bài tiểu luận năng lượng mặt trời

Lịch sử phát triển của năng lượng mặt trời Tiền Sử: - Thế kỷ thứ 7 trước công nguyên: Thời Ai Cập Cổ Đại , các ngôi nhà được xây dựng để các bức xạ mặt trời có thể được thu thập vào ban

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA KỸ THUẬT- CÔNG NGHỆ- MÔI TRƯỜNG

CHỦ ĐỀ:

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: ThS Kiều Đỗ Minh Luân Lớp: DH12MT Nhóm :5

Thành viên nhóm:

Châu Bảo Tinh

Ngô Thúy Hồng

Phạm Hoàng Lễ

Kiều Ngọc Huyền

Phan Viết Linh Chi

Đường Thị Nhật Lệ

Nguyễn Thị Thùy Vân

Năm học: 2013 –

2014

NỘI DUNG

1 Lịch sử phát triển của năng lượng mặt trời

Tiền Sử:

- Thế kỷ thứ 7 trước công nguyên: Thời Ai Cập Cổ Đại , các ngôi nhà được xây dựng để các bức xạ mặt trời có thể được thu thập vào ban ngày và được sử dụng vào ban đêm

- Thế kỷ thứ 5 trước công nguyên: người Hy Lạp định hướng nhà của họ để họ

có thể nhận được năng lượng mặt trời vào mùa đông để sưởi ấm ngôi nhà

- Thế kỷ thứ 3 trước công nguyên: Archimedes đã sử dụng những tấm gương để phản chiếu bức xạ mặt trời và để bảo vệ Syracuse từ cuộc xâm lược của người La Mã

- Thế kỷ thứ 2 trước công nguyên: các cửa sổ đầu tiên làm từ mica trong suốt đã được chèn vào trong nhà ở miền bắc Ý, với mục đích để tăng việc sử dụng bức xạ mặt trời trong thời gian mùa đông

- Thế kỷ thứ 1 sau công nguyên : các “heliocaminos” được bắt đầu sử dụng Vào khoảng thế kỷ thứ 5, những bồn tắm năng lượng mặt trời với các cửa sổ mica lớn hướng về phía nam được sử dụng tối đa tại Ý

- Thế kỷ thứ 14 : định luật năng lượng mặt trời đầu tiên được giới thiệu tại Ý

- 1767 ở Nga: M.V Lomonossov đề nghị việc sử dụng các thấu kính để tập trung bức xạ mặt trời

- 1767 tại Thụy Sĩ: Horace de Saussure khám phá ra sự khuếch đại và tăng hiệu suất nhiệt trong các hộp kính 5 nếp gấp loại Matjoshka

- 1830 tại Nam Phi: J Hershel sử dụng nồi nấu năng lượng mặt trời đầu tiên

- Khoảng 1830: H Repton xây dựng nhà kính đầu tiên ở châu Âu

2 Thực trạng sử dụng năng lượng mặt trời

- Nhìn một cách khái quát, lượng bức xạ mặt trời ở các tỉnh phía Bắc giảm 20%

so với các tỉnh miền Trung và miền Nam, không phân phối đều quanh năm Vào mùa đông, mùa xuân mưa kéo dài dẫn đến nguồn bức xạ mặt trời dường như không đáng

kể, chỉ còn khoảng 1 - 2 kWh /m2/ngày, yếu tố này là cản trở lớn cho việc ứng dụng điện mặt trời

- Tuy nhiên, điều này không xảy ra đối với các tỉnh phía Nam và TP Hồ Chí Minh do có mặt trời chiếu quanh năm, ổn định kể cả vào mùa mưa Có thể kết luận rằng, bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn cho các tỉnh miền Trung và miền Nam trong quá trình phát triển bền vững

- Tuy còn non trẻ, song ngành công nghiệp điện mặt trời ở Việt Nam cũng đã đạt được những thành tựu bước đầu đáng kể, trong đó TP Hồ Chí Minh với nguồn "tài nguyên nắng” dồi dào, các điều kiện thuận lợi về cơ sở hạ tầng cũng như chất lượng lực lượng sản xuất… đây là một trung tâm có tiềm năng phát triển ngành công nghiệp năng lượng mặt trời nhất trong cả nước Vì vậy, TP Hồ Chí Minh được đánh giá là một “điểm tựa”, đột phá cho ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam với lộ trình 20 năm

- Đến nay, ngành công nghiệp điện mặt trời ở TP Hồ Chí Minh đã tạo dựng được một số cơ sở sản xuất tiêu biểu như: nhà máy sản xuất Module PMT, quy mô công nghiệp đầu tiên tại Việt Nam, cơ sở hạ tầng công nghiệp sản xuất chế tạo các thiết bị điện tử ngoại vi, phục vụ cho điện mặt trời xây dựng dựa trên sự hợp tác giữa Solar và Công ty CP Nam Thái Hà, nhà máy “Solar Materials Incorporated” có khả năng cung cấp cả hai loại Silic khối (mono and multi -crystalline) sử dụng cho công nghiệp sản xuất PMT

- Có thể kể đến một số sản phẩm tiêu biểu như modul PMT, các thiết bị ngoại vi inveter, các máy smarts, thiết bị điện mặt trời nối lưới công nghệ SIPV đã chiếm lĩnh một phần thị trường trong nước và bước đầu vươn ra thị trường trong khu vực và thị trường thế giới

- Theo đánh giá của các nhà khoa học, công nghiệp pin mặt trời ở TP HCM đã gần đi vào hoàn thiện, hiện chỉ còn thiếu hai khâu trong một quy trình công nghiệp khép kín, đó là tinh chế quặng silic từ cát và chế tạo phiến PMT từ phiến silic Nếu hoàn thiện nốt hai khâu trên, Việt Nam sẽ trở thành một trong số ít những nước ở châu Á có nền công nghiệp chế tạo PMT khép kín

 Phát triển công nghiệp điện mặt trời đến năm 2025

- Hướng đến việc xây dựng ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam lên hàng đầu khu vực và cạnh tranh thế giới về công nghệ và sản lượng vào năm 2025, các nhà quản lý và các nhà khoa học đã đưa ra chiến lược phát triển kích cầu công nghiệp điện mặt trời Việt Nam, dự thảo đề cương chương trình điện mặt trời siêu công suất 2010-2025 Dự thảo đã vạch ra các mục tiêu cụ thể của Chương trình là, khai thác hiệu quả điện mặt trời, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trong mọi tình huống (250 MWp = 456,25 tỷ KWh/năm), cùng với lưới điện khí hóa 100% toàn

bộ lãnh thổ Việt Nam vào năm 2025

- Chương trình mang tính tiên phong, đột phá, vượt qua nhiều thách thức và rào cản của cơ chế cũng như công nghệ còn hạn chế hiện tại ở Việt Nam, dựa trên tiêu chí xã hội hóa nguồn năng lượng, hướng tới sự phát triển bền vững Đến nay, chương trình đã triển khai dự thảo bốn dự án lớn là dự án 10.000 mái nhà điện mặt trời, dự án nhà máy điện mặt trời nối lưới cục bộ 2MWp-5MWp, dự án 10.000 nguồn chiếu sáng công cộng bằng công nghệ tích hợp năng lượng mới; và dự án khu trình diễn năng lượng mới của Việt Nam và thế giới

- Ngoài ra, còn có một số dự án khác như dự án xây dựng nhà máy sản xuất phiến PMT (Solar Cell) và bảng PMT (Solar Module), nhà máy chế tạo chảo nhiệt điện mặt trời 10kW & 25kW công nghệ Stirling, dự án xây dựng nhà máy chế tạo thiết bị phụ trợ phát triển điện mặt trời, dự án xe taxi điện - điện mặt trời, dự án 10.000 thuyền câu mực, ánh sáng tiết kiệm năng lượng từ điện mặt trời và gió

- Điện mặt trời là đích tới của loài người trong 20 - 30 năm tới, đó cũng là một thời gian tối thiểu để xây dựng và phát triển nền công nghiệp điện mặt trời TP Hồ Chí Minh nói riêng và của Việt Nam nói chung Việt Nam cần phải trở thành một nước có nền công nghiệp năng lượng mặt trời tiên tiến, cạnh tranh thế giới, dựa trên chính tiềm năng năng lượng mặt trời dồi dào của mình

3 Ưu và nhược điểm của năng lượng mặt trời

3.1 Nhược điểm của điện hạt nhân:

- Chất thải phóng xạ vẫn còn là một vấn đề chưa được giải quyết Chất thải từ năng lượng hạt nhân cực kỳ nguy hiểm và phải được bảo quản cẩn thận trong hàng ngàn năm (10.000 năm theo tiêu chuẩn của các Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ)

- Rủi ro cao: Mặc dù có một tiêu chuẩn an toàn cao nói chung, nhưng các tai nạn vẫn có thể xảy ra Việc xây dựng một nhà máy với độ an toàn 100% là không

thể Luôn luôn có một xác suất nhỏ sẽ xảy ra sự cố Hậu quả của một tai nạn là

có sức tàn phá tuyệt đối tới cả con người lẫn tự nhiên Các nhà máy điện hạt nhân (và các hầm lưu trữ chất thải hạt nhân) càng được xây dựng nhiều, thì xác suất xảy ra các sự cố thảm khốc đâu đó trên thế giới càng cao

- Nguồn nguyên liệu cho năng lượng hạt nhân là Uranium Uranium là một nguồn tài nguyên khan hiếm, dự trữ Uranium ước tính chỉ đủ cho từ 30 đến 60 năm tới tùy thuộc vào nhu cầu thực tế

- Khung thời gian cần thiết cho các thủ tục, lên kế hoạch và xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới là trong khoảng từ 20 – 30 năm tại các nền dân chủ phương Tây Nói cách khác: Việc xây dựng một nhà máy điện hạt nhân mới trong một thời gian ngắn là một ảo tưởng

- Các nhà máy điện hạt nhân cũng như chất thải hạt nhân có thể là mục tiêu hàng đầu của các cuộc tấn công khủng bố Không có nhà máy điện nguyên tử nào trên thế giới có thể trụ lại được với một cuộc tấn công tương tự như hôm 9/11 ở New York Một hành động khủng bố như vậy có thể đem lại những tác động thảm khốc cho toàn thế giới

- Trong quá trình vận hành các nhà máy điện hạt nhân, chúng thải ra một lượng chất thải phóng xạ, rồi lần lượt có thể được sử dụng cho sản xuất vũ khí hạt nhân Ngoài ra, bí quyết tương tự thường được dùng để thiết kế các nhà máy điện hạt nhân có thể dùng để chế tạo vũ khí hạt nhân ở một mức độ nhất định nào đó (phổ biến vũ khí hạt nhân)

3.2 Nhược điểm của năng lượng thủy triều

- Trên thực tế, việc sử dụng nước tích trữ thỉnh thoảng khá phức tạp bởi vì yêu cầu tưới tiêu có thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu điện lên mức cao nhất Những thời điểm hạn hán có thể gây ra các vấn đề rắc rối, bởi vì mức bổ sung nước không thể tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng Nếu yêu cầu về mức nước bổ sung tối thiểu không đủ, có thể gây ra giảm hiệu suất và việc lắp đặt một turbine nhỏ cho dòng chảy đó là không kinh tế

- Những nhà môi trường đã bày tỏ lo ngại rằng các dự án nhà máy thuỷ điện lớn

có thể phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái xung quanh

- Một cái hại nữa của các đập thuỷ điện là việc tái định cư dân chúng sống trong vùng hồ chứa Trong nhiều trường hợp không một khoản bồi thường nào có thể

bù đắp được sự gắn bó của họ vềtổ tiên và văn hoá gắn liền với địa điểm đó vì chúng có giá trị tinh thần đối với họ

- Một trong những nhược điểm lớn nhất của năng lượng mặt trời, là không thể sử dụng vào buổi đêm Nhưng một ý tưởng đột phá đã đảo ngược điều này

- Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ năng lượng, người ta bắt đầu có xu hướng sử dụng những nguồn năng lượng thiên nhiên, như năng lượng gió, năng lượng mặt trời… Nhưng nếu bạn để ý, thì sẽ thấy rằng những chiếc máy sử dụng năng lượng gió thường được ưa chuộng hơn, một phần vì nó rẻ, hơn nữa, gió thì thổi cả ngày, còn mặt trời thì không Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây

sẽ khiến bạn phải suy nghĩ lại về vấn đề này

Năng lượng mặt trời có thể chuyển thành điện năng bằng hai cách: một là sử dụng pin năng lượng mặt trời, bằng các vật liệu bán dẫn có khả năng hấp thụ photon và phát ra electron; và hai là sử dụng những tua-bin nhiệt như những máy phát điện khác, nhiệt năng từ ánh sáng mặt trời sẽ làm nước bốc hơi, và từ

đó làm quay tua-bin và tạo ra dòng điện Đây cũng chính là cơ chế của các nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời

- Vấn đề lớn nhất ở đây, là: mặt trời không chiếu sáng cả ngày Vào buổi đêm, hoặc ngay cả khi trời nhiều mây thôi, các nhà máy điện đã không thể sử dụng được năng lượng mặt trời Đây là lý do khiến cho giá thành của năng lượng mặt trời rất cao, vì chúng không chạy được 24/7 Chỉ cần một đám mây bay qua, và mọi hoạt động sản xuất điện năng bị ngừng trệ Vì thế, không phải lúc nào cũng

có năng lượng mặt trời để tạo ra dòng điện, nhất là vào buổi tối – khi nhu cầu

sử dụng điện của người dân là cao nhất

4 Cấu trúc của mặt trời

o Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1390.106km ( lớn hơn

110 lần đường kính Trái đất), cách xa Trái đất 150.106km( bằng một đơn

vị thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua

khoảng này đến Trái đất)

o Khối lượng Mặt trời khoảng 2.1030 kg Nhiệt độ trung tâm của Mặt trời khoảng từ 10.106K đến khoảng 20.106K, trung bình khoảng 15600000K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật

tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện các vụ

nổ nhiệt hạch

o

o

o Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng xảy ra trong lòng Mặt trời

o Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối khí cầu khổng lồ

+ Vùng giữa được gọi là vùng nhân hay “lõi” có những chuyển động tối ưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng Mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt

độ ước tính khoảng từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hang tram atmotphe

+ Vùng kế tiếp là vùng trung gian hay còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi ( Ca), natri ( Na), stronti (Sr), crom (Cr), niken (Ni), cacbon (C) , silic (Si) và các khí khác như hidro (H2), he6li (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km

+ Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt

độ khoảng 6000K, dày 1000km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tia lửa

có nhiệt độ từ 7000K -10000K

+ Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là vùng khí quyển của Mặt trời

Nhiệt độ bề nặt của Mặt trời là 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để

ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử

• Dựa trên cơ sở phân tử các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen

• Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là Hydrogen

và gần 24,85% He6lium, còn lại là các nguyên tố khác như Oxygen 0,77%, cacbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Manesigum 0,05% và sunphur 0,04%

• Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự hình thành hạt nhân Heli Hạt nhân của Hydro có một hạt điện dương là proton

• Thông thường, những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách

mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của lực hút

• Khi đó cứ 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra 1 hat nhân Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ γ

o 4H11  He24 + 2 Neutrino + γ

• Neutino là hạt không mang điện , rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn Sau phản ứng Neutrio lập tức rời khỏi phạm vi Mặt trời và không tham gia vào các “biến cố” sau đó

• Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị mất đi Khối lượng của Mặt trời bị mất

đi Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu , trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong khoảng thời gian hàng tỉ năm nữa

• Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024kWh ( tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất)

5 Phản ứng hạt nhân trong mặt trời

5.1 Phản ứng tổng hợp hạt nhân Hêli

- Trong quá trình hình thành, nhiệt độ bên trong Mặt trời sẽ tăng dần khi vùng tâm mặt trời đạt nhiệt độ T≥107K, thì có đủ điều kiện để xảy ra phản ứng tổng hợp Hêli từ Hyđrô, theo phương trình:

 4H1 He4 +q (1.2)

- Đây là phản ứng sinh nhiệt q = m.c2, trong đó c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không, m = (4mH – mHe) là khối lượng bị hụt, được biến thành năng lượng theo phương trình Einstein Mỗi 1kg hạt nhân H1 chuyển thành He4 thì

bị hụt một khối lượng m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lượng:

o q = m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J (1.3)

- Lượng nhiệt sinh ra sẽ làm tăng áp suất khối khí, khiến mặt trời phát ra ánh sáng và bức xạ, và nở ra cho đến khi cân bằng với lực hấp dẫn Mỗi giây Mặt trời tiêu hủy hơn 420 triệu tấn hyđrô, giảm khối lượng m = 4,2 triệu tấn và phát ra năng lượng Q = 3,8.1026W Giai đoạn đốt Hyđrô của Mặt trời đã được khởi động cách đây 4,5 tỷ năm năm, và còn tiếp tục trong khoảng 5,5 tỷ năm nữa

o 5.2 Phản ứng tổng hợp Cacbon và các nguyên tố khác

- Khi nhiên liệu H2 dùng sắp hết, phản ứng tổng hợp He sẽ yếu dần, áp lực bức

xạ bên trong không đủ mạnh để cân bằng lực nén do hấp dẫn, cho đến khi đạt tới nhiệt độ 108K, sẽ xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân Cacbon từ He:

• 3He4 C12 + q (1.4)

- Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao, tốc độ lớn, nên thời gian cháy He chỉ bằng 1/30 thời gian cháy H2 khoảng 300 triệu năm Nhiệt sinh ra trong phản ứng làm tăng áp suất bức xạ, khiến ngôi sao nở ra hàng trăm lần so với trước Lúc này mặt

ngoài sao nhiệt độ khoảng 4000K, có màu đỏ, nên gọi là sao đỏ khổng lồ Vào thời

điểm là sao đỏ khổng lồ, Mặt trời sẽ nuốt chửng sao Thủy và sao Kim, nung Trái đất đến 1500K thành một hành tinh nóng chảy, kết thúc sự sống tại đây

- Kết thúc quá trình cháy He, áp lực trong sao giảm, lực hấp dẫn ép sao co lại, làm mật độ và nhiệt độ tăng lên, đén T = 5.106K sẽ xảy ra phản ứng tạo Oxy:

• 4C12 3O16 + q (1.5)

- Quá trình cháy xảy ra như trên, với tốc độ tăng dần và thời gian ngắn dần Chu

trình cháy – tắt – nén – cháy được tăng tốc, liên tiếp thực hiện các phản ứng tạo

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

Mn54 Fe56

- Các phản ứng trên đã tạp ra hơn 200 nguyên tố, tận cùng là Fe56 (gồm 26 proton

và 30 netron), toàn bộ quá trình được tăng tốc, xảy ra chỉ trong vài triệu năm

- Sau khi tạo ra Fe56, chuỗi phản ứng hạt 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 phải cấp thêm năng lượng

6 Năng lượng bức xạ mặt trời

6.1 Bức xạ mặt trời.

- Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ ᵞ ban đầu khi đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất

cả các bức xạ điện từ đều có bản chất sóng Bức xạ ᵞ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy, bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt trời, nơi có nhiệt

độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

- Đặc trưng của mặt trời là truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 µm