Nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà máy điện năng lượng mặt trời tại tỉnh ninh thuận 1

Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt tr i dùng gương parapol trụ, dầu tổng hợp làm dung môi truyền nhiệt ..... Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt tr i dùng gương parapol

Tựa

Quyết định giao đề tài luận văn tốt nghiệp

Lý lịch khoa học

Xác nhận c a cán bộ hướng dẫn

L i cam đoan i

L i c m ơn ii

Tóm tắt luận văn iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh sách các hình viii

Danh sách các b ng ix

Chương I: Tổng quan 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên c u 2

1.3 Nhu cầu năng lượng thế giới 2

1.4 Các kết qu nghiên c u trong và ngoài nước 4

1.4.1 Kết qu nghiên c u và ng dụng trên thế giới 4

1.4.2 Kết qu nghiên c u và ng dụng t i Việt Nam 5

1.5 Mục tiêu và giới h n c a đề tài 6

1.6 Phương pháp nghiên c u 6

1.7 Nội dung luận văn 6

Chương II: Cơ sở lý thuyết 8

2.1 Mặt tr i, cấu t o c a mặt tr i 8

2.2 Các ph n ng h t nhân trong mặt tr i 10

2.2.1 Ph n ng tổng hợp h t nhân Hêli 10

2.2.2 Ph n ng tổng hợp Cácbon và các nguyên tố khác 11

2.3 B n chất c a b c x mặt tr i 12

2.4 Các thành phần b c x mặt tr i tới bộ thu 14

2.5 Công nghệ điện mặt tr i 14

2.5.1 Công nghệ nhiệt mặt tr i nhiệt độ thấp 14

2.5.2 Công nghệ nhiệt mặt tr i nhiệt độ cao 15

2.6 Tuabin hơi nước 16

2.6.1 Sơ lược về tuabin hơi 16

2.6.2 Nguyên lý làm việc c a tuabin hơi 17

2.7 Chu trình Rankine 18

Chương III: Bức xạ mặt trời và bộ thu bức xạ mặt trời 20

3.1 Năng lượng b c x mặt tr i 20

3.2 Tổng cư ng độ b c x mặt tr i lên bề mặt trên Trái đất 24

3.3 B c x mặt tr i truyền qua kính 26

3.4 Đo cư ng độ b c x mặt tr i 27

3.5 Các lo i gương ph n x năng lượng mặt tr i 27

Chương IV: Khảo sát, đánh giá lựa chọn công nghệ nhà máy điện mặt trời 32

4.1 Đánh giá chung về thuận lợi t i tỉnh Ninh Thuận trong việc lắp đặt nhà máy điện mặt tr i 32

4.1.1 Gi i thích một số thuật ngữ, nội dung và phương pháp tính một số chỉ tiêu thống kê khí hậu 32

4.1.2 Điều kiện thuận lợi phát triển năng lượng mặt tr i t i Ninh Thuận 33

4.2 Lựa chọn vị trí lắp đặt, công suất nhà máy 35

4.2.1.Lựa chọn vị trí lắp đặt 35

4.2.2 Lựa chọn công suất nhà máy 35

4.β.γ.Tính toán lượng hơi cần thiết để cung cấp cho tuabin 36

4.3 Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt tr i dùng gương parapol trụ, dầu tổng hợp làm dung môi truyền nhiệt 38

4.3.1 Nguyên lý ho t động c a nhà máy 38

4.3.4 Hệ thống dự trữ nhiệt vào ban đêm 42

4.4 Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt tr i dùng gương parapol trụ làm bộ thu, hỗn hợp muối nóng ch y làm dung môi truyền nhiệt 44

4.5 Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt tr i dùng gương phẳng 47

4.5.1 Nguyên lý ho t động 47

4.5.2 Năng lượng mặt tr i do bộ thu hấp thụ 47

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài 50

5.1 Kết luận 50

5.1.1.Các kết qu đ t được trong đề tài 50

5.1.2.Các h n chế trong đề tài 50

5.2 Hướng phát triển c a đề tài 50

Tài liệu tham kh o 51

Phụ lục 52

Hình 1.1μ Tỉ lệ nguồn năng lượng trên thế giới năm β006 (nguồn IEA, β008) 3

Hình 1.β Nhu cầu năng lượng thế giới từ 1λ80 và dự báo đến nămβ0γ0 4

Hình 2.1 Bề ngoài c a mặt tr i 8

Hình 2.2 Cấu trúc c a mặt tr i 9

Hình 2.3 nh hư ng chuyển động qu đất lên b c x mặt tr i tới trái đất 13

Hình 2.4 Các thành phần b c x mặt tr i tới bộ thu 14

Hình 2.5 : Hộp thu năng lượng mặt tr i hiệu ng nhà kính 15

Hình 2.6 : Nhà máy nhiệt điện mặt tr i sử dụng đĩa parapol 16

Hình 2.7: Nhà máy nhiệt điện mặt tr i sử máng parapol 16

Hình β.8μ Sơ đồ nguyên lý làm việc c a tuabin hơi 17

Hình 2.9: Chu trình Rankine 18

Hình 3.1 Dãi b c x điện từ 20

Hình 3.2 Góc nhìn mặt tr i 21

Hình γ.γ Quá trình truyền năng lượng b c x mặt tr i qua lớp khí quyển c a trái đất 23

Hình γ.4 Phân bố E0λλ c a mặt tr i 23

Hình γ.5 Sơ đồ phân bố các thành phần b c x khếch tán 25

Hình 3.6 Hiệu ng lồng kính 26

Hình γ.7 aμ Máy đo b c x nhiệt SL β00 27

Hình γ.7 bμ Máy đo b c x nhiệt G-3202-18 27

Hình 3.8 Hệ gương và mặt thu 29

Hình γ.λ Gương phẳng 30

Hình 3.10 Gương parabol trụ - khai triển và tính toán 31

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý chu trình Rankine 36

Hình 4.β Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy điện mặt tr i sử dụng máng parapol trụ 38

Hình 4.3 Collector parapol trụ 39

Hình 4.4 Lắp đặt các máng parapol trụ 44 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy điện mặt tr i sử dụng gương phẳng 47

B ng 1.1: Tình hình phát triển điện mặt tr i trên thế giới 5

B ng 4.1 Thống kê số gi nắng các tháng trong năm từ 2008 – 2012 33

B ng 4.2 Thống kê nhiệt độ không khí trung bình các tháng trong năm từ 2008 - 2012 33

và trong tương lai đang và sẽ tăng cư ng khai thác các nguồn năng lượng s ch có

tiềm năng lớn và dồi dào trong tự nhiên như năng lượng mặt tr i, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng gió, biogas

Năng lượng mặt tr i là năng lượng được t o ra từ ánh sáng mặt tr i Nguồn năng lượng này có thể tái t o được và gần như vô tận đối với con ngư i, không gây ô nhiễm môi trư ng

Trong khi các d ng năng lượng truyền thống ngày càng c n kiệt và các cuộc kh ng

ho ng về năng lượng diễn ra ngày càng nặng nề, thì việc nghiên c u nhằm khai thác các nguồn năng lượng có thể tái t o đã được chú ý phát triển Các d ng năng lượng tái t o đang được nghiên c u phát triển hiện nay là năng lượng mặt tr i, năng lượng sinh khối (chất đốt thực vật, khí biogas…), năng lượng gió, năng lượng nước (thuỷ năng),vv Về thực chất, các d ng năng lượng tái t o đều có xuất x từ năng lượng

mặt tr i Đến nay, năng lượng tái t o phát triển nhanh nhất thế giới có ng dụng

hiệu qu vào đ i sống là điện mặt tr i với tốc độ tăng trư ng bình quân hằng năm là 60% ch yếu Nhật B n, Đ c và Mỹ

T i ViệtNam, theo các nhà nghiên c u trên thế giới, ViệtNamcó tiềm năng rất lớn

về năng lượng mặt tr i Cư ng độ b c x mặt tr i trung bình ngày trong năm phía

Bắc là 3,69KWh/1m2và phía Nam là 5,9KWh/1m2, số gi gi nắng trong một năm

miền Bắc kho ng 1.600h và miền Nam kho ng β.600h Điện lưới quốc gia ngày

càng quá t i trong việc cung cấp điện kinh doanh và cho sinh ho t bình thư ng Thiếu điện dẫn đến cắt điện luân phiên và việc tăng giá điện đã gây nh hư ng không nhỏ tới cuộc sống c a ngư i dân nói riêng cũng như ho t động s n xuất kinh doanh nói chung Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt tr i dồi dào vô tận đang tr thành vấn đề mà ngư i dân và doanh nghiệp đã bắt đầu quan tâm

1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Ninh Thuận có khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với đặc trưng khô nóng, gió nhiều, bốc hơi m nh, nhiệt độ trung bình hàng năm từ 26-270C Tỉnh Ninh Thuận có

cư ng độ chiếu x mặt tr i lớn, th i gian chiếu sáng dài và đồng đều nên có điều kiện tiếp nhận hàng năm một lượng b c x mặt tr i rất lớn: trên 190 kcal/cm2, trong

đó tháng ít nhất cũng 14 kcal/cm2 Số gi nắng trung bình c năm trong kho ng 2.600-2.800 h, tổng nhiệt độ trong năm kho ng 9.500 - 10.0000oC, phân bố tương đối điều hòa quanh năm Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói hơn λ0% số ngày trong năm có thể sử dụng được năng lượng mặt tr i Số tháng nắng trong nămμ λ tháng/năm (tương đương 200 ngày nắng/năm) Vì vậy, tỉnh Ninh Thuận là một trong những tỉnh có tiềm năng năng lượng mặt tr i lớn, rất thuận lợi cho việc xây dựng nhà máy điện năng lượng mặt tr i

Nhiệm vụ chính c a đề tài này là nghiên c u công nghệ xây dựng nhà máy điện năng lượng mặt tr i phù hợp nhất đặt t i tỉnh Ninh Thuận cụ thể là t i huyện Thuận Nam,

nhằm đáp ng nhu cầu điện năng cho các hộ dân đang sinh sống trên địa bàn huyện Trong đề tài này ngư i nghiên c u đã đưa ra ba công nghệ nhà máy điện mặt tr i khác nhau, sau đó tính toán, so sánh các số liệu có được để lựa chọn công nghệ phù

hợp nhất

1.3 Nhu cầu năng lượng thế giới

Hầu hết nhu cầu năng lượng c a thế giới được cung cấp b i nhiên liệu hóa th ch là dầu, khí đốt tự nhiên và than đá (hình 1.1) Việc cung cấp năng lượng chính trong năm β006 là hơn 80%, trong khi năng lượng tái t o vẫn chiếm một tỷ lệ nhỏ Nguồn

xuất, chuyển đổi các d ng năng lượng sẽ phát th i chất gây ô nhiễm, t o nên hiệu

ng nhà kính, tác động thay đổi khí hậu toàn cầu

Gi i quyết vấn đề tính bền vững và hữu ích Năm 1λ87 báo cáo Brundtland Uỷ ban Môi trư ng thế giới và Phát triển, gọi là “ tương lai c a chúng ta”, c nh báo thế giới tính cấp bách về việc cần ph i phát triển kinh tế đồng th i duy trì, không làm c n kiệt tài nguyên thiên nhiên hoặc thiệt h i môi trư ng Báo cáo cung cấp một tuyên

bố quan trọng về phát triển bền vững, xác định "phát triển đáp ng nhu cầu c a hiện

t i không nh hư ng đến kh năng c a các thế hệ tương lai”, Để đáp ng nhu cầu

đó, hệ thống năng lượng hiện nay không bền vững Chúng đã góp phần phát triển xã hội sau cuộc cách m ng công nghiệp và chịu trách nhiệm về các tiêu chuẩn sống hiện nay Điều đó sẽ gây ra suy gi m trong một vài thế kỷ tới, các nguồn tài nguyên quý giá được hình thành từ vài triệu năm trước

Nhu cầu năng lượng trên thế giới ngày càng tăng cao (hình 1.β), các nguồn tài nguyên

sẽ ngày càng c n kiệt, do đó con ngư i ph i tìm ra các nguồn năng lượng mới, phát triển bền vững, một trong các nguồn năng lượng đó là năng lượng mặt tr i

Hình 1.1: Tỉ lệ nguồn năng lượng trên thế giới năm 2006 (nguồn IEA, 2008)

Dầu FO Than đá Khí đốt Biomass và

rác th i H t nhân Th y điện nhiên liệu khác 0.0%

Hình 1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới từ 1980 và dự báo đến năm2030

1.4 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới

Điện mặt tr i được các nhà khoa học đề cập vào những năm đầu thập kỷ 70 Trong quá kh và hiện nay sử dụng năng lượng điện mặt tr i cho truyền thông vệ tinh, cho khu dân cư và t i là công nghiệp Mỹ, Nhật và một số nước Châu Âu nhưμ Đ c, Pháp…vv đã có nhiều nghiên c u cũng như xây dựng, đưa vào ho t động các nhà máy điện năng lượng mặt tr i với những công nghệ khác nhau

Công viên mặt tr i Okhotnikovo, to l c trên bán đ o Crimea, miền nam Ukraine, là nhà máy điện mặt tr i lớn nhất t i trung và đông Âu, s n xuất đ điện để cung cấp cho kho ng 20.000 hộ gia đình

Nhà máy điện mặt tr i Okhotnikovo rộng 160 héc-ta và bao gồm 560.000 tấm thu năng lượng mặt tr i Nhà máy, với công suất 80 MWp, đã hoàn thành giai đo n 1 và

2 hồi tháng 7/2011 và 3 và 4 hồi tháng 10 Nhà máy điện mặt tr i Okhotnikovo được xem là dự án xanh hàng đầu c a Ukraine Việc nhà máy Okhotnykovo đi vào

t động sẽ giúp gi m 80.000 tấn khí th i các-bon c a Ukraine mỗi năm

Q Btu

Để nắm rõ hơn về tình hình nghiên c u, ng dụng năng lượng mặt tr i trên thế giới

ta có thể kh o sát các số liệu dưới đây

B ảng 1.1: Tình hình phát triển điện mặt tr i trên thế giới

Điện năng s n xuất từ pin mặt tr i năm β010 toàn thế giới 47000 GWh

1.4.2 Kết quả nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam

Về vấn đề này hiện nay Việt Nam nói chung vẫn còn khá mới mẻ Trước đây thì nhà nước chưa quan tâm nhưng 5 năm tr l i đây thì có chuyển biến khá m nh

mẽ Từ đó có chính sách hổ trợ nghiên c u và đầu tư cho nguồn này Cũng do thiếu điện nên nay là cơ hội cho năng lượng tái t o phát triển Đầu tư cũng khá lớn như vay tiền ngân hàng thế giới, dự án ODA Phần Lan cung cấp điện mặt tr i cho kho ng 300 xã miền núi khó khăn, các xã vùng sâu vùng xa

Việc hợp tác với các Tổ ch c Phi chính ph trong lĩnh vực này cũng nhiều Hiện

tác trong lĩnh vực này, song song với việc quan hệ hợp tác với các tổ ch c trên thì trung tâm này còn thư ng xuyên nghiên c u và đưa vào lắp đặt nhiều dự án cung

cấp điện bằng những nguồn năng lượng tái t o t i hơn γ0 tỉnh thành trên c nước chưa có điện lưới quốc gia nhưμ Tỉnh Bắc Giang, Bình Định, Qu ng Trị vv

ng dụng nhiệt mặt tr i nước ta mới ch yếu là để thiết kế, s n xuất, lắp đặt các thiết bị đun nước nóng sinh ho t cho hộ gia đình, khách s n, trư ng học, bệnh viện, kho ng 1,5 triệu m2đã được lắp đặt

Theo thống kê c a Bộ công thương, tỉ lệ năng lượng tái t o t i nước ta tính đến năm

2007 chiếm kho ng 2.1% tổng công suất lắp đặt, trong đó năng lượng mặt tr i chiếm 0.008%

1.5 Mục tiêu và giới hạn của đề tài

Mục tiêu c a đề tài là đánh giá tiềm năng năng lượng mặt tr i t i tỉnh Ninh Thuận, nghiên c u công nghệ nhiệt điện năng lượng mặt tr i phù hợp áp dụng t i tỉnh Ninh Thuận Trong đó mục tiêu cụ thể là xác định công nghệ, tính toán công suất lắp đặt, xác định phương án lắp đặt nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt tr i t i huyện Thuận Nam tỉnh Ninh Thuận

Giới h n c a đề tài là chỉ mới kh o sát, tính toán được công suất cho nhà máy t i

một huyện, chưa tính toán được chi phí s n xuất

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên c u được sử dụng trong luận văn bao gồm:

- Kh o sát, phân tích tổng hợp

- Sử dụng các phương pháp thống kê để nghiên c u và phân tích dữ liệu

tr i, sau đó chọn lựa công nghệ phù hợp nhất đối với địa phương nghiên c u

1.7 Nội dung luận văn

Phần còn l i c a nội dung luận văn bao gồm:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày sơ lược lý thuyết mặt tr i, b c x mặt tr i, tua bin hơi nước

Chương 3 Bức x mặt trời và bộ thu bức x mặt trời

Chương này trình bày các tính chất, phương pháp xác định b c x năng lượng mặt

tr i Các bộ thu năng lượng mặt tr i

Chương 4 Kh o sát đánh giá, lựa chọn công nghệ nhà máy điện mặt trời

Chương này trình bày những điều kiện thuận lợi tỉnh Ninh Thuận để xây dựng nhà máy nhiệt điện mặt tr i Lựa chọn vị trí lắp đặt, các công nghệ nhà máy nhiệt điện mặt tr i khác nhau ng với mỗi công nghệ có sự so sánh và lựa chọn công nghệ phù hợp nhất

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương này trình bày các kết qu đ t được trong luận văn, các mặt h n chế và

hướng phát triển c a đề tài

Chương II

Cơ sở lý thuyết 2.1 Mặt trời, cấu tạo của mặt trời

Hình 2.1 B ề ngoài của mặt trời

Mặt tr i là một khối khí hình cầu có đư ng kính 1,390.106 km (lớn hơn 110

lần đư ng kính trái đất), cách xa trái đất 150106 km (bằng một đơn vị thiên văn

AU ánh sáng mặt tr i cần kho ng 8 phút để vượt qua kho ng này đến trái đất) Khối lượng mặt tr i kho ng Mo = 2.1030 kg Nhiệt độ t i trung tâm

mặt tr i thay đổi trong kho ng từ 10.106 K đến 20.106 K, trung bình kho ng

15600000 K nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thư ng gồm các nguyên tử và phân tử Nó tr thành plasma trong đó các h t nhân c a nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các h t nhân tự do

có va ch m với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt h ch Khi quan sát tính chất

c a vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được c a mặt tr i, các nhà khoa

Về cấu trúc, mặt tr i có thể chia làm 4 vùng, tất c hợp thành một khối cầu khí khổng lồ Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi x y

ra những ph n ng nhiệt h t nhân t o nên nguồn năng lượng mặt tr i, vùng này có bán kính kho ng 175.000km, khối lượng riêng 160 kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào kho ng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp

là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong

ra ngoài, vật chất vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nátri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (Hβ), hêli (He), chiều dày vùng này kho ng 400.000 km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 1β5.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ kho ng 6000 K, dày 1000 km vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ t o ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt

độ thấp kho ng 4500 K và các tia lửa có nhiệt độ từ 70000 K -10000 K Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” c a mặt tr i

Hình 2.2 C ấu trúc của mặt trời

Nhiệt độ bề mặt c a mặt tr i kho ng 5762 K nghĩa là có giá trị đ lớn để các nguyên tử tồn t i trong tr ng thái kích thích, đồng th i đ nhỏ để đây thỉnh tho ng l i xuất hiện những nguyên tử bình thư ng và các cấu trúc phân tử Dựa

trên cơ s phân tích các phổ b c x và hấp thụ c a mặt tr i ngư i ta xác định được rằng trên mặt tr i có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt tr i làn guyên tố nhẹ nhất Hydro Vật chất c a mặt tr i bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác Nguồn năng lượng b c x ch yếu c a mặt tr i là do ph n ng nhiệt h ch tổng hợp h t nhân Hydro, ph n ng này đưa đến sự t o thành Hêli H t nhân c a Hydro có một

h t mang điện dương là proton Thông thư ng những h t mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng nhiệt độ đ cao chuyển động c a chúng sẽ nhanh tới m c chúng có thể tiến gần tới nhau một kho ng cách mà đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng c a các lực hút Khi đó c 4 h t nhân Hyđrô l i t o ra một h t nhân Hêli, β neutrino và một lượng b c x

4H11 → He24 + 2 Neutrino + (2.1) Neutrino là h t không mang điện, rất bền và có kh năng đâm xuyên rất lớn Trong quá trình diễn biến c a ph n ng có một lượng vật chất c a mặt tr i bị mất đi

Khối lượng c a mặt tr i do đó mỗi giây gi m chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên c u, tr ng thái c a mặt tr i vẫn không thay đổi trong th i gian hàng

tỷ năm nữa Mỗi ngày mặt tr i s n xuất một nguồn năng lượng qua ph n ng nhiệt h ch lên đến 9.1024KWh (t c là chưa đầy một phần triệu giây mặt tr i đã

gi i phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng s n xuất trong một năm trên trái đất)

2.2 Các phản ứng hạt nhân trong mặt trời

2.2.1 Phản ứng tổng hợp hạt nhân Hêli

Trong quá trình hình thành, nhiệt độ bên trong mặt tr i sẽ tăng dần Khi vùng tâm mặt tr i đ t nhiệt độ T ≥107 K, thì có đ điều kiện để x y ra ph n ng tổng hợp Hêli từ Hydrô, theo phương trình μ

4H1 →He4 + q (2.2)

Đây là ph n ng sinh nhiệt q = ∆m.c2, trong đó c = 3.108m/s làvận tốc ánh sáng trong chân không, ∆m = (4mH - mHe) là độ hụt khối, được biến thành năng lượng theo phương trình Einstein Mỗi 1kg h t nhân H1 chuyển thành He4 thì bị hụt một

khối lượng ∆m = 0,01kg, và gi i phóng ra năng lượngμ

q = ∆m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J (2.3) Lượng nhiệt sinh ra sẽ làm tăng áp suất khối khí, khiến mặt tr i phát ra ánh sáng và

b c x , và n ra cho đến khi cân bằng với lực hấp dẫn Mỗi giây mặt tr i tiêu h y hơn 420 triệu tấn hydro, gi m khối lượng ∆m = 4,β triệu tấn và phát ra năng lượng

Q = 3,8.1026 W

Để đơn gi n ta có thể hình dung như sauμ

- Ta có 1g proton H1 tham gia ph n ng t o ra một lượng năng lượng là 6.3.1011 J

- Công suất b c x mặt tr i: 3,865.1026 J/s, gần bằng năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than

- Qu đất nhận được 17,57.1016 J/s, tương đương đốt cháy 6.106 tấn than

Giai đo n đốt Hydro c a mặt tr i được kh i động cách đây 4,5 tỷ năm, và còn tiếp

tục trong kho ng 5,5 tỷ năm nữa

2.2.2 Phản ứng tổng hợp Cácbon và các nguyên tố khác

Khi nhiên liệu H2 dùng sắp hết, ph n ng tổng hợp He sẽ yếu dần, áp lực b c x bên trong không đ m nh để cân bằng lực nén do hấp dẫn, khiến thể tích co l i Khi co l i, khí He bên trong bị nén nên nhiệt độ tăng dần, cho đến khi đ t tới nhiệt độ108K, sẽx y ra ph n ng tổng hợp nhân Cacbon từ He :

Ph n ng này x y ra nhiệt độ cao, tốc độ lớn, nên th i gian cháy He chỉ bằng 1/30 th i gian cháy H2 kho ng 300 triệu năm Nhiệt sinh ra trong ph n ng làm tăng áp suất b c x , khiến ngôi sao n ra hàng trăm lần so với trước Lúc này mặt ngoài sao nhiệt độ kho ng 4000K, có màu đỏ, nên gọi là sao đỏ khổng lồ Vào th i

điểm là sao đỏ khổng lồ, mặt tr i sẽ nuốt chửng sao Th y và sao Kim, nung trái

đất đến 1500K thành 1 hành tinh nóng ch y, kết thúc sự sống t i đây

Kết thúc quá trình cháy Heli, áp lực trong sao gi m, lực hấp dẫn ép sao co l i, làm mật độ và nhiệt độ tăng lên, đến T= 5.106K sẽ x y ra ph n ng t o Oxy:

4C12→3O16 + q (2.5) Quá trình cháy x y ra như trên, với tốc độ tăng dần và th i gian ngắn dần Chu

trình cháy - tắt - nén - cháy được tăng tốc, liên tiếp thực hiện các ph n ng t o

nguyên tố mới O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 -> Si28 -> P30 -> S32 -> -> Cr52

-> Mn54 -> Fe56

Các ph n ng trên đã t o ra hơn 20 nguyên tố, tận cùng là sắt Fe56 (gồm 26 proton

và 30 netron), toàn bộ quá trình được tăng tốc, x y ra chỉ trong vài triệu năm Sau khi t o ra sắt Fe56, chuỗi ph n ng h t nhân trong ngôi sao kết thúc, vì việc tổng hợp sắt thành nguyên tố nặng hơn không có độ hụt khối lượng, không phát sinh năng lượng, mà cần ph i cấp thêm năng lượng

Mắt ngư i nhận được vùng sóng có = (0.4 ÷ 0.78) m , ánh sáng nhìn thấy

ngoài vũ trụ (ngoài tầng khí quyển qu đất) mật độ năng lượng mặt tr i không đổi

và bằng Isc = 1364 W/m2 gọi là hằng số mặt tr i

Ngoài vũ trụ b c x mặt tr i chỉ có một thành phần là các tia mặt tr i truyền thẳng

gọi là trực x

2.3.1 Bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất - ảnh hưởng của lớp khí quyển

Qu đất bị bao quanh b i một lớp khí quyển, lớp khí quyển này có bề dày kho ng 10km Nó bao gồm các phân tử khí nhưμ O2, N2, CO2, NOx, SOx…vv, hơi nước và các h t bụi

Khi tia mặt tr i xuyên qua lớp khí quyển này sẽ bị:

- Các phân tử khí, hơi nước, bụi…… làm tán x và hấp thụ một phần năng lượng, nên khi đến mặt đất chỉ còn kho ng 70% năng lượng mặt tr i ngoài vũ

trụ và mật độ cực đ i ∼1000W/m2

- Do bị tán x nên tới mặt đất b c x mặt tr i có 2 thành phần là trực x và nhiễu x Thành phần nhiễu x đến điểm quan sát trên mặt đất từ mọi phương

c a bầu tr i Tỷ lệ các thành phần phụ thuộc vào th i gian, vị trí quan sát và vào th i tiết

Hình 2.3 nh hưởng chuyển động qu đất lên bức x mặt trời tới trái đất

2.4 Các thành phần bức xạ mặt trời tới bộ thu

Khi b c x mặt tr i chiếu tới bộ thu năng lượng mặt tr i sẽ bao gồm các thành phần sau:

- Tia trực x : Các tia đi thẳng từ mặt tr i

- Tia tán x : Các tia mặt tr i đến bộ thu từ

mọi hướng trên bầu tr i do các chúng bị

tán x trên các phận tử khí, h t bụi, hơi

nước… trong lớp khí quyển qu đất

- Tia ph n x : Các tia ph n x từ mặt nền

xung quanh bộ thu, các tia ph n x này

phụ thuộc vào hệ số ph n x c a mặt nền

Hình 2.4 Các thành ph ần bức x

2.5 Công nghệ điện mặt trời

Công nghệ điện mặt tr i bao gồm công nghệ quang điện và công nghệ nhiệt điện mặt tr i, nhưng trong ph m vi c a đề tài, tác gi đang nghiên c u và ng dụng công nghệ nhiệt điện mặt tr i nên chỉ trình bày lý thuyết tổng quan về công nghệ này Công nghệ nhiệt mặt tr i biến đổi năng lượng b c x mặt tr i thành nhiệt năng Ngư i ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt tr i, để hội tụ các tia mặt tr i đúng diện tích cần thiết kế Đối với các bộ thu không yêu cầu độ hội tụ cao thì sự định hướng bộ thu có thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày và có thể

thực hiện bằng tay Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần ph i điều

chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục Đa số các bộ hội tụ này là các bộ hội

tụ máng parabol, các tia sáng mặt tr i được hội tụ l i trên đư ng tiêu điểm hội tụ

2.5.1 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp

Công nghệ mặt tr i nhiệt độ thấp dựa trên hiện tượng hiệu ng nhà kính

Kính dùng trong hiệu ng nhà kính có tính chất sau:

- Cho ánh sáng có bước sóng < 0,8 m qua dễ dàng, ngăn không cho ánh sáng có > 0,8 m

- Kho ng hơn 70% năng lượng mặt tr i tập trung vùng phổ < 0,8 m

 Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính

Hình 2.5 : Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính

Các tia b c x mặt tr i có < 0,8 m xuyên qua tấm kính đậy Cá tia mặt tr i tới

tấm hấp thụ bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt Tấm hấp thụ nóng lên và phát ra các tia sóng dài, > 0,8 m, nên bị kính ngăn l i

Kết qu μ năng lượng mặt tr i đi vào hộp, không ra được, lúc này hộp có vai trò

giống như là “bẫy nhiệt” Năng lượng mặt tr i tích tụ l i trong hộp, làm tấm hấp

thụ và không khí trong hộp nóng lên hàng trăm độ Đây chính là hiện tượng hiệu

 Các thiết bị hội tụ:

- Gương cầu, gương parabol

2.6. Tuabin hơi nước

2.6.1 Sơ lược về tuabin hơi

Tuabin hơi nước hay còn gọi là động cơ hơi nước, trong đó thế năng c a hơi ban đầu sẽ chuyển hóa thành động năng, sau đó chuyển thành cơ năng làm quay bánh công tác

Các thông số ban đầu c a tuabin là áp suất po, nhiệt độ to c a dòng hơi trước van stop (trước khi vào tuabin) Các thông số cuối c a dòng hơi là áp suất và nhiệt độ

c a nó ngay sau mặt bích c a ống thoát tuabin

Các thông số định m c c a tuabin: số vòng quay, áp suất và nhiệt độ, nước…

Các thông số tính toán mà nhà chế t o đã ghi trong lý lịch c a tuabin Với các thông

số đó sẽ b o đ m công suất định m c c a tuabin

2.6.2 Nguyên lý làm việc của tuabin hơi

Hình 2.8 : Sơ đồ nguyên lý làm việc của tuabin hơi

1 Lò hơi 1μ trong đó nước cấp dưới áp suất tương ng sẽ chuyển hóa thành hơi bão hòa

2 Bộ quá nhiệt 2: đây sẽ làm tăng nhiệt độ hơi tới giá trị đã cho

3 Tuabin γμ Trong đó thế năng c a hơi nước chuyển hóa thành động năng, còn động năng chuyển hóa thành cơ năng trên trục

4 Máy phát điện

5 Bình ngưng 5μ Dùng để làm ngưng tụ hơi thoát khỏi tuabin

6 Bơm nước ngưng 6μ Để bơm nước ngưng vào hệ thống gia nhiệt hồi nhiệt ( 7&10)

7 Bình gia nhiệt h ápμ nước t i đây được gia nhiệt một phần

8 Bình khử khí 8: Ch yếu để khử khí oxi trong nước cấp

9 Bơm nước cấp λμ Để bơm nước cấp vào lò hơi

10 Bình gia nhiệt cao ápμ nước được gia nhiệt với áp suất cao

3 4

Bơm 3

W P

4 5

Q in

Lò hơi

P 1 Điểm tới h n

Hình 2.9: Chu trình Rankine

Chu trình Carno có một số nhược điểm khi áp dụng cho khí thực, nên thực tế ngư i

ta áp dụng chu trình c i tiến gần với chu trình này gọi là chu trình Rankine Chu trình Rankine là chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành công

Chu trình Rankine là chu trình nhiệt được ng dụng trong tất c các lọai nhà máy nhiệt điện, môi chất làm việc trong chu trình là nước và hơi nước Tất c các thiết bị

c a các nhà máy nhiệt điện đều giống nhau trừ thiết bị sinh hơi Trong thiết bị sinh hơi, nước nhận nhiệt để biến thành hơi Đối với nhà máy nhiệt điện, thiết bị sinh hơi

là lò hơi, trong đó nước nhận nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa th ch (dầu, than đá,), hoặc nguồn năng lượng tái t o biomass Đối với nhà máy điện mặt tr i

hoặc địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ năng lượng mặt tr i hoặc từ nhiệt năng trong lòng đất Đối với nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nước nhận nhiệt từ chất t i nhiệt trong lò ph n ng h t nhân

Sơ đồ thiết bị c a chu trình nhà máy nhiệt điện được trình bày trên hình 2.9 a, gồm các thiết bị chính để biến đổi năng lượng là lò hơi, turbine, bình ngưng, máy bơm cùng một

Nước ngưng trong bình ngưng (tr ng thái β’ trên đồ thị) có thông số P 2 , T 2 , s 2, được

bơm vào thiết bị sinh hơi, áp suất tăng từ P 2 đến áp suất P1 (quá trình β’- 3) Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống sinh hơi nhận nhiệt tỏa ra từ quá trình cháy, nhiệt độ tăng lên đến điểm sôi (quá trình γ - 4), hoá hơi (quá trình 4 - 5) và tr thành hơi quá nhiệt bộ quá nhiệt (quá trình 5 - 1) Quá trình 3 - 4 - 5 - 1 là quá trình hóa

hơi đẳng áp áp suất P 1 không đổi Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt ( tr ng thái 1) có

thông số P 1 , T 1 đi vào turbine, đây hơi dãn n đo n nhiệt đến tr ng thái β, biến nhiệt năng thành cơ năng (quá trình 1 - 2) và sinh công trong turbine Hơi ra khỏi

turbine có thông số P 2 , T 2, đi vào bình ngưng, ngưng tụ thành nước (quá trình β - β’), rồi l i được bơm tr về lò Quá trình nén đo n nhiệt trong bơm có thể xem là quá trình nén đẳng tích vì nước không chịu nén (thể tích ít thay đổi)

Chương III

3.1 Năng lượng bức xạ mặt trời

Tất c các d ng c a b c x điện từ đều có b n chất sóng và chúng khác nhau bước sóng B c x là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 3.1), từ tâm mặt tr i đi ra

do sự va ch m hoặc tán x mà năng lượng c a chúng gi m đi và bây gi chúng ng

bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt tr i nơi có nhiệt độ đ thấp để có thể tồn t i vật chất trong tr ng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu x y ra

Hình 3.1 Dãi b ức x điện từ

Đặc trưng c a b c x mặt tr i truyền trong không gian bên ngoài mặt tr i là một phổ rộng trong đó cực đ i c a cư ng độ b c x nằm trong d i 10-1 - 10 m và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt tr i tập trung trong kho ng bước sóng 0,γ8 -

0,78 m (đó là vùng ánh sáng kh kiến)

Chùm tia truyền thẳng từ mặt tr i gọi là b c x trực x Tổng hợp các tia trực x và tán x gọi là tổng x

Mật độ dòng b c x trực x ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1 m2 bề mặt đặt vuông góc với tia b c x , được tính theo công th cμ

đâyμ φD – T - hệ số góc b c x giữa Trái đất và mặt tr i

- μ góc nhìn mặt tr i và = γβ’ như hình 3.2

- C0: 5,67 W/m2.K4, hệ số b c x c a vật đen tuyệt đối

- T ả 576β 0K, nhiệt độ bề mặt mặt tr i (xem giống vật đen tuyệt đối)

100

5762.67,5.4

60.360

32.14,3.2

Do kho ng cách giữa Trái đất và mặt tr i thay đổi theo mùa trong năm nên cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt tr i; ta ký hiệu q = GSC = 1353 W/m2

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia b c x bị hấp thụ và tán x b i tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất

Các b c x với bước sóng ng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngo i tương tác với các phân tử khí và các h t bụi c a không khí nhưng không phá vỡ các liên kết c a chúng, khi đó các photon bị tán x khá đều theo mọi hướng và một số photon quay tr l i không gian vũ trụ B c x chịu d ng tán x đó ch yếu là b c x

có bước sóng ngắn Sau khi ph n x từ các phần khác nhau c a khí quyển, b c x tán x đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam c a bầu tr i trong sáng và có thể quan sát được những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán x rất m nh b c

x mặt tr i, b c x mặt tr i khi đi qua khí quyển còn gặp một tr ng i đáng kể nữa

đó là do sự hấp thụ c a các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác,

m c độ c a sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng c a b c x

Cư ng độ b c x mặt tr i trên mặt đất ch yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng c a các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt t i điểm đã cho và độ dài đư ng đi c a các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao c a mặt tr i (Góc giữa phương từ điểm quan sát đến mặt tr i và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó) Yếu tố cơ b n xác định cư ng độ c a b c x mặt tr i một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đư ng nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đư ng đó gắn liền với sự tán x , hấp thụ b c x

và phụ thuộc vào th i gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý

Phần năng lượng b c x mặt tr i truyền tới bề mặt Trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) th i điểm cao nhất vào kho ng 1000 W/m2 (xem hình 3.3)

Hình 3.3 Quá trình truyền năng lượng bức x mặt trời

qua lớp khí quyển của trái đất

Phân bố cư ng độ b c x đơn sắc 0 c a mặt tr i được xác định theo định luật Planck, có d ng

1

5 1

e

C E







Hình 3.4 Phân bố 0 của mặt trời

Diện tích phía dưới đư ng cong sẽ mô t cư ng độ b c x toàn phần E0 c a mặt

tr i Phần công suất mang tia sáng (AS) thấy được là

0 = 0 =� 2.�0 04 = 3,8 1026Công suất này bằng 4.103 lần tổng công suất điện toàn thế giới hiện nay, vào kho ng P= 1013 W

3.2 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất

Tổng b c x mặt tr i lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm 2 phần chính đó là trực x và tán x Phần trực x đã được kh o sát phần trên, còn thành phần tán x thì khá ph c t p Hướng c a b c x khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số c a độ mây và độ trong suốt c a khí quyển, các đ i lượng này l i thay đổi khá nhiều Có thể xem b c x tán x là tổng hợp c a 3 thành phần (Hình 3.5)

bộ vòm tr i

- Thành phần tán x quanh tia: phần tán x bị phát tán c a b c x mặt tr i

xung quanh tia mặt tr i

- Thành phần tán x chân trời: phần tán x tập trung gần đư ng chân tr i