nghi điện
áp của hệ thống điện mặt trời. Xây dựng bộ điều chỉnh điện
áp này nhằm mục đích tăng cường mức độ thâm nhập năng
lượng mặt trời vào hệ thống điện, tăng hiệu suất và tính linh
hoạt của việc kết nối hệ thống PV vào lưới điện.
2. Xây dựng bộ điều khiển điện áp cho hệ thống điện
mặt trời
Bộ biến tần của hệ thống điện mặt trời có thể hoạt động
với các thuật toán điều khiển khác nhau tùy thuộc vào chế
độ hoạt động của nó [2, 6, 7, 8, 9]. Một trong ba loại sơ đồ
điều chỉnh công suất phản kháng có thể được áp dụng cho
biến tần kết nối lưới: hoặc là điều khiển công suất tác dụng
và công suất phản kháng (điều khiển P/Q), hoặc là điều
khiển hệ số công suất (điều khiển P/PF), hoặc là điều khiển
công suất tác dụng và điện áp (điều khiển P/V). Mô hình
điều khiển điện áp/tần số (điều khiển V/F) thường được sử
dụng cho các bộ biến tần kết nối lưới.
Với sơ đồ điều khiển P/Q, thuật toán điều khiển là điều
chỉnh dòng công suất bơm vào, bởi nguồn phân tán, tại điểm
kết nối. Mục đích của bộ điều khiển là giữ công suất tác dụng
và công suất phản kháng bơm vào tại điểm kết nối không đổi
và bằng giá trị đặt Pref và Qref. Thực tế, công suất tác dụng
Pref được xác định bởi thuật toán MPPT và công suất phản
kháng Qref bằng 0. Tương tự, đối với sơ đồ điều khiển hệ số
công suất (điều khiển P/PF), công suất tác dụng và hệ số
10 Lê Thị Minh Châu, Lê Đức Tùng, Nguyễn Thùy Linh
công suất được giữ ở giá trị đặt, bằng cách thay đổi công suất
phản kháng thì hệ số công suất được giữ không đổi.
Đối với mô hình điều khiển điện áp/tần số (điều khiển
V/f), điện áp và tần số được giữ ở giá trị đặt Vref và fref.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng được điều
khiển để giữ tần số và điện áp không đổi. Thay đổi công
suất tác dụng để điều chỉnh tần số và thay đổi công suất
phản kháng để điều khiển điện áp.
Sơ đồ điều khiển P/Q
Hệ thống PV được mô phỏng bằng một nguồn dòng và
hoạt động ở chế độ điều khiển P/Q. Đối với sơ đồ này, công
suất tác dụng và phản kháng đầu ra của hệ thống PV được
giữ bằng giá trị đặt Pref (phụ thuộc cường độ bức xạ và nhiệt
độ mặt trời) và Qref (bằng 0). Bộ biến tần được hòa đồng bộ
với lưới điện bằng khối PLL.
Hinh 1. Sơ đồ điều khiển công suất P/Q
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ này được mô tả như
Hình 1, từ dòng điện và điện áp đo được tại điểm kết nối,
ta xác định được công suất (Pmes và Qmes) và điện áp tương
ứng. Các công suất này sẽ được điều chỉnh bởi hai bộ điều
khiển tỷ lệ-tích phân (PI). Sự sai lệch giữa công suất đặt
Pref và Qref và công suất đo Pref và Qref sẽ được xử lý bởi bộ
tỷ lệ (Kp) và bộ tích phân (Ki/p). Sau khi qua bộ PI, từ công
suất đầu ra, ta có thể tính được dòng điện bơm vào nhờ
phép biến đổi Park:
Hình 2. Sơ đồ điều khiển tự động thích nghi điện áp
Hình 22 giới thiệu sơ đồ điều khiển tự động thích nghi
điện áp. Mô hình hệ thống PV được xây dựng cho 3 pha và
1 pha. Mô hình này bao gồm 2 chế độ điều khiển P/Q và
điều khiển P/V. Với chế độ điều khiển P/V, điện áp đặt
(setpoint) được thay đổi một cách tự động thích nghi, bằng
cách sử dụng mô-đun mờ (fuzzy logic). Sự thay đổi các giá
trị của điện áp đặt được thiết lập tương ứng với sự hoạt
động và vị trí kết nối của hệ thống PV và phụ thuộc công
suất phản kháng giới hạn của mỗi hệ thống PV.
Nguyên lý hoạt động của thuật toán điều chỉnh điện áp
tương ứng với 3 chế độ điều khiển sau (Hình 3):
- Chế độ bình thường: Khi điện áp tại điểm kết nối nằm
trong khoảng điện áp “mong muốn” (Vmin_desired ≤ V ≤
Vmax_desired). Trong chế độ này, hệ thống PV sẽ hoạt động
theo chế độ điều khiển công suất (P/Q) (hoặc điều khiển
điện áp PF/VAR).
- Chế độ bị nhiễu loạn: xảy ra khi điện áp nằm tại điểm
kết nối nằm ngoài các giới hạn điện áp mong muốn
(V> Vmax_desired hoặc V <Vmin_desired). Nguyên lý của việc điều
khiển thích nghi là duy trì điện áp (trong giới hạn của hệ
thống) nằm trong dải các giá trị cố định này. Do đó, trong
trạng thái bị nhiễu loạn, hệ thống PV chuyển sang hoạt động
trong chế độ điều khiển điện áp (điều khiển P/V). Ở đây chỉ
có công suất phản kháng được sử dung để điều chỉnh điện
áp tại điểm kết nối hệ thống PV. Điện áp đặt Vmin_desired hoặc
Vmax_desired được xác định phụ thuộc theo cấu hình điện áp của
lưới điện quá thấp hay quá cao. Nếu công suất phản kháng
của hệ thống PV đạt giới hạn cho phép (Q = Qmin hoặc
Q = Qmax) thì nó không thể đảm bảo việc điều chỉnh được điện
áp mong muốn nữa. Điện áp đặt chuyển sang chế độ nguy
hiểm khi điện áp tại điểm kết nối vượt qua giới hạn cho phép.
- Chế độ nguy hiểm: xảy ra khi điện áp tại điểm kết nối
vượt qua giới hạn cho phép (V> Vmax_admissible hoặc
V< Vmin_admissible, đối với lưới Việt Nam Vmax_admissible = 1,1
pu, Vmin_admissible= 0,9 pu) và như giải thích ở trên, hệ thống
điện mặt trời không thể điều chỉnh điện áp bằng công suất
phản kháng nữa. Vậy, trong trạng thái nguy hiểm thì điều
khiển công suất tác dụng trở nên cần thiết. Vậy hệ thống
PV chuyển sang chế độ điều khiển công suất tác dụng, có
nghĩa là, hệ thống PV thay đổi công suất tác dụng phát ra
để đưa điện áp về trong giới hạn cho phép.
Việc chuyển đổi các chế độ hoạt động của hệ thống
năng lượng mặt trời được thực hiện một cách tự động và tự
thích nghi.
Hình 3. Nguyên lý hoạt động của thuật toán điều chỉnh điện áp
Vmes
Calculation
Pref
Qref
IDref
IQref
Calculation
P
Q
IDmes
IQmes
Vmes
PI
PI
psT1
1
qsT1
1
Vmes
CalculationsT1
1
Dynamic
Vmes
Calculation
Pref
Qref
IDref
IQref
Calculation
P
Q
IDmes
IQmes
Vmes
PI
PI
psT1
1
qsT1
1
Vmes
CalculationsT1
1
Dynamic
Id, Iq
calculation
dq
3~
Id
Iq
Ib
Ic
Ia
PI Reg.Psetpoint
PI Reg.
Qsetpoint
dq
3~
Vd
Vq
P & Q
Calculation
Ia,b,c mesured
Va,b,c mesured
P
QQmesured
Pmesured
PLL
Vmax
Vmin
Adaptive module
Fuzzy logic or droop
P/Q control or P/V control?
++
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 11
Dải điện áp mong muốn
Bộ điều khiển thay đổi một cách thích nghi đưa ra các
giá trị điện áp mong muốn (tương ứng với các trạng thái)
bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng trong giới hạn
cho phép của mỗi hệ thống PV. Bên cạnh đó, phụ thuộc
vào giá trị điện áp trên xuất tuyến nó kết nối và lượng công
suất phát ra hay tiêu thụ, các giá trị điện áp Vmin_desired và
Vmax_desired sẽ thay đổi. Nếu điện áp đo được tại điểm kết
càng gần 1 pu thì dải điện áp mong muốn của bộ điều khiển
càng được thu hẹp. Dải điện áp này di chuyển theo lượng
công suất phản kháng phát ra hoặc hấp thụ so với các giới
hạn vật lý của hệ thống PV được xem xét. Sự đóng góp của
công suất phản kháng càng quan trọng thì dải điện áp càng
mở rộng và tuân theo quy luật Vmin_admissible ≤ Vmin_desired ≤
Vmax_desired ≤ Vmax_admissible.
Sự thích nghi điện áp này được thực hiện bằng việc sử
dụng một mô-đun thích nghi dựa trên thuật toán điều khiển
logic mờ [fuzzy logic]. Logic mờ được lựa chọn vì tính năng
nội suy của nó. Thực tế, logic này chính xác hơn logic
Boolean để điều chỉnh dải điện áp mong muốn theo từng
điện áp và công suất phản kháng đo được tại điểm kết nối.
3. Áp dụng
Để kiểm nghiệm hiệu quả của thuật toán điều khiển
chỉnh điện áp tại điểm kết nối hệ thống PV vào lưới, một
lưới điện như Hình 4 được nghiên cứu.
Hình 4. Sơ đồ lưới điện phân phối
Lưới phân phối được cấp nguồn từ trạm biến áp 22/0,4
kV, 160 kVA, bao gồm 14 nút, 10 nút tải và 5 hệ thống
điện mặt trời. Tải ở nút 3 là tải 3 pha còn tải các nút khác
là tải 1 pha.
Lưới phân phối hạ áp có kết nối hệ thống điện mặt trời
được mô phỏng bằng Matlab-Simulink.
Hai kiểu hệ thống điện mặt trời được sử dụng:
- Hệ thống PV 3 pha được kết nối tại nút N03 (30kW).
- Hệ thống PV 1 pha được kết nối tại nút N05, N06,
N11, N12 (3kW).
Hai thuật toán điều khiển của bộ biến tần PV được sử dụng:
- Điều khiển cổ điển (điều khiển P/Q).
- Điều khiển thích nghi điện áp.
Hình 5. Đồ thị phụ tải thay đổi trong một ngày đêm
Hình 6. Cường độ bức xạ mặt trời trong 24 tiếng
Hình 5 biểu diễn sự biến đổi của tải 3 pha tại nút 3 trong
1 ngày đêm. Hình 6 giới thiệu cường độ bức xạ mặt trời
trong 24 tiếng được sử dụng trong mô phỏng.
Đối với thuật toán điều khiển P/Q
Trong trường hợp này, chúng ta giả sử rằng tất cả hệ
thống PV đều hoạt động theo thuật toán điều khiển công
suất P/Q.
Hình 7 thể hiện công suất của hệ thống PV kết nối tại
nút N03 (3 pha, 30 kW). Công suất đầu ra của hệ thống PV
thay đổi theo cường độ bức xạ mặt trời tương ứng với Hình
6. Công suất phản kháng trong trường hợp này được giữ
bằng 0.
Hình 7. Công suất của hệ thống PV kết nối tại nút 3
(3 pha, 30 kW)
12 Lê Thị Minh Châu, Lê Đức Tùng, Nguyễn Thùy Linh
Sau khi kết nối các hệ thống PV vào lưới phân phối hạ
áp, ta có đồ thị điện áp tại các nút trên lưới như Hình 8.
Hình 9 là điện áp 3 pha tại nút N05 khi có hệ thống PV (1
pha, 3 kW) kết nối vào pha c.
Hình 8. Điện áp tại các nút trên lưới điện khi có kết nối
các hệ thống điện mặt trời
Hình 9. Điện áp tại nút N05 khi có hệ thống PV (3 kW)
kết nối vào pha c
Dựa vào kết quả mô phỏng, ta thấy rằng:
- Với thuật toán điều khiển công suất P/Q cổ điển
(Q=0), có hiện tượng quá áp tại nút N05 (V> 1,1 pu, Hình
8), tại thời điểm cường độ của mặt trời chiếu mạnh.
- Đối với hệ thống PV 1 pha khi kết nối lưới, có sự mất
cân bằng giữa các pha và quá áp khi hệ thống PV được kết
nối (Ví dụ: quá áp trên pha c tại nút N05).
Đối với thuật toán điều khiển thích nghi điện áp
Trong trường hợp này, các thông số của lưới điện và
các kịch bản tương tự với trường hợp trước, nhưng ở đây
tất cả các hệ thống PV đều có khả năng tự điều chỉnh thích
nghi điện áp. Hình 10 giới thiệu điện áp tại các nút trên lưới
điện khi hệ thống PV có điều chỉnh thích nghi điện áp. Hiệu
quả của việc áp dụng thuật toán điều khiển được thể hiện
rõ hơn trong Hình 11.
Cũng như trường hợp trước, công suất đầu ra của hệ
thống PV biến đổi theo cường độ bức xạ mặt trời. Nhưng đối
với trường hợp này, công suất phản kháng lại biến đổi. Để
giảm hiện tượng quá điện áp do hệ thống PV bơm công suất
tác dụng, công suất phản kháng được hấp thụ (phát công suất
- Q). Hình 12 biểu thị công suất đầu ra của hệ thống PV được
kết nối tại nút N05 (pha c, 3 kW).
Hình 10. Điện áp tại các nút trên lưới điện khi hệ thống PV có
điều chỉnh thích nghi điện áp
Hình 11. Điện áp tại điểm kết nối hệ thống PV khi
không có/có điều chỉnh thích nghi điện áp
Hình 12. Công suất đầu ra của hệ thống PV được kết nối tại
nút N05 (pha c, 3 kW)
Mức độ hấp thụ công suất phản kháng phụ thuộc vào
các yếu tố khác nhau như vị trí kết nối, khả năng cung cấp
công suất phản kháng của các hệ thống PV, điện áp lưới và
các thông số của lưới điện... Với thuật toán điều chỉnh thích
nghi điện áp (Hình 10), ta nhận thấy rằng tất cả điện áp nút
được giữ trong giới hạn cho phép (0,9 pu – 1,1 pu) và đồng
thời giảm được sự mất cân bằng pha điện áp.
4. Kết luận
Bài báo giới thiệu thuật toán điều chỉnh thích nghi điện
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 13
áp tại điểm kết nối lưới phân phối của hệ thống năng lượng
mặt trời. Thuật toán này có nhiều ưu điểm:
- Có khả năng giữ điện áp trong giới hạn cho phép (0,9
pu – 1,1 pu).
- Không cần bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc.
- Một giải pháp tốt để giảm sự mất cân bằng điện áp
trong mạng lưới phân phối hạ áp.
- Hấp thụ công suất phản kháng chỉ khi cần thiết và do
đó hạn chế tổn thất điện năng trong đường dây.
- Hoạt động tự động.
- Tăng cường mức độ thâm nhập năng lượng mặt trời
vào hệ thống điện, tăng hiệu suất và tính linh hoạt của việc
kết nối hệ thống PV vào lưới điện.
- Không chỉ để điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối mà
còn áp dụng cho mọi điểm trên lưới điện.
Thuật toán điều khiển điện áp này thích hợp cho các hệ
thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới phân phối hạ áp.
Hướng phát triển:
- Thử nghiệm khả năng hoạt động ổn định và giới hạn
của thuật toán với nhiều hệ thống PV 1 pha và kết nối ngẫu
nhiên trên các pha.
- Thử nghiệm khả năng điều chỉnh công suất tác dụng
của hệ thống năng lượng mặt trời.
- Thử nghiệm với thiết bị mô phỏng thời gian thực.
Lời cảm ơn
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội vì đã cấp kinh phí cho nghiên cứu này, theo
đề tài mã số T2016 –PC-090.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Muralekrishnen. R, Sivakumar. P, Improving the power quality performance for distributed power generation, 2012 International
Conference on Computing, Electronics and Electrical Technologies
(ICCEET), 2012, pp. 203 - 211.
[2] E. Rezapour, Md. T. Bina, A. Hajizadeh, “Active and reactive power
controller for single phase connected photovoltaic systems”, International Journal of Emerging Science and Engineering, Vol. 2,
Issue. 5, March 2014, pp. 22-24.
[3] Mahmud. M.A, Hossain. M.J, Pota. H.R, “Voltage Variation on
Distribution Networks With Distributed Generation: Worst Case
Scenario”, Systems Journal, IEEE, Vol. 8, No. 4, 2014, pp. 1096 - 1103.
[4] Aramizu. J, Vieira. J.C.M, Analysis of PV generation impacts on
voltage imbalance and on voltage regulation in distribution networks, IEEE on Power and Energy Society General Meeting
(PES), 2013, pp. 1-5.
[5] Achim Woyte, Vu Van Thong, Ronnie Belmans, and Johan Nijs,
“Voltage Fluctuations on Distribution Level Introduced by
Photovoltaic Systems”, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, March 2006, pp. 202-209.
[6] T. Tran-Quoc, G. Rami, A. Almeida, N. Hadjsaid, J. C. Kieny,
J.C.Sabonadiere, Méthode et dispositif de régulation pour un dispositif
de production décentralisée d’énergie, et installation comportant au
moins deux dispositifs de production dotes dudit dispositif de régulation, Brevet d’Invention International, Nov. 2005.
[7] T. Tran-Quoc, C. Andrieu, N. Hadjsaid, Technical impacts of small
distributed generation units on LV networks, IEEE General Meeting
2003, Canada, June 2003.
[8] Minh. Q. Duong, K. H. Le, T. S. Dinh, M. Mussetta, G. N. Sava,
Effects of Bypass Diode Configurations on Solar Photovoltaic
Modules Suffering from Shading Phenomenon, IEEE-The 10th
International Symposium on Advanced topics in Electrical
Engineering, 2017.
[9] Minh. Q. Duong, H. H. Nguyen, S. Leva, M. Mussetta, G. N. Sava,
S. Costinas, Performance Analysis of a 310Wp Photovoltaic Module
based on Single and Double Diode Model, IEEE- 2016 International Symposium on Fundamentals of Electrical Engineering, 2016.
(BBT nhận bài: 09/08/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/08/2017)
14 Nguyễn Chi Công, Nguyễn Vĩnh Long
XÂY DỰNG BẢN ĐỒ MƯA NGÀY LỚN NHẤT CHO
KHU VỰC MIỀN TRUNG VÀ TÂY NGUYÊN
BUILDING MAPS OF EXTREME DAILY RAINFALL FOR
CENTRAL AND HIGHLAND REGION IN VIET NAM
Nguyễn Chi Công1, Nguyễn Vĩnh Long2 1Trương Đai hoc Bach khoa - Đại học Đà Nẵng; [email protected]
2Chi cuc Phong chông thiên tai khu vưc miên Trung va Tây Nguyên
Tóm tắt - Tần suất thiết kế và thời đoạn tính toán lượng mưa là rất quan trọng trong thiết kế công trình thủy. Nghiên cứu này sử dụng suy luận Bayesian và thuật toán Markov Chain Monte Carlo để phân tích tần suất mưa ngày lớn nhất. Hai phương pháp thường dùng trong phân tích tần suất gồm: (i) Phương pháp địa phương và (ii) Phương pháp vùng, được sử dụng để phân tích tần suất mưa ngày lớn nhất cho 75 trạm đo trên khu vực miền Trung và Tây Nguyên (MT-TN). Kết quả phân tích tần suất của hai cách tiếp cận này là cơ sở cho việc xây dựng bản đồ mưa ngày lớn nhất cho toàn vùng. Các kết quả sẽ được so sánh và kiểm chứng sự phù hợp về phân bố mưa theo không gian và thời gian lặp lại T=100 năm. Ngoài ra, kết quả này có thể giúp người thiết kế ước tính được lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế tại những vùng không có trạm đo và làm cơ sở khoanh vùng cấp độ rủi ro thiên tai do mưa lớn.
Abstract - The design frequency and timing of precipitation calculation are very important in hydraulic construction design. The study uses Bayesian inference and Monte Carlo Chain Markov algorithms to analyze the extreme daily rainfall. The two methods commonly used in frequency analysis include: (i) Local method and (ii) Regional method and are used to analyze the highest daily rainfall for 75 stations in the Central and Highland Region. The results of the analysis of the frequency of these approaches are the basis for the creation of the largest daily rainfall map for the whole region. This result will be compared and verified for relevance for spatial rainfall distribution and repeat time T of 100 years. In addition, this result can help the designer estimate the maximum daily precipitation corresponding to design frequencies in areas without stations and zone the level of natural disaster risk due to heavy rain according to regulations.
Từ khóa - mưa ngày lớn nhất; Bayesian MCMC; phương pháp vùng; phương pháp địa phương; miền Trung và Tây Nguyên.
Key words - extreme daily rainfall; Bayesian MCMC; regional method; local method; Central and Highland region.
1. Đặt vấn đề
Là quốc gia nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa,
hàng năm Việt Nam ghi nhận tổng lượng mưa rất lớn và
phân bố không đều so với nhiều nơi trên thế giới. Trong đó,
khu vực miền Trung và Tây Nguyên là khu vực có sự phân
biệt lớn về lượng và phân bố không gian, vì nơi đây có những
dãy núi cao đón gió mùa Đông Bắc hoặc áp thấp nhiệt đới từ
Biển Đông. Chính lý do này mà Việt Nam nói chung và các
tỉnh khu vực miền Trung và Tây Nguyên nói riêng được
nhận định có nguy cơ rủi ro thiên tai do mưa lớn là rất cao.
Bản đồ phân bố không gian lượng mưa, đặc biệt là mưa
cực hạn rất cần thiết trong quá trình quản lý nguồn nước, phân
tích đặc tính thuỷ văn, đánh giá hệ sinh thái và đặc biệt quan
trọng trong công tác lập quy hoạch, kế hoạch và phương án
phòng chống các loại hình thiên tai gắn liền với diễn biến mưa
như lũ, lũ quét, lũ ống, sạt lở đất và ngập lũ. Bên cạnh đó,
mạng lưới quan trắc mưa còn thưa và phân bố không đồng
đều, số liệu mưa ngày nhiều trạm không liên tục, khó đáp ứng
cho việc ước tính tần suất đạt độ tin cậy cao và việc ước tính
lượng mưa một ngày lớn nhất ứng với các tần suất lũ thiết kế,
lũ kiểm tra cho các công trình giao thông, thủy lợi thường
được lấy theo trạm gần nhất. Việc nghiên cứu phương pháp
xây dựng bản đồ mưa cực hạn là rất cần thiết. Nghiên cứu
này sử dụng phần mềm ArcGis để xây dựng bản đồ mưa cực
hạn dựa trên số liệu của hai phương pháp phân tích tần suất:
phương pháp vùng và phương pháp địa phương.
2. Phương pháp nghiên cứu và dữ liệu
2.1. Vùng nghiên cứu
Vùng nghiên cứu bao gồm 6 tỉnh thuộc khu vực
MT-TN gồm: Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam,
Quảng Ngãi, Kon Tum và Gia Lai (Hình 1). Đây là các tỉnh
có địa hình khá phức tạp do dãy Trường Sơn chia cắt khu
vực miền Trung và Tây Nguyên theo hướng Đông Nam.
Bên cạnh đó, còn có các dãy núi cao chia cắt ranh giới các
tỉnh theo hướng Đông Bắc như: dãy Bạch Mã, dãy Ngọc
Linh. Hàng năm, các hoạt động gió Đông Bắc từ tháng 11
đến tháng 1, áp thấp nhiệt đới ở Biển Đông từ tháng 9 đến
tháng 12 và gió Tây Nam từ tháng 5 đến tháng 9, kết hợp
với yếu tố địa hình đã tạo nên những trận mưa lớn gây lũ
lụt, sạt lở đất, gây nhiều thiệt hại về người và tài sản.
2.2. Dữ liệu
Vùng nghiên cứu có số liệu đo rất đa dạng về nguồn
gốc số liệu cũng như sự phân bố các trạm đo khá không
đồng đều: Vùng đồng bằng có mật độ trạm dày còn vùng
núi có mật độ trạm thưa, đặc biệt, vùng tiếp giáp với 2 nước
Lào và Campuchia đều không có trạm đo, vùng giáp Biển
Đông chỉ có duy nhất 1 trạm tại đảo Lý Sơn.
Với mục đích xây dựng bản đồ mưa ngày lớn nhất, yêu
cầu về dữ liệu đo cần thỏa mãn về mặt không gian, cần thu
thập thêm các trạm đo mưa tiếp giáp để làm căn cứ nội suy
bản đồ. Qua phân tích và đánh giá, nghiên cứu đã lựa chọn
được 75 trạm thỏa mãn điều kiện dữ liệu đo mưa ngày liên
tục trên 15 năm và có độ tin cậy. Số liệu thống kê mưa được
lấy từ các trạm khí tượng thủy văn, trạm đo mưa tại các hồ
thủy lợi. Các trạm đo mưa tự động do thời gian đo liên tục
ngắn và độ tin cậy chưa cao nên không sử dụng trong
nghiên cứu này. Thông tin cơ bản của các trạm bao gồm:
vĩ độ, kinh độ và cao độ trạm. Nghiên cứu này chỉ xét thời
(BBT nhận bài: 01/08/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/08/2017)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 19
KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA PHÂN GIẢI CAO: CÔNG CỤ
QUAN TRỌNG TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU KÍCH THƯỚC NANO
HIGH RESOLUTION TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY: AN IMPORTANT
TOOL FOR NANO-SCALED MATERIALS RESEARCH
Lê Thành Cương1, Nguyễn Đức Dũng1, Tạ Quốc Tuấn1, Ngô Ngọc Hà2, Phạm Thành Huy1 1Viện Tiên tiến về Khoa học và Công nghệ (AIST) - Trương Đại học Bách khoa Hà Nội; [email protected]
2Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trương Đại học Bách khoa Hà Nội; [email protected]
Tóm tắt - Ngày nay, vật liệu tiên tiến, đặc biệt là vật liệu có kích thước nano đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và công nghệ. Việc ứng dụng thực tế của các vật liệu này luôn đòi hỏi sự thấu hiểu về hình thái, thành phần và cấu trúc vật liệu ở cấp độ nguyên tử. Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM) là một thiết bị có khả năng đem lại những thông tin đó. Bài viết này trình bày về HR-TEM với khả năng phân tích hình thái, thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể của các vật liệu kích thước nano. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng báo cáo một số kết quả của việc ứng dụng HR-TEM nghiên cứu các quá trình chuyển pha, kết tinh do tác dụng trực tiếp của chùm điện tử năng lượng cao trong HR-TEM như: Quá trình hình thành tinh thể Diamond, quá trình chuyển pha của tinh thể Fe7C3, quá trình kết tinh dây nano 3C-SiC. Các kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Viện Tiên tiến về Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Abstract - Advanced materials, especially at nanoscale, play important roles in the development of science and modern technology. To deploy applications, comprehensive understanding of morphologies, compositions and structures of these materials is a must. High resolution transmission electron microscope (HR-TEM) is a powerful tool for the requirement. This article presents HR-TEM with the ability to analyze the morphology, chemical composition, and crystal structure of nanostructures. In addition, we report some results of the application of HR-TEM to studying the phase transitions and crystallization processes due to the direct effect of high energy electron beams in HR-TEM such as: Diamond crystal formation, Fe7C3 phase transition, 3C-SiC nanowire crystallization. The study was conducted at the Advanced Institute of Science and Technology, Hanoi University of Technology.
Từ khóa - hiển vi điện tử truyền qua; HR-TEM; vật liệu nano; phân tích cấu trúc; cấu trúc tinh thể.
Key words - transmission electron microscope; HR-TEM; nano-material; structure analysis; crystal structure.
1. Đặt vấn đề
Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao, tên tiếng
Anh là “High resolution transmission electron
microscope”, được viết tắt là HR-TEM, là một thiết bị
nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn có độ phóng đại lên tới hàng
triệu lần từ ảnh của chùm điện tử có năng lượng cao cỡ
hàng trăm kilo electron Volts (keV) chiếu xuyên qua các
vật mẫu [1, 2]. Trên cơ sở phát minh của Ernst August
Friedrich Ruska và Max Knoll, những năm đầu thập niên
30 thế kỉ 20, các kính hiển vi hiện đại ngày nay cho phép
con người có thể quan sát được các vật thể ở kích thước
nhỏ hơn nguyên tử [3].
Nguyên lý hoạt động của HR-TEM gần như tương tự
với nguyên lý của kính hiển vi quang học. Thay vì những
thấu kính quang học, các thấu kính của HR-TEM là các
thấu kính điện từ. Cấu tạo của một HR-TEM cơ bản được
trình bày trong Hình 1a. Chùm điện tử được tạo ra bởi các
súng điện tử, thường sử dụng sợi đốt vật liệu vonfram hoặc
tinh thể LaB6 [4]. Các điện tử này được gia tốc trong cột
chân cao (10-3 Pa hoặc cao hơn) nhờ điện thế U cao, cỡ
hàng trăm kV. Năng lượng điện tử E được gia tốc với điện
thế U có giá trị được tính theo công thức:
𝐸 =𝑚𝑣2
2=
𝑝2
2𝑚= 𝑒𝑈 (1)
với e là điện tích của một điện tử, m là khối lượng điện tử.
Theo De Broglie, các điện tử chuyển động được coi như
một sóng, có bước sóng liên hệ với xung lượng p của điện
tử theo hệ thức [5]: 𝜆 =ℎ
𝑝 (2)
Trong đó, h là hằng số Planck. Do đó, 𝜆 =ℎ
√2𝑚𝑒𝑈 (3)
Theo nguyên lý này, nếu ta có một chùm điện tử được
gia tốc, ví dụ U = 200 kV, thì ta sẽ có một sóng có bước
sóng λ = 0,00251 nm, nhỏ hơn rất nhiều so với sóng ánh
sáng khả kiến và tia X. Trong khi khoảng cách giữa các mặt
tinh thể trong vật rắn cỡ 0,1 nm.
Vì thế bước sóng λ này đủ ngắn để cho phép sóng điện
từ tán xạ trên nguyên tử cho phép chụp ảnh nguyên tử.
Hình 1. (a) Sơ đồ cấu tạo của hệ HR-TEM, (b) sơ đồ nguyên lý
của hệ hiển vi điện tử HR-TEM, (c) hệ HR-TEM Tecnai G2F20
tại Viện AIST – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [6]
Ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM)
được tạo ra theo cơ chế tương phản pha, tạo ảnh pha của
từng điểm ảnh, cho phép quan sát các lớp tinh thể của chất
rắn. Detector ghi nhận các chùm tia bị lệch đi dưới các góc
(nhỏ) khác nhau sau khi truyền qua mẫu, gọi là ảnh trường
sáng và ảnh trường tối. Ảnh trường sáng (bright-field
imaging) là chế độ ghi ảnh mà khẩu độ vật kính sẽ được
điều chỉnh để hứng chùm tia thẳng góc. Ảnh trường
tối (dark-field imaging) là chế độ ghi ảnh mà khẩu độ vật
kính sẽ điều chỉnh để hứng chùm tia bị lệch một góc nhỏ.
20 Lê Thành Cương, Nguyễn Đức Dũng, Tạ Quốc Tuấn, Ngô Ngọc Hà, Phạm Thành Huy
Ảnh trường tối cho hiển thị sắc nét các hạt đơn tinh thể.
Mặc dù bước sóng λ của điện tử rất nhỏ, nhưng do các
thấu kính từ luôn có quang sai, do đó độ phân giải của HR-
TEM bị giới hạn.
1.1. Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy-dispersive X-
ray spectroscopy - EDX)
HR-TEM còn có gắn kèm thiết bị đo phổ tán sắc năng
lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy - EDX)
cho phép phân tích thành phần hóa học nhờ việc ghi lại phổ
tán sắc năng lượng tia X [7]. Nguyên tắc hoạt động của
phép đo EDX như sau: Khi chùm điện tử có năng lượng
cao chiếu vào mẫu sẽ tương tác với các lớp điện tử bên
trong của nguyên tử. Tương tác này sẽ tạo ra các tia X
có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với số hiệu nguyên tử (Z)
của nguyên tử theo định luật Moseley [5]:
𝑓 =𝑚𝑒4
8ℎ3ԑ02 (
3
4)(𝑍 − 1)2 (4)
Với ԑ0 là hằng số điện môi.
Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông
tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu và cho biết
các thông tin về tỉ phần các nguyên tố đó.
1.2. Phổ tổn hao năng lượng điện tử (Electron Energy
Loss Spectroscopy - EELS)
Nguyên lý của EELS là phân tích năng lượng của điện
tử truyền qua [8]. Khi chùm điện tử năng lượng cao truyền
qua mẫu, chúng sẽ tương tác với các nguyên tử của vật rắn
trong mẫu, các điện tử có thể bị tán xạ không đàn hồi, năng
lượng sẽ bị suy giảm. Nhờ phổ kế phân tích năng lượng đặt
sau mẫu mà có thể ghi nhận lượng năng lượng bị tổn hao
và cho các thông tin của mẫu như: Thành phần nguyên tử,
liên kết hóa học, tính chất điện tử vùng hóa trị và vùng dẫn,
tính chất bề mặt, liên kết hóa học.
1.3. Phương pháp quét ảnh hiển vi truyền qua (Scanning
Transmission Electron Microscopy - STEM)
STEM là một phương pháp thu hình ảnh bằng phương
pháp quét ảnh hiển vi điện tử truyền qua (ảnh STEM) tích
hợp trên HR-TEM. Hệ thu nhận tín hiệu trong STEM bao
gồm ba bộ cảm biến bán dẫn, do đó, hình ảnh thu được gồm
có STEM trường sáng, STEM trường tối và hình ảnh
STEM pha trộn các tín hiệu [9].
1.4. Phương pháp nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng
(Selected area Electron diffraction - SAED)
SAED là một phương pháp ghi ảnh trong HR-TEM sử
dụng một chùm điện tử song song chiếu vuông góc qua
một vùng vật liệu được lựa chọn. Phổ nhiễu xạ thu được
là tập hợp các điểm sáng phân bố trên các đường tròn
đồng tâm, các điểm sáng trên đường tròn gần tâm nhất
thuộc vân nhiễu xạ bậc 0 tạo ra trên mặt phẳng tiêu của
vật kính. Với phương pháp này, người dùng có thể dễ
dàng lựa chọn một vùng trên mẫu và chiếu chùm điện tử
đi xuyên qua nhờ khẩu độ lựa chọn vùng (selected area
aperture). Phương pháp này thực hiện đơn giản trong kính
hiển vi điện tử truyền qua, nhưng vì khó tạo ra chùm điện
tử hẹp song song nên muốn phân tích cấu trúc từng hạt
tinh thể nhỏ là khó thực hiện. Ảnh nhiễu xạ sẽ là hệ thống
các vân tròn đồng tâm nếu mẫu là đa tinh thể, hoặc các
vết nhiễu xạ phân bố rời rạc trên các đường tròn đồng tâm
nếu mẫu là đơn tinh thể, hoặc là các vòng tròn nhòe nếu
mẫu không có cấu trúc tinh thể (vô định
hình) [9].
Khi chùm điện tử chiếu vào tinh thể vật rắn, các điện tử
bị nhiễu xạ với cường độ và hướng khác nhau. Mối liên hệ
bước sóng điện tử với khoảng cách giữa các mặt tinh thể
theo định luật Bragg được thể hiện ở Hình 2.
𝜆 = 2𝑑ℎ𝑘𝑙𝑠𝑖𝑛𝜃ℎ𝑘𝑙 (5)
với góc 𝜃ℎ𝑘𝑙 rất nhỏ:
𝜆 = 2𝑑ℎ𝑘𝑙𝜃ℎ𝑘𝑙;
2𝜃ℎ𝑘𝑙 = 𝑟
𝐿;
L: chiều dài camera
r: bán kính véc-tơ vị trí vết nhiễu xạ.
Khoảng cách giữa các mặt tinh thể:
𝑑ℎ𝑘𝑙 = 𝐿𝜆1
𝑟 (6)
Hình 2. Sự nhiễu xạ điện tử trong HR-TEM
1.5. Ảnh biến đổi nhanh Fourier (ảnh Fast Fourier
transform - FFT)
Ảnh FFT là hình ảnh mạng tinh thể trong không gian
mạng đảo chứa đựng thông tin tương tự như trong ảnh nhiễu
xạ điện tử. Sự khác nhau giữa ảnh nhiễu xạ điện tử SAED là
sự nhiễu xạ trực tiếp của điện tử trên mạng tinh thể và cho
hình ảnh các vết nhiễu xạ, còn ảnh FFT được thực hiện dựa
trên thuật toán thu thập và phân tích các dữ liệu trên ảnh HR-
TEM để cho ra ảnh nhiễu xạ (FFT). Sự khác nhau về phương
pháp tạo ra hình ảnh nhiễu xạ, tuy nhiên, điều đó không quan
trọng bởi các vị trí vết nhiễu xạ, góc phản xạ và khoảng cách
từ tâm đến vị trí các vết nhiễu xạ của cùng một cấu trúc tinh
thể trên SAED và FFT là như nhau.
Biến đổi nhanh Fourier (FFT) là một thuật toán tính
toán đặc biệt cho DFT (Discrete Fourier Transform), một
phép tính gần đúng Fourier rời rạc. Với chuỗi rời rạc theo
thời gian, x [n], n = 0, 1,..., N-1, phép gần đúng Fourier rời
rạc DFT phân tích chuỗi thành các phần có tần số khác
nhau, được cho bởi:
𝑋[𝑘] = 𝐷𝐹𝑇{𝑥[𝑛]} = ∑ 𝑥[𝑛]. 𝑒−𝑖(2𝜋𝑘𝑛/𝑁)𝑁−1𝑛=0 (7)
k=0, 1,…N-1
Phép biến đổi ngược DFT:
𝑥[𝑛] = 𝐼𝐷𝐹𝑇{𝑋[𝑘]} =1
𝑁∑ 𝑋𝑁−1
𝑛=0 [𝑘]. 𝑒𝑖(2𝜋𝑘𝑛/𝑁) (8)
k=0, 1,…N-1
Tính trực tiếp từ định nghĩa trên đòi hỏi O(N2) phép
tính: có N số Xk cần tính, để tính mỗi số cần tính một
tổng N số hạng. FFT là một phương pháp tính cùng kết quả
Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu quy trình công nghệ nuôi trồng nấm ăn và sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ nguyên liệu bông vụn thải của Nhà máy Dệt may Hoà Thọ, TP. Đà Nẵng. Việc áp dụng quy trình nghiên cứu vào thực tiễn giúp giải quyết triệt để nguồn bông vụn thải từ nhà máy sau quá trình tái sử dụng 2 bậc và tạo ra các nguồn lợi kinh tế. Mặt khác, kỹ thuật trồng nấm trên bông vụn khá đơn giản, nguồn nguyên liệu bông vụn có sẵn và tương đối dồi dào nên đầu vào khá ổn định, tiết kiệm được chi phí trồng nấm. Kết quả phân tích chất lượng nấm bào ngư trắng thành phẩm đạt chuẩn đầu ra, cụ thể protein (3,66%), độ ẩm (88,67%), âm tính với aflatoxin (B1, B2, G1, G2). Nghiên cứu không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Abstract - This study presents the results of research on the technology of edible mushrooms cultivation and microorganic fertilizers from waste cotton of Hoa Tho textile factory, Danang city. Applying the research technology in practice has completely solved the problem of waste cotton from garment factories after two steps of reusing and generating economic resources. Moreover, the technique of growing mushrooms on cotton is quite simple; the cotton source is available and relatively abundant, so inputs are relatively stable, saving the cost of mushroom cultivation. Results of quality analysis of the white abalone mushroom reach the quality criteria: protein (3.66%), moisture (88.67%), negative for Aflatoxin (B1, B2, G1, G2). The research not only brings economic efficiency but also contributes to environmental protection and sustainable development.
Từ khóa - bông thải; nấm ăn; phân hữu cơ; nhà máy dệt may; hiệu quả kinh tế; phát triển bền vững
Key words - cotton waste; edible mushrooms; organic fertilizers; textile factory; economic efficiency; sustainable development
1. Giới thiệu
Xu thế của thế giới hiện nay là tái chế - tái sử dụng và
xử lý hiệu quả chất thải. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều
nghiên cứu về công nghệ trồng nấm ăn từ bã thải nông
nghiệp và xử lý rác hữu cơ từ bã thải nấm [1-9], tuy nhiên,
vẫn chưa có các nghiên cứu cụ thể và chuyên sâu về việc
ứng dụng các phế phẩm công nghiệp nhẹ trong sản xuất
nấm ăn đạt chuẩn giá trị dinh dưỡng. Đây là hướng tiếp cận
mới đảm bảo các yếu tố về môi trường định hướng phát
triển bền vững và phát triển mô hình khởi nghiệp cho sinh
viên. Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đã và đang
diễn ra ngày càng mạnh mẽ với sự xuất hiện của nhiều nhà
máy sản xuất, công nghiệp dịch vụ. Song song với đó là sự
gia tăng của các loại rác thải công nghiệp, đặc biệt là chất
thải rắn. Hiện nay, các nhà khoa học trong nước đã có rất
nhiều hướng nghiên cứu xử lý chất thải rắn nông nghiệp,
công nghiệp theo hướng ứng dụng và phát triển bền vững
[10-14].
Theo khảo sát điển hình tại Nhà máy Dệt của Tổng
Công ty Cổ phần Dệt may Hòa Thọ, thuộc quận Cẩm Lệ,
TP. Đà Nẵng, nhóm tác giả nhận thấy, bông vụn đã thải ra
với khối lượng rất lớn nhưng không có hướng tái sử dụng
và bị thải bỏ, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.
Trong khi đó, nhu cầu tiêu thụ các thực phẩm nói chung
cũng như nấm ăn nói riêng là rất cao, tuy nhiên, các loại
thực phẩm bẩn, không rõ nguồn gốc, giá trị dinh dưỡng
không được đảm bảo đang tràn lan là nỗi lo của người dân.
Mặc dù đã xuất hiện các loại hình trồng nấm từ quy mô hộ
gia đình nhưng vẫn chưa có minh chứng cụ thể nào về giá
trị của các loại nấm này. Do đó, xuất phát từ mong muốn
hạn chế số lượng nguồn bông vụn thải ra, nhằm giảm thiểu
tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh, cũng như
giảm chi phí xử lý, bài báo “Nghiên cứu khả năng tái sử
dụng bông vụn thải để trồng nấm ăn và sản xuất phân vi
sinh” thật sự là cần thiết để giải quyết những vấn đề nói
trên. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để phát triển mô hình
trồng nấm ở quy mô hộ gia đình với nguyên liệu đầu vào
là bông vụn thải, đầu ra là nấm, nhằm cung cấp nguồn thực
phẩm giàu dinh dưỡng cho người tiêu dùng và giải quyết
bài toán về môi trường.
Hình 1. Bông thải công nghiệp tại nhà máy dệt
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng nguồn bông vải được thải ra từ
hoạt động sản xuất của các nhà máy dệt may để làm giá thể
trồng nấm. Đây là nguồn bông vụn sau khi cắt tỉa sản phẩm
vải dệt nên đảm bảo an toàn và vệ sinh hơn so với các loại
bụi bông thải ra từ quá trình xử lý bụi của nhà máy dệt.
Giống nấm: Bào ngư trắng.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình khảo sát, nhóm tác giả tiến hành điều
26 Lê Phước Cường
tra nghiên cứu tại Công ty Dệt may Hoà Thọ. Trung bình
mỗi ngày nhà máy này thải ra khoảng 500 kg bông thải.
Đây là nguồn nguyên liệu ổn định để có thể thực hiện
nghiên cứu và phát triển mô hình.
+ Bố trí thí nghiệm: Thí nghiệm được bố trí theo kiểu
hoàn toàn ngẫu nhiên (Hình 2).
Hình 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
+ Quy mô thí nghiệm: Thí nghiệm có 20 ô, mỗi ô 6 bịch
nấm, tổng số bịch nấm trong toàn khu thí nghiệm là 120
bịch, diện tích nhà trồng là 20 m2. Mô hình pilot đặt tại hộ
gia đình ở phường Hoà Hiệp Nam, quận Liên Chiểu, TP.
Đà Nẵng. Mô hình không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây
ô nhiễm sản phẩm như mùi, khói, bụi, chất thải, hoá chất
độc hại từ hoạt động giao thông vận tải, công nghiệp, tiểu
thủ công nghiệp và làng nghề, sinh hoạt khu dân cư, bệnh
viện, khu chăn nuôi, cơ sở giết mổ, nghĩa trang.
+ Các chỉ tiêu theo dõi:
- Thời gian tơ nấm phủ kín bịch các nghiệm thức
(ngày): Tính từ khi cấy giống cho đến khi tơ nấm phủ trắng
tất cả các bịch phôi thí nghiệm.
- Thời gian hình thành quả thể (ngày): Tính từ lúc rạch
bịch đến khi quả thể đầu tiên nhú ra khỏi bịch phôi.
- Thời gian thu hoạch từng đợt (ngày): Tính từ lúc ra
quả thể đến khi thu hoạch quả thể.
- Số quả thể trên mỗi bịch.
- Trọng lượng trung bình của quả thể: Trọng lượng nấm
trung bình của các bịch sau thu hoạch.
- Tỉ lệ phôi nhiễm bệnh (%): Đếm số bịch phôi nhiễm
bệnh trên tổng số bịch.
- Năng suất thực thu (kg/100 bịch) = (Năng suất
nghiệm thức/Tổng số bịch phôi) x 100
+ Các chỉ tiêu phân tích: Đối với giá thể (đường,
xenlulozơ, photpho, nitơ, canxi, pH); đối với quả thể nấm
thành phẩm (protein, độ ẩm, aflatoxin).
3. Kết quả nghiên cứu
3.1. Thành phần dinh dưỡng của giá thể và nấm thành
phẩm
Qua kết quả phân tích thành phần chính, tính chất của
bông thải ở Bảng 1 cho thấy, hàm lượng xenlulozơ trong
giá thể bông vụn là nguồn dinh dưỡng chính cho sự phát
triển của các quả thể, tính giữ ẩm và giữ nhiệt cao, pH 7,05
là giá trị phù hợp để nuôi trồng nấm bào ngư trắng.
Hình 3. Bố trí mô hình nghiên cứu
Khử trùng
Ủ đống
Đóng bịch
Chăm sóc bịch nấm
Thu hoạch
Nấm Bã thải
Ủ hiếu khí
Phân vi sinh
Nước vôi
2%
48 giờ
30-40 ngày
15 ngày
Bông thải
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 27
Bảng 1. Thành phần dinh dưỡng của giá thể
STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả
1 Ðường % 0
2 Xenlulozơ % 71,62
3 N % 0,04
4 Ca % 1,78
5 pH - 7,05
6 Ðộ ẩm % 52,25
Kết quả phân tích thành phần nấm thành phẩm sau khi
thu hoạch cho thấy chất lượng sản phẩm đảm bảo các yêu
cầu về vệ sinh an toàn thực phẩm. Không phát hiện các độc
tố thường gặp như aflatoxin, clostridium perfringens,
coliform, E.Coli trong nấm (Bảng 2). Quan sát quá trình
sinh trưởng và phát triển của nấm bào ngư trắng trên giá
thể bông vụn thải có thể thấy các tơ nấm phát triển nhanh,
nấm lên trắng, sáng, phát triển đều xung quanh giá thể
(Hình 4).
Bảng 2. Kết quả phân tích nấm thành phẩm
STT Chỉ tiêu Phương pháp thử Đơn vị Kết
quả
1 Protein tổng NMKL No.6, 4th ed.,
2003 (#) (+) % 3,66
2 Độ ẩm NMKL No.23, 3rd ed.,
1991 (+) (#) % 88,67
3 Aflatoxin (B1) 3.5/CL2.PP.3.10 HPLC,
LOD = 1,0μg/kg (#) (+) μg/kg KPH
4 Aflatoxin (B2) 3.5/CL2.PP.3.10 HPLC,
LOD = 1,0μg/kg (#) (+) μg/kg KPH
5 Aflatoxin (G1) 3.5/CL2.PP.3.10 HPLC,
LOD = 0,5μg/kg (#) (+) μg/kg KPH
6 Aflatoxin (G2) 3.5/CL2.PP.3.10 HPLC,
LOD = 1,0μg/kg (#) (+) μg/kg KPH
7 Coliforms TCVN 4882:2007 (ISO
4831:2006) (#) (+) MPN/g KPH
8 Clostridium
perfringens
TCVN 4991:2005 (ISO
7937:2004) (#) (+) CFU/g KPH
9 Escherichia
Coli
TCVN 6846:2007 (ISO
7251:2005) (#) (+) MPN/g KPH
3.2. Khả năng sinh trưởng của nấm bào ngư trắng trên
giá thể
Sau khoảng 21 ngày kể từ ngày cấy giống, các bịch nấm
cơ bản đã hình thành sợi nấm bao quanh gần hết bề mặt
bịch nấm, các sợi nấm ăn khá sâu vào trong giá thể. Tuy
nhiên, tuỳ thuộc vào tính chất thời tiết (mưa hay nắng nóng)
mà có sự chênh lệch về thời gian sợi nấm phủ kín bịch nấm,
thường dao động từ 21-22 ngày.
Từ khi ra quả thể, đa số các gốc nấm đều phát triển rất
nhanh, chỉ sau 2-3 ngày, các cây nấm trên mỗi gốc nấm đều
có thể thu hoạch được.
Bảng 3. Chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất của nấm bào ngư trắng
STT Chỉ tiêu Đơn vị tính
trung bình Kết quả
1 Thời gian sợi nấm phủ kín bịch ngày 21,68±0,16
2 Thời gian hình thành quả thể ngày 12,35±0,14
3 Thời gian thu hoạch ngày 2,5±0,12
4 Số quả thể trên mỗi bịch quả thể 12,47±0,13
5 Trọng lượng mỗi quả thể gram 8,89±0,18
6 Trọng lượng mỗi bịch thí nghiệm gram 118,06±0,15
7 Tổng trọng lượng quả thể kg 0,86±0,04
Hình 4. Sản phẩm nấm bào ngư trắng
3.3. Phân hữu cơ vi sinh từ bã thải trồng nấm
Bã trồng nấm sau khi hết cơ chất được ủ hiếu khí trong
thời gian 15 ngày (trong quá trình ủ không cho thêm chế
phẩm sinh học) cho ra sản phẩm phân hữu cơ, nhằm tái sử
dụng một cách triệt để bông vụn thải từ nhà máy dệt, góp
phần hạn chế tối đa ảnh hưởng của chất thải rắn đến môi
trường sống. Sản phẩm phân hữu cơ có độ mịn đều, được
đóng gói để bảo quản và sử dụng (Hình 5).
Hình 5. Sản phẩm phân bón hữu cơ từ bã thải trồng nấm
Cây trồng thích nghi nhanh và rất tươi tốt khi được bón
phân hữu cơ từ bã thải trồng nấm, chất lượng quả, hạt cho
năng suất tương đối cao, khi bón phân xuất hiện nhiều sùng
đất, là sinh vật chỉ thị thể hiện chất lượng môi trường đất.
Hình 6. Sản phẩm nuôi trồng từ phân hữu cơ
Quy trình trồng nấm ăn và sản xuất phân vi sinh từ bông
vụn thải của nhà máy dệt may tương đối đơn giản và khả
thi trong việc triển khai cho các hộ gia đình trồng nấm. Áp
dụng quy trình này sẽ giải quyết được triệt để nguồn bông
thải từ nhà máy dệt may sau khi thực hiện tái sử dụng 2 bậc
và tạo nguồn lợi kinh tế. Nghiên cứu thể hiện được tính
28 Lê Phước Cường
cộng đồng và thân thiện với môi trường. Cụ thể là, góp
phần giải quyết bài toán về nguồn thực phẩm không rõ
nguồn gốc đang tràn lan trên thị trường tiêu thụ hiện nay;
đáp ứng nhu cầu chuyển đổi ngành nghề trong thời kỳ công
nghiệp hoá và góp phần giải quyết công ăn việc làm cho
người lao động; giảm áp lực gia tăng chất thải rắn ra môi
trường sống.
4. Kết luận
Ngành dệt may hiện nay ở nước ta nói riêng và một số
ngành tiểu thủ công nghiệp nói chung đang ngày càng phát
triển đã gây áp lực về chất thải rắn cho môi trường sống.
Nghiên cứu được thực hiện có thể làm giảm đáng kể lượng
chất thải rắn bông vụn, tiết kiệm chi phí xử lý, tạo ra nấm
ăn – loại thực phẩm giàu dinh dưỡng và phân bón hữu cơ
cho cây trồng. Mặt khác, kỹ thuật trồng nấm trên bông vụn
khá đơn giản, nguồn nguyên liệu bông vụn này có sẵn và
dồi dào nên đầu vào tương đối ổn định, tiết kiệm được chi
phí trồng nấm. Chính vì vậy, nghiên cứu không những
mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi
trường và phát triển bền vững, thông qua việc lan toả ý thức
cộng đồng trong việc giảm thiểu và tái sử dụng các nguồn
thải, đồng thời tạo ra nguồn thực phẩm có xuất xứ rõ ràng
và được kiểm định chặt chẽ. Mô hình này có thể được
chuyển giao công nghệ, nhân rộng quy mô và phát triển
khởi nghiệp cho sinh viên các chuyên ngành hoá thực phẩm
và công nghệ môi trường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Abdallah, M.M.F., Emara, M.F.Z. and T.F, Mohammady, Open field
interplanting of oyster mushroom with cabbage and its effect on the
subsequent eggplant crop, Annals of Agricultural Science Cairo, 45(1), 2000, pp. 281-293.
[2] Batista, J.G., Batista, E.R.B. and F.F. Mateus, Effectiveness of two
biodegradation methods on the physical characteristics of compost for horticulture proposes, Acta Horticulturae, 517, 2000, pp. 293-302.
[3] Chiu, S.W., Ching, M.L., Fong, K.L. and Moore, D., Spent oyster
mushroom substrate performs better than many mushrooms mycelia
in removing the biocide pentachlorophenol, Mycological Research,
102(12), 1998, pp. 1553-1562.
[4] Eggen, T., Application of Fungal Substrate from Commercial
Mushroom Production Pleurotus ostreatus for Bioremediation of Creosote Contaminated Soil, International Biodeterioration and
Biodegradation, 44(2-3), 1999, pp. 117-126.
[5] FAO Plant production and protection, Utilization of spent mushroom
compost.
[6] Hibbett, D.S. and Thorn, R.G., Nematode‐trapping in Pleurotus
tuber-regium, Mycologia, 86(5), 1994, pp. 696-699.
[7] Kakkar, V. K. and Dhanda, S., Comparative evaluation of wheat and
paddy straws for mushroom production and feeding residual straws to ruminants, Bioresource Technology, 66 (2), 1998, pp. 175-177.
[8] Kim, H.K., Lee, H.D., Kim, Y.G., Han, G.H., Moon, C.S. and Kim,
H.G., Studies on the development of casing materials using sawdust
bottle culture in cultivated mushroom, Agaricus bisporus, The
Korean Journal of Mycology, 26(1), 1998, pp. 51-55.
[9] Martiriani, L. P., Giardina, L., Marzullo, L. and Sannia, G.,
Reduction of phenol content and toxicity in olive oil mill waste waters with the ligninolytic fungus Pleurotus ostreatus, Water
Research, 30, 1998, pp. 1914-1918
[10] Bộ Tài nguyên và Môi trường, Báo cáo hiện trạng môi trường quốc
gia 2013 về chất thải, Hà Nội, 2013.
[11] Bộ Tài nguyên và Môi trường, Báo cáo môi trường quốc gia 2011 -
chất thải rắn, Hà Nội, 2011.
[12] Nguyễn Lân Dũng, Công nghệ nuôi trồng nấm, NXB Nông nghiệp,
Hà Nội, 2004.
[13] Viện Môi trường Nông nghiệp, Báo cáo kết quả nhiệm vụ xây
dựng mô hình thu gom, xử lý phế phụ phẩm trồng trọt góp phần giảm thải khí nhà kính nông thôn ở vùng đồng bằng sông Hồng, Bộ Nông
nghiệp và Phát triển nông thôn, Hà Nội, 2012.
[14] Spin, Tổng kết hoạt động định kỳ Dự án Đổi mới sản
phẩm bền vững, Hà Nội, 2011.
(BBT nhận bài: 28/7/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 08/8/2017)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 29
BÀI TOÁN TỐI ƯU CÔNG TÁC VẬN HÀNH CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM VIỆT NAM, CÓ XÉT ĐẾN
TỔN THẤT ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
OPTIMIZING THE OPERATION OF HYDROELECTRIC FATORIES IN THE SOUTHERN
VIETNAM ELECTRIC SYSTEM, ADDING THE ENERGY LOSS IN TRANSMISSION
Ngô Văn Dũng1, Vũ Hữu Hải2, Ngô Tuấn Kiệt3 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; [email protected]
Tóm tắt - Sau ngày thống nhất đất nước năm 1975, hệ thống điện (HTĐ) miền Nam có tổng công suất nguồn 800 MW với sản lượng điện gần 1,3 tỷ KW/h.Các nhà máy điện chủ yếu là nhiệt điện dầu như: Nhà máy điện Thủ Đức, nhà máy điện Chợ Quán, các cụm diesel cung cấp điện chủ yếu cho Sài Gòn và các vùng phụ cận. Hơn 40 năm qua, ngành điện miền Nam đã phát triển nhanh chóng, nguồn điện đã có tổng công suất Nlm tới 15.455 MW [1], sản lượng điện 54,7 tỷ KW/h, hệ thống truyền tải và phân phối điện ngày càng được đầu tư và hoàn thiện. Tuy nhiên, do nguồn lực và nhu cầu phát triển kinh tế và các nguồn nhiên liệu sơ cấp trải dài nhiều khu vực hai miền nên gặp rất nhiều khó khăn trong công tác đầu tư, vận hành. Trong cơ cấu nguồn điện,thủy điện chiếm một tỷ trọng lớn 31,3%, đây là nguồn năng lượng sạch, giá thành rẻ, rất thuận lợi trong công tác điều độ HTĐ. Bài báo này nhằm giới thiệu mô hình vận hành tối ưu cho các nhà máy thủy điện trong HTĐ miền Nam từ 2015 tới 2030.
Abstract - Since the country reunification in 1975, the southern power system has a total power output of 800 MW with power capacity of nearly 1.3 billion kWh. Most factories such as: Thu Duc factory (HCMC), Cho Quan factory mainly used electric thermal diezen. Diesel groups have supplied electricity to Ho Chi Minh city and surrounding zones. For over the past forty years, the Southern electric industry has developed rapidly and has a total power of 15,455 MW and power capacity of 54.7 billion kWh. The supply and transfer system has been invested and developed. However, due to the demand of economic development and spread of basic input material source in many zones, the operation has still got some difficulties. In operation and supply systems, hydropower occupies a proportion of 31% in total. It is also the clear energy with lower cost, and convenience in operation system. This article aims to introduce an optimal operation model for hydroelectric factories in the Southern Vietnam from 2015 to 2030.
Từ khóa - vận hành tối ưu; tối ưu các trạm thủy điện; mô hình tối ưu HTĐ; bài toán tối ưu HTĐ; tối ưu thủy điện.
Key words - optimal operation; optimize hydropower stations; optimal electric system model; the optimal problem of electric system; hydropower optimization.
1. Đặt vấn đề
Miền Nam Việt Nam bao gồm khu vực miền Đông Nam Bộ, miền Tây Nam Bộ & Thành phố Hồ Chí Minh. Hệ thống điện (HTĐ) miền Nam do Tổng công ty Điện lực miền Nam và Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh quản lý, dưới sự điều hành của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) bao gồm 21 tỉnh và thành phố.
HTĐ của khu vực miền Nam bao gồm: Hệ thống các nguồn điện, các đường dây truyền tải, các trạm biến áp, có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc liên kết điện giữa các vùng miền, kết nối các nhà máy điện và các đơn vị sử dụng điện, phục vụ cho sản xuất, sinh hoạt… để phát triển kinh tế, xã hội cho khu vực phía Nam.
Về nguồn điện, với ưu thế có nguồn năng lượng đa dạng phong phú, đồng thời là nơi tiêu thụ điện năng lớn nhất Việt Nam, từ năm 1975 đến nay, khu vực miền Nam đã xây dựng nhiều công trình điện như: Thủy điện, nhiệt điện, khí, than… đảm bảo cung cấp điện năng cho việc phát triển kinh tế khu vực.
Hai lưu vực sông lớn là lưu vực sông Đồng Nai và hạ lưu sông Mê Kông có tiềm năng lớn về thủy điện. Trong thời gian qua, nhiều công trình thủy điện đã được xây dựng ở lưu vực sông Đồng Nai nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải ngày càng tăng của khu vực và đóng góp quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế - xã hội (KT-XH) của miền Đông Nam Bộ nói riêng và khu vực phía Nam nói chung. Lưu vực sông Đồng Nai hiện có 25 thuỷ điện lớn trên sông chính và phụ lưu với tổng công suất lắp máy là 4.837 MW
[1] (2016).
Nhu cầu sử dụng điện trong những năm qua của khu
vực được thống kê như sau:
Hình 1. Nhu cầu điện năng của HTĐ miền Nam và cả nước
Bảng 1. Nhu cầu phụ tải và công suất cực đại của HTĐ
miền Nam và cả nước (Quy hoạch 7 có điều chỉnh PA cơ sở)
Năm 2017 2020 2025 2030
Điện sản xuất
toàn quốc 244,335 329,412 489,621 695,147
Miền Nam 124,670 170,649 255,835 360,804
Điện TP TQ 214,135 289,882 430,867 615,205
Pmax TQ 38,680 52,040 77,084 110,215
Miền Nam 19,496 26,686 40,007 56,421
50,073 53,665 59,194 64,462 69,63676,809
98,108106,652
118,170130,060
140,500156,500
2010 2011 2012 2013 2014 2015
Nhu cầu điện năng của miền Nam & cả nước từ năm 2010 - 2015 (tỷ KWh)
Tóm tắt - Một trong những mục tiêu điều khiển quan trọng nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió độc lập (SWECS) là tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng từ gió. Mục tiêu này thường được thực hiện bằng các thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT). Tuy nhiên, các thuật toán này đơn giản và kém hiệu quả khi đáp ứng các yêu cầu điều khiển phức tạp. Ngoài ra, giải thuật điều khiển vi tích phân (PID) có thể được sử dụng để chuyển đổi tối đa năng lượng gió. Tuy nhiên, bộ điều khiển PID hoạt động kém hiệu quả khi áp dụng vào các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có bản chất phi tuyến cao và thay đổi theo thời gian, thường hoạt động trong điều kiện tốc độ gió luôn thay đổi một cách ngẫu nhiên. Để khắc phục những hạn chế của các giải thuật điều khiển MPPT và PID, bài báo này đề xuất giải thuật điều khiển trượt (SMC) cho SWECS. Bộ điều khiển trượt này được thiết kế và kiểm chứng hiệu quả thông qua mô phỏng hệ thống SWECS trên Matlab và Simulink.
Abstract - One of the most important control objectives for Standalone Wind Energy Conversion Systems (SWECS) is to optimize the power conversion from wind. This goal is normally achieved by Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms. However, such algorithms are simple and ineffective in response to additional complex control requirements. Alternatively, the Proportional Integral Derivative (PID) technique can be applied for the optimal power conversion of SWECS. However, the PID control normally provides low performance for highly nonlinear, time-varying nature of SWECS and stochastic change of wind. To overcome the MPPT and PID control performance limitations, this paper presents a sliding mode control (SMC) design for standalone SWECS. The proposed sliding mode controller has been designed and validated by computer simulations in Matlab and Simulink.
Từ khóa - điều khiển trượt; năng lượng gió; hệ thống chuyển đổi năng lượng gió độc lập; chuyển đổi năng lượng tối ưu; máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Key words - sliding mode control; wind energy; standalone wind energy conversion systems; optimal power conversion; permanent magnet synchronous generator.
1. Đặt vấn đề
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng
tái tạo quan trọng hiện nay. Do tính chất sạch và vô tận của
nó, năng lượng gió gần đây trở thành trọng tâm cho việc
nghiên cứu và phát triển thương mại. Hiện nay, năng lượng
gió đóng góp đáng kể cho nguồn điện của thế giới [1, 2, 3].
Mặc dù điện có thể được cung cấp qua mạng lưới điện trung
tâm nhưng vẫn còn những khu vực xa xôi, nơi lưới điện
không thể truyền tới. Những nơi này đang phải đối mặt với
tình trạng thiếu điện. Một giải pháp bền vững đầy hứa hẹn
là sử dụng các hệ thống chuyển đổi gió độc lập hay còn gọi
là các tuabin gió độc lập được kết nối với tải cục bộ.
Thiết kế điều khiển cho các tuabin gió độc lập đã và
đang thu hút nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên
thế giới, các nghiên cứu này đều hướng đến tối ưu hóa
công suất chuyển đổi từ gió sang điện. Một trong các
nghiên cứu phổ biến là sử dụng thuật toán bám điểm công
suất cực đại (MPPT) cho tuabin gió [4, 5]. Bài báo [4]
nghiên cứu so sánh các chiến lược tối đa hóa năng lượng
chuyển đổi trong các hệ thống tuabin gió sử dụng máy
phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Bài báo
này đã dùng thuật toán MPPT bằng cách thay đổi tốc độ
máy phát để bám điểm công suất cực đại. Tuy nhiên, đáp
ứng của hệ thống tương đối chậm. Ngoài ra, nghiên cứu
bám điểm công suất cực đại của hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió dựa trên chế độ trượt sử dụng máy phát điện
cảm ứng kép (DFIG) cũng được trình bày trong bài báo
[5], kết quả nghiên cứu cho thấy, điều khiển MPPT có thể
hoạt động với vận tốc gió ổn định và thay đổi ngẫu nhiên.
Tuy nhiên, các nghiên cứu sử dụng thuật toán MPPT chỉ
áp dụng cho hệ thống đơn giản, không đáp ứng được yêu
cầu điều khiển phức tạp. Để đáp ứng nhu cầu điều khiển
ngày càng cao của các tuabin gió, phương pháp điều khiển
hồi tiếp tuyến tính hóa đã được nghiên cứu đề xuất trong
công trình [6]. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy hệ
thống điều khiển khá nhạy cảm với sai số mô hình hóa
của hệ thống. Do đó, phương pháp hồi tiếp tuyến hóa
không cho chất lượng điều khiển tốt khi có nhiễu hoặc sai
số mô hình. Bên cạnh đó, các phương pháp điều khiển
thích nghi cho tuabin gió cũng đã được đề xuất trong các
bài báo [7, 8, 9]. Các bộ điều khiển thích nghi cho chất
lượng điều khiển tốt khi thông số của hệ thống thay đổi
hoặc có sai số mô hình. Tuy nhiên, các giải thuật điều
khiển thích nghi có tốc độ hội tụ phụ thuộc vào số lượng
biến trạng thái. Số lượng biến trạng thái càng nhiều thì
tốc độ hội tụ càng chậm, làm ảnh hưởng đến chất lượng
điều khiển của hệ thống, nên khó áp dụng với các hệ thống
có số lượng biến trạng thái lớn. Ngoài ra, phương pháp
điều khiển trượt cho tuabin gió cũng đã được nghiên cứu
áp dụng trong các bài báo [6, 10, 11]. Điển hình là bài báo
[6] đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ
thống SWECS sử dụng DFIG. Tuy nhiên, hệ thống
SWECS được đề xuất trong bài báo [6] đơn giản và bộ
điều khiển trượt tạo ra hiện tượng dao động (chattering)
trong hệ thống. Tiếp theo, Wang và cộng sự trong bài báo
số [10] đã nghiên cứu một bộ điều khiển khuếch đại H∞
để tối đa hóa công suất chuyển đổi năng lượng của các hệ
thống năng lượng gió độc lập sử dụng máy phát điện
PMSG. Bài báo [11] đề xuất một phương pháp kiểm soát
chế độ điều khiển trượt cho các tuabin gió có tốc độ thay
đổi. Phương pháp này đã được thiết kế dựa vào lý thuyết
ổn định Lyapunov và kiểm chứng trên mô phỏng. Kết quả
mô phỏng cho thấy, tuabin gió sử dụng máy phát điện
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 35
DFIG chỉ có thể hoạt động với hiệu suất chuyển đổi năng
lượng tối ưu trên một phạm vi thay đổi tốc độ gió hẹp.
Đã và đang có nhiều tác giả trong nước nghiên cứu về
kỹ thuật điều khiển trượt, nhưng các nghiên cứu về điều
khiển trượt cho tuabin gió sử dụng PMSG thì rất ít. Điển
hình như nghiên cứu mô hình tuabin gió sử dụng máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới [12], kết quả
nghiên cứu cho thấy, mô hình đáp ứng được các điều kiện
hòa máy phát điện với lưới điện. Ngoài ra, còn có nghiên
cứu ứng dụng thuật toán trượt thích nghi điều khiển DFIG
trong máy điện gió có công suất lớn 13. Bài báo này
thiết kế bộ điều khiển nhằm đảm bảo nối lưới ổn định cho
máy phát điện gió có tốc độ thay đổi. Các kết quả mô
phỏng cho thấy hệ thống đáp ứng được các chỉ tiêu chất
lượng điện.
Mặc dù nhiều cải tiến đã được thực hiện nhằm nâng
cao công suất chuyển đổi của các tuabin gió bằng các bộ
điều khiển từ cơ bản đến phức tạp, nhưng rất ít bài báo
trình bày nghiên cứu tối ưu công suất chuyển đổi của
tuabin gió độc lập sử dụng PMSG. Bài báo này đề xuất
phương pháp điều khiển trượt cho tuabin gió sử dụng
PMSG. Để chứng minh tính ưu việt của phương pháp điều
khiển trượt trong bài báo này, các kết quả mô phỏng của
bộ điều khiển trượt được so sánh với bộ điều khiển PID
truyền thống.
2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát
2.1. Mô hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Mô hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng
bộ nam châm vĩnh cửu được thể hiện trong Hình 1.
Hình 1. Mô hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Công thức khí động học mô tả sức gió được chuyển đổi
thành mô-men xoắn của tuabin như sau:
3 2r Q
1T R V C ( )
2 (1)
Trong đó, Tr là mô-men xoắn của tuabin, ρ là mật độ
không khí, R là bán kính của cánh quạt gió, V là tốc độ gió,
CQ(λ) là hệ số mô-men xoắn, một hàm của tỉ số tốc độ rìa
λ (Tip Speed Ratio) được xác định như sau:
rR
V
(2)
Trong đó, ωr là tốc độ quay của tuabin. Hệ số mô-men
xoắn CQ(λ) trong (1) là một hàm phi tuyến cao có thể được
xấp xỉ bởi hàm đa thức bậc sáu của λ như sau: 6 5 4 3 2
Q 6 5 4 3 2 1 0C ( ) a a a a a a a (3)
Công suất chuyển đổi năng lượng gió sẽ đạt cực đại khi
hệ số công suất chuyển đổi CP(λ) đạt cực đại. Hệ số này tỷ
lệ thuận với hệ số mô-men xoắn và được tính như sau:
CP(λ) = λCQ(λ). Hệ số công suất đạt cực đại tại duy nhất
một giá trị tỷ số tốc độ rìa tối ưu λ*, được minh họa trong
Hình 2. Do đó, sự chuyển đổi năng lượng cực đại chỉ đạt
được nếu hệ thống tuabin được vận hành ở tỉ số tốc độ rìa
tối ưu.
Hình 2. Hệ số công suất so với tỉ số tốc độ rìa
Bộ truyền động là một bộ truyền tải cơ có thể được xác
định như sau:
g
g r
h h
TT
iJ J
(4)
Trong đó, Jh là mô-men quán tính của máy phát điện, η
và i lần lượt là hiệu suất và tỷ số của hộp số, Tr là mô-men
xoắn tuabin, và Tg là mô-men điện từ của máy phát điện.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được nối
với tải điện trở tương đương được thể hiện trong Hình 1.
Phương trình dòng và áp trên hệ tọa độ d, q được xác định
như sau:
q ld S lq gd
d l d l
p(L L )di R Ri i
L L L Ldt
(5)
q q lS l mq g gd
q q ql l l
pdi p(L L )R R i iL L L L L Ldt
(6)
g m qT p i (7)
Trong đó, id và iq là các thành phần d và q của dòng điện
stator; Ld và Lq là các thành phần d và q của điện cảm stator;
Rs là điện trở stator; Rl là điện trở tải tương đương được coi
như tín hiệu điều khiển; Ll là điện cảm tải tương đương; p
là số cặp cực; Φm là từ thông; ωg là tốc độ máy phát; và Tg
là mô-men điện từ của máy phát điện.
Mô hình phi tuyến hoàn chỉnh của tuabin gió độc lập sử
dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có được
bằng cách kết hợp các phương trình (1), (3) và (4) - (7).
2.2. Sơ lược về điều khiển trượt
Xét đối tượng phi tuyến bậc n mô tả bởi phương trình
trạng thái:
x f (x) g(x)u (8)
y h(x) (9)
Trong đó: n1 2 n
TRx x x ....x là véc-tơ trạng
thái của hệ thống; u R là tín hiệu vào; y R là tín hiệu ra;
nRf (x) ;
ng(x) R là các véc-tơ hàm trơn mô tả động
học của hệ thống; h(x) R là hàm trơn mô tả quan hệ giữa
biến trạng thái và tín hiệu ra.
36 Nguyễn Minh Hòa, Huỳnh Minh Toàn
Bài toán đặt ra là điều khiển tín hiệu ra y(t) bám theo
tín hiệu đặt yd(t).
Nếu đối tượng có bậc tương đối bằng n, bằng cách lấy
đạo hàm của phương trình (9) n lần, có thể biểu diễn quan
hệ vào ra của đối tượng dưới dạng:
(n)y a(x) b(x)u (10)
Trong đó: n
fa(x) L h(x) (11)
n 1g fb(x) L L h(x) 0 (12)
Với:
k 1
k f
f
L h(x)L h(x) f (x)
x
(13)
k
k fg
f
L h(x)L L h(x) g(x)
x
(14)
Sai số e(t) = yd(t) - y(t) (15)
Đặt (n 1) (n 2)
1 n 2 n 1e k e ... k e k e
(16)
Chọn k1 sao cho:
(n 1) (n 2)
1 n 2 n 1(s) s k s ... k s k
(17)
∆(s) là đa thức Hurwitz; vị trí nghiệm của ∆(s) =0 quyết
định đặc tính quá độ e(t) →0 khi σ = 0 gọi là mặt trượt.
Biểu thức mặt trượt:
(n) (n 1)
1 n 2d
n 1
a(x) y k e ... k e1u
b(x) k e Ksign( )
(18)
Trong đó K>0, K càng lớn σ →0 càng nhanh.
2.3. Thiết kế bộ điều khiển trượt
Từ phương trình toán (4), (5), (6) của mô hình tuabin
gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu, ta đặt các biến trạng thái, đầu vào và đầu ra như sau:
Các biến trạng thái và đầu vào:
1 dx i ; q2
x i ; g3x ω ;
lu R (19)
Thế các biến vào phương trình (4), (5), (6) ta được:
q lS1 1 2 3 1
d l d l d l
p(L L )R ux x x x x
L L L L L L
(20)
q l S m2 1 3 2 3
q l q l q l
p(L L ) R px x x x x
L L L L L L
2q l
ux
L L
(21)
m3 r 2
h h
px T x
iJ J
(22)
Biến đầu ra:
3y x ωg
(23)
Lấy đạo hàm đầu ra ta được:
m
3 r 2h h
py x T x
iJ J
(24)
m3 r 2
h h
py x T x
iJ J
(25)
Ta có : 3 2r Q
1T R V C ( )
2 (26)
đặt 3r
1C R
2 (27)
Thế (27) vào (26), ta được 2
r r QT C V C ( ) (28)
Lấy đạo hàm rT ta có:
2 2rr r Q r Q
dT d dT C (V )C ( ) C V C ( )
dt dt dt (29)
Ta đặt r 1 2T T T (30)
2r r1 Q Q
dT C (V )C ( ) 2C VVC ( )
dt (31)
2 2r r2 Q Q
d d dT C V C ( ) C V C ( )
dt d dt
(32)
2 2r rQ Q
dMà : C V C ( ) C V C ( )
d
(33)
rRiRd d d g
dt dt V dt V
3 3 32
Rix x V Vxd dRi
dt dt V V
(34)
Thế phương trình (33), (34) vào phương trình (32) ta
được: 2 3 3r Q 22
x V VxT C V RiC
V
r Q 3 32T C RiC x V Vx
grQ 32 r
h h
T VT VT C RiC Vx
iJ J
(35)
Thế phương trình (31), (35) vào phương trình (30) ta được:
grr r Q r Q 3
h h
T VT VT 2C VVC ( ) C RiC Vx
iJ J
(36)
Thế phương trình (36) vào phương trình (25) ta được: 2 2
m d l m S1 3 2
h q l h q l
2 2m
r3 Q)h q l h
g mrr Q 3 2
h h h h q l
p (L L ) p Ry x x x
J (L L ) J (L L )
px 2C VVC ( )
J (L L iJ
T V pT VC RiC Vx x u
iJ iJ J J (L L )
(37)
Với:
2 2 2 2m d l m s
1 3 2 3h q l h q l h q l
grr Q 3 r Q
h h h h
p (L L ) p R p ma(x) x x x xJ (L L ) J (L L ) J (L L )
T VT VC RiC Vx 2C VVC ( )
iJ iJ J iJ
(38)
m2
h q l
pb(x) x
J (L L )
(39)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 37
Biểu thức mặt trượt 1
e k e với e = yd - y (40)
Đa thức đặc trưng của mặt trượt: s + k1 = 0 (41)
Với k1 là hằng số dương được chọn có giá trị lớn.
Biểu thức bộ điều khiển trượt:
d 1
1u a(x) y k e Ksign( )
b(x)
(42)
K là hằng số dương được chọn có giá trị nhỏ.
2.4. Kết quả mô phỏng
Để kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển SMC, bài
báo này sử dụng Matlab và Simulink để mô phỏng hệ thống
SWES với bộ điều khiển SMC. Ngoài ra, bộ điều khiển
SMC cũng được so sánh với bộ điều khiển PID truyền
thống. Sơ đồ điều khiển SMC và PID được minh họa trong
Hình 3 và Hình 4.
Hình 3. Sơ đồ điều khiển dùng SMC
Hình 4. Sơ đồ điều khiển dùng PID
2.4.1. Xây dựng mô hình trên phần mềm Matlab và
Simulink
Mô hình của tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu và bộ điều khiển trượt đã được
thực hiện và mô phỏng trên phần mềm Matlab và Simulink.
Mô hình sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu có công suất 3 KW. Các thông số mô phỏng như sau:
ρ = 1,25 kg/m3; R = 2,5 m; i = 7; η = 1; Jh = 0,0552 kg.m2;
Ld = Lq = 0,04156 H; p = 3; Rs= 3,3 Ω; m = 0,4382 Wb;
Tóm tắt - Ngành chế biến tinh bột sắn (TBS) là một trong những ngành sản xuất mang lại nhiều giá trị xuất khẩu và tạo ra một lượng lớn công việc cho người dân địa phương, cũng như góp phần đáng kể vào chính sách xóa đói giảm nghèo ở Việt Nam. Tuy nhiên, để sản xuất ra sản phẩm tinh bột sắn, các nhà máy sản xuất đã sử dụng nhiều nước và thải ra một lượng lớn nước thải giàu chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng. Trong quá trình xử lý lượng nước thải này, hệ thống xử lý nước thải tinh bột sắn đã làm phát sinh một lượng lớn khí nhà kính. Bài báo này tập trung xác định lượng CH4 phát thải từ hoạt động xử lý nước thải tại một số nhà máy chế biến tinh bột sắn tại Việt Nam. Từ quá trình khảo sát, thu thập dữ liệu tại 19 nhà máy chế biến tinh bột sắn có công suất từ 50 - 450 tấn sản phẩm (sp)/ngày và sử dụng phương pháp IPCC 2006 để xác định được tổng lượng phát thải khí nhà kính. Theo đó lượng phát thải khí nhà kính là 93.089 tấn CO2tđ/năm và lượng CH4 thu hồi phục vụ sản xuất là 19.727 tấn CH4/năm.
Abstract - Cassava processing is one of the industries that has created huge value of exports and much employment for local people, and contributed significantly to the poverty elimination in Viet Nam. However, cassava processing consumes huge amount of water supply and discharges a large amount of wastewater containing high organic matters and nutrients. During the process of treating this wastewater, the cassava wastewater treatment system also generates a large number of greenhouse gases. This article concentrates on inventory of the total amount CH4 emitted from the wastewater treatment system of some cassava processing plants in Vietnam. Through a survey conducted at 19 cassava processing plants having the productivity capacity ranging from 50-450 tons of products/day, the data has been collected. The 2006 IPCC Guidelines have been used to inventory the total number of greenhouse gas emissions. Accordingly, the number of greenhouse gas emissions is 93,089 tons CO2e/year and the amount of recovered CH4 for the production is 19,727 tons CH4/year.
Từ khóa - nước thải tinh bột sắn; phát thải CH4; CO2e; thu hồi CH4; hệ số phát thải CH4.
Tóm tắt - Nước thải từ quá trình chế biến thủy sản, sau giai đoạn tiền xử lý có nồng độ chất hữu cơ và dinh dưỡng cao. Với chế độ thải không ổn định, thay đổi theo lượng nguyên liệu trong ngày, việc duy trì và đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đáp ứng yêu cầu xả thải gặp nhiều khó khăn. Nghiên cứu xác định các thông số của quá trình sinh hóa hiếu khí trên mô hình phòng thí nghiệm và kiểm chứng bằng pilot tại thực địa cho kết quả: nồng độ và tỷ lệ (N-NH4, TN)/BOD5 cao là nguyên nhân dẫn đến sự mất ổn định của quá trình. Để đảm bảo chất lượng nước sau xử lý có giá trị COD đáp ứng được cột B, QCVN 11-MT:2015/BTNM, các thông số kiến nghị áp dụng: HRT ≥ 12h; MLVSS:1,8 - 2,6 g/l; F/M:≤ 0,3 gCOD/g.ngđ; cần bổ sung quá trình keo tụ để tăng hiệu quả lắng của bùn hoạt tính và áp dụng các quá trình anoxic hoặc sinh hóa bậc II, kiểm soát lượng chất dinh dưỡng dư, đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt cột A.
Abstract - After pre-treatment, wastewater from seafood process plants has a high concentration of organic matters and nutrients. With the unstable regime of inffluent changes daily based on amount of raw seafood, it is fairly difficult to maintain the quality of treated water to discharge standards. Researching to determine the parameters for aerobic process by laboratory model, as well as verifying by pilot in the field show that the high concentration and ratio of (N-NH4,TN)/BOD5 are the cause of process’s instability. And to ensure treated water to reach COD value that satisfies column B - QCVN 11-MT:2015/BTNMT, suggested parameters are: HRT≥12h; MLVSS: 1.8 – 2.6 g/l and F/M ≤0,3 gCOD/g.d. Furthermore, to ensure that treated water quality reaches column A value, it is needed to add flocculate sludge and apply anoxic or secondary biological treatment process in order to control leftover nutrients.
Từ khóa - chế biến thủy sản; bùn hoạt tính; nước thải; quá trình sinh hóa hiếu khí; xử lý nước thải
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 45
2. Vật liệu và phương pháp
2.1. Vật liệu
Các bể phản ứng xác định các thông số của quá trình
sinh hóa hiếu khí tại phòng thí nghiệm gồm 4 bình bằng vật
liệu polyetylen có dung tích hữu ích 5 lít [7] và pilot mô
phỏng quá trình sinh hóa hiếu khí (aeroten – lắng) có dung
tích: bể sục khí 3 m3, bể lắng đứng với đường kính 0,6 m
và chiều cao vùng lắng là 0,85m. Nước thải từ bể phân hủy
kỵ khí được bơm liên tục vào bể aeroten với lưu lượng cài
đặt theo tải trọng lựa chọn trong quá trình vận hành và
tương tự với dòng bùn hoạt tính hồi lưu từ bể lắng II về bể
aeroten. Nguyên lý quá trình vận hành và hình ảnh pilot lắp
đặt tại Công ty Cổ phần Thủy sản Đà Nẵng, được mô tả chi
tiết ở Hình 1.
Hình 1. Nguyên lý quá trình vận hành các mô hình thực nghiệm và các hình ảnh mô hình phòng thí nghiệm và pilot tại thực địa
Nước thải sử dụng trong các nghiên cứu thực nghiệm
tại phòng thí nghiệm và pilot tại nhà máy được lấy trực tiếp
từ đầu ra của bể điều hòa kết hợp phân hủy kỵ khí của Công
ty Cổ phần Thủy sản Đà Nẵng, Khu Công nghiệp Dịch vụ
Thủy sản Đà Nẵng. Tính chất và thành phần nước thải được
trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1. Tính chất và thành phần nước thải
Thông số Giá trị
Khoảng Trung bình
pH 7,2 – 8,0 7,6
Độ kiềm, mg CaCO3/l 820 – 1.310 1.008
TSS, mg/l 328 – 864 596
BOD5 , mg/l 250 – 489 343
COD, mg/l 416 – 807 531
N-NH4 , mg/l 91 – 179 125
Tổng Ni tơ, mg/l 198 – 392,5 271
Tổng Phốt pho. mg/l 14 – 32 23,4
2.2. Phương pháp
Xác định các thông số của quá trình bùn hoạt tính được
thực hiện tại phòng thí nghiệm bằng các bể phản ứng có
dung tích hữu ích 5 lít. Bùn hoạt tính được thích nghi và
lưu trữ có nồng độ khoảng 5 - 8 g/lít. Nước thải và bùn hoạt
tính được cấp vào mô hình sao cho tải trọng khối lượng
(F/M) trong các bể phản ứng lần lượt là 0,25; 0,5; 0,75 và
1,0 gCOD/g.ngđ. Cấp khí và quan trắc sự thay đổi các yếu
tố môi trường (pH, độ kiềm), sự chuyển hóa các chất hữu
cơ (BOD5, COD) và dinh dưỡng (TN, TP) cho đến khi sự
thay đổi là không đáng kể. Xả nước sau lắng, hiệu chỉnh lại
tỷ lệ F/M và lặp lại 3 lần liên tiếp.
Các thông số chất lượng nước quan trắc trong quá trình
vận hành pilot bao gồm: nhiệt độ, pH và DO được xác định
bằng các thiết bị đo nhanh, được lắp đặt đồng bộ tại hiện
trường; TSS, BOD5, COD, N-NH4, TN và TP được lấy mẫu
hàng ngày và phân tích tại phòng thí nghiệm của Trung tâm
Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường, Trường Đại học Bách khoa
- Đại học Đà Nẵng theo các phương pháp tiêu chuẩn [8].
Tính toán xác định các thông số của quá trình: thời gian
nước lưu (HRT), hiệu suất xử lý (E) theo tải trọng (F/M).
Đánh giá độ tin cậy của kết quả dựa trên cơ sở so sánh các
thông số xác định được với các giá trị tương ứng trong các
sổ tay kỹ thuật chuyên ngành [6] và kiểm chứng độ tin cậy,
đánh giá khả năng áp dụng vào điều kiện thực tiễn dựa trên
cơ sở kết quả vận hành pilot tại hiện trường trong khoảng
thời gian từ ngày 06/02/2017 đến 09/03/2017.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Thời gian nước lưu
Các số liệu quan trắc (trung bình của 03 thực nghiệm)
sự thay đổi giá trị pH và độ kiềm theo thời gian trong các
bể phản ứng với các tải trọng khối lượng khác nhau được
trình bày ở Hình 2.
Máy nén khí
(a) (b)
(d) (c)
(a)
46 Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy
Hình 2. Sự thay đổi giá trị pH và độ kiềm theo thời gian trong các bể phản ứng với tải trọng khối lượng khác nhau
Quan trắc sự thay đổi giá trị pH theo thời gian cho thấy:
với nước thải thô (sau xử lý kỵ khí), sau khi hiệu chỉnh theo
tải trọng, giá trị pH ban đầu thay đổi trong khoảng từ 7,1
đến 7,5. Trong 2 giờ đầu, giá trị pH tăng dần với mức tăng
khoảng 0,4 đến 0,5 và sau đó giảm dần. Sau 6h, giá trị pH
trong tất cả các bể phản ứng đều nhỏ hơn 7,0 và sau 12h
xấp xỉ khoảng 6,5. Tương ứng với độ kiềm giảm dần theo
thời gian, trong 6 giờ đầu tiên, tốc độ giảm nhanh và sau
đó tốc độ giảm dần.
Sự tăng giá trị pH trong 1,5 giờ đầu là điều kiện môi
trường và độ kiềm tăng đột ngột do nước thải thô có độ
kiềm cao, sau đó giảm dần trong khoảng thời gian từ 2 đến
6h tiếp theo là do bùn hoạt tính đã thích nghi và chuyển hóa
các chất hữu cơ và dinh dưỡng. Quá trình oxy hóa các chất
hữu cơ và chất dinh dưỡng (amôni) đã giải phóng khí
cacbonic (CO2) và tiêu thụ độ kiềm là nguyên nhân dẫn đến
sự giảm giá trị pH và độ kiềm trong các bể phản ứng. Trong
khoảng thời gian từ 7 đến 12 giờ, sự giảm pH không thay
đổi là do quá trình oxy hóa các chất hữu cơ vẫn duy trì ổn
định, nhưng quá trình oxy hóa các hợp chất amôn (nitrat
hóa) đã giảm, do môi trường đã có tính axit và độ kiềm còn
lại không đủ điều kiện để duy trì cho quá trình.
Theo các tài liệu chuyên ngành [6] và các kết quả
nghiên cứu thực nghiệm trên, cho thấy, với tải trọng đầu
vào thay đổi, khoảng thời gian duy trì ổn định (thời gian
tiếp xúc) quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ bằng quá
trình sinh hóa hiếu khí là khoảng 12h (xem các kết quả ở
Hình 3). Trong đó, quá trình nitrat hóa chỉ có hiệu quả trong
khoảng thời gian là 7h.
3.2. Hiệu suất xử lý theo tải trọng
Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ
Các kết quả quan trắc sự chuyển hóa các chất hữu cơ và
tính toán hiệu suất xử lý theo tải trọng được trình bày ở
Hình 3 và tương tự với các chất dinh dưỡng ở Hình 4.
Hình 3. Sự chuyển hóa các chất hữu cơ theo thời gian và hiệu suất xử lý theo tải trọng khối lượng
Với tải trọng chất hữu cơ theo COD thay đổi từ 0,25
đến 1,0 COD/g.ngđ, sau khoảng thời gian 8h, giá trị COD
ở các tải trọng từ 0,25 đến 0,75, đạt cột B của QCVN 11-
MT:2015/BTNMT và sau 12h, tải trọng 0,25 và 0,5 đạt cột
A, tải trọng 0,75 xấp xỉ cột A và tải trọng 1,0 đạt cột B.
Hiệu suất xử lý giảm dần khi tải trọng tăng. Với tải trọng
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 47
0,25, hiệu suất xử lý là 85% và còn lại 69% ở tải trọng 1,0.
Khác với sự chuyển hóa các chất hữu cơ theo COD, sau
12h, giá trị BOD5 ở tải trọng thấp 0,25 đạt được giá trị của
cột B và sau 24h mới đạt được cột A. Với các tải trọng còn
lại, sau gần 24h đạt xấp xỉ cột B. Hiệu suất xử lý đạt 85% ở
tải trọng 0,5 và 0,75 hiệu suất xấp xỉ như nhau, sau đó đạt
khoảng 82% và giảm đột ngột, còn lại 76% ở tải trọng 1,0.
Sự khác biệt trên có thể giải thích là do thành phần chất
hữu cơ trong nước thải thô có tỷ lệ BOD5/COD lớn (dao
động trong khoảng từ 0,57 đến 0,7). Trong khi đó, tỷ lệ
theo QCVN là 50/150 và do nồng độ amôni cao, quá trình
nitrat hóa đã làm cạn kiệt độ kiềm, dẫn đến sự thay đổi thế
oxy hóa – khử của các phản ứng, nên quá trình chuyển hóa
các chất hữu cơ theo BOD5 kéo dài hơn và hiệu suất xử lý
có sự thay đổi đột ngột khi tải trọng tăng.
So sánh đồng thời với sự thay đổi giá trị pH, độ kiềm
và chất hữu cơ theo BOD5 theo thời gian cho thấy, thời gian
nước lưu là 12 được lựa chọn là hợp lý, nếu chọn thời gian
dài hơn thì điều kiện môi trường sẽ không đảm bảo và chất
lượng nước sau xử lý cũng không tốt hơn đáng kể.
Quá trình chuyển hóa amôni và tổng nitơ
Cùng với sự chuyển hóa các chất hữu cơ, các hợp chất
dinh dưỡng có chứa nitơ giảm nhanh trong 12 giờ và sau
đó tốc độ giảm là gần như không đáng kể.
Sau 12h, ở 2 tải trọng 0,25 và 0,5 gCOD/g.ngđ, giá trị
N-NH4 và TN còn lại thấp hơn và xấp xỉ đạt cột B, sau 24h
thấp hơn và xấp xỉ đạt cột A. Tương tự với 2 tải trọng cao
hơn, đạt xấp xỉ cột B với tải trọng 0,75 và cao hơn cột B
gần 1,5 lần ở tải trọng 1,0 gCOD/g.ngđ.
Hiệu suất chuyển hóa N-NH4 và TN giảm dần khi tải
trọng tăng với quy luật giảm đều. Hiệu suất chuyển hóa đạt
giá trị 82% ở tải trọng 0,25 và 61% ở tải trọng 1,0.
Hình 4. (4a) Sự chuyển hóa các chất dinh dưỡng (N-NH4, TN) theo thời gian và hiệu suất xử lý theo tải trọng khối lượng;
(4b )Sự chuyển hóa tổng phốt pho và giá trị TSS còn lại trong nước theo thời gian
Khả năng đáp ứng quy chuẩn xả thải
Xem xét đồng thời các kết quả quan trắc sự thay đổi các
giá trị TSS, TP trong các nước ở các tải trọng khác nhau
(Hình 4b), cho thấy, với giá trị TSS ban đầu thay đổi trong
khoảng 260 mg/l ở tải trọng 0,2 gCOD/g.ngđ đến 325 mg/l
ở tải trọng 1,0 gCOD/g.ngđ. Sau thời gian 12h, ở các tải
trọng nhỏ hơn 0,5, giá trị TSS đạt xấp xỉ cột A và 24h với
các tải trọng lớn hơn.
Tương tự với giá trị tổng phốt pho, sau 6 giờ, giá trị còn
lại đạt xấp xỉ cột B và sau 12 giờ ở các tải trọng thấp đạt
xấp xỉ cột A.
Xem xét đồng thời sự chuyển hóa tất cả các thông số
(a)
(b)
48 Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy
chất lượng theo thời gian và sự thay đổi hiệu suất theo tải
trọng và khả năng đáp ứng các quy chuẩn xả thải, thông số
của quá trình sinh hóa hiếu khí được lựa chọn cho nghiên
cứu triển khai trong điều kiện thực được lựa chọn là: Thời
gian nước lưu: 12h; Tải trọng khối lượng: 0,2 đến 0,3
gCOD/g.ngđ - tương ứng với hiệu suất xử lý mong đợi với
chất hữu cơ theo BOD5 và COD, chất dinh dưỡng theo
amôni và tổng nitơ trên 80%.
3.3. Đánh giá hiệu quả xử lý trong điều kiện thực
Các số liệu quan trắc các thông số chất lượng nước: độ
kiềm, chỉ số bùn (SVI), TSS, các chất hữu cơ (COD &
BOD5), các chất dinh dưỡng (N-NH4, T-N, T-P) trước và
sau xử lý bằng quá trình aeroten – lắng ở tải trọng 0,2 và
0,3 gCOD/g.ngđ trong hơn 1 tháng vận hành pilot trong
điều kiện thực tại nhà máy, được trình bày ở Hình 5.
Hình 5. Chỉ số bùn (SVI), TSS, các chất hữu cơ (COD & BOD5), các chất dinh dưỡng (N-NH4, T-N, T-P)
trước và sau xử lý ở tải trọng 0,2 và 0,3 gCOD/g.ngđ
3.3.1. Chỉ số bùn (SVI) và TSS
Với nồng độ bùn hoạt tính thay đổi trong khoảng từ 1,8
đến 2,6 g/l, chỉ số bùn trong bể aeroten là tương đối cao. Ở
tải trọng 0,2 g, dao động trong khoảng từ 202-268 ml/g
(trung bình 234 ml/g) và tăng nhanh khi vận hành ở tải
trọng 0,3 với SVI dao động trong khoảng 262 đến 380 ml/g
(trung bình 341 ml/g).
TSS trong nước thải trước xử lý dao động trong khoảng
từ 472 đến 757 mg/l (trung bình 599 mg/l), sau xử lý ở tải
trọng 0,2 còn lại là: 110-126 mg/l (trung bình 118 mg/l) và
ở tải trọng 0,3 là: 142 mg/l đến 230 mg/l (194 mg/l). So với
mức quy định cho phép của cột B của QCVN, TSS vượt
khoảng 1,2 lần ở tải trọng 0,2 và gần 2 lần ở tải trọng 0,3.
So với các kết quả vận hành ở điều kiện phòng thí nghiệm,
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 49
giá trị TSS trong nước sau xử lý cao hơn và có thể được giải
thích như sau: trong điều kiện phòng thí nghiệm, chế độ vận
hành gián đoạn. Trong khi đó ở điều kiện thực, chế độ vận
hành là liên tục và với chỉ số bùn cao, khả năng lắng của bùn
kém, sự rửa trôi và cuốn theo các bông bùn phân tán nhỏ là
nguyên nhân làm tăng giá trị TSS trong dòng ra.
3.3.2. Hiệu suất xử lý các chất hữu cơ
Nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải đầu vào thay
đổi với giá trị BOD5: 306 đến 440 mg/l (373 mg/l) và COD:
490 mg/l đến 644 mg/l (560 mg/l); sau xử lý với: tải trọng
0,2 giá trị còn lại của BOD5: 75-96 mg/l (87 mg/l) và COD:
110-140 mg/l (126mg/l). Nồng độ chất hữu cơ sau xử lý ổn
định với hiệu suất xử lý trung bình đạt 76% theo BOD5 và
COD là 77%. Tương tự với tải trọng 0,3, hiệu suất xử lý
đạt trung bình 69,8% BOD5 và 71% COD.
So sánh với mức quy định trong cột B, giá trị BOD5
vượt mức quy định, trong khi đó, giá trị COD ở tải trọng
0,2 vẫn đáp ứng được mức quy định và xấp xỉ ở tải trọng
0,3. Hiệu suất xử lý giảm và chất lượng nước không đáp
ứng được cột B là do bùn hoạt tính có chỉ số SVI cao.
3.3.3. Hiệu suất xử lý các chất dinh dưỡng
Khác với các thực nghiệm trong điều kiện phòng thí
nghiệm, mặc dù điều kiện môi trường có đủ độ kiềm (giá
trị pH dao động ổn định trong khoảng 7,15 đến 7,6) cho
quá trình nitrat hóa, nhưng hiệu suất xử lý N-NH4 và TN
đạt được là thấp hơn (55% và 50%) so với điều kiện phòng
thí nghiệm giảm từ 25 đến 30% và nồng độ N-NH4 và TN
trong nước sau xử lý cao hơn cột B từ 2 đến 3 lần.
Mặc dù hiệu suất xử lý giảm, nhưng khi xem xét tỷ lệ
(N-NH4 và TN)/BOD5 ở 2 thực nghiệm, cho thấy, trong
điều kiện thực, nồng độ và tỷ lệ này cao hơn, nhưng tổng
lượng chất hữu cơ được chuyển hóa trong cùng một tải
trọng là tương đương. Như vậy, kết quả có được là hợp lý,
vì khi chuyển hóa một lượng chất hữu cơ nhất định, hệ vi
sinh vật trong bùn hoạt tính chỉ tiêu thụ một lượng nhất
định các chất dinh dưỡng, đủ cho quá trình sinh trưởng và
phát triển. Sự dư thừa nitơ trong bể aeroten là nguyên nhân
dẫn đến bùn có chỉ số SVI cao và tồn tại nhiều ở dạng bông
bùn có kích thước bé.
4. Kết luận và kiến nghị
Từ các kết quả xác định các thông số trong điều kiện
phòng thí nghiệm và kiểm định bằng pilot tại thực địa, có
được các kết luận sau:
Với thời gian nước lưu 12h, tải trọng khối lượng nhỏ hơn
0,3 gCOD/g.ngđ. Quá trình aeroten – lắng hoạt động ổn định,
chất lượng nước sau xử lý có giá trị COD đạt cột B, QCVN
11-MT:2015/BTNMT, thỏa mãn yêu cầu của BQL về xả thải
vào hệ thống thu gom nước thải của KCN.
Để duy trì sự ổn định và nâng cao hiệu suất xử lý chất
hữu cơ theo BOD5, đáp ứng được cột B, việc kiểm soát sự
rửa trôi gây mất bùn từ bể lắng II bằng các biện pháp kỹ
thuật bổ sung định kỳ chất keo tụ để giảm chỉ số SVI hoặc
lọc nhanh qua lớp vật liệu cần được bổ sung thêm vào quản
lý vận hành bể lắng.
Với đặc điểm nước thải chế biến thủy sản có nồng độ
N-NH4 và TN cao, việc xử lý đạt quy chuẩn (cột B) với hai
thông số này, bằng quá trình sinh hóa hiếu khí truyền thống
đã và đang áp dụng tại các nhà máy trong KCN Dịch vụ
Thủy sản Đà Nẵng là không thể. Để kiểm soát triệt để sự
phú dưỡng nguồn nước, việc triển khai các nghiên cứu về
những quá trình công nghệ xử lý các hợp chất chứa nitơ
bằng các quá trình anoxic hoặc sinh hóa bậc II, và áp dụng
vào điều kiện thực tiễn của các nhà máy để có thể xả thẳng
vào nguồn tiếp nhận, tiết kiệm chi phí đầu tư là rất cần thiết.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu được thực hiện với nguồn
kinh phí ngân sách khoa học công nghệ thành phố Đà Nẵng
thông qua Sở Khoa học và Công nghệ và sự hỗ trợ điều
kiện thực nghiệm của Công ty Cổ phần Thủy sản Đà Nẵng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tổng Cục Môi trường, Tài liệu kỹ thuật - Hướng dẫn đánh giá sự
phù hợp của công nghệ xử lý nước thải và giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải đối với ngành Chế biến thuỷ sản, Dệt may, Giấy và bột giấy, Hà Nội, 2011.
[2] Trần Văn Quang và cộng tác viên, Báo cáo chuyên đề: Hiện trạng và hiệu quả xử lý của các quá trình công nghệ xử lý nước thải được
áp dụng tại các nhà máy, xí nghiệp và trạm xử lý nước thải tập trung
của Khu Công nghiệp Dịch vụ Thủy sản Đà Nẵng, Báo cáo giai đoạn: Đề tài khoa học cấp công nghệ cấp thành phố Đà Nẵng, Đà Nẵng, 11/2016.
[3] Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations,
Fisheries technical paper – 355 Wastewatertreatment in the fishery industry, Rome, 1996.
[4] Bộ Tài nguyên và Môi trường, QCVN 11-MT:2015/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chế biến thủy sản, 2016.
[5] Ủy ban Nhân dân thành phố Đà Nẵng, Quyết định số 290/UBND-QLĐTh ngày 10/1/2013 về việc đảm bảo hoạt động của trạm XLNT tập trung KCN DVTS Đà Nẵng, Đà Nẵng, 2013.
[6] Metcalf & Eddy, Inc., Wastewater Enigineering: Treatment and Reuse, Fourth Edition, Mac.Graw-Hill, Singapore, 2004, pp. 615-616.
[7] Tran Van Quang, A Study on Increasing the Stabilization of the
Wastewater Treatment from Fish and Seafood Processing, Proceeding: Vietnam-Korea Workshop on Environmental Technology in Water prevention, Hanoi, 2004.
[8] Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, Seventheenth Edition, Washington, DC., 2004.
[9] Robert A.Corbitt, Standrd Hanbook of Environmental Engineering, Mac.Graw-Hill, New York, 1990, pp. 6.99-6.105.
(BBT nhận bài: 18/08/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 11/09/2017)
50 Nguyễn Lê Hồng Sơn, Nguyễn Hoàng Anh
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH
TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT TRONG KHAI THÁC THAN
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HÓA THAN NGẦM
APPLIED RESEARCH ON SIMULATION SOFTWARE OF HEAT AND MASS TRANSFER IN
THE PROCESS OF UNDERGROUND COAL GASFICATION
Nguyễn Lê Hồng Sơn1, Nguyễn Hoàng Anh2 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; [email protected]
Tóm tắt - Khí hóa than ngầm là một quá trình chuyển than đá trực tiếp trong vỉa than thành khí đốt hoặc dùng để làm nguyên liệu tổng hợp hoá chất. Nghiên cứu này thực hiện mô phỏng chi tiết quá trình khí hoá than ngầm bên trong vỉa than để sản xuất khí tổng hợp (CO, CO2). Các mô phỏng được tiến hành bằng cách sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics phiên bản 5.2 để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong quá trình khí hoá than ngầm. Các nghiên cứu về sự truyền nhiệt và mô phỏng hình dạng khoang rỗng ba chiều (chiều dài, chiều rộng và chiều sâu) sau quá trình khí hoá được thể hiện trong các vỉa than ngầm. Cần chú ý nhiệt độ bên trong vỉa than sẽ cao hơn nhiều so với nhiệt độ đầu ra của khí sản phẩm, điều này là do tổn thất nhiệt bởi môi trường xung quanh. Các khoang rỗng có hình giọt nước, và nó có thể được mô phỏng dựa trên chiều rộng, chiều cao, chiều dài phía trước và phía sau của khoang. Điều chỉnh nồng độ O2 cấp vào quá trình khí hoá sẽ ảnh hưởng đến chất lượng khí tổng hợp cũng được nghiên cứu. Tỷ lệ cấp O2 tốt nhất là khoảng 0,15 mol/s.
Abstract - Underground Coal Gasification (UCG) is a process in which coal is converted to clean synthetic gas (syngas) in-situ. This study performs detailed simulations of UCG process inside coal seam to produce syngas (CO, CO2). The simulations are conducted using the Comsol Multiphysics software to simulate the heat and mass transfer during the underground coal gasification. Studies on the heat transfer and the growth of three-dimensional cavity geometries in underground coal gasification are presented in underground coal seam. During the heat transfer, it should be noted that local temperature in the coal seam is higher than the outlet temperature; this might be attributed to gas heat loss by the surrounding environment. The cavity has a tear-drop shape, which could be characterized based on its width, height, forward and backward lenght of the cavity. The effects of oxygen injection rate on syngas quality are also studied. The best oxygen injection rate is about 0.15 mol/s.
Từ khóa - khí hoá than ngầm; UCG; truyền nhiệt và truyền chất UCG; comsol multiphysics; khí tổng hợp
Key words - underground coal gasification; UCG; heat and mass transfer; syngas; oxygen concentration; coal seam; comsol multiphysics
1. Đặt vấn đề
Quá trình khí hóa than ngầm thường diễn ra trong một
thời gian dài, với một khối lượng than lớn gấp nhiều lần so
với mô hình thực nghiệm. Do phải đầu tư một khoản chi phí
lớn cho quá trình xây dựng hệ thống khí hóa, nên phải nghiên
cứu kỹ về các loại than, dự đoán được các trường hợp có thể
xảy ra. Trước yêu cầu đó, mô phỏng quá trình khí hóa than
ngầm được thiết kế và xây dựng gần giống với thực tế nhằm
thử nghiệm trước khi xây dựng một hệ thống lớn hơn, khi
biết chắc chắn điều đó sẽ mang lại lợi nhuận kinh tế cao. Dựa
trên những cơ sở lý thuyết chung của công nghệ khí hóa, mô
hình cho thấy quá trình khí hóa than diễn ra gần giống như
dưới lòng đất với một đường ống dẫn hỗn hợp khí + hơi nước
và một đường ống thu hồi khí tổng hợp. Qua đó, nghiên cứu
sẽ xác định được thành phần lý hoá học, chất lượng khí
thương phẩm từ các khí sản phẩm thu được.
Trong thời đại khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ
mô phỏng số ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi
lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như hoạt động của con
người. Mô phỏng số mang đến cho con người những lợi ích
to lớn như tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu,
tránh được những rủi ro trong điều kiện thực tế, giảm tác
động xấu tới môi trường. Các mô hình sẽ được xây dựng
trên máy tính và mô phỏng quá trình trước khi mô hình
thực nghiệm được xây dựng.
Ở đây, nhóm tác giả xin giới thiệu phương pháp mô
phỏng quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong khai thác
than sử dụng phương pháp khí hóa than ngầm qua ứng dụng
phần mềm mô phỏng Comsol Multiphysics phiên bản 5.2.
Một mô hình toán học về truyền nhiệt và truyền chất của
quá trình khí hóa than được xây dựng theo các phương
pháp bảo toàn năng lượng và khối lượng của quá trình sản
xuất khí hóa than. Việc nghiên cứu các giá trị mô phỏng kết
hợp với quá trình thực nghiệm khí hóa than sẽ cung cấp
một cơ sở lý thuyết cần thiết cho các nghiên cứu tiếp theo
hay dự đoán các quy luật diễn ra trong quá trình khí hóa
than, như việc xác định các yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu
suất của khí hóa.
2. Cơ sở lý thuyết
Các quá trình cháy và khí hóa dưới lòng đất trong các
lơp than rất phức tạp về mặt vật lý và các phản ứng hóa học,
với các quá trình truyền nhiệt và truyền chất giữa các pha
rắn-khí. Để dễ dàng trong quá trình tính toán, ta có các điều
Tóm tắt - Biomass nói chung và mùn cưa nói riêng là một trong những nguồn năng lượng tái tạo rất có tiềm năng ở Việt Nam, đã và đang được nghiên cứu mạnh. Một trong các công nghệ hứa hẹn sử dụng biomass là quá trình hóa khí trong lớp sôi nhằm thay thế các dạng nhiên liệu hóa thạch khác như dầu và khí tự nhiên sử dụng trong công nghiệp. Bài báo này phân tích ảnh hưởng lưu lượng không khí cấp vào đến hàm lượng CO trong khí tạo thành trong quá trình hóa khí mùn cưa tầng sôi. Thiết bị hóa khí được thiết kế với công suất tối đa là 40 kg mùn cưa/h. Trong các thí nghiệm này, lưu lượng mùn cưa cấp vào được giữ cố định ở 40 kg/h và lưu lượng không khí cấp vào thay đổi
từ 16,8 m3/h ( =10%) đến 67,2 m3/h ( =40%). Kết quả thí nghiệm
chỉ ra rằng, khi tăng lượng khí cấp vào từ 10% đến 40% thì nồng độ CO trong khí tạo thành tăng lên từ 12,8% đến 16,5%. Ngoài ra, ngọn lửa tạo thành khi đốt khí tạo thành cũng sáng và xanh hơn.
Abstract - Biomass in general and sawdust in particular is one of types of renewable energy which has potential in Vietnam and has been extensively researched. It is one of the promising technologies that use biomass gasification process in this class to replace fossil fuel such as oil and natural gas used in industry applications. This paper analyzes the influence of air feed on CO concentration in the sawdust gasification process. Gasification equipment is designed with a maximum capacity of 40 kg of sawdust/h. In these experiments, the air feed varies from 16.8 m3/h to 67.2 m3/h. Experimental results indicate that when the air feed changes from 10% to 40%, the CO concentration will change from 12.8% to 16.5%. In addtion, the syngas burned flame is brighter and bluer.
Từ khóa - mùn cưa; biomass; hóa khí; tầng sôi; nồng độ CO. Key words - sawdust; biomass; gasification; fuidized bed; CO concentration.
1. Đặt vấn đề
Nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và việc sử dụng
nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà
kính và sự ấm lên của toàn cầu. Vì vậy, nhu cầu tìm kiếm và
sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế, đặc biệt là nguồn nhiên
liệu tái tạo như biomass là một nhu cầu vô cùng cấp thiết hiện
nay. Đặc biệt hơn, nước ta là một nước nông nghiệp với diện
tích gần 80% là đồi núi nên rất phù hợp với việc đẩy mạnh sử
dụng nhiên liệu biomass. Trong những năm gần đây, các
nguồn biomass như trấu, mùn cưa, dăm bào, vỏ hạt điều,… đã
được sử dụng làm nhiên liệu đốt trực tiếp cho các lò hơi công
suất nhỏ và trung bình trên khắp cả nước. Tuy nhiên, với công
nghệ đốt trực tiếp như hiện tại thì vấn để kiểm soát phát thải
CO là một khó khăn lớn mà rất nhiều nhà chế tạo lò hơi đang
gặp phải. Một hướng hiệu quả để đẩy nhanh ứng dụng nhiên
liệu biomass trong công nghiệp là sử dụng các lò hóa khí và
dễ dàng trong việc kiểm soát ô nhiễm.
Hơn nữa, trong rất nhiều ngành công nghiệp thì nhu cầu
sử dụng nhiên liệu hóa thạch như khí và dầu lại là yêu cầu
bắt buộc đối với các quá trình sản xuất. Trong khi giá dầu và
khí luôn dao động ở mức cao, làm cho giá thành sản xuất cao
và gây khó khăn cho doanh nghiệp trong việc xác định giá
thành sản phẩm. Một cách đơn giản và hiệu quả để giảm giá
nhiên liệu trong trường hợp này là sử dụng công nghệ hóa
khí để biến nhiên liệu rắn thành nhiên liệu khí.
Biomass nói chung và mùn cưa nói riêng là một trong
những loại năng lượng tái tạo rất có tiềm năng ở Việt Nam,
đã và đang được nghiên cứu mạnh [1, 2, 3, 4, 5]. Một trong
các công nghệ hứa hẹn sử dụng biomass là quá trình hóa khí
trong lớp sôi. Công nghệ đốt biomass tầng sôi đã được ứng
dụng khá nhiều ở Việt Nam, đặc biệt là ở các tỉnh đồng bằng
phía Nam, trong các lò hơi. Tuy nhiên, ảnh hưởng của các
thông số thiết kế, vận hành,… đến hiệu quả của quá trình hóa
khí biomass tầng sôi chưa được nghiên cứu và cũng chưa có
lò hóa khí biomass tầng sôi nào được sử dụng ở Việt Nam.
Hướng nghiên cứu chủ yếu hóa khí biomass tầng sôi là
nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thiết kế lò, các thông
số vận hành và loại biomass đến thành phần khí ra, nhằm
nâng cao hiệu suất và nhiệt trị của khí ra. Trong bài báo này,
ảnh hưởng của lượng không khí cấp vào đến hàm lượng CO
tạo ra trong khí tạo thành được phân tích, đánh giá ở lưu
lượng khối lượng của mùn cưa cố định là 40 kg/h.
2. Tính toán thiết kế
2.1. Tính tốc độ gió cấp vào
Tốc độ gây sôi tối thiểu ω0 được xác định theo công
thức [6, 7]:
𝜔𝑜 =𝜇
𝑑ℎ . 𝜌𝑘[(𝐶1
2 + 𝐶2𝜌𝑘(𝜌ℎ − 𝜌𝑘)𝑔𝑑ℎ
3
𝜇2)
1/2
− 𝐶1]
Trong đó:
dh1 = 0,001 m, dh2 = 0,004 m lần lượt là đường kính nhỏ
nhất và lớn nhất của hạt mùn cưa;
µ = 0,000016 N.s/m2 là hệ số nhớt động học;
ρk = 1,2 kg/m3 là khối lượng riêng của không khí;
ρh = 250 kg/m3 là khối lượng riêng trung bình của mùn cưa;
C1 = 27,2, C2 = 0,0408 là các hệ số động học;
g = 9,81 m/s2 là gia tốc trọng trường;
Thay số vào công thức trên ta có:
o11 = 0,1 m/s và o12 = 0,5 m/s tương ứng với dh1 và dh2.
Vận tốc gió tối ưu thường lấy bằng (2÷3)o1, trong các
thí nghiệm này, vận tốc gió trong lò hóa khí được duy trì
trong khoảng 0,2 ÷ 1 m/s.
56 Trần Thanh Sơn
2.2. Tính lưu lượng cấp gió
Để tính toán lưu lượng gió cần cấp, trước hết cần xác định
lượng gió cấp vào để đốt cháy hoàn toàn mùn cưa. Dựa vào
thành phần của mùn cưa sử dụng cho các thí nghiệm trong
Bảng 1 và viết các phương trình phản ứng cháy hoàn toàn của
các thành phần cháy trong nhiên liệu, ta có thể xác định được
lượng không khí lý thuyết là 4.197 Nm3/kg mùn cưa.
Theo các nghiên cứu [5, 7, 8, 9, 10], thì lượng không khí
cấp vào lò hóa khí tối ưu nằm trong khoảng (=10%÷40%)
lượng không khí lý thuyết, tương ứng (0,63÷1,68) m3tc/kg
mùn cưa.
Bảng 1. Thành phần của mùn cưa, %
Clv Hlv Olv Nlv Alv Wlv Qtlv, kJ/kg
44,6 5,2 34,4 0,32 0,48 15 25,241
2.3. Xác định kích thước các đáy lò
Để đảm bảo tất cả các cỡ hạt 1÷4 mm đều sôi, buồng
đốt lò hóa khí có cấu trúc hình côn. Dưới đáy côn nhỏ nhất
sẽ xảy ra quá trình sôi hạt mùn cưa lớn và các hạt nhỏ hơn
sẽ sôi ở lớp trên cao hơn. Từ lượng gió cấp vào và tốc độ
gió min o1 tính được ở phần trên và từ phương trình liên
tục: Q = F.v (m3/h).
Trong đó, Q là lưu lượng gió, F là tiết diện mặt cắt lò
hóa khí và v là vận tốc gió tại tiết diện F.
Với công suất tối đa hóa khí của lò đã xác định là 40
kg/h và lưu lượng không khí cấp vào (=10%÷40%) tương
ứng với lượng không khí cấp vào Q = 16,8÷67,2 m3/h, ta
tính được lượng tiết diện F và từ đó xác định được đường
kính đáy và đỉnh côn của lò hóa khí như sau:
Dmax = 400 mm và Dmin = 140 mm
2.4. Nguyên lý vận hành của lò hóa khí
1. Cơ cấu thải xỉ
2. Bộ cấp không khí
3. Buồng hóa khí
4. Đầu gắn cảm biến
nhiệt độ
5. Cơ cấu điều khiển
cấp liệu
6. Phễu chứa liệu
7. Khí ra
8. Bơm hút khí
9. Cyclon lọc bụi
10. Đường hồi
11. Quạt gió
12. Lưu lượng kế
Hình 1. Cấu tạo lò hóa khí thí nghiệm
Lượng mùn cưa được cấp liên tục vào lò hóa khí qua cơ
cấu cấp liệu kiểu vít tải 2 cấp điều chỉnh bằng biến tần. Trong
phạm vi bài báo này, lượng mùn cưa cấp vào được giữ cố
định ở 40 kg/h. Lưu lượng không khí cấp vào lò hóa khí qua
quạt gió 11 cũng được điều khiển bằng biến tần và được xác
định bởi đồng hồ đo lưu lượng 12. Nhiệt độ của lò hóa khí
tại các vị trí đo khác nhau được đo đồng thời bởi các cặp
nhiệt điện qua các đầu gắn cảm biến đặt ở trên thân lò hóa
khí. Trên đường khí ra 7, bố trí một ống đồng d=12 mm, dài
1,5 m để rút khí qua bơm hút 8 để lấy mẫu khí mang đi phân
tích nồng độ CO. Từ các kết quả thí nghiệm đã được trình
bày trong [1] thấy rằng, quá trình hóa khí chỉ diễn ra trong
khoảng không gian hình côn ở dưới và nhiệt độ của khí trong
lò ở trong đoạn hình trụ phía trên gần như không thay đổi
nên trong thiết kế này, đoạn ống hình trụ chỉ còn dài 400 mm
so với 1.500 mm như trong [1].
Để tiến hành nghiên cứu, đầu tiên ta phải khởi động lò
hóa khí. Trước tiên, ta cho một ít củi vào lò và đốt cháy,
khi lửa đã bén vào củi thì cho mùn cưa vào từ từ cùng với
tăng lượng gió cấp vào để đẩy mạnh quá trình cháy hoàn
toàn nhiên liệu, cho đến khi nhiệt độ trong lò hóa khí đạt
khoảng >400°C thì kết thúc quá trình khởi động lò. Lúc
này, ta tiến hành điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào cho
đến khi đạt giá trị mong muốn là 40 kg/h. Sau đó, điều
chỉnh lượng không khí cấp vào với các giá trị cần đo. Tại
mỗi giá trị của lưu lượng không khí cấp vào khi lò đã hoạt
động ổn định, ta tiến hành ghi giá trị nhiệt độ, phân bố nhiệt
độ và lấy mẫu khí đi phân tích.
Do sản phẩm của quá trình hóa khí có chứa CO là một
khí độc nên trong quá trình làm thí nghiệm, lò hóa khí được
đặt trong môi trường thông thoáng tốt. Sau khi khởi động
xong lò hóa khí và đưa lò hoạt động ổn định ở một chế độ
vận hành nhất định thì tiến hành ghi nhận các thông số thí
nghiệm và lấy mẫu khí mang đi phân tích. Khí còn lại được
đốt trực tiếp để tránh gây ô nhiễm môi trường.
3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
3.1. Sự phân bố của nhiệt độ lò theo lưu lượng không khí
cấp vào
Hình 2. Phân bố nhiệt độ theo chiều cao lò ứng với lượng
không khí cấp vào khác nhau
Hình 2 thể hiện kết quả thí nghiệm khi thay đổi lượng
không khí cấp vào từ 10% đến 40% so với lượng không
khí lý thuyết. Ta nhận thấy phân bố nhiệt độ đều có dạng
giảm dần theo chiều cao với các khác nhau. Nhiệt độ lớn
nhất trong lò hóa khí đạt được khoảng 500-630°C ở độ cao
h = 300 mm tính từ miệng cấp gió vào, là vùng xảy ra các
phản ứng oxy hóa nhiên liệu. Sau đó, nhiệt độ giảm gần
như tuyến tính theo chiều cao của lò. Trong điều kiện thí
nghiệm này, nhiệt độ và phân bố nhiệt độ trong lò tỉ lệ với
lượng không khí cấp vào. Có nghĩa là nhiệt độ, phân bố
nhiệt độ trong lò đạt cao nhất ứng với lượng không khí cấp
vào là 40% và ngược lại nhiệt độ, phân bố nhiệt độ trong
lò thấp nhất ứng với lượng không khí cấp vào là 10%. Tuy
nhiên, sự thay đổi nhiệt độ, phân bố nhiệt độ là không lớn
trong hai trường hợp với = 10% và =20%. Điều này có
thể giải thích là với hai giá trị trên thì lượng không khí
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 57
cấp vào quá bé nên quá trình oxy hóa cũng xảy ra yếu hơn
và nhiệt độ lò thấp. Khi tăng lên 30% thì quá trình oxy
hóa mãnh liệt hơn dẫn đến nhiệt độ lò được nâng lên cao
rõ rệt. Điều tương tự cũng xảy ra với = 40%.
a) b)
c) d)
Hình 3. Hình ảnh ngọn lửa với khác nhau
a (10%), b (20%), c30%) và d (40%)
Hình 3 là hình ảnh ngọn lửa khi đốt cháy trực tiếp khí
thoát ở đầu ra của lò hóa khí. Trong đó, Hình 3a là ngọn lửa
ứng với lượng không khí cấp vào là 10%, Hình 3b là 20%,
Hình 3c là 30% và Hình 3d là 40%. Từ các hình trên có thể
thấy rằng, khi tăng lượng không khí cấp vào lò hóa khí thì
ngọn lửa của khí tạo thành cháy mạnh, lan rộng và sáng hơn.
Điều này có thể giải thích rằng lượng khí cháy sinh ra nhiều
hơn khi tăng lượng không khí cấp vào từ 10% đến 40%.
3.2. Sự ảnh hưởng của lượng không khí cấp vào đến
nồng độ CO tạo thành
Trong các nghiên cứu này, sản phẩm khí tạo ra sau khi
đi qua cyclon sẽ được hút một phân qua bơm 8 và mang đi
phân tích thành phần. Do hạn chế về thiết bị phân tích nên
trong các thí nghiệm này chỉ duy nhất thành phần CO được
phân tích, còn các thành phần khác như H2 và CxHy chưa
phân tích được. Hình 4 thể hiện quan hệ giữa nồng độ CO
trong khí tạo thành với lượng không khí cấp vào lò khí hóa.
Có thể thấy rằng, khi tăng lượng không khí cấp vào từ 10%
đến 20% thì hàm lượng CO tăng không lớn. Tuy nhiên, khi
tăng lượng không khí cấp vào đến 30% thì lượng CO tăng
lên khá nhiều. Khi tăng lượng không khí cấp vào đến 40%,
lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy hoàn toàn
nhiên liệu thì lượng CO trong khí tạo thành tăng rất mạnh
và đạt giá trị cao nhất 16,5%. Do ở giá trị không khí cấp
vào 40% này thì tốc độ không khí trong lò đã đã đạt tới tốc
độ lớn nhất cho phép tạo sôi của điều kiện thí nghiệm nên
tác giả không thể tăng hơn nữa. Các kết quả thí nghiệm với
lượng không khí cấp vào lớn hơn 40% sẽ được trình bày
trong các bài báo sau với lượng nhiên liệu giảm xuống thấp
hơn 40 kg/h. Từ kết quả thí nghiệm ở trên, có thể thấy rằng
nồng độ CO trong khí tạo thành tỉ lệ với lượng không khí
cấp vào. Trong điều kiện thí nghiệm cụ thể của bài báo thì
lượng CO đạt giá trị cao nhất 16,5% ứng với lượng không
khí cấp vào bằng 40% lượng không khí cần thiết cho quá
trình oxy hóa hoàn toàn nhiên liệu.
Hình 4. Quan hệ giữa lượng không khí cấp vào
và hàm lượng CO trong khí tạo thành
4. Kết luận
Biomass nói chung và mùn cưa nó riêng là một nguồn
năng lượng tái tạo rất có tiềm năng trên thế giới cũng như Việt
Nam. Một trong các công nghệ có tính ứng dụng cao là hóa
khí trong đó có hóa khí tầng sôi. Từ kết quả nghiên cứu có thể
thấy rằng nhiệt độ, phân bố nhiệt độ trong lò hóa khí tỉ lệ thuận
với lượng không khí cấp vào lò hóa khí. Các kết quả nghiên
cứu ảnh hưởng của lượng không khí cấp vào đến nồng độ CO
trong khí tạo thành chỉ ra rằng lượng khí CO tăng từ 12,8%
đến 16,5% khi lượng không khí cấp vào tăng từ 10% đến 40%.
Nếu chỉ xét riêng thành phần CO thì lượng không khí cấp vào
tốt nhất nên >30%. Quan hệ giữa lượng không khí cấp vào
đến lượng CO trong khí tạo thành khi lượng không khí cấp
vào lớn hơn 40% cũng như quan hệ giữa lượng không khí cấp
vào đến các thành phần cháy khác sẽ được tác giả tiếp tục
nghiên cứu và trình bày trong các bài báo sau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu quá trình hóa khí mùn cưa trong tầng
sôi”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 9(106),
2016, trang 33-35.
[2] X. T. Li, J.R. Grace, C. J. Lim, A. P. Watkinson, H.P. Chen, J. R. Kim, “Biomass gasification in a circulating fluidized bed”, Elsevier
– Biomass and Bioenergy 26 (20014), pp. 71-193.
[3] F. Vidian, H. Basri, A. Surjosatyo, “Experimental on sawdust
gasification using open top downdraft gasifier incorparated with internal combustion engine”, ARPN Journal of Engineering and
Applied Sciences, Vol 12, No. 4, 2017.
[4] A. P. G. Peres, B.H. Lunelli, R.M. Fllho, “Application of Biomass to hydrogen and syngas products”, Chemical Engineering
Transactions, Vol 32, 2013.
[5] F.Y. Shake, Gasification of sawdust in a fluidized bed, Master
Thesis, University of Canterbury, Canada, 1982.
[6] Hoàng Ngọc Đồng, Lý thuyết cháy.
[7] Prabir Basu, Combustion and gasification in fluid beds, Taylor & Francis Group, LLC, 2006.
[8] Christopher Higman, Maanrten Van der Burgt, Gasification, GP
Press, 2007.
[9] Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lò hóa khí phục vụ
nghiên cứu, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 5, 2014, trang 87-90.
[10] Don J. Stevens, Hot gas Conditioning: Recent progress with larger-Scale
Biomass Gasification Systems, Pacific Northwest National Laboratory.
(BBT nhận bài: 31/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 08/09/2017)
58 Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Thanh Hội
TỔNG HỢP HYDROGEL TỪ α-CYCLODEXTRIN KẾT HỢP VỚI AXIT FOLIC
VÀ POLY(ETHYLENE GLYCOL) METHYL ETHER,
ỨNG DỤNG LÀM CHẤT MANG THUỐC ĐIỀU TRỊ UNG THƯ
SYNTHESIS OF HYDROGEL BASED ON α-CYCLODEXTRIN CONJUGATED WITH FOLIC
ACID AND POLY (ETHYLENE GLYCOL) METHYL ETHER APPLIED AS DRUG CARRIER
FOR CANCER TREATMENT
Trương Lê Bích Trâm1, Nguyễn Thanh Hội2 1Đại học Đà Nẵng; [email protected]
2Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt - Trong nghiên cứu này, một loại chất mang thuốc mới được tạo thành bằng cách sử dụng axit folic liên kết đồng hóa trị vào mạng lưới hydrogel siêu phân tử. Trong đó, axit folic được liên kết với α-CD tạo thành α-CD-FA và sau đó tạo hydrogel siêu phân tử với Poly (ethylene glycol) methyl ether trong môi trường nước. Cấu trúc của hydrogel siêu phân tử, động học của gel hóa, độ bền cơ học, tính chất trượt dính mỏng và tính xúc biến đã được khảo sát bằng phương pháp phân tích phổ 1H NMR, phương pháp nhiễu xạ tia X (WAXD) và phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) nhiều hàm lượng khác nhau của MPEG và α-CD-FA. Đồng thời, khả năng sử dụng hydrogel này làm chất mang thuốc trong tiêm chích thông qua kim tiêm cũng được nghiên cứu. Từ việc thử nghiệm in vitro và xét nghiệm khả năng tế bào, nhận thấy rằng vật liệu hydrogel này có tiềm năng rất lớn để hoạt động như một chất mang trong việc đóng gói và giải phóng lâu dài thuốc doxorubicin hydrochloride (Dox) qua đường tiêm chích.
Abstract - In this study, a new drug carrier obtained by using folic acid (FA) covalently incorporated into a supramolecular hydrogel network. For this attempt, FA is first conjugated with α-Cyclodextrin (α-CD) to form α-CD-FA and then used to interact with Poly(ethylene glycol) methyl ether (MPEG) in an aqueous solution. The formation of the supramolecular hydrogel, its gelation kinetics, mechanical strength, shear-thinning behavior and thixotropic response are investigated using nuclear magnetic resonance (1H NMR), wide angle X-ray diffraction (WAXD), Fourier-transform infrared (FT-IR) and rheological measurements with respect to the effects of MPEG and α-CD-FA amounts. Meanwhile, the possibility of using this hydrogel matrix for an injectable drug delivery system is also explored. From in vitro release and cell viability tests, it is found that the resultant hydrogel material has a great potential to act as an injectable matrix for the encapsulation and sustained release of the modelled drug, doxorubicin hydrochloride (Dox).
Từ khóa - hydrogel; chất mang thuốc; α-Cyclodextrin; axit folic; Poly(ethylene glycol) methyl ether
Key words - hydrogel; drug carrier; α-Cyclodextrin; folic acid; Poly(ethylene glycol) methyl ether
1. Đặt vấn đề
Gần đây, nhiều nhà khoa học chú ý đến phương pháp
chế tạo ra các chất dùng để mang thuốc điều trị đưa thuốc
trực tiếp đến tế bào ung thư nhằm giảm bớt ảnh hưởng đến
những tế bào sống khác, giúp bệnh nhân giữ được sức đề
kháng tốt [1-3]. Đây là một hướng nghiên cứu mới ở cả
Việt Nam và thế giới về vấn đề nâng cao hiệu quả trong
điều trị ung thư bằng phương pháp sử dụng chất mang. Các
nghiên cứu này đã đánh giá tính khả thi của vật liệu về vấn
đề an toàn và hiệu quả để áp dụng lâm sàng trong các lĩnh
vực y sinh học và dược phẩm. Trong đó, các vật liệu là
phức của CD kết hợp với polymer như hydrogel,
nano/microparticles và mixen, thường xuyên được nghiên
cứu và ứng dụng trong dược phẩm và y sinh học dựa vào
khả năng giải phóng thuốc kéo dài và đúng mục tiêu của
các chất hoạt tính sinh học.
Trong những năm gần đây, hydrogel siêu phân tử đã thu
hút được sự chú ý đáng kể vì các ứng dụng tiềm năng trong
phân phối thuốc và kĩ thuật mô [4-6]. Việc thiết kế và điều
chế hệ thống hydrogel siêu phân tử dưới dạng tương tác
chủ thể - khách thể đã được nghiên cứu rộng rãi. Trong số
tất cả các loại hydrogel, các hydrogel siêu phân tử được tạo
thành từ phức hợp giữa chủ thể α-CD và các khách thể
polyme khác nhau đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa
học ngày càng tăng trong những năm gần đây, ví dụ như:
Li và cộng sự [7] đã nghiên cứu sử dụng poly (ethylene
oxide) và α-CD để tạo thành các chất hydrogel siêu phân
tử cho các hệ thống dẫn truyền thuốc tiêm; Wang và cộng
sự [8] đã nghiên cứu sử dụng α-CD và block copolymer
poly (ethylene oxide) -b -poly (ε-caprolacton) để tổng hợp
các hydrogel siêu phân tử cho các phân phối cục bộ
erythropoietin tái tổ hợp của người trong cơ tim ổn định;
Ma và cộng sự [9] đã nghiên cứu sử dụng liên hợp MPEG-
heparin và α-CD để chế tạo chất hydrogel siêu phân tử có
hoạt tính sinh học phân phối và kiểm soát thuốc kép;
Zhu và cộng sự [10] đã dùng các hạt nano block copolymer
có chứa cisplatin và α-CD để thu được những chất hydrogel
siêu phân tử với tính chất dẫn truyền từng bước trong điều
trị ung thư.
Mặc dù phức chất của hydrogel siêu phân tử với
cyclodextrin có vai trò như chất mang với nhiều tính chất
hấp dẫn trong việc giải phóng các thuốc điều trị có dược
tính cao, chỉ số điều trị thấp và tính chất hóa lý kém nhưng
không thể được sử dụng cho các loại thuốc có hoạt tính tại
chỗ bởi nó có tác động như nhau đến các khối u cũng như
tế bào lành. Vì vậy, để tạo ra phức của cyclodextrin như hệ
dẫn truyền thuốc đúng mục tiêu, thì siêu phân tử cần có cấu
trúc của oligosaccharide chức hóa với peptide, hormones,
vitamin, các mảnh kháng thể, … Axit folic là một loại
vitamin nhỏ và có thể tương tác riêng với các folate protein
(FBP) nằm trong ống caveolae trên bề mặt tế bào tiếp nhận
[10, 11]. Khi tương tác tiếp nhận, các phức hợp folate axít-
FBP được thu nhận bởi các tế bào và di chuyển qua nhiều
bào quan bao gồm vận chuyển endocytotic cung cấp cho
chất dịch bào tương tích tụ. [12]. Các thụ thể axit folic được
biểu hiện tập trung bởi nhiều loại tế bào ung thư bao gồm
Tóm tắt - Hiện nay, nghiên cứu đặc tính khởi động đang được quan tâm và mang tính thời sự bởi nó quyết định đến sự phổ biến của LSPMSM. Mô hình toán của LSPMSM viết theo hệ tọa độ d, q thường được sử dụng để mô phỏng các đặc tính của động cơ, tuy nhiên, trong quá trình khởi động xuất hiện hiện tượng bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài nhưng các yếu tố này lại chưa được xét tổng hợp hoặc chỉ được xét một cách riêng rẽ trong mô hình khi nghiên cứu LSPMSM. Vì vậy, bài báo đề xuất nghiên cứu mô hình LSPMSM có xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài, trong đó, các thông số của động cơ được hiệu chỉnh là các đại lượng phi tuyến. Để đánh giá sự chính xác của mô hình đề xuất, bên cạnh so sánh kết quả với phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), bài báo cũng tiến hành thực nghiệm một LSPMSM 3 pha, 2,2 kW thực tế, các kết quả kiểm nghiệm đều khẳng định sự chính xác của mô hình đưa ra.
Abstract - Now, the LSPMSM’s start characteristics, which play an important role in LSPMSM popularity, are still under consideration. A LSPMSM’s model in the d-q reference frame is often used to simulate LSPMSM’s start characteristics. During run-up period, the phenomena of saturation and skin effect occur but these have not been taken into account for the model. Hence, a LSPMSM’s modified model considering saturation and skin effect is proposed in this paper. Here, LSPMSM’s parameters are nonlinear. For evaluating the accuracy of the proposed model, LSPMSM’s start characteristics simulated by the model will be compared with the results of finite element analysis and a 3 phase 2.2 kW prototype LSPMSM. All results are in good agreement.
Từ khóa - động cơ; động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp; nam châm vĩnh cửu; bão hòa mạch từ; hiệu ứng mặt ngoài.
Key words - motors; permanent magnet synchronous motors; line start; permanent magnet; magnetic saturation; skin effect.
1. Đặt vấn đề
Honsinger [1] nghiên cứu mô hình toán động cơ điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp
(LSPMSM) được viết theo hệ tọa độ d, q với các tham số
đầu vào là điện áp, điện cảm, điện trở stato và rôto, từ thông
do nam châm vĩnh cửu (NCVC) sinh ra, … Do công nghệ
tính toán thời điểm này chưa phát triển nên Honsinger
không trực tiếp mô phỏng đặc tính LSPMSM mà thông qua
mô hình toán, Honsinger xây dựng các phương trình mô-
men không đồng bộ (mô-men lồng sóc) và mô-men cản
dưới dạng giải tích.
Hiện nay, mô hình toán LSPMSM được viết theo hệ tọa
độ d, q do Honsinger đề xuất vẫn được ứng dụng phổ biến
để mô phỏng các đặc tính của động cơ [2], [3], [4]… Trong
đó, các thông số động cơ thường được xét ở dạng hằng số.
Trong quá trình khởi động, dòng khởi động lớn dẫn đến
hiện tượng bão hòa trong mạch từ [5], bên cạnh đó còn xuất
hiện hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài [6] đối với các động
cơ có rôto lồng sóc (LSPMSM có cấu trúc này), nhưng các
yếu tố trên lại chưa được xét tổng hợp hoặc chỉ được xét
một cách riêng rẽ khi nghiên cứu LSPMSM [6].
Đối với ảnh hưởng của bão hòa mạch từ: Trong quá
trình khởi động, do bão hòa mạch từ, các thông số Lmd, Lmq
phải được xét là các đại lượng phi tuyến [5]. Do ảnh hưởng
của bão hòa mạch từ trong quá trình khởi động, tương tự
SCIM, thông số điện kháng tản stato, rôto x1, x’2 cũng bị
tác động và cũng phải được xét là đại lượng phi tuyến [7].
Đối với ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài:
LSPMSM kết cấu rôto lồng sóc, trong quá trình khởi động
phải xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài, vì vậy
các thông số điện trở và điện kháng tản rôto phải được xét
là các đại lượng phi tuyến và là hàm của hệ số trượt s [6].
Để tổng hợp các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình
khởi động, bài báo đề xuất nghiên cứu LSPMSM với mô
hình toán được hiệu chỉnh. Trong đó, các thông số trong
mô hình được xét là các đại lượng phi tuyến và là hàm của
các biến phụ thuộc trạng thái bão hòa mạch từ, hiệu ứng
mặt ngoài, nhằm đảm bảo chính xác kết quả mô phỏng.
Trong nghiên cứu, bài báo thử nghiệm với LSPMSM 3
pha, 2,2 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút, được cải tạo từ SCIM
(SCIM chủng loại 3K112-S4 của Công ty Cổ phần Chế tạo
Điện cơ Hà Nội) với cấu trúc stato giữ nguyên, rôto được
hiệu chỉnh bằng cách gắn các khối NCVC NdFeB-N35
trong lõi thép. Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động của
LSPMSM từ mô hình toán hiệu chỉnh sẽ được so sánh với
kết quả mô phỏng từ phần mềm Ansys/Maxwell 2D ứng
dụng phương pháp PTHH và với kết quả đo lường thực tế
LSPMSM mẫu thử để kiểm nghiệm mô hình đề xuất.
2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát
2.1. Mô hình toán của LSPMSM do Honsinger đề xuất
Mô hình LSPMSM do Honsinger đề xuất viết theo hệ
tọa độ d, q như sau [1]:
Phương trình điện từ:
64 Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn
' '
1
' ' '
1
' ' '
' ' '
.i .( .i .i ) .(L .i L .i )
. .( . . ) .(L .i L .i )
. .( . .i ) 0
. ( . .i ) 0
ds
qs
ds ds ds md dr r qs qs mq qr
qs qs qs mq qr r ds ds md dr m
dr dr dr dr dr md ds
qr qr qr qr qr mq qs
u r p L L
u r i p L i L i
u r i p L i L
u r i p L i L
(1)
Phương trình điện cơ:
' ' '
e
3. . . . . . . ( ). .
2 2
. ( . )2.
e md dr qs mq qr ds m qs md mq ds qs
r c r
pM L i i L i i i L L i i
Pp M M F
J
(2)
Sơ đồ mạch điện thay thế dọc trục và ngang trục của
LSPMSM thỏa mãn các phương trình điện áp và từ thông
trong mô hình toán (1)÷(2) được thể hiện ở Hình 1và Hình
2, trong đó, để mô hình hóa, thay thế ’m = Lrc.i’m, Lrc là
điện kháng giả tưởng NCVC [9], i’m là dòng từ hóa tương
đương quy đổi sang stato của NCVC:
r1
ids
Llsr.qs
Lmd
Llr’ rdr’
idr’
im’uds
Lrc
udr’=0
Hình 1. Sơ đồ mạch điện thay thế trục d (nguồn [9])
r1
iqs
Llsr.ds
Lmq
Llr’
iqr’
uqs
rqr’
uqr’=0
Hình 2. Sơ đồ mạch điện thay thế trục q (nguồn [9])
2.2. Ảnh hưởng của bão hòa mạch từ đến điện cảm từ
hóa đồng bộ dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq
2.2.1. Ảnh hưởng của bão hòa mạch từ đến điện cảm từ
hóa đồng bộ ngang trục Lmq
Trong quá trình khởi động, dòng khởi động lớn dẫn đến
bão hòa mạch từ trong lõi thép của LSPMSM. Do ảnh
hưởng của bão hòa mạch từ, điện kháng đồng bộ ngang trục
phải được xét là đại lượng phi tuyến phụ thuộc vào trạng
thái bão hòa của động cơ và là hàm của dòng ngang trục
iqs, Lmq=f(iqs) [5].
Hình 3. Cấu tạo LSPMSM 3 pha, 2,2 kW
Đối với LSPMSM 3 pha, 2,2 kW thử nghiệm tại Hình
3, đặc tính Lmq=f(iqs) được xác định bằng phần mềm
Ansys/Maxwell 2D ứng dụng phương pháp PTHH như
Hình 4 [5]:
Hình 4. Đặc tính Lmq=f(iqs) tính toán với phương pháp PTHH
Bảng 1. Kết quả tính toán đặc tính Lmq=f(iqs) với
phương pháp PTHH
Dòng iqs (A) Lmq (H)
1 0,2414
3 0,2167
7 0,1264
15 0,0723
30 0,0416
40 0,0328
50 0,0272
2.2.2. Ảnh hưởng của bão hòa mạch từ đến điện cảm từ
hóa đồng bộ dọc trục Lmq
Tương tự điện cảm đồng bộ ngang trục, trong quá trình
khởi động, điện cảm đồng bộ dọc trục cũng phải xét là đại
lượng phi tuyến và là hàm của dòng ids, Lmd=f(ids). Sử dụng
Ansys/Maxwell 2D, xác định đặc tính Lmd=f(ids) của
LSPMSM 3 pha, 2,2 kW thử nghiệm như Hình 5.
Hình 5. Đặc tính Lmd=f(ids) tính toán với phương pháp PTHH
Bảng 2. Kết quả tính toán đặc tính Lmd=f(ids) với
phương pháp PTHH
Dòng ids (A) Lmd (H)
1 0,10493
3 0,07534
7 0,06344
15 0,05266
30 0,03851
40 0,03136
50 0,02646
2.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài đến điện trở và
điện kháng tản rôto, r’2, x’2
LSPMSM là động cơ có rôto lồng sóc, vì thế, quá trình
khởi động phải xét đến ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Dßng ®iÖn iqs (A)
Lm
q (
H)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
Dßng ®iÖn ids (A)
Lm
d (
H)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 65
mặt ngoài. Khi đó điện cảm và điện trở rôto được xác định
là hàm của độ trượt s [6].
Điện kháng tản rôto được xác định theo hàm:
x’2 = x’r0 + x’r2.kL(s) (3)
Điện trở rôto được xác định theo hàm:
' ' '
2 . (s)rv rtd Rr r r k (4)
Trong đó, kL(s), kR(s) lần lượt là hệ số hiệu ứng mặt
ngoài điện kháng tản và hệ số hiệu ứng mặt ngoài điện trở
phụ thuộc độ trượt s.
2.4. Ảnh hưởng bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài
đến điện kháng tản stato, rôto x1, x’2
Trong quá trình khởi động, tương tự SCIM giả thiết:
Thông số điện kháng tản stato và rôto x1, x’2 do bão hòa mạch
từ gây ra giảm tỷ lệ bậc nhất với dòng điện khởi động [7].
Như vậy, xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ, điện cảm
tản stato được xác định như sau:
1 10 ® 1
( ).s s m bhx
x x I I k (5)
Trong đó, x10 là thành phần điện kháng tản hằng số
không phụ thuộc vào trạng thái bão hòa mạch từ; Is, Isđm
tương ứng là thành phần dòng stato tức thời và định mức
stato; kbhx1 là hệ số bão hòa đặc tính điện kháng tản stato.
Đối với điện cảm tản rôto, trong quá trình khởi động,
ngoài ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài (3) còn chịu ảnh
hưởng của bão hòa mạch từ [7]. Như vậy, điện kháng tản
rôto được xác định:
2 0 2 ® 2 20' ' ' . (s) ( ). '
r r L s s m bhx bhx x x k I I k x
(6)
Trong đó, x’r0 là thành phần điện kháng hằng số rôto
quy đổi không chịu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài,
x’r2 là thành phần điện kháng tản rãnh rôto quy đổi, kbhx2 là
hệ số bão hòa đặc tính điện kháng tản rôto, x’20bh là đại
lượng điện kháng hằng số.
2.5. Mô hình toán của LSPMSM khi xét bão hòa mạch
từ và hiệu ứng mặt ngoài
Khi xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng
mặt ngoài, các thông số của LSPMSM trong quá trình khởi
động được xác định:
- Điện cảm từ hóa dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq: Như
Bảng 1, 2.
- Điện trở rôto:
' ' '
2 . (s)rv rtd Rr r r k
- Điện kháng tản rôto:
2 0 2 ® 2 20' ' ' . (s) ( ). '
r r L s s m bhx bhx x x k I I k x
- Điện kháng tản stato:
1 10 ® 1
( ).s s m bhx
x x I I k
Áp dụng kết quả tính toán cho LSPMSM thử nghiệm 3
pha, 2,2 kW, các thông số được xác định cụ thể ở Bảng 3.
Bảng 3. Thông số LSPMSM 3 pha, 2,2 kW
xét hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa mạch từ
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện trở stato r1=3,6
Điện trở lồng sóc
rôto quy đổi '
2 ' ' 0,72 1,39. (s)qr dr Rr r r k
Điện cảm tản stato 13,25 0,0426.ls sL I mH
Điện cảm tản lồng
sóc rôto quy đổi
lr L sL' 6,604 5,11.k (s) 0,112.I mH
Điện cảm từ hóa
đồng bộ dọc trục Tra bảng 1Lmd = f(ids) mH
Điện cảm từ hóa
đồng bộ ngang trục Tra bảng 2Lmq = f(iqs) mH
Sức điện động cảm
ứng NCVC E0=118 V
Vậy, mô hình toán LSPSM khi xét ảnh hưởng của bão
hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài được hiệu chỉnh:
Phương trình điện từ: ' '
1 s ds ds
'
s qs qs
'
1 s qs qs
' '
s ds ds
'
2
.i .[( (I ) (i )) (i ). ]
.[( (I ) (i )) (i ). ]
. .([ (I ) (i )] (i ). )
.[( (I ) (i )) (i ). ]
(s)
ds
qr
qs qr
ds ls md ds md dr m
r ls mq qs mq
qs ls mq qs mq
r ls md ds md dr m
dr
u r p L L i L i
L L i L i
u r i p L L i L i
L L i L i
u r
'
ds'
' ' '
s
' ' ' ' '
s ds
(i ).( ). . 0
(I ,s).
(s). . (I ,s). (i ).( ) 0
dr
qr
md ds
dr
lr dr m
qr r qr lr qr mq qs
L i ii p
L i
u r i p L i L i i
(7)
Phương trình điện cơ:
' '
'
e
(i ). . (i ). .3. .
2 2 . ( (i ) (i )). .
. ( . )2.
md ds dr qs mq qs qr ds
e
m qs md ds mq qs ds qs
r c r
L i i L i ipM
i L L i i
Pp M M F
J
(8)
Sơ đồ mạch điện thay thế dọc trục, ngang trục khi xét
ảnh hưởng bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài:
r1
ids
Llsr.qs
Lmd
Llr’
rdr’
idr’
im’uds
Lrc
udr’=0
Hình 6. Sơ đồ mạch điện thay thế trục d hiệu chỉnh
r1
iqs
Llsr.ds
Lmq
Llr’
iqr’uqs
rqr’
uqr’=0
Hình 7. Sơ đồ mạch điện thay thế trục q hiệu chỉnh
2.6. Kết quả mô phỏng LSPMSM khi xét đến ảnh hưởng
hiệu ứng mặt ngoài
Sử dụng MATLAB/Simulink mô phỏng mô hình toán
hiệu chỉnh (7), (8) của LSPMSM, trong đó có xét đến bão
66 Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn
hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài. Kết quả mô phỏng sẽ
được so sánh với:
- Kết quả mô phỏng từ phần mềm Ansys/Maxwell 2D
ứng dụng phương pháp PTHH.
- Kết quả đo lường từ LSPMSM thử nghiệm.
Trong đó, LSPMSM thí nghiệm 3 pha, 2,2 kW có cấu
tạo như Hình 3, các thông số được xác định tại Bảng 3.
2.6.1. Kết quả mô phỏng từ mô hình và với phần mềm
Ansys/Maxwell 2D
Mô phỏng LSPMSM ở các điều kiện, J=JR, mô-men tải
đặt vào trục động cơ bằng mô-men định mức, MC=14 N.m.
Kết quả mô phỏng như sau:
Hình 8. Đặc tính tốc độ khởi động từ mô phỏng mô hình với
Matlab và Maxwell 2D
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
Matlab
Maxwell
Thời gian (s)
Mô
men
(N
.m)
Hình 9. Đặc tính mô-men khởi động từ mô phỏng mô hình với
Matlab và Maxwell 2D
Các đặc tính khởi động thu được từ phương pháp mô
phỏng mô hình toán hiệu chỉnh với Matlab và phương pháp
PTHH với Ansys/Maxwell 2D là tương đồng nhau, cả 2
phương pháp có cho đường đặc tính tốc độ sẽ mất 0,5s để
đi vào đồng bộ, để đạt đến tốc độ đồng bộ
(1.500 vòng/phút) lần đầu LSPMSM trải qua 5 lần giảm tốc.
2.6.2. Kết quả mô phỏng từ mô hình với Matlab và thực nghiệm
Bài báo tiến hành đo lường kiểm nghiệm trên mô hình
LSPMSM thí nghiệm 2,2 kW thực tế. LSPMSM được khảo
sát ở chế độ không tải. Kết quả mô phỏng như Hình 10-13.
Kết quả đặc tính tốc độ, dòng khởi động của LSPMSM
2,2 kW thu được từ mô phỏng mô hình và đo lường thực tế
tại chế độ không tải của động cơ là tương đồng nhau, sự sai
khác ở đây có thể do một số nguyên nhân như phương pháp
đo, thiết bị đo, công nghệ chế tạo, nạp từ nam châm vĩnh
cửu, quá trình cân chỉnh trong lắp đặt, tuy nhiên, các sai số
này là trong giới hạn cho phép và chấp nhận được. Với kết
quả thực nghiệm trên, khẳng định mô hình toán LSPMSM
hiệu chỉnh là phù hợp với thực tế vận hành của động cơ.
LSPMSM
Gối đỡ
Encoder
Hình 10. LSPMSM 3 pha, 2,2 kW thí nghiệm
Hình 11. Đo lường LSPSM 2,2 kW thí nghiệm
Hình 12. Đặc tính dòng điện khởi động mô phỏng mô hình với
Matlab và đo lường
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Mô phỏng
Đo lường
Thời gian (s)
Tốc
độ
(vò
ng/
ph
út)
Hình 13. Đặc tính mô-men khởi động mô phỏng mô hình với
Matlab và đo lường
3. Kết luận
Quá trình khởi động của LPSMSM chịu ảnh hưởng lớn
nhất là bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài. Các nghiên
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Thêi gian (s)
Tè
c ®
é (
Vß
ng
/ph
ót)
Matlab
Maxwell
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Thêi gian (s)
Dß
ng
®iÖ
n (
A)
M« pháng
§o lêng
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 67
cứu trước đây thường xét các ảnh hưởng trên một cách độc
lập, như nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài [6].
Kết quả thu được từ các nghiên cứu đã từng bước làm cho
kết quả đặc tính khởi động thu được từ mô phỏng mô hình
toán LSPMSM chính xác với thực tế hơn, phần nào giúp
người thiết kế điều chỉnh để cải thiện đặc tính khởi động.
Tuy nhiên, để có đặc tính LSPMSM chính xác nhất, phản
ánh đúng quá trình khởi động đòi hỏi phải xét tổng hợp của
các ảnh hưởng bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài. Bài
báo đã đề xuất mô hình toán LSPMSM hiệu chỉnh có xét
đến đến bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài, trong đó,
các thông số là các đại lượng phi tuyến và là hàm của các
biến trạng thái vận hành của động cơ.
Kết quả mô phỏng từ mô hình toán hiệu chỉnh được so
sánh với kết quả thu được từ phần mềm Ansys/Maxwell 2D
và đo lường thực tế ở chế độ đầy tải và không tải tương
ứng. Sự tương đồng trong các đặc tính khởi động thu được
khẳng định sự chính xác của mô hình hiệu chỉnh đề xuất.
Kết quả mô hình toán và mô phỏng từ bài báo sẽ giúp
ích rất nhiều cho các nhà thiết kế trong đánh giá đặc tính
khởi động của LSPMSM, đồng thời có thể đưa ra các quyết
định điều chỉnh phù hợp trước khi chế tạo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] V.B. Honsinger, “Permanent Magnet Machines: Asychronous
Operation”, IEEE Transaction on Power Appratus ans Systems, Vol.
PAS-99, No. 4, 1980.
[2] V. Elistratova, M. Hecquet, P. Brochet, D. Vizireanu, M. Dessoude,
Analytical Approach for Optimal Design of a Line-Start Internal
Permanent Magnet Synchronous Motor, 15th European Conference
on Power Electronics and Applications (EPE), 2013, pp. 1-7.
[3] A. Takahashi, S. Kikuchi, K. Miyata, S. Wakui, H. Mikami, K. Ide,
A. Binder, Transient-Torque Analysis for Line-Starting Permanent-
Magnet Synchronous Motors, IEEE 18 th International Conference
on Electrical Machines, 2008, pp. 1-6.
[4] M. H. Soreshjani, A. Sadoughi, “Conceptual Comparison of Line-
Start Permanent Magnet Synchronous and Induction Machines for Line-Fed of Different Conditions”, Journal of World’s Electrical
Engineering and Technology, Issn: 2322-5114, 2014.
[5] Le Anh Tuan, Bui Duc Hung, Phung Anh Tuan, Saturable q-axis
magnetizing inductance calculation of Line Start-Permanent Magnet Synchronous Motors using Lumped Parameter Model, IEEE
International Conference on Sustainable Energy Technologies
(ICSET), 2016, pp. 906 - 911.
[6] Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn, Bùi Minh Định,
“Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài và giải pháp nâng cao chất lượng khởi động của động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu khởi động trực tiếp”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại
học Đà Nẵng, số 1-2017, 2017, trang 70-74.
[7] Bùi Đức Hùng, Luận án nghiên cứu quá trình động khởi động động
cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, 1998, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[8] D. Stoia, M. Cernat, A. A. Jimoh, D. V. Nicolae, Analytical Design
and Analysis of Line Starting Permanent Magnet Synchronous
Motors, IEEE Africon’09, 2009, pp.1-7.
[9] Chee-Mun Ong, Dynamic Simulation of Electric Machinery using
MATLAB/Simulink, Prentice Hall PTR, 1998, pp. 1-7.
(BBT nhận bài: 28/06/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 01/08/2017)
Tóm tắt - Ô nhiễm rác thải sinh hoạt ở khu vực nông thôn và miền núi đang ngày càng nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và đời sống của người dân. Việc nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo một mô hình lò đốt rác quy mô hộ gia đình là cấp thiết để giải quyết một phần vấn đề ô nhiễm rác thải ở vùng nông thôn. Bài báo đã phân tích đánh giá hiện trạng ô nhiễm rác thải ở nông thôn, các phương pháp xử lý hiện nay. Từ các cơ sở lý thuyết, tác giả đề xuất một mô hình lò đốt rác gồm buồng đốt và buồng sấy nhằm sấy rác trước khi đốt trong lò. Để đánh giá khả năng làm việc của mô hình đề xuất, các tác giả đã tính toán, thiết kế và xây dựng một mô hình lò đốt rác với công suất 15 kg/h. Từ mô hình thực nghiệm, các tác giả đã tiến hành đánh giá các kết quả thực nghiệm. Các kết quả ban đầu thu được là rất khả quan với nhiệt độ buồng đốt có thể đạt 840°C; độ ẩm của rác sau khi sấy 30 phút giảm từ 32% xuống còn 24%.
Abstract - Contamination of domestic waste in rural and mountainous areas of Vietnam is increasingly serious, affecting the health and well-being of people. It is imperative to study the design and calculation of an incinerator model for households in order to solve problems of waste pollution in rural areas. The aim of this paper is to propose an incinerator model for households in rural area with low costs, easy operation and implementation. The novel model has a waste drying chamber that helps to reduce the humidity of the waste. To assess the viability of the proposed model, the authors have calculated, designed and constructed a model of incinerator with a capacity of 15 kg/h. The experimental results show that the temperature of combustion chamber can reach 824°C; the moisture content of the garbage can be reduced from from 32% to 24% after 30 minutes of drying in the chamber.
Từ khóa - rác thải sinh hoạt; lò đốt rác; buồng đốt; xử lý rác; hộ gia đình.
Key words - domestic waste; incinerator; chamber; waste treatment; household.
1. Đặt vấn đề
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp
nông thôn ở nước ta hiện nay đã và đang trở thành một xu
thế phát triển tất yếu. Tuy nhiên, quá trình này cũng đã tạo
ra những mặt trái, đó là tình trạng ô nhiễm môi trường do
rác thải sinh hoạt, công và nông nghiệp ngày càng nghiêm
trọng. Ở các thành phố lớn, rác thải sinh hoạt được thu gom
và xử lý liên tục, nên vấn đề ô nhiễm do rác thải được giải
quyết khá tốt. Tuy nhiên, ở các vùng nông thôn thì việc quy
hoạch, quản lý và xử lý rác thải còn rất nhiều vấn đề bất
cập cần được nghiên cứu giải quyết.
Rác thải ở các vùng nông thôn chủ yếu là rác thải sinh
hoạt và rác thải nông nghiệp. Theo báo cáo hiện trạng môi
trường quốc gia giai đoạn 2011-2015 của Bộ Tài nguyên
và Môi trường, khu vực nông thôn ở nước ta phát sinh
khoảng 31.000 tấn rác thải sinh hoạt mỗi ngày. Cùng với
đó, mỗi năm có khoảng 14.000 tấn rác thải nông nghiệp
nguy hại (bao bì, chai, lọ của thuốc bảo vệ thực vật, phân
bón) [1]. Vì lượng rác thải phát sinh ngày càng lớn nhưng
lại không được thu gom và xử lý tập trung. Thêm vào đó,
do ý thức tham gia bảo vệ môi trường của người nông dân
chưa cao nên rác thải thường được đổ tự do ra rìa đường,
đồng ruộng, mương rãnh hoặc sông, suối gây mất mỹ quan
và ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí ngày càng
trầm trọng, gây ảnh hưởng xấu đến đời sống sức khỏe của
cộng đồng dân cư.
Để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải ở
các vùng nông thôn, đã có nhiều giải pháp được đưa ra, từ
việc quản lý, quy hoạch đến đề xuất công nghệ xử lý rác thải.
Hiện nay, theo quy định của Nhà nước, chi phí để xử lý 1 tấn
rác ở vùng nông thôn là 8.000 đồng, thấp hơn rất nhiều so
với 27.200 đồng để xử lý rác theo công nghệ tiêu chuẩn [2].
Chính vì thế, việc xử lý rác thải sinh hoạt ở vùng nông thôn
hiện nay chủ yếu vẫn được thực hiện dưới 2 hình thức, đó là
chôn lấp hoặc dùng lò đốt thủ công với chi phí đầu tư thấp.
Tuy nhiên, ở nhiều nơi, giải pháp chôn lấp không còn đáp
ứng, thậm chí còn gây ô nhiễm trầm trọng hơn.
Hình 1. Rác thải ngập đường làng nông thôn
Do chi phí đầu tư hợp lý và vận hành khá đơn giản nên
gần đây một số địa phương đã đầu tư và lắp đặt các lò đốt
có công suất vừa và nhỏ, phục vụ xử lý chất thải rắn cho
khu vực nông thôn ở quy mô liên xã. Theo ước tính, cả
nước hiện có khoảng 100 lò đốt rác thải sinh hoạt, đa số là
các lò đốt cỡ nhỏ, công suất dưới 500 kg/giờ [2]. Các thông
số chi tiết về tính năng kỹ thuật khác của lò đốt chưa được
thống kê đầy đủ [2]. Tỉnh Ninh Bình đã nghiên cứu và đưa
vào sử dụng lò đốt rác Losiho 500 với công suất đốt
500 kg/h để phục vụ xử lý rác cho 3 xã trong tỉnh [3].
Tương tự, tỉnh Bắc Giang cũng đã đầu tư lắp đặt lò đốt rác
NFI Nhật Bản, công suất 400 kg/h để xử lý rác cho 4 xã
trong tỉnh [4]. Hầu hết các lò đốt rác được đầu tư cho quy
mô liên xã và đã bước đầu giải quyết được một phần rác
thải ở một số khu vực nông thôn. Tuy nhiên, nhược điểm
của việc sử dụng các loại lò này là chi phí đầu tư ban đầu
khá cao (khoảng 2 – 4 tỉ đồng), cần có mặt bằng lớn để lắp
đặt và xây bãi rác tập trung. Thêm vào đó, chi phí vận hành
cũng rất lớn, do cần phải có nguồn lực để thu gom, phân
loại rác thải và vận hành lò đốt. Do đó, rất khó để ứng dụng
rộng rãi các mô hình lò đốt rác này. Chính vì thế, trong bài
báo này, tác giả đề xuất nghiên cứu thiết kế lò đốt rác mini
quy mô hộ gia đình với chi phí rẻ hơn, dễ vận hành, có khả
Tóm tắt - Bài báo này nghiên cứu mô hình giá điện và phương pháp giải quyết tắc nghẽn truyền tải cho thị trường điện bán buôn cạnh tranh. Phương pháp giá điện nút được lựa chọn như là mô hình hiệu quả, minh bạch, kích thích cạnh tranh trong thị trường điện bán buôn. Hai phương pháp giải quyết tắc nghẽn truyền tải dựa trên tái điều độ các nguồn phát, dựa trên cực tiểu tổng chi phí trong vận hành và lắp đặt đường dây mới trong quy hoạch dài hạn cho thấy sự hiệu quả về kinh tế lẫn kỹ thuật. Áp dụng mô phỏng cho thị trường điện giá nút cho lưới điện mẫu IEEE 14 nút trên phần mềm Power World Simulator V.17. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của mô hình giá điện nút phản ảnh đúng trạng thái khi vận hành thị trường, và phương pháp giải quyết tắc nghẽn đảm bảo thị trường điện vận hành ổn định, có thể sử dụng cho thị trường điện bán buôn cạnh tranh Việt Nam trong tương lai gần.
Abstract - This paper studies pricing modeling and transmision congestion management method. Locational Marginal Price (LMP) is chosen as the efficient, transparent, stimulating competition model in the wholesale power market. Two transmision congestion management methods of the competitive wholesale electricity market based on generation redispatch with minimum cost total and new transmision line installation in long term planning shows both economic and technical efficiency. Applying the nodal price method for the IEEE-14 bus power market on Power World Simulator V.17, the simulation results show that the efficiency of the Locational Marginal Price and transmission congestion management method reflects the market operation states, ensures a stable electricity market and can be used for the Vietnam Wholesale Electricity Market (VWEM) in the near future.
Từ khóa - trào lưu công suất (PF); trào lưu công suất tối ưu (OPF); quy hoạch tuyến tính (LP); giá điện nút (LMP); quản lý tắc nghẽn truyền tải (TCM); thị trường điện bán buôn cạnh tranh Việt Nam (VWEM); đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện (SMO).
Key words - power flow (PF); optimal power flow (OPF); linear programming (LP); locational marginal price (LMP); transmission congestion management (TCM); Vietnam wholesale electricity market (VWEM); system and market operator (SMO).
1. Giới thiệu
Thị trường điện cạnh tranh đã và đang phát triển rộng rãi
trên thế giới, nó không chỉ dừng lại ở phạm vi lãnh thổ của
một quốc gia mà hình thành những thị trường điện liên quốc
gia, trao đổi mua bán điện giữa các nước trong một khu vực.
Hiện nay, có rất nhiều thị trường điện vận hành thành công
tại Mỹ, châu Âu, châu Á,… Các nước trong khu vực
ASEAN như Singapore, Philipines, Thái Lan, Malaysia... đã
có những bước đi tích cực trong việc xây dựng thị trường
cạnh tranh của mỗi nước, tiến tới việc hình thành thị trường
điện khu vực ASEAN trong tương lai [1-3].
Trong thị trường điện cạnh tranh, giá điện là thông tin
quan trọng tác động trực tiếp đến các hành vi, chiến lược
kinh doanh của các bên tham gia, những người mua luôn
mong muốn giá điện thấp trong khi những người bán muốn
giá điện cao để mang lại lợi nhuận cao. Do vậy, muốn có
thị trường điện mang lại lợi ích toàn cục cho xã hội, hoạt
động sản xuất kinh doanh hiệu quả, thu hút đầu tư thì cần
có mô hình giá điện và cơ chế vận hành thị trường điện hợp
lý [2-3].
Trong bối cảnh Việt Nam đang trong giai đoạn xây
dựng thí điểm thị trường điện bán buôn cạnh tranh VWEM
[4-5] thì các vấn đề như xây dựng cấu trúc mô hình, cơ chế
vận hành thị trường điện giao ngay, phương thức chào giá
và phương thức vận hành thị trường đang được nghiên cứu
để thị trường đi vào vận hành ổn định, hiệu quả, đạt được
mục tiêu đề ra.
Hình 1. Lộ trình phát triển thị trường điện Việt Nam
Trong thị trường điện bán buôn cạnh tranh nói chung,
câu hỏi lớn đặt ra là phương pháp tính giá điện truyền tải
như thế nào cho phù hợp với thị trường mỗi nước, chẳng
hạn như Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng thí điểm
mô hình thị trường điện bán buôn cạnh tranh Việt Nam
(VWEM) và hoàn chỉnh đi vào vận hành chính thức sau
năm 2022 như trên Hình 1. Trong [6-7], các tác giả đã đề
cập đến các phương pháp tính giá điện truyền thống như
phương pháp tem thư, MW-km, trào lưu công suất, chi phí
biến đổi, tuy nhiên, các phương pháp này không cho thấy
sự hiệu quả vận hành và tính minh bạch nên không thích
hợp với thị trường điện cạnh tranh nói chung. Trong [8-9],
các tác giả đề cập đến mô hình giá cận biên LMP, cho thấy
sự phù hợp trong mô hình thị trường điện thông qua chào
74 Đinh Thành Việt, Nguyễn Hùng, Nguyễn Tấn Hưng, Nguyễn Thị Phương Dung
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 79
THIẾT KẾ VÀ THỰC THI MÔ HÌNH GATEWAY CHO CÁC THIẾT BỊ IoTs
DESIGNING AND IMPLEMENTING A GATEWAY MODEL FOR IoTs DEVICES
Phan Văn Ca
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; [email protected]
Tóm tắt - Trong mạng lưới vạn vật kết nối IoTs (Internet of Things), các thiết bị phải thực hiện kết nối và truyền thông theo các phương thức như M2M (Machine-to-Machine) hay D2D (Device-to-Device). Thông thường, các thiết bị này là thiết bị nhúng có phần cứng không đồng nhất và sử dụng các chuẩn truyền thông khác nhau. Vì vậy, chúng không thể tự thiết lập kết nối và giao tiếp với nhau. Bài báo này đề xuất một mô hình Gateway được thiết kế với lớp đệm trung gian có chức năng chuyển đổi qua lại giữa các chuẩn truyền thông khác nhau qua một chuẩn trung gian, giúp cho chúng có thể dễ dàng kết nối với nhau và kết nối tới Internet. Mô hình thực thi được thiết kế hỗ trợ ba công nghệ truyền thông phổ biến bao gồm Zigbee, Bluetooth và Wifi, giao tiếp với nhau qua chuẩn trung gian Ethernet.
Abstract - In the internet of things environment, most devices have ability to connect and communicate with others to transfer data in a Machine-to-Machine (M2M) or Device-to-Device (D2D) manner. In general, most of them are heterogeneous embedded devices that may be implemented by different communication protocols or technologies. Therefore, they cannot connect and communicate to each other directly. This paper proposes an IoTs Gateway model with intermediate layer that abstracts different communication protocols or standards from IoTs devices into an intermediate standard. The proposed Gateway can connect with different input and output wireless technology interfaces including Zigbee, Bluetooth and Wifi via Ethernet interface serving as intermediate layer.
Từ khóa - vạn vật kết nối; giao thức truyền thông không dây; truyền thông máy – máy; mô hình cổng nối; kết nối thiết bị IoTs.
Key words - Internet of things; wireless communication protocol; M2M communication; Gateway model; connecting IoTs devices.
1. Giới thiệu
Hiện nay, các thiết bị thông minh xuất hiện trong hầu
hết mọi lĩnh vực, từ điện tử tiêu dùng cho đến sản xuất công
nghiệp. Các mô hình ứng dụng IoTs (Internet of Things)
đang được nghiên cứu và triển khai ngày càng nhiều. IoTs
là một hệ thống được cấu thành từ các thiết bị nhúng thông
minh có thể thu thập dữ liệu từ môi trường thế giới thực,
kết hợp xử lý dữ liệu từ 2 thế giới thực và ảo nhằm cung
cấp các thông tin hữu ích, cũng như đưa ra các quyết định
trong điều khiển từ xa qua mạng Internet và khả năng tự
vận hành hệ thống của hệ thống trong phạm vi cục bộ hoặc
qua điện toán đám mây [1], [2].
Thiết bị trong mạng lưới IoTs là những thiết bị thông
minh với khả năng cảm nhận môi trường xung quanh, thu
thập dữ liệu, tương tác với thế giới thực qua các cảm biến và
cơ cấu chấp hành, đồng thời giao tiếp với các đối tượng khác
nhau thông qua các chuẩn truyền thông [3]. Bên cạnh các
thiết bị thông minh được điều khiển bởi con người qua mạng
internet, còn có các thiết bị tự hành, có thể giao tiếp với nhau
và tự đưa ra các quyết định mà không cần sự can thiệp của
con người [4]. Trong bài báo [5], các tác giả đã thiết kế một
mạng cảm biến IoTs với các cảm biến siêu âm để thiết lập
một hàng rào điện tử bằng sóng siêu âm, hoạt động dựa trên
hiệu ứng Doppler để tự động phát hiện đối tượng di chuyển
trong một phạm vi rộng lớn. Một tính chất quan trọng của hệ
thống IoTs chính là khả năng hoạt động độc lập, tiêu thụ
năng lượng thấp. Trong bài báo [6], các tác giả đã đề xuất
một phương pháp mới cho phép truyền đa kênh và định
tuyến cho mạng hỗn hợp, với mỗi thiết bị là một nút mạng
được trang bị các cảm biến hình ảnh để phát hiện các sự kiện
theo thời gian thực. Các thiết bị đầu cuối sử dụng nguồn pin
và có thể thiết lập kết nối không dây diện rộng. Ngoài ra, các
tác giả cũng đề xuất giao thức định tuyến và chọn kênh tối
ưu nhằm giảm thiểu điện năng tiêu thụ.
Tuy nhiên, các mô hình thiết kế IoTs hiện nay chưa
được thiết kế theo một chuẩn thống nhất, đặc biệt là chuẩn
truyền thông để kết nối các thiết bị với nhau và kết nối tới
Internet [7]. Cụ thể, các giao thức truyền thông không dây
trong các hệ thống IoTs hiện nay sử dụng các công nghệ
sẵn có như Zigbee, Bluetooth hay Wifi. Việc này sẽ làm
cho các hệ thống không thể tự giao tiếp để truyền nhận dữ
liệu với nhau. Giải pháp cho vấn đề này là thiết kế một cổng
nối Gateway để giúp cho các thiết bị có các chuẩn truyền
thông khác nhau có thể kết nối với nhau và kết nối tới
Internet qua một lớp đệm trung gian. Gateway này đóng
vai trò như một thiết bị chuyển đổi chuẩn dữ liệu, đồng thời
là một cổng kết nối tới mạng Internet, nhằm khai thác các
ứng dụng và lưu trữ của điện toán đám mây. Thiết kế này
sẽ giúp hệ thống IoTs với các chuẩn truyền thông khác
nhau có thể dễ dàng kết nối với nhau và kết nối đến mạng
Internet với số lượng phần tử và khả năng lưu trữ không
giới hạn.
Bài báo này đề xuất một kiến trúc Gateway đóng vai trò
như một thiết bị cầu nối giúp cho các thiết bị IoTs được
thiết kế với các chuẩn truyền không khác nhau có thể giao
tiếp với nhau một cách dễ dàng. Bên cạnh đó, bài báo còn
đề xuất một lớp chuyển đổi trung gian giúp cho việc mở
rộng các tiêu chuẩn được hỗ trợ bởi Gateway một cách
nhanh chóng, mà không cần thay đổi các lớp phía trên.
Ngoài ra, bài báo còn đề xuất một mô hình quản lý các
mạng IoTs với Gateway kết nối tới Internet thông qua các
server đám mây, giúp cho các hệ thống IoTs có thể được
truy xuất từ các server khác nhau. Thiết kế này cho phép
các thiết bị bên dưới có thể thực hiện việc truyền nhận dữ
liệu ngang hàng với nhau và kết nối tới nhiều server khác
nhau trên mạng Internet.
2. Mô hình Gateway IoTs
Một vài mô hình Gateway IoTs đã được công bố trong
thời gian gần đây [8]-[10]. Mô hình Gateway trong bài báo
[8] dựa trên các giao thức Zigbee và GPRS cho các ứng
dụng IoTs điển hình kết nối giữa mạng cảm biến không dây
Zigbee và mạng thông tin di động. Bài báo [9] giới thiệu
mô hình Gateway cho các mạng công suất thấp. Mô hình
80 Phan Văn Ca
Gateway trong bài báo [10] được phát triển để kết nối giữa
các thiết bị thông minh với các thiết bị thông thường qua
giao thức modbus. Tuy nhiên, các mô hình Gateway này là
những mô hình Gateway đơn giao thức và thực hiện chuyển
đổi dữ liệu ở các lớp cao, như mô tả ở Hình 1. Bài báo [11]
đề xuất mô hình Gateway có chức năng thu thập dữ liệu từ
các thiết bị cảm biến kết nối qua các công nghệ truyền
thông GPRS, WiFi, RF, Bluetooth hoặc LAN qua một máy
tính kết nối tới Internet. Các tác giả trong [12] đã đề xuất
một mô hình Gateway thông minh, có chức năng xử lý dữ
liệu trước khi gửi lên đám mây cho ứng dụng tích hợp giữa
IoT và điện toán đám mây, được gọi là CoT (Cloud of
Things).
Hinh 1. Mô hình Gateway Ethernet ở lớp ứng dụng
Mô hình đề xuất trong bài báo thực hiện chuyển đổi ở các
lớp thấp để giảm độ trễ cũng như cải thiện tốc độ xử lý của
Gateway. Trong đó, lớp phía trên truy xuất dữ liệu ở lớp thấp
hơn thông qua một lớp đệm được xây dựng từ các API tương
ứng với các phần cứng giao tiếp khác nhau. Mô hình kiến trúc
trên được thực thi dựa trên 4 công nghệ thường gặp là Zigbee,
Bluetooth, Wifi, Ethernet với các phần cứng tương ứng cho
Gateway là Xbee, HC-05, ESP8266 và ENC28J60.
2.1. Giao thức Zigbee
Giao thức Zigbee là một giao thức được sử dụng rộng
rãi ở các hệ thống IoTs bởi khả năng quản lý các thiết bị và
độ ổn định của hệ thống. Để có thể giao tiếp được với một
thiết bị Zigbee thông qua Gateway, cần phải phát triển một
API với phần cứng tương ứng. Từ đó xây dựng một lớp
đệm để truy xuất thông tin thông qua API và tái cấu trúc tại
lớp bên trên, như mô tả ở Hình 2.
Hinh 2. Lớp đệm Zigbee
Thiết kế này cho phép truy xuất thông tin cũng như sử
dụng tài nguyên mạng Zigbee cho các thiết bị khác.
2.2. Giao thức Bluetooth
Đối với các ứng dụng IoTs với các phần tử là các thiết
bị di động thì Bluetooth đóng vai trò quan trọng bởi khả
năng thiết lập kết nối và tốc độ ổn định. Đối với giao thức
này, việc chuyển đổi dữ liệu phía trên lớp RFCOMM như
mô tả trong Hình 3.
Hinh 3. Lớp đệm Bluetooth
Thông thường, trong các hệ thống IoTs, độ ưu tiên của
hệ thống không phải là tốc độ truyền tải mà là độ ổn định
và đáp ứng thời gian thực, việc truy xuất trên lớp
RFCOMM cho tốc độ đáp ứng và độ ổn định cao hơn.
2.3. Giao thức Wifi và Ethernet
Trong các ứng dụng ngôi nhà thông minh, đa số các hệ
thống IoTs được phát triển dựa trên các hạ tầng mạng sẵn có
như Wifi hay Ethernet. Lớp chuyển đổi được thực hiện trên
các giao thức truyền vận TCP/UDP, như mô tả trong Hình
4. Từ đây, ta có thể thực hiện các truy vấn mà TCP/IP cho
phép, cũng như các phương thức trong giao thức HTTP như
GET, POST trên các server Internet. Mô hình này cho phép
việc tải lên/xuống dữ liệu từ đám mây một cách dễ dàng.
Hinh 4. Lớp đệm WIFI/Ethernet
3. Kiến trúc tổng thể Gateway đa giao thức
Hinh 5. Kiến trúc tổng thể Gateway
Kiến trúc tổng thể của Gateway đa giao thức được mô
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 81
tả như trong Hình 5. Kiến trúc này kết hợp các mô hình
gateway đơn giao thức dựa trên lớp đệm đã đề xuất.
Gateway trích xuất gói tin từ các mạng IoTs với các chuẩn
kết nối khác nhau, thực hiện chuyển đổi và sau đó định
tuyến gói tin liên mạng tới một mạng IoTs khác. Ngoài ra,
Gateway còn thực hiện quản lý và giám sát các thiết bị hỗn
tạp trong mạng.
Mô hình Gateway được thực hiện gồm 3 phần cứng hỗ
trợ 3 công nghệ truyền thông khác nhau, bao gồm: Zigbee,
Bluetooth và Wifi. Lớp chuyển đổi được xây dựng từ các
API phần cứng tương ứng để thực hiện việc chuyển đổi
chuẩn dữ liệu từ một mạng IoTs nguồn sang chuẩn trung
gian sử dụng công nghệ Ethernet. Tiếp theo, dữ liệu theo
chuẩn trung gian sẽ được chuyển sang chuẩn dữ liệu phù
hợp với mạng IoTs đích trong kết nối liên mạng hoặc
truyền trực tiếp lên mạng Internet.
3.1. Khối đóng gói dữ liệu
Khối đóng gói dữ liệu của Gateway đóng vai trò tách
các thông tin cần thiết thông qua API, sau đó thực hiện
đóng gói theo chuẩn mới để chuẩn bị định tuyến dữ liệu
trong lớp tiếp theo. Quá trình trích xuất và đóng gói dữ liệu
được mô tả như trong Hình 6.
Hinh 6. Sơ đồ đóng gói dữ liệu
3.2. Khối định tuyến
Ở lớp này, thực hiện trích xuất địa chỉ từ lớp bên trên để
đưa vào phần cứng phù hợp và đóng gói phù hợp với API
tương ứng để có thể thực hiện truyền dữ liệu. Mỗi tiêu chuẩn
có cách thức đóng gói và header khác nhau. Sau đó, các gói
tin sẽ được chuyển về định dạng phù hợp với mạng IoTs đích
và thực hiện việc truyền dữ liệu đến lớp vật lý để gửi đi.
Hinh 7. Mô hình đinh tuyến dữ liệu
Ngoài việc định tuyến dữ liệu giữa các tiêu chuẩn với
nhau còn thực hiện nhiệm vụ như một cổng kết nối với
mạng WAN, Internet thông qua cổng Ethernet.
3.3. Kết nối WAN và cơ sở dữ liệu
Mặc dù chuẩn Wifi cũng có thể làm nhiệm vụ này thay
cho chuẩn Ethernet, tuy nhiên, vì các hệ thống IoTs dựa
trên Wifi thường được thiết kế tối giản và có thời gian đáp
ứng chậm, đồng thời thiếu độ ổn định khi truyền nhận các
gói tin trong mạng. Kết nối Ethernet này giúp Gateway có
thể kết nối với mạng WAN hay Internet để đưa dữ liệu của
toàn bộ hệ thống lên các server hoặc ngược lại. Các server
được thiết kế có thể được chia sẻ cho nhiều Gateway, đồng
thời cũng cho phép các server liên kết với nhau thành một
mạng lưới server trên mạng Internet.
Hinh 8. Kết nối mạng WAN, Internet và cơ sở dữ liệu
3.4. Lập trình API
Thông qua các hàm API, các Client của hệ thống IoTs có
thể truy xuất tới các phần tử khác trong mạng theo các chuẩn
khác nhau và cho phép các phần tử trong mạng có thể đưa
dữ liệu lên trên cơ sở dữ liệu, hay thực hiện các giao thức
thông qua cổng Ethernet bằng các phương thức trong HTTP
như GET/POST dữ liệu tới một Server bất kỳ trên mạng.
Hinh 9. Các API cơ bản của Gateway
3.5. Mô hình server
Mô hình thử nghiệm này sử dụng MySQL chạy trên
Server Linux vì tính phổ biến và khả năng hỗ trợ của nó.
Mô hình thử nghiệm này sử dụng các thông số cơ bản liên
quan đến dữ liệu. Tuy nhiên, trong thực tế, hệ thống cần có
nhiều thông số khác như trạm Gateway, thông số Port, tài
khoản truy cập và các thông số bảo mật.
Phía Server được cài đặt một lớp đệm trung gian cho
phép việc chuyển đổi truy vấn các phương thức GET/POST
để có thể kết nối và cập nhật cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, lớp
này chạy trên môi trường Apache, PHP và MySQL. Ngoài
ra, còn có một giao diện người dùng để truy xuất và hiển
thị các thông tin từ Server. Từ đây các thông tin về địa chỉ
IP của Gateway, giao thức truyền thông của mang IoTs
82 Phan Văn Ca
nguồn, địa chỉ mạng cục bộ của thiết bị có thể là địa chỉ IP
hay địa chỉ MAC tùy theo tính chất của ứng dụng cần xây
dựng, có thể được tham chiếu và hiển thị dễ dàng. Dữ liệu
trên server có thể được truy xuất từ bất kì thiết bị nào hỗ
trợ giao thức HTTP, hoặc các giao thức liên kết trực tiếp
tới database của server. Từ đó, ta có thể xây dựng một hệ
thống IoTs với số phần tử và khoảng cách giữa chúng gần
như không giới hạn.
Hinh 10. Sơ đồ kết nối Gateway - Server
4. Kết quả
Mô hình phần cứng của Gateway đã được thi công,
đồng thời thực hiện các kiểm tra và đánh giá các thông số
cũng như đặc tính kỹ thuật. Đối với từng giao thức ,tốc độ
toàn cục của Gateway phụ thuộc vào cả tốc độ phần cứng
xử lý giao thức và tốc độ xử lý của CPU trên Gateway. Tốc
độ phần cứng thiết bị và CPU với các công nghệ khác nhau
được liệt kê trong Bảng 1.
Bang 1. Tốc độ xử lý của mô-đun phần cứng truyền thông và tốc
độ của CPU trên Gateway
Công nghệ Mô-đun truyền
thông
Tốc độ tối đa mô-đun
truyền thông
Tốc độ tối đa của
CPU trên Gateway
Bluetooth HC-05 115.200 bps 921.600 bps
Wifi ESP8266 230.400 bps 921.600 bps
Zigbee Xbee 115.200 bps 921.600 bps
Ethernet ENC28J60 10 Mbps 2 Mbps
Mô hình Gateway thực hiện truyền thành công giữa các
tiêu chuẩn với nhau ,đồng thời thực hiện các truy vấn cơ sở
dữ liệu và truy xuất mạng WAN với khả năng đáp ứng tốt,
với tỷ lệ nhận gói tin thành công được mô tả trong Bảng 2.
Bang 2. Đánh giá độ tin cậy của mô hình Gateway
Nguồn Đích Số gói tin
truyền
Số gói tin
nhận
Tỷ lệ thành
công (%)
Wifi Zigbee 100 92 92
Zigbee Wifi 100 99 99
Wifi Bluetooth 100 100 100
Bluetooth Wifi 100 100 100
Zigbee Bluetooth 100 95 95
Bluetooth Zigbee 100 92 92
Đối với việc truyền từ thiết bị Wifi (mô-đun ESP) sang
thiết bị Zigbee (mô-đun XBEE), nếu thời gian giữa 2 gói tin
nhỏ hơn 50 ms thì sẽ xảy ra hiện tượng mất gói tin vì phần
cứng của mô-đun ESP không đủ khả năng đáp ứng, cũng như
việc tràn bộ đệm nhận dữ liệu trong lúc CPU của Gateway
đang thực hiện, như mô tả trong Hình 11. Đối với việc truyền
từ thiết bị Zigbee sang thiết bị Wifi, khi thời gian truyền giữa
2 gói tin nhỏ hơn 80 ms, sẽ xảy ra hiện tượng mất gói tin vì
thời gian đóng gói gói tin theo giao thức TCP của phần cứng
mô-đun ESP không thực hiện hoàn tất trước khi nhận được
gói tin mới, CPU phụ trách việc giải mã lệnh API của thiết bị
Zigbee tiêu tốn tài nguyên và mất nhiều thời gian xử lý. Không
như truyền giữa thiết bị Zigbee và Wifi, việc truyền giữa thiết
bị Bluetooth và thiết bị Wifi có độ tin cậy cao hơn với chiều
dài gói tin sau đóng gói ngắn hơn và đạt tốc độ cao hơn, như
mô tả trong Hình 12. Bộ đệm của mô-đun Bluetooth lớn và
tích hợp bộ lưu trữ dữ liệu ngay cả khi mất kết nối giữa chừng.
Việc truyền giữa thiết bị Zigbee và Bluetooth một lần
nữa cho thấy khả năng đáp ứng của CPU dành cho việc giải
mã API khá hạn chế, dẫn đến việc xử lý dữ liệu tại CPU trên
phần cứng thiết bị Zigbee bị nghẽn và gây tràn dữ liệu. Điều
này dẫn đến việc mất gói tin khi thời gian đáp ứng nhỏ hơn
150 ms. Lý do chính là các thiết bị Zigbee là những thiết bị
công suất thấp, được thiết kế dành cho các ứng dụng yêu cầu
tốc độ truyền thấp và không đòi hỏi hiệu năng xử lý cao.
Tuy nhiên, đối với các ứng dụng IoTs hiện nay, điểm
cần quan tâm chính là khả năng hoạt động ổn định và tiêu
tốn năng lượng thấp, thì Gateway IoTs được xây dựng với
phần cứng trên vẫn đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng trong các
hệ thống IoTs. Việc đáp ứng được nhu cầu của mạng cảm
biến, thu thập thông tin, cũng như giám sát và điều khiển
đối với các ứng dụng không đòi hỏi nghiêm ngặt về tính
thời gian thực khi hoạt động.
Hinh 11. Tỷ lệ mất gói tin khi kết nối giữa thiết bị Zigbee và Wifi
Đối với việc định tuyến dữ liệu cho luồng từ thiết bị
Bluetooth sang thiết bị Zigbee, có thêm một yếu tố nữa để
tăng khả năng mất gói tin giữa 2 chuẩn này, chính là việc
phần cứng thiết bị Zigbee được thiết kế bên Gateway đóng
vai trò là điều phối viên (coordinator), nên thời gian công
tác của phần cứng còn bao gồm cả việc định tuyến dữ liệu
trong các phần tử bên trong mạng thiết bị Zigbee nói riêng.
Điều này dẫn đến việc định tuyến dữ liệu bị trễ và gây
nghẽn cổ chai tại đây, làm mất goi tin giữa những lần
truyền dữ liêu. Tuy nhiên, thiết bị Zigbee cũng có bộ sửa
sai và tự động truyền lại, nhưng với việc bộ đệm có giới
hạn và dữ liệu luôn được đưa vào thì việc mất gói tin là
không thể tránh khỏi. Vì khả năng đáp ứng của phần cứng
thiết bị Bluetooth HC-05 có độ trễ thấp hơn, nên gói tin chỉ
bị ảnh hưởng bởi khả năng xử lý của CPU cũng như giới
hạn tối đa của thiết bị thiết bị Zigbee. Ở đây, điểm nghẽn
là do thiết bị Zigbee ở Gateway đóng vai trò coordinator
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300
Tỷ l
ệ m
ất g
ói
tin (
%)
Tốc độ truyền gói tin (ms/gói)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 83
nên không dành toàn thời gian để tiếp nhận dữ liệu, mà còn
dùng để quét tìm kiếm các phần tử mới, cấp phát và quản
lý địa chỉ.
Hinh 11. Biểu đồ Packet Loss của Xbee và Bluetooth
Ở đây, ta thấy có các vị trí biến thiên không đều do không
đồng bộ trong chu kì quét nhận dữ liệu, cũng như quản lý các
thiết bị con của từng tiêu chuẩn khác nhau, làm cho hệ số mất
gói tin tăng cao và không tuyến tính ở một số khoảng thời gian.
Ở một số khe thời gian cho phép việc truyền với tỉ số lỗi thấp
và không đồng đều. Xác suất giảm về 0 khi khoảng cách giữa
2 dữ liệu lớn hơn 300 ms.
5. Kết luận
Bài báo trình bày về kiến trúc và mô hình thực thi cho
một Gateway IoTs, cho phép các thiết bị IoTs có thể truy
xuất ngang hàng và chia sẻ tài nguyên của bản thân cho toàn
bộ hệ thống, đồng thời đề xuất các lớp tiêu chuẩn để có thể
mở rộng hệ thống IoTs. Ngoài ra, mô hình Gateway còn
đóng vai trò như một cổng kết nối Internet cho phép các
mạng IoTs giao tiếp với nhau thông qua mạng toàn cầu. Bài
báo đưa ra các đánh giá tương quan giữa tốc độ xử lý và tốc
độ phần cứng, cho phép xây dựng một mô hình Gateway
thực tế với các điều kiện lựa chọn thông số một cách chính
xác hơn. Mở rộng hệ thống với các tiêu chuẩn khác dễ dàng
với việc chỉ cần thiết lập một lớp chuyển đổi dữ liệu theo
chuẩn để xuất và ghép với phần còn lại của Gateway. Với sự
phát triển của trí thông minh nhân tạo và các hệ thống M2M,
hiện nay đã có đủ khả năng xử lý thông tin, và với một lượng
thông tin đủ lớn thì hệ thống IoTs sẽ vận hành mà không cần
bất kì sự can thiệp nào của con người. Hệ thống sẽ tự động
cập nhật và hiệu chỉnh các thông số để có thể đáp ứng nhu
cầu ngày càng cao của con người.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] C. Perera, A. Zaslavsky, P. Christen and D. Georgakopoulos,
“Context Aware Computing for The Internet of Things: A Survey”,
IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 16, No. 1, First Quarter 2014, pp. 414-454.
[2] A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, M. Aledhari and M.
Ayyash, “Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies,
Protocols, and Applications”, IEEE Communications Surveys &
Tutorials, Vol. 17, No. 4, FourthQuarter 2015, pp. 2347-2376.
[3] G. Kortuem, F. Kawsar, V. Sundramoorthy and D. Fitton, “Smart
objects as building blocks for the Internet of things”, IEEE Internet Computing, Vol. 14, No. 1, Jan-Feb 2010, pp. 44-51.
[4] M. A. Razzaque, M. Milojevic-Jevric, A. Palade and S. Clarke,
“Middleware for Internet of Things: A Survey”, IEEE Internet of
Things Journal, Vol. 3, No. 1, Feb. 2016, pp. 70-95.
[5] H. T. Chan, T. A. Rahman and A. Arsad, “Performance study of virtual
fence unit using Wireless Sensor Network in IoT environment”, 2014
20th IEEE International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS), Hsinchu, 2014, pp. 873-875.
[6] HyungWon Kim, “Low power routing and channel allocation
method of wireless video sensor networks for Internet of Things
(IoTs)”, 2014 IEEE World Forum on Internet of Things (WF-IoT),
Seoul, 2014, pp.446-451.
[7] Z. Sheng, S. Yang, Y. Yu, A. V. Vasilakos, J. A. Mccann and K. K.
Leung, “A survey on the ietf protocol suite for the internet of things: Standards, challenges, and opportunities”, IEEE Wireless
Communications, Vol. 20, No. 6, December 2013, pp. 91-98.
[8] Q. Zhu, R. Wang, Q. Chen, Y. Liu and W. Qin, “IOT Gateway:
Bridging Wireless Sensor Networks into Internet of Things”, 2010
IEEE/IFIP International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing, Hong Kong, 2010, pp. 347-352.
[9] T. Kadıoğlu, N. Yıldız and E. Cesur, “Low power Internet of Things
Gateway”, 2016 24th Signal Processing and Communication
Application Conference (SIU), Zonguldak, 2016, pp. 1613-1616.
[10] Datta S.K, “An IoTs Gateway centric architecture to provide novel
M2M services”, Internet of Things (WF-IoTs), 2014 IEEE World Forum, 6-8 March 2014, pp. 514 - 519.
[11] K. Rajaram and G. Susanth, “Emulation of IoT gateway for
connecting sensor nodes in heterogenous networks”, 2017
International Conference on Computer, Communication and Signal
Processing (ICCCSP), Chennai, 2017, pp. 1-5.
[12] M. Aazam, P. P. Hung and E. N. Huh, “Smart gateway based
communication for cloud of things”, 2014 IEEE Ninth International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and
Information Processing (ISSNIP), Singapore, 2014, pp. 1-6.
(BBT nhận bài: 14/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 23/08/2017)
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200
Tỷ
lệ
mấ
t g
ói
tin
(%
)
Tốc độ truyền gói tin (ms/gói)
84 Bùi Văn Đạt, Nguyễn Quốc Cường, Trần Thị Yến, Nguyễn Đức Thiện
SỬ DỤNG TÍNH TOÁN DFT KẾT HỢP VỚI SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM ĐỂ
XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA NATRI BENZOAT
USING DFT CALCULATIONS COMBINED WITH EXPERIMENTAL DATA
TO DETERMINE THE CHARACTERISTICS OF NATRI BENZOATE
Bùi Văn Đạt, Nguyễn Quốc Cường, Trần Thị Yến, Nguyễn Đức Thiện*
Tóm tắt - NaBz (natri benzoat) có hai dạng đa hình (monoclinic và triclinic), được sử dụng rất phổ biến trong bảo quản thực phẩm và trong y học. Các đặc trưng về hình thái phân tử, sự phân bố điện tích, phổ IR và Raman, các đặc tính nhiệt động của NaBz và FMO (orbital biên phân tử) của anion benzoat được phân tích bằng thực nghiệm và tính toán lượng tử (DFT/B3LYP/6-311G++(d,p)). Từ những phân tích đó, chúng tôi đã giải thích được tại sao chiều dài liên kết ion O-Na bị kéo dài ra trong pha rắn của NaBz; giải thích được tại sao NaBz được sử dụng để làm chất bảo quản thay cho acid benzoic và làm tá dược trơn; gán được các kiểu dao động cho những đỉnh phổ thực nghiệm đặc trưng; giải thích cơ chế phản ứng của nó với glycin trong việc điều trị rối loạn chu kỳ urê ở người.
Abstract - NaBz (natri benzoate) which has two polymorphisms (monoclinic and triclinic), is widely used in food preservation and in medicine. The NaBz’s characteristics about molecule geometry, charge distribution, IR and Raman spectroscopy, thermodynamical properties and anion benzoate’s FMO (Frotier Molecular Orbitals) are analyzed by experiment and quantum computing (DFT/B3LYP/6-311G++(d,p)). From these analyses, we explain why O-Na bonding is extended in solid phase of NaBz, why NaBz is used in preserving food and in medicine more than acid benzoic and is widely used as a lubricant excipient. We also assign vibrational modes to experimental featured peaks in IR and Raman spectrum and explain operating mechanism of NaBz with glycine in treating urea cycle disorders in humans.
Từ khóa - DFT; đa hình; NaBz; phổ IR; phổ Raman Key words - DFT; polymorphism; NaBz; IR spectroscopy; Raman spectroscopy
1. Đặt vấn đề
Natri benzoat (NaBz), công thức hoá học là
C6H5COO-Na+, là muối natri của acid benzoic. Hai dạng
đa hình của NaBz là NaBzI (monoclinic, kết tinh ở
Tc=420°C) và NaBzII (triclinic, Tc=350°C). Trong công
nghiệp dược phẩm và thực phẩm, NaBz đóng một vai trò
rất quan trọng. NaBz tiêu diệt nấm, vi khuẩn, làm giảm
95% lên men yếm khí của glucose thông qua enzym
phosphofructokinase [1]. Trong ngành y dược, NaBz
được sử dụng trong điều trị các rối loạn chu kỳ urê, ngăn
chặn sự tiến triển của bệnh Parkinson ở loài chuột, điều
trị thêm cho bệnh tâm thần phân liệt (1 gam/ngày), dùng
làm tá dược trơn và siro ho ([2]–[4]). Tuy nhiên, không
có nhiều nghiên cứu về cấu trúc, phân tích phổ dao động
và lý giải sâu sắc các tính chất của NaBz. Vì những lý do
đó, bài viết này chúng tôi sử dụng lý thuyết phiếm hàm
mật độ (DFT) để nghiên cứu chi tiết hơn về cấu trúc, phổ
dao động, hoàn chỉnh và phân tích các dao động đáng tin
cậy thông qua đo thực nghiệm phổ hồng ngoại (IR), phổ
Raman. Ngoài ra, chúng tôi sử dụng tính toán Orbital biên
phân tử (FMO) cho anion benzoat để giải thích hoạt tính
sinh học của NaBz (do trong dung dịch NaBz tồn tại dưới
dạng anion benzoat).
2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu
a. Nguyên liệu
NaBz (Guangdong Guanghua Chemical Factory Co.,
Ltd, Trung Quốc), số lô 20080703, độ tinh khiết ≥ 99,5%
được sử dụng trực tiếp để đo phổ Raman, hồng ngoại mà
không qua xử lý.
b. Phương pháp nghiên cứu
Cấu trúc hai dạng tinh thể thực nghiệm được cung cấp
bởi Trung tâm Dữ liệu Tinh thể Cambridge (CCDC) và mô
phỏng bằng phần mềm Mercury 3.6. Hình thái, cấu trúc
điện tử, tính chất nhiệt động, tần số dao động IR, Raman
của NaBz và orbital phân tử (MO) của anion benzoat
được tối ưu hóa và tính toán bằng phương pháp DFT, sử
dụng ba thông số trao đổi hàm loại Beckes (B3) kết hợp
với phép tương quan hàm số Lee-Yang-Parr (LYP) và cài
đặt cơ sở 6-311G++(d,p), trên một máy tính sử dụng phần
mềm Gaussian 09W và Gaussview 5.0 [5], [6]. Kết quả
đo thực nghiệm của NaBz: phổ IR đo bằng SHIMADRU
(số sóng: 400÷4000 cm-1), phổ Raman đo bằng NANO
RAM (bước sóng kích thích: 785 nm; dịch chuyển Raman:
176÷2000 cm-1).
3. Kết quả nghiên cứu
Hình thái phân tử
Chúng tôi chỉ tối ưu hóa một phân tử NaBz trong pha
khí, các nguyên tử được đánh số như Hình 1.
Hình 1. Cấu trúc phân tử NaBz tối ưu hóa
Hình 2 mô tả một phần của tiểu đơn vị trong ô mạng
tinh thể NaBzI và NaBzII. Số liệu tính toán về độ dài các
liên kết trong phân tử được so sánh với kết quả thực nghiệm
Tóm tắt - Các loại thuốc diệt cỏ đều có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái, hệ vi sinh vật và thành phần hóa học của đất. Khảo sát 3 loại thuốc diệt cỏ Mizin 80WP (chứa hoạt chất atrazine), Dosate 480SC (chứa hoạt chất glyphosate) và nimaxon 20sl (chứa hoạt chất paraquat) cho thấy chúng làm giảm vi khuẩn trong đất ở tất cả các nồng độ thuốc trừ cỏ gồm 0,5X, 1,0X, 1,5X và 2,0X. Nồng độ cao (2,0X) làm giảm số vi khuẩn trong đất nhiều hơn so với các nồng độ thấp hơn. Dosate 480SC và Nimaxon 20SL làm giảm lượng vi khuẩn cho đến 20 ngày, sau đó số lượng vi khuẩn phục hồi dần ở các nồng độ 0,5X, và 1,0X, trong khi đó Mizin 80WP làm giảm vi khuẩn kéo dài đến 25 ngày. Nồng độ 1,5X và 2,0X có ảnh hưởng lâu dài hơn đến vi khuẩn so với các nồng độ còn lại. Tuy nhiên, các chất diệt cỏ này hầu như không ảnh hưởng lớn đến thành phần hóa học các chất chủ chốt như cacbon hữu cơ, nitơ tổng số, photpho tổng số và kali tổng số trong đất.
Abstract - Herbicides have harmful effects on ecosystems, microorganisms and chemical compositions of soils. The investigation of three hebicides, including Mizin 80WP (containing Atrazine), Dosate 480SC (containing Glyphosate) and Nimaxon20SL (containing Paraquat) shows that they cause a reduction in bacteria numbers in soil after treatments with the doses of 0.5X, 1.0X, 1.0X and 2.0X. The treatments with concentration of 2.0X result in the lowest number of bacteria in soil. Using concentrations of 0.5X and 1.0X of Dosate 480SC and Nimaxon 20SL causes a reduction in bacteria till the 20th day after treatment, and Mizin 80WP reduces bacteria until 25 days. Using herbicide concentrations of 1.5X and 2.0X results in longer inhibitions of bacteria. However, all surveyed herbicides do not significantly affect organic Carbon, total of Nitrogen, Phosphor and Potassium in soil.
Tóm tắt - Phương pháp Newton nửa trơn đang được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới. Phương pháp này có tốc độ hội tụ nhanh (bậc hai) và có thể áp dụng cho các phương trình không trơn. Cơ sở của phương pháp dựa trên khái niệm đạo hàm Newton, một sự mở rộng của khái niệm đạo hàm cổ điển. Trong bài báo này, nhóm tác giả xét tính khả vi Newton của một số hàm thường
gặp như hàm | |,x hàm max{0, ( )}f x hoặc tổng quát hơn là hàm
max{ ( ), ( )}.f x g x Đây là các hàm số thường xuất hiện trong nhiều
ứng dụng khác nhau. Tính khả vi Newton của hàm max{ ( ), ( )}f x g x
là kết quả quan trọng nhất trong bài báo. Sau đó, nhóm tác giả trình bày các tính chất cơ bản của đạo hàm Newton. Nhóm tác giả chỉ ra rằng, đạo hàm Newton có một số tính chất tương tự như đạo hàm cổ điển như đạo hàm Newton của một tổng, hiệu, tích, thương.
Abstract - The Semi-smooth Newton method is being widely considered by a number of researchers in the world. This method converges very fast (second-order convergence) and also can be applied to non-smooth equations. It bases on the notion of “Newton derivative”, an extend notion of the Fréchet derivative. In this paper, we
study Newton differential of common functions including | |x function,
max{0, ( )}f x function or general function like max{ ( ), ( )}f x g x that
are presented in many applications. The Newton differential of
max{ ( ), ( )}f x g x function is the significant result of this paper. In
addition, The authors state propositions on basic properties of Newton derivative. They indicate that Newton derivative contains similar propositions with Fréchet ones such as Newton derivatives of the sum, subtraction, multiplication and division.
Từ khóa - đạo hàm Newton; khả vi Newton; đạo hàm Newton của
tổng, hiệu, tích, thương; khả vi Newton của hàm max{0, ( )};f x khả
vi Newton của hàm max{ ( ), ( )}.f x g x
Key words - Newton Derivative; Newton differential; Newton derivatives of sum, subtraction, multiplication, division; Newton
derivative of max{0, ( )};f x Newton derivative of max{ ( ), ( )}.f x g x
1. Đặt vấn đề
Khi mô hình toán các vấn đề trong khoa học kỹ thuật,
y học, vật lý,... chúng ta thường dẫn đến việc tìm nghiệm
của phương trình hoặc hệ phương trình, trong đó có sự xuất
hiện các hàm số không khả vi, chẳng hạn như hàm dấu
sgn( ),x hàm trị tuyệt đối | |,x hàm min 0, ,x hàm
max 0, ,x và các hàm hợp của của chúng [1-4]. Những
phương trình và hệ phương trình như thế được gọi là các
phương trình không trơn. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã
đề xuất một số phương pháp để giải các phương trình
không trơn, trong đó, phương pháp Newton nửa trơn đã và
đang được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến trong nhiều
ứng dụng khác nhau [5-9]. Phương pháp này dựa trên khái
niệm "đạo hàm Newton", một khái niệm mở rộng của đạo
hàm cổ điển.
Với vai trò và tầm quan trọng của khái niệm đạo hàm
Newton đối với các giải thuật cho phương trình không
trơn, trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu tính khả
vi Newton của một số hàm cơ bản, thường xuất hiện trong
các phương trình không trơn [3, 5, 6, 7, 9] và nghiên cứu
một số tính chất cơ bản của các hàm khả vi Newton. Để
cho người đọc dễ nắm bắt được khái niệm đạo hàm
Newton cũng như các tính chất cơ bản của đạo hàm
Newton, nhóm tác giả chỉ xét cho lớp hàm một biến. Tuy
nhiên các kết quả trong bài báo này dễ dàng được mở rộng
cho các hàm nhiều biến.
2. Đạo hàm Newton
Định nghĩa 2.1. Cho D là một tập con khác rỗng của . Ánh xạ :f D được gọi là khả vi Newton tại
x D nếu tồn tại một lân cận mở U D của x và tồn tại
ánh xạ : ( , )F U D sao cho
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0,
| |h
f x h f x F x h h
h
trong đó ( , )D là tập các phiếm hàm tuyến tính liên tục
từ D vào .
Khi đó F được gọi là một đạo hàm Newton của f tại .x
Định nghĩa 2.2. ChoU là một tập con mở của .D
Ánh xạ :f D được gọi là khả vi Newton trên U nếu
tồn tại ánh xạ : ( , )F U D sao cho với mỗi ,x U
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
f x h f x F x h h
h
Khi đó, hàm số f được gọi là hàm Newton nửa trơn trên
U và F được gọi là một đạo hàm Newton của f trên .U
Chú ý 2.1. Nếu hàm số f có đạo hàm cổ điển f liên
tục trên tập mở U thì f là hàm nửa trơn trên U và đạo
hàm Newton của f là .f
Thật vậy, với mọi ,x U ta có:
| ( ) ( ) ( ) |0
| |
| ( ) ( ) ( ) || ( ) ( ) | 0 khi 0.
| |
f x h f x f x h h
h
f x h f x f x hf x f x h h
h
Vậy f là hàm nửa trơn trên U và có một đạo hàm Newton
là .F f
3. Đạo hàm Newton của các hàm số thường gặp
Trong phần này, nhóm tác giả nghiên cứu tính khả vi
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 95
Newton của một số hàm cơ bản, thường xuất hiện trong các
bài toán tối ưu không trơn. Kết quả chính của phần này và
cũng là kết quả cơ bản nhất trong bài báo là tính khả vi
Newton của hàm max{ ( ), ( )}.f x g x
Mệnh đề 3.1. Hàm số ( ) | |f x x có đạo hàm Newton
trên và phiếm hàm ( )(·)F x xác định bởi
1 nÕu 0,
( ) nÕu 0,
1 nÕu 0,
x
F x x
x
với là đạo hàm Newton của f trên .
Chứng minh
Thật vậy, ta có:
nÕu 0,
nÕu 0,
nÕu 0,
h x
F x h h x
h x
là một phiếm hàm tuyến tính với mỗi x và
0
1 nÕu 0,| ( ) |( ) sup
| | nÕu 0.| |h
xF x hF x
xh
Suy ra ( )(·)F x là phiếm hàm tuyến tính bị chặn.
Với 0x và h đủ nhỏ, ta có 0x h và
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
f x h f x F x h h
h
Với 0,x ta có:
| (0 ) (0) (0 ) | 0,f h f F h h
với 0h hoặc 0.h Do đó
0
| (0 ) (0) (0 ) |lim 0.
| |h
f h f F h h
h
Với 0,x tương tự trường hợp 0x ta thu được:
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
f x h f x F x h h
h
Vậy phiếm hàm tuyến tính liên tục ( )(·)F x là đạo hàm
Newton của hàm số ( ) | | .f x x
Mệnh đề 3.2. Hàm số ( ) 0,f x max x có đạo hàm
Newton trên và phiếm hàm tuyến tính ( )(·)F x xác định bởi
0 nÕu 0,
( ) nÕu 0,
1 nÕu 0,
x
F x x
x
(0.1)
với là đạo hàm Newton của f trên .
Chứng minh
Thật vậy, phiếm hàm ( )(·)F x xác định bởi (0.1)là một
phiếm hàm tuyến tính với mỗi .x Hơn nữa
0
0 nÕu 0,| ( ) |
( ) sup | | nÕu 0,| |
1 nÕu 0.h
xF x h
F x xh
x
Suy ra ( )F x là phiếm hàm tuyến tính bị chặn. Tương tự
như trong Mệnh đề 3.1, xét các trường hợp 0, 0x x và
0,x ta cũng chứng minh được
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
f x h f x F x h h
h
Vậy phiếm hàm tuyến tính liên tục ( )F x là đạo hàm
Newton của hàm số ( ) 0,f x max x trên .
Mệnh đề 3.3. Cho hàm số ( ) 0, ( )g x max f x với
1( )f C và thỏa mãn ( ) 0f x tại hữu hạn điểm
1 2 .nx x x Khi đó, hàm số g có đạo hàm Newton
trên và đạo hàm Newton của ( )g x là phiếm hàm tuyến
tính ( )(·)G x xác định bởi
( ) nÕu ,
( ) nÕu ,
0 nÕu ,
i i
f x x P
G x x x O
x N
(0.2)
trong đó { | ( ) 0}, { | ( ) 0},P x f x O x f x
{ | ( ) 0}N x f x và ( 1,2,..., ).i i n
Chứng minh
Thật vậy, ta có là phiếm hàm ( )(·)G x xác định bởi (0.2)
là một phiếm hàm tuyến tính với mỗi .x Hơn nữa
0
( ) nÕu ,| ( ) |
( ) sup nÕu ,| |
0 nÕu .
i ih
f x x PG x h
G x x x Oh
x N
Suy ra ( )(·)G x là phiếm hàm tuyến tính bị chặn.
+ Với x P và với h đủ nhỏ, ta có x h P (do P là
một tập mở) và
| ( ) ( ) ( ) |
| |
| ( ) ( ) ( ) |
| |
| ( ) ( ) ( ) |
| |
| ( ) ( ) |.
| |
g x h g x G x h h
h
f x h f x f x h h
h
f x h f x f x h
h
f x h f x h h
h
Vì 1( )f C nên
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0,
| |h
f x h f x f x h
h
và 0 0
| ( ) ( ) |lim lim | ( ) ( ) | 0.
| |h h
f x h f x h hf x f x h
h
96 Dương Xuân Hiệp, Phạm Quý Mười, Phan Đức Tuấn
Do đó 0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
g x h g x G x h h
h
+ Với x N và với h đủ nhỏ, ta có x h N (do N là
một tập mở) và
0 0
| ( ) ( ) ( ) |lim lim 0 0.
| |h h
g x h g x G x h h
h
+ Với , 1,2,...,i ix x n và với 0h đủ bé, ta có:
0
0
| ( ) ( ) ( ) |lim
| |
| ( ) ( ) ( ) |lim nÕu ,
| |
0 nÕu .
h
ih
i
i i i
i i i
g x h g x G x h h
h
f x h f x f x h hx h P
h
x h N
Do đó 0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
i i ig x h g x G x h h
h
Tương tự như trên, ta có:
0
0
| ( ) ( ) ( ) |lim
| |
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |
i
h
i
i
i i
h
ig x h g x G x h h
h
f x h f x f x h h
h
Suy ra 1 1 1
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
g x h g x G x h h
h
Vậy phiếm hàm tuyến tính ( )(·)G x là đạo hàm Newton của
hàm số ( ) 0, ( )g x max f x trên .
Trong Mệnh đề 3.3, hàm số ( ) max{0, ( )}g x f x được
chứng minh là khả vi Newton nếu hàm f có hữu hạn
không điểm. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ xét trường
hợp tổng quát hơn, khi mà hàm số f có thể có hữu hạn
hoặc vô hạn không điểm. Để đưa ra được một đạo hàm
Newton cho hàm số g trong trường hợp tổng quát này, ta
cần kết quả trong bổ đề sau:
Bổ đề 3.1. Cho hàm số f xác định trên
D P O và 0x P O . Nếu với mọi dãy
{ } ,{ }n nx P y O với 0nx x , 0ny x ta có
lim ( ) và lim ( ) ,n nn n
f x a f y a
thì 0
lim ( ) .x x
f x a
Chứng minh
Ta xét một dãy { }nx với 0nx x tùy ý và đặt
1 1 2{ | } { , , }.nI n x P n n
2 1 2{ | } { , , }.nI n x O k k
Suy ra { } ,{ }i jn kx P x O . Ta xét các trường hợp sau:
+ Trường hợp 1: 1I hữu hạn và 2I vô hạn. Khi đó, tồn tại
*n sao cho *, nn n x O . Từ giả thiết của bổ đề, ta có:
lim ( ) .nn
f x a
+ Trường hợp 2: 1I vô hạn, 2I hữu hạn. Tương tự, ta cũng
chỉ ra được lim ( )nn
f x a
.
+ Trường hợp 3: Cả 1 2,I I vô hạn. Khi đó,
• Với 0 tùy ý, ta có:
* *1 1lim ( ) :| ( ) | , .
i in ni
f x a i f x a i i
* *1 1lim ( ) :| ( ) | , .
j jk kj
f x a j f x a j j
Chọn * *1 1
* { , }i j
n max n k . Khi đó, vì 1 2I I nên với
mỗi *n n , tồn tại
*1i i hoặc tồn tại
*1j j để cho in n
hoặc .jn k Do đó, trong cả hai trường hợp ta đều có:
| ( ) | | ( ) | .in nf x a f x a
Vậy 0
lim ( ) .x x
f x a
Sử dụng bổ đề này, chúng ta chứng minh được kết quả sau:
Mệnh đề 3.4. Cho hàm số ( ) max{0, ( )}g x f x với
1( ).f C Khi đó, phiếm hàm tuyến tính ( )(·)G x xác
định bởi
( ) , ( )
0 ,
f x x PG x
x Q
với { | ( ) 0}P x f x và { | ( ) 0}Q x f x là một
đạo hàm Newton của g trên .
Chứng minh
Chúng ta dễ dàng kiểm tra được với mỗi x phiếm
hàm ( )(·)G x với
( ) , ( )
0 , .
f x h x PG x h
x Q
là một toán tử tuyến tính và bị chặn.
Đặt { | ( ) 0},O x f x { | ( ) 0},P x f x
{ | ( ) 0}Q x f x , ta có P Q .
Với x P và với 0h đủ bé, ta có x h P (do P
là một tập mở). Do đó
| ( ) ( ) ( ) | | ( ) ( ) ( ) |
| | | |
| ( ) ( ) ( ) | | ( ) ( ) |.
| | | |
g x h g x G x h h f x h f x f x h h
h h
f x h f x f x h f x h f x h h
h h
Vì 1( )f C nên
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0
| |h
f x h f x f x h
h
và
0 0
| ( ) ( ) |lim lim | ( ) ( ) | 0.
| |h h
f x h f x h hf x f x h
h
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 97
Do đó 0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
g x h g x G x h h
h
Với x Q và x P thì x là điểm trong của R P Q
. Do đó, với h đủ bé thì x h O và x h P , suy ra
0 0
| ( ) ( ) ( ) |lim lim 0 0.
| |h h
g x h g x G x h h
h
Với x P Q thì x O . Với mọi dãy { }nx P mà
n nx x h với 0nh và với mọi dãy { }ny Q mà
n ny x k với 0nk , ta có
0
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0,
| |
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |
n
n
n n n
hn
n n n
kn
g x g x G x h
h
g y g x G y k
k
Theo Bổ đề 3.1, ta có
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
g x h g x G x h h
h
Vậy phiếm hàm tuyến tính ( )(·)G x là đạo hàm Newton
của hàm số ( )g x trên .
Định lý 3.1. Cho hàm số ( ) { ( ), ( )}h x max f x g x với
1, ( )f g C và ( ) ( )f x g x tại hữu hạn điểm rời rạc
1 2 nx x x . Khi đó, đạo hàm Newton của hàm số
( )h x là phiếm hàm tuyến tính ( )(·)H x xác định bởi
( ) ,
( ) ( ) ,
, .i i
f x x P
H x g x x N
x x O
Ở đây
{ | ( ) ( )},
{ | ( ) ( )},
{ | ( ) ( )}
P x f x g x
N x f x g x
O x f x g x
.
Chứng minh tương tự như trong Mệnh đề 3.3.
Định lý 3.2. Cho hàm số ( ) { ( ), ( )}h x max f x g x với
1, ( )f g C . Khi đó, đạo hàm Newton của hàm số ( )h x
là phiếm hàm tuyến tính H xác định bởi
( ) , ( )
( ) , .
f x x PH x
g x x Q
trong đó { | ( ) ( )}, { | ( ) ( )}P x f x g x Q x f x g x .
Chứng minh tương tự như trong Mệnh đề 3.4.
4. Một số tính chất của đạo hàm Newton
Trong phần này, nhóm tác giả trình bày một số kết quả
liên quan đến tính khả vi Newton của tổng, hiệu, tích,
thương, hàm hợp của hai hàm khả vi Newton và chỉ ra rằng,
tổng, hiệu, tích, thương của hai hàm khả vi Newton là hàm
khả vi Newton. Đối với hàm hợp, để có kết quả tương tự
như khả vi cổ điển chúng ta cần điều kiện mạnh hơn, tức là
hợp của một hàm khả vi Newton và một hàm khả vi cổ
điển. Chi tiết các kết quả này sẽ được trình bày lần lượt
thông qua các định lý dưới đây.
Định lý 4.1. Cho f và g xác định trên D , là các
hàm nửa trơn trên tập mở U D với một đạo hàm
Newton tương ứng là F và G . Khi đó hàm số f g và
f g cũng là các hàm nửa trơn trên U và có một đạo
hàm Newton lần lượt là F G và F G .
Chứng minh
Vì F và G là Newton đạo hàm của f và g trên U
nên với mọi x U , ta có:
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0
| |h
f x h f x F x h h
h
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
g x h g x G x h h
h
Do đó với mọi x U , ta có:
0
0
0
| ( )( ) ( )( ) ( )( ) |0 lim
| |
| ( ) ( ) ( ) |lim
| |
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |
h
h
h
f g x h f g x F G x h h
h
f x h f x F x h h
h
g x h g x G x h h
h
Vậy hàm số f g là hàm nửa trơn trên U và có một đạo
hàm Newton là F G . Chứng minh tương tự cho hàm .f g
Định lý 4.2. Cho hàm số f xác định trên D là
hàm nửa trơn trên U D với một đạo hàm Newton là F
. Khi đó, với mọi , hàm số f cũng là hàm nửa trơn
trên U và có một đạo hàm Newton là F .
Chứng minh
Vì F là đạo hàm Newton của f trên U nên với mọi
x U , ta có:
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
f x h f x F x h h
h
Do đó
0
| ( )( ) ( )( ) ( )( ) |lim 0, .
| |h
f x h f x F x h h
h
Vậy hàm số f là hàm nửa trơn trên U và có một đạo
hàm Newton là F .
Định lý 4.3. Cho f và g xác định trên D , g
liên tục trên D và ( ) 0 ( )g x x D , là các hàm nửa
trơn trên tập mở U D với một đạo hàm Newton tương
ứng là F và G . Khi đó, hàm số .h f g và f
kg
cũng là
các hàm nửa trơn trên U và có một đạo hàm Newton lần
lượt là . .H F g f G và 2
. .F g f GK
g
.
98 Dương Xuân Hiệp, Phạm Quý Mười, Phan Đức Tuấn
Chứng minh
Vì F và G là đạo hàm Newton của f và g trên U nên
với mọi x U , ta có:
0
0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0
| |
( ) ( ) ( ) ( ),
| ( ) ( ) ( ) |lim 0
| |
( ) ( ) ( ) ( ).
h
h
f x h f x F x h h
h
f x h f x F x h h o h
g x h g x G x h h
h
g x h g x G x h h o h
Thế biểu thức ( )f x h và ( )g x h ở trên và khai triển,
ta có:
.
[
]
h x h h x f x h g x h f x g x
g x F x h f x G x h h o h
g x h G x h h o h G x h
f x h F x h h o h G x h h o h
g x h F x h f x h G x h h o h
H x h h o h
Do đó 0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
h x h h x H x h h
h
Vậy . .H F g f G là một đạo hàm Newton của hàm
số .h f g trên U .
Tương tự ta chứng minh tính khả vi Newton cho k . Ta có:
( ) ( )( ) ( )
( ) ( )
1( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )( )
f x h f xk x h k x
g x h g x
f x h g x f x g x hg x h g x
1( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
1( )( ( ) ( ) ( ))
( ) ( )
( ( ) ( ) ( )) ( ) ( )
1[ ( ) ( ) ( ). ( )
( ) ( )
( ( ) ( )) ( )] ( )
1
( ) ( )
[( ) ]
{[
] }
{
}
F x h g x f x G x h h o hg x h g x
F x h g x h F x h h o hg x h g x
f x h F x h h o h G x h h o h
g x h F x h f x h G x hg x h g x
F x h G x h o h h o h
g x h g x
2
( ( ) ( ) ( ). ( ))
( ( ) ( )) ( ) ( )
1( ( ) ( ) ( ).. ( )) ( )
( ) ( )
{
}
[ ]
g x h F x h f x h G x h h
F x h G x h o h o h
F x h g x h f x h G x h h o hg x h g x
Do đó: 0
| ( ) ( ) |lim 0,
| |h
k x h k x A
h
với ( ) ( ) ( ) ( )
.( ) ( )
F x h g x h f x h G x hA h
g x h g x
Để ý rằng g liên tục trên D nên cũng liên tục trên U
và0
lim ( ) ( ).h
g x h g x
Suy ra 0
| ( ) ( ) |lim 0,
| |h
k x h k x B
h
với 2
( ) ( ) ( ) ( ).
( )
F x h g x h f x h G x hB h
g x
hay 0
| ( ) ( ) ( ) |lim 0.
| |h
k x h k x K x h h
h
Vậy 2
. .F g f GK
g
là một đạo hàm Newton của hàm
sốf
kg
.
5. Kết luận
Kết quả chủ yếu của bài báo này là đưa ra được các điều
kiện đủ cho tính khả vi Newton của hàm max{ ( ), ( )}f x g x
và một số trường hợp đặc biệt của nó. Bài báo cũng đã phát
biểu và chứng minh tính chất khả vi Newton của tổng, hiệu,
tích và thương của hai hàm khả vi Newton. Đây là các kết
quả cơ bản và cần thiết khi nghiên cứu đạo hàm Newton,
Phương pháp Newton nửa trơn và ứng dụng của phương
pháp vào giải các bài toán cụ thể.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Frank H. Clarke, Optimization and Nonsmooth Analysis, The Society for Industrial and Appplied Mathematics, Philadelphia, 1990.
[2] Ivar Ekeland and Roger Témam, Convex Analysis and Variational
Problems, The Society for Industrial and Appplied Mathematics,
Philadelphia,1999.
[3] Liqun Qi and Defeng Sun, “A survey of some nonsmooth equations
and smoothing Newton methods”, Progress in optimization, 30,
1999, pp. 121-146.
[4] R. Tyrrell Rockafellar, Convex Analysis, Princeton University
Press, 1970.
[5] Pham Quy Muoi, Dinh Nho Hao, Peter Maass, and Michael Pidcock,
“Semismooth Newton and Quasi-Newton methods in weighted l 1 –regularization”, Journal of Inverse and Ill-Posed Problems, 21(5),
2013, pp. 665-693.
[6] Pham Quy Muoi, Dinh Nho Hao, Peter Maass, and Michael Pidcock,
“Descent gradient methods for nonsmooth minimization problems
in ill-posed problems”, Journal of Computational and Applied Mathematics, 298, 2016, pp. 105-122.
[7] Xiaojun Chen, Zuhair Nashed, and Liqun Qi, “Smoothing methods
and Semismooth methods for nondifferentiable operator equations”,
SIAM Journal Numerical Analysis, 38(5), 2000, pp. 1200-1216.
[8] M. HinterMuller, K. Ito, and K. Kunish, “The primal-dual active set
strategy as a semismooth Newton method”, SIAM Journal on Optimization, 13(3), 2003, pp. 865-888.
[9] M. HinterMuller, Semismooth Newton Method and Applications,
Oberwolfach-Seminar on Mathematics of PDE-Constrained
Optimization, November 2010.
(BBT nhận bài: 12/6/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/8/2017)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 99
ĐỊNH LIỀU CHIẾU TRONG ĐỐI VỚI 131I TỪ MẪU KHÔNG KHÍ
VÀ LỊCH SỬ PHƠI CHIẾU
ASSESSMENT OF INTERNAL DOSE FOR I-131 USING AIR SAMPLE AND
EXPOSURE PATTERN
Trần Xuân Hồi1*, Huỳnh Trúc Phương2, Nguyễn Văn Hùng3 1Trường Đại học Phú Yên; [email protected]
2Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh 3Trung tâm Đào tạo - Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt
Tóm tắt - Nghiên cứu này hướng đến việc đánh giá liều chiếu trong bằng phép lấy mẫu không khí đối với hơi 131I cho từng cá nhân tham gia sản xuất đồng vị 131I tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu này gồm máy lấy mẫu khí xách tay, hệ phổ kế gamma phông thấp và điện thoại thông minh. Kết quả cho thấy liều chiếu trong là khá thấp và khác nhau đáng kể giữa các nhân viên. Hơn nữa, bài báo cũng cho thấy rằng kết quả định liều từ mẫu không khí và từ phân tích nước tiểu có mối tương quan không cao, đặc biệt đối với các trường hợp có liều lớn hơn 1 mSv. Tuy nhiên, phương pháp định liều từ mẫu không khí này chỉ hạn chế với số lượng đối tượng ít và phạm vi nghiên cứu là trong nhà.
Abstract - This paper focuses on the assessment of individual internal dose of 131I using air sampling for workers involved in radioisotope production at Dalat Nuclear Research Institute. The main devices used in this research include the portable air sampler, low-background gamma spectrometry and the smart phone. The results show that all the dose has been classified at no or low risk and there is a wide range of internal dose among the workers. Moreover, the paper indicates that the doses estimated from air sample have had no-high correlation with those from urine analysis, especially for doses lower than 1 mSv. However, this air method can be done as an individual monitoring for a small group in indoor areas.
Từ khóa - liều chiếu trong; I-131; mẫu không khí; phân tích nước tiểu; phơi chiếu.
Key words - internal dose; I-131; air sample; urine analysis; exposure.
1. Mở đầu
Trong số các đồng vị được sử dụng trong y học thì 131I là
một đồng vị phóng xạ được dùng nhiều trong chẩn đoán và
điều trị các bệnh về tuyến giáp [2]. Đồng vị này thường được
sản xuất bằng phương pháp chưng cất khô sản phẩm telua
điôxit được chiếu xạ nơtron từ lò phản ứng hạt nhân [1].
Khi tiến hành sản xuất thì một lượng đáng kể 131I dạng
hơi phát tán ra không khí xung quanh và gây ra phơi nhiễm
trong cho nhân viên bức xạ (NVBX) [1]. Do đó, các nhân
viên thao tác trên các đồng vị phóng xạ với hoạt độ lớn phải
được đánh giá liều [6, 10].
Tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân (NCHN) Đà Lạt, hàng
chục Ci sản lượng đồng vị 131I được sản xuất hàng tháng để
cung cấp cho các cơ sở y học hạt nhân trên toàn quốc [4].
Theo các báo cáo về an toàn bức xạ của Viện thì nồng độ 131I trong không khí ở khu vực này là khá cao so với mức
cho phép của Tiêu chuẩn Việt Nam. Tuy nhiên, chỉ có phép
phân tích nước tiểu được áp dụng tại đây để đánh giá liều
chiếu trong (LCT) cho các nhân viên [15]. Trong khi đó,
theo Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Phóng xạ (ICRP) thì đánh
giá liều từ mẫu không khí là một trong số các phương pháp
được khuyên dùng [12].
Có nhiều bài báo đã công bố về định LCT cá nhân từ
mẫu không khí. Trong đó, dữ liệu về thời gian phơi chiếu
hầu hết được lấy từ việc ghi nhật ký, sử dụng hệ thống định
vị toàn cầu hoặc thông qua phỏng vấn. Các nghiên cứu này
quan tâm đến phạm vi di chuyển rộng của các đối tượng.
Đối với phạm di chuyển vi hẹp như trong các tòa nhà thì
các nghiên cứu đã công bố thường quan tâm đến liều tập
thể hoặc liều cho một số nhóm đối tượng mà không chỉ ra
liều tính riêng cho cá nhân đối tượng nào.
Do đó, nghiên cứu này hướng đến việc định LCT cá nhân
do hít phải không khí có chứa 131I. Đối tượng là các NVBX
làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu và Điều chế đồng vị
phóng xạ, Viện NCHN Đà Lạt. Phạm vi lấy mẫu để đánh giá
phơi chiếu 131I giới hạn trong các phòng sản xuất đồng vị.
Thiết bị sử dụng bao gồm điện thoại, máy lấy mẫu khí và hệ
phổ kế gamma HPGe. Kết quả định liều được so sánh với
kết quả từ phép phân tích nước tiểu cùng thời điểm và đối
tượng.
2. Phương pháp và thiết bị
2.1. Thiết bị
Thiết bị sử dụng để hút không khí qua phin lọc trong
nghiên cứu này là một máy lấy mẫu khí loại xách tay
RAS-1 do hãng Thermo Fisher Scientific Inc. sản xuất.
Phin lọc được sử dụng là loại phin lọc chuyên dụng TC-12
cho bắt giữ i-ốt, do hãng HI-Q sản xuất. Hệ phổ kế gamma
phông thấp tại Trung tâm An toàn bức xạ, Viện NCHN Đà
Lạt được sử dụng để đo đếm hoạt độ của các mẫu trong
nghiên cứu này. Hệ phổ kế này sử dụng đầu dò HPGe
Oxford CPVDS30-30185 với hiệu suất tương đối là 33,4%,
buồng chì Canberra 747E và phần mềm phân tích xung PC
Multiport 16K.
Để thu được dữ liệu về các vị trí chiếm cứ theo thời gian
thực được trải qua bởi các đối tượng, nghiên cứu này dùng
một ứng dụng cảm biến chuyển động có tên là Motion
Recorder. Ứng dụng này chạy trên hệ điều hành Symbian
với kích thước sau cài đặt là 76 kB.
2.2. Bố trí thực nghiệm
2.2.1. Lấy mẫu không khí
Khu vực sản xuất 131I của Viện NCHN Đà Lạt gồm có
3 phòng liên tiếp và thông với nhau. Chức năng của Phòng
1 là chưng cất, Phòng 2 là phân liều và Phòng 3 là hủy mẫu.
Đặc điểm chung của các phòng này là không có cửa sổ, hệ
thống thông gió hoạt động liên tục trong quá trình diễn ra
[11] ICRP, Individual Monitoring for Internal Exposure of Workers (Part
1), ICRP Publication 78, Ann. ICRP 27, 1997.
[12] ICRP, Occupational Intakes of Radionuclides: Part 1, ICRP
Publication 130, Ann. ICRP 44(2), 2015.
[13] Klepeis N.E., “Modeling human exposure to air pollution”, Human
exposure analysis, 2006, pp. 445-470.
[14] Ott W.R., “Concepts of human exposure to air pollution”,
Environment International, 7, 1982, pp. 179-196.
[15] Nguyễn Văn Hùng, Nghiên cứu định liều chiếu trong trên cơ sở
phương pháp đo toàn thân và phân tích nước tiểu người, Luận án
Tiến sĩ, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, Hà Nội, 2003.
(BBT nhận bài: 21/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 11/08/2017)
104 Giang Thị Kim Liên, Đào Hùng Cường
MÔT SÔ NGHIÊN CƯU VÊ THANH PHÂN HOA HOC CUA TINH DẦU VỐI
VÀ DỊCH CHIẾT N-HEXANE CỦA LÁ VÀ NỤ CÂY VỐI
THU HAI Ơ TINH QUẢNG NAM, VIÊT NAM
PRIMARY STUDY ON CHEMICAL COMPOUNDS OF THE ESSENTIAL OIL
AND N-HEXANE EXTRACT OF CLEISTOCALYX OPERCULATUS
FROM QUANGNAM VIETNAM
Giang Thị Kim Liên1, Đào Hùng Cường2 1Đại học Đà Nẵng; [email protected] 2Trương Đai hoc Sư pham - Đai hoc Đa Năng
Tóm tắt - Tinh dâu lá vối thu đươc băng phương phap chưng cât lôi cuôn hơi nươc, thanh phân cua tinh dâu đươc xac đinh băng phương phap GC-MS, cac câu tư chinh gôm: junipene (58,32%), sau đó đến α-humulene (11,07%), α-amorphene (7,47%). Dịch chiết n-hexane của lá và nụ vối thể hiện hoạt tính kháng sinh tốt. Thanh phân hoa hoc cua dich chiết n-hexane đươc phân tich sơ bô bằng phương phap GC-MS, đa đinh danh đươc 14 câu tư. Đông thơi, tư 1 phân đoan cua dịch chiết này đa phân lâp đươc câu tư H2 tinh sach. Băng viêc phôi hơp cac phương pháp phổ: phổ cộng hưởng từ hạt nhân môt chiêu (1H-NMR), (13C-NMR), hai chiêu HMBC, HSQC va so sanh vơi tai liêu tham khao, cấu trúc cua H2 đa đươc xac đinh la 2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy - 3’, 5’ - dimethyl chalcone. Theo tra cưu tai liêu tham khao, chất này lần đầu tiên được phân lập từ cây vối Việt Nam.
Abstract - The essential oil of the Cleistocalyx operculatus (Roxb). Merr.et Perry., obtained by the steam distillation method contains these main components: junipene (58.32%), α-humulene (11.07%) and α-amorphene (7.47%), and other components that have been identified or not. The n-hexane extract from Cleistocalyx operculatus has been shown to have high antibacterial activity. The constituents of this extract have been investigated using GC/MS. 14 components have been identified and some other components have not been identified. Also, from this extract the compound H2 (2’, 4’ - dihydroxy - 6’ - methoxy - 3’, 5’ - dimethyl chalcone) has been isolated and its structure has also been determined using spectroscopic methods (1D and 2D-HMBC, HSQC-NMR) and compared with reported data. According to references, it is the first time this compound has been isolated from Cleistocalyx operculatus (Roxb). Merr.et Perry.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 1 109
XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG PHÂN TỬ CỦA MỘT SỐ THÀNH PHẦN TRONG
NỌC RẮN CẠP NONG BUNGARUS FASCIATUS BẰNG
PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO
DETERMINATION OF MOLECULAR WEIGHT OF SOME COMPONENTS IN
BUNGARUS FASCIATUS SNAKE VENOM BY HIGH RESOLUTION
MASS SPECTROMETRY
Trần Vũ Thiên1,2, Hoàng Ngọc Anh1, Nguyễn Văn Minh Khôi3, Lê Ngọc Hùng3,
Phùng Văn Trung4, Lê Minh Hà5* 1Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng; 2Học viện Khoa học và Công nghệ;
3Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao công nghệ; 4Viện Công nghệ Hóa học; 5Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; [email protected]
Tóm tắt - Nọc rắn gồm sự kết hợp của nhiều thành phần khác nhau như protein, peptide, enzyme và các độc tố. Ở Việt Nam, nọc rắn B. fasciatus chứa phospholipase A2 là thành phần chính (71%), sau đó là oxidase của L-amino acids (8%), acetylcholinesterase (5%), metalloproteinase (4%) và độc tố ba ngón tay (1%). Trong nghiên cứu này, từ nọc độc của loài rắn B. fasciatus, nhóm tác giả đã tiến hành phân tách thành 5 phân đoạn bằng phương pháp sắc ký cột trên Superdex HR 75. Khối lượng phân tử của protein của 3 phân đoạn (3, 4 và 5) được xác định bằng phương pháp phổ khối lượng phân giải cao (HRMS). Kết quả cho thấy, khối lượng phân tử của phân đoạn 3 (BF3) chủ yếu ở vùng 13 kDa (13 007, 13 155, 13 241), phân đoạn 4 (BF4) trong khoảng 6,8 - 7,4 kDa (6812, 6998, 7048, 7271, 7470) và 13 kDa, phân đoạn 5 (BF5) trong vùng 6,6 - 6,8 kDa (6668, 6796, 6859), 7,4 - 7,6 kDa (7445, 7655) và 13 kDa. Đây là các phân đoạn có chứa các toxin quan trọng có hoạt tính chống đông máu trong nọc rắn cạp nong.
Abstract - Snake venoms are cocktails comprising combinations of different proteins, peptides, enzymes and toxins. B. fasciatus venom in Vietnam shows that phospholipase A2 is the main component (71%), followed by oxidase of L-amino acids (8%), acetylcholinesterase (5%), metalloproteinases (4%) and three finger toxins (1%). In this study, we separate the crude venom of Vietnam Bungarus fasciatus, into five fractions by column chromatography on Superdex HR 75. The molecular mass of three fractions (3, 4 and 5) is identified by High Resolution Mass Spectrometry (HRMS). Molecular mass of fraction 3 (BF3) is mainly in the region of 13 kDa (13 007, 13 155, 13 241), fraction 4 (BF4) is in the region of 6.8 – 7.4 kDa (6812, 6998, 7048, 7271, 7470) and 13 kDa, while fraction 5 (BF5) is in the region of 6.6 – 6.8 kDa (6668, 6796, 6859), 7.4 – 7.6 kDa (7445, 7655) and 13 kDa. These fractions contain the important toxin that has anti-coagulant activity in the snake venoms.
Từ khóa - nọc rắn; Bungarus fasciatus; sắc ký; phổ khối phân giải cao; khối lượng phân tử.
Key words - snake venom; Bungarus fasciatus; protein; High Resolution Mass Spectrometry (HRMS); molecular mass.
1. Đặt vấn đề
Rắn cạp nong có tên khoa học Bungarus fasciatus, là
loại rắn độc thuộc họ Elapidae. Loài rắn này thường phân
bố ở vùng Đông Dương, các bán đảo và quần đảo của
Malaysia và miền Nam, Trung Quốc [1]. Tại Việt Nam, rắn
cạp nong Bungarus fasciatus phổ biến khắp nơi, từ đồng
bằng, trung du đến miền núi.
Nọc rắn cạp nong có độc tính đối với hệ thần kinh và
hiệu lực của nó cao hơn nhiều lần so với nọc rắn hổ mang
[2]. Nọc của chúng thường gây ra tình trạng suy hô hấp đối
với nạn nhân và dẫn đến tử vong. Từ nọc rắn cạp nong,
người ta đã phân lập các neurotoxin khác nhau trong đó có
các alfa-neurotoxin như alfa-bungarotoxin, cũng như k-
bungarotoxin và beta-bungarotoxin [3]. Hai loại toxin đầu
thuộc họ toxin ba ngón tay, còn loại cuối thuộc họ
heterodimer phospholipaza A2. Một số toxin tách ra có tính
kháng viêm giảm đau [4]. Ngoài ra người ta còn tách ra
một loạt protein có những hoạt tính enzyme khác nhau.
Tiếp theo những nghiên cứu về nọc rắn cạp nong
B. fasciatus, trong bài báo này nhóm tác giả trình bày việc
khảo sát và xác định khối lượng phân tử (KLPT) của một
số phân đoạn protein tách ra từ nọc rắn cạp nong phân bố
ở miền Nam (Đồng Tâm, Tiền Giang), dựa trên phương
pháp khối phổ phân giải cao.
2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên liệu
Nọc rắn cạp nong (B. fasciatus) được thu từ trại rắn Đồng
Tâm, Tiền Giang, Việt Nam. Nọc rắn được lấy bằng cách để
rắn cắn vào đĩa petri, dùng tay xoa bóp nhẹ vào hai tuyến nọc
ở sau tai, nọc sẽ chảy vào đĩa. Sau đó, nọc được đem đông khô
và giữ ở -20°C cho đến khi tiến hành nghiên cứu.
2.2. Phương pháp tách các phân đoạn của nọc rắn cạp
nong bằng sắc ký trên cột Superdex HR75
Nọc rắn cạp nong (B. fasciatus) được phân tách bằng
phương pháp lọc gel trên máy HPLC 1050, đầu dò UV ở
nhiệt độ phòng với cột Superdex HR75 (1 x 50 cm). Cột đã
được cân bằng trước trong đệm amonium axetat 0,1 M
(pH 6,2). Lượng nọc chạy mỗi lần 30 mg, tốc độ rửa cột
0,5 ml/phút. Sự có mặt của protein trong các phân đoạn
được xác định bằng mật độ quang tại bước sóng 280 nm.
2.3. Khảo sát khối lượng phân tử các phân đoạn của
nọc rắn cạp nong bằng phương pháp khối phổ phân
giải cao
Các protein được nhận diện bằng phương pháp khối
phổ phân giải cao với mảnh ion khối phổ đo được cao nhất
là m/z 3.000 bởi hệ thống Q Exactive Focus Orbitrap MS
(Thermo Scientific), sử dụng nguồn ion hóa H-ESI (heated