Nang luong mat troi

Năng lượng này được phát ra và lantruyền vào vũ trụ dưới dạng các sóngđiện từ với vận tốc ánh sáng 3.108 m/s,được gọi là bức xạ điện từ của mặt trời.Bức xạ điện từ của mặt trời là nguồnn

2

I MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI

1 Mặt trời:

Là một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ, tạo ra một nhiệt độ rất cao khoảng 6000

phóng một lượng năng lượng rất lớn 383.1024 watts

4

Năng lượng này được phát ra và lantruyền vào vũ trụ dưới dạng các sóngđiện từ với vận tốc ánh sáng 3.108 m/s,được gọi là bức xạ điện từ của mặt trời.

Bức xạ điện từ của mặt trời là nguồnnăng lượng chính cho trái đất tồn tại

2 Bức xạ mặt trời:

Là bức xạ điện từ của mặt trời đến bề mặt

trái đất, chỉ là một phần trong toàn bộ

phổ năng lượng điện từ của mặt trời

Bức xạ mặt trời đến trái đất dưới dạng tia

nắng mặt trời nhìn thấy được và một

phần bức xạ không nhìn thấy

6

Đặc trưng phổ bức xạ mặt trời ở trên đỉnh khí

quyển và trên bề mặt trái đất.

Bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất baogồm 3 miền năng lượng sau:

- Vùng bức xạ tử ngoại (3 - 400nm)

- Vùng bức xạ khả kiến (400 -700nm)

- Vùng bức xạ hồng ngoại (700 -3000nm)

8

Phần bức xạ năng lượng điện từ của mặt

trời có bước sóng ngắn (< 3nm) không

đến được bề mặt trái đất vì bị tần trên

cùng khí quyển hấp thu hoàn toàn

Phần bức xạ năng lượng điện từ của mặt

trời có bước sóng > 3000nm có năng

lượng thấp cũng khống đến được bề mặt

trái đất vì bị phản xạ lại hoàn toàn khi

gặp lớp khí quyển

10

3 Năng lượng mặt trời khi vào tầng

khí quyển:

Bức xạ mặt trời khi vào tầng khí quyển

đến bề mặt trái đất không nguyên vẹn mà

bị suy giảm

Bức xạ tử ngoại bị tần ozone hấp thụ

hoàn toàn Bức xạ hồng ngoại thì bị phản

xạ lại hoàn toàn vào vũ trụ

Bức xạ khả kiến thì bị các vật chất như

mây mù, khói, bụi và các chất khí khác

nhau làm giảm cường độ do các hiện

tượng hấp thụ, phả xạ và khuếch tán

Mây ảnh hưởng nhiều đến tia bức xạ mặt

trời, làm nó phản xạ lại không trung:mây

mỏng độ phản xạ khoảng 20%,mây dày

đặc mức độ phản xạ lên đến 80%

12

Năng lượng mặt trời gặp khí quyển đã bị

phản xạ lại vào vũ trụ khoảng 1/3 lượng

bức xạ mặt trời, 2/3 còn lại được hấp thụ,

khuếch tán và đến được bề mặt trái đất,

tạo cho bề mặt trái đất có nhiệt độ trung

bình khoảng 15 o C

Quá truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua

lớp khí quyển của trái đất 14

Cường độ bức xạ mặt trời khi bắt đầu

chạm vào tầng khí quyển là 1353 W/m2 ,khi đi qua tầng khí quyển đến bề mặt trái

đất cường độ bức xạ mặt trời giảm xuống

còn 1000 W/m2 đo vào giữa trưa và

quang đãng không mây

Với giá trị năng lượng mặt trời đến bề mặttrái đất là 1000 W/m2 , diện tích toàn bộ bềmặt trái đất khoảng 127.400.000 km2 thìcông suất mà bề mặt trái đất nhận được sẽ là12,740 1017 W, tương đương khoảng 15,3.

1020 J trong 1 năm, gấp 10 lần tổng trữlượng năng lượng hóa thạch, gấp 1000 lầntổng mức tiêu thụ năng lượng được dự báocho thế kỷ 21 (15,3 1020 J)

→ Đó là nguồn năng lượng vô tận cầnphải khai thác

16

II CHUYỂN HÓA BỨC XẠ MẶT TRỜI

THERMAL ENERGY):

• Các dạng bức xạ mặt trời được sử dụng cho quá trình sản xuất nhiệt năng.

Quá trình chuyển hóa bức xạ mặt trời thành nhiệt năng gọi là quá trình chuyển hóa quang- nhiệt Năng lượng thu được là năng lượng nhiệt mặt trời.

Số lượng bức xạ và cường độ bức xạ là hai yếu tố quan trọng.Nó phụ thuộc nhiều yếu tố:

+ Điều kiện khí hậu, thời tiết.

1 Các dạng bức xạ mặt trời được sửdụng cho quá trình sản xuất nhiệt năng:

18

20

Bức xạ của mặt trời đến bề mặt trái đất có

2 dạng:

+ Bức xạ trực tiếp

+ Bức xạ khuếch tán

Bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tánđươc thu lại bởi các bộ thu bức xạ mặttrời và chuyển thành năng lượng nhiệtphục vụ con người

22

Trên hình là các vòng tròn đồng mức biểudiễn cường độ bức xạ mặt trời thay đổitheo giờ trong một ngày và theo thángtrong một năm của vùng thủ đô Cairo (AiCập) đã thống kê được qua nhiều năm.Vào tháng 6 và 7, ở thời điểm 12 đến 13giờ là lúc bức xạ mặt trời có cường độ cựcđại, từ 1000 – 1100 W/m2

24

2 Các bộ thu bức xạ mặt trời và lĩnhvực áp dụng:

Hiện nay, nguồn năng lượng hóa thạchdần cạn kiệt, thì năng lượng sản xuất từbức xạ mặt trời đang được chú ý đầu tưphát triển, chiếm một thị phần ngày càngcao trong tổng năng lượng tiêu thụ hiệnnay trên thế giới

26

Các bộ thu bức xạ mặt trời gồm có 2 loại:

+ Bộ thu bức xạ dạng tấm phẳng sản xuấtnguồn nhiệt có nhiệt độ không cao (60 -

70o)

+ Bộ thu bức xạ mặt trời dạng hội tụ bức

xạ trực tiếp sản xuất nguồn nhiệt có nhiệt

độ cao ( 700 – 800 ), hoặc rất cao (>

1000o C )

3 Bộ thu năng lượng bức xạ mặt trờidạng tấm phẳng.

Nó có khả năng thu các bức xạ mặt trờimột cách đơn giản, nhưng không thể tậptrung các bức xạ hội tụ về một điểm

Do đó, nó chỉ sản xuất được nhiệt độ vừa

đủ làm nóng nước sinh hoạt, làm ấm nhàở

28

Nếu cần làm nóng không khí, thì không

bố trí chùm ống kim loại, không khí trựctiếp thổi vào hộp và lấy nhiệt bằng đối lưuvới bề mặt tấm hấp thụ nhiệt ở đáy hộp

Bộ thu năng lượng bức xạ dạng nàythường được lắp trên mái nhà để cấp nướcnóng cho gia đình sử dụng có nhiệt độ 60– 70o C

32

34

Trong hệ thống trên, nước nóng được tíchtrữ trong thùng chứa có bảo ôn để giảmmất nhiệt Và có hệ thống nhiệt phụ trợ đểgiử nhiệt ổn định cho nước những ngàykhông nắng,ngày mưa và ban đêm.

Ở Mỹ, năm 2006, đã có 1.500.000 m2 bộthu năng lượng bức xạ mặt trời dạng tấmphẳng được sử dụng

 Bộ bức xạ mặt trời dạng tấm phẳng

để làm mát và điều hòa khí hậu:

Ngoài việc sản xuất nhiệt năng cho sinhhoạt, bộ thu bức xạ mặt trời còn sử dụng

để làm mát, điều hòa khí hậu

Làm mát bằng năng lượng mặt trời có tácdụng: tiết kiệm điện, giảm thải CO2 , trách

sử dụng môi chất làm lạnh CFC ảnhhưởng tầng ozone

36

Môi chất lạnh là nước, chất hấp thụ là silicagel Nguyên lý hoạt động:

Bộ thu bức xạ làm nóng không khí đi ra để sấy khô chất hấp thụ Chất hấp thụ sẽ hút hơi ẩm của không khí đi vào tạo thành không khí khô Nó qua rotor trao đổi nhiệt nhiệt độ sẽ giảm một ít, sau đó vào buồng làm ẩm, hơi nước sẽ bốc hơi trong dòng không khí khô, làm nhiệt độ hạ thấp cung cấp vào không gian cần làm mát.

38

Không khí đi ra vẫn còn mát, cho bốc hơiphụ trợ rồi qua rotor trao đổi nhiệt để làmmát cho dòng không khí đi vào Nó tiếptục hấp thu nhiệt từ bộ thu bức xạ mặt trời

để nóng lên và vào rotor chứa chất hấpthụ sấy khô chất này

40

4 Bộ thu năng lượng bức xạ mặt trời dạng hội tụ

Các bộ thu tập trung bức xạ về một điểmtạo ra nhiệt độ rất cao tại tiêu điểm

Bức xạ mặt trời chiếu thẳng vào bề mặt códiện tích lớn,sau đó phản xạ lại và qui tụ về

bề mặt nhỏ hơn, nhờ vậy nhiệt thu được làrất cao, có thể trên 1000o C Nhiệt được tíchtrữ lại trong các chất tích nhiệt để cung cấp

sữ dụng cả ngày mưa và ban đêm

Đặc điểm của bộ thu loại này là phải có

cơ cấu chuyển hoạt động sao cho các bềmặt phản xạ luôn quay về phía mặt trời đểhứng tối đa các bức xạ trực tiếp

Có 3 kiểu bộ thu bức xạ mặt trời dạng hộitụ:

+ Máng parabol

+ Gương phản chiếu

+ Chảo parabol

42

44

 Bộ thu bức xạ mặt trời trực tiếp dạngmáng parabol:

Bộ thu này tập trung ánh nắng về đường trụccủa máng parabol, chất lỏng tải nhiệt ( dầu)chạy trong đường ống đặt dọc theo trục củamáng, khi ra khỏi máng dầu có nhiệt độ 350– 400o C sẽ được dẫn vào hệ thống trao đổinhiệt sản xuất hơi nước cấp cho tua bin hơiphát điện Sau đó dầu tải nhiệt quay về mángparabol để lấy nhiệt tạo thành một chu trìnhkín

46

Các máng parabol

48

Năm 1985, 9 nhà máy sản xuất điện mặttrời sử dụng hệ thu bức xạ mặt trời trựctiếp hội tụ theo trục của máng parabolđược xây dựng tại sa mạc Mojave(California ) Một nhà máy điện mặt trời

có công suất 80 MW với tổng diện tíchmáng thu parabol 460.000m2

50

Nhà máy Nhiệt điện MT Shams 1

Là nhà máy năng lượng MT tập trung (CSP) lớn nhất thế giới với công suất 100 MW

Nhà máy có diện tích 2,5 Km2, gồm 258 048 tấm gương parapol gắn trên 768 tổ hợp máng thu thập năng lượng MT

Chi phí xây dựng Shams 1 khoảng 600 triệu đôla

Shams 1 góp phần cắt giảm lượng khí thải UAE mỗi năm lên đến 175 000 tấn CO2

Một số hình ảnh nhà máy Shams 1

52

 Bộ thu bức xạ mặt trời hội tụ vềtrung tâm nhờ hệ thống gương phảnchiếu

Nhiệt độ thu được sẽ cao hơn kiểu mángparabol, từ 500oC đến trên 1000oC, phụthuộc vào số lượng thấu kính phảnchiếu.Các tấm thấu kính điều khiển độclập quay về phía mặt trời theo giờ trongngày, để đưa các tia phản xạ tập trungnhiều nhất về đỉnh tháp

54

Hình ảnh “tháp mặt trời” nhà mày điện mặt trời PS10 công suất 11 MW của công ty Solucar (TBN) sử dụng 624 tâm gương phản chiếu.

56

Hình một tấm gương

Công ty Solucar còn xây dựng nhà máyPS20 với 1.255 kính định nhật, công suấtđạt 20MW, hoạt động hết công suất năm2013.

58

Hình ảnh “tháp mặt trời” của nhà máy điện mặt trời công suất 10MW được lắp đặt ở Barstow,

Nhà máy điện MT

ở Israel công suất 100kW

60

 Bộ thu bức xạ mặt trời về tiêu điểmnhờ chảo parabol để cung cấp nhiệt chođộng cơ Stirling:

Bộ thu bức xạ này, nhiệt độ thu được tạitrung tâm khá cao

Chảo parabol được cấu tạo từ nhiều tấmgương phản chiếu hoặc bằng kim loạiđược làm bóng bên trong hoặc lót bằnglớp màng mỏng tráng nhôm

Tại điểm hội tụ, lắp đặt đông cơ Stirling làm quay động cơ để phát điện.

Hiện nay, công ty Boeing đã chế tạo được động

cơ Stirling sử dụng nhiệt từ bộ thu bức xạ mặt trời bằng chảo parabol đạt công suất 10 – 100KW.

Năm 2005, Souther California Edison công bố

dự án trong vòng 20 năm sẽ xây nhà máy điện đông cơ Stirling ghép với bộ thu bức xạ mặt trời bằng 20.000 chảo parabol, sản xuất 500MW điện năng, chiếm diện tích 19 km2 .

62

Hình ảnh chảo parabol cấu tạo

từ nhiều tấm kính phản xạ, gắn động cơ Stirling

64

 Bộ thu bức xạ mặt trời hội tụ về tiêuđiểm nhờ chảo parabol cung cấp nhiệtcho “bếp mặt trời”:

Còn được tận dụng để lấy nguồn nhiệtphụ vụ nấu nướng

Ở Việt Nam bếp mặt trời được sử dụngkhá phổ biến Năm 2000, Trung tâmNghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượngmới - Đại học Đà Nẵng phối hợp với các

tổ chức từ thiện Hà Lan đưa bếp nănglượng mặt trời vào sử dụng ở các vùng

66

Tại Auroville-Ấn Độ, có nhà bếp mặt trời,nhiệt thu được khoảng 150oC đến 200oC tạitiêu điểm để sản xuất hơi nước phục vụ nấuăn.

Tháng 3/2008, Ấn Độ xây dựng bếp mặt trời lớn nhất thế giới, hệ thống gồm 84 chảo parabol diện

3000-4000 kg hơi nước/ngày để nấu ăn.

68

III CHUYỂN HÓA BỨC XẠ MẶTTRỜI TRỰC TIẾP THÀNH ĐIỆNNĂNG: PIN MẶT TRỜI

Pin Mặt Trời

Giới thiệu Nguyên lý hoạt động

Phân loại Ứng dụng

1 Giới thiệu:

70

Năm 1883, chế tạo pin mặt trời đầu tiên có hiệu xuất < 1%

1954, chế tạo pin mặt trời silic đơn tinh thể hiệu suất 4%, và silic đơn tinh thể ghép nối silic n-p hiệu suất 6%.

1958, hiệu suất pin mặt trời đạt 9%, công suất đạt 0,1W/100 cm2 panel.

1959, hiệu suất đạt 10%, và năm 1960,đạt 14% Đến nay, pin mặt trời silic đơn tinh thể đạt hiệu suất đến 27,6%.

Ngoài silic đơn tinh thể, pin mặt trời cònđược chế tạo từ cá vật liệu bán dẫn tổ hợphoặc ghép nối nhiều tầng đã có thể đạt hiệusuất chuyển hóa năng lượng cao, tối đa cóthể trên 40%.

Tuy nhiên giá thành của các loại pin mặttrời này rất cao, nên giá thành điện năng sảnxuất được cũng rất cao, không thể đưa vàoứng dụng rộng rãi cho dân dụng

72

Pin mặt trời silic đa tinh hiệu suất 16-20 %,hay silic thù hình hiệu suất 6-10%, hiệu suấtthấp nhưng giá thành cũng giảm rất nhiều,sản xuất dễ dàng hơn.

Từ năm 2000, bắt đầu nghiên cứu chế tạopin mặt trời bán dẫn hữu cơ, có hiệu suấtthấp 4-5%, tương lại có thể đạt được 20%,tuy nhiên giá thành lại rất thấp 30$/m2

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 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

Pin mặt trời thế hệ khác nhau có sự khácnhau lớn về hiệu suất và giá thành.

Giá điện năng sản xuất từ pin mặt trờicũng giảm nhanh qua từng năm, từ 110-

125 cents/kWh năm 1980 xuống còn

23-30 cents/kWh năm 2005, và sẽ còn giảmtrong tương lai

76

Giá điện năng do pin mặt trời sản xuất giảm

nhanh từ năm 1980 đến nay.

2 Nguyên lý hoạt động

Pin mặt trời có lớp tiếp xúc bán dẫn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ MT thành điện nhờ hiệu ứng quang điện.

78

Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silicnung chảy cẩn thận được làm nguội vàlàm rắn Các pin này thường rẻ hơn cácđơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn.Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấmvuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinhthể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Dải silic tạo từ các miếng phim mỏngsilic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể,loại này thường có hiệu suất thấp nhất,tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vìkhông cần phải cắt từ thỏi silicon Cáccông nghệ trên là sản suất tấm, nói cáchkhác, các loại trên có độ dày 300 μm tạothành và xếp lại để tạo nên module.

4 Ứng dụng của Pin Mặt Trời

 Nhà máy điện mặt trời sử dụng pin mặttrời :

Dùng pin mặt trời để chuyển đổi trực tiếpnăng lượng mặt trời thành điện năng

Nhà máy điện MT

Okhotnikovo_U kraine

Công suất : 80 MW

82

Nhà máy điện mặt trời Okhotnikovo rộng 160

héc-ta và bao gồm 560.000 tấm thu năng lượng mặt trời.

Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới ở mái tòa nhà Bộ Công Thương 12 kWp

Bộ biến tần

Dàn pin

năng lượng mặt trời

84

 Nhà máy điện mặt trời sử dụng pin mặttrời tập trung (concentrator photovoltaics_CPV):

Tiết kiệm nhiên liệu (do diện tích tế bàoquang điện nhỏ)

Hiệu suất cao

Phải sử dụng dàn xoay

Chi phí cao

Chỉ thích hợp ở vùng có cường độ bức xạlớn

Tập trung ánh sáng

chiếu vào pin quang

điện có hiệu suất

Sử dụng hệ thống thấu kính để tập trungánh sáng vào pin quang điện

Sử dụng hệ thống gương phản xạ để tậptrung ánh sáng vào pin quang điện

88

Có thể dùng hệ thống nhiều gương để tập trung ánh sáng vào pin quang điện ở tháp trung tâm

Hệ thống pin mặt trời tập trung được gắn

bộ phận hướng nắng để tăng hiệu suất hấpthụ ánh sáng mặt trời

Có 2 dạng dàn xoay: Dàn xoay 1 trục vàdàn xoay 2 trục

Hệ thống quang học hội tụ theo điểm sửdụng dàn xoay 2 trục để tấm pin luônhướng theo mặt trời và ánh sáng hội tụđược tập trung vào tế bào quang điện

90

Hệ thống quang học hội tụ theo đường sửdụng dàn xoay 1 trục, ánh sáng được tậptrung dọc theo dãy các tế bào quang điện.

Về mặt cơ học, dàn xoay 2 trục phức tạphơn dàn xoay 1 trục, tuy nhiên hội tụđiểm lại có hệ số hội tụ cao hơn, do đó chiphí cho tế bào quang điện thấp hơn

Dàn xoay 2 trục Dàn xoay 1 trục

92

Thị trường và ứng dụng :

Hiện nay, 3 công ty lớn nhất về công

nghệ pin mặt trời tập trung, chiếm tới

96% các dự án đã và đang triển khai trên thế giới là: Soitec, Amonix và Solfocus

Thị trường của các công ty này chủ yếu

tập trung ở các quốc gia có cường độ bức

xạ lớn như Mỹ, Trung Âu, Nam Phi, Úc

Các khu vực màu vàng có cường độ bức xạ thích hợp với công nghệ CPV

4.1 Các ứng dụng khác của pin MT:

Năng lượng mặt trời phát triển rất nhanh,con người đã ứng dụng pin MT trongnhiều dụng cụ cá nhân, dùng để chạy ô tô,thắp sáng đèn đường và sử dụng trongtừng hộ gia đình

Giá thành thiết bị pin mặt trời còn khácao, trung bình khoảng 5USD/Wp

Máy bay sử dụng năng

lượng mặt trời

Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời

96

Sử dung pin mặt trời

cho chiếu sáng công

cộng.

Hệ thống năng lượng từ pin mặt trời sử dụng cho hộ gia đình

98

4.2 Sự phát triển của điện pin mặt trời:

Những thành tựu của pin mặt trời gắn liềnvới các chương trình không gian của Nga,Mỹ

Trước năm 1972, tổng sản lượng điện từpin mặt trời trên thế giới chỉ đạt được 1

GW, nhưng chỉ 4 năm sau đó đã đạt 2GW