Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời

Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời Hầu như tất cả các nguồn năng lượng (NL) mà con người hiện nay đang sử dụng xét cho cùng đều xuất phát hay có liên quan tới NL mặt trời (chỉ trừ năng lượng nguyên tử, địa nhiệt và các nhà máy phát điện hoạt động bằng năng lượng thuỷ triều). Người ta chia các nguồn NL thành 2 nhóm năng lượng chính:- Năng lượng hoá thạch như dầu, than đá hay khí đốt;- Năng lượng tái tạo từ những nguồn NL như Mặt trời, Gió, Hợp chất hữu cơ (sinh khối), NL đại dương và ®Þa nhiệt của trái đất.Các nguồn năng lượng được tạo ra từ quá trình hoá thạch chính là năng lượng mặt trời được biến đổi, lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ. Ngược lại ở các nguồn năng lượng mới mang tính tại tạo thì năng lượng mặt trời được sử dụng dưới rất nhiều hình thức khác nhau.Hiện nay mức tổng tiêu thụ năng lượng trên thế giới vào khoảng 1,07 x 1011 MWh/năm. Trong đó mức tiêu thụ điện năng là 1,87 x 109 MWh, chiếm khoảng 17% mức năng lượng tiêu thụ NL tổng cộng. Có thể thấy rằng trong những thập niên tới thì tổng mức tiêu thụ NL nói chung cũng như mức tiêu thụ điện năng nói riêng sẽ tăng lên rất mạnh trên phạm vi toàn thế giới.Năng lượng mặt trời (NLMT) là NL được tạo ra từ các phản ứng nhiệt hạt nhân trên mặt trời. NL này có thể thu được dưới dạng sóng bức xạ điện từ truyền đến trái đất.Ở ngoài khí quyển quả đất cường độ của bức xạ mặt trời có giá trị là E = 1,367 kW/m² và được gọi là hằng số mặt trời. Nhưng khi đi qua lớp khí quyển quả đất, do bị hấp thụ và tán xạ, nên NLMT bị giảm khoảng 30%.Nếu các tia bức xạ mặt trời chiếu vuông góc tới một mặt phẳng trên bề mặt trái đất thì cường độ bức xạ chỉ còn vào khoảng 1 kW/m² đối với ngày thời tiết đẹp. Thông qua các tia bức xạ mặt trời quả đất có thể thu được một năng lượng là 1,74 x 1011 MWh. Hay nói cách khác là trái đất nhận được một công suất NLMT là 1,74 x 1011 MW.NLMT này dùng chủ yếu để làm ấm bầu khí quyển, vỏ trái đất và nước. Chỉ có khoảng 1 - 2 % NLMT được biến thành năng lượng gió, khoảng 0,02 – 0, 03 % được sử dụng để tạo ra các hợp chất hữu cơ sinh khối.Các công nghệ sử dụng NLMTHiện nay có 2 công nghệ chính sử dụng NLMT. Đó là công nghệ điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện và công nghệ nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính (nhiệt độ thấp) và công nghệ nhiệt mặt trời hội tụ (nhiệt độ cao).a- Công nghệ điện mặt trời Quang điệnKhi chiếu sáng một lớp tiếp xúc bán dẫn pn thì NL ánh sáng có thể được bíến đổi thành NL của dòng điện một chiều. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng quang-điện (photovoltaic) và nó được ứng dụng đề chuyển đổi NLMT thành điện năng. Trong công nghệ quang-điện này người ta sử dụng các mô đun pin mặt trời (PMT) mà thành phần chính của nó là các lớp tiếp xúc bán dẫn Silic loại n và loại p, nSi/pSi (hình 1). Hình 1- Nguyên lý cấu tạo PMT (trên) và môđun PMT (dưới) Hiệu suất biến điổi quang-điện của các môđun PMT Si thương mại trong khoảng 11-14%. Công nghệ sản xuất điện năng này hoàn toàn không gây ra ô nhiễm môi trường. Hình 2- Hệ PMT 500W cho Trạm xá Yên Lập, Phú Thọ (ảnh trên) và hệ 500W cho hộ gia đình Đảo Quan Lạn, Quảng Ninhb- Công nghệ Nhiệt năng từ mặt trờiTừ lâu nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được dùng để phơi sấy, sưởi ấm,... một cách tự nhiên. Hiện nay nhờ các thiết bị mới nên nhiệt mặt trời được sử dụng hiệu quả hơn. Có 2 công nghệ thông dụng khai thác nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt trời.Hiệu ứng nhà kính là hiệu ứng như sau: các tấm kính có đặc tính là cho các bức xạ MT có bước sóng nhỏ hơn khoảng 0,7x 10-6m đi qua dễ dàng, nhưng lại ngăn không cho các bức xạ MT có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m. Bức xạ MT có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m là các bức xạ nhiệt nó nung nóng các vật khi bị các tia này chiếu vào. Lợi dụng đặc tính này của kính người ta tạo ra các hộp thu NLMT như hình 3 để sản xuất nước nóng, sấy nông sản phẩm, sưởi ấm,.... Hình 3- Cấu tạo và nguyên lý thu NLMT nhờ hiệu ứng nhà kính Tia mặt trời xuyên qua tấm kính (1) tới tấm hấp thụ (2) bị hấp thụ phần lớn NL. Các tia nhiệt thứ cấp từ tấm hấp thụ có bước sóng Λ > 0,7μm bị tấm kính ngăng lại. Như vậy hộp thu cho ánh sáng MT vào mà không cho ra nên tấm hấp thụ ngày càng nóng lên. Nhiệt từ tấm hấp thụ có thể sử dụng để đun nước, sấy, sưởi ấm,... Hiệu suất thu nhiệt của bộ thu có thể đạt đến 50%.Để sản xuất điện từ nhiệt NLMT người ta sử dụng các hệ thống gương cầu hay gương parabol để hội tụ các tia mặt trời vào các điểm hay trục hội tụ. Tại các điểm hội tụ nhiệt độ có thể lên đến hàng trăm hay thậm chí đến hàng nghì độ. Nếu cho chất lỏng như nước, dầu,... qua vùng hội tụ thì chất lỏng bị bay hơi ngay cả dưới áp suất cao. Cho hơi này qua các tua bin sẽ phát ra điện. Công nghệ này được gọi là công nghệ nhiệt điện mặt trời.Các công nghệ NLMT đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Hình 4- Hệ nước nóng NLMT 60m2, 5m3/ngày để sấy gỗ (ảnh trên) và Thiết bị đun nước nóng NLMT do TT năng lượng mới thiết kế, sản xuất (ảnh dưới) PGS.TS. Đặng Đình Thống