Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời pot

Các công nghệ sử dụng
năng lượng mặt trời
Hầu như tất cả các nguồn năng lượng (NL) mà con người hiện nay đang sử dụng
xét cho cùng đều xuất phát hay có liên quan tới NL mặt trời (chỉ trừ năng lượng
nguyên tử, địa nhiệt và các nhà máy phát điện hoạt động bằng năng lượng thuỷ
triều). Người ta chia các nguồn NL thành 2 nhóm năng lượng chính:
- Năng lượng hoá thạch như dầu, than đá hay khí đốt;
- Năng lượng tái tạo từ những nguồn NL như Mặt trời, Gió, Hợp chất hữu cơ (sinh
khối), NL đại dương và ®Þa nhiệt của trái đất.
Các nguồn năng lượng được tạo ra từ quá trình hoá thạch chính là năng lượng mặt
trời được biến đổi, lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ. Ngược lại ở các nguồn năng
lượng mới mang tính tại tạo thì năng lượng mặt trời được sử dụng dưới rất nhiều
hình thức khác nhau.
Hiện nay mức tổng tiêu thụ năng lượng trên thế giới vào khoảng 1,07 x 1011
MWh/năm. Trong đó mức tiêu thụ điện năng là 1,87 x 109 MWh, chiếm khoảng
17% mức năng lượng tiêu thụ NL tổng cộng. Có thể thấy rằng trong những thập
niên tới thì tổng mức tiêu thụ NL nói chung cũng như mức tiêu thụ điện năng nói
riêng sẽ tăng lên rất mạnh trên phạm vi toàn thế giới.
Năng lượng mặt trời (NLMT) là NL được tạo ra từ các phản ứng nhiệt hạt nhân
trên mặt trời. NL này có thể thu được dưới dạng sóng bức xạ điện từ truyền đến
trái đất.
Ở ngoài khí quyển quả đất cường độ của bức xạ mặt trời có giá trị là E = 1,367
kW/m² và được gọi là hằng số mặt trời. Nhưng khi đi qua lớp khí quyển quả đất,
do bị hấp thụ và tán xạ, nên NLMT bị giảm khoảng 30%.
Nếu các tia bức xạ mặt trời chiếu vuông góc tới một mặt phẳng trên bề mặt trái đất
thì cường độ bức xạ chỉ còn vào khoảng 1 kW/m² đối với ngày thời tiết đẹp. Thông
qua các tia bức xạ mặt trời quả đất có thể thu được một năng lượng là 1,74 x 1011
MWh. Hay nói cách khác là trái đất nhận được một công suất NLMT là 1,74 x
1011 MW.
NLMT này dùng chủ yếu để làm ấm bầu khí quyển, vỏ trái đất và nước. Chỉ có

khoảng 1 - 2 % NLMT được biến thành năng lượng gió, khoảng 0,02 – 0, 03 %
được sử dụng để tạo ra các hợp chất hữu cơ sinh khối.
Các công nghệ sử dụng NLMT
Hiện nay có 2 công nghệ chính sử dụng NLMT. Đó là công nghệ điện mặt trời dựa
trên hiệu ứng quang điện và công nghệ nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính
(nhiệt độ thấp) và công nghệ nhiệt mặt trời hội tụ (nhiệt độ cao).
a- Công nghệ điện mặt trời Quang điện
Khi chiếu sáng một lớp tiếp xúc bán dẫn pn thì NL ánh sáng có thể được bíến đổi
thành NL của dòng điện một chiều. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng quang-
điện (photovoltaic) và nó được ứng dụng đề chuyển đổi NLMT thành điện năng.
Trong công nghệ quang-điện này người ta sử dụng các mô đun pin mặt trời (PMT)
mà thành phần chính của nó là các lớp tiếp xúc bán dẫn Silic loại n và loại p,
nSi/pSi (hình 1).
Hình 1- Nguyên lý cấu tạo PMT (trên) và môđun PMT (dưới)
Hiệu suất biến điổi quang-điện của các môđun PMT Si thương mại trong khoảng
11-14%. Công nghệ sản xuất điện năng này hoàn toàn không gây ra ô nhiễm môi
trường.
Hình 2- Hệ PMT 500W cho Trạm xá Yên Lập, Phú Thọ (ảnh trên) và hệ 500W cho
hộ gia đình Đảo Quan Lạn, Quảng Ninh
b- Công nghệ Nhiệt năng từ mặt trời
Từ lâu nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được dùng để phơi sấy, sưởi ấm, một
cách tự nhiên. Hiện nay nhờ các thiết bị mới nên nhiệt mặt trời được sử dụng hiệu
quả hơn. Có 2 công nghệ thông dụng khai thác nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà
kính và hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt trời.
Hiệu ứng nhà kính là hiệu ứng như sau: các tấm kính có đặc tính là cho các bức xạ
MT có bước sóng nhỏ hơn khoảng 0,7x 10-6m đi qua dễ dàng, nhưng lại ngăn
không cho các bức xạ MT có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m. Bức xạ MT
có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m là các bức xạ nhiệt nó nung nóng các vật
khi bị các tia này chiếu vào. Lợi dụng đặc tính này của kính người ta tạo ra các hộp

thu NLMT như hình 3 để sản xuất nước nóng, sấy nông sản phẩm, sưởi ấm,
Hình 3- Cấu tạo và nguyên lý thu NLMT nhờ hiệu ứng nhà kính
Tia mặt trời xuyên qua tấm kính (1) tới tấm hấp thụ (2) bị hấp thụ phần lớn NL.
Các tia nhiệt thứ cấp từ tấm hấp thụ có bước sóng Λ > 0,7μm bị tấm kính ngăng
lại. Như vậy hộp thu cho ánh sáng MT vào mà không cho ra nên tấm hấp thụ ngày
càng nóng lên. Nhiệt từ tấm hấp thụ có thể sử dụng để đun nước, sấy, sưởi ấm,
Hiệu suất thu nhiệt của bộ thu có thể đạt đến 50%.
Để sản xuất điện từ nhiệt NLMT người ta sử dụng các hệ thống gương cầu hay
gương parabol để hội tụ các tia mặt trời vào các điểm hay trục hội tụ. Tại các điểm
hội tụ nhiệt độ có thể lên đến hàng trăm hay thậm chí đến hàng nghì độ. Nếu cho
chất lỏng như nước, dầu, qua vùng hội tụ thì chất lỏng bị bay hơi ngay cả dưới áp
suất cao. Cho hơi này qua các tua bin sẽ phát ra điện. Công nghệ này được gọi là
công nghệ nhiệt điện mặt trời.
Các công nghệ NLMT đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.
Hình 4- Hệ nước nóng NLMT 60m2, 5m3/ngày để sấy gỗ (ảnh trên) và Thiết bị
đun nước nóng NLMT do TT năng lượng mới thiết kế, sản xuất (ảnh dưới)
PGS.TS. Đặng Đình Thống