2.1.1.Các khái niệm cơ bản a. Năng lượng mặt trời a. Năng lượng mặt trời
Trái đất nhận năng lượng bức xạ chủ yếu từ mặt trời. Năng lượng đến trái đất từ các thiên thể khác trong vũ trụ là không đáng kể. Khi truyền trong khí quyển, do tính bất đồng nhất về mặt quang học, về trạng thái lý hóa của khí quyển, bức xạ mặt trời bị hấp thụ và khuếch tán. Phần khá lớn của bức xạ mặt trời dưới dạng chùm tia song song được gọi là trực xạ. Phần bức xạ bị khí quyển khuếch tán từ mọi điểm của vòm trời đến mặt đất được gọi là tán xạ. Tổng của trực xạ và tán xạ được gọi tổng xạ.
Bức xạ mặt trời khi đến mặt đất, phần cơ bản bị hấp thụ chuyển thành nhiệt đốt nóng mặt đất, phần khác bị phản xạ trở lại khí quyển. Phần bức xạ mặt trời bị mặt đất hay khí quyển (chủ yếu do mây) phản xạ trở lại được gọi là phản xạ.
Mức độ hấp thụ bức xạ của bề mặt đất lớn hơn rất nhiều so với khí quyển vì khí quyển cơ bản là môi trường khuếch tán bức xạ, hấp thụ rất ít, trừ mây. Do bị đốt nóng, mặt đất trở thành nguồn phát xạ nhiệt hướng tới khí quyển. Bức xạ phát ra từ mặt đất gọi là bức xạ mặt đất. Khí quyển phát xạ về mọi hướng và một phần hướng về mặt đất, phần này gọi là bức xạ nghịch của khí quyển.
Các dòng bức xạ kể trên khác nhau về thành phần phổ. Phần cơ bản của bức xạ mặt trời do phát xạ ở nhiệt độ cao, nên nằm trong khoảng phổ nhìn thấy. Trong khi đó, bức xạ mặt đất và bức xạ khí quyển phần lớn ở bước sóng lớn hơn 4 µm. Do sự khác biệt này mà bức xạ mặt trời được gọi là bức xạ sóng ngắn còn bức xạ mặt đất và khí quyển gọi là bức xạ sóng dài.
Như vậy, trong khí quyển luôn tồn tại một hệ các dòng bức xạ khác nhau về thành phần phổ và hướng. Về mặt năng lượng thì tổng đại số của tất cả các dòng bức xạ qua một bề mặt nào đó (năng lượng bức xạ tới và rời khỏi bề mặt) phải cân bằng.
Hình 2.1-Thông lượng bức xạ của mặt trời và trái đất.
Năng lượng Mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lượng mà chúng ta được biết. Nếu sử dụng hết, năng lượng mặt trời có thể đáp ứng đến 1500 lần nhu cầu của con người.
Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
Bức xạ Mặt trời có ở khắp mọi nơi trên Trái đất với cường độ khoảng 1367 W/m2 tại đỉnh khí quyển. Tuy nhiên, vì thời gian có nắng trong một năm không đồng đều, nên năng lượng thu được trong một năm (tính bằng kWh/năm) thay đổi theo từng nơi, từng vùng trên Trái đất.
b. Pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ Năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin năng lượng mặt trời để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.
Tuy nhiên, giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay trên thế giới khoảng 0.6-0.7USD/Wp, tuy nhiên ở Việt Nam giá cao hơn (1-1,2 USD/Wp, như vậy
cần có nguồn kinh phí lớn mới có khả năng cung cấp năng lượng điện mặt trời cho các hộ vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã từng bước thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau đáp ứng nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta.
c. Nhà máy điện mặt trời
Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện.
Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:
- Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo 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 theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500oC.
- Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 1500oC. Hiện nay ở Việt Nam chưa triển khai mô hình này.
Hình 2.2 - Khung phân tích vấn đề nghiên cứu