Nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời (Renewable Energy)

Trong thế kỷ XX, con người đã dễ dàng khai phá và tiếp cận với các nguồn nhiên liệu hóa thạch dồi dào, và nhà máy nhiệt điện đã góp phần vào sự phát triển vượt bậc của nhân loại cung cấp nguồn năng lượng cao cấp là điện trong suốt thời kỳ công nghiệp hóa. Nhưng cũng chính điều này đã phát sinh những huệ lụy của nó, mà cụ thể là sự phá hủy môi trường toàn cầu và sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch. Các nguồn năng lượng tái tạo đáp ứng được các tiêu chí của sự phát triển bền vững, vì đó là các nguồn năng lượng vô tận và không gây nên các vấn đề ô nhiễm môi trường. Nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời là sự thay thế thích hợp cho nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng hóa thạch. Vì vậy, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày về các vấn đề liên quan đến nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời và sự phát triển của nó.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 3

NỀN TẢN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 3

1.1 Qúa trình sản xuất điện năng từ các nguồn nhiên liệu 3

1.1.1 Năng lượng không tái tạo (năng lượng truyền thống) 3

1.1.2 Năng lượng tái tạo (năng lượng tự nhiên) 5

1.2 Phát triển sản xuất điện tại Việt Nam 6

1.3 Phát triển sản xuất điện trên thế giới 7

CHƯƠNG 2 9

NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 9

2.1 Các phương pháp sản xuất điện từ năng lượng mặt trời 9

2.2 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời 10

2.3 Phân loại các nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời 11

2.3.1 Kiểu máng parabol 12

2.3.2 Hệ thống tháp điện năng lượng mặt trời 14

2.3.3 Hệ thống động cơ đĩa mặt trời 17

2.4 Các hệ thống dự trữ nhiệt năng (TES) 20

2.5 Ưu – nhược điểm của nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời 23

2.5.1 Ưu điểm 23

2.5.2 Nhược điểm 24

2.6 Tình hình phát triển nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam 24 KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng là nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống cho cuộc sống của tất cả sinh vật và hoạt động của mọi nền kinh tế Nó đã đóng góp một vai trò cơ bản trong sự phát triển của các nền văn minh Mức tiêu thụ năng lượng bình quân trên mỗi đầu người được dùng như một chỉ tiêu để đánh giá mức độ phát triển của một quốc gia

Trong thế kỷ XX, con người đã dễ dàng khai phá và tiếp cận với các nguồn nhiên liệu hóa thạch dồi dào, và nhà máy nhiệt điện đã góp phần vào sự phát triển vượt bậc của nhân loại cung cấp nguồn năng lượng cao cấp là điện trong suốt thời

kỳ công nghiệp hóa Nhưng cũng chính điều này đã phát sinh những huệ lụy của

nó, mà cụ thể là sự phá hủy môi trường toàn cầu và sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch

Các nguồn năng lượng tái tạo đáp ứng được các tiêu chí của sự phát triển bền vững, vì đó là các nguồn năng lượng vô tận và không gây nên các vấn đề ô nhiễm môi trường Nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời là sự thay thế thích hợp cho nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng hóa thạch Vì vậy, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày về các vấn đề liên quan đến nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời và sự phát triển của nó

CHƯƠNG 1

NỀN TẢN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1.1 Qúa trình sản xuất điện năng từ các nguồn nhiên liệu

Có hai dạng nguồn năng lượng chính là: năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo

1.1.1 Năng lượng không tái tạo (năng lượng truyền thống):

Nguồn tài nguyên thiên nhiên mang năng lượng, khi chuyển hóa thành chất mang năng lượng để sử dụng, đã tiêu hao mất đi, không còn nữa trong thiên nhiên Sau đó thiên nhiên không thể tạo lại kịp nguồn tài nguyên này để ta sử dụng tiếp, được gọi là nguồn tài nguyên năng lượng không thể tái tạo Năng lượng thu được

từ nguồn tài nguyên thiên nhiên này được gọi là năng lượng không thể tái tạo

Than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên, gọi chung là tài nguyên hóa thạch, là những nguồn tài nguyên năng lượng không thể tái tạo Các tài nguyên thiên nhiên này thực ra đều do thiên nhiên tạo ra, được hình thành từ các vật liệu hữu cơ chứa carbon trong thiên nhiên (xác thực vật, động vật trên cạn, dưới nước) qua những quá trình biến đổi phức tạp trong lòng đất xảy ra từ nhiều triệu năm của các niên đại địa chất trước đây, nhưng vì tốc độ tạo thành của thiên nhiên là quá chậm so với tốc độ sử dụng quá lớn của con người ngày nay, nên khi con người sử dụng chúng cạn kiệt, thiên nhiên đã không thể nào tái tạo kịp những mỏ than, mỏ dầu,

mỏ khí mới để sử dụng Năng lượng sinh ra do quá trình phân rã hạt nhân nguyên

tử của kim loại nặng như Urani (U) để tạo thành các neutron tự do và các hạt nhân nhẹ hơn được gọi là năng lượng hạt nhân hay năng lượng nguyên tử, cũng thuộc loại năng lượng không thể tái tạo vì quặng Urani trong thiên nhiên, một khoáng sản hình thành trong quá trình hoạt động kiến tạo của vỏ trái đất, là có hạn, không thể tạo ra thêm trong quá trình con người khai thác và sử dụng chúng

Hình 1.1.1a Biểu đồ về quá trình sản xuất điện từ các nguồn nhiên liệu

Khủng hoảng dầu mỏ là thời kỳ giá dầu mỏ tăng cao gây áp lực lớn cho nền kinh tế Cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 bắt đầu từ tháng 10 năm 1973 khi các nước thuộc Tổ chức các quốc gia Ả Rập xuất khẩu dầu mỏ tuyên bố ban hành lệnh cấm vận hay nói cách khác là quyết định ngừng sản xuất dầu mỏ sang các nước ủng hộ Israel trong cuộc chiến tranh Yom Kippur, cụ thể ở đây là nước

Mỹ Trước khi lệnh cấm chấm dứt vào tháng ba 1974, giá dầu thế giới tang từ

$3/thùng lên đến gần $12/thùng, trong khi đó ở nước Mỹ thì giá dầu cao hơn chút

ít Việc ngừng xuất khẩu dầu mỏ này đã gây ra cuộc Khủng hoàng dầu mỏ, hay còn được ví như một “ cú sốc giá dầu”,đã để lại nhiều hậu quả xấu nhất thời và dài dẵng đối với nền chính trị toàn cầu và nên kinh tế thế giới Sự việc được ví như “ cú sốc giá dầu đầu tiên trong lịch sử”, kéo theo sau đó lại là một “ cú sốc dầu mỏ lần thứ II “ diễn ra vào năm 1979

1.1.2 Năng lượng tái tạo (năng lượng tự nhiên):

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập nông thôn

Có khoảng 16% lượng tiêu thụ điện toàn cầu từ các nguồn năng lượng tái tạo, với 10% trong tất cả năng lượng từ sinh khối truyền thống, chủ yếu được dùng để cung cấp nhiệt, và 3,4% từ thủy điện Các nguồn năng lượng tái tạo mới (small hydro, sinh khối hiện đại, gió, mặt trời, địa nhiệt, và nhiên liệu sinh học) chiếm thêm 3% và đang phát triển nhanh chóng Ở cấp quốc gia, có

ít nhất 30 quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng tái tạo và cung cấp hơn 20% nhu cầu năng lượng của họ Các thị trường năng lượng tái tạo cấp quốc gia được dự đoán tiếp tục tăng trưởng mạnh trong thập kỷ tới và sau đó nữa Ví dụ như, năng lượng gió đang phát triển với tốc độ 30% mỗi năm, công suất lắp đặt trên toàn cầu là 282.482 (MW) đến cuối năm 2012

Các nguồn năng lượng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý, ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia Việc đưa vào

sử dụng năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế Các cuộc khảo sát ý kiến công cộng trên toàn cầu đưa ra sự ủng hộ rất mạnh việc phát triển và sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió

Hình 1.1.2a Nhà máy nhiệt điện dùng nhiệt lượng của biển tại Hawai, Hoa Kỳ

Hình 1.1.2b Trang trại gió tại Đức

1.2 Phát triển sản xuất điện tại Việt Nam

Hình 1.2a Biểu đồ vận tốc nguồn tài nguyên sản xuất điện năng tại Việt Nam ( 2010 –

2030)

Nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam là rất lớn kể cả trong ngắn hạn, trung hạn và dài hạn Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% -8% và thực hiện được mục tiêu đến năm 2020

điều kiện thuận lợi về địa lý như Việt Nam Theo đó, chiến lược phát triển năng lượng trong thời gian tới là sản lượng điện tái tạo chiếm khoảng 5% tổng nguồn điện (tương ứng 2.400MW vào năm 2020) Trong đó, phát triển năng lượng tái tạo sẽ được ưu tiên nhằm tăng tỉ lệ các nguồn năng lượng mới và tái tạo chiếm khoảng 3% tổng năng lượng thương mại sơ cấp vào năm 2010 và 11% vào năm 2050.

Hình 1.2b Các lĩnh vực sử dụng năng lượng ở Việt Nam (2010 – 2030)

1.3 Phát triển sản xuất điện trên thế giới

Hình 1.3a Tình hình khai thác Năng lượng sơ cấp trên thế giới 1900- 2013

Hình 1.3b Tình hình khai thác năng lượng trên thế giới năm 2013

Hình 1.3c Dự báo sản lượng điện theo nguồn phát điện ( 2011 – 2035 )

CHƯƠNG 2

NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Các phương pháp sản xuất điện từ năng lượng mặt trời

Có 2 phương pháp chính sản xuất điện từ mặt trời: công nghệ quang điện (PV – photovoltaic) và công nghệ tập trung nhiệt mặt trời (CSP – concentrating solar power)

Công nghệ quang điện biến đổi ánh sang mặt trời trực tiếp thành điện năng Những tấm pin mặt trời này thường dùng để cấp điện cho các dụng cụ đồng

hồ, hoặc dùng để cấp điện cho các khu vực vùng sâu vùng xa Công nghệ này rất khó làm quy mô lớn

Hình 2.1a Công nghệ pin quang điện

Công nghệ nhiệt mặt trời có quy mô lớn hơn Khác biệt với pin quang điện các nhà máy nhiệt năng lượng mặt trời sản xuất năng lượng điện năng gián tiếp Nhiệt thu thu từ ánh nắng mặt trời được thu gom và dùng để làm nóng một chất lỏng Hơi nước tạo ra từ chất lỏng đó làm chạy máy phát sản xuất điện Nghĩa là nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời hoạt động na ná như nhà máy nhiệt điện, chỉ

khác là hơi nước được tạo ra bới nhiệt thu gom từ ánh nắng thay vì việc đôt các nhiên liệu hóa thạch

Hình 2.1b Công nghệ nhiệt mặt trời

2.2 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời

Có 2 phương pháp hấp thu năng lượng mặt trời: thụ động và chủ động Một

hệ thống thu động không cần trang thiết bị, giống như khi nhiệt tỏa ra bên trong xe hơi của bạn khi đỗ xe ngoài nắng Hệ thống chủ động đòi hỏi môt cách nào đó hấp thu và tập trung bức xạ mặt trời và sau đó dự trữ nó

Nhà máy nhiệt điện mặt trời là các hệ thống chủ động, có vài loại nhà máy nhiệt điện khác nhau, nhưng về căn bản nguyên lý của chúng vẫn tương đồng: Các gương phản xạ và tập trung ánh sáng mặt trời, và các bộ thu gom lấy năng lượng mặt trời và biến đổi nó thành năng lượng nhiệt Sau đó sử dụng năng lượng nhiệt này để làm nóng nước trong lò hơi, hơi nước sinh ra sẽ làm quay tuabin, tuabin quay máy phát và sinh ra điện năng

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện mặt trời

2.3 Phân loại các nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời

Tùy theo các tấm gương phản xạ và bộ thu năng lượng mặt trời người ta chia ra làm 3 loại chính: kiểu máng parabol, hệ thống tháp điện, động cơ đĩa mặt trời

Hình 2.3 Các loại nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời

2.3.1 Kiểu máng parabol:

Là loại nhà máy nhiệt điện mặt trời phổ biến nhất, chúng sử dụng một thiết

kế máng parabol để thu gom bức xạ mặt trời Những bộ thu này được gọi là các

hệ thu gom thẳng hàng, và hệ lớn nhất có thể phát ra 80 megawatt điện năng

Chúng được chế tạo có dạng nửa hình ống kiểu giống như cầu trượt của trẻ nhỏ,

và có các bộ phản xạ hình parabol được lắp hơn 900.000 cái gương được canh

hướng bắc nam và có thể quay theo hướng mặt trời khi nó di chuyển từ đông sang

tây trong ngày Do hình dạng của nó, loại nhà máy này có thể đạt tới nhiệt độ hoạt

động khoảng 400 độ C, tập trung các tia sáng mặt trời gấp 30 đến 100 lần cường

độ bình thường của chúng lên trên chất lỏng vận chuyển nhiệt hoặc các ống chứa

đầy nước/hơi nước Chất lỏng nóng đó được dùng để tạo ra hơi nước, và hơi nước

sau đó làm quay tuabin của máy phát điện

Hình 2.3.1a Kiểu máng parabol

Hình 2.3.1b Sơ đồ hoạt động của nhà máy kiểu máng parabol

Nguyên lí của các nhà máy năng lượng mặt trời tập trung (CSP) thật đơn giản: các gương cong định nhật bắt lấy ánh sáng mặt trời và tập trung nó vào một

ống thu năng lượng mặt trời Một môi trường truyền nhiệt, chủ yếu là dầu, chảy qua cái ống này, và được làm nóng lên bởi bức xạ mặt trời tập trung Môi trường này truyền nhiệt của nó sang nước, tạo ra hơi nước Hơi nước làm quay tuabin của máy phát điện

Trong khi các thiết kế máng parabol có thể hoạt động ở mức công suất như nhà máy điện mặt trời, nhưng chúng thường khai thác dưới dạng tổ hợp lai mặt trời và nhiên liệu hóa thạch, bổ sung thêm kho nhiên liệu hóa thạch làm nguồn

dự phòng

Hình 2.3.1 Các máng parabol của cụm nhà máy nhiệt điện mặt trời Solnova 1, 3 và 4 thuộc hãng Abengoa Solar ở Tây Ban Nha Được xây dựng hoàn tất vào năm 2010,

mỗi nhà máy Solnova có thể 50 MW điện năng

2.3.2 Hệ thống tháp điện năng lượng mặt trời:

Các hệ thống tháp điện mặt trời là một loại khác nữa của hệ thống nhiệt điện mặt trời Các tháp điện mặt trời hoạt động dựa trên hàng nghìn kính định

lỏng truyền nhiệt hoặc nước/ hơi nước được làm nóng ở trong bộ thu, cuối cùng biến đổi thành hơi nước và được sử dụng để sản xuất điện với một tuabin và máy phát điện

Các tháp điện vẫn đang trong giai đoạn phát triển nhưng có thể một ngày nào chúng sẽ hoàn thiện để mang lại những nhà máy sản xuất khoảng 200MW cho mỗi tháp

Hình 2.3.2a Sơ đồ hoạt động của nhà máy tháp điện năng lượng mặt trời

Hình 2.3.2b Tháp điện mặt trời PS20 ở ngoại ô thành phố Seville, Tây Ban Nha Nhà máy PS20 sản xuất điện đủ cấp cho 6000 hộ gia đình Ảnh: Markel

Redondo/Greenpeace

Hình 2.3.2c Nhà máy nhiệt điện mặt trời kiểu tháp tại Australia

2.3.3 Hệ thống động cơ đĩa mặt trời

Hình 2.3.3a Hướng quay của động cơ đĩa mặt trời

Hướng Đông – Tây được điều khiển trong ngày từ 8h sáng đến 16h chiều Hướng Nam – Bắc được điều khiển theo mùa trong một năm

Ngày hạ chí hệ thống quay về hướng bắc 11o 95’’

Ngày đông chí quay về hướng nam 34o 95’’

So với máng parabol và tháp mặt trời, các hệ thống đĩa có công suất phát nhỏ hơn (chừng 3 đến 25 kilowatt) Có hai bộ phận chính: bộ tập trung năng lượng mặt trời (đĩa) và đơn vị biến đổi năng lượng (động cơ/máy phát điện) Hệ thống đĩa được lắp sao cho luôn hướng về phía mặt trời và thu lấy năng lượng mặt trời;

nó có thể tập trung gấp khoảng 2000 lần mức cường độ bình thường Một máy thu nhiệt, một loạt ống chứa một chất lỏng làm nguội (ví dụ như hydrogen hoặc helium), đặt nằm giữa hệ thống đĩa và động cơ Nó hấp thu năng lượng mặt trời

tập trung từ hệ thống đĩa, biến nó thành nhiệt và gửi nhiệt đến động cơ chuyển

hóa nó thành điện năng

Hình 2.3.3b Hình chiếu động cơ đĩa mặt trời

Hình 2.3.3d Hệ thống động cơ đĩa mặt trời

Hình 2.3.3e Một trạm phát điện đĩa mặt trời ở Hermannsburg, NT, Australia

2.4 Các hệ thống dự trữ nhiệt năng (TES)

Các hệ thống khai thác nhiệt mặt trời là một giải pháp năng lượng hồi phục đầy triển vọng – mặt trời là một nguồn tài nguyên dồi dào Ngoại trừ vào ban đêm Hay khi mặt trời bị mây che Các hệ thống dự trữ nhiệt năng (TES) là những

bể chứa chất lỏng áp suất cao sử dụng cùng với một hệ thống nhiệt mặt trời cho phép nhà máy hoạt động thêm vài giờ đồng hồ sau khi mặt trời đã lặn Dự trữ vào giờ cao điểm là một yếu tố then chốt đối với hiệu quả của các nhà máy nhiệt điện mặt trời

Ba công nghệ TES chính đã được thử nghiệm kể từ thập niên 1980 khi những nhà máy nhiệt điện mặt trời đầu tiên được xây dựng: hệ thống trực tiếp hai-bể, hệ thống gián tiếp hai-bể, và hệ thống dị nhiệt một-bể

Trong một hệ thống trực tiếp hai-bể, năng lượng nhiệt mặt trời được dự trữ ngay trong chất lỏng truyền nhiệt thu gom nó Chất lỏng đó được chia làm hai bể, một bể dự trữ nó ở một nhiệt độ thấp và bể kia ở một nhiệt độ cao Chất lỏng dự trữ ở bể nhiệt độ thấp chảy qua bộ thu nhiệt mặt trời của nhà máy điện, ở đó nó được làm nóng lên trở lại rồi gửi đến bể nhiệt độ cao Chất lỏng dự trữ ở bể nhiệt

độ cao được gửi qua một bộ trao đổi nhiệt tạo ra hơi nước, cái sau đó được dùng

để sản xuất điện năng trong máy phát điện Và một khi đã đi qua bộ trao đổi nhiệt, chất lỏng đó chảy trở lại bể nhiệt độ thấp

Trong một hệ thống gián tiếp hai-bể, các chức năng về cơ bản giống như hệ thống trực tiếp, ngoại trừ là nó làm việc với các loại chất lỏng truyền nhiệt khác nhau, chúng thường là đắt tiền và không được dự trù dùng làm chất lỏng trữ nhiệt

Để khắc phục vấn đề này, các hệ thống gián tiếp cho các chất lỏng nhiệt độ thấp chảy qua một bộ trao đổi nhiệt bổ sung

Không giống như các hệ thống hai bể, hệ thống dị nhiệt một-bể dữ trữ nhiệt