Các nhà máy điện năng lượng mặt trời

Khi chúng ta nghĩ về các nhà máy điện, chúng ta thường nghĩ tới những tổ hợp tập trung to lớn với tháp làm mát cùng hệ thống ống khói khổng lồ. Về mặt khái niệm, một nhà máy điện chỉ là một sự cài đặt kỹ thuật, cái biến đổi sự cung cấp một dạng năng lượng cụ thể thành điện năng. Một nhà máy điện mặt trời sẽ sản xuất ra điện từ các tia mặt trời. 1. Parabolic trough power plantsGiống như tên gọi, trong nhà máy điện dạng hình máng parabol có rất nhiều tấm gương dạng hình máng tập trung ánh sáng vào một điểm trọng tâm. Các bộ thu ánh sáng được đặt thẳng đứng cạnh nhau theo hàng với chiều dài hàng trăm mét. Nhiều hàng lại được đặt song song để hình thành nên toàn bộ vùng thu ánh sáng mặt trời. Các bộ thu ánh sáng đơn lẻ có thể quay theo chiều dọc trục để theo sát sự di chuyển của mặt trời. Các tấm gương này tập trung ánh sáng lên gấp khoảng 80 lần tại điểm trung tâm là những ống hấp thụ. Những ống này được bao bọc bởi một lớp kính để hạn chế mất mát về nhiệt xảy ra. Một lớp vỏ bọc được chọn lựa đặc biệt bao ngoài các ống hấp thụ để ngăn cản nhiệt tỏa ra ngoài qua bề mặt các ống. Với các hệ thống truyền thống, một loại dầu giữ nhiệt đặc biệt sẽ chảy trong các ống đó, và với tác động của ánh sáng nhiệt độ sẽ lên đến 400 độ C. Lượng nhiệt này sẽ được vận chuyển qua các bộ trao đổi nhiệt nơi tạo hơi quá nhiệt để sử dụng cho chu trình hơi nước. Hơi nước quay tuabin và chạy máy phát, tạo ra điện. Sau khi qua các tầng của tuabin nó được ngưng đọng lại thành nước và thông qua bơm được đưa trở lại vòng lặp. Nguyên lý sản xuất ra điện sử dụng hơi nước gọi là chu trình Clausius-Rankin. Quá trình này được sử dụng trong các nhà máy điện hơi nước cổ điển như các nhà máy nhiệt điện. Nguyên lý hoạt động Trong lúc thời tiết xấu hay vào ban đêm một buồng đốt có thể được sử dụng song song để vận hành chu trình hơi nước. Điều này ngược lại với hệ thống quang điện, bởi nó đảm bảo công suất đầu ra suốt cả ngày, đồng thời nó cũng tăng sự hấp dẫn và sự đảm bảo trong việc lập kế hoạch cung cấp điện cho cộng đồng. Về mặt phát thải cacbon, sinh học hoặc năng lượng mới (cái tạo ra hydro) có thể được sử dụng giống như một nguồn nguyên liệu bổ trợ hoặc các buồng đốt bằng nhiên liệu hóa thạch sẽ được giới hạn hoàn toàn. Một giải pháp khác được đưa ra là sử dụng các bồn nhiệt. Hệ thống mặt trời sẽ hâm nóng các bồn nhiệt vào ban ngày khi lượng nhiệt từ mặt trời là dồi dào. Vào ban đêm hay khi thời tiết xấu các bồn chứa nhiệt này sẽ giúp vận hành chu trình hơi nước. Các bồn nhiệt phải được thiết kế chịu được nhiệt độ lên tới 300 độ C. Các muối nóng chảy được sử dụng làm môi chất giữ nhiệt trong bồn Nhà máy điện đảm bảo cung cấp điện cả ngày với sự hỗ trợ của bồn nhiệt Sự phát triển của loại nhà máy này bắt đầu từ năm 1906. Tại Mỹ và nhiều vùng ở Cairo (Ai cập dưới thời kỳ cai trị của người Anh) các nghiên cứu ứng dụng đã được thực hiện và bước đầu đã thành công. Nói chúng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng hầu như không đổi cho đến ngày hôm nay. Mặc dù vậy, các vấn đề có liên quan đến vật liệu và các vấn đề kỹ thuật khác đã kết thúc nỗ lực đầu tiên về loại máy phát với công suất lớn vào năm 1914, trước chiến tranh thế giới thứ nhất.Ngày nay Mỹ và một số nước châu Âu đã đưa ra nhiều chính sách hỗ trợ để phát triển loại hình nhà máy này. Một số nhà máy lớn được xây dựng tại Nevada (Mỹ), Guadix (Tây Ban Nha). Sự phát triển của công nghệ cũng giúp tăng hiệu suất và giảm giá thành. Một sự lựa chọn mới là hóa hơi trực tiếp nước bằng ánh sáng mặt trời. Với loại mới này, nước sẽ được bay hơi dưới áp suất cao, ở nhiệt độ khoảng 500 độ C trước khi được dẫn vào tuabin.2. Solar tower power plant Với nhà máy điện tháp mặt trời, hàng trăm hay thậm chí hàng nghìn các tấm gương được lắp đặt xung quanh một tháp. Được gọi là các kính định nhật, những tấm gương này được điều khiển riêng biệt bởi máy tính để dõi theo sự di chuyển của mặt trời đồng thời hướng đến đỉnh tháp. Chúng phải được hướng với độ chính xác vài phần trăm của một độ để có thể phản chiếu ánh sáng đến điểm trung tâm (tâm điểm). Một bình chứa sẽ được đặt ở đó với thiết bị thu, cái mà dưới tác dụng của ánh sáng tập trung sẽ được nung nóng lên đến nhiệt độ trên 1000 độ C. Không khí hay các muối nóng chảy vận chuyển nhiệt. Tuabin khí hay hơi sẽ điều khiển máy phát để biến đổi nhiệt thành năng lượng điện.Có hai loại nhà máy điện tháp, loại bình chứa thể tích không áp suất và loại bình chứa có áp suất. Với loại bình chứa thể tích không áp suất, không khí từ môi trường sẽ được chuyển đến bình chứa (nơi nhận các tia sáng phản xạ từ các tấm gương) bởi một quạt gió. Bình chứa được nung nóng bởi các tia bức xạ mặt trời và chuyển nhiệt độ đó qua cho không khí xung quanh (ở trong bình chứa). Không khí trước khi vào bình chứa có nhiệt độ thấp. Nhiệt độ cao chỉ đạt được trong bình chứa. Loại nhà máy này giảm mất mát nhiệt do phát xạ. Không khí được tăng nhiệt độ lên từ 650 độ C đến 850 độ C, trước khi đưa vào lò hơi để làm bay hơi nước, điều khiển chu trình hơi trong tuabin. Trong trường hợp đòi hỏi, có thể nó sẽ được kết hợp với các loại nhà máy điện khác. Loại bình chứa không áp suất Loại thứ hai là nhà máy điện tháp mặt trời với bình chứa có áp suất. Loại này đang cho thấy nhiều tương lai hứa hẹn. ánh sáng được tập trung để đốt nóng không khí trong bình chứa có áp suất khoảng 15 bar và nhiệt độ lên tới 1100 độ C. Không khí nóng được sử dụng để chạy tuabin. Không khí nóng sau khi được sử dụng một lần ở tuabin lại được tái sử dụng để tạo hơi nóng cho một chu trình khác.Với loại nhà máy này, hiệu suất sẽ tăng từ 35% đến 50%. Nhà máy điện với bình chứa áp suất Trái với nhà máy điện hình máng parabol, chúng ta hiện không có nhiều kinh nghiệm về loại nhà máy này trên thị trường. Mặc dù vậy, mọi nghiên cứu ứng dụng để tối ưu hóa các thành phần cấu tạo hay kiểm tra chúng hiện đã được tiến hành ở Almeria (Tây Ban Nha), Daggett (Mỹ), và Rehovot (Israel).Nhà máy điện tháp đầu tiên được xây dựng có công suất 11 MW ở Seville, Tây Ban Nha năm 2006. Mặc dù vậy, thay vì đốt nóng không khí thì bình chứa của nhà máy này lại làm bay hơi nước. Do nhiệt độ thấp, hiệu suất của nó tương đối thấp. Năm 2006 người ta cũng khởi động việc xây dựng một nhà máy có công suất 20 MW gần Seville cũng như các nhà máy khác trong giai đoạn thiết kế. Nhà máy điện ở Almeria, Tây Ban Nha Trước khi thành công trên thị trường, kỹ thuật sử dụng trong nhà máy với bình chứa không khí (không có áp suất) được phát triển lần đầu tại Đức đã được chứng minh là phù hợp với ứng dụng thực tiễn. Hiện nó đã được kiểm tra tại nhà máy mới xây dựng tại Julich, Đức, tuy nhiên nó chỉ có công suất khoảng 1,5 MW. Mục tiêu của chính phủ Đức với loại nhà máy này chỉ là xuất khẩu công nghệ cho các nước ở vùng có nhiều nắng nóng trên thế giới. 3. Dish-Stirling power plants (Nhà máy điện sử dụng động cơ Stirling)Trong khi nhà máy điện hình máng và tháp vẫn chỉ kinh tế khi được sử dụng với những ứng dụng cỡ vài MW, thì nhà máy điện mặt trời với tên gọi hệ thống đĩa-động cơ Stirling có thể được sử dụng cho nhu cầu nhỏ hơn – ví dụ, để cung cấp điện cho các khu dân cư hay các ngôi làng ở vùng xa xôi hẻo lánh. Với hệ thống này một gương cầu lõm với kích cỡ lớn sẽ tập trung ánh sáng vào một điểm tập trung, gọi là tâm điểm. Để chắc rằng ánh sáng được tập trung đủ mạnh, gương này sẽ được điều khiển dựa trên nhiều trục quay để có thể dõi theo một cách chính xác sự di chuyển của mặt trời.Một bộ nhận sẽ được cài đặt ở tâm điểm. Bộ nhận này sẽ truyền nhiệt vào tâm của hệ thống: động cơ Stirling. Động cơ này sẽ chuyển hóa nhiệt thành động năng và chạy máy phát, tạo ra điện.Một động cơ Stirling có thể được điều khiển không chỉ bởi nhiệt của mặt trời mà còn nhiệt sinh ra bởi quá trình đốt nóng. Khi được kết hợp với các buồng đốt sinh học, những nhà máy này có thể sản xuất ra điện vào buổi tối hay trong điều kiện thời tiết xấu. Và sự sử dụng khí sinh học cũng tạo ra các phân tử cacbon.Nhà máy đầu tiên loại này đã được xây dựng tại Ả rập Sau đi, Mỹ hay Tây Ban Nha (hình vẽ). So với nhà máy điện máng và tháp, thì giá cho mỗi số điện loại này tương đối cao. Giá thành sẽ giảm đi tương đối nếu được lắp đặt với yêu cầu công suất lớn. Nhà máy 10 kW ở Almeria Tây Ban Nha 4. Solar chimney power plants (Nhà máy điện mặt trời có ống khói)Có một sự khác biệt lớn giữa nhà máy điện có ống khói với những nhà máy điện đã nói đến ở trên. Trong khi nhà máy điện nhiệt mặt trời hoạt động dựa trên việc tập trung ánh sáng thì nhà máy điện có ống khói lại dựa trên nhiệt độ của không khí. Những khu thu thập được xây dựng bởi diện tích mặt phẳng lớn cái được bao phủ bởi một mái bằng kính hay nhựa. Một ống khói cao sẽ được đặt ở giữa khu vực đó, và những mái hấp thụ đặt vuông góc với ống khói. Không khí có thể di chuyển tự do dưới mái khổng lồ. Mặt trời làm ấm không khí dưới mái kính. Không khí này tiếp đến sẽ di chuyển lên phía trên, chạy qua những phần dốc của mái và cuối cùng có tốc độ rất nhanh chảy qua ống khói. Dòng không khí di chuyển sẽ điều khiển tua bin gió, cái điều khiển máy phát tạo ra điện.Mặt đất dưới những mái kính có thể dự trữ nhiệt nên nhà máy điện này vẫn có thể tạo ta điện thậm chí sao khi mặt trời đã lặn. Nếu những ống nước được đặt ở dưới đất, sẽ trữ đủ nhiệt để có thể giúp nhà máy cung cấp đủ điện trong tất cả các giờ.Đầu thập niên 80, một nhà máy điện nhỏ loại này với công suất định mức khoảng 50 kW đã được xây dựng gần Manzanares Tây Ban Nha. Mái thu nhận của nhà máy này có đường kính trung bình là 122 mét và chiều cao trung bình là 1,85 mét. Ống khói cao 195 m và đường kính là 5 mét. Nhà máy điện này bị phá hủy vào năm 1988 sau khi một trận bão đã quật đổ ống khói. Mặc dù vậy, tất cả những bài kiểm tra lên kế hoạch đã được hoàn tất và những nhà máy điện nghiên cứu sẽ được trông đợi. Đó là thành công đầu tiên của loại nhà máy này.Bởi hiệu suất của nhà máy điện ống khói khi so sánh với các kỹ thuật khác vẫn rất thấp, những nhà máy này đòi hỏi một diện tích đất đai lớn. Hơn nữa, hiệu suất tăng lên tỷ lệ thuận với chiều cao của tháp. Do vậy, để kinh tế, nhà máy điện này phải có một kích cỡ nhỏ. Ví dụ, những dự án nhà máy mới hiện đang được thảo luận ở Úc. Một nhà máy điện với công suất khoảng 200 MW với chiều cao tháp 1000 m, đường kính 180 m và đường kính của khu vực thu ánh sáng bằng 6000 m. Sẽ rất khó khăn để phỏng đoán liệu việc xây dựng nhà máy điện với cống suất lớn có được lợi về kinh tế hay không. Nhưng dựa vào tầm nhìn dài hạn, nhà máy điện ống khói ở những vùng sa mạc trên thế giới có tiềm năng để tạo ra sự cạnh tranh về kinh tế với những nhà máy điện truyền thống khác. 5. Concentring Photovoltaic power plants (Nhà máy điện mặt trời sử dụng pin quang điện)Pin quang điện có thể hoạt động bằng cách tập trung ánh sáng mặt trời. Điểm chính ở đây là sự tập trung này có thể tiết kiệm được vật liệu làm pin mặt trời một cách đáng giá. Nếu mặt trời được tập trung khoảng 500 lần, kích cỡ của pin mặt trời có thể sẽ giảm đi 500 lần. Giá thành của pin mặt trời do đó sẽ không còn là vấn đề cần quan tâm nữa. Điều đó có nghĩa rằng vật liệu, cái thường khá đắt nếu không có sự tập trung năng lượng mặt trời sẽ có thể được sử dụng. Các pin tập trung thường có hiệu suất cao hơn những cấu trúc pin truyền thống. Có nhiều cách để tập trung: pin tập trung có thể được lắp đặt tại tâm điểm của máng hình parabol hay gương cầu lõm. Một trong những vấn đề chính là hiệu suất làm lạnh, bởi đối năng lượng điện của pin mặt trời, một lượng nhiệt hao phí lớn sẽ được tạo ra. Một kỹ thuật khác có thể được sử dụng. Những thấu kính Fresnel tập trung ánh sáng vào pin tập trung, cái chỉ có cỡ vài mili mét. Một tấm tấm đồng phía sau tấm pin sẽ tích tụ về phía sau. Một cấu trúc tập trung bao gồm nhiều pin song song. Nhiều cấu trúc tiếp đến sẽ được lắp đặt cùng nhau ở thiết bị theo dõi để hướng cấu trúc một cách tối ưu nhất về phía mặt trời.