Nhƣ đã biết , Trái đất luôn chuyển đô ̣ng quay xung quanh mă ̣t trời . Chu kỳ của chuyển đô ̣ng này là 365,25 ngày (hay mô ̣t năm ). Ngoài ra quả đất còn tự quay xung quanh tru ̣c riêng đi qua các điểm Bắc cƣ̣c và Nam c ực của nó . Chu kỳ quay xung quanh tru ̣c riêng này là 24 giờ hay mô ̣t ngày đêm . Điều lý thú là tru ̣c quay riêng của quả đất lại tạo một góc không đổi và bằng 23,45o đối vớ i pháp tuyến của quĩ đa ̣o chuyển đô ̣ng của quả đất xun g quanh mă ̣t trời . Kết quả của các chuyển đô ̣ng đó làm cho cƣờng đô ̣ bƣ́c xa ̣ mă ̣t trời tới bề mă ̣t quả đất luôn thay đổi theo thời gian (sáng,
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 70 K16 Khoa học môi trường trƣa, chiều; mùa Xuân , Hạ, Thu, Đông) và không gian (theo vĩ đô ̣). Đó chính là đă ̣c tính không ổn đi ̣nh của NLMT.
Trong khoảng thời gian tƣ̀ ngày 21/3, ngày Xuân phân , đến 21/9, ngày Thu phân, mă ̣t trời “chuyển đô ̣ng” trên bầu trời ở Bắc bán cầu (phía Bắc đƣờng Xích đạo của quả đất) và ngày 21/6, ngày Hạ chí , thì đạt đến điểm cao nhất ở Bắc bán cầu , trên Vĩ tuyến 23,45o
Bắc. Trong khoảng thời gian này (21/3- 21/6- 21/9) khu vƣ̣c Bắc bán cầu nhâ ̣n đƣợc nhiều NLMT hơn , còn khu vực Nam bán cầu nhận đƣợc ít NLMT hơn . Tình hình sẽ ngƣợc la ̣i trong thời gian nƣ̉a năm còn la ̣i , tƣ̀ 21/9 đến 21/12, ngày Đông chí, và đến 21/3 năm sau.
Vùng mặt đất trong các Vĩ tuyến 23,45o Bắc và 23,45o Nam (hay vù ng Vĩ tuyến ±23,45o
) luôn nhận đƣơ ̣c nhiều NLMT hơn các vùng còn la ̣i t rên mă ̣t quả đất . Vùng này đƣợc gọi là vùng vành đai nhiệt đới .
Tính chất thay đổi, không ổn đi ̣nh của BXMT mô ̣t mă ̣t làm cho sƣ̣ sống trên quả đất đa da ̣ng và phong phú ; nhƣng mă ̣t khác la ̣i gây ra nhiều khó khăn cho viê ̣c khai thác, ứng dụng NLMT cho cuộc sống của con ngƣời.
1.5.2. Đối với các ứng dụng nhiệt mặt trời
Mặc dù giá thiết bị ĐNNMT thấp hơn nhiều so với các hệ điện mặt trời (ĐMT) nhƣng vẫn còn cao so với thu nhập thực tế của ngƣời dân. Đó cũng chính là nguyên nhân giải thích tại sao thiết bị này chỉ mới đƣợc sử dụng ở các thành phố lớn mà rất ít tại các khu vực nông thôn và miền núi. Ngoài ra, do chƣa có chính sách vĩ mô của nhà nƣớc nên việc lắp đặt thiết bị ĐNNMT còn mang tính tự phát,… dẫn đến tình tra ̣ng không an toàn và mất mỹ quan các khu nhà và thành phố . Đặc biệt là chất lƣợng thiết bị ĐNNMT bị thả nổi, chƣa có cơ quan nào chịu trách nhiệm về kiểm định chất lƣợng thiết bị cũng nhƣ các yêu cầu kỹ thuật về lắp đặt. Điều này gây ra sự thiệt hại lớn cho ngƣời tiêu dùng. Chúng ta cũng chƣa có mạng lƣới dịch vụ có chuyên môn để bảo rì, bảo dƣỡng thiết bị.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 71 K16 Khoa học môi trường
1.5.3. Đối với điện mă ̣t trời
Bên cạnh những khó khăn nói trên (nhƣ giá cả cao) thì việc ứng dụng ĐMT còn gặp những vấn đề sau đây:
1. Trình độ dân trí khu vực ứng dụng ĐMT hiện nay chủ yếu là nông thôn vùng sâu, vùng xa còn rất thấp . Vì vậy việc vận hành , bảo trì và bảo dƣỡng rất khó khăn, dẫn đến sƣ̣ kém hiệu quả trong sử dụng;
2. Không có hệ thống các cơ sở dịch vụ về ĐMT (đă ̣c biê ̣t là ở các khu vƣ̣c nông thôn, miền núi , vùng sâu , vùng xa ) nên khi một vài thành phần trong hệ hƣ hỏng không đƣợc sửa chữa kịp thời và cũng không có phụ tùng để thay thế dẫn đến cả hệ ngừng hoạt động;
3. Đặc biệt còn thiếu một cơ chế quản lý thích hợp sau khi chuyển giao các hệ ĐMT cho ngƣời sử dụng;
4. Thiếu các kỹ thuật viên đƣợc đào tạo và phƣơng tiện để họ có thể bảo trì , bảo dƣỡng các hê ̣ thống;
5. và ngoài ra còn có những nguyên nhân khác nhƣ chất lƣơ ̣ng thiết bi ̣ kém , lắp đă ̣t không đảm bảo kỹ thuâ ̣t,…..
Tất cả những vấn đề kể trên đều gây ra sự kém hiệu quả của các hệ ĐMT đã đƣợc lắp đặt.
Để khắc phục các vấn đề nêu trên thì Việt Nam phải sớm xây dựng, ban hành và thực hiện một chính sách vĩ mô phù hợp về NLTT.
1.6. TÍNH KINH TẾ VÀ TRIỂN VỌNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.6.1. Tính kinh tế
Cơ quan Thông tin Năng lƣợng quốc gia Hoa Kỳ (US Energy Information Administration) tính toán giá điện từ các nhà máy PV và cho thấy nó cao hơn 4 lần so với giá điê ̣n nhà máy nhiệt điê ̣n chạy than. Bloomburg Energy ƣớc tính điê ̣n mă ̣t trời có giá khoảng 275USD/MWh so với giá 60USD/MWh đối với điê ̣n sản xuất tƣ̀ than .
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 72 K16 Khoa học môi trường Tuy nhiên , với tuổi tho ̣ tƣ̀ 25 năm đến 40 năm, hô ̣i nghi ̣ quốc tế về đầu tƣ Solar PV năm 2005 (International Conference on Solar Photovoltaic Investment ) đƣơ ̣c tổ chƣ́c bởi EPIA đã ƣớc tính rằng, các hệ thống PV sẽ hồi vốn cho nhà đầu tƣ trong khoảng từ 8 đến 12 năm. Do vậy tƣ̀ năm 2006 điê ̣n PV đã trở nên kinh tế đối với các nhà đầu tƣ . Năm 2007, 50% các hệ thƣơng mại đã đƣợc lắp đặt và con số này tăng lên 90% vào năm 2009.
Các hệ thống CSP sản xuất điện nă ng rẻ hơn nhiều so với các hê ̣ PV và giá thâ ̣m chí còn cạnh tranh đƣợc với giá điện đƣợc sản xuất từ các ng uồn hóa tha ̣ch. Nhà máy Ivanpah Solar Power đƣơ ̣c chờ đợi có giá điê ̣n tƣơng đƣơng với giá điê ̣n khí tƣ̣ nhiên.
Mô ̣t vấn đề lớn của các hê ̣ thống điê ̣n mă ̣t trời là cần mô ̣t diê ̣n tích đất rất lớn . Ví dụ, mô ̣t nhà máy 1.000MW CSP cần 6.000 ha đất, nhà máy hệ PV cần 4.860 ha đất trong khi nhà máy nhiê ̣t điê ̣n than cùng công suất chỉ cần 259 ha. Tuy nhiên , ở Mỹ Chính phủ có chính sách hỗ trợ các nhà đầu tƣ không phải chi phí các khoản liên quan đến đất đai để khuyến khích phát triển NLMT.
Nói chung với các công nghệ NLMT , đă ̣c biê ̣t là công nghê ̣ PV trong giai đoa ̣n hiê ̣n nay giá còn khá cao . Vì vậy để phát triển nguồn năng lƣợng sạch này các nƣớc đều đƣa ra các chính sách , giải pháp khác nhau để khuyến khích các nhà đầu tƣ phát triển thi ̣ trƣờng này.
1.6.2. Triển vọng năng lƣợng mặt trời
Bằng một con tính đơn giản có thể thấy, nếu lấy hiệu suất trung bình của một modul điện mặt trời hàng năm là 10%, chỉ cần lắp đặt trên một diện tích 0,1% bề mặt trái đất (tƣơng đƣơng khoảng 500.000 km2, bằng 1,3% diện tích của các sa mạc trên thế giới) thì đã có thể sản xuất một lƣợng điện hàng năm đủ cung ứng cho toàn bộ các nhu cầu về điện của cả thế giới.
Cũng bằng cách tính nhƣ trên cho nƣớc Anh, nếu hiệu suất trung bình của mỗi modul điện mặt trời hàng năm là 10%, chỉ cần lắp đặt trên một diện tích khoảng 1,4%
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 73 K16 Khoa học môi trường nƣớc Anh (tức khoảng 33.000 km2), cũng đủ sản xuất ra sản lƣợng điện 350TWh hàng năm, tƣơng đƣơng với tổng nhu cầu điện hàng năm của nƣớc Anh.
Bƣớc vào thế kỷ 21, công nghệ sử dụng NLMT đang trên xu hƣớng phát triển mạnh. Nhiều nƣớc đã đầu tƣ rất lớn vào ngành công nghiệp NLMT, hiện nay, Nhật Bản và Đức là hai nƣớc đứng đầu thế giới về ngành công nghiệp này. Nhật Bản là nƣớc không có tài nguyên thiên nhiên phong phú, đặc biệt là tài nguyên năng lƣợng hóa thạch, vì vậy đang đặt mục tiêu đến giữa thế kỷ này sẽ đảm bảo khoảng 50% nhu cầu điện năng của nên kinh tế Nhật Bản từ điện mặt trời cung ứng. Trung Quốc đang vƣơn lên mạnh mẽ trong lĩnh vực này.
Về các thiết bị ĐNNMT, Trung Quốc đang chiếm trên 80% thị trƣờng thế giới, trong nƣớc đã lắp đặt nhiều hệ thống ĐNNMT, tƣơng đƣơng vố 10,5GWth và đang là nƣớc dẫn đầu thế giới, chiếm 60% tổng công suất lắp đặt của toàn thế giới [4].
Về pin mặt trời và panel pin mặt trời, ngành công nghiệp sản xuất mặt hành này đang trở thành ngành phát triển mạnh nhất và thu nhiều lợi nhuận nhất trên thế giới. Sản lƣợng toàn thế giới năm 2005 ƣớc đạt là 1.700MWp. Nhật Bản đứng đầu thế giới về sản xuất pin mặt trời - 830MWp, sau đó là châu Âu - 470MWp, Trung Quốc - 200MWp và Mỹ - 150MWp. Trung Quốc cũng đang trở thành một nƣớc xuất khẩu mạnh trên thế giới, tuy rằng công suất lắp đặt pin mặt trời trong nƣớc vẫn còn rất thấp. Để sản xuất pin mặt trời, Trung Quốc phải nhập nguyên liệu, nhƣng với chủ trƣơng đầu tƣ cho ngành sản xuất này nhằm mục tiêu đến năm 2015 sẽ hoàn toàn chủ động về vật liệu silic chế tạo pin mặt trời, đến năm 2020, Trung Quốc trở thành nƣớc xuất khẩu ròng về pin mặt trời. Năm 2006, tổng đầu tƣ vào các công ty pin mặt trời của Trung Quốc là 1,1 tỷ USD. Đến năm 2010, đạt 300MW, đến năm 2020 là 2GW, nhƣ vậy trong 10 năm tới Trung Quốc sẽ đầu tƣ khoảng 40 tỷ USD để thực hiện các mục tiêu trên, Công trình phục vụ Olypic Bắc Kinh năm 2008 đã cho thế giới thấy Trung Quốc đã có những bƣớc tiến vƣợt bậc trong việc sử dụng NLMT để tạo ra một Olypic xanh và thân thiện với môi trƣờng lần đầu tiên trong lịch sử các kỳ thế vận hội [4].
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 74 K16 Khoa học môi trường Các chƣơng trình thúc đẩy sử dụng NLMT đang đƣợc mở rộng trên thế giới. Tây Ban Nha đã ban hành Luật xây dựng (2006), bắt buộc các tòa nhà mới xây dựng phải lắp đặt trên mái nhà hệ thống pin mặt trời, hệ thống nƣớc nóng bằng NLMT, đặc biệt là ở các trung tâm thƣơng mại, cao ốc văn phòng, khách sạn, bệnh viện, nhà kho, trong đó quy định nƣớc nóng từ NLMT phải đáp ứng 30 - 70% nhu cầu tùy thuộc vào vùng có khí hậu cụ thể. Ở Cape Town (Nam Phi), Rome (Italia) đòi hỏi các tòa nhà xây dựng mới phải lắp đặt hệ thống ĐNNMT nhằm đảm bảo 30 - 50% nhu cầu sử dụng hàng ngày. Ở Thƣợng Hải (Trung Quốc) đã bắt đầu thực hiện chƣơng trình lắp đặt pin mặt trời trên nóc 1.000 mái nhà. Thụy Điển dành 12 triệu USD trợ cấp cho lắp đặt pin mặt trời cho các công trình công cộng trong 3 năm (2008 - 2010). Australia mở rộng chƣơng trình trợ cấp lắp đặt pin mặt trời với múc 4 đô la Úc/Wp. Mỹ đã ban hành tín dụng thuế liên bang ở mức 30% đối với pin mặt trời cho đến hết năm 2007. Với chƣơng trình sáng kiến mặt trời, bang California đã thực hiện trợ cấp lắp đặt pin mặt trời kéo dài đến hết năm 2011 với trị giáo 3,2 tỷ USD để lắp đạt 3 GWp cho các công trình nhà ở, trƣờng học, nhà xƣởng, trang trại vào năm 2017. Theo một nghiên cứu chi tiết của Cơ quan Năng lƣợng quốc tế (IEA) ở 14 nƣớc, trong đó hầu hết là lãnh thổ chau Âu, Nhật Bản, Úc, Canada và Mỹ đã đƣa ra các kết luận tiềm năng đóng góp điện mặt trời vào sản lƣợng điện quốc gia của các nƣớc trên đây là rất lớn, cụ thể đối với Mỹ là 60%, Nhật Bản 15%. Anh 30%. Cách đánh giá này đã loại trừ những yếu tố làm giảm hiệu suất panel điện mặt trời, nhƣ độ che khuất, độ nghiêng tối ƣu về phía mặt trời… [4].
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 75 K16 Khoa học môi trường
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tƣợng nghiên cứu: Thiết bị ĐNNMT: Nguyên lý hoạt động, các yếu tố ảnh hƣởng đến thiết bị, điều kiện triển khai lắp đặt, sử dụng thiết bị, hiệu quả kinh tế môi trƣờng khi sử dụng thiết bị ĐNNMT.
Phạm vi nghiên cứu: Trong khuôn khổ của một luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trƣờng, tác giả triển khai nghiên cứu đánh giá bằng thực nghiệm tính toán hiệu quả của thiết bị ĐNNMT về các mặt tiết kiệm điện năng, giảm phát thải khí nhà kính và hiệu quả kinh tế với sự hỗ trợ của Trung tâm Nghiên cứu Năng lƣợng mới (Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội). Thực nghiệm đƣợc tiến hành trên 05 mẫu thiết bị ĐNNMT cho các hộ gia đình, mỗi thiết bị có diện tích bộ thu từ 1,6 - 2m2, dung tích bình chứa từ 160 - 200 lít, Trong 05 bộ thí nghiệm có 04 bộ loại thiết bị ĐNNMT tấm - ống do Trung tâm Nghiên cứu Năng lƣợng mới sản xuất, lắp đặt và 01 ống thủy tinh chân không do Công ty Sơn Hà cung cấp và lắp đặt.
Thời gian thí nghiệm: từ tháng 6 đến hết tháng 12 năm 2010. Các đo đạc đƣợc thực hiện liên tục và tự động (bằng thiết bị chuyên dụng SWH Data logger - Solar hot Water Heater Data Logger, sẽ đƣợc trình bày chi tiết ở phần sau) (bảng 2.1, hình 2.1).
Bảng 2.1. Lắp đặt các hệ thí nghiệm sử dụng thiết bị ĐNNMT TT Hộ thí nghiệm, địa chỉ Diện tích bộ thu (m2 ) loại thiết bị Dung tích bình
chứa (lít) Thời gian đo
1
Cô Yến
Số 74 Trần Hƣng Đạo, Q. Hoàn Kiếm
1,5 tấm - ống 150 Tháng 6 đến 12/2010
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 76 K16 Khoa học môi trường 2
Ông Thịnh Tam Chinh - Mai Động, H. Thanh Trì
2 tấm - ống 200
3
Ông Hội
Đại Từ, Giáp Bát, Q. Hoàng Mai 1,5 tấm - ống 150 4 Ông Lam Lƣơng Thế Vinh, Q. Thanh Xuân 1,6 tấm-ống 150 5
Trung tâm Năng lƣợng mới
Đại học Bách Khoa HN, Q. Hai Bà Trƣng 1,6 ống thủy tinh chân không 120
Thiết bị ĐNNMT tấm - ống Thiết bị ĐNNMT ống thủy tinh chân không
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 77 K16 Khoa học môi trường 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Cho đến nay mặc dù khẳng định rằng sử dụng NLMT thay cho việc sử dụng điện để đun nƣớc nóng (chủ yếu cho sinh hoạt gia đình) là tiết kiệm điện năng và do đó đem lại các lợi ích về kinh tế và môi trƣờng. Tuy nhiên, vẫn chƣa có nhiều các công trình thực nghiệm đủ tin cậy để đo đạc, đánh giá hiệu quả thực tế của các lợi ích đó.
Vì vậy, trong khuôn khổ đề tài nguyên cứu của luận văn sẽ tiến hành đánh giá định lƣợng và khoa học hiệu quả thực tế về tiết kiệm năng lƣợng của thiết bị ĐNNMT trong các hệ thí nghiệm (đƣợc mô tả trong bảng 2.1, Chƣơng 2). Để đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng, hiệu quả kinh tế cần phải xác định các thông số sau:
- Nhiệt độ nƣớc lạnh vào và nƣớc nóng ra - Nhiệt độ môi trƣờng
- Lƣu lƣợng và khối lƣợng nƣớc sử dụng hàng ngày - Thời gian sử dụng nƣớc nóng hàng ngày
- Bức xạ mặt trời
Các thông số trên cần đƣợc đo đạc và lƣu trữ tự động với khoảng cách giữa các điểm đo là 05 phút (có thể điều chỉnh và đặt chƣơng trình đƣợc).
Sau đó sẽ tính ra đƣợc hiệu quả tiết kiệm của các thiết bị ĐNNMT (so với các thiết bị dùng điện hoặc dùng nhiên liệu hóa thạch nhƣ than, gas…) về các mặt tiết kiệm điện năng, hiệu quả kinh tế, các lợi ích môi trƣờng (thông qua giảm phát thải CO2, SO2, bụi…).
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu thông dụng