Bài thuyết trình các ứng dụng của năng lượng mặt trời

BÀI THUYẾT TRÌNH  CÁC ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Nguyễn Tiến Mạnh Đào Xuân Chiến Nguyễn Thị Dương Nguyễn Thị Lương Nguyễn Thị Hoài Thu * Nội Dung Phần 1: Tạo ra điện năng Phần 2: Ứng dụng cung cấp nhiệt & làm mát Phần 3: Ứng dụng nhiệt – điện Phần 4: Ứng dụng pin mặt trời (PV) * Phần 5: Các ứng dụng tại Việt Nam Phần 1. Năng lượng mặt trời tạo ra điện năng * MẶT TRỜI Mặt trời là một ngôi sao được sinh ra cách đây 4,6 tỷ năm. Mặt trời là ngôi sao ở trung tâm Hệ Mặt Trời, chiếm khoảng 99,68% khối lượng của Hệ Mặt Trời. Trái Đất và các thiên thể khác như các hành tinh, tiểu hành tinh, thiên thạch, sao chổi và bụi quay quanh Mặt Trời. Khoảng cách trung bình từ Mặt Trời đến Trái Đất khoảng 146,9 triệu kilômét (1 đơn vị thiên văn AU) nên ánh sáng Mặt Trời cần 8 phút 19 giây mới đến được Trái Đất. Các thuộc tính cơ bản của Mặt Trời Đường kính 1.392.520km Khối lượng 2x1030kg (332.930 KL TD) Thể tích 1,3triệu V trái đất Khối lượng riêng 1,41g/cm3 Khoang cách TB tới TĐ 149.598.250km Chu kỳ quay tại xích đạo 26ngày Nhiệt độ tại trung tâm 15triệu độ K Nhiệt độ bề mặt 6000độK Năng lượng giải phóng 4.1026 W. 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 bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy. Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 Joule. Quang phổ Mặt Trời ngay ngoài khí quyển Trái Đất * Đối với Trái Đất Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên Trái Đất. Ngay ngoài khí quyển Trái Đất, cứ mỗi một m2 diện tích vuông góc với ánh nắng Mặt Trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1.400 Joule trong một giây. * Hiện nay, các công ty và các học viện đang phát triển phương pháp để tăng tính thực tế cho năng lượng mặt trời. Các công ty tiến hành rất nhiều các nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này và các trường đại học cũng đang tiến hành nghiên cứu về thiết bị điện mặt trời, đặc biệt là xe dùng năng lượng mặt trời. Chiếc xe có gắn hệ thống i-Cool Một hệ thống điều hòa không khí sử dụng năng lượng mặt trời dùng cho xe tải sẽ có mặt trên thị trường vào đầu năm 2012. * Các loại xe dùng năng lượng mặt trời đã xuất hiện thường xuyên trong các buổi trình diễn khoa học và xe hơi, tàu sử dụng năng lượng mặt trời đã trở thành một đề tài thú vị hiện nay. Các trường đại học và học viện đang cạnh tranh nhau trong các cuộc thi thuộc lĩnh vực này. Các cuộc thi diễn ra tại Bắc Mỹ như Solar Splash competition và Frisian Nuon Solar Challenge ở Châu âu Ñoà aùn Thuyeàn söû duïng naêng löôïng maët trôøi cuûa caùc sing vieân trong 2 cuoäc thi Solar Splash competition và Frisian Nuon Solar Challenge ở * Tận thu Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua: 1. Hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin mặt trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, 2. Sử dụng cho bình nước nóng năng lượng mặt trời, 3. Hóa hơi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, 4. Hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Một phòng giặt ở California sử dụng năng lượng mặt trời * Tấm quang điện mặt trời chứa nhiều dãy pin năng lượng mặt trời có thể chuyển ánh sáng thành điện năng. Pin năng lượng mặt trời có thể gọi là pin quang điện. Pin quang điện có tác dụng hấp thụ năng lượng của mặt trời và tạo ra dòng điện giữa 2 cực điện từ nghịch dấu. Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi Mặt Trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển). Mô hình những tấm quang điện trong vũ trụ Tấm quang điện trên hồ nước ở Petaluma * Máy đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời để đun nóng chất lỏng, dùng làm phương tiện để truyền nhiệt đến một mạch tụ nhiệt. Trong nhà nước nóng dùng trong phòng tắm, có thể đun nóng và trữ trong một bồn nước. Các tấm trên trần nhà có tấm hấp thụ nhiệt có gắn các ống luân chuyển chất lỏng. * Thiết bị thu (thường được sơn màu tối) đảm bảo sự chuyển đổi tia bức xạ mặt trời thành nhiệt, trong khi chất lỏng thì luân chuyển trong ống truyền nhiệt tới nơi cần dùng hay dự trữ. * Phần 2. Ứng dụng cung cấp nhiệt và làm mát * 1. Ứng dụng vào bếp nấu ăn Bếp năng lượng Mặt Trời là một thiết bị giữ các tia nắng và dùng năng lượng này để đun nấu các loại thực phẩm hoặc đun nước sôi Các loại bếp năng lượng mặt trời Bếp hình hộp Bếp panel Bếp dùng 2 lớp nồi Bếp parabol Nguyên lý hoạt động chung - Hội tụ ánh nắng: Dùng gương hoặc kim loại có độ phản chiếu cao (như giấy nhôm) để đưa ánh sáng và sức nóng mặt trời tập trung vào một vùng nhỏ. - Chuyển ánh sáng thành sức nóng: Màu đen có tính chất hút nóng, nên người ta hay dùng màu đen bên trong các thiết kế. - Chất liệu dẫn nhiệt tốt: Dùng các kim loại có đặc tính dẫn nhiệt nhanh thì bếp mau nóng, thức ăn mau chín hơn. - Giữ nóng: Một tấm thủy tinh, một bao nylon trong suốt, hoặc một lớp chất dẻo trong suốt nào khác cũng đủ để cho ánh sáng vào trong. Một khi ánh sáng đã biến thành sức nóng rồi thì lớp thủy tinh hoặc chất dẻo không cho sức nóng thoát ra. Đó chính là hiệu ứng nhà kính nhằm giữ lại sức nóng trong bếp. Không khí bên trong càng được cách ly kỹ với không khí bên ngoài thì hiệu năng càng cao. Bếp panel Bếp hotpot Bếp hình hộp Bếp parabol Ở Ghana, một phụ nữ làng Zouzugu đang dùng bếp năng lượng mặt trời đun sôi nước để phòng bệnh dracunculiasis và nhiều chứng bệnh khác Bếp năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới ở Odeillo, miền nam nước Pháp. Bếp đạt đến nhiệt độ hơn 3000°C, do Trung Tâm Ngiên Cứu Khoa Học Quốc Gia (CNRS) thiết lập Việt nam là một nước nhiệt đới, nằm ở vành đai nội chí tuyến nên tổng số giờ nắng trong năm lớn, ở khu vực Miền Trung có khoảng 2900 giờ nắng và với cường độ bức xạ cao, lên đến 950W/m2 do đó rất thuận lợi cho việc triển khai ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời. Vì thế thiết bị nấu ăn bằng năng lượng mặt trời thiết bị có hiệu suất cao và rất phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam đặc biệt là ở các tỉnh Miền Trung và Tây Nguyên. * Hiện có 2 dạng bếp được sử dụng phổ biến ở Việt Nam Loại 1 bếp hình hộp dùng để đun nước và nấu cơm. Hướng các tia nắng mặt trời vào trung tâm của một cái chậu nhôm. Đặt nồi đựng thực phẩm vào trong chậu nhôm. Đậy một tấm kính lên miệng chậu có gắn tấm phản chiếu ở phía sau. Nhiệt độ sẽ tăng dần lên đến 120-140 độ C. Sau 1-2 giờ đun nấu, thực phẩm bên trong sẽ chín.  * Loại thứ 2 là bếp hình parabol, gồm một chảo parabol nhằm tập trung tia nắng mặt trời tại một điểm để đun nấu. Bếp có giá thành cao hơn so với bếp hình hộp, song bù lại bếp nấu rất nhanh và đạt nhiệt độ cao như đun nấu bằng nhiên liệu bình thường. * Các loại bếp nấu sử dụng năng lượng mặt trời này rất phù hợp với người dân vùng nông thôn nơi mà chất đốt chủ yếu là rơm rạ và củi... nhằm tiết kiệm năng lượng bảo vệ sức khoẻ và môi trường. Các loại bếp này đã được triển khai rộng rãi và được người dân rất ủng hộ * Triển khai ứng dụng các loại bếp nấu năng lượng mặt trời * * Với quy mô bếp nấu lớn mỗi gia đình có thể lắp một bếp nếu có thể định vị theo hướng mặt trời trong một ngày loại này có phần gương phản xạ đặt ngoài nhà còn bếp nấu đặt trong nhà nên rất thuận lợi cho quá trình nấu * 2. Ứng dụng chưng cất nước Ở những vùng thừa nước biển và nắng nhưng khan hiếm nước ngọt, đã có thể cải thiện chất lượng cuộc sống với nước sạch cất bằng năng lượng mặt trời. * Năng lượng mặt trời còn có thể chưng cất nước lợ nhiễm mặn và nước biển thành nước uống tinh khiết cho cư dân vùng thiếu nước ngọt, vùng biển đảo. Chỉ với một bộ chưng cất nước gồm một hộp đựng nước không thấm được làm bằng gỗ hay xi măng, với một tấm kính trắng đậy lên. Một thiết bị kích cỡ 1-2 m có thể lọc được 5-10 lít nước tinh khiết mỗi ngày. * Giải pháp nước sạch cho đảo chìm * Buồng lưu giữ nhiệt Bơm Gia nhiệt bổ sung Nước lạnh Nước nóng Bộ thu Đường nối tắt 3. Cung cấp nước nóng Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp nước nóng Bình nước nóng năng lượng mặt trời 4. Phơi, sấy - Tận dụng nhiệt trực tiếp từ mặt trời để phơi khô Từ hải sản… …đến nông sản Buồng lưu giữ nhiệt Quạt Gia nhiệt bổ sung Không khí lạnh Không khí nóng Bộ thu Đường nối tắt Sử dụng gián tiếp qua thiết bị sấy để sấy nông sản thực phẩm Máy sấy cà phê năng lượng mặt trời 5. Ứng dụng vào làm mát Bình trữ năng lượng đường nhánh trao đổi nhiệt Bình sinh hơi Bình ngưng Tháp làm mát chất tải lạnh đi sử dụng Bình hấp thụ Bộ trao đổi nhiệt của môi chất Bộ thu NL MT Van tiết lưu Sơ đồ hệ thống máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời Phần 3. Ứng dụng Nhiệt – Điện * 1. Động cơ stirling Ðộng cơ Stirling là một thiết bị có nhiều ưu việt và cấu tạo đơn giản. Một đầu động cơ được đốt nóng, phần còn lại để nguội và công hữu ích được sinh ra. Ðây là một động cơ kín không có đường cấp nhiên liệu cũng như đường thải khí. * Nguyên lý hoạt động Nếu ta đốt nóng một đầu xilanh (đầu nóng) nguồn nhiệt được sử dụng có thể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xilanh hoặc một cách đơn giản là nhúng đầu xilanh vào nước nóng, thì áp suất và nhiệt độ không khí bên trong tăng lên. Áp suất cao sẽ đẩy piston chuyển động và sinh ra công hữu ích * BƠM NƯỚC DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT 5M3/NGÀY Mặt hấp thụ Bánh đà Đầu bơm Piston lực Cánh tản nhiệt * Động cơ stirling năng lượng mặt trời công suất 5W tốc độ 1000 v/ph. * Máy phát điện dùng gương lõm tập trung ánh nắng vào đầu nóng của động cơ Stirling nằm ở tiêu điểm của gương. * 2. Tháp Nhiệt Điện Mặt Trời Sơ đồ nguyên lý với môi chất là muối Sơ đồ nguyên lý với môi chất là nước Sơ đồ nguyên lý với môi chất là dầu Phần 4 PIN MẶT TRỜI Pin mặt trời (PV; Photovoltaic) Nguyên lý của Pin mặt trời dựa trên cơ sở của hiệu ứng quang điện có được khi hai vật liệu có đặc tính dẫn điện khác nhau hàn lại. Khi có năng lượng của photon ánh sáng chiếu vào, nó tạo ra các cặp điện tử, lỗ trống liên kết yếu với nhau hình thành điện áp và dòng điện khi được nối lại. Cấu trúc của tế bào quang điện Ứng dụng PV cho hộ gia đình Sản xuất điện tập trung Công suất tương đối nhỏ cỡ vài MW Cung cấp điện cho một khu vực hoặc cấp lên lưới Một số ứng dụng trong giao thông PHẦN 5BƯỚC TIẾN CỦA CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC DỰ ÁN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM 1. Bước tiến của công nghệ năng lượng mặt trời Những nhà nghiên cứu tại viện RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) đã phát minh ra tế bào năng lượng mặt trời mới có hiệu suất vượt trội hơn hẳn các thế hệ hiện tại. * Nhờ vào lớp phủ chống phản xạ đặc biệt, tế bào pin mặt trời mới của RPI gần như hoàn hảo. Nó có khả năng hấp thụ đến 96,21% năng lượng mặt trời chiếu đến trong khi tế bào tốt nhất hiện tại chỉ có thể hấp thụ được tối đa 67,4%. 43% hiệu suất vượt trội hơn công nghệ hiện nay cùng với khả năng sản xuất hàng loạt dễ dàng, tế bào mặt trời của RPI là một bước tiến vượt bật. Lớp phủ vật liệu nano của tế bào pin mặt trời nhìn qua kính hiển vi điển tử * Kể từ đầu những năm 60 thế kỷ 19, khi mà kỹ sư, nhà sáng chế Auguste Mouchout người Pháp sử dụng một chiếc nồi kín bằng thuỷ tinh, một chiếc đĩa hình parabôn mài bóng và sức nóng mặt trời để tạo ra hơi nước, cấp cho chiếc động cơ hơi nước đầu tiên chạy bằng năng lượng mặt trời thì đến nay, công nghệ năng lượng nhiệt mặt trời (solar thermal energy - STE) đã có những bước tiến dài. * Công ty Ausra Inc. đã đưa vào hoạt động trạm năng lượng nhiệt mặt trời (STE) Kimberlina tại Bakersfield (bang California, Mỹ). Đây là trạm nhiệt điện mặt trời đầu tiên kể từ khi Công ty FPL Energy xây dựng 9 hệ thống phát năng lượng mặt trời tại sa mạc Mojave vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990.  Rẻ hơn, nhanh hơn, khoẻ hơn. Trạm năng lượng nhiệt mặt trời (STE) Kimberlina tại Bakersfield (bang California, Mỹ) với các dãy gương dài hơn 300 m. * Ngoài nhà máy trên, Ban Năng lượng bang California đang xét duyệt các đề xuất về năm nhà máy nhiệt điện mặt trời cỡ lớn, bao gồm dự án SES Solar Two (750 MW) của công ty Stirling Energy Systems, tháp năng lượng mặt trời Ivanpah (400 MW) của công ty BrightSource, dự án máng thu năng lượng mặt trời (250 MW) của công ty Beacon Solar tại Kern County và hai dự án năng lượng hỗn hợp (hybrid) có sử dụng máng thu năng lượng mặt trời để tạo ra công suất tổng là 112 MW. Sáu dự án nói trên cộng lại sẽ bổ sung 1.689 MW cho lưới điện. Văn phòng Quản lý Đất Liên bang cũng đang nghiên cứu yêu cầu đầu tư 34 nhà máy điện mặt trời nữa tại miền Nam California, với tổng công suất khoảng 24 GW.   * 2. Các dự án năng lượng mặt trời tại Việt Nam Có tiềm năng về NLMT,có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm Được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt 2 công nghệ chính sử dụng NLMT: - Điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện - Nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính (nhiệt độ thấp) và công nghệ nhiệt mặt trời hội tụ (nhiệt độ cao). Công nghệ điện mặt trời Quang điện Hệ Pin Mặt Trời 500W cho Trạm xá Yên Lập, Phú Thọ  Hệ 500W cho hộ gia đình Đảo Quan Lạn, Quảng Ninh Công nghệ Nhiệt năng từ mặt trời Hệ nước nóng NLMT 60m2, 5m3/ngày để sấy gỗ và thiết bị đun nước nóng NLMT do TT năng lượng mới thiết kế, sản xuất. Có nhiều dự án điện mặt trời phát triển ở Việt nam - Dự án điện khí hoá nông thôn Fondem France-Solarlab Vietnam Dự án nối lưới và điện khí hoá nông thôn được thực hiện  bởi SolarLab với sự công tác của Bộ Khoa học Công nghệ Việt nam (MOST)  và Atersa của Tây Ban Nha. Dự án điện mặt trời với công suất 100 kWp (tài trợ bởi Nedo - Japan) ở Gia Lai Rào cản trong việc ứng dụng Công nghệ thiết kế, lắp ráp, vận hành và bảo trì tương đối phức tạp. Phần lớn những dự án điện mặt trời đều sử dụng nguồn vốn tài trợ hoặc vốn vay nước ngoài. Do đó, mới chỉ có một vài tổ chức, viện nghiên cứu và các trường đại học tham gia, còn phía doanh nghiệp, cá nhân vẫn chưa chú trọng với việc ứng dụng. Thiếu sự hỗ trợ của Nhà nước về đầu tư nghiên cứu, kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất. Chính sách hỗ trợ của Nhà nước đối với các doanh nghiệp tham gia đầu tư, phát triển ngành năng lượng mới này lên quy mô công nghiệp. * THANKS FOR YOUR ATTENTION