Bài giảng Năng lượng & Môi trường - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

103 trang ngocly 2140

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Năng lượng & Môi trường - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_nang_luong_moi_truong_dai_hoc_su_pham_ky_thuat_hun.pdf

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng & Môi trường - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Bài giảng Năng lượng & Môi trường TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG & MÔI TRƯỜNG HƯNG YÊN - 2012 Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 1
Bài giảng Năng lượng & Môi trường CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm Trong cách nói thông thường, năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất. Tóm lại, “NLTT là năng lượng thu được từ những nguồn liên tục được xem là vô hạn”. Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ. Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch). Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận. Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất. Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng. Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ. Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều. Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại "vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này. 1.2. Tiềm năng, trữ lượng và môi trường 1.2.1. Các dạng năng lượng hóa thạch Dầu mỏ. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 2
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục. Dầu thô tồn tại trong các lớp đất đá tại một số nơi trong vỏ Trái đất. Dầu mỏ là một hỗn hợp hóa chất hữu cơ ở thể lỏng đậm đặc, phần lớn là những hợp chất của hydrocacbon thuộc gốc alkan, thành phần rất đa dạng. Hiện nay dầu mỏ chủ yếu dùng để sản xuất dầu hỏa, diezen và xăng nhiên liệu. Ngoài ra, dầu thô cũng là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất ra các sản phẩm của ngành hóa dầu như dung môi, phân bón hóa học, nhựa, thuốc trừ sâu, nhựa đường Khoảng 88% dầu thô dùng để sản xuất nhiên liệu, 12% còn lại dùng cho hóa dầu. Do dầu thô là nguồn năng lượng không tái tạo nên nhiều người lo ngại về khả năng cạn kiệt dầu trong một tương lai không xa. Tùy theo nguồn tính toán, trữ lượng dầu mỏ thế giới nằm trong khoảng từ 1.148 tỉ thùng (barrel) (theo BP Statistical Review 2004 đến 1.260 tỉ thùng (theo Oeldorado 2004 của ExxonMobil). Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy và có khả năng khai thác mang lại hiệu quả kinh tế với kỹ thuật hiện tại đã tăng lên trong những năm gần đây và đạt mức cao nhất vào năm 2003. Người ta dự đoán rằng trữ lượng dầu mỏ sẽ đủ dùng cho 50 năm nữa. Năm 2003 trữ lượng dầu mỏ nhiều nhất là ở Ả Rập Saudi (262,7 tỉ thùng), Iran (130,7 tỉ thùng) và ở Iraq (115,0 tỉ thùng) kế đến là ở Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất, Kuwait và Venezuela. Nước khai thác dầu nhiều nhất thế giới trong năm 2003 là Ả Rập Saudi (496,8 triệu tấn), Nga (420 triệu tấn), Mỹ (349,4 triệu tấn), Mexico (187,8 triệu tấn) và Iran (181,7 triệu tấn). Việt Nam được xếp vào các nước xuất khẩu dầu mỏ từ năm 1991 khi sản lượng xuất được vài ba triệu tấn. Đến nay, sản lượng dầu khí khai thác và xuất khẩu hàng năm đạt vào khoảng 20 triệu tấn/năm. Việc sử dụng dầu mỏ đã và đang có những tác động xấu đến môi trường: dầu mỏ bị tràn ra biển gây ô nhiễm môi trường , ảnh hưởng đời sống sinh vật biển . Dầu mỏ đem đốt cũng gây ra ô nhiễm vì sinh ra nhiều khí như SO2 , CO2 . Xe cộ , máy móc chạy bằng xăng góp phần làm Trái Đất nóng lên . Than đá. Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành ở các hệ sinh thái đầm lầy nơi xác thực vật được nước và bùn lưu giữ không bị ôxi hóa và phân hủy bở sinh vật (biodegradation). Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các nguyên tố khác như lưu huỳnh. Than đá, là sản phẩm của quá trình biến chất, là các lớp đá có màu đen hoặc đen nâu có thể đốt cháy được. Than đá là nguồn nhiên liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide lớn nhất, được xem là nguyên nhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu. Than đá được khai thác từ các mỏ than lộ thiên hoặc dưới lòng đất (hầm lò). Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 3
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Than đá sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Trước đây, than dùng làm nhiên liệu cho máy hơi nước , đầu máy xe lửa . Sau đó , than làm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện , ngành luyện kim . Gần đây than còn dùng cho ngành hóa học tạo ra các sản phẩm như dược phẩm , chất dẻo , sợi nhân tạo . Than chì dùng làm điện cực Than có tính chất hấp thụ các chất độc vì thế người ta gọi là than hấp thụ hoặc là than hoạt tính có khả năng giữ trên bề mặt các chất khí , chất hơi , chất tan trong dung dịch . Dùng nhiều trong việc máy lọc nước , làm trắng đường , mặt nạ phòng độc Trữ lượng than của cả thế giới vẫn còn cao so với các nguyên liệu năng lượng khác ( dầu mỏ , khí đốt ) . Được khai thác nhiều nhất ở Bắc bán cầu , trong đó 4/5 thuộc các nước sau : Hoa Kì , Nga , Trung Quốc , Ấn Độ , Úc , Đức , Ba Lan , Canada , sản lượng than khai thác là 5 tỉ tấn/năm Tại Việt Nam , có rất nhiều mỏ than tập trung nhiều nhất ở các tỉnh phía Bắc nhất là tỉnh Quảng Ninh , mỗi năm khai thác khoảng 15 đến 20 triệu tấn. Than được khai thác lộ thiên là chính còn lại là khai thác hầm lò Cũng như dầu mỏ, việc sử dụng than đá đã và đang tạo ra nhiều tác động có hại đến môi trường: việc khai thác than tạo ra khói bụi, nước thải xử lý chế biến than làm ảnh hưởng môi trường nước. Việc sử dụng các công nghệ khí hóa than cũng như sử dụng than làm nhiên liệu tạo ra nhiều khí CO, CO2, SO2, ảnh hưởng đến môi trường không khí. 1.2.2. Các dạng năng lượng tái tạo. Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời. Trong các mô hình tính toán trên lý thuyết người ta cũng đã cố gắng chứng minh là với trình độ công nghệ ngày nay, mặc dầu là bị thất thoát công suất và nhu cầu năng lượng ngày một tăng, vẫn có thể đáp ứng được toàn bộ nhu cầu về năng lượng điện của châu Âu bằng các tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi hay là bằng các tuốc bin gió được lắp đặt ngoài biển (off-shore). Sử dụng một cách triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lượng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu cầu nước nóng. Với điều kiện địa lý và khí hậu thuận lợi, Việt Nam là nước có nguồn NLTT khá lớn và đa dạng, phân luồng trên nhiều vùng sinh thái khác nhau, có thể khai thác Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 4
Bài giảng Năng lượng & Môi trường để đáp ứng một phần nhu cầu năng lượng, điện năng tại chỗ cho miền núi, hải đảo, nông thôn, thành thị cũng như nối lưới điện quốc gia. Việt Nam có thể phát triển mạnh nguồn NLTT, đó là thủy điện nhỏ, gió, mặt trời và sinh khối. Trong đó, thủy điện nhỏ có sức cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác, ước tính Việt Nam có khoảng 480 trạm thủy điện nhỏ với tổng công suất lắp đặt là 300MW, phục vụ hơn 1 triệu người tại 20 tỉnh. Các đề tài nghiên cứu đang được tiến hành cho thấy Việt Nam có thể phát triển mạnh nguồn năng lượng tái tạo, đó là thuỷ điện nhỏ, gió, mặt trời và sinh khối (biomass). Từ lâu, thuỷ điện nhỏ đã được sử dụng ở Việt Nam nhằm giải quyết nhu cầu năng lượng ở quy mô gia đình và cộng đồng nhỏ, chủ yếu là vùng trung du miền núi. Thuỷ điện nhỏ có sức cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác do điện từ đó có giá thành cạnh tranh, trung bình khoảng 4 cent (600 đồng)/KWh. Ước tính Việt Nam có khoảng 480 trạm thuỷ điện nhỏ với tổng công suất lắp đặt là 300MW, phục vụ hơn 1 triệu người tại 20 tỉnh. Trong số 113 trạm thuỷ điện nhỏ, công suất từ 100KW-10MW, chỉ còn 44 trạm đang hoạt động. Con số 300MW quả là quá nhỏ bé so với tiềm năng của thuỷ điện nhỏ ở Việt Nam là 2.000MW, tương đương với công suất của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình. Còn về điện mặt trời, Việt Nam đã phát triển nguồn năng lượng này từ những năm 1960 song cho tới nay vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi. Theo ý kiến của nhiều chuyên gia, nên phát động phong trào sử dụng loại hình năng lượng này ở thành phố nhằm tiết kiệm điện. Bức xạ nắng mặt trời sau khi đi qua tấm kính có thể đun nóng nước tới 80oC và nước được nối qua bình nóng lạnh để tắm rửa hoặc đun nấu. Với một bể 500 lít nước nóng/ngày, một hộ gia đình cần đầu tư 3 triệu đồng để mua thiết bị và 3 năm sẽ thu hồi được vốn. Một loại NLTT nữa là gió. Mặc dù Việt Nam không có nhiều tiềm năng gió như các nước châu Âu, song so với khu vực Đông Nam Á thì lại có tiềm năng lớn. Tuy nhiên tốc độ gió ở Việt Nam không cao, phân bố mật độ năng lượng vào khoảng 800 -1.400 kWh/m2/năm tại các hải đảo, 500-1.000 kWh/m2/năm tại vùng duyên hải và Tây Nguyên, các khu vực khác dưới 500kWh/m2/năm. Ngoài phong điện, tiềm năng sinh khối trong phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam cũng khá lớn. Nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam là trấu, bã mía, sắn, ngô, quả có dầu, gỗ, phân động vật, rác sinh học đô thị và phụ phẩm nông nghiệp. Trong đó, tiềm năng sinh khối từ mía, bã mía là 200-250MW, trong khi trấu có tiềm năng tối đa là 100MW. Hiện cả nước có khoảng 43 nhà máy mía đường, trong đó Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 5
Bài giảng Năng lượng & Môi trường 33 nhà máy sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bằng bã mía với tổng công suất lắp đặt 130MW. Mặc dù có nhiều nỗ lực trong việc thúc đẩy nguồn NLTT nhưng cho đến nay số dự án NLTT thực hiện ở Việt Nam còn rất “khiêm tốn”. Theo nhiều chuyên gia, mức độ giảm tỷ trọng trên sẽ còn tiếp diễn trong những năm tới bởi Việt Nam hiện vẫn chưa có kế hoạch tổng thể về vấn đề này. Kinh nghiệm thế giới cho thấy, một trong những phương cách đầy triển vọng có thể giải quyết được những nhiệm vụ của chiến lược phát triển bền vững là thiết lập cơ chế hữu hiệu, khuyến khích sử dụng các nguồn NLTT. Cơ chế này được hình thành ở các nước công nghiệp phát triển vào những năm 1970. Chính phủ các nước phải can thiệp vào ngành năng lượng mạnh hơn về phương diện đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng và nâng cao tính tự chủ về năng lượng cũng như về kiểm soát sự tiêu thụ. Chính trong giai đoạn đó, NLTT bắt đầu được sử dụng tích cực hơn. Các nhà sản xuất và người tiêu thụ năng lượng “sạch” được Nhà nước dành cho những ưu đãi như: tài trợ và cấp tín dụng với mức lãi suất thấp, bảo lãnh tiền vay ngân hàng, xác lập giá cố định mua điện năng được sản xuất bằng NLTT, cấp tài chính cho các công tác nghiên cứu và triển khai trong lĩnh vực năng lượng phi truyền thống Hiện nhiều nước trên thế giới có biện pháp trợ giúp hữu hiệu của Nhà nước đối với ngành năng lượng phi truyền thống là các hợp đồng dài hạn (từ 15 tới 30 năm) mua điện theo giá cố định (thường cao hơn giá thị trường) của các công ty nhỏ sản xuất điện năng bằng các nguồn NLTT. Tại Mỹ, năm 1992 nước này đã thông qua Luật về chính sách năng lượng, trong đó quy định ưu đãi thuế cố định là 10% đối với vốn đầu tư cho thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và địa nhiệt. Bằng cách đó đã tạo được cơ sở để các nhà máy điện sử dụng năng lượng truyền thống và các nguồn NLTT cạnh tranh với nhau, còn các nhà đầu tư có đủ cơ sở để thu được lợi nhuận do sử dụng NLTT. Trong những năm gần đây, chương trình “Gió cung cấp năng lượng cho Mỹ” đã được đưa vào thực hiện với nguồn trợ cấp hàng năm của Bộ Năng lượng Mỹ là 33 triệu USD. Mỹ còn là một trong những quốc gia dẫn đầu trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời với mục đích thương mại. Trong 20 năm qua, Mỹ đã chi hơn 1,4 tỷ USD cho việc nghiên cứu triển khai các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện. Hiện nay trên 10.000 ngôi nhà ở Mỹ sử dụng hoàn toàn năng lượng mặt trời. 1.3. Phân loại các nguồn NLTT 1.3.1. Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 6
Bài giảng Năng lượng & Môi trường 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.Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời.Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa.Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 7
Bài giảng Năng lượng & Môi trường lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển. 1.3.2. Nguồn gốc từ nhiệt năng trái đất Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng Trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của Mặt Trời. Địa nhiệt dù sao vẫn có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: - Nhà máy điện địa nhiệt - Sưởi ấm địa nhiệt 1.3.3. Nguồn gốc từ hệ động năng trái đất - mặt trăng. Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều. Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía Mặt Trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời. 1.3.4. Các nguồn NLTT nhỏ khác. Ngoài các nguồn năng lượng nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng: Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 8
Bài giảng Năng lượng & Môi trường - Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lượng lắc lư của tay khi con người hoạt động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con quay. Năng lượng này được dùng để làm chuyển động kim đồng hồ. - Một số động cơ có rung động lớn được gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và tạo nguồn điện phụ. Tinh thể này cũng có thể được gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên của người để phát điện cho các thiết bị cá nhân nhỏ như PDA, điện thoại di động - Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nước hay các nguồn nước chảy, khi nước đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp. - Các ăngten thu dao động điện từ (thường ở phổ radio) trong môi trường sang năng lượng điện xoay chiều hay điện một chiều. Một số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu năng lượng sóng vi ba phát ra từ điện thoại để phát sáng, hoạt động theo cơ chế này. 1.4. Vai trò của năng lượng tái tạo 1.4.1. Về môi trường Vấn đề biến đổi khí hậu Việc sử dụng quá mức các nguồn năng lượng truyền thống đã và đang gây ra các vấn đề nghiêm trọng về môi trường, đó là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu. Để ứng phó với biến đổi khí hậu, nhiều quốc gia đang nỗ lực tìm kiếm và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Báo cáo phát triển Thế giới do Ngân hàng Thế giới công bố mới đây cho biết ba yếu tố chính khiến người dân ở khu vực Đông Á và Thái Bình Dương bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu là: Lượng dân cư lớn sống dọc theo bờ biển và ở đảo thấp; một số nước nghèo phụ thuộc vào nông nghiệp; các nền kinh tế khu vực phụ thuộc nhiều vào nguồn thuỷ hải sản. Việt Nam là một nước chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu và cũng đã chủ động có kế hoạch hành động cùng cộng đồng quốc tế chống biến đổi khí hậu. Theo Thứ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường Trần Văn Đức, Việt Nam đã có nhiều nỗ lực trong việc ứng dụng các công nghệ giảm carbon. Chương trình mục tiêu quốc gia chống biến đổi khi hậu đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt. Kịch bản nước biển dâng cũng đã được công bố dựa trên các cơ sở nghiên cứu thực tiễn. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 9
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Một số nước khác cũng đã giảm sự thâm dụng năng lượng, đầu tư vào năng lượng tái tạo, tích cực bảo vệ rừng, xây dựng các đô thị thông minh với khí hậu. Một số nước khác cũng đã giảm sự thâm dụng năng lượng, đầu tư vào năng lượng tái tạo, tích cực bảo vệ rừng, xây dựng các đô thị thông minh với khí hậu. Thái Lan đang theo đuổi con đường năng lượng tái tạo để cải thiện an ninh năng lượng. Quốc gia này dự kiến tăng tỷ lệ tiêu thụ năng lượng tái tạo toàn quốc từ 1% như hiện nay lên 20% vào năm 2020.Hay như Trung Quốc đang xây dựng các toà nhà chọc trời ở thành phố Rizhao (tinhr Sơn Đông) có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời. 99% hộ dân của thành phố sẽ sử dụng hơn 500.000 m2 tấm đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời, giảm được một nửa phát thải cacbon. Trên thực tế, vấn đề đặt ra là cần nâng cao nhận thức của cộng đồng, thuyết phục cộng đồng đương đầu với sự thay đổi và nắm bắt các cơ hội để đạt được sự tăng trưởng bền vững Mới đây, tại Hội nghị về khí hậu do tạp chí The Economist, Viện nghiên cứu Trái đất của Đại học Columbia và doanh nghiệp viễn thông Ericsson đồng tổ chức, Tổng Thư ký Liên hợp quốc, tuyên bố: “Chúng ta đang sống trong một thế giới phát triển nhanh, một thế giới phụ thuộc, tương trợ lẫn nhau”. Ông cũng nhấn mạnh tăng trưởng xanh chính là con đường để giúp giải quyết các thách thức về khí hậu. “Điều này có thể giúp chúng ta đạt được các nền tảng phục hồi bền vững và rộng mở”. 1.4.2. Về kinh tế xã hội Nhu cầu sử dụng năng lượng trên Thế giới ngày càng tăng và việc lạm dụng các nguồn năng lượng hóa thạch đã làm cho các nguồn năng lượng này ngày càng trở nên cạng kiệt, đồng thời kéo theo đó là giá cả năng lượng leo thang. Do đó việc sử dụng các nguồn NLTT sẽ góp phần giải quyết nhu cầu sử dụng năng lượng, giảm chi phí cho việc sử dụng năng lượng, góp phần vào sự phát triển của nền kinh tế, cải thiện đời sống kinh tế và tinh thần của người dân ở những vùng sâu, vùng xa, 1.4.3. Về an ninh quốc gia. Hạn chế, tiến đến chấm dứt sự phụ vào năng lượng của nước ngoài, bảo đảm an ninh năng lượng trong nước 1.4.4. Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mới và năng lượng tái tạo. Đức hiện đang dẫn đầu thế giới về mức sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và có thể trở thành quốc gia đầu tiên của G20 từ bỏ các nguồn nhiên liệu từ dầu Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 10
Bài giảng Năng lượng & Môi trường mỏ. Đức hiện đang dẫn đầu thế giới về mức sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và có thể trở thành quốc gia đầu tiên của G20 từ bỏ các nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ. Theo nghiên cứu mang tên Cách mạng năng lượng: Hướng tới cung cấp năng lượng tái tạo đầy đủ tại châu Âu (Energy (R)evolution: Towards a fully renewable energy supply in the EU) của tổ chức Greenpeace và hội đồng Năng lượng tái tạo châu Âu (EREC) công bố ngày 8.7, đến năm 2050, Liên minh châu Âu (EU) có thể chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo gần như hoàn toàn. Nghiên cứu cho biết 27 nước thành viên châu Âu có thể hướng tới loại bớt năng lượng hóa thạch và hạt nhân để dần sử dụng các nguồn khác như năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt và sinh khối (biomass). Cụ thể: vào năm 2050, 92% năng lượng sử dụng và 97% lượng điện của châu Âu sẽ là năng lượng tái tạo; 8% số năng lượng còn lại là dầu, chỉ được dùng trong hàng hải và hàng không, vốn là hai lĩnh vực được xem là khó tìm nguồn năng lượng thay thế. Mục tiêu trên có thể làm EU tiêu tốn trên 2.000 tỉ euro từ nay đến năm 2050, đồng thời làm giá năng lượng trong khu vực này tăng cao trong ngắn và trung hạn. Đầu tư cho năng năng lượng tái tạo từ 2007 đến 2030 có thể lên đến 30 tỉ euro/năm, tương đương 80% tổng số đầu tư của EU. Tuy nhiên Greenpeace và EREC khẳng định các kế hoạch năng lượng xanh sẽ giúp châu Âu giảm gánh nặng 19 tỉ euro (24,05 tỉ USD) mỗi năm cho nhập khẩu dầu và khí đốt. Tính tổng cộng đến năm 2050, EU có thể tiết kiệm 2650 tỉ euro chi phí nhiên liệu. Ngoài ra, các dự án năng lượng xanh sẽ giải quyết việc làm cho khoảng 1,2 triệu người lao động châu Âu vào năm 2030 và tạo ra 280.000 việc làm mới từ năm 2020 đến 2030. Việt Nam được đánh giá là nước có nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo sạch khá dồi dào, nhưng ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo vẫn ở bước đầu chập chững và còn nhiều hạn chế. Theo “Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050” mục tiêu hướng tới của các nguồn năng lượng mới và tái tạo vẫn còn ở mức khiêm tốn (đạt tỉ lệ khoảng 5% tổng năng lượng thương mại sơ cấp đến năm 2010 và 11% vào năm 2050). Trong khi đó, nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng ở mức chóng mặt ở Việt Nam. Mặc dù chưa được đầu tư đúng mức nhưng năng lượng tái tạo hiện cũng đã thu hút sự chú ý của một số cơ quan nghiên cứu trong nước. Thách thức chung của các nghiên cứu ở Việt Nam hiện nay là giá thành vật liệu cao, do đó, các sản phẩm làm ra khó có thể cạnh tranh với hàng ngoại nhập và chủ yếu nghiên cứu ứng dụng năng lượng thủy điện, năng lượng mặt trời, và năng lượng gió. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 11
Bài giảng Năng lượng & Môi trường CHƯƠNG II. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1. Năng lượng mặt trời 2.1.1. Cấu trúc của mặt trời Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,39.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng, mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng cách này đến trái 30 đất). Khối lương mặt trời khoảng Mo = 2.10 kg. Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển đông tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời. Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lương mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lương riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lương truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cacbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km. Ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là“khí quyển” của mặt trời. Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đât. Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydro. Vật chất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác. Nguồn năng Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 12
Bài giảng Năng lượng & Môi trường lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển đông của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 neutrino và một lương bức xạ : 4H11 → He24 + 2 Neutrino +  Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn. Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các “biến cố” sau đó. Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị mất đi. Khối lương của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trang 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 Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 13
Bài giảng Năng lượng & Môi trường phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên trái đất). 2.1.2. Khái quát về năng lượng bức xạ mặt trời Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ  ban đầu khi đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ  là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 2) Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra. Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 0,1 – 10 m và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 m, đó là vùng nhìn thấy của phổ. Hình 2.2. Dải bức xạ mặt trời Chùm tia xuyên thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ được xác định theo công thức: 4 T q = D-T .C 0 (0.1) 100 Trong đó: Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 14
Bài giảng Năng lượng & Môi trường D-T là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời β2 = D-T 4  - góc nhìn mặt trời (hình 1.7) 2 4 C0 = 5,67 W/m K - hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối T 57620K – nhiệt độ bề mặt trời (coi là vật đen tuyệt đối) Hình 2.3. Góc nhìn mặt trời Vậy: 2 2.3,14.32 4 360.60 5762 2 q = .5,67. = 1353 W/m 4100 Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên  cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem như q = const và được gọi là hằng số mặt trời. 2.1.3. Quá trình truyền bức xạ mặt trời đến trái đất Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới trái đất. Lúc đầu ôxy phân tử bình thường O2 phân ly thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 1,18 m, do đó các photon (coi bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với phân tử ôxy khác Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 15
Bài giảng Năng lượng & Môi trường để tạo thành phân tử ôzôn O3. Ôzôn cũng hấp thụ các bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy. Dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32 m, sự phân tách O3 thành O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn. Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển, bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Khi đi qua lớp khí quyển, bức xạ mặt trời còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác. Mức độ của sụ hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất là ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Hình 2.4. Quá trình truyền bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 16
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang mây ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000 W/m2. (Hình 4) Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa trong năm và vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh mặt trời gây ra (hình 5). Góc nghiêng vào khoảng 23,5o và thực tế xem như không đổi trong không gian. Sự định hướng như vậy của trục trái đất trong chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm. Thêi gian ®Ó tr¸i ®Êt hoµn thµnh mét quü ®¹o chuyÓn ®éng lµ mét n¨m. T¹i mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh trªn quü ®¹o, phÇn b¸n cÇu nµo nghiªng vÒ phÝa mÆt trêi sÏ nhËn ®•îc l•îng bøc x¹ trùc x¹ nhiÒu h¬n víi thêi gian chiÕu s¸ng dµi h¬n trong mét ngµy so víi b¸n cÇu kia. B¾c cùc 21/3 23,5 H•íng quay ®é tr¸i ®Êt nghiªng MÆt trêi 21/6 21/12 21/9 Hình 2.5. Trái đất trên quỹ đạo chuyeenrr động quanh mặt trời Tõ mét vÞ trÝ quan s¸t trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt, sù thay ®æi cña vÞ trÝ mÆt trêi theo thêi gian trong n¨m ®•îc minh häa nh• trªn h×nh 5. Vµo ngµy 22 th¸ng 6 mÆt trêi ë vÞ trÝ gÇn b¸n cÇu b¾c nhÊt vµ ®i qua ®Ønh ®Çu vµo lóc gi÷a tr•a t¹i chÝ tuyÕn b¾c (vÜ tuyÕn 23,50N). KÕt qu¶ lµ b¾c b¸n cÇu nhËn ®•îc ¸nh s¸ng mÆt trêi nhiÒu nhÊt vµo ngµy nµy trong n¨m. Khi tr¸i ®Êt tiÕp tôc quay theo quü ®¹o cña nã, mÆt trêi sÏ chuyÓn dÞch t•¬ng ®èi vÒ phÝa nam b¸n cÇu lµm thêi gian ®•îc chiÕu s¸ng ë phÝa nam b¸n cÇu trong mét ngµy dµi h¬n so víi b¾c b¸n cÇu. Vµo ngµy 22 th¸ng 9 mÆt trêi trùc tiÕp ®i qua thiªn ®Ønh t¹i xÝch ®¹o nªn c¶ hai b¸n cÇu ®Òu nhËn ®•îc ¸nh s¸ng mÆt trêi nh• nhau trong mét ngµy. Sau khi tiÕp tôc di chuyÓn t•¬ng ®èi vÒ phÝa nam cho ®Õn khi ®i qua thiªn ®Ønh t¹i chÝ Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 17
Bài giảng Năng lượng & Môi trường tuyÕn nam (vÜ ®é 23,50S) vµo ngµy 22 th¸ng 12. Trong ngµy nµy b¸n cÇu b¾c cã thêi gian chiÕu s¸ng Ýt nhÊt vµ b¸n cÇu nam cã thêi gian chiÕu s¸ng dµi nhÊt. Sau khi ®¹t tíi vÞ trÝ thiªn ®Ønh ë nam chÝ tuyÕn, mÆt trêi l¹i di chuyÓn t•¬ng ®èi vÒ phÝa b¾c b¸n cÇu vµ ®i ngang qua xÝch ®¹o lÇn n÷a vµo ngµy 21 th¸ng 3 råi l¹i ®èi diÖn trùc tiÕp víi trÝ tuyÕn b¾c vµo ngµy 22 th¸ng 6 hoµn thµnh mét chu kú chuyÓn ®éng cña tr¸i ®Êt quanh mÆt trêi trong thêi gian mét n¨m C•êng ®é bøc x¹ mÆt trêi phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch t•¬ng ®èi gi÷a mÆt trêi vµ víi ®iÓm quan s¸t trªn tr¸i ®Êt. Trong mét ngµy, kho¶ng c¸ch nµy sÏ gi¶m dÇn tõ khi mÆt trêi mäc ®Õn khi ®¹t ®•îc gi¸ trÞ thÊp nhÊt vµo gi÷a tr•a khi mÆt trêi ë trªn ®Ønh ®Çu, sau ®ã l¹i t¨ng dÇn cho tíi khi mÆt trêi lÆn. Nh• vËy c•êng ®é bøc x¹ t•¬ng øng sÏ t¨ng dÇn trong buæi s¸ng cho tíi khi ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt Imax vµo gi÷a tr•a sau ®ã l¹i gi¶m dÇn trong buæi chiÒu Phân bố cường độ bức xạ đơn sắc Io() của mặt trời được xác định theo định luật Planck: C λ-5 I= 1 0λ C2 (0.2) e-1λT Với:  - chiều dài bước sóng (m); T - nhiệt độ tuyệt đối (0K); -15 2 C1 = 0,374.10 W/m -2 0 C2 = 1,4388.10 m. K Diện tích phía dưới đường cong I0 = f() mô tả năng suất bức xạ toàn phần E = Id của mặt trời (hình 6) 0 0 0 I0 (W/m3) 83 50%E0 80 60 E0 40 20 Hình 2.6. Phân bố I0 () của mặt trời Phần năng suất bức xạ mang tia sáng (AS) thấy được là: Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 18
Bài giảng Năng lượng & Môi trường 0,8.10-6 E = Idλ = 0,5Idλ = 0,5E AS 0λ0λ0 0,4.10-6 0 -3 I0 đạt giá trị cực đại tại (max) = 2,98.10 /T0 = 0,5 m Vậy: -3 3 I0max = I0 ((max), T0) = 8,3.10 W/m Năng suất bức xạ toàn phần: 4 7 2 E0 = 0.T0 = 6,25.10 W/m Công suất bức xạ toàn phần của mặt trời: 2 4 26 Q0 = E0.F = D .0.T0 = 3,8.10 W Công suất này bằng 4.103 lần tổng công suất điện trên toàn thế giới hiện nay, vào khoảng 1013W. 2.2. Các phương pháp biến đổi năng lượng mặt trời Ngày nay, NLMT đã được sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng khác nhau. Quá trình biến đổi NLMT là quá trình chuyển đổi vật lý của năng lượng nhiệt mặt trời thành các dạng năng lượng khác, bao gồm các các phương pháp chuyển đổi sau: - Nhiệt – nhiệt: chuyển năng lượng bức xạ nhiệt của mặt trời thành nhiệt năng hấp thụ trong các vật thể. Ví dụ: đun nước nóng bằng NLMT - Nhiệt – Điện (hiện tượng quang điện): chuyển năng lượng bức xạ của các photon của mặt trời thành điện. Ví dụ: tế bào quang điện - pin mặt trời. - Nhiệt – Cơ: chuyển hóa năng lượng nhiệt bức xạ của mặt trời thành cơ năng làm quay động cơ. Ví dụ: động cơ Stirling - Nhiệt – hóa (quang – hóa): hấp thụ và chuyển hóa năng lượng nhiệt mặt trời thành năng lượng trong các phản ứng quang hóa 2.3. Hiệu ứng nhà kính Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích luỹ năng lượng bức xạ mặt trời dưới một tấm kính hoặc một lớp khí nào đó, ví dụ CO2 hoặc NOx. Hiện tượng này được giải thích như sau: tấm kính hoặc khí có độ trong đơn sắc D giảm dần khi bước sóng  tăng. Còn bước sóng max khi E đạt giá trị cực đại – là bước sóng mang nhiều năng lượng nhất – thì lại giảm theo định luật Wien max.T = 2,9.10-3 (m.K). Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 19
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 2.7. Hiệu ứng nhà kính Bức xạ mặt trời phát ra ở nhiệt độ cao T0 = 5762K, có năng lượng tập trung quanh sóng max0 = 0,5 m sẽ xuyên qua kính hoàn toàn vì D(max0) 1. Bức xạ thứ cấp phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T 400K, có năng lượng tập trung quanh sóng max = 8m hầu như không xuyên qua kính vì D( max) 0, và bị phản xạ lại mặt thu. Hiệu số (năng lượng vào – năng lượng ra) > 0, được tích luỹ phía dưới tấm kính làm nhiệt độ tại đó tăng lên. 2.4. Bộ thu bức xạ nhiệt mặt trời dạng tấm phẳng (bộ thu phẳng-collector) 2.4.1. Định nghĩa và kết cấu bộ thu phẳng Bộ thu phẳng là một hệ tấm phẳng: kính, tấm hấp thụ, lớp cách nhiệt được đặt song song thành một hệ bền vững. Về nguyên lý thì các bộ thu phẳng có cấu tạo dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính nhưng tùy thuộc vào việc sử dụng nhiệt vào mục đích sử dụng: nung nóng không khí, đun nước nóng, chưng cất nước, bếp mặt trời, mà cấu tạo của bộ thu có hình dạng khác nhau Hình 2.8. Kết cấu bộ thu phẳng 1. Tấm kính trong suốt 2. Lớp cách nhiệt 3. Tấm hấp thụ 4. Tia vào có bước sóng ngắn 5. Tia nhiệt có bước sóng dài phát xạ từ tấm hấp thụ 6. Tia nhiệt bị phản xạ ngược về tấm hấp thụ. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 20
Bài giảng Năng lượng & Môi trường * Nguyên lý hoạt động của bộ thu phẳng (nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng nhà kính): Ta khảo sát một bộ thu phẳng (hình 8). Mặt trên hộp được đậy bằng tấm kính, thành chung quanh và đáy làm bằng vật liệu cách nhiệt tốt. Đáy hộp là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của tấm được phủ một lớp sơn có hệ số hấp thụ cao. Tấm này được gọi là tấm hấp thụ. Tia mặt trời sau khi truyền qua tấm kính đậy phía trên hộp tới bề mặt tấm hấp thụ, bị tấm này hấp thụ một phần năng lượng và chyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng dần lên. Khi đó tấm hấp thụ trở thành nguồn phát ra các tia bức xạ nhiệt thứ cấp có bước sóng dài hướng về mọi phía. Nhờ nhận liên tục các tia bức xạ mặt trời nên nó được nung nóng liên tục, và bức xạ nhiệt cũng được phát ra liên tục. Những tia bức xạ nhiệt hướng lên phía trên bị kính ngăn lại do phần lớn các tia bức xạ nhiệt thứ cấp có bước sóng dài λ > 0,7 μm (nhiệt độ tấm hấp thụ không cao), bị phản xạ trở về tấm hấp thụ và lại bị tấm hấp thụ hấp thụ, Quá trình này dẫn đến nhiệt độ tấm hấp thụ tăng lên nhờ các mặt đáy và các thành bên đước cách nhiệt tốt nên nhiệt không bị truyền dẫn ra khỏi hộp. Kết quả là năng lượng từ các tia bức xạ mặt trời vào được hộp mà không ra ngoài đựơc. Hộp thu thành một bẫy nhiệt. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng nhà kính. Nhiệt độ của tấm hấp thụ càng cao phát xạ nhiệt từ mặt hấp thụ càng lớn, cho đến khi năng lượng mà tấm hấp thu nhận đựơc từ bức xạ mặt trời cân bằng với năng lượng mất mát với môi truờng xung quanh thì trạng thái cân bằng nhiệt được thiết lập * Nguyên lý hội tụ bức xạ: Tất cả các tia tới của bức xạ mặt trời đến một mặt gọi là mặt phản xạ, các tia bức xạ sẽ bị khúc xạ, các tia khúc xạ này sẽ hướng về một điểm hay một đường tuỳ thuộc vào cấu tạo của mặt phản xạ, do cường độ tia bức xạ quá lớn ở tại điểm hoặc đường mà tia khúc xạ tới nên làm nóng vật đặt tại đó. Dựa trên nguyên lý hội tụ bức xạ người ta chia làm hai loại: - Loại hội tụ bức xạ theo điểm là các thiết bị dùng gương cầu lõm có dạng paraboloit tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao, nhờ vậy tập trung ở tiêu điểm nhiệt độ từ vài trăm đến trên 3000 oC. - Loại hội tụ theo đường là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặt cắt ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ theo đường tiêu cự. Nếu đặt tại đường tiêu cự một ống dài cho nước đi qua thì nước sẽ được đun nóng lên. Nói chung các thiết bị chuyển hoá quang nhiệt làm việc theo nguyên lý hội tụ ít được phổ biến do có một số nhược điểm sau: + Mặt phản xạ nhanh bị mờ sau một thời gian làm việc ngoài trời do đó mà hiệu suất giảm nhanh, Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 21
Bài giảng Năng lượng & Môi trường + Phải thường xuyên xoay mặt phản xạ theo hướng mặt trời, nếu dùng thiết bị tự động thì giá thành sẽ cao mà xoay thủ công cũng không được thuận tiện, + Thiết bị này chỉ thu được phần trực xạ (tia nắng trực tiếp) còn phần tán xạ thì không thu được, nếu khi bị mây che khuất thì thiết bị không thu được năng lượng. 2.4.2. Kết cấu và hoạt động của một vài bộ thu phẳng. 2.4.2.1. Bộ thu phẳng dùng để nung nóng không khí Collector phẳng: Collector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng dạng tấm phẳng. . Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của collector phẳng Tấm che được làm bằng thuỷ tinh hay bằng vật liệu trong suốt khác. Nhiệm vụ cơ bản của các tấm che là tạo ra hiệu ứng lồng kính để làm giảm bớt tổn thất năng lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của colletor ra ngoài môi trường, đồng thời góp phần hạn chế tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu. Các tấm che này phải có độ trong suốt cao để cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức tối đa. Tuỳ theo mức nhiệt độ làm việc của Collector mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N. Khi nhiệt độ làm việc càng cao thì N càng lớn, giá tri phổ biến của N là từ 1 đến 2. Trong một vài trường hợp có thể người ta không cần dùng đến tấm che. Bề mặt hấp thụ là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho môi chất làm việc (không khí hoặc chất lỏng). Thông thường bề mặt này được sơn mầu đen. Để gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ bề mặt hấp thụ người ta có thể dùng các loại sơn chuyên dụng để tạo nên bề mặt hấp thụ chọn lọc (selective surface). Lớp cách nhiệt đặt ở mặt dưới của collector để giảm tổn thất nhiệt theo hướng đáy của collector, ngoài ra có thể bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bên của collector. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 22
Bài giảng Năng lượng & Môi trường So với các loại collector khác thì collector dạng tấm phẳng có một số ưu điểm như: có thể hấp thụ tất cả các loại tia bức xạ, không cần quay theo mặt trời, dễ gia công, không cần bảo trì thường xuyên và giá thành khá rẻ. Collector phẳng được chia thành nhiều loại, sau đây là một số loại collector phẳng sử dụng phổ biến: - Collector tấm trần: Hình 2.10. Collector tấm trần Loại collector tấm trần không cần tấm che, tấm hấp thụ nằm phía trên, dòng khí chuyển động phía dưới của tấm hấp thụ, tổn thất bức xạ và đối lưu lớn ở trên bề mặt, thích hợp cho việc tăng nhiệt độ khoảng 3 ÷ 5 (oC) - Collector dòng trên: Hình 2.11. Collector dòng trên Collector dòng trên có dòng khí chuyển động giữa tấm hấp thụ và tấm che. Năng lượng hữu ích có giảm chút ít do phản xạ và tính hấp thụ của tấm che. Giảm được mất mát nhiệt đối lưu và bức xạ. Nhiệt độ có thể tăng lên 10 ÷ 30oC. - Collector dòng dưới: Hình 2.12. Collector dòng dưới Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 23
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Collector này giảm mất mát nhiệt do tấm hấp thụ được che bằng vật liệu trong suốt. Dòng khí chuyển động bên dưới tấm hấp thụ. Nhiệt độ dòng khí tăng lên được 30oC, giảm bám bụi vào bề mặt hấp thụ và tấm che. .- Collector dòng song song: Hình 2.13. Collector dòng song song Đặc điểm của collector dòng song song là dòng khí chuyển động cả bên trên và bên dưới của tấm hấp thụ. Điều đó làm tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ tấm hấp thụ thấp, giảm được tổn thất nhiệt do bức xạ. Tuy nhiên bề mặt hấp thụ bị lắng bụi. Collector dạng zic zắc: Cấu tạo của collector dạng này gần giống như collector phẳng chỉ khác bề mặt hấp thụ có dạng zic zắc. Mục đích làm mặt hấp thụ có dạng zic zắc là để tăng diên tích bề mặt hấp thu nhiệt, đồng thời tăng hiệu suất hấp thụ nhiệt do các tia bức xạ tới được phản xạ và hấp thụ nhiều lần. Bức xạ mặt trời Hình 1.38. Collector zíc zắc Hình 2.14. Collecor dạng zic zăc Để đạt được hiệu suất cao nhất khi sử dụng thiết bị dạng này thì góc nghiêng và kích thước của tấm hấp thụ là yếu tố được quan tâm nhất khi tính toán thiết kế. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 24
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Collector dạng tập trung: Cấu tạo của collector dạng tập trung gồm hai phần (hình 15): Bề mặt thu nhận (bề mặt hứng các tia trực xạ) và bề mặt tiếp nhận. Bề mặt thu nhân có nhiệm vụ hứng các tia trực xạ và hội tụ thành một điểm hoặc một đường tại đó có đặt một mặt tiếp nhận. Mặt tiếp nhận có tác dụng hấp thụ và bị làm nóng bởi các tia bức xạ từ mặt thu nhận hội tụ lại tại mặt tiếp nhận này và chuyển thành nhiệt. Nhìn chung, nhiệt độ làm việc của collector dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt độ làm việc của collector dạng tấm phẳng. Vì vậy, người ta thường thay thế collector dạng tấm phẳng bằng collector dạng tập trung khi nhiệt độ làm việc vượt quá 100oC. Về nguyên tắc, collector dạng tập trung cần phải được cho quay theo mặt trời nhằm đảm bảo các tia trực xạ có thể được phản chiếu tốt nhất đến bề mặt tiếp nhận của collector. Hình 2.15. Collector tập trung Khi nghiên cứu về collector dạng tập trung này ta cần phải chú ý đến một thông số đặc biệt thể hiện tính đặc thù của loại collector nay, đó là tỷ số giữa diên tích bề mặt hứng các tia trực xạ Aa và diện tích bề mặt tiếp nhân Ar, ta gọi đó là tỷ số tập trung CR (Concentration Ratio) Aa Khi đó ta có: CR = Ar Collector dạng tập trung có hai loại điển hình là dạng chỏm cầu (mặt tròn xoay) và dạng lòng máng. Loại chỏm cầu có độ hội tụ cao, hội tụ về 1 điểm có nghĩa là có tỷ số CR cao do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngàn độ. Còn loại lòng máng có độ hội tụ trung bình, hội tụ thành một dải (một đường) vì vậy tỷ số CR nhỏ hơn của loại chỏm cầu loại này có nhiệt độ khoảng 350 ÷ 500 oC. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 25
Bài giảng Năng lượng & Môi trường 2.4.2.2. Bộ thu nhiệt đun nước nóng bằng NLMT Hình 2.16. Cấu tạo bộ thu phẳng đun nóng nước 1. Lớp cách nhiệt; 5. Bề mặt hấp thụ nhiệt; 2. Lớp đệm tấm phủ trong suốt; 6. Lớp tôn bọc; 3.Tấm phủ trong suốt; 7. Đường nước lạnh vào; 4. Đường nước nóng ra; 8. Khung đỡ. Hình 2.17. Sơ đồ bộ thu sản xuất nước nóng(a) và hệ thống ống kim loại hàn vào dưới tấm hấp thu (b) Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 26
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Trong các bộ phận của collector, bộ phận quan trọng nhất và có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả sử dụng của collector là bề mặt hấp thụ nhiệt. Sau đây là 3 mẫu collector có bề mặt hấp thụ nhiệt đơn giản với hiệu quả hấp thụ cao có thể dễ dàng chế tạo trong điều kiện Việt Nam Hình 2.18. Các dạng bề mặt hấp thụ của collector đun nóng nước. Nhận xét: - Loại bề mặt hấp thụ dạng dãy ống có kết quả thích hợp nhất về hiệu suất hấp thụ nhiệt, giá thành cũng như chi phí chế tạo. Tuy nhiên nếu trong trường hợp không có điều kiện để chế tạo thì có thể chọn loại bề mặt hấp thụ dạng loại hình rắn. Bề mặt hấp thụ dạng tấm cũng có kết quả tốt như dạng dãy ống nhưng đòi hỏi nhiều công và khó chế tạo hơn. - Tấm hấp thụ dạng dãy ống được đan xen vào tấm hấp thụ có hiệu quả cao nhất. Ngoài ra có thể gắn tấm hấp thụ và ống hấp thụ bằng phương pháp hàn sẽ cho hiệu quả hấp thụ cao hơn nhưng tốn thời gian và giá thành chế tạo cao hơn. Nhiều nước trên thế giới, điển hình là Mỹ, Úc, Israel, Ấn Độ, Nhật, Trung Quốc và các nước châu Âu đã nghiên cứu ứng dụng NLMT để đun nước phục vụ sản xuất và sinh hoạt. Hà Lan tuy dân số ít nhưng hiện nay cả nước đã có 26.000 hộ gia đình dùng nước nóng mặt trời và 15.000 m2 bộ thu nhiệt cấp nước nóng cho 500 khu nhà ở. Israel và Hy Lạp là hai nước có tỷ lệ sử dụng đun nước mặt trời rất cao, chiếm 80% số gia đình dùng nước nóng, trong khi Nhật Bản Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 27
Bài giảng Năng lượng & Môi trường mới có 20%. Khu vực châu Á, Trung Quốc là nước đi đầu trong việc sản xuất và sử dụng đun nước mặt trời với 500 cơ sở sản xuất, mỗi năm xuất xưởng trên 4 triệu m2 đun nước mặt trời, hiện cả nước đã lắp đặt cho các cơ sở sản xuất và gia đình được 20 triệu m2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị đun nước mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính và kết cấu là bộ thu góp phẳng. Một số nước có cường độ bức xạ mặt trời (W/m2) và số giờ nắng trong năm khá lớn như Israel, Trung Quốc, Hàn Quốc nên chính quyền địa phương đã khuyến khích phát triển việc sử dụng NLMT nhằm giảm tối đa tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch bằng cách đưa ra các chính sách trợ giá cho nhà sản xuất thiết bị đun nước mặt trời. Dựa trên nền tảng công nghiệp hiện đại và công nghệ tiên tiến người ta đã chế tạo ra mẫu đun nước mặt trời có hiệu suất cao (trên 70%), có kiểu dáng công nghiệp, làm việc ổn định và giá thành phù hợp cho hầu hết các gia đình từ thành thị đến nông thôn. Tuy nhiên, giá tiền mua thiết bị đun nước mặt trời hiện nay còn cao hơn (khoảng 1,5 lần) bình đun nước nóng bằng điện, nhưng được bù lại do không cần chi phí năng lượng trong quá trình sử dụng và điều quan trọng đối với cộng đồng là bảo vệ được môi trường trong sạch. Ví dụ, đun nước mặt trời của Korea (mã hiệu KSH.201) hoặc của Israel (PNEO) vào mùa đông nhiệt độ 150C, sau khi hấp thụ NLMT nước nóng ở đầu ra có thể đạt 28 - 320C và sau 01 đêm vẫn còn giữ được 22 - 250C; vào mùa hè giữa trưa nước nóng có thể lên tới 70 - 800C. Thiết bị đun nước bằng NLMT có thể sử dụng một trong bốn kiểu sau: 1 - Hấp thụ trực tiếp: Dùng bề mặt để hấp thụ trực tiếp bức xạ mặt trời và truyền nhiệt làm cho nước nóng lên. Loại này kết cấu đơn giản nhưng hiệu suất thấp. 2 - Hộp phẳng (bằng kim loại): Bên trong hộp chứa nước để hấp thụ nhiệt và nối liền với bình chứa tập trung tạo thành dòng nước tuần hoàn kín. Loại này chế tạo và lắp đặt đơn giản nhưng hiệu suất được cải thiện. 3 - Dàn ống kim loại: Những ống này ghép lại thành dàn và nối liền với bình chứa tạo sự tuần hoàn đối lưu tự nhiên làm cho nước lạnh đi xuống còn nước nóng đi lên bình. Dàn ống trực tiếp hấp thụ năng lượng bức xạ nên hiệu suất rất cao, tuy nhiên kết cấu, lắp ráp có phức tạp và nặng nề hơn. Israel và Korea phần lớn sản xuất theo kiểu này. 4 - Dàn ống thuỷ tinh chân không: Mặt trong ống được sơn đen để hấp thụ bức xạ, ở giữa ống thuỷ tinh là ống kim loại có nước chảy qua. Loại này hiệu suất rất cao nhưng đòi hỏi công nghệ chế tạo và lắp ráp mang tính công nghiệp. Nhược điểm là giá thành cao và nặng nề. Hiện nay Trung Quốc đang phát triển thiết bị đun nước mặt trời theo kết cấu này. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 28
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Sự khác nhau về hiệu suất của từng loại thay đổi theo công nghệ chế tạo và chất lượng cũng như kỹ thuật sơn phủ bề mặt tấm hấp thụ. Diện tích và hiệu suất tầm hấp thụ sẽ quyết định lượng nước nóng tạo ra. Bình bảo ôn thường được chế tạo 2 lớp, lớp cách nhiệt ở giữa bằng bông thuỷ tinh hoặc PUFoan (có độ dày lớn hơn 50 mm, đảm bảo thời gian giữ nhiệt lâu trong điều kiện mưa bão, không có nắng ). Có hai loại bộ thu phẳng: một loại hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên và loại hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức  Bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên Hình 1.19. là sơ đồ một bộ thu sản xuất nước nóng hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên. Nước lạnh qua bộ thu hấp thụ nhiệt và sẽ nóng lên, khối lượng riêng giảm nên nổi lên phía trên. Phía dưới các ống áp suất nước bị giảm nên nước lạnh lại chảy vào. Cứ như thế nước sẽ tự động chuyển động tuần hoàn theo chiều mũi tên chỉ trên hình 19. Kết quả là dòng nước sẽ tự chảy qua bộ thu nhiều lần và do đó nước trong bình chứa (có lớp cách nhiệt tốt xung quanh) sẽ đạt được nhiệt độ cao. Hình 2.19. Hệ thống bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên Khi lấy nước nóng trong bình chứa để sử dụng, nước trong bình sẽ vơi đi và nước lạnh tự động chảy bổ sung vào. Ưu điểm của hệ thống đun nước nóng dùng đối lưu tự nhiên là việc chế tạo lắp đặt bộ thu đơn giản, rẻ tiền. Tuy nhiên, hệ thống này có nhược điểm là năng suất sản xuất nước nóng thấp. Vì vậy cấu hình sản xuất nước nóng dùng đối lưu tự nhiên chỉ phù hợp cho việc sản xuất nước nóng dùng cho sinh hoạt trong các hộ gia đình hay các hộ sử dụng nước nóng không nhiều lắm(khách sạn, bệnh xá, trang trại, ) Hiệu suất bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên chỉ đạt 40-50%. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 29
Bài giảng Năng lượng & Môi trường  Bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức Khi cần một lượng nước lớn thì hệ thống nước nóng đối lưu tự nhiên không thích hợp. Khi đó người ta sử dụng hệ thống dùng đối lưu cưỡng bức. Hình 20. là sơ đồ hệ thống sản xuất nước nóng dùng năng lượng mặt trời với chu trình đối lưu cưỡng bức. Hình 2.20. Hệ thống bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức. Hệ thống bộ thu đối lưu cưỡng bức chỉ khác hệ bộ thu đối lưu tự nhiên là có thêm một máy bơm(3). Nước bị bơm cưỡng bức chảy qua bộ thu mà không phải chảy tuần hoàn tự nhiên như hệ thống đối lưu tự nhiên. Vì vậy hiệu suất và năng suất của loại thiết bị này cao hơn. Hiệu suất thu nhiệt của hệ thống phụ thuộc vào tốc độ nước chảy qua bộ thu. Để điều khiển quá trình cưỡng bức này thông thường người ta lắp thêm một thiết bị điện tử(4), nó tự động theo dõi hiệu số nhiệt độ ΔT = T1 – T2. Căn cứ hiệu số nhiệt độ ΔT mà thiết bị điều khiển điện tử sẽ cho bơm làm việc hay ngừng bơm. Trong trường hợp phải sử dụng nước nóng cho sản xuất hay các dịch vụ yêu cầu nước nóng liên tục người ta còn lắp thêm bộ phận đun nước bằng điện hay khí đốt dự phòng(6) cho những thời gian không có nắng . 2.4.2.3. Bếp mặt trời. Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như ở Châu Phi. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 30
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Ở Việt Nam việc ứng dụng bếp năng lượng mặt trời cũng đã được nghiên cứu và triển khai ở một số nơi. Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới - Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30 000 USD) đưa bếp năng lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) H×nh 2.21. TriÓn khai bÕp nÊu c¬m b»ng vào sử dụng ở các vùng nông NLMT. thôn của tỉnh Quảng Nam Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng đựơc đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT . a) Bếp hình hộp Nguyên lý cấu tạo bếp Bếp nấu hình hộp có nguyên lý cấu tạo như hình 1.22. hộp bảo vệ (1) được làm bằng gỗ (có thể làm bằng tôn), tiết diện ngang có thể hình vuông hoặc tròn. Mặt phản xạ bên trong (2) được làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc Inox), đánh bong nhẵn để có độ phản xạ cao. Biên dạng của mặt phản xạ là tổ hợp của mặt Parabola tròn xoay như hình vẽ để có thể nhận ánh sáng từ mặt trời và từ gương phản xạ (5). Hình 2.22. Nguyên lý cấu tạo bếp Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 31
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Nồi chứa thức ăn (3) là nồi nấu bình thường bên ngoài được sơn màu đen (chọn loại sơn có độ hấp thụ cao) để có thể hấp thụ ánh sáng tốt, dung tích của nồi tùy thuộc vào kích thước của bếp và tùy thuộc vào thời gian chúng ta cần nấu chin thức ăn. Tấm kính trong (4) là tấm kính có độ trong suốt cao để có thể cho ánh sáng xuyên qua tốt, thường được chế tạo từ tấm kính trong có chiều dày 2 – 3 mm, tấm kính này có tác dụng tạo “lồng kính” và giảm tổn thất nhiệt khi nấu. Gương phản xạ (5) là tấm gương có độ phản xạ ánh sáng cao, gương có thể xoay quanh trục (6) để hướng chum tia phản xạ từ gương vào nồi, phía sau tấm gương có tấm bảo vệ và cũng là nắp đậy của bếp khi không sử dụng. Lớp vật liệu cách nhiệt (7) là bông thủy tinh cách nhiệt (hoặc có thể dùng bất kỳ vật liệu cách nhiệt nào như rơm rạ thậm chí để không chỉ có không khí nhưng phải kín) nhằm giảm mất mát nhiệt khi nấu. Đế nồi (8) nhằm mục đích ngăn cách giữa nồi và các bộ phận khác của bếp để giảm mất mát nhiệt khi nấu, nên đế đặt nồi có thể là một tấm bông thủy tinh dạng ép cứng, tấm Amiang hoặc bất kỳ vật liệu gì nhưng chịu nhiệt độ (đến 4000C) và cách nhiệt. 2.4.2.4. Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình Hình 2.23. Tủ lạnh dùng pin mặt trời của người dân. Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao. Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế. ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 32 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường 2.4.2.5. Thiết bị chưng cất nước. Trên trái đất của chúng ta, những nơi có nhiều nắng thì thường bị khan hiếm nước uống. Bởi vậy năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ rất lâu để cung cấp nước uống bằng phương pháp chưng cất từ nguồn nước bẩn hoặc nhiễm mặn. Trên hình 1.44 là sơ đồ nguyên lý của thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời đơn giản. Nước ngưng tụ trên tấm che Máng chứa nước ngưng Khay chứa nước được sơn đen làm bề mặt hấp thụ Nước vào Hình 2.24. Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất nước dùng NLMT. Nước bẩn hoặc nước mặn được đưa vào khay chứa từ phía dưới và được đốt nóng bởi năng lượng mặt trời. Phần đáy của khay được sơn đen để tăng khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ. Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho nước. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ chuyển động của các phân tử nước tăng làm tăng động năng và chúng có thể tách ra khỏi bề mặt thoáng với số lượng tăng dần. Đối lưu của không khí phía trên mặt thoáng mang theo hơi nước tạo ra quá trình bay hơi. Hơi nước bốc lên sẽ ngưng tụ trên bề mặt tấm che do tấm này được làm mát bởi quá trình đối lưu không khí bên ngoài. Nước ngưng chảy xuống máng chứa ở góc dưới. Không khí lạnh chuyển động xuống dưới tạo thành dòng khí đối lưu tự nhiên. Để đạt hiệu quả ngưng tụ cao, tấm che phải có độ dốc đủ lớn để các giọt nước ngưng chảy xuống dễ dàng, sao cho ở mọi thời điểm khoảng nửa bề mặt tấm che chứa đầy các giọt nước. Quá trình ngưng tụ của nước dưới tấm che có thể là ngưng giọt hay ngưng màng, điều này phụ thuộc vào quan hệ giữa sức căng bề mặt của nước và tấm che. Hiện nay người ta thường dùng tấm che là kính để thuận lợi cho quá trình ngưng giọt. Người ta thấy rằng ở những vùng khí hậu nhiệt đới hệ thống chưng cất nước này có thể cho lượng nước ngưng tương đương với lượng mưa 0,5cm/ngày. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 33 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Tính toán thiết bị chưng cất nước Quá trình chưng cất nước thực chất là một quá trình phức tạp có liên quan đến quá trình truyền chất. Tuy nhiên có thể phân tích quá trình này một cách đơn giản như sơ đồ hình 1.25. Tấm che có nhiệt độ T1 Dòng đi lên với nhiệt độ T Dòng đi xuống với nhiệt độ T1 Sản phẩm cuối cùng Lọc dầu Ép dầu Bảo quả Hình 2.25. Sơ đồ quá trình truyền chất trong thiết bị chưngBảo qu cấtản nước Chưng cất thành Giả thiết rằng nước tiếp xúc với bề mặt hấp thụ và cóethanol cùng kh nhiệtô độ T, nhiệt độ tấm che là T1, thì dòng nhiệt truyền qua 1 đơn vị diệnChuy tíchển giữa thành hai đường bề mặt được xác Sấy khô bán sản phẩm định theo công thức: (hạt) q = k(T – T ) Thức ă n gia súc (1.35) 1 Tách bán sản phẩm với k là hệ số truyền nhiệt (W/m2.K) (đường) Hạt nông sản Có thể coi quá trình đối lưu này được tạo bởi hai Cdòngây c ókhông đường khí chuyển động ngược chiều nhau (hình 1.45), mỗi dòng có lưu lượngCh ư khốing cất lượng tới 95% tương đương là ethanol 2 m(kg/m .h). Nếu coi không khí ở đây là khí lý tưởng có nhiLêệtn men dung riêng C thì dòng nhiệt trao đổi giữa các bề mặt là: Pha loãng với nước Cô đặc thành xirô để dự q = mC(T – T1) tr ữ (không bắt bu ộc) (1.36) Tách đường Từ (1.35) và (1.36) tính được: Ethanol mC = k Methanol thô Bảo quản Hay: m = k/C Tái sử dụng bã và dầu Ôxy Ví dụ: Với nhiệt dung riêng của không khí CG ỗ = hoặc 0,28 c â Wh/kg.K,y thân thảo và với hệ số truyền nhiệt k = 4 W/m2.K thì m = 14,3 kg/m2.h. Methanol Bảo quản Chưng cất Nén cùng với chất xúc tác Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 34 - Thay đổi thành phần khí Thu khí Hoá khí bằng thổi khí ôxy
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Giả sử dòng không khí đối lưu chuyển động tương tự và cùng tốc độ khi nó chứa đầy hơi ẩm. Giả thiết này rất phổ biến khi nghiên cứu quá trình truyền chất nhưng chỉ đúng khi quá trình xảy ra với tốc độ nhỏ. Hơn nữa, có thể cho rằng dòng không khí rời khỏi mỗi bề mặt mang tổng lượng hơi nước phù hợp để cân bằng với nhiệt độ tương ứng của bề mặt. Ở trạng thái cân bằng thì có bao nhiêu phân tử nước rời khỏi mặt thoáng sẽ có bấy nhiêu phân tử nước quay trở lại. Sau đó sự tập trung của các phân tử hơi nước trong lớp không khí gần mặt thoáng làm cho không khí tại đây trở nên bão hoà với độ ẩm w. Tiếp theo, nếu mô tả quá trình đối lưu bởi sự chuyển động đồng thời của hai dòng không khí, mỗi dòng có lưu lượng m (kg/m2.h) thì lượng nước vận chuyển ra ngoài sẽ là mw và lượng nước vào trong là mw1. Vậy lượng nước đi ra là m(w – w1) chính là lượng nước được sản xuất ra bởi thiết bị lọc nước trên một đơn vị diện tích bề mặt, M (kg/m2.h) Tương tự như quá trình trao đổi nhiệt giữa hai tấm phẳng, có thể viết phương trình cân bằng năng lượng cho thiết bị chưng cất như sau: 4 4 E = k(T – T1) + qd(T – T1 ) + mr(w – w1) (1.37) Trong đó: E - năng lượng bức xạ mặt trời đến (W/m2),  - độ đen quy dẫn của tổ hợp bề mặt hấp thụ và tấm che, r - nhiệt hoá hơi của nước (Wh/kg). Với r = 660 Wh/kg; độ đen của tấm hấp thụ  = 1 và độ chênh nhiệt độ trung bình của thiết bị T = 40K thì sản lượng nước của thiết bị là: M = (E – 160)/660 (kg/m2.h) (1.38) Tại Hà Nội, với cường độ bức xạ trung bình E = 650 W/m2, từ (1.38) tính được M = 0,6 kg/m2h, hay với 6 giờ nắng/ngày thì cứ mỗi ngày 1m2 bề mặt hấp thụ thiết bị sản xuất được Mng = 3,6 kg nước. Đối với các hệ thống lớn thường đặt cố định trên diện tích lớn thì các dòng năng lượng chủ yếu trong một thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời khi đang hoạt động có thể biểu diễn như hình 1.26. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 35 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường HÌnh 2.26.Các dòng năng lượng chính trong thiết bị chưng cất nước kiểu bể. Khi thiết kế cần tính toán sao cho nhiệt lượng dùng để làm bay hơi nước là lớn nhất, đồng nghĩa với lượng nước ngưng lớn nhất thu được. Tất cả các thành phần năng lượng tổn thất ra đáy và xung quanh cần phải hạn chế càng nhiều càng tốt. Hầu hết các dòng năng lượng có thể xác định theo nguyên lý cơ bản, nhưng sự rò rỉ các tổn thất qua các góc cạnh rất khó xác định và có thể gộp lại để xác định bằng thực nghiệm nhờ các thiết bị chưng cất thực tế. Trên hình 1.35 là các thiết bị chưng cất nước dùng NLMT đơn giản. Hình 2.27. Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời. 2.5. Pin mặt trời 2.5.1 Mở đầu Các tấm pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, như thường được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay. Chúng được làm từ các vật liệu bán dẫn tương tự như trong các con bộ điện tử trong máy tính. Một khi ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 36 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường điện tích (electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích điện này di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện. Quá trình chuyển đổi photon thành điện này này gọi là hiệu ứng quang điện. Cho dù được phát hiện từ hơn 200 năm trước, kỹ thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 Loại thiết bị này được nghiên cứu và triển khai ứng dụng ở Việt Nam từ đầu những năm 90. Đến năm 1994 việc triển khai ứng dụng các thiết bị này phát triển mạnh mẽ. Thiết bị này thường được sử dụng để cung cấp điện sinh hoạt cho các hộ dân cư ở những vùng chưa có điều kiện đưa lưới điện quốc gia đến như: vùng núi, hải đảo, vùng sâu, vùng xa 2.5.2. Hiệu ứng quang - điện 2.5.2.1. Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lượng Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình 1.36) E1<E2, 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 hν (trong đó h là hằng số Planck, ν 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: h ν = E2 – E1 Hình 2.28. Hệ 2 mức năng lượng Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 37 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường 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 1.37). Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng E . v Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là E . Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng c dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là E , trong đó không có mức năng lượng g cho phép nào của điện tử. Hình 2.29. Các vùng năng lượng Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hν tới hệ thống và bị điện tử ở vùng - hoá trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e , để + lại ở vùng hoá trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h . Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình: - + E + hν -> e + h v Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hν = hc/λ ≥ E = E - E . g c v - + Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λ của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e - h : c - + Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e và h đều tự phát tham gia vào quá trình phục - hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e giải phóng năng lượng Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 38 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường + để chuyển đến mặt của vùng dẫn E , còn lỗ trống h chuyển đến mặt của E , quá trình c v -12 -1 phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 ÷ 10 giây và gây ra dao động mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là E = hν - E . ph g Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng - + photon hν và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e - h , tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. 2.5.2.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết η của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống 2 mức như sau: Trong đó: J (λ) là mật độ photon có bước λ o J (λ)dλ là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ ÷ λ + dλ o hc/λ là năng lượng của photon E = là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện, g Là tổng năng lượng của các photon tới hệ Như vậy hiệu suất η là một hàm của E (hình 1.38). g Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất η ≤ 0,44. Hình 2.30. Quan hệ η(Eg) Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 39 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường 2.5.2.3. Hiệu ứng quang điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn pn Bán dẫn tinh khiết (Bán dẫn Si, Ge) Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính. Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng. Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 40 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 2.31. Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng điện tử của chất bán dẫn Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau: - Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện. - Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 0K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 41 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ) Bán dẫn loại n Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm - Negative): Pha tạp một nguyên tố có hóa trị cao hơn hóa trị của bán dẫn tinh khiết (chẳng hạn pha tạp P hóa trị V vào bán dẫn tinh khiết Si hóa trị IV). Các nguyên tử pha tạp dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính, khi đó hệ sẽ giàu electron và nghèo lỗ trống. Hình 2.32. Cấu trúc năng lượng của bán dẫn loại n Bán dẫn loại p Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương - positive ) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III (pha tạp As, In hóa trị III vào bán dẫn Si hóa trị IV) dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 42 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 1.33. Cấu trúc năng lượng của bán dẫn loại p Lớp tiếp xúc p-n Ghép hai lớp bán dẫn loại n và bán dẫn loại p lại với nhau ta được lớp tiếp xúc p- n. Tại vị trí tiếp xúc, một ít electron từ bán dẫn loại n (thừa e-) sẽ tự động dịch chuyển sang lấp vào các lỗ trống của bán dẫn loại p. Quá trình dịch chuyển của dòng electron này sẽ tạo ra một dòng điện giữa lớp tiếp xúc, dòng điện này tạo ra lực điện trường tiếp xúc Etx có chiều ngước với chiều dịch chuyển của các electron, có vai trò ngăn cản sự dịch chuyển của chúng. Mặc khác, sự trung hòa về điện thế giữa 2 lớp bán dẫn khi các electron thừa từ bán dẫn n di chuyển sang lấp vào các lỗ trống (h+) của bán dẫn loại p sẽ làm cho lớp tiếp xúc vừa thiếu lỗ trống vừa thiếu electron, người ta gọi đó là vùng nghèo. Do đó, sau khi ghép lớp tiếp xúc p-n lại với nhau, dòng điện không còn xuất hiện trong lớp tiếp xúc nữa (do không còn có sự dịch chuyển của các electron) Nhưng nếu đưa lớp tiếp xúc p-n tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thì các photon của ánh sáng mặt trời sẽ kích thích làm cho các electron liên kết với nguyên tử bâtj ra khỏi Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 43 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường nguyên tử tạo thành diện tử tự do, đồng thời để lại trong nguyên tử những lỗ trống vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo cặp lỗ trống – electron. Kết quả là bán dẫn loại p sẽ giàu lỗ trống còn bán dẫn loại n sẽ giàu electron, sự chênh lệch điện thế sẽ được tái lập và nếu ta nối 2 lớp bán dẫn với một mạch ngoài qua một phụ tải thì các electron từ lớp n sẽ chuyển động qua mạch ngoài đến lấp vào các lỗ trống ở bán dẫn loại p, làm xuất hiện dòng điện trong mạch. Đó là dòng điện pin mặt trời khi được chiếu sáng. Hình 2.34. Nguyên lý hoạt động của lớp tiếp xúc pn 2.5.2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện nhờ hiệu ứng quang học. Cơ sở của nguyên lý là các cơ cấu vật lý điện tử trong kỹ thuật transitor của vật liệu bán dẫn. Các tế bào quang điện có khả năng chuyển các photon ánh sáng thành điện. Bằng cách nối các tế bào quang điện với nhau và ghép thành các mô đun sẽ sinh ra điện năng. Các mô đun này được nối lại với nhau để sản xuất điện năng mà chỉ dùng mặt trời làm nguồn nhiên liệu. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 44 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 2.35. Sơ đồ nguyên lý của tế bào quang điện Silicon Do cấu tạo đặc biệt của các tế bào quang điện nên bên trong nó xuất hiện một lớp biên từ trường, mặt khác theo lí thuyết vùng năng lượng khi các hạt trong tinh thể Silicon nhận năng lượng photon của ánh sáng thì sẽ chuyển sang mức năng lượng cao hơn do đó làm cho các loại hạt trong tinh thể, ở đây các hạt là điện tử và lỗ trống sẽ chuyển động hỗn loạn nhưng do có lớp từ trường nên các hạt này lại chuyển động theo hướng nhất định theo từng loại hạt và khi đó ở lớp giữa hai vùng bên ngoài của tế bào quang điện sẽ xuất hiện một điện thế. Nối các đầu của tế bào quang điện ta được các mô đun của pin mặt trời để sử dụng. Hiệu suất của pin mặt trời Hiệu suất của một mô đun pin mặt trời là tỷ số giữa công suất cực đại đạt được và năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt của mô đun ở một nhiệt độ xác định: Pmax M(T) = (1.39) F1E Trong đó: Pmax - công suất cực đại của mô đun pin mặt trời, W 2 Ft - diện tích hứng nắng của mô đun, m E – năng suất bức xạ mặt trời tới bề mặt mô đun, W/m2. Ví dụ: Một mô đun pin mặt trời có tổng diện tích bề mặt 0,5 m2 và công suất cực đại 35W đạt được tại nhiệt độ 25oC và năng suất bức xạ mặt trời 1000 W/m2. Khi đó hiệu suất của mô đun này là: o M(25 ) = = 0,07 (7%) (1.40) Ở nhiệt độ cao hơn, hiệu suất mô đun sẽ giảm. Hiệu suất ứng với nhiệt độ làm 2 việc của mô đun Top và năng suất bức xạ mặt trời tới 1 kW/m được tính theo phương trình sau: o M(Top) = M(25 ) [(1 + PTC(Top – 25)] Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 45 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường o pmax(Top) = Pmax(25 ) [1 + PTC(Top – 25)] Trong đó: PTC là hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ của Pmax. o Đối với mô đun ở ví dụ trên, với Pmax = - 0,003 khi nhiệt độ làm việc là 55 C thì: o M(55 ) = 0,07[1 – 0,003(55 – 25)] = 0,064 o Pmax(55 ) = 35[1 – 0,003(55 – 25)] = 32 W Hiệu suất mô đun là một trong những thông số quan trọng để tính toán hệ thống pin mặt trời. Các dạng pin mặt trời Ở đây chỉ đề cập đến các dạng pin mặt trời quan trọng nhất đang được ứng dụng trên trái đất. Có thể phân chia khái quát thành hai loại pin mặt trời là loại lớp dày và loại lớp mỏng. a) Pin mặt trời lớp dày Trên cơ sở phát triển từ các ứng dụng vũ trụ, hiện nay các pin mặt trời chế tạo từ silic tinh thể đang được phổ biến rộng rãi. Người ta phân biệt: pin mặt trời silic đơn tinh thể và pin mặt trời silic đa tinh thể. - Pin mặt trời silic đơn tinh thể được chế tạo hàng loạt có hiệu suất cao nhất. Đối với một pin mặt trời ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 25oC, công suất bức xạ G = 1000 W/m2, phổ bức xạ/khối lượng không khí = 15) có hiệu suất vào khoảng 13 – 16%. Về khoảng hiệu suất rộng này có thể giải thích bởi sự phân tán bất ký trong chế tạo, bởi các quá trình công nghệ khác nhau và bởi chất lượng của silic. - Pin mặt trời silic đa tinh thể được mô tả như sau: silic tinh thể lỏng được rót và làm lạnh thnàh khối có chiều dài cạnh đến 40 cm Nhờ đó tạo ra một số lượng giới hạn các tinh thể được định hướng. Các khối sau đó được cắt tương ứng với hướng tinh thể có chiều dài 10 – 15 cm và tiếp tục thành đĩa (tấm) có chiều dày 0,4mm. Tuy có quá trình công nghệ chế tạo đơn giản so với silic đơn tinh thể và có chi phí giảm thiểu song pin silic đa tinh thể lại có hiệu suất thấp (10 – 12 %). b) Pin mặt trời lớp mỏng Đã từ lâu người ta tìm kiếm các biện pháp kỹ thuật để xử lý tiết kiệm một cách cơ bản chất silic đắt tiền nhờ việc tránh hao tổn khi cắt và nhờ giảm thiểu chiều dày lớp hoạt tính. Các quá trình để chế tạo các pin mặt trời cực mỏng từ silic vô định hình có chiều dày lớp khoảng 1 m hiện nay là một phát kiến tiến bộ nhất. Dạng pin này chính là pin mặt trời lớp mỏng. Nhờ những quá trình tương đối đơn giản, người ta tách từ pha khí ở khoảng 150oC được các lớp silic vô định hình dày khoảng 1 m. Do có tính chất hấp thụ đặc Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 46 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường biệt so với silic tinh thể mà các lớp silic vô định hình cực mỏng có thể hấp thụ hoàn toàn các phôton. Trong thực tế người ta cần điện áp cao hơn điện áp có thể cấp từ một pin riêng biệt. Để có điện áp cao cần mắc nối tiếp nhiều pin. Đối với pin mặt trời lớp mỏng người ta chế tạo được các mô đun điện mặt trời liên kết các mạch nối tiếp các pin riêng biệt nhờ kỹ thuật ép mặt nạ và phương pháp lade. Các ưu thế mang tính tiềm năng về chi phí của pin mặt trời lớp mỏng tuy nhiên không lấn át được các hạn chế cơ bản như hiệu suất thấp (6  8%) và khả năng mở rộng sản xuất còn bị giớ hạn nên đến nay vẫn còn chưa được phổ biến. Đối với pin mặt trời chế tạo từ các chất bán dẫn liên kết, các lớp hoạt tính của nó là hỗn hợp của các vật liệu bán dẫn khác nhau, thí dụ từ galli – arsen, cadmisinfid - đồng sunfit, đồng – indi-selen (Cí) có triển vọng phát triển nhất. Ưu thế cơ bản so với silic tinh thể (lớp dày) của loại này là có kết cấu rất mỏng (2  3 m), điều này cho khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn. Do phát triển mạnh pin CiS nên ở Mỹ loại pin này có khả năng bổ xung và thay thế các pin mặt trời vô định hình. Trong tương lai người ta sẽ tiến hành nghiên cứu để chế tạo pin mặt trời từ liên kết silic – germani, mà theo lý thuyết khi được bổ sung chính xác một lượng C và H trên những khoảng cách giải mong muốn sẽ có thể đạt hiệu suất 20%. 2.5.2.5. Ứng dụng pin mặt trời Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT 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 NLMT 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 mặt trời trong rất nhiều dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hàng ngày. Pin mặt trời còn dùng để chạy xe ôtô thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình. Trong công nghệp người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống điện dùng pin mặt trời với công suất lớn. Hiện nay giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 47 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 2.36. Xe dùng Pin NLMT Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện công việc xây dựng các trạm điện dùng pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta. Trên thế giới người ta bắt đầu xây dựng các nhà máy quang điện mặt trời với công suất lớn. Hình 2.37. Lắp pin NLMT cho nhà ở Một nhà máy điện mặt trời quy mô lớn công suất 154MW nối với lưới điện quốc gia với trị giá 420 triệu Đôla, đây là nhà máy quang điện lớn nhất và hiệu quả nhất thế giới sẽ được xây dựng ở Tây Bắc bang Victoria - Australia. Nhà máy này sẽ sử dụng công nghệ tập trung quang năng bằng kính hướng nhật (HCPV) (Các tấm Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 48 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường gương dò theo hướng mặt trời). Nhà máy sẽ bao gồm nhiều bãi đặt kính hướng nhật thu ánh nắng mặt trời vào các bình chứa. Các thiết bị thu này chứa nhiều module gồm nhiều dãy tấm pin mặt trời hiệu suất siêu cao sẽ chuyển trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 49 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường CHƯƠNG III. THỦY NĂNG, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ ỨNG DỤNG 3.1. Phương pháp tập trung năng lượng và các dạng trạm thủy điện Từ thời xa xưa con người đã biết lợi dụng sức nước để thay thế môt số công việc nặng nhọc như đưa nước từ suối lên ruộng bằng các cọn nước, giã gạo bằng sức nước mà hiện nay các dân tộc miền núi nước ta vẫn đang dùng. Đến thế kỷ thứ 18 khi phát minh ra turbin hơi nước thì việc lợi dụng sức nước càng thuận lợi và kỹ thuật ngày càng hoàn thiện hơn. Kinh nghiệm của nước ta cũng như các nước đang phát triển cho thấy: ở những hợp tác xã hay cụm dân cư miền núi thì không nhất thiết phải dùng điện làm năng lượng chạy máy bơm nước, máy xát gạo Vì như vậy sẽ đòi hỏi lắp đặt máy phát điện có công suất lớn, dùng các động cơ điện cho máy công tác, thiết bị dây dẫn, và đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu lớn. Để tiết kiệm người ta lắp đặt các máy bơm nước trực tiếp, máy xay xát gần turbin, đấu trực tiếp hoặc qua dây đai để turbin kéo máy công tác quay. Như vậy dùng ngay thuỷ năng để phục vụ sản xuất. Chỉ riêng các máy công tác không thể đặt gần turbin do khó khăn về vận chuyển sản phẩm hoặc địa điểm thì cần dẫn điện tới nơi đặt máy. Như vậy nhu cầu điện sẽ gồm các máy công tác đặt ở xa, điện thắp sáng, điện truyền thanh, Tổng nhu cầu điện sẽ là cơ sở để xác định công suất máy phát điện. Làm như vậy thì turbin vừa cung cấp điện năng vừa cung cấp thuỷ năng. Hiện nay nhiều nước đã có tiêu chuẩn phân loại thuỷ điện nhỏ theo cấp công suất của trạm như sau: - Loại cực nhỏ (micro) từ 100 kW trở xuống - Loại nhỏ (mini) từ 101  1000 kW - Loại vừa từ 1000  10.000 hoặc 20.000 kW 3.1.1. Tính toán đơn giản công suất dòng chảy Trong turbin nước, động năng của dòng chảy được biến đổi thành chuyển động quay (cơ năng) và được xác định bằng chiều cao của cột nước và lưu lượng dòng chảy. Đối với thuỷ điện nhỏ có thể dùng công thức đơn giản sau đây để tính công suất: H×Q P = (3.1) 200 Trong đó: P – công suất (kW); Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 50 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường H - độ cao cột nước (m); Q – lưu lượng dòng chảy (lít/ngày) với hiệu suất toàn bộ tính bằng 50% Một điều đáng chú ý là các sông suối nhỏ rất thiếu về số liệu thuỷ văn, vì vậy cần phải kết hợp với việc đo trực tiếp và tìm hiểu kinh nghiệm của người dân sống lâu năm ở địa phương về mức nước cao nhất đã từng thấy trong mấy chục năm qua cũng như mức nước về mùa cạn. Muốn cho trạm hoạt động quanh năm thì phải căn cứ vào mức nước mùa cạn để tính toán, nhưng như vậy công suất của trạm sẽ bị hạn chế. Ngược lại nếu tính toán theo mức nước mùa mưa thì công suất trạm sẽ lớn nhưng thời gian hoạt động của trạm lại bị hạn chế. Vì vậy cần lựa chọn công suất và cột nước sao cho có lợi nhất và phù hợp với nhu cầu của địa phương là vấn đề cần lưu ý khi thiết kế trạm thuỷ điện nhỏ. 3.1.2. Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn Xây dựng đập tại một tuyến thích hợp nơi cân khai thác. Đập tạo ra cột nước do sự chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập. Đồng thời tạo nên hồ chứa có tác dụng tập trung và điều tiết lưu lượng, làm tăng khả năng phát điện trong mùa kiệt, nâng cao hiệu quả lợi dụng tổng hợp nguồn nước như cắt lũ chống lụt, cung cấp nước, nuôi cá, vận tải thuỷ Phương thức tập trung cột nước được gọi là phương thức khai thác kiểu đập. Phương thức này có ưu điểm là vừa tập trung được cột nước vừa tập trung và điều tiết lưu lượng phục vụ cho việc lợi dụng tổng hợp nguồn nước. Song nó có nhược điểm là đập càng cao, khối lượng xây lắp càng nhiều, kinh phí lớn, ngập lụt và thiệt hại nhiều. Khi thiết kế xây dựng phải thông qua tính toán kinh tế kỹ thuật , so sánh lựa chọn phương án có lợi. Sơ đồ khai thác kiểu đập thường thích ứng với các vùng trung du của các sông nói có độ dốc lòng sông tương đối nhỏ, địa hình địa thế thuận lợi cho việc tạo nên hồ chứa có dung tích lớn là tổn thất ngập lụt tương đối nhỏ. Ngược lại ở vùng thượng lưu, do lòng sông hẹp, độ dốc lòng sông lớn nên dù có làm đập cao cũng khó tạo thành hồ chứa có dung tích lớn. Ở hạ lưu, độ dốc lòng sông nhỏ, xây đập cao dẫn đến ngập lụt lớn thiệt hại nhiều. Cho nên ở vùng này ít có điều kiện khai thác kiểu đập. 3.1.3. Phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn Ở những đoạn sông thượng lưu, độ dốc lòng sông thường lớn, lòng sông hẹp, dùng đập để tạo nên cột nước thường không có lợi cả về tập trung cột nước, tập trung và Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 51 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường điều tiết lưu lượng. Trong trường hợp này cách tốt nhất là dùng đường dẫn để tạo thành cột nước. Đặc điểm của phương thức này là cột nước do đường dẫn tạo thành. Đường dẫn có thể là kênh máng, ống dẫn hay đường hầm có áp hoặc không áp. Đường dẫn có độ dốc nhỏ hơn sông suối, nên dẫn càng đi xa độ chênh lệch giữa đường dẫn và sông suối càng lớn, ta được cột nước càng lớn. Hay nói cách khác, đường dẫn dài chủ yếu để tăng thêm cột nước cho trạm thủy điện. Đập ở đây thấp và chỉ có tác dụng ngăn nước lại để lấy nước vào đường dẫn. Do đập thấp nên nói chung tổn thất do ngập lụt nhỏ. Đối với sơ đồ khai thác này tuỳ tình hình và yêu cầu cụ thể mà có thêm các công trình phụ khác như: cầu máng, xi phông, bể áp lực, tháp điều áp, bể điều tiết ngày.vv Cách tập trung cột nước bằng đường dẫn được ứng dụng rộng rãi ở các sông suối miền núi có độ dốc lớn và lưu lượng nhỏ. 3.1.4. Phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy Khi vừa có điều kiện xây dựng hồ để tạo ra một phần cột nước và điều tiết lưu lượng lại vừa có thể lui tuyến nhà máy ra xa đập một đoạn nữa để tận dụng độ dốc lòng sông làm tăng cột nước, thì cách tốt nhất là dùng phương pháp tập trung cột nước bằng đập và đường dẫn. Với phương thức này, cột nước của trạm thuỷ điện do đập và đường dẫn tạo thành. Đập thương đặt ở chỗ thay đổi độ dốc của lòng sông nơi khai thác. 3.2. Các kiểu turbin nước thông dụng 3.2.1.Turbin Pelton Về nguyên lý, bánh xe nước cổ xưa được áp dụng vào bánh xe của turbin Pelton, bao gồm một bánh xe xung quanh có gắn các gáo, một vòi phun nước cao tốc phun nước vào gáo và đẩy bánh xe quay. Tốc độ của turbin được điều chỉnh bởi đầu kim đặt trong vòi phun. Khi đầu kim trong vòi phun chuyển động sẽ tăng hoặc giảm lượng nước phun vào gáo. Trong trường hợp phụ tải giảm đột ngột thì có bộ phân lái tia nước sẽ lái một phần tia nước lệch đi cho đến khi kim phun điều chỉnh giảm dòng nước đến mức thích hợp. Nếu không có bộ phận lái tia nước mà kim phun đóng đột ngột dòng nước sẽ gây ra hiện tượng xô nước làm hư hại hệ thống dẫn nước. Loại turbin này thường dùng cho các trạm thuỷ điện có cột nước cao trên 40m. Ở nhà máy thuỷ điện Đa Nhim được đặt 4 turbin Pelton với cột nước 800m. Một số trạm thuỷ Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 52 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường điện có cột nước trên 100m cũng được đặt loại turbin Pelton này (trạm thuỷ điện Bạch Mã ở Thừa Thiên - Huế) Hình 3.1. Turbin Pelton. 3.2.2. Turbin Francit Đa số trường hợp cột nước lớn hoặc nhỏ người ta đều dùng turbin này. Cấu tạo của turbin Francit gồm có: Buồng xoắn bao quanh, ở chu vi bên trong của buồng xoắn có gắn các cánh hướng dòng nước theo hướng chảy tối ưu đi vào các cánh cong gắn trên bộ phận quay làm turbin quay, sau đó nước thoát ra ở trung tâm turbin. Các cánh hướng dòng nước được điều chỉnh sao cho thích hợp với hướng biến đổi của lưu lượng nước và phụ tải của turbin. Do thay đổi khi thiết kế, loại turbin này có thể dùng ở phạm vi cột nước từ 30 – 700m và hiện nay được đặt nhiều ở các trạm thuỷ điện nhỏ ở nước ta có ký hiệu là F10 và F30. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 53 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 3.2. Turbin Francit 3.2.3. Turbin Kaplan Đối với trường hợp cột nước rất thấp và lưu lượng lớn, turbin đặt ngay ở đập ngăn sông thì người ta thường dùng turbin Kaplan. Cấu tạo của loại turbin này gồm có các cánh hướng điều chỉnh dòng nước sao cho thích hợp với lưu lượng và phụ tải. Dòng nước vào làm quay bộ phận quay có gắn các cánh chân vịt, sau đó nước thoát ra ở bên dưới. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 54 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 3.3. Turbin Kaplan Hình 3.4. Turbin Michel-Banki 3.2.4. Turbin Michel - Banki Đặc điểm chính của loại turbin này là dòng nước được phun thẳng góc với tiết diện của các cánh gắn trên phần quay hai lần: lần thứ nhất nước vào cánh rồi đi vào trung tâm, sau đó nước lại đập vào cánh ở phía đối diện rồi thoát ra ngoài, nhờ vậy việc biến đổi năng lượng được thực hiện hai lần. Loại turbin này có thể dùng ở cột nước từ 2 – 100m, chế tạo đơn giản hơn so với các loại trên nên được dùng phổ biến ở nước ta và các nước đang phát triển. 3.3. Ưu điểm và nhược điểm của thủy điện 3.3.1. Các tác động về môi trường a) Thuận lợi Thủy điện có rất nhiều mặt lợi thế trong các dạng năng lượng sản xuất điện khác, trong đó cần kể đến mức độ tin cậy cao, giá thành phải chăng và dễ dàng đáp ứng với sự thay đổi nhanh chóng về tiêu thụ điện. Do các tổ máy phát điện có thể vận hành hoặc ngưng lại một cách tương đối nhanh chóng và dễ dàng, thủy điện có thể tự điều chỉnh đáp ứng linh hoạt theo mức nhu cầu tải. Mặt khác, tại các nhà máy thủy điện, người ta còn có khả năng điều chỉnh lưu lượng nước cho phù hợp với nhu cầu tải theo từng ngày hoặc theo mùa. Mặt khác, các nhà máy thủy điện không thải các khí độc hại. Các nhà máy thủy điện chỉ thải ra một lượng rất nhỏ các khí CO2 và mêtan (chủ yếu từ các hồ trữ), và không thải ra các chất khí độc hại khác như SO2, NO2 và các khí ô nhiễm bắt nguồn từ việc đốt nhiên liệu như ở các nhà máy nhiệt điện. Hồ trữ nước còn có thể được sử dụng như một phương tiện cung cấp nước, kiểm soát lũ lụt. Tại khu vực các nhà máy thủy điện, có rất nhiều cơ hội để phát triển các sinh hoạt giải trí ngoài trời. Các hồ trữ tạo các khu vực cho các hoạt động như chèo thuyền, câu cá, trượt nước và bơi. Khu vực hạ lưu có thể tạo điều kiện cho các hoạt động giải trí liên quan đến dòng chảy như câu cá, chèo thuyền, trượt nước (water rafting) Khu vực đất đai xung quanh nhà máy thủy điện có thể tạo ra Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 55 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường rất nhiều nguồn lợi, ví dụ như các hoạt động cắm trại, pinic, leo đồi, cũng như các hoạt động văn hóa và giáo dục khác. b) Bất lợi Tuy rằng thủy điện được xem là nguồn năng lượng sạch và tái tạo, việc phát triển các nhà máy thủy điện có thể gây ra các tác động lớn về môi trường. Sau đây là một số ví dụ thường gặp: - Việc xây dựng các hồ trữ làm thay đổi cảnh quan thiên nhiên - Việc thay đổi dòng chảy của sông dẫn tới sự thay đổi môi trường sống của cá - Các đập thủy điện gây ra sự đứt đoạn đường di trú của các loài cá khác nhau (như cá hồi sông Mê Kông – Xem Mekong Commission) - Làm chết hoặc bị thương các loài cá trên đường di chuyển của chúng qua turbin - Các đập thủy điện có thể gây thay đổi lớn trong chất lượng và khối lượng của nguồn nước uống và sinh hoạt - Thủy điện gây ra đoạn sông chết từ sau đập đến nhà máy và gây các ảnh hưởng khác ở hạ lưu Một số tài liệu gần đây cho biết thủy điện vẫn có khả năng sinh khí nhà kính, đặc biệt là mê tan. Việc sinh khí mê tan là do các thực vật, tảo lắng trong các bể chứa, phân rã trong môi trường yếm khí dưới lòng hồ. Khí mê tan được thải vào khí quyển khi nước được xả ra từ các bể chứa và quay các turbin. Theo báo cáo của World Comission on Dams (WCD), ở những hồ trữ được xem là vượt quá công suất vận hành của đập (dưới 100 W/m2) và không có việc nạo vét lòng hồ một cách tích cực, lượng khí nhà kính thải ra từ đập thủy điện có thể ngang bằng với lượng khí thải từ các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch có cùng công suất. Các nhà môi trường trong thời gian gần đây đã nhấn mạnh về các mối lo ngại của họ về việc các đập thủy điện cỡ lớn có thể gây phân đoạn hệ thống sinh thái của môi trường xung quanh. Các nghiên cứu cho thấy các đập thủy điện dọc theo bờ Thái Bình Dương và Đại Tây Dương ở Bắc Mỹ là nguyên nhân của sự sụt giảm lượng cá hồi do đường di chuyển lên môi trường sinh sản ở thượng nguồn bị chặn đứt bởi các turbin, dù rằng các đường dẫn cá (fish-ladder) đã được thiết lập tại hầu hết các đập này. Cá hồi con cũng là nạn nhân của các turbin thủy điện trên đường di chuyển của chúng về hạ lưu. Chính vì những lý do này mà hiện nay người ta đang cố gắng tập trung vào các nghiên cứu thiết kế turbin và nhà máy thủy điện có khả năng giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 56 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường Như vậy rõ ràng rằng, việc xây dựng các đập thủy điện lớn ở thượng nguồn có thể gây xáo động rất lớn về quần thể sinh thái, cảnh quan, tác động lớn đến ngành đánh cá và tưới tiêu nông nghiệp. Trước nhất, nước sông chảy qua turbin chứa rất ít phù sa, từ đó có khả năng gây ra hiện tượng sục sạch bùn ở lòng sông và gây ra lở bờ ở phía hạ lưu. Thứ hai, do turbin thường được đóng mở một cách gián đoạn, dẫn đến dao động bất thường và đột xuất của lưu lượng sông. Cuối cùng, nước chảy trong turbin thường có nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ bình thường của sông, điều này dẫn đến sự thay đổi quần thể động thực vật, trong đó có thể có những loài đang bị nguy cơ tuyệt chủng. Theo thống kê của Quĩ Hoang Dã Quốc Tế (WWF), 60% trong số 227 con sông lớn nhất đã bị phân đoạn nặng nề, trong đó các đập nước (gồm có đập thủy điện) được xem là có trách nhiệm lớn nhất. Trong số này, theo ước lượng của LHQ, chỉ mới 1/3 tổng số tiềm năng thủy điện được khai thác trên toàn thế giới và phần lớn số tiềm năng chưa được khai thác nằm ở các nước đang phát triển. Như vậy, với chiến dịch xóa đói giảm nghèo ở các nước đang phát triển, mà bước quan trọng là điện khí hóa nông thôn, việc xây dựng chính sách sử dụng tiềm năng thủy điện hợp lý và kế hoạch chi tiết và cẩn trọng đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Việc đầu tư phát triển cho các hệ thống thủy điện phân tán - Decentralized Hydro Power (các hệ thống micro hoặc pico hydro) cho các vùng sâu vùng xa (không có khả năng kết nối vào lưới điện quốc gia) có thể là một giải pháp vô cùng hiệu quả so với việc đầu tư vào xây dựng các nhà máy thủy điện lớn tốn kém với cái giá phải trả về lâu về dài về môi trường. 3.3.2. Các tác động về xã hội Các tác động về mặt xã hội do dự án thủy điện thường liên quan đến vấn đề chuyển hóa đất sử dụng trong khu vực khai triển thủy điện và vấn đề di dời dân cư trong vùng xây dựng bể chứa. Mức độ ảnh hưởng của các tác động này phụ thuộc vào qui mô khai triển dự án. Đây là một vấn đề quan trọng mà các nhà qui hoạch dự án thủy điện cần phải đưa vào tính toán ngay những giai đoạn đầu trong quá trình thiết kế và lên kế hoạch khả thi, nhằm mục đích xác định cụ thể các mặt tiêu cực của việc khai triển thủy điện trong khu vực có tiềm năng, và cân nhắc kỹ lưỡng với các mặt tích cực mà thủy điện có thể đem tới. Một vấn đề khác trong quá trình xây dựng đập thủy điện là việc tái định cư cho người dân sống trong khu vực qui hoạch hồ nước. Việc đền bù giải tòa không chỉ đơn thuần là vấn đề về tài chính mà còn phải xét đến các vấn đề khác như di sản văn hóa, di tích lịch sử và các địa điểm gắn liền với các truyền thống tôn giáo và tín ngưỡng Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 57 -
Bài giảng Năng lượng & Môi trường 3.4. Khái niệm cơ bản về năng lượng gió 3.4.1. Tổng quan về năng lượng gió. Năng lượng gió là một nguồn năng lượng quan trọng và có tiềm năng rất lớn. Đây là dạng năng lượng sạch, phong phú và là nguồn cung cấp năng lượng gần như vô tận. Công nghệ và kỹ thuật khai thác năng lượng gió phát triển vượt bậc trong 2 thập kỷ vừa qua, ví dụ như công suất turbin gió hiện nay lớn gấp 100 lần so với 20 năm trước. Do đó, năng lượng gió được liệt vào một trong những dạng năng lượng hoàn nguyên sản xuất điện năng phát triển nhanh nhất trong thời gian gần đây, với tốc độ gia tăng trung bình mỗi năm là 26%. Cho đến cuối năm 2003, điện gió được phát triển tại hơn 50 quốc gia trên thế giới, với tổng công suất điện toàn cầu đạt tới 40.300 MW, trong đó Châu Âu chiếm 73%. 5 quốc gia đứng đầu về sản xuất điện gió là Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Đan Mạch và Ấn Độ, chiếm 84% tổng công suất toàn cầu. Các lợi thế chính của năng lượng gió: Sạch, không gây ô nhiễm: năng lượng gió không thải khí và suy kiệt theo thời gian. Tăng cường phát triển kinh tế địa phương: các nông trại gió có khả năng nâng cao thu nhập của chủ đất qua các hình thức cho thuê đất để phát triển trại gió, đưa tới việc tăng lợi tức từ thuế cho cộng đồng địa phương. Đa dạng về hình thức và qui mô: ứng dụng năng lượng gió gồm nhiều hình thức và qui mô từ nhỏ đến lớn, từ các trại gió tập trung đến các hệ thống phát điện gia dụng. Ổn định giá năng lượng: với khả năng đóng góp và đa dạng hóa năng lượng, năng lượng gió có thể góp phần giảm sự phụ thuộc vào các dạng năng lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch) vốn thay đổi theo giá thành và khả năng cung cấp. Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, góp phần giữ vốn đầu tư nội địa và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu từ nước ngoài. Với vai trò và khả năng giảm thiểu tỷ lệ khí nhà kính của năng lượng gió, các nước phát triển đang đẩy mạnh các kế hoạch khai triển điện gió đầy tham vọng. Trong đó gần đây nhất là các dự án phát triển điện gió ngoài khơi, cho dù dạng điện gió ngoài khơi thường có chi phí khai thác cao hơn nhưng nguồn gió rất dồi dào và ít các tác động môi trường hơn. Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 58 -