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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
- Phƣơng pháp thu thập tài liệu, số liệu có liên quan: Kết hợp với Văn phòng Tiết kiệm Năng lƣợng (Bộ Công Thƣơng) và Công ty Cổ phần Năng lƣợng Sơn Hà điều tra, tìm hiểu hiện trạng sản xuất, cung cấp thiết bị ĐNNMT trên địa bàn Hà Nội.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 78 K16 Khoa học môi trường - Phƣơng pháp thực nghiệm: kết hợp với Trung tâm nghiên cứu Năng lƣợng mới (Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội) thu thập, xử lý các số liệu thực nghiệm, theo dõi khả năng vận hành của thiết bị.
- Phƣơng pháp phân tích, đo đạc các thông số kỹ thuật của thiết bị trong thời gian vận hành.
2.3.2. Thu thập số liệu tự động SWH Data logger
Thiết bị đo SWH Data logger (Solar hot Water Heater Data Logger) cần đáp ứng đƣợc các yêu cầu đặt ra đã nói trên. Thiết bị phải gọn nhẹ, hoạt động tự động, tin cậy và cần đƣợc nuôi bởi một nguồn nuôi độc lập, không liên quan đến nguồn điện của các hộ sử dụng (vì nguồn điện lƣới không đảm bảo lien tục). Trong thiết kế nguồn nuôi sử dụng 01 ắc quy 6V-2Ah và đƣợc nạp liên tục từ Pin mặt trời tinh thể Si 9V-2W thông qua mạch nạp gắn sẵn trong bộ mạch chính của SWH Data logger.
Hình 2.2 là ảnh của một số thanh phần chính của bộ đo nhƣ nguồn nuôi (ắc qui và pin mặt trời), mạch đo cũng nhƣ các “jắc” nối.
Hình 2.3 cho thấy sự kết nối Bộ đo với thiết bị ĐNNMT của một hộ đang sử dụng.
Cấu tạo
Hình 2.2 là ảnh bộ đo SWH Data logger gồm 5 thành phần chính nhƣ đƣợc chỉ ra.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 79 K16 Khoa học môi trường
Hình 2.2. Cấu tạo bên ngoài và các cổng tín hiệu của bộ thu thập số liệu tự động
Hình 2.3. Cấu tạo bên trong, bo mạch chính và nguồn nuôi của bộ thu thập số liệu tự động Chú thích: 1. Đèn báo trạng thái 2. Cảm biến nhiệt độ 3. Cảm biến lƣu lƣợng 4. Cổng RS-232 ghép nối máy tính
5. Nguồn điện pin mặt trời
1
5 4 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3 2
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 80 K16 Khoa học môi trường
Hình 2.4. Hệ đo và thu thập số liệu sau khi lắp đặt Hoạt động
Cơ chế hoạt động: SWH Data logger: hoạt động hoàn toàn tự động, mọi cài đặt chỉ thực hiện 1 lần từ máy tính qua cổng RS 232
Nguồn nuôi: SWH Data logger đƣợc nuôi bằng 01 ắc quy 6V-2Ah và đƣợc nạp liên tục từ Pin mặt trời 9V-2W thông qua mạch nạp gắn sẵn trong bo mạch chính của SWH Data logger
Phƣơng pháp thu thập số liệu:
Số liệu đƣợc đọc và hiển thị liên tục trên máy tính (hình 2.5)
Các số liệu thu thập đƣợc lƣu vào thẻ nhớ có dung lƣợng 2Gb dƣới dạng file excel (hình 2.6), thời gian lƣu dự tính: 12 tháng
Điều kiện hoạt động: SWH Data logger có thể hoạt động ngoài trời lâu dài.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 81 K16 Khoa học môi trường - Điện áp: 5VDC
- Công suất tiêu thụ: 0.5W - Dung lƣợng thẻ nhớ: 2Gb
- Thông số đo: Lƣu lƣợng, nhiệt độ - Bộ chuyển đổi ADC: 10bit
- Kích thƣớc: DxRxC: 200x200x50mm - Trọng lƣợng: 0.5kg
Hình 2.5. Giao diện kết nối với máy vi tính của SWH Data logger
Hình 2.6. Kết quả đo được lưu lại dưới dạng file excel Phương thức lưu trữ số liệu
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 82 K16 Khoa học môi trường Các số liệu đo tự động hang ngày đƣợc lƣu trữ vào thẻ nhớ và đƣợc thu thập 03 tháng 1 lần. Qua máy tính các số liệu đƣợc xử lý thành các bộ số liệu dạng nguyên thủy, trung bình ngày, trung bình tháng và trung bình ngày của nhiều ngày, nhiều tháng. Các số liệu đƣợc biểu diễn dƣới dạng file exel và đồ thị.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 83 K16 Khoa học môi trường
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI
3.1.1. Các đặc thù của Hà Nội
Thành phố Hà Nội là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa cả nƣớc. So với các địa phƣơng khác trong cả nƣớc thì Hà Nội thì có một số đặc điểm riêng đặc thù về mặt ứng dụng NLMT:
- Hà Nội đƣợc cấp điện lƣới 100% đến các hộ dân với chế độ “ƣu tiên” (công suất điện đảm bảo đầy đủ hơn, ít bị cắt điện, hệ thống hạ tầng năng lƣợng tốt hơn…);
- Điều kiện kinh tế của ngƣời dân Hà Nội khá hơn do thu nhập cao hơn, ổn định hơn, trình độ dân trí cũng cao hơn…
- Nhu cầu tiêu thụ lớn hơn do sử dụng nhiều thiết bị điện và thiết bị có công suất lớn (gần 80% số hộ có tủ lạnh, 40 - 50% số hộ có điều hoàn không khí…);
- Tiềm năng NLMT ở khu vực Hà Nội không cao và có 2 mùa có bức xạ mặt trời rất khác nhau;
- Hà Nội tập trung nhiều cơ quan nghiên cứu, sản xuất kinh doanh về NLMT, ngƣời dân Hà Nội tiếp cận tốt hơn với các thông tin về NLMT về các lợi ích của nó nên có nhiều thuận lợi hơn trong việc ứng dụng các công nghệ năng lƣợng mặt trời nói chung và thiết bị ĐNNMT nói chung. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Với các điều kiện nêu trên có thể nói cho đến nay việc ứng dụng NLMT ở Hà Nội chỉ mới tập trung chủ yếu đối với công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp.
3.1.2. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Hà Nội
Khu vƣ̣c Hà Nội có Đài Khí tƣờng Thủy văn Láng đã quan trắc các thông số khí tƣơ ̣ng trong đó có NLMT từ những năm 1960 (Đài Láng, Hà Nội: Vĩ độ: 21002’; kinh độ: 105051’; độ cao: 5m so với mặt nƣớc biển).
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
HV: Nguyễn Đình Đáp 84 K16 Khoa học môi trường Các bảng 3.1 đến 3.4 dƣới đây là kết quả tổng hợp trung bình nhiều năm của NLMT mà Đài Láng đã quan trắc.
Bảng 3.1. Lượng tổng xạ cả ngày trung bình Qtb (đơn vị: kWh/m2.ngày)
Tháng 1 2 3 4 5 6 7
Qtb 2,434 2,397 2,525 3,456 5,262 5,309 5,586
Tháng 8 9 10 11 12 Cả năm
Qtb 5,064 4,784 4,178 3,461 2,961 3,95
Bảng 3.2. Lượng tán xạ cả ngày trung bình Dtb (đơn vị: kWh/m2.ngày)
Tháng 1 2 3 4 5 6 7
Dtb 1,70 1,933 2,083 2,610 2,945 3,072 2,864
Tháng 8 9 10 11 12 Cả năm
Dtb 2,781 2,445 2,164 1,897 1,769
Bảng 3.3. Lượng trực xạ cả ngày trung bình Itb (đơn vị: kWh/m2.ngày)
Tháng 1 2 3 4 5 6 7
Itb 0,733 0,467 0,442 0,850 2,317 2,234 2,722
Tháng 8 9 10 11 12 Cả năm
Itb 2,281 2,339 2,014 1,547 1,200
Bảng 3.4. Số giờ nắng cả ngày trung bình (lý thuyết) N (đơn vị: giờ/ngày)
Tháng 1 2 3 4 5 6 7
Ntb 11 11,5 12,0 12,6 13,1 13,4 13,3
Tháng 8 9 10 11 12 Cả năm
NItb 12,5 12,3 11,7 11,1 10,9 12,1