CÔNG NGHỆ XANH và NĂNG LƯỢNG SẠCH NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
VIỆN MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN
TIỂU LUẬN MÔN : CÔNG NGHỆ XANH VÀ NĂNG LƯỢNG SẠCH
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
GVGD: PGS.TS. Lê Thanh Hải
HVTH: Nguyễn Thành Luân
Trần Thị Kiều Oanh
Ngô Thị Phương Nam
Hứa Bảo Trâm
Lớp : Công nghệ môi trường 1
Khóa: 2009
Tp.HCM, tháng 11 năm 2010
Mục lục
Mục lục 2
1.Khái niệm bức xạ mặt trời 3
2.Nguyên tắc tận thu bức xạ mặt trời 8
2.1.Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ 8
2.2.Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang 11
2.3.Tổng cường độ bức xạ mặt trời trên trái đất 12
3.Các thiết bị tận thu năng lượng mặt trời 14
3.1.Chuyển hóa nhiệt Mặt Trời thành điện năng 15
3.1.1.Năng lượng nhiệt Mặt Trời 15
3.1.2.Các hệ thống thu hội tụ ánh sáng Mặt Trời 16
3.1.3.Thiết bị đun nước bằng năng lượng mặt trời 18
3.1.4.Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 19
3.1.5.Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 19
3.1.6.Động cơ Stirling chạy bằng NLMT 20
3.1.7.Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 24
3.2.Thiết bị quang điện (Pin Mặt Trời) 25
3.2.1.Nguyên lý và cấu tạo pin mặt trời 27
3.2.2.Hệ thống Pin Quang Điện (Photovoltaic System) 31

3.2.3.Hiệu suất của Pin Mặt Trời 32
3.2.4.Các ứng dụng của Quang điện 32
3.2.5.Các dạng hệ thống Quang điện 33
4.Ứng dụng của pin năng lượng mặt trời, của tận thu năng lượng mặt trời trong ngành
kỹ thuật môi trường 36
4.1.Dùng xúc tác quang hóa và năng lượng mặt trời để xử lý ô nhiễm 36
4.1.1.Cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể 36
4.1.2.Cơ chế xúc tác quang của TiO2 41
4.2.Khử trùng nước uống bằng năng lượng mặt trời 42
4.3.Chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 44
4.3.1.Giếng nước mặt trời 45
4.4.Ứng dụng năng lượng mặt trời trong xử lý nước 49
5.Rào cản của việc ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 49
1. Khái niệm bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng của Mặt Trời phát ra. Đây chính là
nguồn năng lượng chính cho các quá trình phong hóa, bóc mòn, vận chuyển, bồi tụ
trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời.
Năng lượng bức xạ Mặt trời thường biểu diễn bằng cal/cm².phút
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 γ ban đầu khi đi qua 5.10
5
km
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 γ là sóng ngắn
nhất trong các sóng đó (hình 2.1). Từ tâm mặt trời đi ra do sự va cham hoặc tán xạ mà
năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài nhất.
Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen 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 xạ nằm trong dải 10
-1
- 10 µm và hầu như một nửa
tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 µm đó là vùng
nhìn thấy của phổ. Năng lượng bức xạ Mặt trời ở gần Trái Đất ở vào khoảng 2
cal/cm².phút (hằng số mặt trời). Toàn bộ Trái Đất nhận được từ Mặt Trời 2,4.1018
cal/phút, gồm 48% năng lượng thuộc dải phổ ánh sáng khả kiến (λ = 0,4-0,76 μm), 7%
tia cực tím (λ < 0,4 μm) và 45% thuộc dải phổ hồng ngoại và sóng vô tuyến (λ > 0,76
μm).
Chùm tia truyền 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 với
1m
2
bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức :
Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay
đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là
không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và
tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được
truyền trực tiếp tới trái đất. Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O
2
phân ly thành ôxy
nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn
hơn 0,18 µm, do đó các photon (xem 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 các phân tử ôxy khác để tạo
thành phân tử ôzôn O
3
. ôzôn cũng hấp thụ 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 µm, sự phân

tách O
3
thành O
2
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, O
2
và O
3
, 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.
Bức xạ mặt trờikhi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp
thụ của các phần tử hơi nưóc, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp
thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang
đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m
2
hình 2.3.
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một 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, 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. Góc nghiêng vào khoảng 66,5
o
và thực tế xem như không đổi
trong không gian. Sự định hướng như vậy của trục quay 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.
Công suất này bằng 4.10
13
lần tổng công suất điện toàn thế giới hiện nay, vào khoảng
P = 10
13
W
2. Nguyên tắc tận thu bức xạ mặt trời
Cường độ bức xạ trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia
sáng đối với mặt phẳng bề mặt đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí
quyển nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời (góc giữa phương từ điểm quan
sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định
cường độ của bức xạ mặt trời ở một 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, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định
theo phương trình sau:
2.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Hệ số khối không khí: m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ
truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở
thiên đỉnh). Như vậy m = 1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m = 2 khi góc thiên đỉnh θ
z
là
60
0

. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0 – 70
0
có thể xác định gần đúng m = 1/cosθ
z
. Còn
đối với các góc θ
z
>70
0
thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán.
Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m = 0.
Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây là
dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát
tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ còn được gọi là bức xạ
của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu khí
quyển phát ra).
Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên
một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
Cường độ bức xạ (W/m
2
): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt
tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường
độ bức xạ trực xạ E
trx
, cường độ bức xạ tán xạ E
tx
và cường độ bức xạ quang phổ E
qp
.

Năng lượng bức xạ (J/m
2
): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện
tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng
bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1
giờ hay 1 ngày).
Giờ mặt trời: lả thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời,
với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người
quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó
không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời
truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định theo các
góc đặc trưng sau (hình 2.5):
Góc vĩ độ φ: vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phí nam đường xích
đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương.
-90
0
≤ φ ≤ 90
0
Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang
0 ≤ β ≤ 180
0
( β > 90
0
nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới).
Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt
phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng chính
nam , γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phí
đông.
-180

0
≤ γ ≤ 180
0
Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc tây của kinh tuyến
địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 15
0
cho 1 giờ
đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+).
Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
Góc thiên đỉnh θ
z
: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới. Trong
trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.
Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc
phụ của góc thiên đỉnh.
Góc phương vị mặt trời γ
s
: góc lệc so với phương nam của hình chiếu tia bức xạ mặt
trời truyền tới trên mặt phẳng ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình chiếu lệch về
phía đông và lấy dấu dương (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.
Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi mặt
trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hướng
phía bắc là hướng dương.
-23,45
0
≤ δ ≤23,45
0
Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa
góc tới θ và các góc khác nhau như sau:
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời θ

z
, giá trị của
nó phải nằm trong khoảng 0
0
C và 90
0
tử khi mặt trời mọc đến khi mặt trời ở thiên đỉnh
(β = 0):
2.2. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được
xác định theo phương trình:
Thay giá trị cosθ
z
vào phương trình trên ta có E
o.ng
tại thời điểm bất kỳ từ lúc mặt trời
mọc đến lúc mặt trời lặn:
Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn (6h
đến 18h mặt trời) ta sẽ được E
o.ngay
là năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm
ngang trong một ngày:
Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình tháng E
oth
bằng cách thay
giá trị n và δ trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày trung bình của tháng và độ
lệch δ tương ứng.
Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể xác định
khi phân tích phương trình trong khoảng thời gian giữa các góc giờ ω
1

và ω
2
:
2.3. Tổng cường độ bức xạ mặt trời trên trái đất
Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần chính đó là
trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì khá
phức tạp. Hướng của bức xạ khuyếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và
độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều. Có thể xem bức
xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần (hình 2.6).
Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời.
Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh
tia mặt trời.
Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân trời.
Góc khuyếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản cạ R
g
(còn gọi là albedo –
suất phân chiếu) của mặt đất. Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ bề mặt tuyết xốp
có R
g
= 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần lượt bị phát tán trở
thành thành phần tán xạ chân trời.
Như vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các dòng bức xạ
bao gồm: trực xạ E
b
, 3 thành phần tán xạ E
d1
, E
d2
, E
d3

và bức xạ phản xạ từ các bề mặt
khác lân cận E
r
:
E
Σ

= E
b
+ E
d1
+ E
d2
+ E
d3
+ E
r
Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy người ta giả
thuyết là sự kết hợp của bức xạ khuyếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng
hướng, nghĩa là tổng của bức xạ khuyếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất
là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt. Như vậy tồng
xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ E
b
, B
b
và tán xạ trên mặt nằm ngang E
d
.
Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc β so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ
bằng tổng của 3 thành phần:

Vả ta có tỷ số bức xạ B
b
của bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang:
3. Các thiết bị tận thu năng lượng mặt trời
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).
3.1. Chuyển hóa nhiệt Mặt Trời thành điện năng
3.1.1. Năng lượng nhiệt Mặt Trời
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. 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.

Hình 2.9 : Ví dụ về nhiệt Mặt trời dùng trong gia đình và dùng để đun nước trong hồ bơi

3.1.2. 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. 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, 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.

Hình 2.10: một số công trình ứng dụng thu năng lượng mặt trời
Một dạng thiết bị thu nhiệt Mặt Trời thứ hai là hệ thống hình dĩa. 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 khác là thiết bị hình trũng. 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.
Mỹ, Áo, TBN, Nhất Bản và Pháp là các quốc gia dẫn đầu về khai thác nhiệt Mặt Trời
tạo điện thông qua các hệ thống tập trung ánh sáng có công suất lắp đặt lên đến hàng

trăm MW. Chỉ riêng vào năm 1995, tại Cộng Đồng Châu Âu đã có 6,5 triệu m
2
diện
tích lắp đặt gương tập trung ánh sáng Mặt Trời với tốc độ phát triển là 15% trong năm
trước đó.
3.1.3. Thiết bị đun nước bằng năng lượng mặt trời
Các thiết bị đun nước bằng năng lượng mặt trời là loại hình công nghệ hiện nay được
sử dụng rộng rãi trên thế giới, nhằm giảm bớt sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu dầu để
phát điện.
• Quy mô của thiết bị đun nước mặt trời:
Việc tiêu thu bình quân nước nóng ở gia đình thay đổi tùy thuộc vào trình độ văn
minh. Ở Mỹ trung bình 100 lít nước nóng trên đầu người môt ngày. Trong khi đó, ở
Israel chỉ sử dụng bằng một nửa.
Tổng bức xạ mặt trời thay đổi theo từng nước. Những quốc gia nằm giữa vĩ tuyến 150
và 30
0
có tổng bức xạ nhiệt mặt trời ở mức độ cao nhất. Một cường độ bức xạ nhiệt 0,7
kWh/m
2
trong 10h với ánh sáng ban ngày tương đương với năng lượng là 7
kWh/m
2
/ngày. Các thiết bị tận thu năng lượng mặt trời thường có hiệu suất khoảng
50%.
• Các công nghệ về thiết bị đun nước mặt trời:
Trên thế giới có rất nhiều công nghệ và thiết bị đun nước bằng năng lượng mặt trời,
nhưng thiết bị này phải phù hợp với các điều kiện khí hậu, kinh tế của từng khu vực
khác nhau.
Về mặt thiết kế, vật tư, hiệu suất hệ thống, tuổi thọ, giá cả thay đổi rất lớn, bao gồm
các thiết bị như là:

− Thiết bị đun nước mặt trời bằng túi chất dẻo sử dụng để tắm hoa sen.
− Thiết bị đun nước mặt trời với ống chất dẻo đơn giản.
− Thiết bị đun nước bằng sức nóng mặt trời đơn giản.
− Thiết bị làm nóng nước bằng sức nóng mặt trời kiểu “hộp ủ bánh mì”.
Các thiết bị trên là loại tích nước và thu nhiệt đều nằm trong một khối. Còn thiết bị
đun nóng kiểu si phông nhiệt là loại thùng chứa nước tách khỏi bộ phận thu nhiệt.
Số lượng thiết bị đun nóng nước bằng nhiệt mặt trời được lắp đặt ở các nước đang phát
triển còn rất nhỏ so với các nước phát triển. Việc sản xuất và lắp đặt ở các nước đang
phát triển là có triển vọng nhưng trong nhiều trường hợp, nhiều bộ phận cần cho thiết
bị này lại không có sẵn và phải nhập khẩu.
3.1.4. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như các
nước ở Châu Phi.
Hình 2.11. Triển khai bếp nấu cơm bằng NLMT.
Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến. 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) vào sử dụng ở các vùng nông 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 .
3.1.5. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
Hình 2.12. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
Thiết bị chưng cất nước thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng
23 USD/m
2
), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu
quả chưng cất kém hơn.
Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước

NLMT dùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch dùng cho
sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất nước NLMT có
gương phản xạ đạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Trường
Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
3.1.6. Động cơ Stirling chạy bằng NLMT
Hình 2.13 Động cơ Stirling dùng NNLMT
Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng được nghiên
cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại. Ở
Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triển
khai ứng dụng vào thực tế. Như động cơ Stirling, bơm nước dùng năng lượng mặt trời.
Hình 2.14. Bơm nước chạy bằng NLMT
Đây là loại động cơ nhiệt có hiệu suất cao, có thể đạt tới 50% đến 80% hiệu suất lý
tưởng của chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch (như chu trình Carnot) trong việc
chuyển hóa nhiệt năng thành công năng, chỉ bị mất mát do ma sát và giới hạn của vật
liệu. Động cơ này cũng hoạt động được trên nhiều nguồn nhiệt, từ năng lượng Mặt
Trời, phản ứng hóa học đến phản ứng hạt nhân.
Động cơ Stirling có thể có giá thành cao hơn các động cơ đốt trong cùng công suất,
nhưng có những đặc tính thích nghi cho nhiều ứng dụng. Nó có hiệu suất cao hơn,
không gây nhiều tiếng ồn, hoạt động ổn định và bền, không cần bảo dưỡng nhiều, và
có thể hoạt động với chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh trong dải
rộng từ cỡ chục độ C đến hàng nghìn độ C.
Với giá thành năng lượng đang tăng những năm đầu thế kỷ 21, cùng với lo lắng về sự
nóng lên của Trái Đất, các động cơ Stirling đang dần được quan tâm để đưa vào các
nhà máy phát điện với năng lượng tái tạo và lĩnh vực hàng không vũ trụ.
Cấu tạo động cơ
Các thiết kế khác nhau của động cơ Stirling thường có một khối khí bao bọc trong
buồng kín, trong đó chất khí có thể là không khí, hydro hay heli. Buồng chứa chất khí
có hai phần, một phần tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, phần kia tiếp xúc với
nơi có nhiệt độ thấp.
Trong quá trình hoạt động, khối khí trong buồng sẽ được đẩy qua đẩy lại từ phần nóng

sang phần lạnh hoặc ngược lại, nhờ vào sự di chuyển của các piston hoặc các con chạy
có chức năng hoán đổi thể tích chứa khí giữa hai phần. Khối khí khi dao động qua lại
giữa phần nóng và phần lạnh sẽ thực hiện công lên một piston chịu lực. Piston chịu lực
sẽ vận hành bánh đà và máy móc bên ngoài, đồng thời có thể điều khiển sự di chuyển
của các piston hoặc con chạy để di chuyển khối khí qua lại giữa hai phần nóng và lạnh.
Trong hầu hết các thiết kế, không cần thiết có van để đóng mở dòng lưu thông của khí,
do đó hệ thống cơ học khá đơn giản và có độ tin cậy cao.
Một bộ phận quan trọng trong động cơ Stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di
chuyển của khối khí từ phần nóng sang phần lạnh, thường làm bằng khối dây kim loại.
Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ phần nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này,
và hâm nóng khối khí đi từ phần lạnh tới. Phần này có tác dụng làm tăng đáng kể hiệu
suất của động cơ, và là một chi tiết quan trọng trong sáng chế của Robert Stirling năm
1816. Trong một số thiết kế, con chạy vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng
và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt.
Hình 2.15 : Động cơ Stirling
Thiết kế động cơ Stirling kiểu beta, với con chạy (màu xanh lá cây) và piston chịu lực
(màu xanh lam) cùng kết nối với bánh đà (màu xanh lơ) qua các trục khuỷu hình thoi.
Khí trong buồng được di chuyển qua lại giữa phần nóng (có màu hồng) và phần lạnh
(có màu xám) nhờ vào sự qua lại của con chạy. Con chạy có đường kính nhỏ hơn
đường kính xy lanh, do đó khí có thể lọt qua khe giữa nó và xy lanh để đi qua lại giữa
phần nóng và phần lạnh. Piston có đường kính khít với đường kính xy lanh và chịu lực
để nhận công thực hiện bởi khối khí hoặc thực hiện công lên khối khí.
Chu trình hoạt động động cơ
Động cơ Stirling hoạt động theo chu trình Stirling gồm bốn giai đoạn: làm lạnh, nén,
hâm nóng và giãn nở.
Chu trình Stirling lý tưởng là một chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch và do đó
có cùng hiệu suất với chu trình Carnot (khi hoạt động giữa các nguồn nhiệt giống
nhau). Hiệu suất thực tế thấp hơn, nhưng cao hơn động cơ đốt ngoài khác như động cơ
hơi nước và cao hơn hầu hết các động cơ đốt trong hiện đại (động cơ Diesel hay động
cơ xăng).

Bốn quá trình của chu trình Stirling lý tưởng là:
1. Làm lạnh đẳng tích
2. N én đẳng nhiệt
3. Hâm nóng đẳng tích
4. G iãn nở đẳng nhiệt
Hình 2.16 : chu trình hoạt động động cơ Stirling
Chu trình Stirling cho một động cơ Stirling theo thiết kế beta. 1->2: hâm nóng đẳng
tích - piston chịu lực đi lên & con chạy bắt đầu đi xuống (khối khí đang bị dồn về
phần nóng); 2->3: giãn nở đẳng nhiệt - piston chịu lực bắt đầu đi xuống & con chạy
đi xuống, 3->4: làm lạnh đẳng tích - piston chịu lực đi xuống & con chạy bắt đầu đi
lên (khối khí đang bị dồn về phần lạnh), 4->1: nén đẳng nhiệt - piston chịu lực bắt
đầu đi lên & con chạy đi lên.
3.1.7. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT
Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hòa 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 hẻo 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 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 nàyvẫn 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 hóa 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.
Hình 2.17 : Tủ lạnh dùng pin mặt trời

Hình 2.18 : Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT
3.2. Thiết bị quang điện (Pin Mặt Trời)
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, kỹ thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ
cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973.
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