năng lượng xanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
----------

Tên của đề tài
NĂNG LƯỢNG XANH
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

ThS. Lê Văn Nhạn

Sơn Thị Lệ Trinh
Mã số sinh viên: 1117624
Lớp: Sư phạm Vật lý-Công nghệ
Khóa: 37

Cần Thơ, năm 2015


Sau thời gian nghiên cứu thì đề tài luận văn: “Năng lượng xanh” đã hoàn
thành. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
- Khoa Sư phạm, Bộ môn Sư phạm Vật lý trường Đại học Cần Thơ đã tạo
điều kiện cho tôi nghiên cứu khoa học.
- Thầy Lê Văn Nhạn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
- Thầy Phạm Văn Tuấn đã hướng dẫn và cung cấp tài liệu cho tôi.

- Quý thầy, cô trong Bộ môn Sư phạm Vật lý cũng như quý thầy, cô
trường Đại học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn trong suốt quá trình
học tập và rèn luyện ở trường.
- Đồng cảm ơn các bạn sinh viên lớp Sư phạm Vật lý-Công nghệ khóa 37
trường Đại học Cần Thơ luôn động viên, giúp đỡ trong quá trình tìm kiếm tài liệu
hoàn thành luận văn.
Dù đã có rất nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu luận văn, nhưng chắc
chắn vẫn còn nhiều thiếu sót. Kính mong nhận được sự chia sẻ và những đóng
góp quý báu của quý thầy, cô và các bạn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời tri ân chân thành nhất đến thầy Lê Văn Nhạn,
quý thầy, cô Bộ môn Sư phạm Vật lý. Kính chúc quý thầy, cô luôn dồi dào sức
khỏe và hạnh phúc!
Xin kính chúc sức khỏe đến quý thầy, cô và các bạn thân mến!
Cần Thơ, ngày 24 tháng 04 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Sơn Thị Lệ Trinh


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu,
kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.
Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo
của luận văn.

Cần Thơ, ngày 24 tháng 04 năm 2015
Tác giả

Sơn Thị Lệ Trinh

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................................. 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ................................................................................................ 1
2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI...................................................................................................... 1
3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ....................................................................................................... 2
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................. 2
PHẦN NỘI DUNG ............................................................................................................. 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG .......................................................... 3
1.1

Một số định nghĩa về năng lượng, đơn vị của năng lượng .................................... 3

1.2

Phân loại năng lượng .............................................................................................. 3

1.2.1

Năng lượng vật chất chuyển hóa toàn phần (năng lượng không tái tạo)......... 3

1.2.2

Năng lượng tái tạo ........................................................................................... 7

1.3

Lịch sử sử dụng năng lượng ................................................................................... 9

1.4

Tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo và tái tạo hiện nay........................ 13

1.4.1

Trên thế giới .................................................................................................. 13

1.4.2

Tại Việt Nam ................................................................................................. 13

1.5

Phát triển nguồn năng lợng tái tạo là xu thế hiện nay .......................................... 14

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................................................................. 15
2.1

Năng lượng Mặt Trời ........................................................................................... 15

2.1.1

Mặt Trời và cấu tạo Mặt Trời ........................................................................ 15

2.1.2

Khái niệm năng lượng mặt trời ..................................................................... 17

2.2

Lịch sử phát triển điện năng lượng mặt trời ......................................................... 19

2.2.1

Thời kì sơ khai của việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ....................... 19

2.2.2

Giai đoạn mở đầu .......................................................................................... 19

2.2.3

Giai đoạn phát triển ....................................................................................... 20

2.3

Ứng dụng năng lượng mặt trời ............................................................................. 21

2.3.1

Nhiệt điện mặt trời ......................................................................................... 21

2.3.2

Quang điện ..................................................................................................... 24

2.3.3

Một số ứng dụng khác ................................................................................... 26

2.4

Tình hình điện mặt trời ......................................................................................... 26

2.4.1

Trên thế giới .................................................................................................. 26

2.4.2

Tình hình trong nước ..................................................................................... 28
i


2.5

Tiềm năng phát triển năng lượng Mặt trời ở Việt Nam ....................................... 31

2.6

Ưu, nhược điểm của năng lượng Mặt trời ............................................................ 32

2.6.1

Ưu điểm ......................................................................................................... 32

2.6.2

Nhược điểm ................................................................................................... 33

CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG GIÓ ............................................................................... 34
3.1

Giới thiệu về năng lượng gió................................................................................ 34

3.1.1

Khái niệm ...................................................................................................... 34

3.1.2

Sự hình thành năng lượng gió ....................................................................... 34

3.1.3

Vật lý học về năng lượng gió ........................................................................ 34

3.1.4

Lịch sử dùng năng lượng gió ......................................................................... 35

3.2

Ứng dụng của năng lượng gió .............................................................................. 35

3.2.1

Máy phát điện dùng sức gió .......................................................................... 35

3.2.2

Bơm nước dùng sức gió................................................................................. 36

3.3

Turbine gió ........................................................................................................... 37

3.3.1

Cấu tạo turbine gió ........................................................................................ 37

3.3.2

Các kiểu turbine gió hiện nay ........................................................................ 39

3.3.3

Nguyên lý hoạt động của các turbine gió ...................................................... 39

3.4

Tình hình sản xuất điện gió .................................................................................. 39

3.4.1

Trên thế giới .................................................................................................. 39

3.4.2

Ở Việt Nam .................................................................................................... 40

3.5

Tiềm năng và trữ lượng năng lượng gió ở Việt Nam ........................................... 42

3.6

Những thuận lợi, khó khăn trong việc sử dụng năng lượng gió........................... 43

3.6.1

Những thuận lợi ............................................................................................. 43

3.6.2

Những khó khăn ............................................................................................ 43

CHƯƠNG 4: NĂNG LƯỢNG THỦY TRIỀU .............................................................. 44
4.1

Thủy triều, năng lượng thủy triều ........................................................................ 44

4.1.1

Thủy triều ...................................................................................................... 44

4.1.2

Năng lượng thủy triều .................................................................................... 44

4.2

Lịch sử hình thành các nhà máy sử dụng năng lượng thủy triều ......................... 45

4.3

Sản xuất điện từ năng lượng thủy triều ................................................................ 45

4.3.1

Hệ thống đơn giản nhất: Đập chắn thủy triều................................................ 46

4.3.2

Hệ thống lòng chảo (tidal basin) ................................................................... 47
ii


4.3.3

Hệ thống Limpet ............................................................................................ 47

4.3.4

Dạng guồng.................................................................................................... 48

4.3.5

Hàng rào thủy triều ........................................................................................ 49

4.4

Tiềm năng năng lượng thủy triều của Việt Nam .................................................. 49

4.5

Ưu, nhược điểm của năng lượng thủy triều ......................................................... 50

4.5.1

Ưu điểm ......................................................................................................... 50

4.5.2

Nhược điểm ................................................................................................... 50

CHƯƠNG 5: KHÍ SINH HỌC BIOGAS ...................................................................... 52
5.1

Biogas ................................................................................................................... 52

5.1.1

Khái niệm ...................................................................................................... 52

5.1.2 Đặc tính khí sinh học biogas và khí CH4 ......................................................... 52
5.1.3 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas ....................................... 52
5.2

Hầm ủ biogas ........................................................................................................ 55

5.3

Lợi ích của việc ứng dụng công nghệ biogas ....................................................... 57

PHẦN KẾT LUẬN .......................................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 59

iii


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Năng lượng là yếu tố vô cùng quan trọng trong mọi hoạt động của con người, trong
công cuộc phát triển kinh tế, ngay từ khi loài người mới thấy lóe lên tia sáng của nền văn
minh nhân loại. Sự phát minh ra lửa đã đưa nhân loại tiến một bước rất xa trên con đường
phát triển. Vào năm 1879, Thomas Edison phát minh cái bóng đèn điện đầu tiên và nhà
máy điện đầu tiên do ông xây dựng vào năm 1882, đã đưa nhân loại bước vào thời đại
điện khí hóa. Có thể nói là nhờ có dòng điện mà chỉ trong vòng một Thế kỷ thế giới đã
đạt đến trình độ phát triển như hiện nay.
Lâu nay, con người sản xuất ra năng lượng từ các nhiên liệu hóa thạch như than đá,
dầu mỏ, khí thiên nhiên… đáp ứng hơn 85% nhu cầu năng lượng cho sự vận hành nền
kinh tế, chủ yếu là điện năng, nhiệt năng và nhu cầu nhiên liệu động cơ cho mọi hoạt
động của con người, nhưng trữ lượng những thứ này không nhiều, với tốc độ khai thác
như hiện nay thì nhân loại sẽ cạn nguồn năng lượng. Thêm vào đó, một vấn đề quan

trọng khác mang tính thách thức toàn nhân loại, đó là nguồn năng lượng hóa thạch đã bộc
lộ nhược điểm của mình. Sự phát thải CO2 trong khi sử dụng, đã gây ra hiệu ứng nhà kính
làm Trái Đất nóng lên, dẫn đến hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu.
Trước tình hình trên, đòi hỏi phải có một nguồn năng lượng mới, thân thiện với môi
trường, an toàn, vô tận để đáp ứng cho nhu cầu về năng lượng của toàn nhân loại và góp
phần làm suy giảm hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Năng lượng xanh là
một giải pháp.
Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế từ sau đổi mới làm nhu cầu về điện gia
tăng, trong khi năng lực cung ứng vẫn chưa phát triển kịp thời, nguy cơ thiếu điện vẫn là
nỗi lo của ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân, Việc
nghiên cứu và ứng dụng năng lượng xanh sẽ mang lại ý nghĩa to lớn. Vì thế, tôi đã chọn
đề tài “Năng lượng xanh” với mong muốn bổ sung thêm kiến thức khoa học và ứng dụng
trong thực tiễn, đồng thời giúp ích cho công tác giảng dạy của tôi sau này.

2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
 Tổng quan về năng lượng.
 Tìm hiểu về một số nguồn năng lượng xanh trong tự nhiên, khai thác tiềm năng và
ứng dụng của chúng.
 Đồng thời, tìm hiểu về tiềm năng cũng như ứng dụng một số nguồn năng lượng
xanh tại Việt Nam.

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 1

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
 Nghiên cứu các nguồn năng lượng xanh phổ biến như: năng lượng mặt trời, năng
lượng gió, năng lượng thủy triều trên thế giới và tại Việt Nam.
 Nghiên cứu khí sinh học biogas tại Việt Nam.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu.
 Sưu tầm sách và các tài liệu có liên quan qua thư viện và trên mạng internet.
 Tham khảo ý kiến từ giáo viên hướng dẫn, các thầy cô và các bạn.

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 2

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG
1.1 Một số định nghĩa về năng lượng, đơn vị của năng lượng
Có nhiều cách định nghĩa, giải thích khác nhau về năng lượng:
- Năng lượng biểu thị khả năng sinh công. [1]
- Năng lượng là một đại lượng có khả năng cung cấp công trực tiếp. [1]
- Năng lượng là năng lực để sinh công hoặc sinh nhiệt. Năng lượng có thể được xem

là “công tích trữ”. [1]
- Năng lượng là một phạm trù vật chất ứng với một quá trình nào đó có thể sinh
công. Quá trình ở đây là một quá trình biến đổi năng lượng một cách tự nhiên hay
nhân tạo. [1]
- Năng lượng là dạng vật chất có khả năng sinh công, bao gồm nguồn năng lượng sơ
cấp: than, dầu, khí đốt và nguồn năng lượng thứ cấp là nhiệt năng, điện năng được
sinh ra thông qua quá trình biến đổi năng lượng sơ cấp. [2]
- Năng lượng là các loại nhiên liệu và điện năng, nhiệt năng thu được nhờ quá trình
chuyển hóa nhiên liệu hoặc chuyển hóa các nguồn năng lượng tái tạo hoặc không
tái tạo. [3]
Để tưởng nhớ đến công ơn của nhà khoa học James Prescott Joule, Joule (J) được
lấy làm là đơn vị của năng lượng trong hệ thống đo lường (International System of
Units).
1.2 Phân loại năng lượng
Về cơ bản, năng lượng được chia làm hai loại, năng lượng chuyển hóa toàn phần
(không tái tạo) và năng lượng tái tạo dựa trên đặc tính của nguồn nhiên liệu sinh ra nó.[4]
1.2.1 Năng lượng vật chất chuyển hóa toàn phần (năng lượng không tái tạo)
Nguồn tài nguyên năng lượng trong thiên nhiên sau khi chuyển hóa thành các chất
mang năng lượng khác nhau để sử dụng thì chúng đã mất đi và thiên nhiên không thể hồi
phục kịp nguồn tài nguyên này để con người sử dụng tiếp. Nguồn tài nguyên như vậy
được gọi là nguồn tài nguyên năng lượng không thể tái tạo. Năng lượng thu được từ
nguồn năng lượng này được gọi là năng lượng không thể tái tạo hay nói ngắn gọn là năng
lượng không tái tạo. Năng lượng không tái tạo thường là các nhiên liệu hoá thạch như
than, dầu mỏ, khí thiên nhiên… Các loại nhiên liệu hóa thạch này phải mất hàng trăm
triệu năm mới hình thành và hiện đang cạn kiệt dần theo thời gian.
 Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch: than đá, dầu mỏ, khí đốt…
 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 bởi sinh
SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 3

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

vật (biodegradation). Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các
nguyên tố khác như lưu huỳnh. Than đá là nguồn nhiên liệu sản xuất điện năng lớn nhất
thế giới, người ta ước tính có trên 10 nghìn tỷ tấn, trong đó trữ lượng có thể khai thác là
3.000 tỷ tấn, trữ lượng than của Mỹ chiếm 27% trữ lượng toàn cầu, Nga 17%, Trung
Quốc 13%, Ấn Độ 10%, 33% còn lại nằm ở nhiều nước trong số đó có Australia, Nam
Phi, Ukraina, Kazakstan, các nước thuộc Nam Tư cũ. [5]
- Than đá và các vấn đề môi trường:
+ Khai thác than đá bằng phương pháp lộ thiên tạo nên lượng đất đá thải lớn, ô
nhiễm bụi, ô nhiễm nước, mất rừng. Khai thác than bằng phương pháp hầm lò
hiện nay làm mất 50% trữ lượng, gây lún đất, ô nhiễm nước, tiêu hao gỗ chống
lò và gây các tai nạn hầm lò.
+ Chế biến và sàn tuyển than tạo ra bụi và nước thải chứa than, kim loại nặng.
+ Ðốt than tạo ra khí SO2, CO2… lớn nhất, được xem là nguyên nhân hàng đầu
gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu. Theo tính toán, một nhà máy nhiệt điện
chạy than công suất 1.000MW hàng năm thải ra môi trường 5 triệu tấn CO2,
18.000 tấn NOx, 11.000-680.000 tấn phế thải rắn. Trong thành phần chất thải
rắn, bụi, nước thải thường chứa kim loại nặng và chất phóng xạ độc hại. [6]
 Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc, màu nâu hoặc ngả lục. Dầu mỏ
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 hydrocarbon 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 mỏ 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 mỏ là nguồn năng lượng không tái tạo nên nhiều người lo ngại
về khả năng cạn kiệt dầu trong một tương lai không xa. Dầu mỏ là một trong những nhiên
liệu quan trọng nhất của xã hội hiện đại dùng để sản xuất điện và cũng là nhiên liệu của
tất cả các phương tiện giao thông vận tải. Hơn nữa, dầu cũng được sử dụng trong công
nghiệp hóa dầu để sản xuất các chất dẻo và nhiều sản phẩm khác. Vì thế dầu thường được
ví như là "vàng đen". Người ta ước tính có 1.333 tỷ thùng trữ lượng dầu mỏ. [7]
- Dầu mỏ và các vấn đề môi trường:
+ Khai thác trên thềm lục địa gây lún đất, ô nhiễm dầu đối với đất, không khí,
nước.
+ Khai thác trên biển gây ô nhiễm biển (50% lượng dầu ô nhiễm trên biển gây ra
là do khai thác trên biển).
+ Chế biến dầu gây ô nhiễm dầu và kim loại nặng kể cả kim loại phóng xạ.
+ Ðốt dầu khí tạo ra các chất thải khí tương tự như đốt than. [7]

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 4

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

 Khí đốt hay khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống
dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh. Khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ

trên đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm
tích. Trải qua hàng triệu năm, áp suất và nhiệt do các lớp trầm tích chồng lên nhau tạo
nên trên xác các loại sinh vật này đã chuyển hóa hóa học các chất hữu cơ này thành khí
thiên nhiên, bao gồm phần lớn là các hydrocarbon. Cùng với than đá, dầu mỏ và các khí
khác, khí thiên nhiên cũng là nhiên liệu hóa thạch. Khí thiên nhiên có thể chứa đến
85% metan (CH4) và khoảng 10% etan (C2H6), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan
(C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và các alkan khác. Khí thiên nhiên, thường tìm
thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu
cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới. Trữ lượng khí thiên nhiên thế
giới tổng cộng vào khoảng 150 tỷ tỷ m³ (150×1018). Khí đốt ít sản sinh CO2. [8]
- Bên cạnh việc mang lại nguồn lợi kinh tế to lớn, khí đốt cũng làm dấy lên những
băn khoăn về môi trường. Để tiếp cận được khu vực có trữ lượng dầu người ta phải bơm
hàng triệu lít nước trộn khoảng 20 loại hóa chất tương đối độc hại xuống lòng đất, trong
đó có những chất như benzol có thể gây ung thư. Các nhà địa chất cho rằng bản thân quá
trình khai thác (Fracking) không nguy hiểm nhưng tai nạn do bất cẩn và tính toán, thẩm
định không chính xác có thể là nguyên nhân gây hiểm họa. Để giảm thiểu rủi ro, ngành
công nghiệp khí đốt phát triển công nghệ Fracking sạch. Tập đoàn năng lượng OMV của
Áo và tập đoàn Halliburton của Mỹ cùng nghiên cứu về một loại dung dịch sạch dùng
cho quá trình Fracking với thành phần là nước, cát thạch anh và tinh bột ngô.
- Vấn đề ảnh hưởng tới khí hậu của khí đá phiến cũng khá phức tạp. Các nhà
nghiên cứu tranh cãi chủ yếu về lượng khí metan gây hiệu ứng nhà kính thất thoát ra bên
ngoài bao nhiêu trong quá trình Fracking. Một số người cho rằng khí đá phiến có hại cho
khí hậu gấp đôi than vì một lượng lớn metan thoát ra ngoài trong quá trình khai thác do
ống khoan bị hở. Từ năm 2015 các doanh nghiệp sẽ phải trang bị hệ thống goăng và bình
thu hồi ở các tháp khoan để giảm lượng khí thoát ra ngoài. [9]
 Năng lượng từ nhiên liệu nguyên tử:
Năng lượng nguyên tử được sản sinh từ uranium thông qua những quá trình phản
ứng chuỗi liên kết. Một lượng nhiệt khổng lồ được sinh ra trong quá trình phân hạch của
phân tử uranium-235 được dùng để đun sôi nước. Hơi nước sinh ra ở nhiệt độ cao tạo
thành luồng hơi di chuyển, tác động vào những cánh quạt của turbine để quay máy phát

điện. Dòng điện được sản sinh ra và truyền tải đến người tiêu dùng để phục vụ các nhu
cầu của đời sống.
- Một số phản ứng phân hạch uranium:
1
0

94
140
1
n 235
92 U 38 Sr  54 Xe  2 0 n  185MeV

1
0

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

140
93
1
n 235
92 U  58 Ce 41Nb 30 n  7e  182,6MeV

Trang 5

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

- Ưu điểm của năng lượng hạt nhân:
+ Tạo ra một lượng lớn năng lượng.
Với 1kg uranium-235 có thể sản xuất ra một lượng năng lượng điện tương
đương 1.500 tấn than.
+ Nguồn năng lượng xanh.
Ưu điểm lớn nhất của nguồn năng lượng này là không tạo ra các khí thải gây
hiệu ứng nhà kính (như carbon dioxide, metan, ozone, chlorofluorocarbon)
trong phản ứng hạt nhân nên có rất ít ảnh hưởng đến môi trường.
+ Không làm ô nhiễm không khí.
Việc đốt nhiên liệu như than đá tạo ra carbon dioxide và khói. Đó là một mối
đe dọa đối với môi trường cũng như đời sống con người. Sản xuất năng lượng
hạt nhân không thải ra khói. Vì thế, nó không gây ô nhiễm không khí trực tiếp.
+ Nhiên liệu độc lập.
Hiện nay, nguồn dự trữ uranium được tìm thấy trên Trái Đất dự kiến sẽ đáp
ứng được nhu cầu trong 100 năm nữa. Sử dụng năng lượng này có thể làm cho
nhiều quốc gia có thể độc lập về năng lượng và không phụ thuộc vào việc khai
thác những nhiên liệu như than đá. [10]
- Nhược điểm của năng lượng hạt nhân:
+ Bức xạ.
Sự giải phóng ngẫu nhiên các bức xạ có hại là một trong những hạn chế lớn
nhất của năng lượng hạt nhân. Quá trình phân hạch giải phóng bức xạ, nhưng
chúng được kiểm soát trong một lò phản ứng hạt nhân. Nếu các biện pháp an
toàn không được đảm bảo, các bức xạ có thể tiếp xúc với môi trường sẽ dẫn
đến những ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và con người.
+ Không thể tái tạo.
Mặc dù tạo ra một lượng lớn năng lượng, các lò phản ứng hạt nhân vẫn phụ
thuộc vào uranium. Đây là một nhiên liệu có thể bị cạn kiệt, sự cạn kiệt của nó
có thể gây ra một vấn đề nghiêm trọng. Các lò phản ứng sẽ phải ngừng hoạt

động, chúng vẫn chiếm một diện tích lớn đất đai và làm ô nhiễm môi trường.
+ Phát triển vũ khí hạt nhân.
Năng lượng này có thể được sử dụng cho sản xuất và phổ biến vũ khí hạt
nhân. Đó là một mối đe dọa lớn đối với thế giới vì chúng có thể gây ra một sự
tàn phá quy mô lớn. Tác động của chúng có thể ảnh hưởng tới nhiều thế hệ (ví
dụ: vụ đánh bom nguyên tử ở Hiroshima và Nagasaki, Nhật Bản).
+ Chi phí xây dựng khổng lồ.
Một nhà máy điện hạt nhân đòi hỏi chi phí đầu tư lớn. Cần đến khoảng 10-15
năm để xây dựng xong một nhà máy điện hạt nhân. Việc xây dựng một nhà
máy điện hạt nhân có thể không khả thi.
SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 6

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

+ Chất thải hạt nhân.
Các chất thải được tạo ra sau phản ứng phân hạch chứa các nguyên tố không
ổn định và phóng xạ cao. Nó rất nguy hiểm đối với môi trường cũng như sức
khỏe con người và sẽ tồn tại trong một khoảng thời gian dài. Độ phóng xạ của
các nguyên tố này sẽ giảm trong một thời gian, sau đó phân hủy. Do đó, người
ta phải tích trữ và xử lý một cách cẩn thận. Việc tích trữ các nguyên tố phóng
xạ trong một thời gian dài là rất khó khăn.
+ Tai nạn nhà máy điện hạt nhân.
Cho đến nay, đã có nhiều vụ tai nạn nhà máy điện hạt nhân xảy ra, trong số đó

có 2 tai nạn thảm khốc là thảm họa hạt nhân Chernobyl (1986) tại Ukraine, và
thảm họa hạt nhân Fukushima Daiichi (2011) tại Nhật Bản. Sau các sự cố, một
lượng lớn các bức xạ đã bị phát tán vào môi trường, dẫn đến những thiệt hại
về người, thiên nhiên và đất đai. Người ta không thể phủ nhận khả năng lặp lại
những thảm họa này trong tương lai.
+ Vận chuyển nhiên liệu và chất thải.
Việc vận chuyển nhiên liệu uranium và các chất thải phóng xạ là rất khó khăn.
Uranium phát ra một số bức xạ, do đó nó cần phải được xử lý cẩn thận. Chất
thải của quá trình sản xuất hạt nhân còn nguy hiểm hơn và cần được bảo vệ tốt
hơn. Tất cả các phương tiện vận chuyển chúng đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn
quốc tế. Mặc dù chưa có tai nạn hoặc sự cố tràn nào được thống kê, nhưng quá
trình vận chuyển vẫn còn là thách thức. [10]
1.2.2 Năng lượng tái tạo
Nguồn tài nguyên thiên nhiên mang năng lượng sau khi chuyển hóa thành các chất
mang năng lượng để sử dụng, nguồn tài nguyên này biến mất trong thiên nhiên. Sau đó,
chúng được thiên nhiên bù đắp ngay trở lại để tiếp tục chuyển hóa thành nguồn năng
lượng mới. Người ta gọi nguồn tài nguyên này là nguồn tài nguyên năng lượng có thể tái
tạo và năng lượng thu được từ nguồn này được gọi là năng lượng có thể tái tạo hay gọi tắt
là năng lượng tái tạo hay năng lượng xanh.
Năng lượng tái tạo hay năng lượng xanh là khái niệm chỉ những nguồn năng lượng
sạch, gần như vô tận và thân thiện với môi trường.
 Lịch sử năng lượng tái tạo
- Trước khi khai thác than vào giữa Thế kỷ XIX, gần như tất cả các nguồn năng
lượng con người sử dụng là năng lượng tái tạo. Hầu như không có một nghi ngờ việc sử
dụng năng lượng tái tạo lâu đời nhất được biết đến, ở dạng sinh khối truyền thống nhiên
liệu cháy, có từ 790.000 năm trước đây. Sử dụng sinh khối để đốt đã không trở nên phổ
biến cho đến khi hàng trăm hàng ngàn năm sau đó, vào khoảng 200.000-400.000 năm
trước. Việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo lâu đời thứ hai là khai thác gió để chạy các
tàu buồm. Việc này đã được thực hiện cách nay 7.000 năm, của các tàu trên sông Nin.
SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 7

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

- Cho đến năm 1873, những mối quan tâm về cạn kiệt nguồn than đã thúc đẩy việc
thí nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời. Sự phát triển của các động cơ năng lượng mặt
trời vẫn tiếp tục cho đến khi nổ ra chiến tranh thế giới lần thứ nhất. Tầm quan trọng của
năng lượng mặt trời được công nhận trong bài báo khoa học Mỹ năm 1911: "Trong tương
lai xa các nguồn nhiên liệu tự nhiên sẽ cạn kiệt, năng lượng mặt trời sẽ là phương tiện
duy nhất đối với sự tồn tại của nhân loại".
- Trong thập niên 1970, các nhà môi trường đã thúc đẩy phát triển các nguồn năng
lượng tái tạo theo cả hai hướng là thay thế nguồn dầu đang dần cạn, cũng như thoát khỏi
sự lệ thuộc vào dầu mỏ, và các turbine gió phát điện đầu tiên ra đời. Năng lượng mặt trời
được sử dụng từ lâu để nung nóng và làm lạnh, nhưng các tấm pin mặt trời quá đắt, mãi
cho đến năm 1980 mới có thể xây dựng những cánh đồng pin năng lượng mặt trời. [11]
 Các nguồn năng lượng tái tạo
Các nguồn năng lượng tái tạo được chú ý nhiều nhất hiện nay là:
- Bức xạ mặt trời: tồn tại dưới dạng ánh nắng mặt trời khi chiếu đến bề mặt Trái
Đất, ta có thể thu nhận và chuyển hóa chúng thành các chất mang năng lượng ở nhiều
dạng khác nhau như: nhiệt năng, điện năng… để sử dụng; được gọi chung là năng lượng
mặt trời.
- Gió thổi trong khí quyển: là do biến đổi về áp suất khí quyển, được chuyển hóa
sang chất mang năng lượng là điện năng nhờ các turbine gió. Năng lượng này gọi là năng
lượng gió.

- Sinh khối: bao gồm các vật thể sống trong sinh quyển, các chất thải nông nghiệp,
phế thải chăn nuôi, rác thải sinh hoạt, rác thải đô thị... những vật liệu này đều chứa năng
lượng, có thể sử dụng đốt cháy trực tiếp để ra nhiệt năng hoặc điện năng, hoặc chuyển
hóa sang các chất mang năng lượng dạng nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu lỏng để thay thế
một phần nhiên liệu hóa thạch. Các dạng nhiên liệu thu được gọi chung là nhiên liệu sinh
học và năng lượng do chúng tạo ra gọi là năng lượng sinh học.
- Địa nhiệt: nhiệt độ cao trong các địa tầng xảy ra trong lòng Trái Đất, có thể khai
thác để chuyển hoá sang các chất mang năng lượng dạng nhiệt năng và điện năng. Nguồn
năng lượng này được gọi là năng lượng địa nhiệt.
- Sự vận động của nước có thể chuyển hóa thành chất mang năng lượng dạng điện
năng gồm:
+ Năng lượng nước của sông: dựa vào thế năng của nước được tích trữ trong các
hồ ở một độ cao nhất định. Thế năng sẽ chuyển thành động năng khi nước chảy
từ hồ chứa làm quay turbine tạo ra điện.
+ Năng lượng nước ngoài đại dương: dựa vào động năng của sóng biển, thủy triều,
hải lưu, động năng sẽ được chuyển thành điện năng nhờ hệ thống thu và chuyển
hóa năng lượng.

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 8

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

1.3 Lịch sử sử dụng năng lượng

Năng lượng có lịch sử tương đối dài. Từ thời thượng cổ, nguồn năng lượng ban đầu
được con người khai thác và sử dụng là củi. Con người tạo ra lửa từ củi để nấu ăn, sưởi
ấm và xua đuổi thú dữ. Có thể nói, lửa đã khai phá nền văn minh đầu tiên của nhân loại.
1.000.000 B.C

3000 B.C

1100 B.C
200 B.C
250-400 A.D
800-1500 A.D
874 A.D

1800-1826

1830-1839

1840-1865

1870-1880

1881-1887

- Củi được sử dụng như nguồn năng lượng đầu tiên.
- Sử dụng sức một số loài động vật (ngựa/la/lừa) để thồ hàng hóa.
- Bắt đầu sử dụng đá dầu để làm chất keo trong kiến trúc xây
dựng, trám thành tàu, trải đường và tinh luyện dầu thô để thắp đèn
và sưởi ấm.
- Than đá bắt đầu được sử dụng.
- Người Trung Quốc sử dụng khí thiên nhiên làm bay hơi nước từ

nước biển để tạo muối.
- Người La Mã cổ đại chế tạo thành công cối xay thủy lực 16 bánh
với công suất trên 40 mã lực .
- Năng lượng gió được sử dụng trong hàng hải.
- Bắt đầu sử dụng năng lượng địa nhiệt để sưởi ấm.
- Chế tạo thành công pin.
- Thiết bị sử dụng năng lượng đầu tiên ở Mỹ.
- Phát hiện mối liện hệ giữa điện và từ trường.
- Công bố định luật Ohms.
- Michael Faraday chế tạo máy phát điện từ.
- Chế tạo tế bào nhiên liệu đầu tiên.
- Bánh xe khổng lồ đường kính 72foot chạy bằng sức nước có
công suất 572 ngựa, đặt tại vùng đảo Mann.
- Gia đình Edwin L. Drake dò tìm giếng dầu đầu tiên tại
Titusville, Pennsylvania.
- Maxwell mở ra một kỷ nguyên mới cho chuyên ngành vật lý
bằng lý thuyết toán của điện từ trường. Maxwell đã hợp nhất lý
thuyết từ trường, điện và ánh sáng.
- Công bố bằng sáng chế turbine khí.
- Chế tạo động cơ đốt cháy đầu tiên sử dụng cồn và dầu hỏa.
- Xây dựng nhà máy điện đầu tiên sử dụng máy phát chổi và ánh
sáng huỳnh quang tại SanFrancisco.
- Thomas Edison xây dựng nhà máy phát điện đầu tiên ở New
York (Mỹ) 1882. Trong 2 tháng đầu tiên sau khi nhà máy họat
động, 1.300 bóng đèn được tiêu thụ và khoảng 11.000 bóng được
tiêu dùng trong 1 năm. Ánh sáng của bóng đèn gấp hàng trăm lần

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 9

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

1898
1900

1900-1910

1911-1919

1920-1930

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

ánh sáng nến, đó là lý do khiến nhiều người chuyển sang dùng
điện.
- Nhà máy thủy điện đầu tiên ra đời (Wisconsin).
- Phát minh máy biến thế.
- Phát minh máy turbine hơi.
- Stanley cải tiến máy biến thế và phát minh hệ thống dòng điện
xoay chiều.
- Tesla phát minh động cơ điện cảm ứng có từ trường, ứng dụng
trong chế tạo thiết bị động cơ và giúp chuyển đổi dòng điện xoay
chiều trở nên kinh tế hơn.
- Phát minh điện tử.
Tái sử dụng năng lượng từ đốt rác ở New York vừa làm giảm khối
lượng rác và tái sử dụng năng lượng thông qua quá trình nhiệt.

Cối xay gió bơm nước và phát điện ở vùng xa dân cư cộng đồng.
- Thành lập trạm turbine đầu tiên trên thế giới (Chicago).
- Nhà máy thủy điện Shawinigan lắp đặt máy phát có công suất
lớn nhất (5.000W) và đường dây cao thế lớn nhất và dài nhất trên
thế giới (136km và 50kV) kéo dài đến Montreal.
- Chế tạo máy phát turbine hơi 5MW
- Điện địa nhiệt bắt đầu được thương mại hóa ở Italy.
- Chế tạo máy hút bụi điện đầu tiên.
- Xuất xưởng máy giặt điện đầu tiên.
- Xe hơi model T của hãng Henry Ford sử dụng kết hợp 2 loại
nhiên liệu sử dụng là etan và xăng.
- Một trong những sự kiện vĩ đại trong Thế kỷ XX chính là công
bố phát minh học thuyết tương đối của Einstein: E = mc2. Einstein
đã tạo ra một kỷ nguyên mới cho nền vật lý học thông qua hợp
nhất khối lượng, năng lượng, từ trường, điện từ và ánh sáng. Phát
minh của Einstein kéo theo các ngành năng lượng hạt nhân, vũ khí
hạt nhân, y học hạt nhân và vật lý thiên văn ra đời.
- Xây dựng thiết bị điều hòa không khí đầu tiên.
- Lắp đặt thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí đầu tiên.
- Chế tạo tủ lạnh điện đầu tiên.
- Phát triển lý thuyết phân hạch hạt nhân.
- Thành lập Ủy ban liên bang Năng lượng (Federal Power
Commission-FPC).
- 75% dân số Mỹ sử dụng năng lượng than đá.
- Xây dựng hệ thống đường dẫn khí thiên nhiên 200 dặm đầu tiên

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 10

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

1933-1939

1940-1949

1950-1959

1960-1969

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

từ Louisiana đến Texas.
- Phát minh động cơ phản lực.
- Dầu lửa và dầu bắt đầu thay thế gỗ trong một số ngành thương
mại, giao thông và các thiết bị dân dụng.
- Mô tả phản ứng dây chuyền hạt nhân.
- Hiệp ước Năng lượng liên bang ra đời.
- Tổng thống Franklin D. Roosevelt ký văn bản luật quản lý điện
khí hóa nông thôn (the Rural Electrification AdministrationREA).
- Phân hạch nhân tạo hạt nhân uranium.
- Phát triển máy bay động cơ phản lực đầu tiên.
- Xây dựng nhà máy nhiên liệu etan đầu tiên tại Mỹ.
- Thực hiện thành công phản ứng dây chuyền hạt nhân đầu tiên tại
Chicago.
- Hiệp ước năng lượng nguyên tử quyết định thành lập Ủy ban
Năng lượng nguyên tử Atomic Energy Commission (AEC).

- Điện và khí thiên nhiên dần dần thay thế gỗ trong sưởi ấm nhà
và các khu thương mại.
- 22% dân số Mỹ sử dụng sản phẩm chưng cất từ dầu.
- Khoảng trên 1/3 gia đình Mỹ sưởi ấm bằng than đá.
- Khoảng 25% gia đình Mỹ sử dụng khí thiên nhiên để sưởi ấm.
- Khoảng 0.6% gia đình Mỹ sử dụng điện để sưởi.
- Các ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu chủ yếu từ than đá.
- Xe lửa và tàu thủy chạy bằng hơi nước vẫn dùng than đá.
- Lò phản ứng thí nghiệm của Ủy ban Năng lượng nguyên tử phát
điện đầu tiên từ năng lượng hạt nhân. Anh hoàn tất lò phản ứng
thương mại đầu tiên tại lâu đài Calder năm 1956. Một năm sau,
tàu ngầm hạt nhân của Mỹ ra đời.
- Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được thực hiện dưới nước.
- Đường dây cao thế 345kV đầu tiên.
- Đơn đặt hàng nhà máy năng lượng hạt nhân đầu tiên.
- Xây dựng đường dây dòng điện cao thế một chiều đầu tiên (high
voltage direct current-HVDC) (20 MW/1.900kV, 96 km).
- Năm 1954, hiệp ước Năng lượng nguyên tử (Atomic Energy
Act) công nhận quyền sỡ hửu lò phản ứng hạt nhân.
- Hiệp ước Không khí sạch (Clean Air Act) được ký kết.
- Ký kết hiệp ước Chính sách Môi trường Quốc gia (National
Environmental Policy Act) năm 1969.

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 11

SP. Vật lý – Công nghệ K37

LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

1970-1980

1980

1990

2000

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

- Ban hành đạo luật chất lượng nước và môi trường.
- Bổ sung và mở rộng vai trò của chính phủ liên bang (the Federal
Government) trong kiểm soát ô nhiễm không khí.
- Hiệp ước Nước sạch (The Clean Water Act) ra đời năm 1972
nhằm tính đến ảnh hưởng của nước thải từ nhà máy điện và các
khu công nghiệp điện.
- Lệnh cấm vận dầu lửa của Ả rập được thực hiện để chống lại Mỹ
và Hà Lan.
- Ban hành hiệp ước “Chính sách và bảo tồn năng lượng” (The
Energy Policy and Conservation Act (EPCA)) năm 1975, đạt được
một số mục tiêu như thiết lập khu vực dự trữ dầu thô và cải thiện
hiệu suất sử dụng nhiên liệu trong động cơ xe hơi.
- Tai nạn hạt nhân tại Brown’s Ferry và Three Mile Island.
- Rò rỉ tại nhà máy hạt nhân Chernobyl (USSR).
- Bổ sung yêu cầu kiểm soát ô nhiễm trong khế ước Không khí
sạch (Clean Air Act).
- Trữ lượng địa nhiệt trên thế giới ước khoảng trên 6.000MW.
- Trên 50% gia đình người Mỹ sử dụng khí thiên nhiên để sưởi ấm

và khoảng 29% sử dụng điện.
- Chế tạo thành công tế bào nhiên liệu hiệu suất cao.
Bảng 1.1 Những cột mốc lịch sử sử dụng năng lượng [12]

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 12

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

1.4 Tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo và tái tạo hiện nay
1.4.1 Trên thế giới

Hình 1.1 Nhu cầu năng lượng toàn cầu đến năm 2050 [13]
Theo như hình 1.1 trên thì đến năm 2050 năng lượng hóa thạch sẽ không còn giữ
địa vị thống trị như trước kia. Năng lượng tái tạo sẽ là nguồn năng lượng chính cho nhân
loại. Hiện nay, mặc dù tốc độ tăng trưởng cao nhưng năng lượng tái tạo vẫn chỉ chiếm
một phần nhỏ của năng lượng tiêu thụ toàn cầu, nhưng sản lượng điện do năng lượng tái
tạo cung cấp đã vươn lên chiếm một thị phần đáng kể từ năm 2000, dự báo đến năm 2050
sẽ chiếm sản lượng gấp đôi so với năng lượng tái tạo cung ứng, bao gồm cả năng lượng
hóa thạch và năng lượng hạt nhân gộp lại. [13]
1.4.2 Tại Việt Nam
Năng lượng
phi thương mại
29,1%

Điện
14.8%

Than
19,6%

Khí
1%

Sản phẩm dầu
35,6%

Hình 1.2 Tỷ trọng tiêu thụ năng lượng theo dạng nhiên liệu năm 2010 [14]
SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 13

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

Ở Việt Nam, nguồn năng lượng hóa thạch đang suy giảm dần do trữ lượng có hạn
mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ nguồn năng lượng này
đang gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong khi đó, tiềm năng để phát triển
năng lượng mới là rất lớn, việc phát triển năng lượng tái tạo sẽ góp phần giảm tiêu hao
năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính. Do đó, các nguồn điện

được sản xuất ra từ các nguồn năng lượng tái tạo đang được xem là sự bổ sung lý tưởng
cho sự thiếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng mà còn
góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. [14]
Việt Nam là một trong những nước có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái
tạo phân bổ rộng khắp trên toàn quốc. Ước tính tiềm năng sinh khối từ các sản phẩm hay
chất thải nông nghiệp có sản lượng khoảng 10 triệu tấn dầu/năm. Khí sinh học xấp xỉ 10
tỉ m3/năm có thể thu được từ rác, phân động vật và chất thải nông nghiệp. Nguồn năng
lượng mặt trời phong phú với bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m2/ngày. Bên cạnh đó, với
vị trí địa lý hơn 3.260km đường bờ biển giúp Việt Nam có tiềm năng rất lớn về năng
lượng gió ước tính khoảng 500-1.000kWh/m2/năm. Những nguồn năng lượng tái tạo này
được sử dụng sẽ đáp ứng được nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh.
1.5 Phát triển nguồn năng lợng tái tạo là xu thế hiện nay
Với những đặc điểm vừa phân tích ở trên, cho thấy nguồn năng lượng tái tạo là
nguồn năng lượng mới có tiềm năng lớn, đảm bảo được sự ổn định về năng lượng, không
gây tác hại đến môi trường. Chính vì vậy, khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo
là giải pháp tốt nhất để thoát khỏi tình trạng khủng hoảng năng lượng và sự biến đổi khí
hậu hiện nay trên toàn cầu cũng như tại Việt Nam.

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 14

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Năng lượng Mặt Trời
2.1.1 Mặt Trời và cấu tạo Mặt Trời
Mặt Trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,4.106km (lớn hơn 110 lần đường
kính Trái Đất), cách xa trái đất 150.106km, khối lượng Mặt Trời khoảng M0 = 2.1030kg.
Nhiệt độ trung tâm Mặt Trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K-20.106K, trung bình
khoảng 15,6.106K.

Hình 2.1 Bên ngoài Mặt Trời [15]
Cũng giống như Trái Đất, Mặt Trời cũng có nhiều lớp khác nhau tạo nên cấu trúc
của nó. Nhưng Mặt Trời không giống Trái Đất ở chỗ, nó hoàn toàn là một quả cầu khí,
không có một bề mặt chất rắn nào cả. Ở phần trung tâm của Mặt Trời, tỷ trọng bằng
150g/cm3 (gấp 10 lần tỷ trọng của vàng hoặc chì). Càng xa trung tâm Mặt Trời, nhiệt độ
và tỷ trọng càng giảm. Mặt Trời có cấu tạo gồm 4 phần: Phần lõi, tầng bức xạ, tầng đối
lưu và quang cầu tất cả họp thành một khối vật chất khổng lồ.
- Phần lõi: Phần lõi của Mặt Trời là khu vực trung tâm, có bán kính khoảng
175.000km, khối lượng riêng 60g/cm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất
vào khoảng hàng tỷ atmosphe, là nơi các phản ứng hạt nhân tổng hợp hydro để hình
thành heli.
- Tầng bức xạ: là phần tiếp theo phần lõi, chiếm 55% bán kính Mặt Trời. Ở khu vực
này, năng lượng từ phần lõi được truyền đi xa hơn nhờ các photon (lượng tử ánh sáng).
- Tầng đối lưu: nằm trong khoảng 30% bán kính còn lại, nơi có các dòng đối lưu
hoạt động mạnh và mang năng lượng đi ra khỏi bề mặt của Mặt Trời. Với rất nhiều sự
SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 15

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

tương tác diễn ra giữa các lượng tử ánh sáng và phân tử khí trong các tầng bức xạ và tầng
đối lưu, một lượng tử ánh sáng mất gần 100.000- 200.000 năm để tới bề mặt.
- Vùng quang cầu: có nhiệt độ khoảng 6.000K, dày 1.000km, ở vùng này gồm các
bọt khí sôi sục, có chổ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500K
và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000K-10.000K.
- Khí quyển: vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt Trời,
bao gồm 3 phần: Quyển sáng, sắc cầu và nhật hoa.
+ Phần quyển sáng: là khu vực thấp nhất trong bầu khí quyển Mặt Trời mà tại
đó có thể nhìn thấy từ Trái Đất, rộng khoảng 300-400km và có nhiệt độ trung
bình là 5.800K. Nó xuất hiện dưới dạng bong bóng hoặc kết tạo thành hạt,
giống với bề mặt của một bình nước đang sôi. Khi đi ra khỏi quyển sáng thì
nhiệt độ sẽ giảm và các khí sẽ trở nên lạnh hơn, do vậy nó không phát ra
nguồn năng lượng ánh sáng nữa. Vì thế, rìa ngoài cùng của quyển sáng sẽ tối
lại và một hiệu ứng rìa tối đã chiếm toàn bộ phần xung quanh Mặt Trời.
+ Sắc cầu: nằm phía trên và cách phần quyển sáng khoảng 2.000km, nhiệt độ
chảy dọc phần quyển sắc tăng từ 4.500K-10.000K.
+ Nhật hoa: là lớp cuối cùng của Mặt Trời kéo dài hàng triệu km phía ngoài
vùng quyển sáng. Chúng ta có thể quan sát nó rõ nhất vào thời điểm nhật thực
và trong các bức ảnh của Mặt Trời được chụp bằng tia X. Nhiệt độ của vầng
trung bình là 2 triệu độ K, mặc dù không có ai có thể giải thích vì sao vầng lại
nóng như vậy, nhưng theo một số phỏng đoán thì nguyên nhân là do từ tính
Mặt Trời. [15]

Hình 2.2 Cấu trúc của Mặt Trời [15]
SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 16

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

2.1.2 Khái niệm năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời,
cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra. Dòng năng
lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu,
vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
Về mặt vật chất thì Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro (H2), 19,8% khí heli (He),
các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lượng do Mặt Trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây trôi qua,
Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,865.1026J, tương đương với năng lượng
đốt cháy 1,32.1016 tấn than đá. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất
nhỏ và bằng 17,52.1016J tương đương năng lượng đốt cháy 6.106 tấn than đá. [16]
Năng lượng khổng lồ từ Mặt Trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng
nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tương đối của Einstein và qua phản ứng nhiệt hạch hạt nhân
khối lượng có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt mặt ngoài của Mặt Trời khoảng
6.000K, còn bên trong Mặt Trời có thể lên đến hàng triệu độ. Áp suất bên trong Mặt Trời
cao hơn 340.108Mpa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong Mặt Trời cao như vậy nên vật chất
đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn. Chúng va chạm vào
nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Các nhà khoa học đã xác định được
nguồn năng lượng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là phản ứng
tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon và nitơ (còn gọi là chu trình Bethe hay chu trình
cacbon) và phản ứng hạt nhân proton-proton (hay chu trình hydro).
 Quá trình phản ứng tuần hoàn C-N

- Hạt nhân 6 C 12 va chạm với một proton tạo ra đồng vị 7 N 13 và có độ hụt khối Δm1
biến thành năng lượng ΔE1 dưới dạng tia γ (trong đó năng lượng ΔE1 = Δm1.c 2 với
c = 300.000km/s là vận tốc ánh sáng trong chân không).
- Đồng vị 7 N 13 không bền lại biến thành đồng vị 6 C 13 và phát ra một pozitron và
một nơtrino.
- Đồng vị 6 C13 va chạm với một proton tạo ra đồng vị 7 N 14 và tia γ là năng lượng
điện từ có bước sóng rất ngắn ( ΔE2 ).
- Đồng vị 7 N 14 va chạm với một proton tạo ra đồng vị 8 O15 không bền và độ hụt
khối Δm3 biến thành năng lượng ΔE3 cũng dưới dạng tia gamma.
- Đồng vị 8 O15 biến đổi thành đồng vị 7 N 15 và phát ra một pozitron và một nơtrino.
- Cuối cùng đồng vị 7 N 15 va chạm với một proton và biến tành 6 C 12 và một hạt α
(He)
Hay:
1

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

H 1 + 6 C 12 →

Trang 17

7

N 13 + γ

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

7

N 13 →

1

H 1 + 6 C 13 →

1

H1 +

8

O15 →

7

1

H1 +

N 15 →

7

7

6

C 13 + e+ + ν
7

N 14 + γ

N 14 → O15 + γ
8
N 15 + e+ + ν
6

C 12 +

2

He4

Như vậy, ta thấy sau mỗi chuỗi phản ứng nói trên, hạt nhân 6 C 12 biến đổi lại trở về
đồng vị 6 C 12 . Điều đó có nghĩa là phản ứng hạt nhân C-N có tính tuần hoàn. Trong quá
trình phản ứng một lượng lớn hydro bị tiêu hao và chuyển thành năng lượng. [17]
 Phản ứng tuần hoàn proton-proton:
1
1
2
+ 1 H → 1 H + e+ + ν
1H
1

2

H 2 + 1H1 →

He3 +

2

2

He3 + γ

He3 → 2 He4 + 2 1 H 1

Trong đó 1 H 2 là đồng vị hydro nặng (còn gọi là đơteri); e+ là pozitron; γ là hạt ánh
sáng hay photon; 2 He3 , 2 He4 là các đồng vị của hạt nhân heli.
Cả hai loại phản ứng nói trên điều có kết quả chung là phản ứng kết hợp bốn hạt
nhân nguyên tử hydro để tạo thành hạt nhân nguyên tử heli (hạt α ). Ta biết khối lượng
của hạt nhân hydro hay proton và heli là: mp = 1,672.1024 g
mα = 6,644.1024 g

Từ đó ta có độ hụt khối Δm của phản ứng sẽ là:
Δm = ( 4m p  mα ) = 0,044.10-24g
Hay bằng 0,7% tổng khối lượng của 4 proton. Từ biểu thức của Einstein E = m.c ta
tính được năng lượng được giải phóng ra khi 1g hạt nhân tạo phản ứng sẽ là 9.1013 J . Như
vậy khi 1g proton tham gia phản ứng hạt nhân thì tiêu hao mất 0,7% tổng khối lượng và
phát ra một năng lượng là:
ΔE = 9.1013 J x 0,7% = 6,3.1011J
Như trên đã cho thấy, mỗi giây Mặt Trời bức xạ một năng lượng là 3,8.1026J.
Như vậy trong mỗi giây lượng nhiên liệu hydro tham gia phản ứng là:
3,8.1026 : 6,3.1011 = 6,03.108 tấn.

Tổn thất thực tế là: 6,3.1011J x 0,7% = 4,22.106 tấn/giây.
Như đã nói ở trên, khối lượng Mặt Trời xấp xỉ 2.10 27 tấn. Như vậy, để Mặt Trời
chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 10 tỷ
năm. Từ đó có thể thấy nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài.
2

SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 18

SP. Vật lý – Công nghệ K37


LVTN Đề tài: Năng lượng xanh

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn

2.2 Lịch sử phát triển điện năng lượng mặt trời
2.2.1 Thời kì sơ khai của việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
Thời kì này nguồn năng lượng mặt trời được sử dụng chủ yếu dưới dạng nhiệt.
- Thế kỷ VII TCN: Thời Ai Cập Cổ Đại, các ngôi nhà được xây dựng để các bức xạ
mặt trời có thể được thu thập vào ban ngày và được sử dụng vào ban đêm.
- Thế kỷ V TCN: Người Hy Lạp định hướng nhà của họ để họ có thể nhận được
năng lượng mặt trời vào mùa đông để sưởi ấm ngôi nhà.
- Thế kỷ III TCN: Archimedes đã sử dụng những tấm gương để phản chiếu bức xạ
mặt trời và để bảo vệ Syracuse (ngày nay là trung tâm kinh tế, giáo dục của Ai Cập) từ
cuộc xâm lược của người La Mã.
- Thế kỷ II TCN: Các cửa sổ đầu tiên làm từ mica trong suốt đã được chèn vào
trong nhà ở miền bắc Ý, với mục đích để tăng việc sử dụng bức xạ mặt trời trong thời
gian mùa đông.

- Thế kỷ XIV: Định luật năng lượng mặt trời đầu tiên được giới thiệu tại Ý.
- Năm 1767 ở Nga: M.V. Lomonossov đề nghị việc sử dụng các thấu kính để tập
trung bức xạ mặt trời.
- Năm 1767 tại Thụy Sĩ: Horace de Saussure khám phá ra sự khuếch đại và tăng
hiệu suất nhiệt trong các hộp kính 5 nếp gấp loại Matjoshka.
- Năm 1830 tại Nam Phi: J. Hershel sử dụng nồi nấu năng lượng mặt trời đầu tiên.
Khoảng 1830 H. Repton xây dựng nhà kính đầu tiên ở châu Âu. [18]
2.2.2 Giai đoạn mở đầu
- Năm 1838: Edmond Becquerel, nhà vật lý người Pháp, là người đầu tiên có những
ý tưởng chuyển biến ánh sáng thành năng lượng.
- Giai đoạn 1860-1881: Phải hơn 2 thập kỷ sau, tiếp nối những ý nghĩ của Edmond
Becquerel thì Auguste Mouchout thành công trong việc tạo ra một thiết bị giúp chuyển
hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hơi nước và cho ra đời chiếc máy hơi nước
chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên.
- Năm 1873: Willoughby Smith phát hiện ra vật liệu chế tạo pin năng lượng mặt
trời.
- Từ năm 1876-1878: William Adams cho ra đời cuốn sách chính thống đầu tiên về
năng lượng mặt trời mang tên: “Nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch tại
các quốc gia nhiệt đới” và một mẫu thiết kế thú vị sử dụng gương để tạo ra nguồn năng
lượng mặt trời tương đương với một động cơ 2,5 mã lực.
- Năm 1883: Charles Fritz là nhà khoa học đầu tiên thành công trong việc chuyển
hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng điện.
- Năm 1888: John Ericsson, một người Mỹ nhập cư đã viết ra những nhận định như
sau: “Sau hơn 2.000 năm sinh sống và tồn tại trên Trái Đất, nhân loại sẽ sớm sử dụng hết
những nguồn năng lượng hóa thạch của mình. Con cháu chúng ta sẽ phải đối mặt với tình
SVTH: Sơn Thị Lệ Trinh

Trang 19

SP. Vật lý – Công nghệ K37