Tiểu luận môi trường và con người: Tìm hiểu về nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo và năng lượng mới

Mục lục Tiểu luận 2 Đề tài: Tìm hiểu về nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo và năng lượng mới 2 Chuyên đề: Năng lượng mặt trời 2 Lời nói đầu 3 I, Khái niệm: 4 II, Hình thành và phát triền: 4 II.1, Hình thành: 5 II.2, Phát triển: 5 III, Những đặc điểm của Mặt Trời: 6 III.1, Cấu trúc bên trong và bầu khí quyển: 6 III.2, Từ trường: 7 III.3, Thành phần hóa học: 7 III.4, Vết đen Mặt Trời và chu kì hoạt động của Mặt Trời: 8 III.5, Quan sát: 8 IV, Cơ chế vận hành: 9 IV.1, Chuyển năng lượng Mặt Trời thành điện (quang điện) 9 IV.2, Nhiệt Mặt Trời: 13 V, Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới và Việt Nam: 14 V.1, Trên thế giới: 14 V.2, Tại Việt Nam: 15 VI, Các tác động có lợi và bất lợi đối với môi trường và con người. Đề xuất biện pháp giảm thiểu, xử lý tác động bất lợi: 17 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 18 Kết luận: 18 Kiến nghị: 18 Tài liệu tham khảo: 19

M c l c ục lục ục lục

Tiểu luận 2

Đề tài: Tìm hiểu về nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo và năng lượng mới 2

Chuyên đề: Năng lượng mặt trời 2

Lời nói đầu 3

I, Khái niệm: 4

II, Hình thành và phát triền: 4

II.1, Hình thành: 5

II.2, Phát triển: 5

III, Những đặc điểm của Mặt Trời: 6

III.1, Cấu trúc bên trong và bầu khí quyển: 6

III.2, Từ trường: 7

III.3, Thành phần hóa học: 7

III.4, Vết đen Mặt Trời và chu kì hoạt động của Mặt Trời: 8

III.5, Quan sát: 8

IV, Cơ chế vận hành: 9

IV.1, Chuyển năng lượng Mặt Trời thành điện (quang điện) 9

IV.2, Nhiệt Mặt Trời: 13

V, Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới và Việt Nam: 14

V.1, Trên thế giới: 14

V.2, Tại Việt Nam: 15

VI, Các tác động có lợi và bất lợi đối với môi trường và con người Đề xuất biện pháp giảm thiểu, xử lý tác động bất lợi: 17

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 18

Kết luận: 18

Kiến nghị: 18

Tài liệu tham khảo: 19

Tiểu luận

Đề tài: Tìm hiểu về nguồn năng lượng sạch,

năng lượng tái tạo và năng lượng mới

Chuyên đề: Năng lượng mặt trời

Sinh viên: Nguyễn Tiến Thành

Mssv: 1221070143

Lớp: Xây dựng công trình Ngầm k57

Lời nói đầu

Từ khi con người biết đến sử dụng nguyên liệu để phục vụ cho môi trường sống cho đến nay, các nguồn nguyên liệu truyền thống như xăng, dầu, than,… vẫn được sử dụng rộng rãi Việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này gây lên sự ô nhiễm môi trường sống, mặt khác các nguồn nhiên liệu này cũng đang dần cạn kiệt Chính

vì thế con người đã và đang nghiên cứu để tìm ra nguồn nhiên liệu khác sạch hơn, nhiều hơn như năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng mặt trời,… Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào trong công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu những nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm Các nước phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời

I, 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 này

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

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lượng mà chúng ta được biết Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chum tia do mặt trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình Bức

xạ mặt trời chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên trái đất

Năng lượng mặt trời là năng lượng có thể chế tạo để phục vụ đời sống con người cũng giống như năng lượng sinh khối, năng lượng gió, năng lượng nước Về thực chất các dạng năng lượng chế tạo đều có xuất xứ từ năng lượng mặt trời Mặt trời là một quả cầu khổng lồ có đường kính 1,39 triêu km và cách trái đất 149,5 triệu km Mặt trời phát ra một công suất khoảng 3,8 x 1020 MW, nhưng trái đất chỉ nhận được một phần công suất đó

II, Hình thành và phát triền:

Mặt Trời là trái tim của Hệ Mặt Trời, là thiên thể to lớn nhất trong Hệ Mặt Trời Chiếm giữ 99.8% vật chất trong Hệ Mặt Trời và có đường kính gấp khoảng

109 lần đường kính của Trái Đất - Nó có thể chứa bên trong khoảng 1 triệu Trái Đất

Phần có thể nhìn thấy của Mặt Trời có nhiệt độ khoảng 5.500 độ C, trong khi nhiệt độ ở lõi đạt tới hơn 15 triệu độ C, được tạo ra từ những phản ứng hạt

nhân Mỗi giây, Mặt Trời sản xuất ra một lượng năng lượng tương đương với 100

tỷ tấn thuốc nổ

Mặt Trời là một trong hơn 100 tỷ ngôi sao trong dải Ngân Hà Nó quay quanh lõi của Ngân Hà trong một quỹ đạo cách đó khoảng 25.000 năm ánh sáng,

và phải mất 250 triệu năm để nó hoàn thành một vòng quỹ đạo Mặt Trời tương đối trẻ, là một phần của thế hệ ngôi sao được gọi là "Population I", là những ngôi sao tương đối giàu nguyên tố nặng hơn Heli Những ngôi sao thuộc thế hệ già hơn được gọi là "Population II", và những ngôi sao được hình thành sớm hơn được gọi

là "Population III" thực sự tồn tại tuy rằng chưa có ngôi sao nào thuộc thế hệ này được biết đến

II.1, Hình thành:

Mặt Trời được sinh ra từ khoảng 4.6 tỷ năm trước Nhiều nhà khoa học nghĩ rằng Mặt Trời và phần còn lại của Hệ Mặt Trời được hình thành từ đám mây bụi và khí gas khổng lồ được gọi là "Tinh vân Mặt Trời" Khi tinh vân bị phá hủy bởi chính trọng lực của nó, nó sẽ quay nhanh hơn và bị san phẳng thành dạng đĩa Phần lớn vật chất sẽ bị kéo vào trung tâm để hình thành Mặt Trời

II.2, Phát triển:

Mặt Trời có đủ lượng nhiên liệu hạt nhân để có thể hoạt động thêm 5 tỷ năm nữa Sau đó, nó sẽ phồng lên thành một sao khổng lồ đỏ Cuối cùng, nó sẽ bắn ra các lớp vật chất bên ngoài và phần lõi còn lại sẽ hình thành một sao lùn trắng Dần dần, nó sẽ mờ dần thành một vật thể nguội lạnh được gọi là sao lùn đen

III, Những đặc điểm của Mặt Trời:

III.1, Cấu trúc bên trong và bầu khí quyển:

Mặt Trời và bầu khí quyển của nó được phân chia thành một số vùng và lớp Bên trong Mặt Trời trời, tính từ trong ra ngoài là: phần lõi, vùng bức xạ và vùng đối lưu Bầu khí quyển của Mặt Trời bao gồm quang quyển, sắc quyển, vùng chuyển tiếp và vành nhật hoa Bên cạnh đó là gió Mặt Trời - dòng khí thổi ra từ vành nhật hoa

Phần lõi kéo dài từ trong tâm Mặt Trời đến khoảng 1/4 khoảng cách đến bề mặt Dù chỉ chiếm khoảng 2% thể tích của Mặt Trời nhưng phần lõi có mật độ gấn gần 15 lần mật độ của chì và chiếm gần một nửa khối lượng Mặt Trời Tiếp theo là vùng bức xạ, kéo dài từ phần lõi đến 70% khoảng cách đến bề mặt, chiếm 32% thể tích và 48% khối lượng Mặt Trời Ánh sáng từ phần lõi bị tán xạ nhiều lần trong vùng này, vì thế những hạt photon đơn lẻ thường phải mất nhiều triệu năm để có thể qua được khu vực này Vùng đối lưu kéo dài đến bề mặt của Mặt Trời, chiếm 66% thể tích nhưng chưa đến 2% khối lượng Mặt Trời Ở vùng này, các "tế bào đối lưu" thống trị Hai dạng tế bào đối lưu Mặt Trời là: các tế bào hạt có kích thước khoảng 1000km và những tế bào siêu hạt có đường kính đến 30.000km

Quang quyển là tầng thấp nhất trong khí quyển của Mặt Trời, nó phát ra ánh sáng mà chúng ta thấy Quang quyển dày khoảng 500km, dù vậy nhưng hầu hết ánh sáng được phát ra từ khoảng 170km thấp nhất của nó Nhiệt độ ở đáy là 6.125

độ C và ở đỉnh là 4.125 độ C Tiếp theo là Sắc quyển, có thể nóng đến 19.725 độ

C, và dường như toàn bộ quyển này được tạo ra từ các cấu trúc có dạng gai ngọn được gọi là các "Spicules" thường kéo dài khoảng 1000km và cao đến 10.000km Trên nữa là khu vực chuyển tiếp dày từ vài trăm đến vài ngàn km, được nung nóng bởi vành nhật hoa phía trên, hầu hết ánh sáng phát ra từ quyển này là tia cực tím Ở trên cùng là vành nhật hoa cực nóng, được cấu tạo bởi các cấu trúc như vòng đối

lưu và dòng chảy của các khí gas bị ion hóa Nhiệt độ ở vành nhật hoa thường từ 500.000 độ C đến hơn 6 triệu độ C và thậm chí có thể lên đến 10 triệu độ C khi có

vụ phun trào ở bề mặt Vật chất ở vành nhật hoa bị thổi ra bởi những cơn gió Mặt Trời

III.2, Từ trường:

Thông thường, từ trường của Mặt Trời chỉ mạnh gấp khoảng 2 lần từ trường của Trái Đất Tuy nhiên, nó tập trung vào một khu vực nhỏ nên sức mạnh có thể đạt đến 3000 lần mạnh hơn bình thường Nhưng nút thắc và vòng xoắn trong từ trường rất mạnh mẽ do Mặt Trời quay nhanh hơn ở xích đạo đồng thời phần lõi quay nhanh hơn bề mặt Tạo nên những biến dạng trên Mặt Trời đồng thời tạo ra các vết đen Mặt Trời và các vụ phun trào hùng vĩ được gọi là các tai lửa và những

vụ phun trào tầng nhật hoa Tai lửa là những vụ phun trào dữ dội nhất trong Hệ Mặt Trời, trong khi những vụ phun trào ở tầng nhật hoa thì kém dữ dội hơn Mỗi

vụ phun trào có thể phóng ra khoảng 20 tỷ tấn vật chất vào không gian

III.3, Thành phần hóa học:

Cũng giống như hầu hết các ngôi sao khác, Mặt Trời được cấu tạo chủ yếu bởi hidro và heli Gần như tất cả phần còn lại của Mặt Trời đều được cấu tạo từ 7 nguyên tố khác: oxy, cacbon, neon, nitơ, magie, sắt và silic Cứ mỗi 1 triệu nguyên

tử hidro thì có 98.000 nguyên tử heli, 850 nguyên tử oxi, 360 nguyên tử cacbon,

120 nguyên tử neon, 110 nguyên tử nitơ, 40 nguyên tử magie, 35 nguyên tử sắt và

35 nguyên tử silic Dù vậy, hidro là nguyên tố nhẹ nhất nên nó chỉ chiếm khoảng 72% khối lượng Mặt Trời, trong khi đó heli chiếm tận 26%

III.4, Vết đen Mặt Trời và chu kì hoạt động của Mặt Trời:

Vết đen Mặt Trời tương đối "lạnh", là một vùng tối thường có hình tròn trên

bề mặt Mặt Trời Chúng thường xuất hiện nơi những đường sức từ đâm xuyên từ bên trong Mặt Trời ra bề mặt Số lượng của các vết đen thay đổi theo chu kì hoạt động từ trường của Mặt Trời Sự thay đổi số lượng vết đen, từ cực tiểu là hoàn toàn không có vết đen đến cực đại là khi có khoảng 250 vết đen hoặc cụm vết đen sau

đó lại trở về cực tiểu, được gọi là chu kì hoạt động của Mặt Trời, chu kì này kéo dài trung bình 11 năm Vào cuối chu kì, từ trường của Mặt Trời đảo ngược các cực một cách nhanh chóng

III.5, Quan sát:

Những nền văn hóa cổ đại thường khắc lên đá hoặc xây dựng những công trình bằng đá để ghi lại sự chuyển động của Mặt Trời và Mặt Trăng, chia thành các mùa, tạo ra lịch và quan sát thiên thực Nhiều người tin rằng Mặt Trời quay quanh Trái Đất Một học giả Hy Lạp cổ đại là Ptolemy chính thức hóa quan niệm trên bằng mô hình Địa tâm Vào năm 1543, Copecnic mô tả một mô hình trong đó Mặt Trời là trung tâm, mang tên Nhật tâm, và vào năm 1610, việc Galileo khám phá ra các vệ tinh của Sao Mộc đã chứng tỏ rằng không phải tất cả các thiên thể đều quay quanh Trái Đất

Để tìm hiểu nhiều hơn về hoạt động của Mặt Trời và các ngôi sao khác, sau những quan sát thuở sơ khai bằng cách sử dụng đá, những nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu Mặt Trời từ quỹ đạo của Trái Đất NASA đã phóng lên quỹ đạo loạt 8

vệ tinh quan sát được gọi là Vệ tinh quan sát Mặt Trời từ năm 1962 đến năm 1971 Bảy trong số chúng được phóng thành công và tiến hành phân tích ánh sáng Mặt Trời trong bước sóng cực tím và tia X đồng thời chụp ảnh vành nhật hoa cực nóng bên cạnh những thành tựu khác

Vào năm 1990, NASA và Cơ quan Không gian châu Âu [ESA] đã phóng tàu thăm dò Ulysses để lần đầu tiên quan sát được vùng cực của Mặt Trời Năm 2004, tàu vũ trụ Genesis đã mang về Trái Đát vật mẫu của gió Mặt Trời để nghiên cứu Năm 2007, tàu vũ trụ kép quan sát Mặt Trời mang tên STEREO đã cung cấp bức ảnh 3 chiều đầu tiên về Mặt Trời

Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất cho đến nay là vệ tinh quan sát Mặt Trời mang tên SOHO, được thiết kế để nghiên cứu về gió Mặt Trời cũng như các lớp bên ngoài và cấu trúc bên trong Nó cung cấp những bức ảnh về cấu trúc của các vết đen bên dưới bề mặt Mặt Trời, đo gia tốc của gió Mặt Trời, khám phá những sóng trong vành nhật hoa và những cơn lốc xoáy Mặt Trời, tìm ra hơn 1000 sao chổi và tạo nên một cuộc cách mạng trong dự báo thời tiết vũ trụ

Gần đây, vệ tinh quan sát mang tên SDO, vệ tinh tiên tiến nhất từng được thiết kế, đã truyền về những bức ảnh chưa từng được chứng kiến về chi tiết những vật chất được bắn ra từ các vết đen Mặt Trời cũng như đo đạt một cách cực gần và chi tiết nhất về tai lửa Mặt Trời trong một dải rộng của sóng cực tím

IV, Cơ chế vận hành:

IV.1, Chuyển năng lượng Mặt Trời thành điện (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 trước, 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

Nguyên lý :

a) Phiến pin quang điện:

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

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 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