GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG tái tạo

Các nguồn năng lượng tái tạo được chú ý nhất hiện nay bao gồm: -Năng lượng mặt trời: là nguồn năng lượng do bức xạ mặt trời chiếu đến mặt đất, có thể thu lại và chuyển hóa dưới dạng nhiệ

1.3 Sử dụng nhiệt năng mặt trời

1.4 Năng lượng tái tạo và Việt Nam

11

27

51

52

Chương 2: Năng Lương Gió

2.1 Gió và tài nguyên gió

2.2 Ứng dụng năng lượng gió

2.3 Cấu tạo tua bin điện gió

2.4 Tính toán tua bin điện gió

2.5 Nhà máy điện gió

2.6 Năng lượng gió và Việt Nam

2.7 Ảnh hưởng điện gió đến môi trường

3.2 Các nguồn sinh khối

3.3 Sử dụng năng lượng sinh khối truyền thống sản xuất điện và nhiệt

năng

3.4 Sử dụng sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học

3.5 Năng lượng sinh khối và Việt nam

Chương 4: Năng Lương Địa Nhiệt

4.1 Các nguồn năng lượng địa nhiệt

4.2 Sử dụng các nguồn năng lượng địa nhiệt sản xuất Điện năng

4.3 Nguồn năng lượng địa nhiệt tầng nông

4.4 Năng lượng địa nhiệt tại Việt Nam

4.5 Ảnh hưởng về môi trường

5.2 Năng lượng sóng biển

5.3 Năng lượng thủy triều

54.Tiềm năng năng lượng của biển và Việt Nam

178 183

Chương 6 : Hydro và Tích trữ Năng Lương Tái Tạo

6.1 Các phương pháp tích trử năng lượng tái tạo

6.2 Hydro chất mang năng lượng đặc biệt

6.3 Tích trử, cung cấp và vận chuyển hydro

6.4 Sản xuất hydro từ nước bằng NLTT

6.5 Thiết bị và công nghệ sản xuất hydro

6.6 Một số ứng dụng sản xuất điện năng bằng hydro

6.7 Triễn vọng sản xuất hydro bằng NLTT

BÀI MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

1.Khái niệm về năng lượng tái tạo (NLTT)

Tổng tiêu thụ năng lượng của con người trên thế giới hiện tại (tính tổng cộng tất cả các loại năng lượng như dầu hỏa, than đá, thủy điện, v.v.) khoảng 15 nghìn tỷ Watt Trong số 15 nghìn tỷ Watt công suất năng lượng mà con người đang dùng, thì

có đến 37% là từ dầu hỏa, 25% là than đá, và 23% là khí đốt (tổng cộng ba thứ này

đã đến 85%), là những nguồn năng lượng cạn kiệt nhanh chóng và không phục hồi lại được Với tốc độ khai thác hiện tại, thì các nguồn năng lượng hóa thạch sẽ gần như hết đi trong thế kỷ 21 Tương lai năng lượng của thế giới không thể nằm ở những nguồn này, mà phải nằm ở những nguồn năng lượng tái tạo (renewable energy) Với

sự phân tích đó cho thấy năng lượng tái tạo chính là nguồn năng lượng mới có tiềm năng phát triển to lớn, đảm bảo cho sự ổn định về cung ứng cho nhu cầu, cho sự phát triển bền vửng, không phá hoại môi trường và không gây ra việc biến đổi khí hậu Khai thác nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp cứu cánh cho thách thức khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh:là năng lượng thu được từ những

nguồn liên tục được xem là vô hạn

Các nguồn năng lượng tái tạo được chú ý nhất hiện nay bao gồm:

-Năng lượng mặt trời: là nguồn năng lượng do bức xạ mặt trời chiếu đến mặt đất, có thể thu lại và chuyển hóa dưới dạng nhiệt năng hay điện năng

-Năng lượng gió: là năng lượng của gió thổi trong khí quyển mà người ta có thể chuyển háo thành cơ năng, điện năng nhờ vào tua-bin gió;

-Năng lượng sinh khối: là năng lượng thu được từ việc đốt cháy các vật thể sống ,các chất thải trong nông nghiệp, phế thải chưn nuôi, rác thải sinh hoạt, rác thải đô thị…Ngoài việc đốt người ta còn có thể chuyển hóa chúng thành nhiên liệu khí, lỏng để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch

-Năng lượng địa nhiệt: là năng lượng có được từ việc khai thác và chuyển hóa các các vùng có nhiệt độ cao trong các địa tầng trong lòng đất Nhiệt lượng đó là kết quả của các phản ứng hạt nhân xẩy ra thường xuyên trong lòng trái đất

-Năng lượng nước: là năng lượng có thể chuyển hóa được từ động năng chuyển động của nước thành điện năng Năng lượng nước gồm có :

Năng lượng nước sông, sự chuyển hóa là dựa vào thế năng của nước dự trữ trong các hồ chứa khi nước chảy qua tua-bin ,thế năng của nước tạo ra động năng, điện năng

Năng lượng nước đại dương: là năng lượng của sóng biển, thủy triều, hải lưu được chuyển hóa thành điện năng nhờ hệ thống thu và chuyển hóa năng lượng

2 Đặc điểm chung của các nguồn NLTT

a) Tính ổn định, bền vững

Nguồn năng lượng hóa thạch phân bố không đều, một số vùng có nhiều dầu khí như Trung đông, các nước Ả rập… trong khi nhiều nước không có nguồn năng lượng này Năng lượng tái tạo như mặt trời, gió có mặt trên khắp trái đất Khi quả đất còn tồn tại thì nguồn năng lượng tái tạo còn tồn tại Do đó tạo ra sự ổn định năng lượng cho con người và đồng đều khắp trái đất

b) Tính sạch không gây ô nhiễm môi trường

Trong các loại năng lượng tái tạo, thì chỉ có năng lượng sinh khối là có phát thải khí CO2, tuy nhiên các nguồn nhiên liệu sinh học đều có gốc từ thực vật, nên trong quá trình phát triển của nó đã sử dung khí CO2 trong khí quyển để quang hợp, vì vậy có thể coi là có sự cân bằng CO2 và không có sự bổ sung CO2 vào bầu khí quyển

c) Tích trữ, chuyển hóa

Ngoài năng lượng địa nhiệt thì các dang năng lượng tái tạo còn lại đều có tính không đều và phân tán, vì vậy cần thiết phải có sự tích trữ để đảm bảo sử dụng có hiệu quả vào sản xuất và đời sống

d) Giá thành

Dự báo về sự phát triễn năng lượng tái tạo và năng lượng hóa thạch thế giới trong 20 năm từ 2010-2030 thể hiện qua biểu đồ 0.2 Qua đấy ta thấy sự phát triển vượt trội của năng lượng tái tạo trong thế kỹ 21

Hình 0.2: Biểu đồ dự báo tĩ lệ phát triển năng lượng trong giai đoạn 2010-2030( nguồn Bloomberg 15/4/2015); đơn vị tĩ MWh

b) Sự phát triễn năng lượng tái tạo ở Việt nam

-Về thiết bị NLTT: Việt Nam cũng như trên thế giới thì các thiết bị năng lượng tái tạo có năng lượng gió ,thủy điện và năng lượng sinh khối đã xem như công nghệ đã hoàn thiện, giá thành điện thương phẩm đã có thể cạnh tranh với năng lượng hóa thạch Các dạng năng lượng còn phải cần phát triển công nghệ hơn nữa

-Về tác động của nhà nước: Trong quá trình phát triển NLTT cần thiết có sự hổ trợ của nhà nước về chính sách ưu đãi, và các chỉ tiêu phát triển ngắn, dài hạn Trong

đó việc ưu đãi để phát triển thiết bị, công nghệ, việc đánh thuế phát thải cacbon cho nhiên liệu hóa thạch cũng là biện pháp khuyến khích phát triển NLTT

-Tăng dần tĩ lệ NLTT trong sản xuất điện, nhiệt năng

-Tăng việc sử dụng nhiên liệu sinh học cho các phương tiện giao thông vận tải Theo các nghiên cứu, đánh giá, các nguồn năng lượng tái tạo có nguồn tài nguyên lớn nhất và tiềm năng phát triển ở Việt Nam là thủy điện, năng lượng gió, mặt trời và địa nhiệt

Tổng tiềm năng kỹ thuật thủy điện vào khoảng 120 tỉ kWh, với công suất tương ứng khoảng 25.000-30.000 MW; năng lượng sinh khối (chất thải nông nghiệp, chăn nuôi ) có tiềm năng khoảng 58 triệu Toe; năng lượng gió có thể phát triển khoảng 20.000 - 40.000 MW; năng lượng mặt trời ở hầu hết lãnh thổ có thời gian trên 2.000 giờ nắng mỗi năm, đạt khoãng 4 kWh/m2- ngày

Hiện trạng, tổng nguồn năng lượng tái tạo của Việt Nam hiện đạt khoảng 15,6 triệu Toe, chiếm 25% tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp Trong đó chủ yếu là thủy điện với 16% tổng nhu cầu năng lượng sơ cấp

Việc phát triển và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch là xu hướng rõ rệt trên thế giới Ở Việt Nam, chủ trương này đã được Chính phủ khẳng định từ lâu và việc hình thành các cơ chế, chính sách phục vụ cho thị trường năng lượng tái tạo cũng đang được đẩy nhanh tiến độ triển khai

Giá thành một số loại năng lượng ở Việt nam (tham khảo)

4 Bảng chuyễn đỗi một số đơn vị năng lượng

14.Đơn vị năng lượng tương đương

1 tấn dầu tương đương –TOE = 41,868 GJ

1 tấn than tương đương-TCE = 0,7 TOE

CHƯƠNG I

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 MẶT TRỜI VÀ BỨC XẠ MẶT TRỜI

1.1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

a) Tiềm năng năng lượng mặt trời trên thế giới

Theo các nhà khoa học ước tính, công suất năng lượng mà mặt trời chiếu

xuống trái đất là vào khoảng 174 triệu tỷ Watt, nhưng trái đất chỉ hấp thụ được một nửa Nguồn dự trữ năng lượng mặt trời (có thể chuyển thành năng lượng hữu dụng) được ước tính tương đương với công suất khoảng 86 triệu tỷ Watt Đấy là một con

số khổng lồ nếu so với công suất của nhà máy nhiệt điện Phả Lại chỉ khoảng 1 tỷ Watt

Tổng tiêu thụ năng lượng của con người trên thế giới hiện tại (tính tổng cộng tất cả các loại năng lượng như dầu hỏa, than đá, thủy điện, v.v.) khoảng 15 nghìn

tỷ Watt, tức là chỉ bằng khoảng 1/5000 công suất dự trữ của năng lượng mặt trời cho trái đất Nhưng tổng cộng dự trữ của tất cả các nguồn khác này (trong đó chủ

yếu là gió) chỉ bằng khoảng 1 phần trăm nguồn dự trữ năng lượng mặt trời Bởi vậy

có thể nói tương lai năng lượng của thế giới chính là năng lượng mặt trời

b) Khái quát về tình hình khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời

Đến cuối thế kỷ 20, trình độ công nghệ của thế giới vẫn chưa đủ để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hữu dụng với hiệu quả kinh tế cao, nếu không kể cách chuyển hóa gián tiếp thông qua nông nghiệp, ví dụ như trồng các loại cây như cây mía hay củ cải đường để ép ra lấy năng lượng ở dạng cồn Tình hình đã hoàn toàn thay đổi,vào đầu thế kỷ 21, do sự tiến bộ của công nghệ thu và tích trữ mà năng lượng mặt trời đã trở thành loại năng lượng có tính cạnh tranh cao về kinh tế với các loại hình năng lượng khác

Hình 1.1 Bức xạ năng lượng mặt trời cuả các vùng trên thế giới

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên rất lớn, con người đã biết

sử dụng từ rất lâu, nó là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của con người Ngày nay khi năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, thì năng lượng mặt trời càng được chú ý phát triễn vì có nhiều ưu điểm như: có mặt khắp nơi, vĩnh cửu, có trữ lượng vô tận, năng lượng sạch, Tuy vậy do năng lượng mặt trời tính chất phân tán và không đều, phụ thuộc vào vị trí địa lý, mùa và thời tiết trên mặt đất nên việc sử dụng năng lượng mặt trời đến nay vẫn còn nhiều hạn chế

Khi các tia sáng mặt trời đi vào lớp khí quyễn trái đất, nó bị hấp thụ và phản

xạ một phần, nên khi đến bề mặt trái đất cường độ bức xạ yếu đi Ở bề mặt trái đất cũng vì vậy mà bức xạ mặt trời gồm hai phần: một phần là bức xạ trực tiếp (trực xạ) và một phần do kết quả của việc ánh sáng bị hấp thụ và phản xạ trên đường đi (tán xạ) Cường độ bức xạ lớn nhất ở mặt đất vào mùa hè là 1000 W/m2

Việc sử dụng năng lượng mặt trời đến nay gồm bốn phương thức cơ bản:

- Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt năng

- Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành trực tiếp thành điện năng

- Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hóa năng: Hiệu ứng quang hóa

- Chuyển đổi năng lượng mặt trời qua hiệu ứng quang hợp

Tùy theo phương thức chuyển đổi mà có thiết bị thích hợp Trong phạm vi giáo trình này ta chỉ tập trung vào các phương thức chuyễn hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng và điện năng.

1.1.2 Mặt trời

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệ mặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,39.109 km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái đất) Mặt trời có nhiệt độ rất cao, ở vùng trung tâm xẩy ra phản ứng nhiệt hạch nên nhiệt độ đạt đến hàng chục triệu độ Nhiệt độ bề mặt ngoài khoảng 5762°𝐾, quang phổ bức xạ của mặt trời gần giống với quang phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ

Trái đất có đường kính 1,27.104 km, khoảng cách từ mặt trời đến trái đất trung bình khoảng 1,5.108 km Mặt phẳng elip của trái đất quay quanh mặt trời gọi

là mặt phẳng hoàng đạo và đường elip gọi là đường hoàng đạo Trái đất vừa quay quanh mặt trời một vòng là 365,25 ngày ( 1năm) và vừa quay quanh trục của nó một vòng là một ngày đêm (24 giờ) Trục trái đất nghiêng với mặt phẳng hoàng đạo một góc là 23,5° Do vậy bức xạ mặt trời chiếu đến các vùng khác nhau trên

1.1.3 Bức xạ mặt trời

Trong quá trình diễn biến của phản ứng nhiệt hạch có một lượng vật chất của Mặt trời bị mất đi để sinh ra một nhiệt lượng Khối lượng của Mặt trời mỗi giây giảm chừng 4,106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây, Mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất)

a) Quang phổ bức xạ mặt trời

Đặc trưng của bức xạ mặt trời trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng Hầu như tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng gồm: tia tử ngoại (=4.10-3 - 0,38m) chiếm 8,7%, dải ánh sáng nhìn thấy (=0,38

- 0,78m) chiếm khoảng 44,6%, dải hồng ngoại (= 0,78 -103m) chiếm 45,4%

+ Một số định nghĩa

-Năng suất bức xạ E (W/m 2 ): là năng lượng bức xạ mặt trời đến một đơn vị

diện tích bề mặt, trong 1giây Năng suất bức xạ bao gồm năng suất bức xạ trực xạ Etrx và năng suất bức xạ tán xạ Etx

- Năng lượng bức xạ Q (J/m 2 ): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một

đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, chính là đại lượng tích phân của năng suất bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày)

+Bức xạ mặt trời ngoài và trong tầng khí quyễn

Khi tia bức xạ chiếu đến trái đất thì có hai giai đoạn: ngoài tầng khí quyển và trong tầng khí quyển Sự khác nhau đó là do trong tầng khí quyển, bức xạ bị làm yếu do do tác động của không khí và các hạt lơ lững như khói, bụi, hơi nước Ngoài biên tầng khí quyển cường độ bức xạ mặt trời ổn định cả ngày và đêm, cường độ bức xạ chiếu đến 1m2 bề mặt khoảng Is =1353 W/m2

Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nhưng cũng không lớn lắm, nên Is = 1353 W/m2 được gọi là hằng số mặt trời

Trong tầng khí quyển có tác dụng hấp thụ của bầu khí quyển nên bức xạ mặt trời yếu đi (do có sự hấp thụ tia bức xạ của các khí ba nguyên tử trở lên, hơi nước, các hạt bụi…trong bầu khí quyển) Cường độ suy yếu của tia bức xạ phụ thuộc vào chiều dài quãng đường xuyên qua khối không khí dài hay ngắn và được đặc trưng bằng trị số m (air mas-hệ số khối không khí) Khi mặt trời chính ngọ thì quãng đường đố là ngắn nhất Trị số m phụ thuộc vào cao độ mặt trời, giờ trong ngày, vĩ

độ  và bốn mùa trong năm, có thể tính:

m = 𝑠𝑖𝑛1𝑠

Trong đó: với s-góc cao độ mặt trời (hình 1.7)

Dưới điều kiện khí quyển vào mùa hè, trước và sau chính ngọ (khoảng 11-13

1.1.4 Các thông số hình học mặt trời đối với trái đất

a)Góc nhìn của trái đất đối với mặt trời:

Do đường kính trái đất rất nhỏ so với mặt trời và khoảng cách rất xa nên góc nhìn của trái đất đối với mặt trời chỉ 32° ,vì vậy có thể xem các tia bức xạ của mặt trời chiếu lên trái đất là song song ( hình 1.12)

Hình 1.5: Góc nhìn của trái đất đối với mặt trời

b)Góc lệch  giữa trục trái đất và mặt phẳng hoàng đạo

Góc lệch giữa bề mặt trái đất với mặt phẵng hoàng đạo thay đổi theo từng ngày trong năm Ngoài các ngày đặc biệt của năm, các ngày khác có thể xác định qua công thức Coopr như sau:

21/9; ngày thu phân

Thiên đỉnh

Là góc giữa bề mặt nhận bức xạ và mặt phẳng nằm ngang với bề mặt trái đất (0°<<90°) Theo kinh nghiệm trong vùng chí tuyến bắc và nam, góc nghiêng của collector < 23,5°, ngoài vùng chí tuyến góc nghiêng bằng vỉ độ (=) Quan hệ giữa các góc:

-Góc độ cao mặt trời: sins = sin sin + cos cos cos

-Góc tới: cos = sin(sin cos + cos cos cos sin)

+ cos( cos cos cos- sin cos sin) + cos sin sin sin

Nếu bề mặt thu có hướng chính nam  = 0, thì công thức trên đơn giản hơn:

cos = sin (sin cos+ cos cos sin) + cos( cos cos cos - sin sin) = sin sin(- ) + cos cos cos(-)

-Góc thiên đỉnh: cosz = cos cos cos+ sin sin

-Góc phương vị: sins = 𝑐𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛 

𝑐𝑜𝑠  𝑠

hay coss = 𝑐𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛  −𝑠𝑖𝑛 

𝑐𝑜𝑠  𝑐𝑜𝑠 

Ví dụ: 1.1 Tính góc tới của tia bức xạ trên collector nằm nghiêng tại TP.HCM lúc

10h30, ngày 13/2, cho biết  = 45°, c= 15° hướng tây nam

Giải:  =10,75°; n = 44;  = -14°;  = -22, 5°;  = 45°; c = 15°

Cos = sin10,75 (sin-14cos45 + cos-14 cos15 cos-22,5 sin45)

+ cos10,75( cos-14 cos-22,5 cos45- 14 cos15 sin45) + cos-14 sin15 22,5 sin45= 0,799

sin- = 36,93°

Ví dụ: 1.2 Tính góc thiên đỉnh và góc phương vị tại vùng có vĩ độ 43o, lúc 9.30h

Giải:

9,h30 ngày 13/2 có n = 44,  = -14°;  = -37,5o;

Góc thiên đỉnh tính theo mặt phẳng nằm ngang

cosz = cos cos cos + sin sin

cosz = cos43cos(-14) cos(-37,5) + sin43 sin(-14) = 0,398

z = 66,54°

Góc phương vị: sins = 𝑐𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑛 

𝑐𝑜𝑠  𝑠 =

cos−14 sin−37,5 cos (90−66,54) = 0,644

-> s = 40,08°

Ví dụ: 1.3 Tính góc cao mặt trời, góc thiên đỉnh và góc phương vị mặt trời lúc

16h ngày 16/3 ở vĩ độ 430 đối với mặt phẳng nằm ngang

1.1.5 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất

Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất (tổng xạ) gồm hai thành phần: bức xạ trực xạ và tán xạ Người ta thường chia ra ba thành phần tán xạ sau (hình :1-8)

Hình 1.8: Các thành phần tán xạ trong vùng khí quyễn trái đất

-Thành phần tán xạ đẳng hướng: tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ bầu trời -Thành phần tán xạ xung quanh tia: tán xạ bị phát tán xung quanh tia sáng mặt trời -Thành phần tán xạ chân trời: tán xạ phát ra từ đường chân trời

Ngoài ra còn có thành phần bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận (như mặt đất, cây cối, nhà cửa …)

Cường độ tán xạ phụ thuộc vào độ phản xạ mặt đất Rg rất nhiều Những bề mặt

có độ phản xạ cao ( như bề mặt phủ tuyết khoảng Rg =0,7) sẻ phản xạ các tia tới trở lại bầu trời và sau đó bị phát tán trở thành tán xạ chân trời Hệ số phản xạ của các bề mặt ở nhiệt độ 300°𝐾 ở bảng sau:

Bảng 1.2 : Các hệ số bức xạ mặt trời trên mặt đất

Như vậy, bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng trên trái đất Engh là tổng của các dòng bức xạ trực xạ Eb, ba thành phần bức xạ tán xạ gồm Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ phản xạ từ các bề mặt lân cận Er (hình 1-8):

E = Eb + Ed1+ Ed2 + Ed3 + Er (1-2)

Tuy nhiên việc tính toán các thành phần tán xạ là rất phức tạp Vì vậy người

ta giả thiết tổng bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt Như vậy, tổng xạ trên bề mặt ngang sẽ là tổng của trực xạ Eb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed

Khi đó một bề mặt nghiêng tạo góc  so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ

Eb- thành phần trực xạ trong tổng xạ đo được, lấy theo số liệu đo ( ví dụ: Nam bộ Eb= 2,43 kWh/m2-ngày = 51% tổng xạ)

Ed-thành phần tán xạ trong tổng xạ đo được ( ví dụ: Nam bộ Ed = 49% tổng xạ)

Rg - hệ số phản xạ tia bức xạ của môi trường xung quanh (bảng 1.1)

Rb - hệ số chuyển đổi bức xạ từ mặt ngang sang mặt nghiêng

En - cường độ bức xạ mặt trời tới theo phương bất kỳ,

Ebng – bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt nằm ngang,

Ebngh – bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng,

cos và cosz được xác định theo các phương trình trên và các góc được biểu diễn trên hình 1.9

Tổng bức xạ trung bình ngày trên mặt ngang E= 4,8 (kWh/m²/ngày) Góc nghiêng: β =+100 = 210

Cường độ bức xạ mặt trời từng giờ đến mặt nghiêng khảo sát:

Eβ = Eb.Rb + Ed.(1+𝑐𝑜𝑠𝛽

2 ) + (Eb +Ed)(1−𝑐𝑜𝑠𝛽

2 ).ρ Eb: trực xạ: số liệu đo đạc: Eb = 0,51

ρ: suất phản chiếu môi trường xung quanh: bề mặt không có tuyết: 0.2

-Tổng bức xạ trung bình trên mặt ngang ETB

𝑐𝑜𝑠(11).𝑐𝑜𝑠(23.45).𝑐𝑜𝑠(0)+𝑠𝑖𝑛(11).𝑠𝑖𝑛(23.45) = 0,8545

E theo từng giờ nắng có bảng như sau:

Khi chọn giờ mặt trời là từ 8h sáng đến 15h chiều Tính tương tự ta có kết quả Rb , E như sau:

Tính được tổng xạ trung bình ngày lên mặt phẵng nghiêng tại T.P Hồ Chí Minh:

Eβ= Eβ = 4.601,2 (Wh/m²/ngày) (6,6/7) = 4.338,3 Wh/m2/ngày

Lưu ý:

1) Dựa vào số liệu của bức xạ mặt trời ở các vùng khác nhau của Việt Nam

ở các bảng 1.4,1.5.1.6, ta thu được số liệu để tính tổng xạ của một mặt phẵng nghiêng trong một ngày trung bình theo năm như ví dụ 1.5 đã thực hiện Ta cũng

có thể lấy trung bình của từng tháng và qua đó lấy được trung bình theo năm

2) Trường hợp mặt phẳng nghiêng quay theo mặt trời ta dựa vào đồ thị 1.10

và dựa vào số liệu trung bình /ngày theo các bảng 1.4, 1.5, 1.6 Khi đó mặt phẵng nghiêng nhận bức xạ tương tự như lúc 12 giờ, có thể tính tổng xạ lên mặt phẵng nghiêng như sau:

Eβ= 6,6.Eβ12 = 6,6.666 = 4.395,6 (Wh/m²/ngày)

Hình 1.10: Biểu đồ năng lượng thu của mặt phẵng cố định và quay theo mặt trời

1.2 PIN MẶT TRỜI

Pin mặt trời là thiết bị biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời đơn lẻ) dể lắp đặt, sử dụng và có thể kết nối với bộ chuyển đổi để hòa vào mạng lưới điện

1.2.1 Lịch sử phát triển của pin mặt trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp

Alexandre Edmond Becquerel

Năm 1963, Sharp Corp (Nhật) đã sản xuất những tấm pin mặt trời tinh thể Silíc

thương mại đầu tiên

Năm 1966, Đài quan sát thiên văn của NASA sử dụng hệ thống pin mặt trời công

suất 1kW

Năm 1973, năm quan trọng của điện mặt trời Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ, các

nước bắt đầu quan tâm nhều hơn tới năng lượng tái tạo (Hội thảo Cherry Hill tại

Mỹ đánh dấu sự ra đời quỹ nghiên cứu về điện mặt trời) Ngôi nhà đầu tiên được lắp hệ thống pin mặt trời làm từ Cu2S do trường Đại Học Delaware chế tạo

Năm 1982, nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ở

Mỹ

Năm 1995, dự án thí điểm “1000 mái nhà” lắp pin mặt trời của Đức, là động lực

cho việc phát triển chính sách về điện mặt trời ở Đức và ở Nhật

Năm 1999, tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế gới đạt 1GW

Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới đạt 37,4 GW (trong đó Đức

có công suất lớn nhất với 7,6 GW.)

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời:

a) Hiệu ứng quang điện:

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1<E2 (hình 1.11)

Hình 1.11: Hệ hai mức năng

lượng

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng h (trong đó h là hằng số

Planck h = 6,625.10-34 J.s , là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên

mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E2-E1 (1-4) Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử

vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát

nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 1.12) vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy, khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của

nó có mức năng lượng Ev vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc

chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng này có năng lượng là

Ec Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có độ rộng với năng

lượng Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Hình 1.12: Các vùng năng lượng

Quan hệ giữa năng lượng và tần số của ánh sáng theo công thức của Albert Einstein là: E = h = ℎ𝑐

 (1-5)

Trong đó:

E- năng lượng các photon ánh sáng ;

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng h tới hệ thống và bị điện

tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện

tử tự do e-, để lại vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương,

ký hiệu h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thu photon ánh sáng có thể mô tả bằng phương trình:

Ev + hv ≥ e-+ h+ (1-6) Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc/λ ≥ Eg = Ec - Ev

Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e--

tử e- giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là:

Eph = hv - Eg (1-8)

Eph chính là phần lớn hơn trong phương trình cân bằng năng lượng (1-6)

Tóm lại các đặc điểm của hiệu ứng quang điện là:

- Năng lượng photon h phải lớn hơn công thoát Eg thì mới xẩy ra quá trình tạo ra photoelectron Có nghĩa h ≥ Eg = hc, tức là: hiệu ứng quang điện chỉ xẩy ra khi

≥c và c= Eg/h chính là giới hạn quang điện của vật liệu hay tần số ngưỡng của vật liệu Do đó năng lượng của photoelectron được tạo ra phụ thuộc tần số giao động của các photon ánh sáng Khi tần số ánh sáng vượt ngưỡng thì số lượng

photoelectron phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, cường độ càng cao thì tạo ra số lượng photoelectron càng nhiều, cường độ dòng quang điện càng cao

- Khi nhận bức xạ mặt trời, photon ánh sáng có năng lượng h tới hệ thống pin và

bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e- , để lại vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Pin mặt trời hiện nay được sản xuất với nhiều công nghệ khác nhau, hiện tại các tấm pin mặt trời làm bằng chất bán dẫn (Silic…) là được sử dụng rộng rãi nhất Tiêu biểu là pin mặt trời bán dẫn Silic tiếp xúc p-n

b)Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PMT bán dẫn Silic tiếp xúc p-n:

Trong kỹ thuật điện tử bán dẫn người ta chế biến chất Silic tinh thể thành

Si-n và Si-p Cách làm là cho các Si-nguyêSi-n tử Si-nhóm 3( B,Ga,Al) và Si-nhóm 5(P,As,Sb) vào mạng tinh thể Silic, qua đó xuất hiện thêm lổ trống và điện tử tự do Khi Si kết hợp với B sẻ tạo ra lổ trống, đó là Si-p Nếu với P thì tạo ra e- đó là tinh thể bán dẫn S-n

Bán dẫn p và n của tinh thể silic được sử dụng phổ biến trong việc chế tạo pin mặt trời tiếp xúc bán dẫn p-n, chúng đóng vai trò là các điện cực trong pin Hai điện cực loại p và n được đặt tiếp xúc với nhau, các điện tử tự do ở vị trí gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại n sẽ khuếch tán sang bán dẫn loại p và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang

n Khi các điện tử di chuyển như vậy đã làm cho bán dẫn n mất điện tử và tích

nhau) thích hợp được hấp thu và các điện tử bị kích thích thoát khỏi liên kết để lại

lỗ trống mang điện dương Dưới tác dụng của từ trường trên lớp tiếp xúc, các điện tử bị kéo về bán dẫn n và lỗ trống đi về bán dẫn p Nếu nối hai lớp bán dẫn này với mạch ngoài, các điện tử sẽ truyền qua mạch ngoài, chạy từ bán dẫn n sang p hình thành dòng điện trong mạch ngoài Để ánh sáng có thể đi đến lớp phân cách, lớp bán dẫn n phải thật mỏng và ánh sáng sẽ truyền qua lớp này

Ngoài ra, ánh sáng khi đi đến bề mặt pin thường bị phản xạ, do đó bề mặt của pin thường được phủ lớp chống phản xạ Hình1.13 mô tả cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin bán dẫn tiến xúc p-n Hiện tượng các photon ánh sáng truyền trực tiếp có thể xuyên qua mảnh silic, điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn Tuy nhiên, tần số của các sóng cao do mặt trời có nhiệt độ cao, thường

khoãng 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Trong đó hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng nhiệt năng một phần thiểu số thành điện năng sử dụng được

Nếu các photoelectron phóng thích thoát ra khỏi bề mặt vật liệu sẻ tạo nên hiệu ứng hiệu ứng quang điện ở mạch ngoài, tức là tạo ra dòng điện cung cấp cho

phụ tải Trường hợp các photoelectron không

ra mạch ngoài mà chỉ chuyễn động như điện

tử tự do trong lòng vật liệu, tạo ra dòng điện gọi là hiệu ứng quang điện trong Hiệu ứng quang điện trong xẩy ra đối với vật liệu bán

dẫn, là cơ sở để tạo ra pin mặt trời

Hình 1.13 Nguyên lý cấu tạo của PMT

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 2 loại:

Module đơn tinh thể là những tấm pin hiệu quả nhất, nhưng cũng đắt tiền nhất trên thị trường, chúng đòi hỏi sillicon tinh khiết nhất và quy trình sản xuất khắt khe nhất Loại tế bào này rất hiệu quả cho việc sản xuất điện tại các khu vực, nơi

mà hệ thống được tiếp xúc với ánh nắng mặt trời nhiều, mặc dù nó đắt tiền hơn

để sản xuất so với các loại khác Tuy nhiên nó cũng mỏng manh hơn bởi vì nó phải được thiết kế đủ mỏng để cho một lượng lớn ánh sáng mặt trời thông qua, vì

nó mỏng nên thường được gắn trong một khung bảo vệ chắc chắn để tránh hư hại -Đa tinh thể : Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Hình 1.14: Cấu tạo module PV

b)Tấm năng năng lượng mặt trời

Pin mặt trời cơ bản có kích thước 100 cm2 (10.10 cm) Lúc bức xạ 1000 W/m2thì điện áp 0,6 V, dòng điện 20-30 mA /cm2, công suất 1,5 W Một module PV mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời cơ bản có thể gồm 36 đến 72 pin cơ bản

pin thường là 12VDC Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm năng lượng lại với nhau Nhiều tấm năng lượng mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và quay để hướng trực tiếp đến mặt trời Hiệu suất thu được của điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Chất liệu bán dẫn làm pin

- Vị trí đặt các tấm panel mặt trời

- Thời tiết khí hậu, mùa trong năm

- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất

đã đảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm

Hình 1.13 b: Các tấm năng lượng mặt trời:

Hình trái: Các pin mặt trời cơ bản Silic đơn tinh thể (10X10- U=0,6V) Hình phải: Tấm năng lượng mặt trời

1.2.4 Pin mặt trời bán dẫn hửu cơ

Pin mặt trời bán dẫn vô cơ trên rất đắt tiền, lắp đặt khó Pin mặt trời bán dẫn hữu cơ có thể cuộn tròn, mềm dẻo, không vở khi lắp đặt, rẻ tiền Chế tạo bằng cách cho chất bán dẫn hữu cơ hòa tan vào dung môi, sau đó phun phủ lên các tấm đế bằng polymer

Trong các chất hữu cơ các liên kết electron có lực liên kết hóa trị rất yếu nên

dể bị kích thích thành điện tử tự do Pin hữu cơ rất tiện lơi khi sử dụng do được chế tạo trực tiếp trên tấm kính hoặc cả nhựa, nó cho phép sản xuất trên những băng chuyền dài và liên tục hoặc kết hợp linh hoạt với các tấm nền như là: các tấm mỏng hay tấm lợp mái nhà thậm chí trên balô Hình dáng của Silic là vô định hình có khuynh hướng đồng đều Bởi vì có màu sắc đồng nhất nên các sản phẩm màng mỏng này có tính mỹ thuật và ứng dụng cao trong kiến trúc

Nhược điểm lớn nhất là hiệu suất chuyển hóa năng lượng còn thấp, chỉ khoảng 4-5%, tuy nhiên giá thành chế tạo thấp ( chỉ bằng 10-20% giá thành của pin vô cơ),

dể sử dụng và lắp đặt Ngoài ra còn dể bị biến tín với các tia sóng cực ngắn, ít bền Tuy nhiên các đặc tính đó đang được nghiên cứu khắc phục Hiệu suất pin cũng có khả năng nâng cao lên đến 10% trong tương lai gần

Hình 1.15: Pin mặt trời tập trung

Hệ thống pin mặt trời tập trung [ConcentratorPhotovoltaics(CPV)] có sử

dụng hệ thống thấu kính tập trung ánh sáng và chiếu vào một tế bào nhỏ, nhờ đó

diện tích của tấm pin được giảm đi đồng thời cường độ ánh sáng được khuếch đại

lên tương ứng với tỉ lệ tập trung của hệ thống Diện tích pin sử dụng giảm và tăng

hiệu suất do đó có thể giảm được giá thành phát điện Do sử dụng nguồn sáng có

cường độ lớn và vật liệu bán dẩn khác nên các tế bào quang điện trong hệ thống

pin mặt trời tập trung có hiệu suất cao Với cùng một mức công suất, giá thành của

các hệ thống pin mặt trời tập trung rẻ hơn so với các công nghệ điện mặt trời khác Các tế bào quang điện được sử dụng phổ biến hiện nay là loại tế bào quang

điện đa tầng (đa kết nối – multifunctional solar cell), có hiệu suất lên tới 40% Hệ

pin mặt trời tập trung (CPV) chỉ hấp thụ được các tia sáng trực xạ nên hệ thống này

thường đòi hỏi phải có dàn xoay theo hướng mặt trời (solar tracker) để tận dụng tối

đa nguồn sáng trực tiếp Cùng với bộ phận quang học, dàn xoay làm tăng thêm chi

phí và mức độ phức tạp của hệ thống, đồng thời đòi hỏi các công tác bảo trì thường

xuyên hơn Các hệ thống tập trung năng lượng vừa và cao còn đòi hỏi phải có các

hệ thống làm mát đảm bảo cho các pin không bị phá hủy do nhiệt độ và làm việc

ổn định

1.2.6 Tính Dàn pin mặt trời

a).Tính dung lượng dàn pin

-Các loại tải T1,T2,T3 ,công suất các tải P1,P2,P3…, thời gian sử dụng 1,2,3…

Tổng điện năng cần cung cấp cho các tải hàng ngày:

b)Tính công suất dàn pin E(wp)

Khi nghiêng một góc  so với mặt phẳng nằm ngang thì công suất dàn pin là:

hơn là năng lượng điện sử dụng được

1.2.7 Đặc tính làm việc của pin mặt trời:

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

Tại điểm làm việc U = UOC/ I = 0 và U = 0 / I = ISC , công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0

Hình 1.16: Đường đặc tính làm việc U – I của pin mặt trời

Ngoài ra do dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng,

chiếu sáng Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc với V = VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của đường cong đặc tính)

Hình 1.17: Sự phụ thuộc của đặc trưng V-A của pin mặt trời

vào cường độ bức xạ Mặt trời

Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính

VA của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin

Hình 1.19: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

1.2.8.Hiện tượng “điểm nóng”

Xảy ra khi việc ghép nối các tấm pin không giống nhau, tức là khi các thông số ISC, VOC, POPT của các module pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó

bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất điện do các tấm pin khỏe hơn phát ra và làm cho công suất điện mạch ngoài bằng 0 Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khỏe hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng Hiện tượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, dẫn tới sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ

Để tránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời cùng loại, có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời Vị trí đặt dàn phải tránh các bóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày có nắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào đấy của tấm pin và có thể sử dụng các điốt bảo vệ

Hình 1.20: Điốt nối song song với môđun để bảo vệ môđun và dàn pin mặt trời

Nhìn trên hình vẽ 1.20 ta thấy giả sử pin Ci là pin yếu nhất được bảo vệ bằng điốt phân cực thuận chiều với dòng điện trong mạch mắc song song Trong trường hợp hệ làm việc bình thường, các pin mặt trời hoạt động ở điều kiện như nhau thì dòng trong mạch không qua điốt nên không có tổn hao năng lượng Khi

có sự cố xảy ra, vì một nguyên nhân nào đó mà pin Ci bị che và bị tăng nhiệt độ, điện trở của Ci tăng lên, lúc này một phần hay toàn bộ dòng điện sẽ rẽ qua Diốt

để tránh gây hư hỏng cho Ci Thậm chí khi Ci bị hỏng hoàn toàn thì hệ vẫn có thể tiếp tục làm việc

1.2.9 Tình hình sử dụng pin mặt trời trên thế giới