Vật lí với giáo dục về bảo vệ môi trường

Cho năm nguồn năng lượng tái tạo sau:
(1) địa nhiệt.
(2) thuỷ điện.
(3) điện mặt trời.
(4) năng lượng thuỷ triều.
(5) năng lượng sinh khối.
Có bao nhiêu nguồn bắt nguồn từ Mặt Trời?

Thiết bị $160\ \text{W}$ được thay bằng loại có công suất nhỏ hơn $70\%$. Tính công suất thiết bị mới.

Xét vấn đề môi trường: ô nhiễm tiếng ồn.

Phát biểu nào sau đây đúng về bảo vệ môi trường?

Một hộ gia đình dùng $299\ \text{kWh}$ điện trong tháng, biết mỗi kilôoát giờ ứng với $0,7\ \text{kg}$ khí cacbonic. Lượng khí cacbonic phát thải bằng

Phát biểu nào sau đây đúng về năng lượng tái tạo?

Thay thiết bị $90\ \text{W}$ bằng thiết bị tiết kiệm hơn, công suất giảm $70\%$. Công suất thiết bị mới bằng

Phát biểu nào sau đây đúng về tác động của việc sử dụng năng lượng?

Xét giải pháp “lắp bình nước nóng năng lượng mặt trời”; một thiết bị $120\ \text{W}$ được thay bằng loại $48\ \text{W}$, chạy $4$ giờ mỗi ngày.

Lượng phát thải $144\ \text{kg}$ khí cacbonic bằng bao nhiêu tấn? (làm tròn đến hàng phần mười).

Thiết bị $60\ \text{W}$ chạy $12$ giờ mỗi ngày. Tính điện năng tiêu thụ mỗi ngày theo kilôoát giờ.

Phát biểu nào sau đây đúng về biến đổi khí hậu?

Thiết bị chạy $10$ giờ mỗi ngày. Thay $110\ \text{W}$ bằng $55\ \text{W}$ thì mỗi ngày tiết kiệm được

Cho năm phát biểu về hiệu ứng nhà kính và nhiên liệu hoá thạch:
(1) Hiệu ứng nhà kính là hiện tượng hoàn toàn có hại, cần loại bỏ.
(2) Khí cacbonic là chất gây ô nhiễm duy nhất khi đốt than.
(3) Khí nhà kính trong suốt với ánh sáng nhìn thấy nhưng hấp thụ mạnh bức xạ hồng ngoại.
(4) Đốt nhiên liệu hoá thạch đưa cacbon đã bị chôn vùi hàng triệu năm trở lại khí quyển.
(5) Khí nhà kính chặn ánh sáng Mặt Trời không cho vào khí quyển.
Có bao nhiêu phát biểu đúng?

Thay thiết bị $80\ \text{W}$ bằng $16\ \text{W}$, chạy $9$ giờ mỗi ngày. Tính điện năng tiết kiệm mỗi ngày theo kilôoát giờ (làm tròn đến hàng phần trăm).

Một trạm quan trắc trên đảo dùng mô-đun mặt trời, turbine gió và pin lưu trữ, phải cấp điện **liên tục** cho phụ tải suốt ngày. Ngày chia thành $6$ block, mỗi block $\Delta t = 4$ h. Hai kịch bản thời tiết phải cùng vượt qua: **KB1** — nhiều mây, gió mạnh; **KB2** — nắng, lặng gió. Năng lượng theo block (kWh):
<table><tr><th>Block $k$</th><th>$1$</th><th>$2$</th><th>$3$</th><th>$4$</th><th>$5$</th><th>$6$</th></tr><tr><td>Giờ trong ngày</td><td>$0$–$4$</td><td>$4$–$8$</td><td>$8$–$12$</td><td>$12$–$16$</td><td>$16$–$20$</td><td>$20$–$24$</td></tr><tr><td>Phụ tải $D_k$ (kWh)</td><td>$3{,}4$</td><td>$2{,}6$</td><td>$3{,}8$</td><td>$4{,}3$</td><td>$5{,}8$</td><td>$4{,}4$</td></tr><tr><td>$E_{s,k}$ mỗi mô-đun, KB1 (kWh)</td><td>$0$</td><td>$0{,}2$</td><td>$0{,}6$</td><td>$0{,}7$</td><td>$0{,}1$</td><td>$0$</td></tr><tr><td>$E_{w,k}$ mỗi turbine, KB1 (kWh)</td><td>$1{,}2$</td><td>$1{,}6$</td><td>$0{,}8$</td><td>$0{,}9$</td><td>$1{,}3$</td><td>$1{,}7$</td></tr><tr><td>$E_{s,k}$ mỗi mô-đun, KB2 (kWh)</td><td>$0$</td><td>$0{,}6$</td><td>$1{,}6$</td><td>$1{,}7$</td><td>$0{,}7$</td><td>$0$</td></tr><tr><td>$E_{w,k}$ mỗi turbine, KB2 (kWh)</td><td>$0{,}1$</td><td>$0{,}4$</td><td>$0{,}2$</td><td>$0{,}1$</td><td>$0{,}2$</td><td>$0{,}3$</td></tr></table>
Mỗi pin có dung lượng $C = 5$ kWh, công suất nạp tối đa $0{,}5$ kW và xả tối đa $0{,}6$ kW; với $N_b$ pin, $B = N_b C$, còn $P_c$, $P_d$ nhân theo $N_b$. Hiệu suất nạp $\eta_c = 0{,}9$, hiệu suất xả $\eta_d = 0{,}9$. Mỗi kịch bản bắt đầu với $S_0 = s_0 B$, $s_0 = 0{,}5$, và phải kết thúc với $S_{end} \ge s_{min}B$, $s_{min} = 0{,}3$.
**Quy ước phía thanh cái, dùng đúng như in.** Trong block $k$: $G_k = N_s E_{s,k} + N_w E_{w,k}$; điện nhận từ thanh cái để nạp $c_k = \min\left(\left[G_k - D_k\right]_+;\ P_c\Delta t;\ \dfrac{B - S_k}{\eta_c}\right)$; điện pin giao ra thanh cái $d_k = \min\left(\left[D_k - G_k\right]_+;\ P_d\Delta t;\ \eta_d S_k\right)$; $S_{k+1} = S_k + \eta_c c_k - d_k/\eta_d$; điện thiếu $u_k = \left[D_k - G_k\right]_+ - d_k$ và điện cắt bỏ $x_k = \left[G_k - D_k\right]_+ - c_k$. Cấu hình **đạt** khi $u_k = 0$ ở mọi block của cả hai kịch bản và $S_{end} \ge s_{min}B$ ở cả hai.
Năm cấu hình được phép, chi phí tính bằng trăm nghìn đồng (mô-đun $55$, turbine $260$, pin $135$ mỗi chiếc):
<table><tr><th>Cấu hình</th><th>$N_s$</th><th>$N_w$</th><th>$N_b$</th><th>$B$ (kWh)</th><th>$P_c\Delta t$ (kWh)</th><th>$P_d\Delta t$ (kWh)</th><th>Chi phí (trăm nghìn đ)</th></tr><tr><td>$H_1$</td><td>$12$</td><td>$1$</td><td>$1$</td><td>$5$</td><td>$2$</td><td>$2{,}4$</td><td>$1055$</td></tr><tr><td>$H_2$</td><td>$8$</td><td>$1$</td><td>$3$</td><td>$15$</td><td>$6$</td><td>$7{,}2$</td><td>$1105$</td></tr><tr><td>$H_3$</td><td>$6$</td><td>$2$</td><td>$2$</td><td>$10$</td><td>$4$</td><td>$4{,}8$</td><td>$1120$</td></tr><tr><td>$H_4$</td><td>$6$</td><td>$2$</td><td>$3$</td><td>$15$</td><td>$6$</td><td>$7{,}2$</td><td>$1255$</td></tr><tr><td>$H_5$</td><td>$10$</td><td>$3$</td><td>$4$</td><td>$20$</td><td>$8$</td><td>$9{,}6$</td><td>$1870$</td></tr></table>
Trong năm cấu hình, chọn cấu hình rẻ nhất cấp điện liên tục qua **cả hai** kịch bản và kết thúc ngày với mức sạc tối thiểu; ghi tổng chi phí của nó (đơn vị trăm nghìn đồng).

Một trường có $N = 230$ bộ đèn ống cũ; công suất điện **đầu vào** của mỗi bộ đo được tại lưới (đã gồm chấn lưu) là $P_{\text{cũ}} = 59$ W. Lịch chiếu sáng: $199$ ngày học mỗi năm, mỗi ngày $8$ giờ; $67$ ngày khác mỗi năm, mỗi ngày $2$ giờ.
Ba gói cải tạo được cân nhắc, mỗi gói thay **toàn bộ** $N$ bộ đèn bằng đèn LED. Công suất ghi trên đèn mới là **công suất tải**; bộ nguồn (driver) có hiệu suất $\eta$, nên công suất lấy từ lưới của mỗi đèn mới là $P_{\text{tải}}/\eta$. Gói có cảm biến hiện diện chỉ bật đèn một phần thời gian của lịch trên: điện năng nhân với **hệ số sử dụng** $f$; hệ cũ không có cảm biến.
<table><tr><th>Gói</th><th>Công suất tải mỗi đèn mới</th><th>Hiệu suất bộ nguồn</th><th>Cảm biến hiện diện</th><th>Đầu tư</th><th>Chênh lệch chi phí vận hành hằng năm</th></tr><tr><td>$A$</td><td>$22$ W</td><td>$87\,\%$</td><td>không</td><td>$58$ triệu đồng</td><td>$-2$ triệu đồng/năm</td></tr><tr><td>$B$</td><td>$15$ W</td><td>$91\,\%$</td><td>có, hệ số sử dụng $f = 0{,}55$</td><td>$101$ triệu đồng</td><td>$+4$ triệu đồng/năm</td></tr><tr><td>$C$</td><td>$24$ W</td><td>$90\,\%$</td><td>có, hệ số sử dụng $f = 0{,}68$</td><td>$157$ triệu đồng</td><td>$+5$ triệu đồng/năm</td></tr></table>
Chênh lệch chi phí vận hành ghi dấu $+$ nghĩa là hệ mới **tốn thêm** mỗi năm (bảo trì cảm biến), dấu $-$ nghĩa là rẻ hơn.
Giá điện $2400$ đồng/kWh. Hệ số phát thải của lưới: $0{,}67$ kg CO$_2$e mỗi kWh (chỉ dùng để so ngưỡng). Mục tiêu môi trường của trường: mỗi năm giảm **ít nhất** $9990$ kg CO$_2$e so với hệ cũ.
Quy ước hoàn vốn đơn giản: tiền tiết kiệm ròng năm $=$ tiền điện giảm $-$ chi phí vận hành tăng thêm, coi như chia đều $12$ tháng; thời gian hoàn vốn là số tháng nguyên nhỏ nhất mà tổng tiết kiệm ròng đã bù xong vốn đầu tư.
Trong các gói đạt mục tiêu môi trường, chọn gói có thời gian hoàn vốn ngắn nhất; ghi số tháng nguyên nhỏ nhất để hoàn vốn của gói ấy.