TÌM HIỂU VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

Hiện nay, ngành công nghiệp trên thế giới đang từng bước phát triển mạnh mẽ. Do đó nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi đó nguồn năng lượng hoá thạch như than đỏ, dầu mỏ … ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi phải có một nguồn năng lượng mới thay thế. Các nguồn năng lượng mới có thể thay thế như: Pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, năng lượng thuỷ triều, năng lượng gió …Trong đó năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng thay thế rất có triển vọng đang được quan tâm nhất hiện nay. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp. Nó đang từng bước được sử dụng mạnh mẽ vào đời sống hàng ngày với sự xuất hiện đa dạng các sản phẩm như: pin, bếp nấu, thiết bị sấy,bơm nước nóng, nhà máy nhiệt điện…sử dụng năng lượng mặt trời. Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ

KHOA SINH HỌC

BÀI TIỂU LUẬN

ĐỀ T ÀI : TÌM HIỂU VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

- NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Bá Lộc Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Hoài Phương Lớp : Động vật học – K24

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, ngành công nghiệp trên thế giới đang từng bước phát triển mạnh mẽ Do đó nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi đó nguồn năng lượng hoá thạch như than đỏ, dầu mỏ … ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi phải có một nguồn năng lượng mới thay thế

Các nguồn năng lượng mới có thể thay thế như: Pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, năng lượng thuỷ triều, năng lượng gió …Trong đó năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng thay thế rất có triển vọng đang được quan tâm nhất hiện nay

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp Nó đang từng bước được sử dụng mạnh mẽ vào đời sống hàng ngày với sự xuất hiện đa dạng các sản phẩm như: pin, bếp nấu, thiết bị sấy,bơm nước nóng, nhà máy nhiệt điện…sử dụng năng lượng mặt trời Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt

NỘI DUNG

I Năng lượng Mặt Trời là gì?

1 Khái niệm

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ

Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra

từ ngôi sao Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân

trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

Hình 1: Bề ngoài của Mặt Trời [4]

2 Vai trò đối với sự sống trên trái đất

Năng lượng mặt trời là nhà cung cấp năng lượng quan trọng nhất trên trái đất Toàn bộ sự sống trên trái đất đều phụ thuộc vào năng lượng mặt trời, nó điều chỉnh các quá trình khí tượng học trên hành tinh của chúng ta

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu Năng lượng thay thế này đã và đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lượng của xã hội mà cũn giỳp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Dưới đây (hình 2) là sơ đồ hệ thống thu nguồn năng lượng mặt trời phục vụ thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống:

Hình2: Sơ đồ tổng quát hệ thống điện năng lượng mặt trời [3]

Việc ứng dụng năng lượng mặt trời ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học Các sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng nhiều dần dần đáp ứng được nhu cầu của con người: pin năng lượng mặt trời,bơm nước nóng năng lượng mặt trời, nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời… Ngoài ra năng lượng mặt trời còn được ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp nặng như: tàu thuỷ chạy bằng năng lượng mặt trời…

3 Thu năng lượng mặt trời từ đâu?

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng Mặt Trời thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi

nước trong các máy điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như

máy điều hòa Mặt Trời…

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch

không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng

Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật),

khí (khí đốt sinh học) hay rắn

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này

Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày

Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đú đó được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trờn bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dải

bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của cỏc vựng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng Tuy nhiên, giờ thành đầu tư công nghệ cao cũng là một vấn đề cần được các nhà chuyên môn nghiên cứu cụ thể

II Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời

1 Trên thế giới

Trên Thế giới, các nước có nhiều ánh nắng Mặt Trời sẽ thuận lợi hơn trong việc ứng dụng NLMT vào cuộc sống vì có nguồn ánh sang dồi dào Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ nhiều năm nay đã coi hướng phát triển năng lượng tái tạo như một quốc sách vì thế năng lượng mặt trời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ điện năng

Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đã tăng nhanh tốc độ xây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt trời, trong đó chủ yếu xây dựng các nhà máy sản xuất pin màng mỏng vô định hình

Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng ba dạng pin mặt trời là tấm pin mặt trời tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng vô định hình Trong đó, pin màng mỏng vô định hình (Amorphous Silicon (a-Si)) được đặc biệt quan tâm bởi qua thời gian vận hành loại pin này đã thể hiện tính ổn định và cho hiệu suất cao

Bằng những thí nghiệm khác, các nhà khoa học còn xác định được pin a-Si

có thể làm việc được trong điều kiện trời có mây mù và cả trong môi trường không khí có nhiệt độ cao mà các pin khác không làm việc được Điều này đã làm sáng tỏ

vì sao trong bảng kết quả thí nghiệm ở trên pin a-Si cho sản lượng điện nhiều hơn hai loại pin tinh thể

2 Tại Việt Nam

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dải

bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được

Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân

cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển Vì vậy, việc nghiên cứu triển khai áp dụng năng lượng thay thế trong đó có năng lượng mặt trời là điều hết sức cần thiết

III Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời

1 Khái niệm về Pin Mặt Trời

Pin Mặt Trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng Mặt Trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin Mặt Trời có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp đặt

ở bất kỳ đâu có ánh sang Mặt Trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển rất nhanh nhất là ở các nước phát triển

2 Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Pin Mặt Trời

2.1 Chuyển năng lượng mặt trời thành điện

Pin MT làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp bức xạ MT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

Các tấm pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, như thường được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay Chúng được làm

từ các vật liệu bán dẫn tương tự như trong các con bộ điện tử trong máy tính Một khi ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt điện tích (electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích điện này di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện Quá trình chuyển đổi photon thành điện này này gọi là hiệu ứng quang điện Cho dù được phát hiện từ hơn 200 năm trướ, kỹ thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973

Các pin Mặt Trời thông thường được lắp thành một module khoảng 40 phiến pin, và 10 module sẽ được lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện có thể dài vài mét Các chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng này được lắp ở một góc cố định hướng về phía Nam, hoặc được lắp trên một hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để luôn bắt được nắng theo sự thay đổi quĩ đạo của nắng Mặt Trời Qui mô hệ thống quang điện có thể từ mức 10-20 chuỗi quang điện cho các ứng dụng dân sự, cho đến hệ thống lớn bao gồm hàng trăm chuỗi quang điện kết nối với nhau để cung cấp cho các cơ sở sản xuất điện hay trong các ứng dụng công nghiệp

Một số dạng pin Mặt Trời được thiết kế để vận hành trong điều kiện ánh sáng Mặt Trời hội tụ Các Pin Mặt Trời này được lắp đặt thành các collector tập trung ánh sáng Mặt Trời sử dụng các lăng kính hội tụ ánh sáng Phương pháp này có mặt thuật lợi và bất lợi so với mạng Pin Mặt Trời dạng phẳng (flat-plate PV) Thuận lợi

ở điểm là sử dụng rất ít các vật liệu Pin Mặt Trời bán dẫn đắt tiền trong khi đó hấp tối đa ánh sáng Mặt Trời Mặt bất lợi là các lăng kính hội tụ phải được hướng thẳng đến Mặt Trời, do đó việc sử dụng các hệ hấp thu tập trung chỉ khai triển ở những khu vực có nắng nhiều nhất, đa số đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh hướng nằng tối tân, kỹ thuật cao

Hiệu quả của Pin Mặt Trời phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện năng của phiến pin MặT TRờI Chỉ có ánh sáng Mặt Trời với mức năng lượng nhất định mới có thể chuyển đổi một cách hiệu quả thành điện năng, chưa kể đến một phần lớn lượng ánh sáng bị phản chiếu lại hoặc hấp thu bởi vật liệu cấu thành phiến pin Do đó, hiệu suất tiêu biểu cho các loại pin Mặt Trời thương mại hiện nay vẫn tương đới thấp, khoảng 15% (tương đương với 1/6 bức xạ Mặt Trời chiếu đến pin được chuyển thành điện)[v] Hiệu suất thấp dẫn đến việc đòi hỏi tăng diện tích lắp đặt để đạt được công suất đưa ra, tức là tăng giá thành sản xuầt

Do đó, mục tiêu hành đầu hiện nay của ngành công nghiệp ĐMT là tăng hiệu quả Pin và giảm giá thành trên đơn vị phiến pin

2.2 Nguyên lí hoạt động

a) Phiến pin quang điện (Photovoltaic Cell

Phiến pin quang điện là kỳ công của vật lý tinh thể và bán dẫn Nó được cấu tạo từ các lớp phẳng và mỏng của các vật liệu đặc biệt gọi là bán dẫn xếp chồng lên nhau (Hình 5.4)

Có 3 lớp vật liệu chính: lớp trên cùng gọi là silicon loại n (n: negative, âm), vật liệu này có khả năng “phóng thích” các hạt tích điện âm gọi là electron một khi được đưa ra ngoài ánh sáng mặt trời Lớp dưới cùng gọi là lớp p, tích điện dương khi tiếp xúc với bức xạ Mặt Trời (p: positive, dương) Lớp vật liệu ở giữa gọi là lớp chèn (junction), lớp này có vai trò như một lớp phân cách (insulator) giữa lớp n và lớp p Các eletron được phóng thích từ lớp n sẽ di chuyển theo đường ít bị cản trở nhất, tức là di chuyển từ lớp n tích điện âm ở bên trên về lớp p tích điện dương ở

bên dưới Như vậy, nếu vùng p và vùng n được nối bởi một mạch điện tạo bởi các dây dẫn mỏng, dòng electron sẽ di chuyển trong mạch điện này, tạo ra dòng điện một chiều có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được “dự trữ” để dùng sau Cường độ dòng điện sinh ra phụ thuộc vào số lượng và phương thức nối các tế bào Mặt Trời trong pin Mặt Trời

Vật liệu bán dẫn cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào quang điện là silicon đơn tinh thể Các tế bào silicon đơn tinh thể cũng có hiệu suất cao hơn cả, thông thường có thể chuyển đổi đến 23% năng lượng Mặt Trời thu nhận được thành điện Các tế bào này cũng rất bền và có tuổi thọ sử dụng cao Vấn đề chủ yếu là giá thành sản xuất Tạo nên silicon tinh thể lớn và cắt chúng thanh những miếng nhỏ và mỏng (0,1-0,3 mm) là rất tốn thời gian và chi phí cao Do lý do này,

để giảm giá thành sản xuất, người ta phát triển nghiên cứu các vật liệu thay thế cho

tế bào silicon đơn tinh thế, ví dụ như tế bào silicon đa tinh thể, các pin quang điện công nghệ “màng mỏng”, và các tổ hợp tập trung

b) Hệ thống Pin Quang Điện (Photovoltaic System)

Cơ chế quang điện cho thấy cường độ dòng quang điện tỷ lệ thuận với cường

độ ánh sáng Mặt Trời Dòng điện sinh ra truyền qua chuỗi các tế bào quang điện, hay còn gọi là module quang điện, có thể cung cấp điện ở bất cứ qui mô nào, từ vài miliwatt (MW) như trong máy tính bỏ túi cho đến vài MW như qui mô các nhà máy điện Dòng quang điện một chiều có thể được nạp vào bình acqui để dự trữ cho các sinh hoạt về ban đêm hoặc vào những ngày không có nắng Một bộ điều khiển thường được cài giữa module và bình ắc qui như một dạng ốn áp, giúp tránh trường hợp ắc qui bị sạc quá tải Toàn bộ các thiết bị này liên kết lại thành hệ thống Quang Điện sản xuất điện một chiều có điện thế do động từ 12 đến 24 volt Điện một chiều

có thể được chuyển đổi thành điện xoay chiều thông qua bộ biến điện Bộ biến điện DC/AC ngày nay có công suất từ 100-20,000 W và hiệu suất đạt tới 90%

Các module có thể được lắp nối với nhau một cách dễ dàng tạo thành chuỗi module có công suất đáp ứng với nhu cầu điện đặt ra (Hình 5.6) Một khi được lắp đặt, thì chi phí bảo trì cho module gần như không đáng kể

Module và các chuỗi quang điện thường được đánh giá dựa vào công suất tối

đa của chúng ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (Standard Test Conditions, viết tắt

là STC) STC được qui định là module vận hành ở nhiệt độ 250C với tổng lượng bức xạ chiếu lên module là 1000 W/m2 và dưới phân bố phổ của khối khí 1,5 (Air Mass 1,5, góc nắng chiếu nghiêng 370) Do các điều kiện thử nghiệm trong phòng thí nghiệm là tương đối lý tưởng so với điều kiện thực tế của các khu vực lắp đặt ĐMT, các module chỉ đặt hiệu suất cỡ 85-90% hiệu suất thử nghiệm ở điều kiện chuẩn (STC) Các module quang điện ngày này rất an toàn, bền và đáng tin cậy, với tuổi thọ sử dụng dao động từ 20-30 năm

c) Hiệu suất của Pin Mặt Trời

Hiệu suất tối đa của phần lớn pin MT hiện nay trên thị trường là 15%, tức là chỉ có 15% ánh nắng Mặt Trời được Pin Mặt Trời chuyển thành điện Mặc dù trên

lý thuyết, hiệu suất tối đa của pin Mặt Trời có thể đạt đến 32,3% (tức là có giá trị kinh tế rất lớn), trên thực tế hiệu suất thấp hơn hơn một nửa giá trị lý thuyết, và con

số 15% không được các ngành công nghiệp năng lượng xem là mang lại lợi ích kinh

tế Các tiến bộ kỹ thuật gần đây cho phép tạo ra trong phòng thí nghiệm các tế bào quang điện đạt hiệu suất tới 28,2% (Hình 5.5) Các pin Mặt Trời dạng này vẫn còn phải qua các thử nghiệm trong điều kiện thực tế Nếu thử nghiệm thành công trong các môi trường thử nghiệm khắc nghiệt trong tự nhiên, các pin Mặt Trời dạng này

sẽ được xem là mang lại lợi ích kinh tế cụ thể và do đó việc phát triển điện Mặt Trời qui mô lớn là có tính khả thi về mặt kinh tế