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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI BÃO NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH NIN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI BÃO

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH NINH THUẬN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250

S KC 0 0 4 0 8 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI BÃO

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH NINH THUẬN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI BÃO

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH NINH THUẬN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2013

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ CHÍ KIÊN

Lời cam đoan

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hoài Bão

Lời cảm ơn

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình Để có được thành quả này, học viên đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy TS Lê Chí Kiên, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

Tp Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi

và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn này

Học viên xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

xạ mặt trời là cao nhất cả nước Công nghệ điện mặt trời bao gồm hai lĩnh vực là quang điện và nhiệt điện Luận văn này trình bày phương pháp tính toán, đo đạc cường độ bức xạ mặt trời chiếu tới mặt đất và bộ thu Khái quát các công nghệ xây dựng nhà máy nhiệt điện mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận, trong đó tính toán các thông

số của hệ thống ứng với mỗi công nghệ khác nhau Các công nghệ được đề xuất bao gồm dùng hệ thống gương parapol trụ để tập trung, phản xạ năng lượng mặt trời, dùng dầu tổng hợp làm dung môi truyền nhiệt, hỗn hợp muối NaNO3, KNO3 làm chất trữ nhiệt vào ban đêm, công nghệ dùng hỗn hợp muối nóng chảy làm dung môi truyền nhiệt và cuối cùng dùng hệ thống gương phẳng để tập trung, phản xạ năng lượng mặt trời So sánh các công nghệ này và lựa chọn công nghệ phù hợp nhất

Abstract

Today, energy demand of the world and Viet Nam continuous rise Meanwhile, the fossil energy sources increasingly exhausted Therefore we need to have a policy of sustainable energy development, use of clean energy sources such as solar, biomass, tidal and so on Ninh Thuan is one of the provinces with the most favorable conditions for the development of solar energy with the average number of sunny days per year, the average temperature per year and intensity of solar radiation is highest in country Solar Power Technology includes two fields are photovoltaic and thermoelectric This project presents calculation methods, measurement of solar radiation intensity projection to ground and the collector Generalize technologies to build solar thermal power plants in Ninh Thuan province, calculate of system parameters for each different technology The proposed technology includes use parapol cylindrical mirror system to concentrate, reflect solar energy, synthetic oil

as a solvent heat transfer, salt mixture NaNO3, KNO3 are used to storage heat at night, technology using molten salt mixture as solvent heat transfer and final using flat mirror system to focus, reflect solar energy Compare technologies and select the most appropriate technology

Mục lục

Tựa

Quyết định giao đề tài luận văn tốt nghiệp

Lý lịch khoa học

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt luận văn iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh sách các hình viii

Danh sách các bảng ix

Chương I: Tổng quan 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 2

1.3 Nhu cầu năng lượng thế giới 2

1.4 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.4.1 Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới 4

1.4.2 Kết quả nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam 5

1.5 Mục tiêu và giới hạn của đề tài 6

1.6 Phương pháp nghiên cứu 6

1.7 Nội dung luận văn 6

Chương II: Cơ sở lý thuyết 8

2.1 Mặt trời, cấu tạo của mặt trời 8

2.2 Các phản ứng hạt nhân trong mặt trời 10

2.2.1 Phản ứng tổng hợp hạt nhân Hêli 10

2.2.2 Phản ứng tổng hợp Cácbon và các nguyên tố khác 11

2.3 Bản chất của bức xạ mặt trời 12

2.3.1 Bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất - ảnh hưởng của lớp khí quyển 13

2.3.2 Bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất - ảnh hưởng của chuyển động quả đất

– mặt trời 13

2.4 Các thành phần bức xạ mặt trời tới bộ thu 14

2.5 Công nghệ điện mặt trời 14

2.5.1 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp 14

2.5.2 Công nghệ nhiệt mặt trời 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 của 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 bức xạ mặt trời 20

3.2 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất 24

3.3 Bức xạ mặt trời truyền qua kính 26

3.4 Đo cường độ bức xạ mặt trời 27

3.5 Các loại gương phản xạ năng lượng mặt trời 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 tại tỉnh Ninh Thuận trong việc lắp đặt nhà máy điện mặt trời 32

4.1.1 Giải 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 trời tại 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

4.2.3.Tính toán lượng hơi cần thiết để cung cấp cho tuabin 36

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

4.3.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy 38

4.3.2 Năng lượng hóa hơi một lít nước 39

4.3.3 Thông số, thành phần của bộ thu 40

4.3.4 Hệ thống dự trữ nhiệt vào ban đêm 42

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

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

4.5.1 Nguyên lý hoạt động 47

4.5.2 Năng lượng mặt trời 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 quả đạt được trong đề tài 50

5.1.2.Các hạn chế trong đề tài 50

5.2 Hướng phát triển của đề tài 50

Tài liệu tham khảo 51

Phụ lục 52

Danh sách các hình

Hình 1.1: Tỉ lệ nguồn năng lượng trên thế giới năm 2006 (nguồn IEA, 2008) 3

Hình 1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới từ 1980 và dự báo đến năm2030 4

Hình 2.1 Bề ngoài của mặt trời 8

Hình 2.2 Cấu trúc của mặt trời 9

Hình 2.3 Ảnh hưởng chuyển động quả đất lên bức xạ mặt trời tới trái đất 13

Hình 2.4 Các thành phần bức xạ mặt trời tới bộ thu 14

Hình 2.5 : Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính 15

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

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

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tuabin hơi 17

Hình 2.9: Chu trình Rankine 18

Hình 3.1 Dãi bức xạ điện từ 20

Hình 3.2 Góc nhìn mặt trời 21

Hình 3.3 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất 23

Hình 3.4 Phân bố E0λλ của mặt trời 23

Hình 3.5 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khếch tán 25

Hình 3.6 Hiệu ứng lồng kính 26

Hình 3.7 a: Máy đo bức xạ nhiệt SL 200 27

Hình 3.7 b: Máy đo bức xạ nhiệt G-3202-18 27

Hình 3.8 Hệ gương và mặt thu 29

Hình 3.9 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 4.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy điện mặt trời 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 trời sử dụng gương phẳng 47

Danh sách các bảng

Bảng 1.1: Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới 5 Bảng 4.1 Thống kê số giờ nắng các tháng trong năm từ 2008 – 2012 33 Bảng 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 cường khai thác các nguồn năng lượng sạch có tiềm năng lớn và dồi dào trong tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng gió, biogas

Năng lượng mặt trời là năng lượng được tạo ra từ ánh sáng mặt trời Nguồn năng lượng này có thể tái tạo được và gần như vô tận đối với con người, không gây ô nhiễm môi trường

Trong khi các dạng năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt và các cuộc khủng hoảng về năng lượng diễn ra ngày càng nặng nề, thì việc nghiên cứu nhằm khai thác các nguồn năng lượng có thể tái tạo đã được chú ý phát triển Các dạng năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu phát triển hiện nay là năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối (chất đốt thực vật, khí biogas…), năng lượng gió, năng lượng nước (thuỷ năng),vv Về thực chất, các dạng năng lượng tái tạo đều có xuất xứ từ năng lượng mặt trời Đến nay, năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất thế giới có ứng dụng hiệu quả vào đời sống là điện mặt trời với tốc độ tăng trưởng bình quân hằng năm là 60% chủ yếu ở Nhật Bản, Đức và Mỹ

Tại ViệtNam, theo các nhà nghiên cứu trên thế giới, ViệtNamcó tiềm năng rất lớn

về năng lượng mặt trời Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày trong năm ở phía Bắc là 3,69KWh/1m2và phía Nam là 5,9KWh/1m2, số giờ giờ nắng trong một năm

ở miền Bắc khoảng 1.600h và ở miền Nam khoảng 2.600h Điện lưới quốc gia ngày

1 Tổng quan

càng quá tải trong việc cung cấp điện kinh doanh và cho sinh hoạt bình thường Thiếu điện dẫn đến cắt điện luân phiên và việc tăng giá điện đã gây ảnh hưởng không nhỏ tới cuộc sống của người dân nói riêng cũng như hoạt động sản xuất kinh doanh nói chung Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời dồi dào vô tận đang trở thành vấn đề mà người 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 mạnh, nhiệt độ trung bình hàng năm từ 26-270C Tỉnh Ninh Thuận có cường độ chiếu xạ mặt trời lớn, thời gian chiếu sáng dài và đồng đều nên có điều kiện tiếp nhận hàng năm một lượng bức xạ mặt trời rất lớn: trên 190 kcal/cm2, trong

đó tháng ít nhất cũng 14 kcal/cm2 Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2.600-2.800 h, tổng nhiệt độ trong năm khoảng 9.500 - 10.0000oC, phân bố tương đối điều hòa quanh năm Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói hơn 90% số ngày trong năm có thể sử dụng được năng lượng mặt trời Số tháng nắng trong năm: 9 tháng/năm (tương đương 200 ngày nắng/năm) Vì vậy, tỉnh Ninh Thuận là một trong những tỉnh có tiềm năng năng lượng mặt trời lớn, rất thuận lợi cho việc xây dựng nhà máy điện năng lượng mặt trời

Nhiệm vụ chính của đề tài này là nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà máy điện năng lượng mặt trời phù hợp nhất đặt tại tỉnh Ninh Thuận cụ thể là tại huyện Thuận Nam, nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng cho các hộ dân đang sinh sống trên địa bàn huyện Trong đề tài này người nghiên cứu đã đưa ra ba công nghệ nhà máy điện mặt trời 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 của thế giới được cung cấp bởi nhiên liệu hóa thạch là dầu, khí đốt tự nhiên và than đá (hình 1.1) Việc cung cấp năng lượng chính trong năm 2006 là hơn 80%, trong khi năng lượng tái tạo vẫn chiếm một tỷ lệ nhỏ Nguồn tài nguyên hóa thạch là hữu hạn, phân phối không đồng đều Việc khai thác, sản

bố quan trọng về phát triển bền vững, xác định "phát triển đáp ứng nhu cầu của hiện tại không ảnh hưởng đến khả năng của các thế hệ tương lai”, Để đáp ứng nhu cầu

đó, hệ thống năng lượng hiện nay không bền vững Chúng đã góp phần phát triển xã hội sau cuộc cách mạng công nghiệp và chịu trách nhiệm về các tiêu chuẩn sống hiện nay Điều đó sẽ gây ra suy giảm 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 1.2), các nguồn tài nguyên

sẽ ngày càng cạn kiệt, do đó con người phải tìm ra các nguồn năng lượng mới, phát triển bền vững, một trong các nguồn năng lượng đó là năng lượng mặt trời

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

1 Tổng quan

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

(nguồn IEA, 2008)

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 trời được các nhà khoa học đề cập vào những năm đầu thập kỷ 70 Trong quá khứ và hiện nay sử dụng năng lượng điện mặt trời cho truyền thông vệ tinh, cho khu dân cư và tải là công nghiệp Ở Mỹ, Nhật và một số nước Châu Âu như: Đức, Pháp…vv đã có nhiều nghiên cứu cũng như xây dựng, đưa vào hoạt động các nhà máy điện năng lượng mặt trời với những công nghệ khác nhau

Công viên mặt trời Okhotnikovo, toạ lạc trên bán đảo Crimea, miền nam Ukraine, là nhà máy điện mặt trời lớn nhất tại trung và đông Âu, sản xuất đủ điện để cung cấp cho khoảng 20.000 hộ gia đình

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

2 hồi tháng 7/2011 và 3 và 4 hồi tháng 10 Nhà máy điện mặt trời Okhotnikovo được xem là dự án xanh hàng đầu của Ukraine Việc nhà máy Okhotnykovo đi vào hoạt động sẽ giúp giảm 80.000 tấn khí thải các-bon của Ukraine mỗi năm

Năm 1985

Năm 1990

Năm 1995

Năm 2003

Năm 2010

Năm 2015

Năm 2020

Năm 2025

Năm 2030

Q Btu

1 Tổng quan

Để nắm rõ hơn về tình hình nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới

ta có thể khảo sát các số liệu dưới đây

Bảng 1.1: Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới

Điện năng sản xuất từ pin mặt trời năm 2010 toàn thế giới 47000 GWh

(Nguồn: Denis Lenardic, pvresources.com/Solarserver)

1.4.2 Kết quả nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam

Về vấn đề này hiện nay ở Việt Nam nói chung vẫn còn khá mới mẻ Trước đây thì nhà nước chưa quan tâm nhưng 5 năm trở lại đây thì có chuyển biến khá mạnh

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

Việc hợp tác với các Tổ chức Phi chính phủ trong lĩnh vực này cũng nhiều Hiện nay tại trung tâm Năng Lượng Mới thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội có nhiều hợp tác trong lĩnh vực này, song song với việc quan hệ hợp tác với các tổ chức trên thì trung tâm này còn thường xuyên nghiên cứu và đưa vào lắp đặt nhiều dự án cung cấp điện bằng những nguồn năng lượng tái tạo tại hơn 30 tỉnh thành trên cả nước chưa có điện lưới quốc gia như: Tỉnh Bắc Giang, Bình Định, Quảng Trị vv

1 Tổng quan

Ứng dụng nhiệt mặt trời ở nước ta mới chủ yếu là để thiết kế, sản xuất, lắp đặt các thiết bị đun nước nóng sinh hoạt cho hộ gia đình, khách sạn, trường học, bệnh viện, khoảng 1,5 triệu m2 đã được lắp đặt

Theo thống kê của Bộ công thương, tỉ lệ năng lượng tái tạo tại nước ta tính đến năm

2007 chiếm khoảng 2.1% tổng công suất lắp đặt, trong đó năng lượng mặt trời chiếm 0.008%

1.5 Mục tiêu và giới hạn của đề tài

Mục tiêu của đề tài là đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận, nghiên cứu công nghệ nhiệt điện năng lượng mặt trời phù hợp áp dụng tại 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 trời tại huyện Thuận Nam tỉnh Ninh Thuận

Giới hạn của đề tài là chỉ mới khảo sát, tính toán được công suất cho nhà máy tại một huyện, chưa tính toán được chi phí sản xuất

1.6 Phương pháp nghiên cứu

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

- Khảo sát, phân tích tổng hợp

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

- Nghiên cứu, đánh giá, so sánh các công nghệ xây dựng nhà máy điện mặt

trời, sau đó chọn lựa công nghệ phù hợp nhất đối với địa phương nghiên cứu 1.7 Nội dung luận văn

Phần còn lại của nội dung luận văn bao gồm:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày sơ lược lý thuyết mặt trời, bức xạ mặt trời, tua bin hơi nước

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

1 Tổng quan

Chương này trình bày các tính chất, phương pháp xác định bức xạ năng lượng mặt trời Các bộ thu năng lượng mặt trời

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

Chương này trình bày những điều kiện thuận lợi ở tỉnh Ninh Thuận để xây dựng nhà máy nhiệt điện mặt trời Lựa chọn vị trí lắp đặt, các công nghệ nhà máy nhiệt điện mặt trời khác nhau Ứng 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 quả đạt được trong luận văn, các mặt hạn chế và

hướng phát triển của đề tài

2 Cơ sở lý thuyết

Chương II

Cơ sở lý thuyết

2.1 Mặt trời, cấu tạo của mặt trời

Hình 2.1 Bề ngoài của mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150106 km (bằng một đơn vị thiên văn

AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030 kg Nhiệt độ tại trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 K đến 20.106 K, trung bình khoảng

15600000 K 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 những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất n guội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời

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

ra ngoài, vật chất ở 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 (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000 K, dày 1000 km 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 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” của mặt trời

Hình 2.2 Cấu trúc của mặt trời

Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762 K 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

2 Cơ sở lý thuyết

trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được 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 làn guyên tố nhẹ nhất Hydro Vật chất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác 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 tạo thành Hêli Hạt nhân của Hydro có một hạt mang 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 các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 neutrino và một lượng bức xạ γ

4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ (2.1) Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất 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 thời gian hàng

tỷ năm nữa Mỗi ngày mặt trời sản xuất 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)

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 trời sẽ tăng dần Khi vùng tâm mặt trời đạt nhiệt độ T ≥107 K, thì có đủ điều kiện để xảy ra phản ứng tổng hợp Hêli từ Hydrô, theo phương trình :

4H1 →He4 + q (2.2)

2 Cơ sở lý thuyết

Đây là phản ứng 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 hạt nhân H1 chuyển thành He4 thì bị hụt một khối lượng ∆m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lượng:

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 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 hydro, giảm khối lượng ∆m = 4,2 triệu tấn và phát ra năng lượng

Q = 3,8.1026 W

Để đơn giản ta có thể hình dung như sau:

- Ta có 1g proton H1 tham gia phản ứng tạo ra một lượng năng lượng là 6.3.1011 J

- Công suất bức xạ mặt trời: 3,865.1026 J/s, gần bằng năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than

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

Giai đoạn đốt Hydro của mặt trời được khởi động cách đây 4,5 tỷ năm, và còn tiếp tục trong khoảng 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, 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, khiến thể tích co lại Khi co lại, khí He bên trong bị nén nên nhiệt độ tăng dần, cho đến khi đạt tới nhiệt độ108K, sẽxảy ra phản ứng tổng hợp nhân Cacbon từ He :

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

2 Cơ sở lý thuyết

đất đến 1500K thành 1 hành tinh nóng chảy, kết thúc sự sống tại đây

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

4C12→3O16 + q (2.5) 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 tạo ra hơn 20 nguyên tố, tận cùng là sắt 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 sắt 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

Mắt người nhận được vùng sóng có λ = (0.4 ÷ 0.78) μm , ánh sáng nhìn thấy

Ở ngoài vũ trụ (ngoài tầng khí quyển quả đất) mật độ năng lượng mặt trời không đổi

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

Ngoài vũ trụ bức xạ mặt trời chỉ có một thành phần là các tia mặt trời truyền thẳng gọi là trực xạ

2 Cơ sở lý thuyết

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

Quả đất bị bao quanh bởi một lớp khí quyển, lớp khí quyển này có bề dày khoảng 10km Nó bao gồm các phân tử khí như: O2, N2, CO2, NOx, SOx…vv, hơi nước và các hạt bụi

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

- Các phân tử khí, hơi nước, bụi…… làm tán xạ và hấp thụ một phần năng lượng, nên khi đến mặt đất chỉ còn khoảng 70% năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ và mật độ cực đại ∼1000W/m2

- Do bị tán xạ nên tới mặt đất bức xạ mặt trời có 2 thành phần là trực xạ và nhiễu xạ Thành phần nhiễu xạ đến điểm quan sát trên mặt đất từ mọi phương của bầu trời Tỷ lệ các thành phần phụ thuộc vào thời gian, vị trí quan sát và vào thời tiết

Hình 2.3 Ảnh hưởng chuyển động quả đất lên bức xạ mặt trời tới trái đất

2 Cơ sở lý thuyết

2.4 Các thành phần bức xạ mặt trời tới bộ thu

Khi bức xạ mặt trời chiếu tới bộ thu năng lượng mặt trời sẽ bao gồm các thành phần sau:

- Tia trực xạ: Các tia đi thẳng từ mặt trời

- Tia tán xạ: Các tia mặt trời đến bộ thu từ

mọi hướng trên bầu trời do các chúng bị

tán xạ trên các phận tử khí, hạt bụi, hơi

nước… trong lớp khí quyển quả đất

- Tia phản xạ: Các tia phản xạ từ mặt nền

xung quanh bộ thu, các tia phản xạ này

phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền

Hình 2.4 Các thành phần bức xạ

mặt trời tới bộ thu

2.5 Công nghệ điện mặt trời

Công nghệ điện mặt trời bao gồm công nghệ quang điện và công nghệ nhiệt điện mặt trời, nhưng trong phạm vi của đề tài, tác giả đang nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nhiệt điện mặt trời nên chỉ trình bày lý thuyết tổng quan về công nghệ này Công nghệ nhiệt mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng Người ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt trời, để hội tụ các tia mặt trời 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 phải 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 trời được hội tụ lại trên đường tiêu điểm hội tụ

2.5.1 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp

Công nghệ mặt trời nhiệt độ thấp dựa trên hiện tượng hiệu ứng nhà kính

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

2 Cơ sở lý thuyết

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

- Khoảng hơn 70% năng lượng mặt trời tập trung ở vùng phổ λ < 0,8 μm

 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 bức xạ mặt trời có λ < 0,8 μm xuyên qua tấm kính đậy Cá tia mặt trời tới tấm hấp thụ bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt Tấm hấp thụ nóng lên và phát ra các tia sóng dài, λ > 0,8 μm, nên bị kính ngăn lại

Kết quả: năng lượng mặt trời đi vào hộp, không ra được, lúc này hộp có vai trò giống như là “bẫy nhiệt” Năng lượng mặt trời tích tụ lại trong hộp, làm tấm hấp thụ và không khí trong hộp nóng lên hàng trăm độ Đây chính là hiện tượng hiệu ứng nhà kính

2.5.2 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ cao

 Nguyên lý:

Sử dụng các thiết bị hội tụ bức xạ mặt trời trong một diện tích lớn vào một khu vực có diện tích nhỏ, do đó tăng mật độ năng lượng làm tăng nhiệt độ (hàng trăm hay hàng nghìn độ C)

 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 của 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 của tuabin là áp suất po, nhiệt độ to của dòng hơi trước van stop (trước khi vào tuabin) Các thông số cuối của dòng hơi là áp suất và nhiệt độ của nó ở ngay sau mặt bích của ống thoát tuabin

Các thông số định mức của tuabin: số vòng quay, áp suất và nhiệt độ, nước…

Các thông số tính toán mà nhà chế tạo đã ghi trong lý lịch của tuabin Với các thông

số đó sẽ bảo đảm công suất định mức của tuabin

10

8

9

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

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

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

3 Tuabin 3: Trong đó thế năng của hơi nước chuyển hóa thành động năng, còn động năng chuyển hóa thành cơ năng trên trục

4 Máy phát điện

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

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

7 Bình gia nhiệt hạ áp: nước tại đây được gia nhiệt một phần

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

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

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

3 4

Bơm 3

W P

4 5

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

ta áp dụng chu trình cải 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 ứng dụng trong tất cả các lọai nhà máy nhiệt điện, môi chất làm việc trong chu trình là nước và hơi nước Tất cả các thiết bị của 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 thạch (dầu, than đá,), hoặc nguồn năng lượng tái tạo biomass Đối với nhà máy điện mặt trời hoặc địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ năng lượng mặt trời 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 tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân

Sơ đồ thiết bị của 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

số thiết bị phụ khác Đồ thị T - s của chu trình được biểu diễn trên hình 2.9 b

2 Cơ sở lý thuyết

Nước ngưng trong bình ngưng (trạng thái 2’ 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 P 1 (quá trình 2’- 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 3 - 4), hoá hơi (quá trình 4 - 5) và trở thành hơi quá nhiệt ở bộ quá nhiệt (quá trình 5 - 1) Quá trình 3 - 4 - 5 - 1 là quá trình hóa

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

thông số P 1 , T 1 đi vào turbine, ở đây hơi dãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái 2, 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 2 - 2’), rồi lại được bơm trở về lò Quá trình nén đoạn nhiệt trong bơm có thể xem là quá trình nén đẳng tích vì nước không chịu nén (thể tích ít thay đổi)

3 Bức xạ mặt trời và bộ thu bức xạ mặt trời

Chương III

Bức xạ mặt trời và bộ thu bức xạ mặt trời

3.1 Năng lượng bức xạ mặt trời

Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước

sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 3.1), từ tâm mặt trời đi ra

do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng 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 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

Hình 3.1 Dãi bức xạ điện từ

Đặc trưng của bức xạ mặt trời 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 và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 -

0,78μm (đó là vùng ánh sáng khả kiến)

Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ