Tiểu luận năng lượng tái tạo potx

Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thànhcạn kiệt vì sự sử dụng của con người thí dụ như năng lượng Mặt Trời hoặc là năng lượng tự táitạo trong

Mục lục

1 Năng lượng và vai trò của năng lượng

2 Các vấn đề về năng lượng

3 Nhu cầu và tiềm năng của năng lượng tái tạo

i Năng lượng tái tạo là gì

ii Các loại năng lượng tái tạoiii Tiềm năng của năng lượng tái tạo

4 Năng lượng mặt trời

i Mặt Trời và Trái Đất

ii Bức xạ Mặt Trờiiii Năng lượng Mặt Trời

a) Nhiệt điện Mặt Trờib) Bếp Mặt Trờic) c) Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượngMặt Trời

 Pin Mặt Trời kiểu màng mỏng

 Pin từ cây thuốc lá

5 Năng lượng gió

i Lịch sử hình thành

ii Nguyên lý làm việc

iii Các bộ phận cơ bản của hệ thống

a) Tuabin giób) Tháp đỡc) Bộ điều khiển sạc bình ắc quyd) Bộ phận xả điện

e) Hệ thống bình ắc quyf) Hệ thống hiển thịg) Tủ điện một chiềuh) Bộ chuyển đổi điện DC-ACi) Máy phát điện dự phòngj) Bảng điện xoay chiềuk) Hệ thống nối với mạng điện lưới

1 Năng lượng và vai trò của năng lượng

Từ xa xưa, ngay khi con người bắt đầu sáng tạo ra những công cụ mới để nâng cao năng suất laođộng, cải tạo tự nhiên và nâng cao chất lượng cuộc sống, năng lượng đã trở thành một nhu cầutất yếu, không ngừng gia tăng cả về số lượng và chất lượng của con người Nó là nguồn nguyênliệu, nhiên liệu là động lực chính cho sự phát triển của toàn nhân loại

Mỗi cuộc cách mạng của xã hội loài người đều có nền tảng là một cuộc cách mạng triệt để vàrộng khắp về năng lượng Tổ tiên chúng ta đã biết sử dụng lửa từ hàng trăm nghìn năm trước.Khi con người còn sống trong hang động, thì lửa được sử dụng để chiếu sáng, sưởi ấm và nấunướng Sau đó, nhờ sử dụng lửa, tổ tiên chúng ta đã làm ra được đồ gốm và các công cụ bằngkim loại Với những công cụ đó, con người đã thực hiện được các hoạt động sản xuất như canhtác, trồng trọt và chăn nuôi, qua đó các cộng đồng xã hội được hình thành Có thể nói rằng, lửachính là xuất phát điểm của nền văn minh nhân loại

Vào cuối thế kỷ 18, ở Anh đã phát minh ra máy hơi nước dùng nhiên liệu than đá Từ đó, cuộccách mạng về động lực bùng nổ và dẫn đến cuộc cách mạng công nghiệp Hơn nữa, với kỹ thuậtcủa động cơ đốt trong và sử dụng điện ở thế kỷ 19, nhiều phát minh có tính bước ngoặt đã ra đời,đẩy mạnh sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tạo ra một xã hội thịnh vượng và tiện nghi nhưngày nay

Trong thế kỉ 20, dầu mỏ trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất Trên hết thảy, nó đóng vaitrò là nhiên liệu cho các động cơ đốt trong đã cách mạng hóa ngành giao thông, sản xuất và cuộcsống hàng ngày

Tiêu chuẩn sống ngày càng cao của hàng triệu con người là dựa trên sự tiêu thụ năng lượng đangmạnh dần “Các xã hội năng lượng cao” đã xuất hiện Hiện tại, ở các nước phát triển tiên tiến,tiêu thụ năng lượng bình quân trên đầu người cao hơn 50 lần so với xã hội cổ đại và cao hơn 10lần so với thời điểm trước cuộc cách mạng công nghiệp

2 Các vấn đề về năng lượng

Các nguồn mà con người có thể thu năng lượng:

- Gỗ

- Sức nước

- Sức gió

- Địa nhiệt

- Ánh sáng mặt trời

- Than đá, dầu, khí tự nhiên (nhiên liệu hóa thạch)

- Uranium (nhiên liệu hạt nhân)

Và trong số đó nhiên liệu hóa thạch được sử dụng phổ biến và nhiều nhất hiện nay Tài nguyênthiên nhiên như than đá, dầu, khí có được từ xác chết thực vật và vi sinh vật sinh trưởng từ xaxưa, trải qua những biến động của vỏ Trái Đất trong một thời gian dài biến đổi thành được gọi lànhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu hóa thạch cung cấp năng lượng cho những phương tiện giaothông, các nhà máy công nghiệp, sưởi ấm các toà nhà và sản sinh ra điện năng phục vụ đời sốngcon người Cho đến nay, con người đã sử dụng một lượng rất lớn nhiên liệu hóa thạch như than

đá và dầu để đẩy mạnh quá trình phát triển kinh tế và hiện đang phải phụ thuộc vào nguồn nhiênliệu hóa thạch, chiếm khoảng 80% nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp

Tuy nhiên nhiên liệu hóa thạch không phải là vô hạn

-Người ta cho rằng còn có thể khai thác dầu trong 40 năm nữa Số năm có thể khai thác nàyđược tính bằng cách chia trữ lượng đã biết cho sản lượng khai thác hàng năm hiện nay

-Số năm có thể khai thác của khí tự nhiên dự đoán là khoảng 60 năm Tài nguyên khí tựnhiên, so với tài nguyên dầu có ưu điểm là có thể đảm bảo được một lượng nhất định trong khuvực Đông Nam Á và thời gian khai thác cũng lâu hơn Thực tế là gần 70% trữ lượng được đảmbảo phụ thuộc vào khu vực Trung Đông và Liên Xô cũ

- Số năm còn có thể khai thác than là khoảng 230 năm

Năng lượng hóa thạch gây ô nhiễm môi trường

Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra CO2, ôxít sunphua(SOx), ôxít nitơ (NO2), Methane (CH4), nitơ oxit (N2O)… Những khí này là nguyên nhân dẫnđến một số hậu quả to lớn đối với môi trường sống và ảnh hưởng trực tiếp đến chính con người

+Mưa axit: SOx, NOx trong khí thải từ các nhà máy và ôtô của lục địa đã tạo ra các phảnứng hóa học trong không khí, sau đó di chuyển, rồi tạo ra mưa axít làm tiêu trụi các cánh rừng,tiêu diệt các sinh vật trong ao hồ, gây tác hại to lớn cho sản xuất nông nghiệp Hiện tượng nàylúc đầu xuất hiện ở Bắc Âu, sau đó, liên tiếp xuất hiện ở khu vực Trung Âu cho đến tận khu vựcBắc Mỹ và gần đây đã xuất hiện ở cả những khu vực công nghiệp tập trung của Trung Quốc Táchại do ô nhiễm không khí đã vượt ra khỏi biên giới quốc gia và lan ra một khu vực rộng lớn Đốisách phòng chống hiện tượng này là cần phải có sự hợp tác của cộng đồng quốc tế.

+Sự nóng lên toàn cầu : Những loại khí như CO2,CH4, N2O thải ra trong quá trình đốtnhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân lớn nhất cho vấn đề ấm lên của Trái Đất

Hậu quả do “sự nóng lên toàn cầu” gây ra

 Thay đổi thời tiết có khả năng đưa tới bất ổn chính trị Hạn hán và hồng thủy liên tụcxảy ra khiến cho dân chúng tại nhiều địa phương phải bỏ nơi chôn rau cắt rốn dichuyển đi nơi khác Băng đá tan, tăng mức độ nước biển, gây ra lụt lội, lở đất dọctheo đại dương và giảm nước ngọt cần thiết cho mọi sinh vật

 Giông tố bão lụt tăng độ ẩm trên mặt đất

 Hạn hán gây thiệt hại canh tác, chăn nuôi

 Nhiều sinh vật quý hiếm sẽ bị tiêu diệt dần dần vì chúng không tồn tại được trongthời tiết quá nóng cũng như tăng độ acid trong nước biển

 Trong tương lai, sức nóng có thể tăng khí thải nhà kính bằng cách làm cho các khínày thoát ra khỏi nơi tích tụ dưới biển

 Ảnh hưởng của hâm nóng toàn cầu đối với sức khỏe con người là điều rất rõ TheoWHO, các bệnh gây ra do thay đổi khí hậu sẽ tăng lên gấp đôi vào thập niên 2030.Các sinh vật mang mầm bệnh như sốt rét, viêm não, sốt vàng da sẽ gia tăng vì chúnghợp với khí hậu nóng Khí hậu nóng lên tạo điều kiện tốt cho muỗi và vi khuẩn,những tác nhân gây bệnh sốt xuất huyết và viêm não ở người Thời gian lạnh sẽ thungắn nhưng thời gian nóng tăng, đưa tới nhiều tử vong vì say nóng Mùa hè năm

2003 tại Pháp với 14,842 tử vong vì nóng tới 40°C là một thí dụ Những người đang

có bệnh tim mạch mà gặp thời tiết nóng bức thì bệnh tình gia tăng vì tim phải làmviệc nhiều hơn để giữ cơ thể mát

 Ung thư ngoài da tăng vì tiếp cận quá nhiều với tia nắng mặt trời

 Một số nhà khoa học cho rằng, thời tiết nóng giúp cho sự tăng sinh của các loại tảo ởdưới nước, đặc biệt là khi nước bị ô nhiễm Từ đó một số bệnh truyền nhiễm nhưtiêu chảy sẽ xảy ra nhiều hơn

+Đối với con người:

Đioxit Sunfua (SO2): rất độc hại đối với sức khoẻ của người và sinh vật, gây ra các bệnh vềphổi khí phế quản SO2 trong không khí khi gặp oxy và nước tạo thành axit, tập trung trong nướcmưa gây ra hiện tượng mưa axit

Cacbon monoxit (CO): CO không độc với thực vật vì cây xanh có thể chuyển hoá CO thànhCO2 và sử dụng nó trong quá trình quang hợp Vì vậy, thảm thực vật được xem là tác nhân tựnhiên có tác dụng làm giảm ô nhiễm CO Khi con người ở trong không khí có nồng độ COkhoảng 250 ppm sẽ bị tử vong

Năng lượng hóa thạch là nguyên nhân dẫn đến các tranh chấp trên thế giới

 Tranh chấp khí đốt giữa Nga – Ukraine – EU

 Tranh chấp những giếng dầu và khí đốt trên vùng Trung Á giữa Mỹ, Tây Âu và Nga

 Tranh chấp những giếng dầu ở Trung Đông

 Tranh chấp khí tự nhiên và dầu giữa các quốc gia Mỹ, Canada, các nước Bắc Âu vàNga ở Bắc Cực

Chính những tranh chấp này dẫn đến bất ổn trên toàn thế giới và ảnh hưởng lớn đến hòa bình thếgiới

Ngoài ra, giá cả của những loại nhiên liệu hóa thạch cũng ngày càng tăng cao do sự gia tăngchóng mặt của nhu cầu năng lượng, sự khan hiếm, khó khai thác của chúng

3 Nhu cầu và tiềm năng của năng lượng tái tạo

Do đó, chính những lý do trên dẫn đến việc cần phải đi tìm những nguồn năng lượng khác dồidào hơn, đa dạng hơn, thân thiện hơn để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch này và các nguồnnăng lượng tái tạo là một lựa chọn hợp lý nhất

i Năng lượng tái tạo là gì

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩnmực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là táchmột 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

Trong cách nói thông thường, năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng haynhững phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là

vô hạn Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thànhcạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự táitạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còndiễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất

Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại vàđược biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau.Tùy theotrường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ

Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ táitạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóathạch) Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấpnăng lượng trong một thời gian gần như là vô tận Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượngliên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất Những quy trình này có thểcung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăngtrưởng Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụngtrong quá khứ Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sửdụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái.

Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đáhay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rấtnhiều Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại "vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứngnhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứngphân hạch) với các lò phản ứng tái sinh, khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium haythorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thìchúng không được tính vào loại năng lượng này

ii Các loại năng lượng tái tạo

 Nguồn gốc từ bức xạ của Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từMặt Trời đến Trái Đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phảnứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa Có thể trực tiếp thu lấynăng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trờithành 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, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời,hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệtnhư máy điều hòa Mặt Trời

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liênkết hóa học của các phản ứng quang hóa Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quanghợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệuhóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng Nócũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc

và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này

có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (dieselsinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh

ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được TráiĐất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên,chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy củanước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các côngtrình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời

là cối xay nước Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điệndùng dòng chảy của biển

Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió Trước khi máyphát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượnggió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển Chuyển động này có thể được tận dụng trongcác nhà máy điện dùng sóng biển Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn khôngkhí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời.Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày Sự chênh lệchnhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệtlượng của biển.

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó

đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứngnước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

 Nguồn gốc từ nhiệt năng của Trái Đất

Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua cácphản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng TráiĐất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòngTrái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng Trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ củaMặt Trời.

Địa nhiệt dù sao vẫn có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong cáclĩnh vực như:

• Nhà máy điện địa nhiệt

• Sưởi ấm địa nhiệt

 Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng

Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quántính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếuhơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất) Hình elipsoit này cố định so với đườngnối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trênmột điểm của bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều Sựnâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủytriều Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quaycủa Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía Mặt Trăng Thời gian kéo dài củahiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời

iii Tiềm năng của năng lượng tái tạo

Chúng ta đang sống giữa rất nhiều nguồn năng lượng sạch và vô tận – như mặt trời, gió, đạidương, thực vật, nguyên tử, lõi Trái đất – nhưng câu hỏi về công nghệ và tính kinh tế khi khaithác chúng đã giới hạn trí tưởng tượng của chúng ta Hiện nay chúng ta có thể khai thác cácnguồn năng lượng sạch sau :

Nhiên liệu sinh học:

Để có được các dạng nhiên liệu sinh học nguồn gốc từ dầu thực vật đòi hỏi phải có quá trìnhcanh tác và xử lý công phu Người ta thay đổi cấu trúc gen của các loại tảo để tận dụng lượngtinh dầu mà chúng liên tục tiết ra và sau đó lọc thành nhiên liệu thay thế Nhiên liệu sinh học cóthể được phân loại thành các nhóm chính như sau:

Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụngthay thế cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất từ một sốloại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện thông qua quá trìnhtransester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol

Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là mộtloại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol được chế biến thông qua quátrình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose Ethanol được pha chếvới tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sửdụng phụ gia chì truyền thống

Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm Methane và các đồng đẳng khác Biogas đượctạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose,tạo thành sản phẩm ở dạng khí Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas

từ sản phẩm dầu mỏ

Trước kia, nhiên liệu sinh học hoàn toàn không được chú trọng Hầu như đây chỉ là một loạinhiên liệu thay thế phụ, tận dụng ở quy mô nhỏ Tuy nhiên, sau khi xuất hiện tình trạng khủnghoảng nhiên liệu ở quy mô toàn cầu cũng như ý thức bảo vệ môi trường lên cao, nhiên liệu sinhhọc bắt đầu được chú ý phát triển ở quy mô lớn hơn do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loạinhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá ):

Thân thiện với môi trường: chúng có nguồn gốc từ thực vật, mà thực vật trong quá trình sinhtrưởng (quang hợp) lại sử dụng điôxít cácbon (là khí gây hiệu ứng nhà kính - một hiệu ứng vật

lý khiến Trái Đất nóng lên) nên được xem như không góp phần làm trái đất nóng lên

Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể táisinh Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống.Tuy nhiên, việc sản xuất cồn sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được cho làkhông bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực Khả năng sản xuất với quy mô lớn cũngcòn kém do nguồn cung cấp không ổn định vì phụ thuộc vào thời tiết và nông nghiệp Bên cạnh

đó, giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học vẫn cao hơn nhiều so với nhiên liệu truyền thống từ đóviệc ứng dụng và sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống chưa thể phổ biến rộng Tại thời điểm

hiện tại (2010), công nghệ sản xuất cồn sinh học từ các nguồn lignocellulose chưa đạt được hiệusuất cao và giá thành còn cao Theo ước tính trong sau khoảng 7-10 năm, công nghệ này sẽ đượchoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu sản xuất và thương mại Bên cạnh đó, khi nguồn nhiên liệutruyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học có khả năng là ứng cử viên thay thế.

Nhiệt hạch:

Nhiệt hạch hạt nhân - một phản ứng nguyên tử cung cấp năng lượng cho các vì sao - có thể được

sử dụng để tạo ra năng lượng sạch Đó là năng lượng tỏa ra trong phản ứng kết hợp hai hạt nhânnhẹ thành một hạt nhân nặng hơn, ví dụ Doteri + Triti tạo ra Heli Loại năng lượng này có ưuđiểm là nhẹ, có công suất lớn, nguyên liệu vô tận từ nước biển nhưng nó cũng có những trở ngạikhó khắc phục trong tương lai gần như nhiệt độ của phản ứng ở mức rất cao, khó điều chỉnh,thiết bị hết sức cồng kềnh Tuy nhiên nếu thành công thì đây có thể coi là nguồn năng lượng vôtận của con người

Địa nhiệt:

Có khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp0.3% nhu cầu điện toàn cầu Thêm vào đó, 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắpđặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khuvực

Năng lượng gió:

Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thải cácchất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiềnnhất Vì vậy việc hát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vàođường lối chính trị, thí dụ như thông qua việc hoàn trả thuế (PTC tại Hoa Kỳ), các mô hình hạnngạch hay đấu thầu (thí dụ như tại Anh, Ý) hay thông qua các hệ thống giá tối thiểu (thí dụ nhưĐức, Tây Ban Nha, Áo, Pháp, Bồ Đào Nha, Hy lạp) Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thếgiới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máydùng năng lượng gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại Tại Đức, Đan Mạch và TâyBan Nha việc phát triển năng lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằng quyếttâm chính trị Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này Côngnghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử dụng trên thịtrường nhiều hơn trong những năm vừa qua

Tổng lượng công xuất sản xuất trên thế giới vào năm 2009 là 159.2 GW, với 340 TWh nănglượng, xác nhận mức tăng trưởng 31% mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế tòancầu đang gặp nhiều khó khăn Theo thống kê trên thế giới, Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, ĐanMạch và Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất trên thế giới Chẳng hạnvào năm 2009, điện gió chiếm 8% tổng số điện xử dụng tại Đức; trong khi đó con số này lên đến14% ở Ai len và 11% tại Tây Ban Nha Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió nhất thế giới với côngxuất nhảy vọt từ 6 GW vào năm 2004 lên đến 35 GW vào 2009 và điện gió chiếm 2.4% tổng sốđiện tiêu dùng Trung Quốc và Ấn Độ cũng phát triễn nhanh về nguồn năng lượng sạch này với22.5 GW (Trung Quốc, 2009) và 10.9 25 GW (Ấn Độ, 2009)

Công xuất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫnđầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách xa so với các nước cònlại Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha, năng lượng gió phát triển liên tục trong nhiều năm qua

là nhờ sự nâng đỡ của chính phủ sở tại Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triểntại 3 quốc gia này Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha)

đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua

Công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện gió vào năm 2007 được nâng lên 94.112

MW Công suất này thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các vùng như chúng ta cóthể thấy trong bảng

Công suất định mức năng lượng gió của các nước trên thế giới năm 2007

Sự phát triển của công suất điện gió trên thế giới theo khu vực

Tình hình năng lượng gió ở Việt Nam

Tiềm năng gió của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu phát triển năng lượng gió là mộtcông việc cần thiết Sự nghiên cứu triển khai năng lượng gió ở Việt Nam đã đi những bước đầutiên Nhưng cơ bản sự phát triển năng lượng gió trong nước còn nhỏ lẻ, còn khá khiêm tốn sovới tiềm năng to lớn của Việt Nam Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án diện gió với dự kiến sảnxụất 20 GW Nguồn điện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được phân phối

và quản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam Trong thời gian qua (tháng 4 năm 2004), ViệtNam đã lắp đặt trạm năng lượng gió công suất 858KW trên đảo Bạch Long Vĩ do chính phù tàitrợ và các tổ máy được chế tạo bởi hãng Technology SA (Tây Ban Nha) Ngoài ra Trung TâmNăng Lượng Tái Tạo và Thiết Bị Nhiệt (RECTARE) Đại học Bách Khoa tp Hồ Chí Minh đã lắpđặt trên 800 tuốc bin gió trong hơn 40 tỉnh thành với sự tài trợ của Hiệp hội Việt Nam – Thụy Sĩtập trung nhiều nhất gần Nha Trang, trong đó có gần 140 tuốc bin gió đã hoạt động Ở Cần Giờthành phố Hồ Chí Minh với sự hỗ trợ của Pháp cũng đã lắp đặt được 50 tuốc bin gió Tuy nhiênnhững tuốc bin gió trên đều có công suất nhỏ khoảng vài KW mức độ thành công không cao vìkhông được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng yêu cầu

Tháng 8-2008 Fuhrlaender AG, một tập đoàn sản xuất tuốc bin gió hàng đầu của Đức đã bàngiao 5 tổ máy (cánh quạt gió) sản xuất điện gió đầu tiên cho dự án điện gió tại Tuy Phong, BìnhThuận với mỗi tổ máy có công suất 1.5MW (cũng xin ghi nhận nơi đây thời tiết ở Tuy Phong rấtkhô khan, nhưng có nhiều nắng vá gió Tốc độ gió trung bình ở đây là 6.7 m/s) Tổ máy đầu tiênđược lắp đặt vào tháng 11-2008 và chính thức hòan thành kết nối vào điện lưới quốc gia vàotháng 8 năm 2009 (xem Hình 3)

Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở xã Bình Thạnh, huyện TuyPhong, tỉnh Bình Thuận Chiều cao của mỗi cái tháp là 103.75 m và đường kính của cánh quạt là

37.5 m

Tòan bộ thiết bị của 15 tổ máy còn lại của giai đọan 1 sẽ được hòan thành trong thời gian sắp tới

để hòan tất việc lắp đặt toàn bộ 20 tổ máy cho giai đọan 1 Tổng công suất của nhà máy điện giótại Bình Thuận trong giai đoạn này là 30MW do Công Ty Cổ Phần Năng Lượng Tái Ttạo ViệtNam (REVN) làm chủ đầu tư Thời gian hoạt động của dự án là 49 năm Nhà máy được xây

dựng trên diện tích 328ha Theo kế hoạch giai đoạn 2 sẽ mở rộng sau đó với công suất lên120MW.

Tháng 10-2008 tại Hà Nội đã diễn ra lễ ký kết giữa Tổng Công Ty Điện Lực Dầu Khí Việt Nam(PV Power) thuộc Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam và Tập Đoàn Luyện Kim của ArgentinaIndustrias Metallurgica Pescamona S.A.I.yF (IMPSA) thỏa thuận chi tiết về việc sản suất và pháttriển các dự án điện gió và thủy điện tại Việt Nam Hai bên đã đồng ý góp vốn để kinh doanh vàthương mại hóa tuốc bin gió, phát triển và quản lý các dự án điện gió, cung cấp các dịch vụ bảotrì, sửa chữa các thiết bị điện gió ở Việt Nam Hai bên cũng đã kí thỏa thuận hợp tác triển khainhà máy điện gió công suất 1 GW trên diện tích 10.000 ha nằm cách xã Hòa Thắng huyện BắcBình tỉnh Bình Thuận khoảng 6 km về hướng đông bắc Nhà máy sẽ được lắp đặt tuốc bin gióIMPESA Unipower IWP –Class II công suất 2,1MW các tổ máy gồm nhiều tuốc bin gió chophép sản xuất 5,5Gwh/năm Dự kiến tổng vốn đầu tư cho dự án là 2,35 tỷ USD trong 5 năm Haibên cũng thỏa thuẩn về dự án sản suất tuốc bin gió công suất 2MW có sải cánh quạt dài 80m choViệt Nam và cho xuất khẩu

Những đế án khác chẳng hạn như: (i) Phương Mai - Quy-Nhơn với công xuất 2.5 MW do chuyênviên tập đòan Avantis Energy Group; (ii) hai đề án với công xuất 150 MW & 80 MW tại tỉnhLâm Đồng đang được tích cực triễn khai; (iii) Công ty Thụy Sĩ Aerogie Plus Solution AG lắp đặtnhà máy điện gió có công xuất 7.5 MW kết hợp với động cơ diesel tại Côn Đảo , tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu

Năng lượng mặt trời:

Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng do nhu cầu và những tiến

bộ kĩ thuật trong việc sử dụng năng lượng mặt trời Sản lượng điện mặt trời tăng 48% một năm

kể từ 2002, nghĩa là cứ hai năm lại tăng gấp đôi và đã giúp ngành năng lượng này đạt tốc độ tăngtrưởng cao nhất thế giới Dữ liệu đến hết năm 2007 cho biết toàn thế giới đạt 12400 MW côngsuất điện mặt trời trong đó khoảng 90% hòa vào mạng lưới điện chung, còn lại được lắp trêntường hay mái của nhiều tòa nhà gọi là hệ thống tích hơp điện mặt trời cho tòa nhà Nhiều ưu đãitài chính như trợ thuế đã giúp ngành điện mặt trời ở một vài nước như Đức, Nhật, Israel, Hoa

Kỳ, Úc phát triển nhanh chóng

Biểu đồ công suất điện mặt trời trên thế giới

Sản lượng điện mặt trời của một số quốc gia

Tình hình năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiềunhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới Đó là cơ sở rất lớn để đất nước chúng taphát triển ngành công nghiệp điện mặt trời

Một số dự án điện mặt trời đã được lắp đặt tại Việt Nam:

Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tòa nhà Bộ Công Thương Dự án cócông suất 12kWp gồm 52module x 230Wp.Sử dụng pin của hãng SolarWorld Do CHLB Đức tàitrợ, công ty Altus của Đức và Trung tâm Năng lượng mới ĐHBK Hà Nội kết hợp triển khai

Dự án Phát điện hỗn hợp Pin mặt trời- Diesel ở thôn Bãi Hương, Cù Lao Chàm, Quảng Nam Dự

án gồm có 166 tấm pin mặt trời công suất 28KW và 2 máy phát có tổng công suất 20KW do

Công ty Systech lắp đặt Tổng vốn đầu tư 412.000USD trong đó chính phủ Thụy Điển tài trợ

332.000USD, còn lại do tỉnh Quảng Nam đầu tư

Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình Tổng công suất 154KW

Pin mặt trời cho các đảo Trường Sa Trên quần đảo hiện có tới 4.093 tấm pin mặt trời 220wp Dự

án thử nghiệm “Ứng dụng năng lượng mặt trời và năng lượng gió cung cấp điện cho quần đảoTrường Sa” Dự án được thực hiện trong thời gian 24 tháng với tổng kinh phí đầu tư 5,8 tỷ đồng

Vì những ưu điểm và tiềm năng của năng lượng gió và năng lượng mặt trời, trong tài liệu nàychúng ta sẽ đi sâu phân tích hai loại năng lượng trên

4 Năng lượng mặt trời

i Mặt Trời và Trái Đất

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đườngkính trái đất),cách xa trái đất 150.106km (ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt quakhoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng M0 =2.1030kg Nhiệt độ T0 trung tâmmặt trời thay đổi trong khoảng từ10.106K đến 20.106K, nhiệt độ trung bình khoảng

15600000 K Với nhiệt độ này vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồmcác nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyểnđộng tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do va chạm với nhau sẽ xuất hiện những

vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy đượccủa mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng

mặt trời Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng

lồ Vùng giữa gọi là nhân hay“lõi”có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứngnhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km,khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảnghàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược”qua đónăng lượng truyền từ trong ra ngoài,vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi(Ca), nát tri(Na),stronti (Sr),crôm (Cr),kền (Ni),cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He),chiều dày vùng này khoảng 400.000

Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu”có nhiệt độ khoảng 6000K,

dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy cónhiệt độ thấp khoảng 4500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000 -10000 0K

Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là“khí quyển” của mặt trời Nhiệt độ bề mặt của mặt

trời khoảng 5762 0K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kíchthích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh

thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình

thường và các cấu trúc phân tử Dựa trên cơ

sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của

mặt trời người ta xác định được rằng trên

mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy

trên trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên

mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất : Hydro Vật

chất của mặt trời bao gồm khoảng 92,1% là

Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các

nguyên tố khác Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổnghợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli Hạt nhân của Hydro có một hạtmang điện dương là proton, thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ởnhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở mộtkhoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạtnhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 neutrino và một lượng bức xạ γ

4H11 →He24 + 2 Neutrino + γNeutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn Sau phản ứngcác Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các “biến cố” sauđó

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị mất đi Khốilượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm khoang 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiêncứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngàymặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024kWh (tức làchưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương vớitổng số điện năng sản xuất trong một năm trên trái đất)

Trái đất là hành tinh thứ ba tính từ Mặt trời, đồng thời cũng là hành tinh lớn nhất trong các hành

tinh đất đá của hệ Mặt trời xét về bán kính, khối lượng và mật độ vật chất Trái đất còn được biếttên với các tên “thế giới”, “hành tinh xanh” hay “Địa cầu”, là của hàng triệu loài sinh vật, trong

đó có con người và cho đến nay là nơi duy nhất trong vũ trụ được biết đến là có sự sống Hànhtinh này hình thành cách đây 4,55 tỷ năm và sự sống xuất hiện trên bề mặt của nó khoảng 1 tỷnăm trước

Hình dạng của Trái Đất rất gần với hình phỏng cầu là hình cầu bị nén dọc theo hướng từ địa cựctới chỗ phình ra ở xích đạo Phần phình ra này là kết quả của quá trình tự quay và khiến cho độdài đường kính tại đường xích đạo dài hơn 43 km so với độ dài đường kính tính từ cực tới cực

Độ dài đường kính trung bình của hình phỏng cầu tham chiếu vào khoảng 12.745 km, xấp xỉ với40.000 km/π, mét được định nghĩa bằng 1/10.000.000 khoảng cách từ xích đạo đến cực Bắc đoqua Paris, Pháp

Phần bên trong của Trái Đất, giống như của các hành tinh có đất đá khác, về mặt hóa học đượcchia thành lớp vỏ ngoài rắn là các loại hợp chất silic, lớp phủ có độ nhớt cao, lớp lõi ngoài lỏng

có độ nhớt thấp hơn lớp phủ, lớp lõi trong rắn Lớp lõi ngoài lỏng tạo ra từ trường yếu vì sự đốilưu của các vật chất dẫn điện của lớp này.Các vật chất mới thường xuyên tìm kiếm đường ra bềmặt thông qua các núi lửa và các vết đứt gẫy ở đáy đại dương ( thuyết trôi dạt lục địa) Phần lớnlớp vỏ ngoài nhỏ hơn 100 triệu (1×108) năm tuổi; những phần già nhất của lớp vỏ ngoài vàokhoảng 4,4 tỷ (4,4×109) năm tuổi

Hình: Cấu tạo bên trong trái đất

Về cấu tạo, bên trong Trái đất được chia làm 4 lớp.Trong cùng là nhân trong, có bán kính r ≤

1300 km, nhiệt độ T ≥ 4000 K, gồm Sắt và Niken bị nén cứng Tiếp theo là nhân ngoài, có r ϵ

(1300 ÷ 3500)km , nhiệt độ T ϵ ( 2000 ÷ 4000 )K, gồm Sắt và Niken lỏng Kế tiếp là lớp magmalỏng, chủ yếu gồm SiO và Sắt, có r ϵ ( 3500 ÷ 6350 )km , nhiệt độ T ϵ ( 1000 ÷ 2000 )K Ngoàicùng là lớp vỏ cứng dày trung bình 25 km, có nhiệt độ T ϵ ( 300 ÷ 1000 )0K, chủ yếu gồm SiO và

H2O Lớp vỏ gồm 7 mảng lớn và hơn 100 mảng nhỏ ghép lại, chúng trôi trượt và va đập nhau,gây ra động đất và núi lửa, làm thay đổi địa hình

Khí quyển trái đất:

Khí quyển trái đất là một lớp các chất khí bao quoanh Trái đất và được giử lại bởi lực hấp dẫncủa trái đất Chiều dày khí quyển khoảng 800 km bao gồm nitơ (78,1% theo thể tích) và ôxy(20,9%), với một lượng nhỏ agon (0,9%), điôxít cacbon (dao động, khoảng 0,035%), hơi nước vàmột số chất khí khác Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng cách hấp thụ các bức

xạ tia cực tím của mặt trời và tạo ra sự thay đổi về nhiệt độ giữa ngày và đêm

Khí quyển của trái đất có thể chia làm 4 tầng:

Tầng dưới cùng nhất gọi là tầng đối lưu, gần 95 % tổng khối lượng nước trong khí quyển phân

bố ở đây Nó có chiều dày chỉ khoảng 14 km, gần như toàn bộ sự trao đổi năng lượng xãy ratrong tầng này Trái đất được hâm nóng lên nhờ ánh sáng mặt trời, nhiệt độ trung bình trên bềmặt Trái đất khoảng 15 0C Không khí trong tầng đối lưu chuyển động theo chiều thẳng đứng vànằm ngang rất mạnh làm cho nước thay đổi cả 3 trạng thái, gây ra hàng loạt quá trình thay đổivật lý Những hiện tượng mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương giá, sương mù đều diễn ra ở tầng đốilưu

Tiếp theo tầng đối lưu là tầng bình lưu, tại đây nhiệt độ bắt đầu tăng Nhiệt độ giữa vùng chuyểntiếp giữa vùng đối lưu và vùng bình lưu khoảng -500C, càng lên cao nhiệt độ càng tăng Tại ranhgiới của vùng bình lưu ở độ cao khoảng 50 km nhiệt độ ở khoảng 0 0C Nguyên nhân gây ra hiệntượng này là do các phân tử oxy (O2) và ozon (O3) hấp thụ một phần tia cực tím đến từ mặt trời

Do vậy, nếu không có sự ngăn cản này các sinh vật trên trái đất sẽ bị hủy diệt Tuy nhiên, nhữnghoạt động của con người đã đẩy sự sống trên trái đất vào tình trạng nguy hiểm

Trong tầng giữa, có độ cao từ 50 km trở lên đến độ cao khoảng 80 km nhiệt độ chỉ khoảng -90

0C

Càng lên cao nhiệt độ tăng trở lại và sự cấu tạo của khí quyển hầu như thay đổi hoàn toàn Nhiệtlượng bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion và electron Vìthế người ta gọi tầng này là tầng điện ly, các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này

Càng lên cao, bức xạ mặt trời càng mạnh, ở độ cao khoảng 600 km nhiệt độ lên đến 1000 0C.Càng lên cao khí quyển càng mỏng và không có một ranh giới rõ ràng phân biệt giữa khí quyểntrái đất và không gian Các nhà khoa học thống nhất rằng khí quyển chuẩn của trái đất có độ cao

800 km Tại đây, do bức xạ môi trường nhiều phản ứng hóa học xảy ra đối với ôxy, nitơ, hơinước, CO2 chúng bị phân tách thành các nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion như NO+,O+, O2+, NO3-, NO2- và nhiều hạt bị ion hóa phóng xạ sóng điện từ khi hấp thụ các tia mặttrời vùng tử ngoại xa

Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của khí quyển

ii Bức xạ Mặt Trời

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ratrong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vậtchất mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và

chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 2.1), từ tâm

mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứngvới bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dàihơn Gần đến bề mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng tháinguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong

đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 101 - 10 μm và hầu như một nửa tổng năng lượngm và hầu như một nửa tổng năng lượngmặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78μm và hầu như một nửa tổng năng lượngm (đó là vùng ánh sáng khả kiến)

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạbởi tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếptới Trái đất Đầu tiên oxi phân tử bình thường O2 phân ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liênkết phân tử đó, cần phải có proton bước sóng ngắn hơn 0,18μm và hầu như một nửa tổng năng lượngm, do đó proton (xem bức xạ nhưcác hạt rời rạc - proton) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên

tử oxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử oxykhác để tạo thành phân tử ozon O3, ozon cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấphơn so với oxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32 μm và hầu như một nửa tổng năng lượngm, sự phân tách O3

thành O2 và O xảy ra Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng đểduy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là một quá trình ổn định Do quá trìnhnày khi đi qua khí quyển bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác vớicác phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đócác photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ.Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ cácphần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầutrời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rấtmạnh bức xạ mặt trời, bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó

là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấpthụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất trong những ngày quang đãng (không

có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000 W/m2

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ Mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãngđường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụbức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự

nghiêng của trục Trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra Góc nghiêngvào khoảng 66,550 và đó là nguyên nhân làm cho độ dài ngày tại mỗi vùng và mỗi thời điểmtrong năm là khác nhau.

iii Năng lượng Mặt Trời

Có nhiều cách để sử dụng nguồn năng lượng của Mặt Trời như nhiệt điện Mặt Trời, bếp MặtTrời, thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng Mặt Trời, lá cây nhân tạo, pin MặtTrời nhưng phổ biến, tiện lợi và có tiềm năng lớn nhất là pin Mặt Trời

a) Nhà máy nhiệt điện Mặt trời :

Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằngmột hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động chomáy phát điện

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại hệ thống bộ thuchủ yếu sau đây:

 Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọctheo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC

 Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theophương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt

độ có thể đạt tới trên 15000C

 Tháp năng lượng Mặt trời Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theophương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm củagương, nhiệt độ có thể đạt trên 15000C

Hiện nay người ta còn dùng năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “tháp năng lượng mặttrời - Solar power tower “ Australia đang tiến hành dự án xây dựng một tháp năng lượng mặttrời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng công suất 200 MW Dự tính rằng đến năm 2006 thápnăng lượng mặt trời này sẽ cung cấp điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia đình ở miền tâynam New South Wales - Australia, và sẽ giảm được 700.000 tấn khí gây hiệu ứng nhà kính trongmỗi năm Tuy nhiên, khả năng thu được năng lượng mặt trời bằng nhà máy nhiệt điện đối vớinước ta là rất thấp Hy vọng rằng trong lượng lai không xa nữa chúng ta có thể tận dụng đượcnguồn năng lượng được xem như là vô hạn này

Nhà máy nhiệt điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

b) Bếp Mặt Trời

Nguyên tắc sử dụng năng lượng mặt trời để nấu thức ăn đã được con người sử dụng từ rất lâu.Các công nghệ làm bếp dùng năng lượng mặt trời đã có những thay đổi và phát triển Hiện naybếp được sử dụng phổ biến dưới 2 loại đó là bếp hình hộp và bếp parabol

Bếp năng lượng mặt trời được sử dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều năng lượng mặt trời, khanhiếm củi đốt, giá thành nhiên liệu cao như các nước ở châu phi, các khu vực vùng sâu vùng xa

của các nước đang phát triển Hiện nay bếp năng lượng mặt trời còn được sử dụng ngày càngnhiều đối với các dân cư và khách du lịch.

Ở Việt Nam bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến Năm 2000, trung tâmnghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới thuộc trường đại học bách khoa Đà Nẵng đã phốihợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan để triển khai dự án (30.000 USD/năm) đưa bếp sử dụngnăng lượng mặt trời sử dụng ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, NinhThuận Dự án đã phát triển rất tốt và càng được đông dảo người dân ủng hộ Hiện nay dự án đãcung cấp được trên 1000 bếp hình hộp và trên 200 bếp parabol cho những người dân nghèo nôngthôn

Bếp hinh hộp: Cấu tạo của bếp như hình vẽ Trong đó hộp bảo vệ (1) được làm bằng gỗ (có thểlàm bằng tôn), tiết diện ngang có thể hình vuông hoặc hình tròn, mặt phẳng phản xạ bên trong(2) được làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc inox), đánh bóng nhẵn để có độ phản xạ cao.Biên dang của mặt phản xạ là tổ hợp của các mặt parabol tròn xoay như hình vẽ để có thể nhậnánh sáng từ mặt trời và từ gương phản xạ (5)

Nồi chứa thức ăn (3) là nồi nấu bình thường bên ngoài được sơn màu đen (chọn loại sơn có độhấp thụ cao) để có thể hấp thu ánh sáng tốt, dung tích của nồi tùy thuộc vào 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 độtrong suốt cao để có thể cho ánh sáng xuyên qua tốt, thường được chế tạo bằng tấm kính trong có

1-Hộp bảo vệ bên ngoài2-Mặt phản xạ bên trong3-Nồi chứa thức ăn4-Tấm kính trong5-Gương phản xạ6-Trục xoay7-Vật liệu cách nhiệt8-Đế đặt nồi

chiều dày 2-3mm, tấm kính này có tác dụng tạo “lồng kính” và giảm tổn thất nhiệt khi nấu.Gương phản xạ (5) là tấm gương có độ phản xạ ánh sáng cao, gương có thể xoay quanh trụcxoay (6) để hướng chùm tia phản xạ từ gương vào nồi, phía sau gương có tấm bảo vệ và cũng lànắp đậy của bếp khi không sử dụng Lớp vật liệu cách nhiệt (7) là thông thủy tinh cách nhiệt(hoặc có thể dùng bất kì vật liệu cách nhiệt nào

như rơm rạ thậm chí để ko chỉ có không khí nhưng

phải kín) nhằm giảm mất mát nhiệt khi nấu Để

đặt nồi (8) nhằm mục đích ngăn cách giữa nồi và

các bộ phận khác của bếp để giảm mất mát nhiệt

khi nấu, nên để đặt nồi có thể là một tấm bông

thủy tinh dạng ép cứng, tấm Amiăng hoặc bất kì

vật liệu gì nhưng chịu được nhiệt độ ( đến 4000C)

và cách nhiệt

Cách sử dụng bếp : Với loại bếp nấu hình hộp

thường được dùng để nấu nước hoặc thức ăn cần

nhiệt độ dưới 1200C như nấu canh, luộc

rau, trước lúc nấu ta cần chuẩn bị thức ăn cho trước vào nồi và đậy nắp lại, đặt nồi vào trongbếp trên đế đặt nồi, đậy hệ thống tấm kính trong gương phản xạ lên trên (chậu nhôm), dịchchuyển bếp và điều chỉnh góc nghiêng của gương phản xạ sao cho nồi có thể nhận được nhiềuánh sáng nhất Tùy theo kích thước của bếp và dung lượng của thức ăn trong nồi mà sau thờigian khoảng 60 : 90 phút cơm hoặc thức ăn sẽ chín.Trong quá trình nấu nếu có thời gian thìchúng ta xê dịch bếp để có thể nhận được ánh sáng nhiều nhất thì thời gian nấu sẽ nhanh hơn.Bếp parabol:

Đế đặt nồi (1) làm bằng khung kim loại dẫn nhiệt tốt,đế được gắn với hệ thống chân đỡ (nhưngcách nhiệt với hệ thống chân đỡ), đế đặt nồi có thể thay đổi vị trí Nồi thức ăn (2) là nồi nấu bìnhthường bên ngoài được sơn màu đen (chọn loại sơn có độ hấp thụ cao) để có thể hấp thụ ánhsáng tốt khi cần nướng (thịt, cá ) thì có thể thay bằng tấm lưới inox, dung tích của nồi tùy thuộcvào dung tích của bếp và tùy thuộc vào thời gian chúng ta nấu chín thức ăn Mặt phản xạ (3)làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc inox) đánh bóng nhẵn để có độ phản xạ cao Biêndạng của mặt phản xạ là dạng parabol tròn xoay được gá đỡ dựa vào khung như hình vẽ để có thểnhận ánh sáng từ mặt trời Khung đỡ (4) làm bằng kim loại,nhựa hoặc gỗ có biên dạng là mặtparabol tròn xoay để có thể gá phản xạ lên trên khung, khung được chế tạo sao cho có thể tháolăp dễ dàng Thanh chống điều chỉnh (5) làm bằng kim loại hoặc gỗ cứng để điều chỉnh chảoparabol xoay quanh một trục nằm ngang Hệ thống chân đỡ (6) làm bằng kim loại, nhựa hoặc gỗ

có thể dễ dàng tháo gỡ hoặc xếp gọn Hệ thống chân đỡ được đặt trên 4 bánh xe để có thể dichuyển và xoay theo hướng mặt trời

c) Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng Mặt Trời:

Tủ lạnh dùng năng lượng mặt trời

Các hệ thống lạnh sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bịnày ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưađược thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùngtrong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tíchlắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế Ở Việt Nam cũng đã có một số nhàkhoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có

gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao

để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng

Hệ thống như sau: Hệ thống tủ lạnh hấp phụ dùng NLMT bao gồm thiết bị hấp thụ năng lượngbức xạ mặt trời, trong đó có chứa than hoạt tính, thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí đốilưu tự nhiên và thiết bị bay hơi thiết kế để có thể làm đá, chứa thực phẩm cần bảo quản Ngoài racòn có van chặn bình chứa môi chất lỏng và van tiết lưu Máy lạnh hấp phụ NLMT thường làmviệc theo kiểu gián đoạn

Thiết bị bay hơi

Thiết bị ngưng

tụ

Bức xạ Mặt trời

Van chặn

Van tiết lưu

Vào ban ngày ta phải mở van chặn, đóng van tiết lưu Trong giai đoạn này, dưới tác động của cáctia bức xạ mặt trời, tác nhân lạnh sẽ bốc hơi khỏi than hoạt tính và được ngưng tụ trong thiết bịngưng tụ và chứa tại bình chứa Vào cuối giai đoạn tích trử tác nhân lạnh, van chặn nên đượcđóng lại

Vào ban đêm xảy ra quá trình làm lạnh, khi nhiệt độ của hệ thống giảm, than hoạt tính làm nhiệm

vụ hấp phụ môi chất lạnh (methanol), áp suất môi chất trong hệ thống giảm xuống, khi áp suấtđạt đến áp suất bay hơi thì mở van tiết lưu Môi chất lạnh sẽ được tiết lưu vào thiết bị bay hơi,thu nhiệt sản phẩm và bay hơi, hơi môi chất được than hoạt tinh hấp phụ hết Trong giai đoạnnày cần phải chú ý để thiết bị hấp thụ được giải nhiệt dễ dàng vì hấp phụ là quá trình sinh nhiệt

2

4

3P

T

Ta1 Tg1 Ta2

Po Pk

Quá trình giải nhiệt và làm lạnh:

3-4 Quá trình giải nhiệt của bộ thu (sau khi môi chất lạnh đã ngưng tụ hết vào bìnhchứa) áp suất và nhiệt độ trong hệ thống giảm đến po và Ta1

4-1 Quá trình bay hơi của môi chất lạnh trong thiết bị bay hơi, hơi môi chất được thanhoạt tính hấp phụ hết nên áp suất hệ thống hầu như không đổi Po, nhiệt độ hơi môi chất trước lúc

bị hấp phụ giảm dần đến nhiệt độ Ta2

d) Pin mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị chuyển hóa trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng Các pin nănglượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trongmạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, cácmáy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module

hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộchuyển đổi của mạng lưới điện.

Hệ thống pin mặt trời được cấu tạo bởi những bộ phận chính như sau:

 Nguồn điện là các tấm pin năng lượng mặt trời Đến lượt các tấm pin lại được tạo nên từnhững tế bào nhỏ có tác dụng biến đổi năng lượng ánh sang mặt trời thành dòng điện.Chúng có điện áp 12V, có nhiều loại công suất: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp,100Wp, 125Wp, 150Wp

 Bộ điều khiển để điều chỉnh dòng điên của pin

 Acquy để tích trữ năng lượng điện

 Bộ đổi điện DC-AC có tác dụng biến đổi dòng một chiều của pin và acquy thành dòngxoay chiều (110-220 V, công suất khoảng 0,3-10 kVA) mà các thiết bị thông thường sửdụng hoặc để hòa vào lưới điện

 Phụ tải là các thiết bị tiêu thụ

Chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu chi tiết về từng bộ phận của hệ thống này

I Pin quang điện

 Chất bán dẫn

Để tìm hiểu về pin mặt trời chúng ta cần có những hiểu

biết sơ lược về chất bán dẫn và các tính chất của

chúng.Trong hệ thống bảng tuần hoàn Silic (Si) có số

thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 Các điện tử của nó được sắp

xếp vào 3 lớp vỏ 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi

10 điện tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được

lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2 Điều này làm

nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của

nó với các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh

thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để

lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững) Tinh

thể Si 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 Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết

động nghĩa với việc chúng dẫn điện Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silic người tathường pha tạp chất vào trong đó.

Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phầntriệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện

tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tántrong mạng tinh thể

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằngcác điện tử tự do Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử boron (B) chỉ

có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếubằng các lỗ trống

Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gầnmặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N đến bán dẫn loại P và lấp các

lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này Các điện tử tự do của bán dẫn N không chạy hết sang bándẫn P Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điệndương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điệntrái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từbán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có e hay lỗ trống tự

do Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn Điện trường tạo ra ở bề mặttiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều, ở đây là từ bán dẫn loại P sang bándẫn loại N, dòng điện tử sẽ không được phép chạy theo hướng ngược lại