Đánh giá tình hình sử dụng năng lượng mặt trời và đề xuất các giải pháp tăng cường sử dụng loại năng lượng này trong hệ thống năng lượng nước ta

Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất ởtrạng thái nguyên tử và biến đổi theo các cơ chế khác nhau Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gi

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của Viện Môi trường Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam

và sự đồng ý của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Ngô Kim Định, em đã thực hiện đề

tài: “Đánh giá tình hình sử dụng năng lượng mặt trời và đề xuất các giải pháp tăng cường sử dụng loại năng lượng này trong hệ thống năng lượng nước ta”.

Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đãtận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện

ở Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, đặc biệt là các thầy cô trong Viện MôiTrường

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Ngô Kim Định đãtận tình, chu đáo hướng dẫn em thực hiện luận văn này

Do đề tài còn mới, khả năng nhận thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên emkhông thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong được thầy cô giáo cho ý kiến,nhận xét để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày tháng năm 2015 Sinh viên

Nguyễn Thị Thùy Linh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SẠCH – NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Những ứng dụng của năng lượng mặt trời 4

1.2.1 Điện mặt trời 4

1.2.2 Nhiệt mặt trời 8

1.2.2.1 Bình nước nóng năng lượng mặt trời 8

1.2.2.2 Bếp nấu năng lượng mặt trời 11

1.2.2.3 Hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời 15

1.2.2.4 Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 15

1.2.2.5 Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời 16

1.2.2.6 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời 17

1.2.2.7 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 17

1.2.3 Điều kiện biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng sử dụng cho con người 19 1.3 Lợi ích, nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời 20

1.3.1 Lợi ích 20

1.3.1.1 Lợi ích về kinh tế: 20

1.3.1.2 Lợi ích về môi trường 21

1.3.1.3 Lợi ích xã hội 21

1.3.2 Nhược điểm 21

CHƯƠNG 2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM 23

2.1 Tiềm năng và tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới 23

2.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 25

2.2.1 Tiềm năng 25

2.2.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 32

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM 37

3.1 Rào cản đối với việc phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam 37

3.1.1 Kinh tế và tài chính 37

3.1.2 Cơ chế chính sách 38

3.1.3 Các rào cản khác 38

3.2 Giải pháp 39

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

CSP : công nghệ năng lượng mặt trời tập trung

ĐNNNLMT : đun nước nóng năng lượng mặt trời

NLMT : năng lượng mặt trời

NLTT : năng lượng tái tạo

DANH MỤC CÁC BẢNG

điện năng lượng tái tạo giai đoạn 2008-2013

25

một số địa phương ở Việt Nam (kWh/m2/ngày)

31

2.3 Số giờ nắng trung bình mỗi tháng tại một số địa

phương ở Việt Nam (giờ/ngày)

điện mặt trời

19

1.21 Tháp năng lượng mặt trời 20

gia

35

mặt trời

35

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng,năng lượng ngày càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thểthiếu trong cuộc sống Tuy nhiên, trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngàycàng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàngngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Trước tình hình đó việc tìm kiếm vàkhai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt vànăng lượng mặt trời là một trong những hướng đi quan trọng trong kế hoạch pháttriển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả vớinhững nước đang phát triển như Việt Nam

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng thì nănglượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng rẻ, vô tận, và là nguồn năng lượngsạch không gây hại cho môi trường Việt Nam là một trong những nước có lợi thếlớn về năng lượng mặt trời, chính vì vậy việc nghiên cứu, triển khai và tăng cường

sử dụng loại năng lượng này trong hệ thống năng lượng nước ta là rất cần thiết

Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã chọn đề tài: “Đánh giá tình hình sử dụng năng lượng mặt trời và đề xuất các giải pháp tăng cường sử dụng loại năng lượng này trong hệ thống năng lượng nước ta”.

2 Mục đích của đề tài

- Từ việc khảo sát, thu thập số liệu thông tin liên quan đến tổng bức xạ mặttrời, cường độ bức xạ và số giờ nắng ta sẽ đánh giá được tiềm năng cũng của ViệtNam về năng lượng mặt trời Điều đó chứng tỏ nước ta có lợi thế rất lớn về nguồnnăng lượng mới này

- Đề xuất, đưa ra các giải pháp để tăng cường ứng dụng các hệ thống nănglượng mặt trời một cách phù hợp và hiệu quả nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu, đánh giá về tiềm năng năng lượng mặt trời trên toàn lãnh thổViệt Nam

- Các giải pháp tăng cường sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống nănglượng nước ta

4 Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp thu thập thông tin

Tiến hành tập hợp, thu thập, tổng hợp các dữ liệu liên quan đến các đối tượngcủa đề tài như:

+ Bản đồ tổng lượng bức xạ mặt trời, cường độ bức xạ, số giờ nắng

+ Các báo cáo khoa học liên quan

b Phương pháp tổng hợp số liệu

Từ số liệu thu thập được tiến hành phân tích đánh giá tiềm năng năng lượngmặt trời và tình hình sử dụng loại năng lượng này ở nước ta

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Một phần nhằm làm rõ thêm khái niệm liên quan đếnnăng lượng mặt trời, cung cấp một cách nhìn cụ thể về các hệ thống năng lượngmặt trời trong cuộc sống và sinh hoạt của con người

- Ý nghĩa thực tiễn: Thực tế cho thấy năng lượng mặt trời đang dần phổ biếntrên toàn thế giới và ngày càng có những tác động tích cực về lĩnh vực môi trường,kinh tế, xã hội vì vậy việc thực hiện những nghiên cứu khoa học này rất có giá trịtrong thực tiễn

Là cơ sở cho các đề xuất giải pháp, lựa chọn các phương án kỹ thuật, quyhoạch cũng như các giải pháp hợp lý, hiệu quả khác

Đề tài còn giúp giải quyết được nhiều vấn đề quan trọng trong việc chuẩn bịnhững nội dung cần thiết cho nghiên cứu, thực hiện chính sách phát triển nănglượng mới của đất nước

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài các phần mở đẩu, kết luận, tài liệu tham khảo luận văn được chia làm 3chương:

- Chương 1 Tổng quan về năng lượng sạch – năng lượng mặt trời.

- Chương 2 Tình hình sử dụng và các giải pháp tăng cường sử dụng năng lượng

mặt trời tại Việt Nam

- Chương 3 Giải pháp tăng cường sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống

năng lượng nước ta

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SẠCH – NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI 1.1 Khái niệm

Năng lượng mặt trời (NLMT) là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát

từ mặt trời cộng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên tử khác phóng ra

từ mặt trời Chỉ một phần rất nhỏ năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phảnứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu đi qua5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi mạnh Tất cả các dạng củabức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ cóbước sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.1), từ tâm mặt trời đi ra do sự vachạm 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 sóngdài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất ởtrạng thái nguyên tử và biến đổi theo các cơ chế khác nhau

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời làmột phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 - 10μm vàm vàhầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 -0,78μm vàm đó là vùng nhìn thấy của phổ [3, 6]

Hình 1.1 Dải bức xạ điện từĐây là nguồn năng lượng phong phú và dồi dào nhất trong tất cả các nguồnnăng lượng có sẵn trong tự nhiên Nhờ nó mà chúng ta có thể nhìn thấy mọi vậtcũng như nhờ sức nóng của nó mà con người bao đời qua có thể sưởi ấm, hong khô

quần áo, trồng cây, phơi lúa… Cho đến ngày nay khi mà nguồn tài nguyên nănglượng trên thế giới đang ngày càng cạn kiệt thì việc tìm giải pháp sử dụng nguồnnăng lượng mặt trời là rất quan trọng Ánh sáng mặt trời luôn là nguồn năng lượng

vô tận, nó mang đến cho chúng ra một nguồn năng lượng vô cùng lớn vượt xa suynghĩ của con người Trong mười phút truyền xạ, Trái Đất tiếp nhận 1 nguồn nănglượng xấp xỉ 5x1020J Lượng này tương đương với năng lượng tiêu thụ trong vòng 1năm của toàn thể nhân loại Hơn nữa, năng lượng mặt trời không phát sinh các loạikhí thải gây ra hiệu ứng nhà kính và các loại khí ô nhiễm môi trường Nếu conngười biết cách khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên này như các dạng nănglượng hiện có của Trái Đất thì môi trường của chúng ta sẽ được cải thiện rõ rệt

1.2 Những ứng dụng của năng lượng mặt trời

NLMT được biết đến và sử dụng từ rất sớm, chủ yếu bằng cách sử dụng trựctiếp còn việc ứng dụng NLMT trên quy mô rộng bằng các công nghệ, thiết bị thìđược bắt đầu vào cuối thế kỷ 18, và thường tập trung tại nơi dồi dào NLMT hayvùng sa mạc Thế giới từ khi xảy ra khủng hoảng năng lượng cũng đã chuyểnhướng quan tâm sang NLMT và đi đầu nghiên cứu là các nước công nghiệp pháttriển Ứng dụng từ NLMT bao gồm hai lĩnh vực cơ bản là điện năng và nhiệt năng.Thứ nhất, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tếbào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời Các pin mặt trời sản xuất rađiện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời chiếu tới Lĩnh vựcthứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây, chúng tadùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng đểdùng vào các mục đích khác nhau

1.2.1 Điện mặt trời

Pin mặt trời

Pin mặt trời là một phương pháp sản xuất mà điện được tạo ra trực tiếp từ

năng lượng mặt trời qua các thiết bị biến đổi quang điện Ưu điểm của nó là gọnnhẹ, vị trí lắp đặt ở mọi nơi có mặt trời chiếu tới Các ứng dụng dưới dạng này đangngày càng phát triển, đặc biệt là ở các nước phát triển như Mỹ, Trung Quốc, Đức Hiện nay con người đã ứng dụng pin mặt trời vào lĩnh vực hàng không vũ trụ, đểchạy xe và trong sinh hoạt để dần thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trởi là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạmặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là mộttrong những phát minh vật lý to lớn của Einstein Hiệu ứng này mô tả khả năng củaánh sáng (quang) khi được chiếu lên bề mặt vật liệu có thể hấp thụ photon và đánhbật điện tử (điện) ra khỏi bề mặt này Để giải thích hiệu ứng quang điện nêu trên,Einstein cho rằng khi chiếu chùm ánh sáng gồm những photon lên vật liệu, các điện

tử hóa trị từ các nguyên tử của vật liệu nhận được năng lượng của các photon sẽ bịtách thành điện tử tự do Sự chuyển động có hướng của dòng điện tử này tạo radòng quang điện

Hiệu ứng quang điện

Xét hệ vật liệu quang điện ở trạng thái bình thường, điện tử hóa trị chiếm mứcnăng lượng thấp cơ bản là E1 Khi nhận được bức xạ mặt trời, photon có nănglượng hϑ (trong đó h là hằng số Planck, ϑ là tần số ánh sáng) bị điện tử ở mức E1

lượng:

ε = hϑ = E 2 – E 1

Hình 1.2 Hiệu hai mức năng lượngTrong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tửvòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sátnhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 1.3) Vùng năng lượng thấp bị cácđiện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó

có mức năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ

bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec Cách lygiữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg,trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Hình 1.3 Các vùng năng lượngKhi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hϑ tới hệ thống và bị điện tử

ở vùng hóa trị thấp hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử

tự do eˉ, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, kýhiệu h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích eˉ và h+ đều tự phát tham gia vào quátrình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử eˉ giảiphóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đếnmặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12÷10-1

giây và gây ra dao động mạnh Năng lượng bị hao tổn do quá trình phục hồi sẽ là

Eph= hϑ – Eg

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụnăng lượng photon hϑ và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống(eˉ - h+), tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện

bên trong [3, 6].

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trờiLoại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng silic tinh thể Tinhthể silic tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi

liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, cácđiện tử sẽ bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử sẽ nhảy từ vùng hóa trị lên vùngdẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị Lúc này chất bán dẫnmới dẫn điện

Cấu trúc electron của nguyên tử Silic (Si) như sau – 1s22s22p63s23p2 Các điện

tử của Si được sắp xếp vào 3 lớp điện tử 2 lớp bên trong được xếp đầy bởi 10 điện

tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy một nửa với 4 điện tử 3s23p2.Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với cácnguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh thể, nguyên tử Si liên kết với 4nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có cấu trúc bát tử (là cấu trúc 8 điện tử,tương đối bền vững)

Hình 1.5 Tinh thể Silic

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chấtvào trong tinh thể Si Trước tiên, ta xét trường hợp tạp chất là nguyên tử photpho Pvới tỷ lệ khoảng một phần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kếttrong tinh thể Si sẽ dư ra một điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thíchnhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể.Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại n

Hình 1.6 Bán dẫn loại nNgược lại nếu tinh thể Si được pha tạp bằng các nguyên tử Bo (B) - chỉ có 3điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có bán dẫn loại p có tính chất dẫn điện chủ yếu bằngcác lỗ trống.

Hình 1.7 Bán dẫn loại p

1.2.2 Nhiệt mặt trời

1.2.2.1 Bình nước nóng năng lượng mặt trời

Trong các ứng dụng sử dụng NLMT, ứng dụng có quy mô rộng rãi nhất phải

kể đến đó là việc tập trung bức xạ mặt trời thành nguồn nhiệt có công suất lớn Docác thiết bị này đạt hiệu suất rất cao, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi để phục vụcho các hộ gia đình hay các ngành công nghiệp khác nhau

Đun nước nóng hiện nay là ứng dụng phổ biến nhất bởi tính đơn giản và sựhiệu quả của nó Tại nước ta trong nhiều năm trở lại đây số người dân sử dụng thiết

bị cung cấp nước nóng ngày càng tăng, các thiết bị với quy mô nhỏ như hộ gia đìnhcũng đã được nhiều cơ sở sản xuất và thương mại hóa.

Hình 1.8 Hệ thống cung cấp nước nóng năng lượng mặt trời

Nguyên lý làm việc của thiết bị đun nước nóng năng lượng mặt trời(ĐNNNLMT) dựa trên hiệu ứng nhà kính biến quang năng của bức xạ mặt trờithành điện năng để đun nước nóng Ba bộ phận chính của hệ thống này là bộ thunhiệt, bình tích nước nóng và hệ giá đỡ Hiệu suất thiết bị phụ thuộc chủ yếu vào hệ

số bức xạ nhiệt của màng hấp thụ, hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu nhiệt,kết cấu của bộ thu nhiệt, khả năng cách nhiệt của bộ thu, bình tích nước nóng [4].Theo phạm vi nhiệt độ sử dụng, hệ thống ĐNNNLMT được chia làm hai loạinhóm chính, đó là:

+ Hệ thống cung cấp nước nóng với nhiệt độ thấp t ≤ 700C

+ Hệ thống cung cấp nước nóng với nhiệt độ cao t> 800C

 Hệ thống đun nước nóng năng lượng mặt trời có nhiệt độ thấp

Hệ thống cung cấp nước nóng có nhiệt độ thấp dùng năng lượng mặt trời hiệnnay được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt gia đình hoặc trong nhà hàng, khách sạnvới mục đích cung cấp nước cho tắm giặt, vệ sinh dụng cụ nhà bếp, hâm nước bểbơi, cấp nước ấm cho nồi hơi nhằm tiết kiệm năng lượng… Thiết bị chủ yếu của hệthống này là bộ phận hấp thụ bức xạ nhiệt mặt trời sau đây được gọi là Collector

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của collector

Bất cứ vật thể nào khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời đều hấp thụ photon làmnóng chúng Mức độ tăng nhiệt độ của vật thể phụ thuộc vào cường độ bức xạ BộCollector được chế tạo bởi các vật liệu có thể hấp thụ tốt nhất năng lượng bức xạmặt trời chiếu đến nó

Collector hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho nước (hoặckhông khí) chứa trong đó Nước nóng trong các ống của bề mặt trao đổi nhiệt giãn

nở và do đó có thể chuyển động lên phía trên nhờ hiệu ứng siphon nhiệt rồi đi vàobình chứa, nước có nhiệt độ thấp hơn đi từ dưới bình chứa theo ống xuống phầndưới của Collector Bằng cách này Collector có thể tập trung nhiệt từ mặt trời chiếu

xạ vào nó [3]

Điều quan trọng nữa là Collector phải cấu tạo sao cho để hạn chế sự mất mátnhiệt do quá trình tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh và vào ban đêm khi nhiệt độmôi trường xuống thấp Để đảm bảo được điều đó tốt nhất là phải bọc cách nhiệtcho Collector, bình chứa và các đường ống nối

Hình 1.9 Cấu tạo Collector hấp thụ nhiệt1-Lớp cách nhiệt; 2- Lớp đệm tấm phủ trong suốt; 3- Tấm phủ trong suốt; 4-Đường nước nóng ra; 5- Bề mặt hấp thụ nhiệt; 6- Lớp tôn bọc; 7- Đường nước lạnh

vào; 8- Khung đỡ Collector

Các hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời đã được dùng rộng rãi ởnhiều nước trên thế giới Ở Việt Nam, hệ thống cung cấp nước nóng bằng nănglượng mặt trời đã và đang được sử dụng rỗng rãi ở các thành phố lớn như Hà Nội,Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, với mục đích cung cấp nước nóng cho sinhhoạt của hộ gia đình hoặc với các hệ thống lớn hơn dùng trong các nhà hàng hay

khách sạn Các thiết bị này sẽ giúp ích rất nhiều trong tiết kiệm năng lượng cũngnhư bảo vệ môi trường.

NLMT cũng được sử dụng rất hiệu quả để hâm nóng nước cho bể bơi Ởnhững vùng có khí hậu lạnh nhưng vẫn nhiều nắng thì vấn đề hâm nước cho bể bơi

là rất cần thiết, ví dụ ở Việt Nam có các địa phương như Đà Lạt, Sa Pa, Bà Nà… cónhững ngày nhiệt độ môi trường thấp dưới 200C nhưng cường độ bức xạ mặt trờirất cao Vì vậy, việc lắp đặt bộ hâm nước nóng NLMT rất phù hợp với những vùngnày

 Hệ thống đun nước nóng năng lượng mặt trời có nhiệt độ cao

Đối với các Collector hấp thụ NLMT để cung cấp nước nóng như trên, khi sửdụng nhiệt độ cao sẽ làm giảm hiệu suất Vì vậy, muốn cung cấp nước nóng vớinhiệt độ > 800C để sử dụng trong các hệ thống sưởi ấm hay sản xuất hơi nước trongcác nhà máy nhiệt điện thì chúng ta cần có các bộ thu đặc biệt hơn như bộ thuphẳng có gương phản xạ, bộ thu kiểu ống có gương phản xạ dạng parabol trụ đặt cốđịnh hoặc bộ thu kiểu ống nhiệt

1.2.2.2.Bếp nấu năng lượng mặt trời [3]

Nguyên tắc sử dụng NLMT để nấu thức ăn đã được con người sử dụng từ rấtlâu Theo thời gian, công nghệ làm bếp đã có những thay đổi và phát triển Hiệnnay bếp được sử dụng phổ biến dưới hai loại đó là bếp hình hộp và bếp parabol.Bếp năng lượng mặt trời được sử dụng rất phổ biến ở các nước giàu tiềm năngNLMT, khan hiếm nhiên liệu đốt, giá thành nhiên liệu cao như các nước ở ChâuPhi, các khu vực vùng sâu vùng xa của đất nước đang phát triển Hiện nay bếp nănglượng mặt trời còn được sử dụng ngày càng nhiều đối với các ngư dân và khách dulịch

 Bếp hình hộp

Nguyên lý cấu tạo

Bếp nấu hình hộp có nguyên lý cấu tạo như hình 1.10 Hộp bảo vệ (1) đượclàm bằng gỗ (có thể làm bằng tôn), tiết diện ngang có thể hình vuông hoặc hìnhtròn Mặt phản xạ bên trong (2) được làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặcinox), đánh bóng nhẵn để có độ phản xạ cao Biên dạng của mặt phản xạ là tổ hợpcủa các mặt parabol; tròn xoay như hình vẽ để có thể nhận ánh sáng từ mặt trời và

từ gương phản xạ (5)

Hình 1.10 Nguyên lý cấu tạo bếpNồi thức ăn (3) là nồi nấu bình thường bên ngoài được sơn màu đen (chọn loạisơn có độ hấp thụ cao) để có thể hấp thu ánh sáng tốt, dung tích của nồi tùy thuộcvào kích thước của bếp và tùy thuộc vào thời gian chúng ta cần nấu chín thức ăn.Tấm kính trong (4) là tấm kính có độ trong suốt cao để có thể cho ánh sáng xuyênqua tốt, thường được chế tạo bằng tấm kính trong có chiều dày 2 ÷ 3mm, tấm kínhnày có tác dụng tạo lồng kính và giảm tổn thất nhiệt khi nấu Gương phản xạ (5) làtấm gương có độ phản xạ ánh sáng cao, gương có thể xoay quanh trục quay (6) đểhướng chùm tia sáng phản xạ từ gương vào nồi, phía sau tấm gương có tấm bảo vệ

và cũng là nắp đậy của bếp khi không sử dụng Lớp vật liệu cách nhiệt (7) là bôngthủy tinh cách nhiệt (hoặc có thể dùng bất kỳ vật liệu cách nhiệt nào như rơm rạ…thậm chí là không khí nhưng phải kín) nhằm giảm mất mát nhiệt khi nấu Đế đặtnồi (8) nhằm mục đích ngăn cách giữa nồi và các bộ phận khác của bếp để giảmmất mát nhiệt khi nấu, nên đế đặt nồi có thể là một tấm bông thủy tinh dạng épcứng, tấm amiang hoặc bất kỳ vật liệu gì nhưng chịu được nhiệt độ (đến 4000C) vàcách nhiệt

Cách sử dụng

Bếp nấu hình hộp thường được dùng để nấu nước, cơm hoặc thức ăn cần nhiệt

độ dưới 1200C như nấu canh, luộc rau…

Trước lúc nấu thì chúng ta phải chuẩn bị thức ăn trước cho vào nồi và đậy nắplại, đặt nồi vào trong bếp trên đế đặt nồi, đậy hệ thống tấm kính trong – gương phản

xạ lên trên (chậu nhôm), dịch chuyển bếp và điều chình góc nghiêng của gươngphản xạ sao cho nồi có thể nhận được nhiều ánh sáng nhất Tùy theo kích thước củabếp và dung lượng thức ăn trong nồi mà sau thời gian khoảng 60÷90 phút cơmhoặc thức ăn sẽ chín Trong quá trình nấu nếu có thời gian thì tốt nhất là saukhoảng 15 phút chúng ta nên xê dịch bếp để có thể nhận được ánh sáng nhiều nhấtthì thời gian nấu sẽ nhanh hơn.

Hình 1.11 Thao tác lúc nấu

Bếp parabol

Nguyên lý cấu tạo

Hình 1.12 Nguyên lý cấu tạo bếpBếp nấu parabol có nguyên lý cấu tạo như hình 1.12 Đế đặt nồi (1) làm bằngkhung kim loại dẫn nhiệt tốt, đế được gắn với hệ thống chân đỡ (nhưng cách nhiệtvới hệ thống chân đỡ), đế đặt nồi có thể được đưa vào đưa ra và đưa lên xuống khỏitâm của bếp Nồi chứa thức ăn (2) là nồi nấu bình thường bên ngoài được sơn màuđen (chọn loại sơn có độ hấp thụ cao) để có thể hấp thụ ánh sáng tốt, khi cần nướng(thịt, cá…) thì có thể thay nồi bằng tấm lưới inox, dung tích của nồi tùy thuộc vào

kích thước của bếp và tùy thuộc vào thời gian chúng ta cần nấu chín thức ăn Mặtphản xạ (3) làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc inox) đánh bóng nhẵn để có

độ phản xạ cao Biên dạng của mặt phản xạ là mặt parabol tròn xoay được gá tựavào khung như hình vẽ để có thể nhận ánh sáng mặt trời Khung đỡ (4) làm bằngkim loại, nhựa hoặc gỗ có biên dạng là mặt parabol tròn xoay để có thể gá mặt phản

xạ lên trên khung, khung được chế tạo sao cho có thể tháo lắp dễ dàng Thanhchống điều chỉnh (5) làm bằng kim loại hoặc gỗ cứng để điều chỉnh chảo parabolxoay quanh một trục nằm ngang Hệ thống chân đỡ (6) làm bằng kim loại, nhựahoặc gỗ có thể dễ dàng tháo gỡ hoặc xếp gọn Hệ thống chân đỡ được đặt trên 4bánh xe để có thể dễ dàng di chuyển và xoay theo hướng mặt trời

Hình 1.13 Nấu thức ăn

1.2.2.3 Hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời

Sấy là quá trình tách ẩm làm khô vật liệu có hàm ẩm cao Điều kiện cần thiết

để sấy khô hay tách ẩm là phải cung cấp nhiệt để làm bay hơi nước trong vật sấyđồng thời thông gió bằng cách thổi không khí vào để mang hơi nước ra khỏi khônggian buông sấy

Trong thiết bị sấy, nhiệt được cung cấp bởi việc hấp thụ trực tiếp lượng bức xạmặt trời của vật sấy Hơi nước bốc lên từ vật sấy được mang đi bởi không khí thổingang qua vật sấy Không khí chuyển động được nhờ quá trình đối lưu tự nhiênhoặc do quạt thổi cưỡng bức Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời gồm các loạiphổ biến sau: tủ sấy dùng năng lượng mặt trời, thiết bị sấy kiểu nhà kính, thiết bịsấy gián tiếp

Hiện nay, trong lĩnh vực nông nghiệp các hệ thống sấy, làm khô bằng NLMTđược ứng dụng khá phổ biến Các hệ thống này được dùng để sấy khô các sảnphẩm như ngũ cốc, thực phẩm… nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng khối lượng cũngnhư chất lượng sản phẩm Ngoài việc sấy các loại nông sản, năng lượng mặt trờicòn được dùng để sấy các loại vật liệu chứa xenlulo như gỗ, sợi, quần áo

1.2.2.4 Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời

Trên Trái Đất của chúng ta, những nơi có nhiều nắng thì thường ở đó nướcuống bị khan hiếm Bởi vậy năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ rất lâu để thunước uống bằng phương pháp chưng cất từ nguồn nước bẩn hoặc nhiễm mặn

Có rất nhiều thiết bị khác nhau đã được nghiên cứu và sử dụng cho mục đíchchưng cất nước, một trong những hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng mặttrời đơn giản được mô tả như hình 1.14

Hình 1.14 Thiết bị chưng cất đơn giản

Nước bẩn hoặc nước mặn được đưa vào khay ở dưới và được đun nóng bởi sựhấp thụ năng lượng mặt trời Phần đáy của khay được sơn đen để tăng quá trình hấpthu bức xạ mặt trời, nước có thể xem như trong suốt trong việc truyền bức xạ sóngngắn từ mặt trời Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt bức xạ mặt trời và truyền nhiệt chonước Khi nhiệt độ tăng, sự chuyển động của các phần tử nước trở nên rất mạnh vàchúng có thể tách ra khỏi bề mặt thoáng và số lượng tăng dần Đối lưu của khôngkhí phía trên bề mặt mang theo hơi nước và ta có quá trình bay hơi Sự bốc lên củadòng không khí chứa đầy hơi ẩm, sự làm mát của bề mặt tấm phủ bởi không khí đốilưu bên ngoài làm cho các phần tử nước ngưng tụ lại và chảy xuống máng chứa ởgóc dưới Không khí lạnh chuyển động xuống dưới tạo thành dòng khí đối lưu.Trong thực tế, hệ thống chưng cất nước được lắp thêm gương phản xạ để tăngcường độ bức xạ đến, gương phản xạ có thể gập lại khi không dùng Tấm gươngphản xạ có thể đặt phía trên hoặc phía dưới tùy theo hướng đặt thiết bị

Thiết bị chưng cất nước NLMT chủ yếu gồm hai loại: loại thứ nhất có giáthành khá cao là loại kính phẳng (giá khoảng 23USD/m2), tuổi thọ trung bìnhkhoảng 3 năm và loại loại thứ hai là plastic có giá thành rẻ hơn song hiệu quảchưng cất lại thấp hơn Tại những vùng biển hay hải đảo chúng ta có thể xây dựngcác bể xi măng với số lượng lớn thì giá thành có thể rẻ hơn

1.2.2.5 Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời

Nguyên lý hoạt động

Động cơ Stirling hoạt động theo chu trình Stirling gồm 4 giai đoạn: làm lạnh,nén, hâm nóng và giãn nở Ðộng cơ Stirling thực chất là một động cơ nhiệt Ðó làmột thiết bị có thể chuyển đổi liên tục nhiệt năng thành cơ năng Khi ta đốt nóngmột đầu xilanh (đầu nóng), nguồn nhiệt được sử dụng có thể là chùm tia bức xạmặt trời hội tụ tại đầu xilanh hoặc một cách đơn giản là nhúng đầu xilanh vào nướcnóng, thì khi đó áp suất và nhiệt độ không khí bên trong xilanh tăng lên Áp suấtcao sẽ đẩy piston chuyển động và sinh ra công hữu ích Bất kỳ nguồn nhiệt nàocũng sinh ra công, nhưng với nguồn có nhiệt độ càng cao thì công tạo ra càng lớn.Việc ứng dụng NLMT để vận hành các động cơ nhiệt kiểu động cơ Stirlingđang được nghiên cứu và triển khai rộng rãi với mục đích bơm nước sinh hoạt hoặctưới cây ở các nông trại Tại nước ta, động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã

được nghiên cứu chế tạo để đưa vào ứng dụng thực tế, ví dụ như bơm nước dùngNLMT.

1.2.2.6 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời

Trong các ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hòa không khí lá ứngdụng thu hút nhất Các máy lạnh làm việc dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượngmặt trời thành điện năng nhờ pin mặt trời là rất thuận tiện Tuy nhiên hiện tại pinmặt trời có giá thành rất lớn Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMTdưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, trong thực tế loại thiết bị này ngàycàng được triển khai ứng dụng nhiều hơn, nhưng hiện nay do giá thành còn cao nêncác hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi Hơn nữa các

bộ thu ánh sáng mặt trời dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng vớihiệu suất còn thấp (< 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn, chính vì vậychưa phù hợp với yêu cầu thực tế

Hình 1.15 hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT

Ở Việt Nam cũng đã có một vài đề tài nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu NLMTkiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh.Thiết bị này có thể tạo ra nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, tuy nhiên

hệ thống thiết bị cần diện tích mặt rộng để lắp đặt Do vậy, đây là một trở ngại choloại ứng dụng này

1.2.2.7 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Nguyên lý hoạt động

Điện năng còn có thể được tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên lý tạo nhiệt độcao bằng một hệ thống gương phản xạ và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việctruyền động cho máy phát điện

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống nhiệt nhà máy nhiệt điện mặt trời

Bộ thu NLMT gồm hệ thống collector trụ tập trung năng lượng bức xạ mặttrời và hội tụ trên đường ống hấp thụ với cường độ 80 lần, ống hấp thụ làm bằngthép không rỉ chịu nhiệt, bên ngoài có bọc một ống thủy tinh để tạo lồng kính và ởgiữa hai lớp được hút chân không nhằm hạn chế tổn thất nhiệt Trong ống hấp thụ

có chứa chất lỏng tải nhiệt (thường dùng dầu tổng hợp) được nung nóng đến nhiệt

độ 4000C Hệ thống lưu giữ nhiệt gồm các bình chứa các chất giữ nhiệt trung gian(thường là hỗn hợp muối) với khối lượng đủ để cấp nhiệt cho hệ thống vào banđêm Nhiệt lượng dầu tải nhiệt được cấp cho các thiết bị của nhà máy như lò hơi,

bộ quá nhiệt, các bộ gia nhiệt cao áp

Hình 1.17 Tháp năng lượng mặt trời

Hiện nay NLMT còn được dùng để phát điện theo kiểu tháp năng lượng mặt

trời – Solar power tower Australia đang tiến hành triển khai dự án xây dựng một

tháp năng lượng mặt trời cao 1km với 32 tuốc bin khí vớ tổng công suất lên tới200MW.

1.2.3 Hóa học năng lượng mặt trời

Quá trình hóa học năng lượng mặt trời là quá trình sử dụng năng lượng mặttrời để cung cấp cho các phản ứng hóa học Các phản ứng hóa học thu nhiệt, cácphản ứng điện phân, các phản ứng quang hóa…đều là những phản ứng cần cungcấp năng lượng từ bên ngoài để kích hoạt và duy trì phản ứng Thay vì cung cấpnăng lượng này từ nhiên liệu hóa thạch hoặc các nguồn năng lượng nhân tạo thìchúng ta có thể dùng năng lượng mặt trời để cung cấp trực tiếp cho các quá trìnhnày Người ta đã sử dụng ánh sáng mặt trời ở λ = 489nm (vùng ánh sáng khả kiến)

để kích hoạt và duy trì phản ứng tổng hợp HCl từ H2 và Cl2 trong phản ứng hoặccác phản ứng thế Clo đối với các phản ứng thế trong parafin

Trong tương lai có thể sử dụng NLMT cung cấp cho quá trình sản xuất hyđrô

từ phản ứng phân hủy H2O:

H2O h ϑ , xt → H2 + 12 O2

để tạo nguồn cung cấp H2 cho quá trình sản xuất năng lượng từ hyđrô

Năng lượng mặt trời gây ra các phản ứng hóa học có thể được chia thành nhiệthóa hoặc quang hóa Công nghệ sản xuất Hydrogen là một lĩnh vực quan trọng củanghiên cứu hóa học năng lượng mặt trời

1.2.3 Điều kiện biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng sử dụng cho con người

+ Mật độ năng lượng đủ lớn: Điều kiện đầu tiên và rất quan trọng để có thể sửdụng nguồn NLMT đó là vị trí địa lý Sự tập trung của NLMT không phải mọi nơi