Khi Nói công suất của máy cày là 20000W có nghĩa là gì
|
CHƯƠNG 5 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Đỗ Văn Chương Chuyên đề Năng Lượng - VnGG Mặt Trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được: sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi dù ít hay nhiều[i]. Việc thu giữ năng lượng Mặt Trời (NLMT) gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường. Việc sử dụng NLMT không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Hai phương pháp phổ biến dùng để thu nhận và trữ năng lượng Mặt Trời là phương pháp thụ động và phương pháp chủ động. Phương pháp thụ động sử dụng các nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng. Phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu bức xạ nhiệt và sử dụng các hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt. Phương pháp thụ động có lịch sử phát triển dài hơn hẳn, trong khi phương pháp chủ động chỉ mới được phát triển chủ yếu trong thế kỷ 20.Hai ứng dụng chính của NLMT là: + Nhiệt Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện + Điện Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng (hay còn gọi là quang điện-photovoltaics) Hai dạng hệ thống dân dụng sử dụng NLMT phổ biến nhất hiện nay là hệ thống sưởi nhiệt Mặt Trời và hệ thống Quang Điện cá nhân. Các hệ thống khác bao gồm: hệ thống đun nước Mặt Trời, máy bơm NLMT, và Điện MT dùng tại các trạm TT Vô Tuyến ở vùng xâu vùng xa. Bài viết này sẽ tập trung vào phần ứng dụng sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời (nhiệt điện Mặt Trời và quang điện). Tuy rằng công suất lắp đặt ĐMT vẫn tương đối thấp so với một số dạng NL mới khác như thủy điện và gió, nhu cầu Điện Mặt Trời tăng rất nhanh trong vòng 15 năm qua, với tốc độ trung bình là 25% mỗi năm. Riêng trong năm 2004, tổng công suất lắp đặt điện Mặt Trời toàn cầu đạt 927 MW, tăng gần gấp đôi so với năm 2003 (574) và gấp hơn 40 lần so với 20 năm trước[ii]. Các quốc gia phát triển trên thế giới đang thúc đẩy mạnh mẽ các kế hoạch phát triển Điện Mặt Trời thông qua cải thiện kỹ thuật cũng như trợ vốn. 5.2. Nguồn năng lượng mặt trời Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tác vơi các nguyên tố khác bên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau. Quá trình bức xạ của Mặt Trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa. Mỗi giây, Mặt Trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ, tuy nhiên chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất. Tuy nhiên, phần năng lượng này vẫn được xem là rất lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển của Trái Đất. Một phần lớn bức xạ Mặt Trời phản xạ lại về không gian trên bề mặt các đám mây. 99% bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất chuyển thành nhiệt và sau đó tỏa nhiệt lại về không gian. Chỉ cần một phần nhỏ năng lượng Mặt Trời được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới.
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 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[iii], kỹ thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973[iv]. Các pin Mặt Trời thông thường được lắp thành một module khoảng 40 phiến pin, và 10 module sẽ được lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện có thể dài vài mét. Các chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng này được lắp ở một góc cố định hướng về phía Nam, hoặc được lắp trên một hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để luôn bắt được nắng theo sự thay đổi quĩ đạo của nắng Mặt Trời. Qui mô hệ thống quang điện có thể từ mức 10-20 chuỗi quang điện cho các ứng dụng dân sự, cho đến hệ thống lớn bao gồm hàng trăm chuỗi quang điện kết nối với nhau để cung cấp cho các cơ sở sản xuất điện hay trong các ứng dụng công nghiệp... Một số dạng pin Mặt Trời được thiết kế để vận hành trong điều kiện ánh sáng Mặt Trời hội tụ. Các Pin Mặt Trời này được lắp đặt thành các collector tập trung ánh sáng Mặt Trời sử dụng các lăng kính hội tụ ánh sáng. Phương pháp này có mặt thuật lợi và bất lợi so với mạng Pin Mặt Trời dạng phẳng (flat-plate PV). Thuận lợi ở điểm là sử dụng rất ít các vật liệu Pin Mặt Trời bán dẫn đắt tiền trong khi đó hấp tối đa ánh sáng Mặt Trời. Mặt bất lợi là các lăng kính hội tụ phải được hướng thẳng đến Mặt Trời, do đó việc sử dụng các hệ hấp thu tập trung chỉ khai triển ở những khu vực có nắng nhiều nhất, đa số đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh hướng nằng tối tân, kỹ thuật cao. Hiệu quả của Pin Mặt Trời phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện năng của phiến pin MặT TRờI. Chỉ có ánh sáng Mặt Trời với mức năng lượng nhất định mới có thể chuyển đổi một cách hiệu quả thành điện năng, chưa kể đến một phần lớn lượng ánh sáng bị phản chiếu lại hoặc hấp thu bởi vật liệu cấu thành phiến pin. Do đó, hiệu suất tiêu biểu cho các loại pin Mặt Trời thương mại hiện nay vẫn tương đới thấp, khoảng 15% (tương đương với 1/6 bức xạ Mặt Trời chiếu đến pin được chuyển thành điện)[v]. Hiệu suất thấp dẫn đến việc đòi hỏi tăng diện tích lắp đặt để đạt được công suất đưa ra, tức là tăng giá thành sản xuầt. Do đó, mục tiêu hành đầu hiện nay của ngành công nghiệp ĐMT là tăng hiệu quả Pin và giảm giá thành trên đơn vị phiến pin.
a) Phiến pin quang điện (Photovoltaic Cell) Phiến pin quang điện là kỳ công của vật lý tinh thể và bán dẫn. Nó được cấu tạo từ các lớp phẳng và mỏng của các vật liệu đặc biệt gọi là bán dẫn xếp chồng lên nhau (Hình 5.4). Có 3 lớp vật liệu chính: lớp trên cùng gọi là silicon loại n (n: negative, âm), vật liệu này có khả năng phóng thích các hạt tích điện âm gọi là electron một khi được đưa ra ngoài ánh sáng mặt trời. Lớp dưới cùng gọi là lớp p, tích điện dương khi tiếp xúc với bức xạ Mặt Trời (p: positive, dương). Lớp vật liệu ở giữa gọi là lớp chèn (junction), lớp này có vai trò như một lớp phân cách (insulator) giữa lớp n và lớp p. Các eletron được phóng thích từ lớp n sẽ di chuyển theo đường ít bị cản trở nhất, tức là di chuyển từ lớp n tích điện âm ở bên trên về lớp p tích điện dương ở bên dưới. Như vậy, nếu vùng p và vùng n được nối bởi một mạch điện tạo bởi các dây dẫn mỏng, dòng electron sẽ di chuyển trong mạch điện này, tạo ra dòng điện một chiều có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được dự trữ để dùng sau. Cường độ dòng điện sinh ra phụ thuộc vào số lượng và phương thức nối các tế bào Mặt Trời trong pin Mặt Trời. b) Hệ thống Pin Quang Điện (Photovoltaic System) Cơ chế quang điện cho thấy cường độ dòng quang điện tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng Mặt Trời. Dòng điện sinh ra truyền qua chuỗi các tế bào quang điện, hay còn gọi là module quang điện, có thể cung cấp điện ở bất cứ qui mô nào, từ vài miliwatt (MW) như trong máy tính bỏ túi cho đến vài MW như qui mô các nhà máy điện. Dòng quang điện một chiều có thể được nạp vào bình acqui để dự trữ cho các sinh hoạt về ban đêm hoặc vào những ngày không có nắng. Một bộ điều khiển thường được cài giữa module và bình ắc qui như một dạng ốn áp, giúp tránh trường hợp ắc qui bị sạc quá tải. Toàn bộ các thiết bị này liên kết lại thành hệ thống Quang Điện sản xuất điện một chiều có điện thế do động từ 12 đến 24 volt. Điện một chiều có thể được chuyển đổi thành điện xoay chiều thông qua bộ biến điện. Bộ biến điện DC/AC ngày nay có công suất từ 100-20,000 W và hiệu suất đạt tới 90%. Các module có thể được lắp nối với nhau một cách dễ dàng tạo thành chuỗi module có công suất đáp ứng với nhu cầu điện đặt ra (Hình 5.6). Một khi được lắp đặt, thì chi phí bảo trì cho module gần như không đáng kể. Module và các chuỗi quang điện thường được đánh giá dựa vào công suất tối đa của chúng ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (Standard Test Conditions, viết tắt là STC). STC được qui định là module vận hành ở nhiệt độ 250C với tổng lượng bức xạ chiếu lên module là 1000 W/m2 và dưới phân bố phổ của khối khí 1,5 (Air Mass 1,5, góc nắng chiếu nghiêng 370). Do các điều kiện thử nghiệm trong phòng thí nghiệm là tương đối lý tưởng so với điều kiện thực tế của các khu vực lắp đặt ĐMT, các module chỉ đặt hiệu suất cỡ 85-90% hiệu suất thử nghiệm ở điều kiện chuẩn (STC). Các module quang điện ngày này rất an toàn, bền và đáng tin cậy, với tuổi thọ sử dụng dao động từ 20-30 năm. c) Hiệu suất của Pin Mặt Trời 5.3.2. Các ứng dụng của Quang Điện Ngày nay, ứng dụng của ĐMT rất đa dạng. Ở qui mô nhỏ, ĐMT được sử dụng để cung cấp điện cho việc thắp sáng nhà cửa, tủ lạnh và các ứng dụng gia dụng và kinh doanh. ĐMT đặc biệt có giá trị ở vùng sâu vùng xa, khi việc kết nối với lưới điện là rất tốn kém hoặc không khả thi. Ở qui mô lớn hơn, các nhà máy ĐMT được sử dụng để cung cấp điện bổ sung vào hệ thống lưới điện trung tâm. Các ứng dụng về viễn thông của ĐMT cũng rất đa dạng. Pin Mặt Trời được dùng trong thu phát vi sóng, các hệ thống đài vô tuyến cầm tay, các hệ thống điều khiển từ xa, truyền thông vô tuyến, điện thoại, các hộp điện thoại khẩn cấp trên xa lộ ... Nhiều ứng dụng trong thiết bị điện tử gia dụng như máy tính cầm tay, máy vi tính, đồng hồ đo tay, máy thu hình... Các hệ thống chiếu sáng từ xa cũng sử dụng rất rộng rãi ĐMT, phổ biến nhất là các bảng quảng cáo, bảng tín hiệu giao thông, các trạm đỗ xe ... Các cơ sở công nghiệp, quân sự, giao thông vận tải và các ngành công nghiệp dầu khí cũng sử dụng các hệ thống ĐMT để vận hành các tín hiệu cảnh báo, các đèn hiệu cột mốc dẫn đường, các tín hiệu khẩn cấp, các bảng điều khiển giao thông, các tín hiệu xe lửa v.v. Một trong những ứng dụng rộng rãi nhất ngày nay của ĐMT là cung cấp điện cho các trạm theo dõi dự báo đặt ở vùng sâu vùng xa. Hầu hết trong số hơn 20 ngàn hệ thống ĐMT phục vụ công tác dự báo sử dụng ngày nay trên khắp thế giới có công suất nhỏ hơn 200 W và dùng để theo dõi thời tiết, nhiệt độ và lưu lượng nước, giám sát lượng chất thải công nghiệp và rò rỉ đường ống[vi] v.v. Pin Mặt Trời còn có thể cung cấp điện cho hệ thống bơm nước phục vụ tưới tiêu, nước sinh hoạt hoặc nước sử dụng trong các nhà máy công nghiệp. 5.3.3. Các dạng hệ thống Quang Điện a) Hệ thống hòa mạng Có hai dạng hệ thống quang điện kết mạng: trực tiếp và trữ ắc qui. Module quang điện và bổ chuyển AC/DC là 2 thành phần thiết yếu trong cả 2 dạng hệ thống hòa mạng. Module quang điện có vai trò chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành dòng điện một chiều, và bộ chuyển AC/DC chuyển dòng điện một chiều này thành điện 2 chiều. Hệ thống quang điện nối mạng trực tiếp tương đối đơn giản hơn và hiệu quả hơn trong vài trường hợp. Hệ thống này chuyển đổi tức thời dòng điện một chiều thành điện xoay chiều và kết nối vào đồng hồ điện trung tâm. Tại đây, quang điện chia tải với hệ thống điện lưới và quay ngược đồng hồ điện bất cứ khi nào có thặng dư điện[vii]. Đây là dạng thiết kế giá thành thấp/tiết kiệm. Hệ thống này không có biện pháp dự phòng vì nó không sử dụng bất cứ thiết bị trữ điện nào. Nếu nguồn điện trung tâm bị cắt, thì sẽ xảy ra hiện tượng cúp điện ở đầu tải. Hệ thống quang điện sử dụng bình trữ điện ắc qui thì khắc phục được trường hợp mất điện khi nguồn điện trung tâm bị cắt. Hệ thống bao gồm một bộ ắc qui[viii]và các thiết bị điều khiển điện tử phức tạp. Một khi nguồn điện trung tâm bị cắt vào ban tối, điện dự trự từ ắc qui sẽ được sử dụng thay thế cho đến khi cạn nguồn dự trữ. Nếu nguồn điện bị cắt vào ban ngày, hệ thống pin quang điện sẽ liên tục nạp ắc qui, từ đó kéo dài khả năng dự trữ điện cho ban tối. b) Hệ thống đơn lẻ (cục bộ - stand alone) Các hệ thống quang điện cục bộ được thiết kế để vận hành một cách độc lập đới với mạng điện lưới. Qui mô và thiết kế của hệ thống dạng này phù hợp cho các tải điện một chiều và/hoặc điện xoay chiều công suất nhỏ. Hệ thống cục bộ có thể chỉ hoạt động dựa vào duy nhất các mạng module quang điện, hoặc có thể kết hợp với các nguồn khác khác như điện gió, máy phát diesel ... như nguồn phát thứ cấp (còn gọi là hệ quang điện liên kết hybrid system, xem hình). Dạng đơn giản nhất của hệ thống quang điện cục bộ là hệ thống liên kết tải trực tiếp, tức là dòng điện một chiều phát ra từ module quang điện sẽ được dẫn trực tiếp vào tải mà không qua hệ thống trữ điện trung gian (như bình ắc qui). Đương nhiên là hệ thống này chỉ có tác dụng vào ban ngày vài những giờ nắng, cung cấp điện cho các tải nhỏ như hệ thống quạt lưu thông khí, hệ thống đun nước nhiệt Mặt Trời... Phần thiết kế quan trọng nhất cho hệ thống trực tiếp là tính toán điện trợ tải sau cho phù hợp với công suất tối đa của chuỗi pin Mặt Trời. Đối với một số loại tải như máy bơm nước, người ta gắn một dạng biến điện DC-AC điện từ, gọi là hệ thống theo dõi công suất tối đa, giữa nguồn và tải để có thể vận dụng tốt hơn công suất tối đa của nguồn.
5.4. Nhiệt Mặt Trời 5.4.1. Chuyển hóa nhiệt Mặt Trời thành điện Năng lượng nhiệt Mặt Trời là nhiệt năng hấp thụ bởi hệ thống thu bắt nhiệt từ ánh sáng Mặt Trời, sử dụng để đun nóng nước (hoặc một số dung dịch khác) hoặc để tạo hơi nước. Khác với các hệ nhiệt Mặt Trời công suất nhỏ sử dụng chảo thu mặt phẳng để thu nhiệt từ ánh sáng Mặt Trời, các nhà máy nhiệt Mặt Trời công suất lớn sử dụng các thiết bị thu hội tụ ánh sáng Mặt Trời và từ đó đạt nhiệt độ cao cần thiết để tạo hơi nước quay turbin. Nước nóng được sử dụng trong nhà ở, công sở hoặc các cơ sở công nghiệp[ix]. Hơi nước được sử dụng để quay turbin và rồi vận hành phát điện. Nhiệt Mặt Trời có ứng dụng rộng rãi trong việc cung cấp nước nóng và sản xuất điện, với công suất có thể đạt tới vài MW. Có 3 dạng tập trung năng lượng Mặt Trời tạo nhiệt đun là: trũng parabol, dĩa quay và tháp năng lượng. Nếu được khai triển ở qui mô lớn, điện nhiệt Mặt Trời có tính cạnh tranh khá cao. Ứng dụng thương mại của công nghệ này xuất hiện vào đầu những năm 80 và phát triển khá nhanh do các ưu điểm sau: + Điện và nước nóng có thể được sản xuất cùng một lúc + Qui mô của nhà máy có thể được thay đổi để thích ứng với các ứng dụng theo thời điểm, hoặc công suất của nhà máy có thể được điều tiết để đáp ứng nhu cầu điện ở lúc cao điểm vào ban ngày + Nhà máy nhiệt Mặt Trời không gây ô nhiễm và có thể được hoàn tất xây dựng trong thời gian rất ngắn 5.4.2. Các hệ thống thu hội tụ ánh sáng Mặt Trời Các nhà máy nhiệt Mặt Trời sử dụng các phương pháp thu hội tụ ánh sáng khác nhau và có sự khác biệt đáng kể về qui mô. Hệ thống thu nhiệt trung tâm sử dụng ở các nhà máy lớn bao gồm các gương hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một dĩa thu duy nhất lắp trên đỉnh một tháp trung tâm (Hình 5.11). Bức xạ nhiệt của ánh sáng Mặt Trời sẽ làm nóng chảy muối bên trong chảo thâu, và nhiệt lượng của muối nóng chảy này sẽ được sử dụng để tạo điện thông quan các máy phát dạng hơi thông thường. Nước hoặc dung dịch đun được bơm vào tháp sẽ được đun nóng để sử dụng trực tiếp hoặc chuyển thành hơi để quay turbine. Các gương này có khả năng theo dõi và quay theo sự thay đổi của hướng nắng[x], từ đó luôn đảm bảo sự hội tụ tối đa của ánh sáng Mặt Trời trên dĩa thu. Mặt thuận lợi của hệ thống này là muối nóng chảy có khả năng giữ nhiệt rất hiệu quả, có thể kéo dài đến vài ngày trước khi được sử dụng để chuyển thành điện, có nghĩa là điện vận có thể được sản xuất trong những ngày âm u hoặc vào vài giờ sau hoàng hôn. Một dạng thiết bị thu nhiệt Mặt Trời thứ hai là hệ thống hình dĩa (rất giống dạng dĩa thâu tín hiệu vệ tinh trong viễn thong, xem hình 5.12). Hệ thống này sử dụng dĩa phản chiếu hình parabol để hội tụ ánh sáng vào tâm thu ở tại tiêu điểm của dĩa. Dung dịch đun được truyền vào dĩa thu để hấp thu nhiệt tại đó. Nhiệt khi cho dung dịch đung dãn nở ra làm đẩy piston và từ đó quay turbin. Phương pháp này cho phép tập trung ánh sáng từ 100 đến 2000 lần. Dạng hệ thống còn lại là thiết bị hình trũng (hình 5.13). Thiết bị này là một gương cầu dài dùng hội tụ ánh sáng lên trên các ống dẫn chứa dung dịch đun (dầu-oil). Dung dịch đun trong ống có thể đạt đến nhiệt độ 4000C như tại Solar Electric Generating Systems tại vùng Nam California. Dung dịch đun nhiệt độ cao này được sử dụng để đun nóng nước tạo hơi quay turbin và rồi vận hành máy phát điện.
So với các nhà máy điện truyền thống, ĐMT gây rất ít tác động đến mội trường. Trong quá trình vận hành, các Pin quang điện hoàn toàn không sử dụng bất cứ dạng nhiên liệu nào, do đó không thải ra khí hoặc chất lỏng độc hại và không sử dụng nước để hạ nhiệt. Các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, nếu có, từ ĐMT là các chất hóa học sử dụng trong quá trình chế tạo, sản xuất pin và diện tích đất sử dụng. Trong qua trình chế tạo một số loại pin QĐ, đặc biệt là Pin gallium arsenide, một số hóa chất độc có thể được sử dụng. Các chất này được sinh ra trong các nhà máy, do đó việc kiểm soát chặt chẽ quá trình sản xuất và quản lý hợp lý các chất thải độc hại, các nguy cơ làm ô nhiệm môi trường sẽ giúp giảm thiểu. Việc xử lý các Pin Mặt Trời sau khi hết hạn sử dụng cũng là một vấn đề đáng lưu ý[xi]. Tuy nhiên hầu hết các vật liệu có khả năng gây hại đều có thể được tái chế. Gần đây người ta đưa ra một số lo ngại về vấn đề diện tích đất đòi hỏi để có thể sản xuất một số lượng lớn Điện Mặt Trời[xii]. Tuy nhiên, thực tế là nếu tính gộp tất cả các giai đoạn đòi hỏi trong quá trình sản xuất điện, các mạng điện Mặt Trời chiếm một diện tích sử dụng (trên một đơn vị điện) ngang bằng với các nhà máy điện than hoặc điện nguyên tử[xiii]. Ngoài ra phải kể đến khả năng thích ứng của các hệ thống quan điện cục bộ với các cấu trúc xây dựng, ví dụ như lắp đặt các dàn pin Mặt Trời trên mái nhà ... hoặc là việc tận dụng các khu vực đất trống bỏ hoang (ít giá trị) như trên sa mạc. 5.6. Giá thành Giá thành chính là trở ngại lớn nhất trong việc khai triển Điện Mặt Trời, cho dù trong 20 năm qua, giá thành của Điện Mặt Trời giảm hơn 40 lần, trung bình là 4% mỗi năm. Đó là chủ yếu nhờ vào sử cải thiện về hiệu suất chuyển đổi năng lượng và qui mô sản xuất và lắp đặt ngày cành được mở rộng. Một hệ thống quang điện gia đình có giá thành dao động từ 8-10 USD/W. Nếu được chính phủ trợ giá, đồng thời tận dụng việc giảm giá thành pin khi mua ở số lượng lớn, và giá lắp đặt dao động sẽ hạ xuống đến $3-4/W (hoặc 10-12 xu Mỹ/kWh). Đối với các hệ thống quang điện qui mô lớn, nếu không được trợ giá, thì giá thành Điện Mặt Trời sẽ dao động vào khoảng 22-40 xu Mỹ/KWh (với điều kiện khí hậu thuận lợi). Nói chung, vốn đầu tư ban đầu là trở ngại lớn nhất. Hầu hết tất cả các phương pháp khai triển điện Mặt Trời (trừ trường hợp hệ thống thu dạng phẳng) đều đòi hỏi một diện tích đất đai tương đới lớn để đạt được hiệu suất cần thiết. Chính vì vậy mà giá thành tăng cao. Hiệu suất điện Mặt Trời cũng phụ thuợc vào vị trí chiếu sáng của Mặt Trời, nhưng hiện nay trở ngại này đã được khắc phục nhờ việc sử dụng heliostat như ở trong các dĩa thu hội tụ. Giá thành Pin quang điện cao cũng là do việc ứng dụng các vật liệu bán dẫn, thậm chí có thể lên đến gấp đôi so với giá thành từ các dạng điện thông thường khác. 5.7 Phát triển Điện Mặt Trời ở Việt Nam Việt Nam có bức xạ Mặt Trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động từ 1.600-2.600 giờ/năm, đặc biệt là khu vực phía Nam. Việt Nam hiện có trên 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng mặt trời. Tính trung bình toàn quốc thì bức xạ Mặt Trời dao động từ 3,8-5,2 kWh/m2/ngày. Tiềm năng điện Mặt Trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam (bức xạ dao động từ 4,0-5,9 kWh/m2/ngày). Tại miền Bắc, bức xạ Mặt Trời dao động khá lớn, từ 2,4-5,6 kWh/m2/ngày, trong đó vùng Đông Bắc trong đó có Đồng bằng sông Hồng có tiềm năng thấp nhất, với thời tiết thay đổi đáng kể theo mùa[xiv]. Theo các tính toán gần đây, tiềm năng kỹ thuật cho các hệ hấp thu nhiệt Mặt Trời để đun nước là 42,2 PJ, tiềm năng hệ điện Mặt Trời tập trung/hòa mạng (intergrated PV system) là 1.799 MW và tiền năng lắp đặt các hệ điện Mặt Trờicục bộ/gia đình (SHS: solar home sytem) là 300.000 hộ gia đình, tương đương với công suất là 20 MW (Nguyễn Q. Khánh, 2005). Việc khai triển điện Mặt Trời bắt nguồn từ "Chương trình nhà nước về Năng lượng tái tạo" trong giai đoạn 1980-1990, với các đề tài về pin mặt trời, sấy, làm lạnh, chưng cất nước và đun nước nóng. Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí, phần lớn các đề tài chỉ dừng ở mẫu thí nghiệm hoặc sản xuất quy mô nhỏ, chưa được chuyển giao vào các ứng dụng quy mô công nghiệp. Cho đến nay, các hoạt động nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực năng lượng Mặt Trời vẫn tương đối chậm, không có tính đột phá do thiếu nguồn vốn đầu tư và đề tài. Do đó việc sử dụng năng lượng Mặt Trời để đun nước nóng và làm nguồn điện sinh hoạt hiện chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ.
Cả nước hiện chỉ có trên 10 cơ sở kinh doanh hoặc sản xuất thiết bị đun nước nóng với tổng diện tích đã lắp đặt khoảng 4.000 m2, trong đó bao gốm 1.120 hệ thống gia đình qui mô diện tích 2-4 m2, 60 hệ thống cộng đồng/chuyên dụng qui mô diện tích 10-50 m2 lắp tại các bệnh viện, trường học, nhà trẻ ... 5.7.2.Hệ thống quang điện Đây là dạng tiềm năng khai thác NLMT lớn nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất trong nước. Pin Mặt Trời hiện chỉ được dùng ở vùng sâu vùng xa, phục vụ sinh hoạt, thông tin và liên lạc tàu bè. Do giá thành còn cao (60 xu Mỹ/kWh) nên điện Mặt Trời chưa được dùng rộng rãi. Điện năng lượng Mặt Trời có lợi thế cung cấp cho các hộ gia đình, khu vực dân cư nông thôn biệt lập mà truyền tải lưới điện quốc gia rất tốn kém[xvii] Cho đến nay, Việt Nam đã lắp đặt hơn 1000 kW hệ thống Pin mặt trời[xviii]. Hầu hết các hệ quang điện được lắp đặt chỉ có công suất tương đối nhỏ, từ 50-1000 Wp (trừ các hệ thống quang điện cho Viễn Thông và An Toàn Hàng Hải). Có thể chia thị trường ĐMT tại Việt Nam như thành 3 thị phần như sau: + chuyên dụng (50%), sử dụng đặc biệt rộng rãi trong Viễn Thông và An Toàn Hàng Hải, tổng công suất đạt tới hơn 440.000 Wp, chiếm gần 44 % tổng công suất ĐMT toàn quốc. + dùng cho cơ quan, bệnh viện, trung tâm dân cư và trạm nạp ác quy (30%); các trạm ĐMT có công suất từ 500-1000 Wp được lắp đẵt dùng để sạc ắc qui và đễ của cắp cho các hộ dân xung quanh (47); các hệ ĐMT có công suất từ 250-500 Wp được lắp để chiếu sáng trong bệnh viện, bệnh xá và các nhà văn hóa xã, địa phương (570). + các hộ gia đình (20%). Trong số này, khoảng 5000 hệ quang điện đã được lắp đặt trong cả nước, với tổng công suất là 650 kW. Hệ QĐ gia đình cũng đang dần dần chiếm thị phần, trong đó phải kể đến khoảng 1000 hệ đã được lắp tại Nam Bộ. Các hệ gia đình có công suất từ 50-67 Wp được chủ yếu lắp tại các địa phương vùng xâu vùng xa, hải đảo cho việc chiếu sáng và sử dụng cho TV, radio (2800). Sau đây là ví dụ về một số các dự án ĐMT ở Việt Nam: + Hệ thống ĐMT liên kết với tiểu thủy điện (micro-hdyro) có công suất 125 kW (100 kW ĐMT và 25 kW tiểu thủy điện) được lắp đặt để cung cấp điện cho một xã tại tỉnh Gia Lai. + Một hệ thống ĐMT liên kết với Phong Điện có tổng công suất 10 kW (8 kW ĐMT và 2 kW Phong Điện) cung cấp điện cho một làng dân tộc thiểu số 40 hộ dân. + Chính phủ cũng đã đầu tư để xây dựng 100 hệ thống điện Mặt Trời gia đinh và 200 hệ thống điện Mặt Trời cộng đồng cho cư dân ở các vùng đảo Đông Bắc (đảo Cô Tô) với tổng công suất là 25 kWp. + Một dự án tại tỉnh Cao Bằng có công suất 7,5 kW cung cấp điện cho các địa điểm công cộng, trung tâm y tế xã, trường tiểu học và 10 hộ gia đình xung quanh trung tâm xã. + Dự án hợp tác giữa bang Northern-Westfalen (Đức) và Bộ Khoa Học, Công Nghệ và Môi Trường có công suất 15 KWp cung cấp điện cho các địa điểm công cộng, trung tâm y tế xã, trường tiểu học và 168 hộ gia đình xung quanh trung tâm xã tại 2 xã miền núi. + 400 hệ thống pin Mặt Trời gia đình nữa do Mỹ tài trợ đã được xây dựng cho các cộng đồng ở Tiền Giang và Trà Vinh với tổng công suất 14 kWp. + Dự án "Điện Mặt Trời phục vụ rừng phòng hộ Cần Giờ", Solarlab - Phân viện Vật lý TP Hồ Chí Minh. Dự án này là một bộ phận của chương trình "Năng lượng không tập trung và phát triển nông thôn Việt Nam" hợp tác với tổ chức FONDEM (Pháp), một chương trình mẫu về điện khí hóa nông thôn bằng năng lượng mới. + Công nghệ Mạng điện cục bộ - Madicub - nhằm đưa điện Mặt Trời vào phục vụ phụ tải điện cho nhà nước của Solarlab cũng đã bắt đầu được đưa vào một số gia đình.
Theo phân tích trong các báo cáo gần đây về tiềm năng phát triển điện Mặt Trời tại Việt Nam, những trở ngại chính trong việc khai triển ĐMT là:
Đồng thời cũng có những kiến nghị để giải quyết các trở ngại trên một cách cụ thể, ví dụ như: §Các cơ quan chức năng ban hành cung cấp sự hỗ trợ kỹ thuật, thiết kế tiêu chuẩn phù hợp cho các thiết bị, xây dựng cơ chế buộc thực hiện đối với các dịch vụ điện mặt trời, bảo đảm tính an toàn và độ tin cậy[xix] §Nhà nước cũng nên xem xét đưa ra quy chế về sự phối hợp giữa Bộ, Ngành liên quan, và chính quyền các tỉnh, địa phương và các nhà đầu tư vào các dự án điện Mặt Trời để khai thác chúng hiệu quả nhất, mặt khác đưa ra các cơ chế hỗ trợ tài chính nhất định. §Nhà nước cần có các chính sách hỗ trợ tích cực cho các cơ quan nghiên cứu, doanh nghiệp cung cấp các dịch vụ cũng như người sử dụng các công nghệ năng lượng mặt trời. 5.7.4. Các dự sn đang và sẽ khai triển trong tương lai Trong chương trình hành động năng lương tái tạo của chính phủ có 3 dự án lớn về Điện Mặt Trời như sau:
Với tham vọng lớn hơn nữa, tức là tăng cường phát triển Công Nghệ để ĐMT đạt được tỷ lệ 50% tổng sản lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới vào năm 2050, thế giới cần phải xây dựng được một đội ngũ hùng hậu các nhà khoa học và kỹ sư chuyên gia về ĐMT, các nhà Khoa Học Môi Trường, các nhà doanh nghiệp, chuyên gia tài chính, kiến trúc sư ... Trên hết, thế giới cần sự quan tâm nhiều hơn và một cái nhìn thông thoáng hơn từ những chính trị gia, những nhà cầm quyền ở các quốc gia. Một thế hệ mới năng động các nhà tiên phong trong công nghệ ĐMT cần được gây dựng, nuôi dưỡng và phát triển, đặc biệt là tại các địa phương và trong các ngành công nghiệp. Một thực tế quan trọng là ĐMT có mặt mọi nơi, tuy rằng không có sự tập trung năng lượng cao như các nguồn tài nguyên hóa thạch hoặc hạt nhân. Sử dụng ĐMT giúp chúng ta cân bằng mối quan hệ với Tự Nhiên. Trên hết, một lối sống sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng cần được khuyến khích, từ đó dẫn đến thái độ sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên một cách có trách nhiệm. Việc sử dụng ĐMT, một nguồn năng lượng địa phương, có thể đóng góp vào công cuộc bảo dượng nền văn hóa địa phương, đồng thời thúc đẩy một kiểu sống mới và các khái niệm tiến bộ về của cải, về sự thịnh vượng và về an toàn năng lượng để chúng ta có thể vượt qua những thử thách của thế kỷ 21. [i] Mặt trời là ngôi sao gần Trái Đất nhất trong hơn một tỷ ngôi sao trong dải Ngân hà. Tại tâm Mặt trời, các phản ứng hạt nhân sản xuất ra 386 tỷ MW năng lượng trong mỗi giây, đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng cho Trái Đất trong hàng thế kỷ tới. [ii] So sánh với năng lượng gió: tổng công suất lắp đặt năng lượng gió trên toàn thế giới vào năm 2000 là 4.000 MW, với mức phát triển mỗi năm là 35%. [iii] Lý thuyết cơ bản về quang điện xuất phát từ thế kỷ 18. Hiệu ứng quang điện được phải hiện bởi nhà vật lý học người Pháp Edmund Becquerel vào năm 1839, khi ông đo được điện thế khi chiếu sáng 2 điện cực giống hệt nhau trong một dung dịch dẫn điện yếu. Sau đó, kỹ thuật quang điện được phát triển tại phòng thí nghiệm Bell vào những năm giữa thập kỷ 50. [iv] Cho đến năm 1973, quang điện chỉ dùng cho vệ tinh không gian. [v] Lưu ý rằng những phiến pin MT đầu tiên vào những năm 50 có hiệu suất thấp hơn 4% [vi] Pin MT có vai trò hết sức quan trọng trong việc sử dụng phương pháp bảo vệ cathode (cathodic protection) chống ăn mòn kim loại. Hằng năm, các ăn mòn kim loại gây thiệt hại hàng tỷ dollar bởi hậu quả phá hỏng các cấu trúc xây dựng, các đường dẫn và các vật kim loại khác của chúng. Hiện tượng ăn mòn xảy ra khi kim loại tiếp xúc với nước và đất. Bảo vệ cathode là sử dụng phương pháp tích điện để ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn. Hầu hết các hệ thống bảo vệ cathode chỉ sử dụng công suất điện khoảng 10 kW. [vii] Bộ điều phối giao tiếp lưới điện (grid-interactive inverter) của hệ quang điện có thể cung cấp giao diện trực tiếp và liên tục với lưới điện công nghiệp. Các bộ điều khiển này có khả năng nhận biết thời điểm và cách thức "nhả lại" điện thặng dư về lưới điện trung tâm. Trong trường hợp ngược lại (thiếu điện MT vào ngày u ám), chúng sẽ dùng điện lưới để sạc bình ắc qui và cung cấp năng lượng cho tải dự trữ. Xem thêm phần Net Metering trên mạng Internet. [viii] Ắc qui có nhiều dạng và có tuổi thọ khác nhau. Một số loại ắc qui, ví dụ như ắc qui xe hơi, thì cần kiểm tra và châm nước định kỳ. Một số loại khác như ắc qui đóng (sealed batteries) thì gần như không cần bảo trì. Tuổi thọ trung bình của ắc qui là vào khoảng 2-5 năm tùy theo lại. [ix] Các ứng dụng công nghiệp như giặt ủi, nhà hàng, xử lý thực phẩm, dệt may ... [x] Còn gọi tắt là heliostats [xi] Tuổi thọ trung bình của các module Pin MT là 30 năm [xii] Tức là diện tích lắp đặt các module quang điện. [xiii] Quang điện sử dụng đất chi từ lúc bắt đầu sản xuất điện (tức là trong giai đoạn lắp đặt các module), trong khi các nhà máy điện than và điện hạt nhân sử dụng đất trong quá trình khai thác mỏ, xử lý quặng và sản xuất điện. Do đó nếu tính gộp tất cả các giai đoạn, diện tích đất sử dụng bời điện MT, điện than và điện hạt nhân là xấp xỉ gần bằng nhau. [xiv] Đặc điểm này cần được đánh giá kỹ lưỡng khi thiết kế hệ thống điện MT phù hợp với khu vực, ví dụ như qui mô hệ thống phải đủ lớn để bù cho việc thiếu hụt nguồn ánh sáng MT vào mùa đông. [xv] Bức xạ nắng mặt trời sau khi đi qua tấm kính có thể đun nóng nước tới 80 độ C và nước được nối qua bình nóng lạnh để tắm rửa hoặc đun nấu. Theo tính toán của các nhà khoa học, mỗi năm 1 m2 thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời có thể tiết kiệm năng lượng được từ khoảng 500-900 kWh tùy theo vùng khí hậu và hiệu suất thiết bị. Như vậy, trung bình 1 m2 mỗi năm giảm được khoảng 150 kg khí thải CO2 so với dùng than đá, dầu hỏa hay khí đốt. [xvi] Với một bể 500l 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. Theo TS Bùi Tuyên (Tuổi Trẻ, 2005), nếu thay được 200 nghìn bình nước nóng dùng điện (chỉ để đáp ứng cho nhu cầu tắm nước nóng) tại TPHCM bằng những máy nước nóng dùng năng lượng mặt trời sẽ tiết kiệm điện được khoảng 200 nghìn kWh/ngày hay 73 triệu kWh/năm, hoặc, nếu ta dùng năng lượng mặt trời để nâng nhiệt độ nước cấp lên 300C - cao hơn so với nước cấp lạnh truyền thống - trong thời gian 6 giờ/ngày tại khoảng 4 nghìn lò hơi khu vực từ Phan Thiết trở vào thì sẽ tiết kiệm khoảng 15 tỷ đồng/năm. [xvii] Cho dù chương trình phát triển mở rộng lưới điện được thực hiện khẩn trương thì đến năm 2010 nước ta vẫn còn khoảng 1.100 xã, làng vùng sâu, vùng xa và miền núi với 500.000 hộ gia đình (khoảng 3 triệu dân) được ngành điện xác định là lưới điện chưa thể kéo tới được. Cũng có khoảng 500.000 hộ khác trong các xã có điện vẫn được xem là không thể có điện vì chi phí đầu tư cao. Rõ ràng với những tính toán ấy, việc sử dụng năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng khác phục vụ nhu cầu tiêu dùng trong nhân dân là việc làm cần được tính đến. [xviii] Tổng công suất lắp đặc tính đến cuối năm 2004 là 1.112 kWp [xix] Đối với hệ điện mặt trời, các tấm pin mặt trời hiện sử dụng trong nước đều được nhập từ nước ngoài, chất lượng tốt và hoạt động ổn định, nhưng các thiết bị phụ trợ như bộ điều khiển, ác qui ... do trôi nổi từ nhiều nguồn nên chất lượng chưa cao, trong khi các dịch vụ bảo dưỡng và sửa chữa ở các địa phương vẫn còn rất hạn chế. Tài liệu tham khảo
Chương 4 Mục lục Chương 6 Video liên quan |
