Bài viết trình bày pin mặt trời có rất nhiều ứng dụng. Tuy vậy, bên cạnh việc sử dụng pin mặt trời để làm nhà máy phát điện, còn nhiều cách khác cũng dùng ánh sáng mặt trời để phát điện. Bài viết giới thiệu các kỹ thuật tiên tiến này nhằm giúp cho việc thiết kế các nhà máy điện mặt trời một cách hiệu quả và cạnh tranh tốt về mặt giá thành.
Khoa học đời sống Phát điện nhờ pin mặt trời phát điện mặt trời tập trung Nguyễn Xuân Chánh Như đề cập “Các hệ pin mặt trời” đăng Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam số tháng 3/2019, pin mặt trời có nhiều ứng dụng Tuy vậy, bên cạnh việc sử dụng pin mặt trời để làm nhà máy phát điện, nhiều cách khác dùng ánh sáng mặt trời để phát điện Bài viết giới thiệu kỹ thuật tiên tiến nhằm giúp cho việc thiết kế nhà máy điện mặt trời cách hiệu cạnh tranh tốt mặt giá thành Ứng dụng pin mặt trời Pin mặt trời máy phát điện gọn nhẹ nhất, nguồn lượng cung cấp ánh sáng mặt trời Pin mặt trời có ứng dụng quy mô lớn sau: Làm nhà máy điện mặt trời: nhà máy điện mặt trời công suất lớn phải ghép nhiều pin mặt trời lại, đặc điểm ban ngày phát điện mạnh ban đêm lại khơng có Do đó, nhà máy điện mặt trời phải có cách lưu trữ điện với cơng suất lớn để điều hòa điện Do đó, lưu trữ điện phận quan trọng tốn nhà máy điện chạy pin mặt trời mưa, điện lưới hỗ trợ việc tự động chuyển nguồn điện để đảm bảo ln có điện sử dụng Ví dụ, Úc có đến 30% hộ gia đình có điện mái nhà Trạm điện mặt trời độc lập: vùng xa, hải đảo…, điện lưới không đến phải làm trạm điện mặt trời nhiều pin mặt trời lưu trữ điện ắc-quy để tích điện có nắng sử dụng lúc cần Trạm điện mặt trời lai: trạm điện mặt trời có pin mặt trời để cung cấp điện có nắng ban ngày nối với nguồn điện gió vào ban đêm trời mưa Hình Nhà máy điện mặt trời Ánh sáng mặt trời chiếu vào pin mặt trời sinh điện chiều gửi đến biến đổi DC/AC DC chuyển thành AC nối đến phụ tải DC lưu trữ ắc-quy Điện mái nhà: nhiều hộ gia đình nơi có nhiều nắng lắp pin mặt trời mái nhà lợp nhà ngói pin mặt trời để tự sản xuất điện dùng cho gia đình Để khắc phục trường hợp khơng có ánh sáng mặt trời trời nhiều mây, 42 Số năm 2019 Pin mặt trời dùng để cấp điện cho vệ tinh, tàu vũ trụ…: vũ trụ ln có ánh sáng mặt trời chiếu đến; có máy bay, tơ, ca nô… chạy điện mặt trời, nhiên ln phải có cách lưu trữ điện thường dùng, ắc-quy Khoa học đời sống Phát điện mặt trời tập trung Ánh sáng mặt trời đến trái đất mang theo lượng dồi phân tán, cần phải tập trung ánh sáng mặt trời diện tích nhỏ, dùng nhiệt chạy máy phát điện, gọi cách phát điện mặt trời tập trung (CSP - Concenstrated solar power) Cách phát điện tập trung có ưu điểm định, cạnh tranh mặt kinh tế so với cách phát điện pin mặt trời Sau xin giới thiệu cách phát điện mặt trời tập trung phổ biến nay: i) Tháp điện mặt trời SPT (solar power tower); ii) Máng thu parabol PTC (parabolic trough collectors); iii) Hệ chảo parabol PDS (parabolic dish systems); iv) Phản xạ Fresnel tuyến tính LFR (linear fresnel reflectors) Tháp điện mặt trời Lấy ví dụ nhà máy phát điện mặt trời Crescent Dunes nằm sâu sa mạc Nevada Hoa Kỳ (hình 2) Ở tháp cao 195 m nhìn đuốc, quanh tháp có 10.000 gương phản xạ Khi ánh sáng mặt trời chiếu đến gương phản xạ ánh sáng mặt trời chiếu vào mặt thùng đựng chất lỏng đặt cao Chất lỏng dung dịch muối natri kali, nóng đến 6000C, dễ nhận nhiệt từ vỏ thùng chứa để nóng lên hấp thụ lượng mặt trời từ gương phản xạ chiếu vào Chất lỏng bơm từ bể chứa nguội đất qua thùng chứa làm nóng cao gần đỉnh tháp chảy vào bể chứa nóng đất Để phát điện, người ta bơm chất lỏng nóng từ bể chứa nóng qua phận nhận nhiệt sinh để làm chạy tua bin máy phát điện Chất lỏng nóng sau cấp nhiệt cho tua bin phát điện bị nguội bơm bể nguội từ bể nguội bơm lên thùng chứa làm nóng tháp để tiếp tục chu trình Hình Nhà máy điện kiểu tháp mặt trời Nhà máy điện mặt trời Crescent Dunes có diện tích khoảng 600 ha, với 10.000 gương phản xạ (mỗi gương có diện tích 115 m2), điều chỉnh tự động để gương phản chiếu ánh sáng mặt trời tới thùng chứa chất lỏng tháp Công suất nhà máy điện mặt trời 110 MW (110 triệu watt) lúc trời có nắng, tính khoảng 10 ngày đêm Ưu điểm nhà máy điện mặt trời kiểu lượng 110 MW 10 tích trữ bể nóng để phát điện theo u cầu khơng phải “ngày thừa đêm thiếu” Nhà máy điện Crescent Dunes phục vụ cho 75.000 hộ gia đình dùng điện, ví dụ tốt cách tạo điện mặt trời kiểu tập trung lượng Hệ máng parabol Hệ gồm nhiều máng parabol, máng mặt phản xạ ánh sáng (hình 3) Vì uốn cong theo hình parabol nên chùm tia sáng song song mặt trời đến tập trung theo đường tiêu (đường qua tiêu điểm) Ở đường tiêu có lắp ống ngồi bơi đen để hấp thụ ánh sáng mặt trời, ống có chất lỏng chạy qua để nóng lên Chất lỏng thường loại dầu, nóng đến 4000C, dễ lưu thơng đường ống dài Các máng hệ thống bố trí nằm song song hàng theo hướng đông - tây, máng xoay quanh trục máng, nhờ điều khiển cho ánh sáng mặt trời chiếu song song tới máng để tập trung vào ống chất lỏng đặt theo trục tiêu máng Các Hình Hệ máng parabol Số năm 2019 43 Khoa học đời sống ống chất lỏng nối với cho giúp dễ dàng bơm chất lỏng từ bể chứa nguội chạy qua ống đặt theo đường tiêu máng đưa đến bể chứa nóng chảy qua, phát điện Máy phát điện thường động Stirling - động dùng nhiệt ngồi từ chất lỏng nóng để tạo đẩy pít-tơng làm quay máy phát điện Tương tự tháp điện mặt trời, lượng nhiệt ánh sáng mặt trời tập trung lưu trữ chất lỏng, nhờ mà điều tiết theo nhu cầu điện Việc làm mặt phản xạ uốn cong theo hình parabol tốn so với việc làm phản xạ phẳng hiệu suất tập trung ánh sáng cao nhiều Ở Hoa Kỳ có nhà máy điện mặt trời theo kiểu hệ máng parabol (hình 4) tổng cộng công suất 350 MW đặt vùng sa mạc Mojave thuộc bang California, liên tục hoạt động 20 năm nay, cung cấp đủ điện dùng cho 350.000 hộ gia đình Hình Hệ chảo parabol có tên SunCatcher Cơng suất máy phát điện 25 kW Thơng thường khơng có tích trữ nhiệt mà nhiệt sinh trực tiếp phát điện lưu trữ điện theo kiểu chứa vào ắc-quy Đã có thí điểm làm hệ chảo parabol để phát điện Big Dish diện tích chảo đến 400 m2, có cơng suất đến hàng chục kW Hiện nhiều nước xây dựng nhà máy điện mặt trời có đến hàng trăm chảo parabol (hình 6) Đặc biệt Trung Quốc có dự án hợp tác với Israel làm điện mặt trời Nội Mông theo kiểu hệ chảo mặt trời quy mô lớn (giai đoạn kết thúc vào năm 2013 với công suất điện mặt trời MW, giai đoạn kết thúc vào 2014 với công suất 10 MW, giai đoạn kết thúc vào 2015 với công suất nâng lên tới 60 Hình Nhà máy điện mặt trời kiểu máng parabol Hệ chảo parabol Chảo parabol thu lượng mặt trời chảo tròn bề mặt phản xạ cong theo hình parabol, có ánh sáng mặt trời song song chiếu vào ánh sáng tập trung vào tiêu điểm, có thu nhận nhiệt biến đổi thành điện (hình 5) Ví dụ, hệ chảo parabol có tên SunCatcher gồm giá đỡ khung hình parabol nhìn thẳng mặt trời Bộ biến đổi đặt tiêu điểm biến nhiệt thu từ mặt trời thành điện nhờ động máy phát hệ Stirling 44 Số năm 2019 Hình Nhà máy điện mặt trời có hàng trăm chảo parabol Khoa học đời sống MW) Đây thử nghiệm để đưa thị trường nhà máy điện mặt trời cơng suất lớn theo kiểu hệ chảo parabol, hệ chảo có ưu điểm lớn tập trung tốt lượng mặt trời tiêu điểm khó kết nối việc thu nhiệt từ nhiều chảo để chứa nhiệt phát điện chủ động, không phụ thuộc ngày hay đêm Do đó, phần lớn chảo parabol phát điện độc lập kết nối với điện Phản xạ Fresnel tuyến tính Mặt parabol tập trung tốt lượng mặt trời đường tiêu tiêu điểm Nhưng thân mặt parabol chiếm chiều không gian, cồng kềnh Nhà vật lý Pháp Fresnel kỷ XVIII biết cách dùng mặt gương lõm hội tụ ánh sáng tiêu điểm, cắt gương thành lớp bề dày d song song mặt đáy lớp trở thành khoanh tròn xếp khoanh tròn lại thành lớp phẳng có bề dày d Lớp phẳng hội tụ ánh sáng vị trí gọi tiêu điểm y mặt gương lõm Đó thấu kính Fresnel (hình 7) Tương tự vậy, máng thu parabol cắt máng thu theo lớp bề dày lớp trở thành dải song song xếp lớp mặt đáy mặt phản xạ Fresnel tuyến tính, có tác dụng hội tụ ánh sáng mặt trời song song chiếu đến theo đường tiêu y máng parabol Ở máy phát điện mặt trời theo kiểu hệ Fresnel tuyến tính, dải phản xạ kính lõm Fresnel bố trí theo mặt phẳng, dải điều khiển xoay cho ánh sáng mặt trời đến phản xạ thu Bộ thu phản xạ tập trung ánh sáng mặt trời đường ống chứa chất lỏng bên Các ống nối với cho gom dẫn chất lỏng đến bể chứa nóng dùng nhiệt để chạy máy phát điện Chất lỏng nóng nguội gom bể chứa bơm lên đường ống thu để nóng lên nhờ ánh sáng mặt trời tập trung * * * Năng lượng mặt trời đến trái đất dạng xạ sóng ánh sáng (ánh sáng nhìn thấy hồng ngoại) phong phú người tìm nhiều cách để biến đổi lượng thành điện Những năm gần đây, nhờ tiến vật liệu, cách thu lượng mặt trời để trực tiếp phát điện có thành tựu vượt bậc, hứa hẹn điện mặt trời phát triển bền vững, thay cho cách phát điện trước gây ô nhiễm môi trường hay gián tiếp tạo tình trạng biến đổi khí hậu Hiện nay, giá thành điện mặt trời cao nên nhà khoa học ứng dụng tiếp tục hướng nhằm nâng cao hiệu suất đôi với việc giảm giá thành Đây hướng khó tin tưởng làm Việt Nam nên tiếp cận kỹ thuật tiếp tục thúc đẩy hợp tác dự án tạo điện sử dụng ánh sáng mặt trời ? Hình Thấu kính Fresnel Số năm 2019 45 ... điện mặt trời tập trung (CSP - Concenstrated solar power) Cách phát điện tập trung có ưu điểm định, cạnh tranh mặt kinh tế so với cách phát điện pin mặt trời Sau xin giới thiệu cách phát điện mặt. .. sống Phát điện mặt trời tập trung Ánh sáng mặt trời đến trái đất mang theo lượng dồi phân tán, cần phải tập trung ánh sáng mặt trời diện tích nhỏ, dùng nhiệt chạy máy phát điện, gọi cách phát điện. .. qua, phát điện Máy phát điện thường động Stirling - động dùng nhiệt từ chất lỏng nóng để tạo đẩy pít-tơng làm quay máy phát điện Tương tự tháp điện mặt trời, lượng nhiệt ánh sáng mặt trời tập trung