đề cương nghiên cứu khoa học

LỜI CẢM ƠN
…  …
Trong cuộc sống không có sự thành công nào mà không gắn liền với
sự hỗ trợ, giúp đỡ từ gia đình, thầy cô, bạn bè và mọi người xung quanh.
Để đạt được kết quả như ngày hôm nay không chỉ nhờ nỗ lực của bản thân
em mà còn nhờ chính những sự giúp đỡ đó.
Chính vì lẽ đó trước tiên là lòng biết ơn sâu sắc nhất công ơn sinh
thành nuôi dạy của Cha và Mẹ dành cho con, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho
con sống và học tập.
Và em xin cảm ơn toàn thể Quý thầy Cô của trường Đại học Cần
Thơ nói chung và của Khoa Công nghệ nói riêng đã trang bị cho em những
kiến thức cần thiết và bổ ích từ đại cương đến chuyên ngành để em có thể
hoàn thành bài nghiên cứu khoa học này
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Văn Cương
đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trên lớp cũng như
những buổi thảo luận về đề tài nghiên cứu khoa học.
Cuối cùng là lời cảm ơn của em gởi đến tất cả các bạn cùng học
ngành Kỹ thuật điện và các anh chị khóa trước đã giúp đỡ và đóng góp cho
em những kiến thức bổ ích để em có thể hoàn thành bài nghiên cứu khoa
học một cách tốt nhất.
Do quá trình thu thập tài liệu gấp gáp và thời gian nghiên cứu hạn
hẹp khó tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đề tài. Em rất mong được sự
đóng góp và ý kiến quí báu của Quý Thầy Cô và bạn bè để ngày càng hòan
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Cần thơ, 20 tháng 04 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Trần Trọng Hửu

1

MỤC LỤC

2


MỞ ĐẦU
1. Tên đề tài

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những
nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng
mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt. Nguyên tắc cơ bản của
việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy
trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ
thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời.
Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnh
vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện
độc lập nông thôn.
Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng
để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí
dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch). Trong cảm giác về thời
gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng
trong một thời gian gần như là vô tận. Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp
năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái
Đất. Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và
cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng. Luồng gió thổi,
dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng
trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn
theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái.

Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các
nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà
ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều. Theo ý nghĩa
của định nghĩa tồn tại "vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng
nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân
rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh (breeder
reactor), khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium có thể
được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là
thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này.
2. Lý do chọn đề tài

Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và
phát triển của xã hội, đồng thời cũng là yếu tố duy trì sự sống trên trái đất.
3


Trong tương lai nếu chúng ta không sử dụng hợp lý nguồn năng lượng có
sẵn trong tự nhiên chúng sẽ bị cạn kiệt vì thế chúng ta cần tìm hiểu nguồn
năng lượng tái tạo và sử dụng chúng một cách có hiệu quả để bảo vệ các
nguồn năng lượng của Trái Đất.
Các nguồn năng lượng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý,
ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia.
Việc đưa vào sử dụng năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa
quan trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi
ích về kinh tế. Các cuộc khảo sát ý kiến công cộng trên toàn cầu đưa ra sự
ủng hộ rất mạnh việc phát triển và sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo
như năng lượng mặt trời và gió.
Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ
sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, như năng lượng mặt trời, thủy điện,
gió, địa nhiệt, đại dương và sinh học. Đây là một nguồn năng lượng sạch,

không gây ô nhiễm không khí, và không “đóng góp” vào sự nóng lên của
khí hậu toàn cầu cũng như hiệu ứng nhà kính.
Với thực tế nhu cầu năng lượng ngày càng tăng mà nguồn năng
lượng truyền thống ngày một cạn kiệt, và chẳng bao giờ nguồn năng lượng
tái tạo có thể thay thế được nhiên liệu hóa thạch, tuy nhiên vấn đề là chúng
ta đang phải đối mặt với nhiều nguy cơ và đòi hỏi cần một hướng đi mới
nhằm bổ sung nguồn năng lượng mới.
Xuất phát từ những vấn đề trên nên tôi quyết định chọn đề tài “Sự
cần thiết của nguồn năng lượng tái tạo” để phần nào khái quát tầm quan
trọng đối với cuộc sống chúng ta.
3. Mục tiêu nghiên cứu
-

Tìm hiểu về các loại năng lượng tái tạo.

-

Đưa ra các phương pháp khai thác năng lượng tái tạo.

-

Thực trạng việc sử dụng năng lượng tái tạo của Việt Nam và trên Thế Giới.

4. Phạm vi nghiên cứu

Nguồn năng lượng tái tạo đã được quan tâm và sử dụng trong thời
gian gần đây nên nghiên cứu này sẽ nghiên cứu về các nguồn năng lượng
tái tạo đã được khai thác và sử dụng.
5. Vấn đề nghiên cứu
4

Nếu sử dụng tiết kiệm và có hiệu quả thì những tài nguyên tư than,
dầu, khí đốt cũng chỉ có khả năng cung cấp cho con người trong vài trăm
năm nữa. Ở một số nước phát triển, tài nguyên nước cũng đã được đưa vào
sử dụng, nhưng điều đó vẫn là chưa đủ để cung cấp cho nhu cầu sử dụng
năng lượng của toàn thế giới. Với sự bùng nổ dân số, nạn ô nhiễm môi
trường thì việc phải tìm ra nguồn năng lượng mới để thay thế càng trở nên
cấp thiết. Vậy chúng ta những con người sống ở thế kỷ 21 này cần phải làm
gì để tìm ra một nguồn năng lượng mới có thể sử dụng lâu dài để đảm bảo
cho cuộc sống của hậu duệ chúng ta sau này.
6. Phương pháp nghiên cứu
-

Sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp tài liệu

-

Sử dụng phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết

NỘI DUNG
PHẦN 1: NĂNG LƯỢNG GIÓ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1 Khái niệm

Nguồn Năng lượng gió là sự biến đổi năng lượng của gió thành
một loại năng lượng hữu dụng như là điện năng sử dụng tuốc bin gió,
nguồn năng lượng được sản xuất từ tuốc bin gió là nguồn năng lượng xanh,
sạch không gây ô nhiễm môi trường không gây hiệu ứng nhà kính.
1.2 Nguồn tài nguyên gió

1.2.1

Sự hình thành năng lượng gió

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm
cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề
mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của
Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều
hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau
về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa
mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất
5


xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của
Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi
quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay
quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp
không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy
khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên
Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều
kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên
Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
1.2.2

Bản chất của gió

Năng lượng có sẵn trong gió khác nhau tùy thuộc vào lập phương
của tốc độ gió, do đó sự hiểu biết về đặc tính của tài nguyên gió là rất quan

trọng cho tất cả các khía cạnh của khai thác năng lượng gió, từ việc xác
định những địa điểm phù hợp và dự đoán khả năng kinh tế của các dự án
trang trại năng lượng gió cho tới việc thiết kế các tuốc bin gió và sự hiểu
biết về hiệu quả của năng lượng gió trên các mạng phân phối điện.
Từ đặc điểm của năng lượng gió đặc tính nổi bật nhất của nguồn tài
nguyên gió là sự biến thiên của nó. Gió có sự biến động về mặt địa lý và
tính chất tạm thời của nó. Hơn nữa sự biến đổi này có quy mô ảnh hưng
trên phạm vi rộng cả về không gian và thời gian. Tầm quan trọng của điều
này là mối quan hệ lập phương của tốc độ gió với hệ năng lượng có sẵn.
Trên một quy mô rộng lớn hơn, không gian biến thiên mô tả một
thực tế rằng có rất nhiều sự khác nhau về khí hậu ở các vùng khác nhau
trên thế giới, một số nơi có gió lớn hơn hoặc có nhiều bão hơn so với khu
vực khác trên thế giới. Sự hiểu biết về vấn đề này giúp cho vấn đề điều
khiển và thiết kế các tuốc bin gió phù hợp với điều kiện thời tiết từng khu
vực.Trên thực tế một trong những vùng khí hậu biến thiên trên một quy mô
nhỏ hơn phần lớn được quyết định bởi địa lý tự nhiên ví dụ như tỷ trọng
của đất và biển, kích thước của đất, và sự hiện diện của các ngọn núi hoặc
vùng đồng bằng.
1.3 Năng lượng gió ở Việt Nam và triển vọng phát triển
1.3.1

Tình hình cung cầu điện năng ở Việt Nam

6


Tốc độ tăng trưởng trung bình sản lượng điện ở Việt Nam trong 20
năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13% năm- tức là gần gấp đôi
tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế. Chiến lược công nghiệp hoá và
duy trì tốc độ tăng trưởng cao để thực hiện, dân giàu, nước mạnh và tránh

nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng trách và
thách thức to lớn trong những thập niên tới. Để hoàn thành được những
trọng trách này, ngành điện phải có khả năng dự báo nhu cầu về điện năng
của nền kinh tế trên cơ sở đó hoạch định và phát triển năng lực cung ứng
của mình.
1.3.2

Tiềm năng điện gió của Việt Nam

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam
có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng lượng gió. So sánh tốc độ
gió trung bình trong vùng biển đông Việt Nam và các vùng biển lân cận
cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa.
Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng
gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải. Hơn nữa, việc phát triển năng lượng
gió cần một lực lượng lao động là các kỹ sư kỹ thuật vận hành và giám sát
lớn hơn các loại hình khác, vì việc giúp tạo thêm nhiều việc làm với kỹ
năng cao.
1.4 Tốc độ gió và công suất
Công thức tính toán công suất từ cánh tuốc bin:
P= 1/2qAV3Cp

[W]

(1.1)

Cp là phân số của dòng ngược trong năng lượng gió và giá trị Cp
phụ thuộc vào hệ số của tốc độ hướng gió thuận và tốc độ hướng gió nghịch
và đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa hệ số V 1/V và Cp . Hệ số Cp được gọi
là hệ số công suất của rotor hay còn được gọi là hiệu suất của rotor.

Công suất Max sẽ là:
P= 1/22qAV30.59 [W]

(1.2)

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ
2.1

Xác suất phân bố và mật độ năng lượng gió
7


2.1.1 Xác suất phân bố Rayleigh
Đây là phương pháp phân bố xác xuất tốc độ gió đơn giản nhất để
trình bày các nguồn tài nguyên gió, gọi là tốc độ gió trung bình thì hàm
phân bố tốc độ gió theo phương pháp Rayleigh sẽ được tính theo công thức
sau:
P(v) = (exp[-]
F(v) = 1- exp[-]

(2.1)
(2.2)

2.1.2 Mật độ năng lượng gió
Mật độ năng lượng gió là một cách hữu ích để đánh giá các nguồn
tài nguyên gió có sẵn tại một địa điểm tiềm năng. Mật độ năng lượng gió
đo bằng Watt cho mỗi mét vuông, nó chỉ ra bao nhiêu năng lượng có sẵn tại
địa điểm có thể chuyển đổi bằng một tuốc bin gió.
2.2 Sự ảnh hưởng của chiều cao đặt rotor đến tốc độ gió
Hub Height của tuốc bin gió là chiều cao được tính từ vị trí đặt rotor

so với mặt đất. Hub height thường nằm trong khoảng 25m đến 100m so với
mặt đất, (25m đối với các tuốc bin nhỏ, 50 kW hoặc nhỏ hơn. 100m đối với
các tuốc bin có công suất lớn nhiều megawatt.
3.3 Cấu trúc của hệ thống năng lượng gió
3.3.1 Tháp đỡ
Tháp đỡ của hệ thống năng lượng gió có chức năng đỡ rotor, vỏ của
tuốc bin, hộp số cơ khí, máy phát điện, bộ điều chỉnh hướng và bộ điều
khiển giảm tốc.
Vật liệu dùng để làm tháp đỡ là thép và bê tông cả hai vật liệu trên
được sử dụng rộng rãi để thiết kế các tháp đỡ chiều cao tối thiểu của tháp
đỡ là 20m đến 30m đễ tránh dòng chảy rối do các tòa nhà và cây cối gây ra.
3.3.2 Tuốc bin
Ngày nay các tuốc bin gió ngày càng được sản xuất với kích cỡ ngày
càng lớn hơn, kích cỡ trung bình của các tuốc bin trên toàn thế giới vào
năm 2002 trên 1 MW đến cuối năm 2003 có khoảng 1,200 tuốc bin có kích
cở 1.5 MW được lắp đặt và hoạt động. Những tuốc bin có kích cỡ 3 MW
8


đến 5 MW đang được nghiên cứu lắp đặt ở Mỹ và một số nơi ở Châu âu.
Với tình hình ngày càng phát triển của năng lượng gió thị trường sản xuất
tuốc bin gió ngày càng sôi động.
3.3.3 Cánh đón lấy gió
Cánh đón lấy gió của tuốc bin gió được làm từ gỗ với mật độ cao
hoặc là sợi thủy tinh và nhựa tổng hợp. Với những tuốc bin gió hiện đại
thường có hai hoặc ba cánh. Áp lực cơ học lên trên cánh do gió thổi phải
được giữ dưới giới hạn cho phép và nó được điều khiển bởi bộ điều khiển
tốc độ rotor, tốc độ giới hạn được cài đặt trong bộ điều khiển tốc độ rotor
sao cho phù hợp với loại máy phát của tuốc bin gió. Nếu như không bảo vệ
cánh và để rotor cánh đón gió quay vượt mức cho phép và máy phát sẽ bị

quá tải và nóng lên, gây cháy nổ.

PHẦN 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 Các khái niệm
Năng lượng mặt trời là năng lượng của các dòng bức xạ điện từ xuất
phát từ mặt trời cộng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên tử
khác phóng ra từ mặt trời.
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là
thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của mặt trời
có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu
ứng quang điện.
Tấm năng lượng mặt trời là thiết bị dùng để thu nhận năng lượng từ
ánh sáng mặt trời thuật ngữ này được sử dụng để chỉ chung cho cả các tấm
năng lượng mặt trời để nung nước nóng (cung cấp nước nóng dùng trong
nhà) hay tấm quang điện (cung cấp điện).
1.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt
Nam
Vị trí địa lý ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô
cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến
8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời
9


tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh,
tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc
Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…
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 năng lượng bức
2

xạ mặt trời là 4-5kWh/m mỗi ngày. Tiềm năng điện mặt trời là tốt nhất ở
các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam và vùng Tây Bắc. Vùng
Đông Bắc trong đó có Đồng bằng sông Hồng có tiềm năng kém nhất. Do
giá thành còn cao (60cent hay 8000 đồng cho 1kWh) nên điện mặt trời
chưa được phát triển rộng rãi. Hiện mới chỉ có 5 hệ thống điện mặt trời lớn,
trong đó có hệ thống ở Gia Lai, với tổng công suất 100 kWp (công suất cực
đại khi có độ nắng cực đại). Chính phủ cũng đang đầu tư để xây dựng 100
hệ thống điện mặt trời gia đình và 200 hệ thống điện mặt trời cộng đồng
đông dân ở các vùng đảo Đông Bắc với tổng công suất là 25kWp. 400 hệ
thống pin mặt trời gia đình nữa do Mỹ tài trợ đang được xây dựng cho các
cộng đồng ở Tiền Giang và Trà Vinh với tổng công suất 14kWp.

CHƯƠNG 2: PIN MẶT TRỜI
2.1 Cấu tạo
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt
trời từ tinh thể silic chia làm 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất
đắt tiền do được cắt các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt
trống ở góc nối module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm
rắn . Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy
nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể
bù lại cho hiệu suất thấp.
- Dải silic tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể.
Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì
không cần phải cắt từ silicon.
Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả năng biến đỏi trực tiếp năng
lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quan điện bên trong

gọi là pin mặt trời. Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện
10


nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si)
có hóa trị 4. Từ tinh thể silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si
loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5.
Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định
hình (a-Si). So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ
hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định hơn.Ngoài Si, hiện nay
người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều
triển vọn như Sunfit cadmi-đồng (CuCds), galium-arsenit (GaAs),….

2.2 Các công nghệ chế tạo Pin năng lượng Mặt Trời
2.2.1 Silic tinh thể (Crytalline silicon solar cell)
Công nghệ sản xuất pin mặt trời bằng vật liệu silic tinh thể phụ thuộc
vào ba yếu tố chính. Ba yếu tố chính trong một tế bào năng lượng mặt trời
hình thành cơ sở của công nghệ sản xuất này là, đầu tiên là các chất bán
dẫn, mà hấp thụ ánh sáng và chuyển nó thành các cặp điện tử lỗ. Thứ hai là
đầu mối bán dẫn, trong đó tách biệt màng hình ảnh được tạo ra (electron và
lỗ trống), và thứ ba là các số liên lạc ở mặt trước và mặt sau của tế bào cho
phép các dòng chảy để các mạch bên ngoài. Hai loại chính của công nghệ
được xác định bởi sự lựa chọn của chất bán dẫn: hoặc silicon tinh thể ở
dạng mảnh bán dẫn hoặc màng mỏng của vật liệu khác.
2.2.2 Pin màng mỏng (Thin-Film CIGS and CdTe Photovoltaic
Technologies)
Pin màng mỏng vô định hình thường được gọi tắt là pin màng mỏng
hoặc pin vô định hình. Vật liệu cốt lỏi để chế tạo pin màng mỏng là silic vô
định hình. Công nghệ này thay vì sử dụng các tấm tinh thể rắn silicon mỏng
sử dụng khí silane (SiH4) mà là một hợp chất hóa học có chi phí sản xuất

thấp hơn so với silicon tinh thể.
Pin năng lượng mặt trời được sản xuất từ vật liệu màng mỏng có hiệu
suất khoàng 4%. Nếu so sánh với hiệu suất 15-20% của pin mặt trời sử
dụng vật liệu silic tinh thể thì rõ ràng hiệu suất của vật liệu màng mỏng có
hiệu suất thấp hơn. Nhưng với vật liệu pin màng mỏng không cần ánh sáng
mặt trời chiếu trực tiếp vẫn có thể chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện
năng bằng vật liệu này sẽ kéo dài hơn so với vật liện đơn tinh thể.

11


2.2.3 Nguyên lý hoạt động
Cấu tạo vật lý của tế bào quang điện (pin mặt trời) tương tự như các
đi ốt cổ điển với một lớp tiếp xúc pn. Khi lớp tiếp xúc hấp thụ bức xạ mặt
trời thì năng lượng của các photon bức xạ được truyền đến các hạt electron
các electron này thông thường nằm ở lớp ngoài cùng nên chúng kết dính
với nguyên tử lân cận và không thể di chuyên đi xa. Khi các electron được
kích thích trở thành dẫn điện, các electron này di chuyển tự do trong bán
dẫn điều này dẫn đến nguyên tử sẽ thiếu đi một electron và sinh ra lỗ trống.
Lỗ trống này sẽ tạo điều kiện cho các electron nguyên tử bên cạnh di
chuyển đến điền vào lỗ trống, điều này sẽ tạo ra một lỗ trống mới cho
nguyên tử lân cận. Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống sẽ di chuyển xuyên suốt
mạch bán dẫn và sinh ra điện. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện
bên trong.

2.4 Đặc điểm của pin mặt trời
2.4.1 Mạch tương đương
Cấu trúc vật lý phức tạp của tế bào quang điện được đại diện bởi một
mạch điện tương đương như hình 2.4.

Hình 2.4 Mạch tương đương của tế bào quang điện
2.4.2 Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch
Hai thông số quan trọng nhất được sử dụng rộng rãi để mô tả hiệu
suất của tế bào quang điện là điện áp hở mạch V OC và dòng ngắn mạch ISC.
Các dòng ngắn mạch được đo bằng cách làm ngắn mạch các thiết bị đầu
cuối và được đo bằng các thiết bị đo lường hiện nay.

12


Hình 2.5 Đặc điểm dòng và áp của tế bào quang điện

CHƯƠNG 3: BỨC XẠ MẶT TRỜI
3.1 Năng lượng Mặt Trời
Mặt trời hoạt động như một nguồn phát rất hoàn hảo của các tia bức
xạ tại nhiệt độ 5800 K. Kết quả năng lượng trung bình của tia tới trên một
đơn vị vuông góc với bầu khí quyển được biết như là hằng số mặt trời. Gọi
S là hằng số mặt trời:
S= 1367 W/m

2

(3.1)

Một cách tổng quát, tổng công suất từ nguồn bức xạ chiếu lên một
đơn vị diện tích gọi là độ rọi bức xạ.
3.2 Một số khái niệm
Một khái niệm đặc trưng cho ảnh hưởng một bầu không khí lên mặt
trời là hệ số khối không khí là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương
thẳng đứng (tức là lúc mặt trời ở thiên đỉnh như vậy m=1 khi ở thiên đỉnh

và bằng 2 khi góc thiên đỉnh
có thể xác định gần đúng m=
góc thiên đỉnh
tính toán.

0

0

0

= 60 đối với góc thiên đỉnh từ 0 đến 70
, trong đó là góc thiên đỉnh. Còn đối với

0

> 60 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI
4.1 Lựa chọn sơ đồ cho hệ thống điện mặt trời
Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ
chọn một sơ đồ khối thích hợp. Hình 4.1 là sơ đồ khối thừơng dùng cho hệ
thống điện mặt trời.
13


Các khối đua vào trong hệ thống đều có tổn hao năng lượng vì vậy
cần lựa chọn sơ đồ khối sao cho các phần tử là ít nhất.

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời
4.2 Tính toán hệ nguồn điện Pin mặt trời
4.2.1 Tính phụ tải theo yêu cầu
Đối với tính toán cung cấp điện sử dung năng lượng mặt trời phục
vụ cho sinh hoạt gia đình thì trước tiên cần phải tính toán tổng điện năng
tiêu thụ hay còn gọi là phụ tải. Để tính toán điện năng tiêu thụ W/h trên
ngày cho một hệ thống năng lượng mặt trời thì người thiết kế cần liệt kê tất
cả các thiết bị dùng điện trong mỗi thiết bị dùng điện cần phải tìm công
suất và số giờ họat động của nó mỗi ngày. Phụ tải có thể tính theo hàng
ngày và sau đó có thể tính theo tháng hoặc năm.
4.2.2 Tính toán năng lượng mặt trời cần thiết
Công suất của dàn pin mặt trời tính theo điều kiện chuẩn cần thiết để
cung cấp cho hệ thống được tính bằng công thức:
Ppeak =

(4.1)

Trong đó:
Ppeak: Công suất của dàn pin mặt trời [W/peak]
2

G: bức xạ mặt trời trung bình tại địa phương[Wh/m ]

CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG LAI
5.1 Khái niệm
Hệ thống lai năng lượng tái tạo là một hệ thống trong đó có từ hai
nguồn năng lượng tái tạo khác nhau trở lên như là năng lượng gió, năng
lượng mặt trời, năng lượng sinh khối…được tích hợp lại để cung cấp điện,
14

nhiệt hoặc cả hai.
Những ưu điểm của một hệ thống lai:
• Bảo vệ môi trường đặc biệt là giảm khí thải co2
• Đa dạng và ổn định nguồn cung cấp
• Dễ dàng trong lắp đặt
• Nhiên liệu dồi dào , xem như là vô tận
• Chi phí có thể dự đoán được do không chịu ảnh hưởng của biến động giá
nhiên liệu.
5.2 Các hệ thống lai thông dụng

5.2.1

Hệ thống lai năng lượng gió-mặt trời-ắc quy
Hệ thống lai năng lượng gió-mặt trời-ắc quy (hình 5.1) là sự kết hợp
giữa năng lượng gió năng lượng mặt trời để tạo thành một hệ thống cung
cấp điện có khả năng lưu trữ tăng thời gian tự chủ về năng lượng, sử dụng
tối ưu các nguồn năng lượng sẵn có và điều này có thể đảm bảo việc cung
cấp có độ tin cậy cao. Để đối phó với điều kiện thời tiết khác nhau và hệ
thống cung cấp điện cho phụ tải trong các điều kiện thời tiết xấu nhất hệ
thống này đòi hỏi ắc quy có dung lượng lưu trữ lớn để cung cấp điện trong
giai đoạn thời tiết nhiều mây hay gió trong nhiều ngày, do đó chi phí đầu tư
ban đầu cho một hệ thống lai tương đối cao điều này làm giảm tỷ lệ sử
dụng năng lượng tái tạo.

Hình 5.1 Hệ thống lai năng lượng gió-mặt trời-ắc quy

5.2.2

Hệ thống lai năng lượng mặt trời – tế bào nhiên liệu (PV-fuel cell

hybrid system)
15


Tế bào nhiên liệu là sự biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu thí
dụ như là hiđrô trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc
ắcquy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích
điện. Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hiđrô) và chất ôxy
hóa (ôxy) được đưa từ ngoài vào.
Hệ thống lai năng lượng mặt trời – tế bào nhiên liệu là sự kết hợp giữa
năng lượng mặt trời và tế bào nhiên liêu. Khi có bức xạ mặt trời thì hệ
thống năng lượng mặt trời sinh ra điện nhờ hiệu ứng quang điện, dòng điện
do pin mặt trời sinh ra sẽ điện phân nước sinh ra khí hiđrô. Khí hi đrô sẽ
được đưa vào tế bào nhiên liệu để tạo dòng điện khi cần thiết.

Hình 5.2 Hệ thống lai năng lượng mặt trời – tế bào nhiên liệu
Ưu điểm của hệ thống là không sử dụng ắc qui, năng lượng được
chuyển đổi từ pin mặt trời có thể được sử dụng trực tiếp thông qua bộ
inverter (đối với tải AC). Khi yêu cầu của tải không cần nữa nguồn năng
lường thừa này sẽ dùng để điện phân hi đrô lưu trữ dùng khi cần thiết thông
qua tế bào nhiên liệu.

PHẦN 3: CÁC HỆ THỐNG TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG KHÁC
CHƯƠNG 1 : NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI
1.1 Sinh khối và năng lượng sinh khối
Sinh khối (Biomass) bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát
triển trên cạn cũng như dưới nước, các phế thải hữu cơ (như rơm rạ, vỏ
trấu, bã mía, vỏ cà phê), các loại phế thải động vật (như phân người, gia
súc, gia cầm). Sinh khối là nguồn năng lượng của loài người.và hiện nay
các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt là các nguồn

năng lượng chính nhưng sinh khối vẫn còn được sử dụng với một khối
16


lượng và tỷ lệ khá lớn, nhất là ở các nước đang phát triển.
Phần lớn các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam ta, được
thiên nhiên ban tặng cho nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời dồi dào. Ở
các nước này mật độ năng lượng năng lượng mặt trời khá dồi dào, nằm
2

trong khoảng từ 4 đến 7 kWh/m .ngày là điều kiện thuận lợi cho thực vật
phát triển.
1.2 Các công nghệ biến đồi sinh khối
Có hai công nghệ để làm biến đổi sinh khối ra các dạng năng lượng.
Đó là công nghệ nhiệt hóa và công nghệ sinh hóa. Công nghệ sinh hóa sử
dụng các phản ứng lên men sinh khối như lên men rươu lên men ky. Khí
nhờ các chủng loại vi sinh để biến đổi sinh khối ở áp suất và nhiệt độ thấp
thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc lỏng (ethanol methanol).
Ngược lại công nghệ nhiệt hóa sử dụng các quá trình nhiệt độ cao để biến
đổi sinh khối nhờ các quá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí hóa, chất lỏng.

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
2.1 Nguồn năng lượng địa nhiệt
Địa nhiệt là nuồn năng lượng nhiệt tự nhiên ở trong lòng Quả Đất.
0

Dưới lớp vỏ không dày lắm của Quả Đất, nhiệt độ lên đến từ 1000 C đến
0

hơn 4000 C. Ở một số khu vực áp suất dưới lớp vỏ này cũng rất lớn, vượt

quá 130MPa.
Người ta xác định rằng, năng lượng địa nhiệt được tạo ra do các quá
trình phản ứng phóng xạ hạt nhân của các nguyên tố phóng xạ nặng có
trong lòng Quả Đất như thori (Th), protactini (Pa), urani (U),v.v… Năng
lượng do các phản ứng phóng xạ được tích tụ trong lòng Quả Đất hàng
triệu năm với một lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi Quả Đất ở nhiệt độ
0

khoảng 4000 C dưới áp suất rất cao. Người ta thấy rằng hỗn hợp nóng chảy
của niken (Ni) và sắt (Fe) trong lòng Quả Đất được bao bọc bằng một lớp
0

vỏ đá nóng chảy có nhiệt độ khoảng 1000 C. Lớp vỏ Quả Đất được hợp
thành từ 9 mảnh, hơn nữa các mảnh này có thể dịch chuyển được. Khi các
mảnh này chuyển động gây ra “sự trôi”, dẫn đến sự va chạm giữa các mảnh
ở một số khu vực nào đó của vỏ Quả Đất, làm dịch chuyển các mảnh còn
lại. Các hoạt động dịch chuyển này của vỏ Quả Đất có thể dẫn đến trường
hợp hai mảnh lục địa nhập lại với nhau tạo ra hàng loạt các phản ứng hóa
17


học, trong đó có phản ứng kết hợp nước và các chất khác dẫn đến sự tạo
thành các phản ứng hóa học, trong đó có phản ứng kết hợp nước và các chất
khác dẫn đến sự tạo thành các túi đá nóng chảy rất lớn được gọi là túi
magma. Các túi magma bị đẩ nổi lên qua lớp vỏ Quả Đất và thường dẫn
đến các hoạt động phun trào của núi lửa. Ngoài ra, đá nóng chảy cũng có
thể nổi lên qua lớp vỏ Quả Đất ở những nơi mà các mảnh vỏ chuyển động
tách rời nhau ra hoặc ở các khu vực vỏ Quả Đất mỏng. Núi lửa, các nguồn
nước nóng, các mạch nước phun trào, các lỗ phun hơi nóng từ lòng đất ra,
là các hiện tượng tự nhiên cho chúng ta thấy có các nguồn năng lượng địa

nhiệt ở gần bề mặt vỏ Quả Đất. Ở các khu vực này, nếu tính toán cho thấy
có hiệu quả kinh tế, người ta có thể khoan để khai thác năng lượng địa
nhiệt. Năng lượng địa nhiệt còn được tạo ra do ma sát khi hai mảnh vỏ Quả
Đất dịch chuyển mà một mảnh chuyển động trượt trên mảnh kia.

2.3 Các phát triển kỹ thuật
Nhiệt từ các nguồn hay mỏ địa nhiệt có thể khai thác nhờ sử dụng một
chất lỏng tự nhiên của Quả Đất để làm chất làm việc vận chuyển nhiệt.
Năng lượng nhiệt này có thể cho qua tuabin để phát điện hoặc dùng một
cách trực tiếp cho các quá trình gia nhiệt hoặc chế biến nhiệt công nghiệp.
Để khai thác các nguồn địa nhiệt người ta thường sử dụng phương pháp
khoan như khai thác dầu hay khí đốt.
Đối với các nguồn địa nhiệt nông và nhiệt độ không cao (thấp hơn
0

170 C) thường người ta khai thác nhiệt một cách trự tiếp hoặc sử dụng gián
tiếp qua bộ trao đổi nhiệt. Để sử dụng năng lượng địa nhiệt có hiệu quả
thong thường người ta sử dụng ngay tại chỗ, nơi có nguồn địa nhiệt khai
thác, vì khi dẫn nhiệt đi xa (ví dụ bằng ống dẫn) hao phí nhiệt sẽ lớn.

CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG
3.1 Năng lượng thủy triều
Thủy triều là hiện tượng nước đại dương dâng lên hạ xuống do lực
hút của Mặt Trời, Mặt Trăng và sự quay của Quả Đất. Sự chuyển động
tương đối của các hành tinh này tạo ra các chu kỳ thủy triều khác nhau như
chu kỳ nửa ngày (semi – diurual cycle), chu kỳ “con nước lớn” (spring –
reap cycle), chu kỳ nửa năm (semi – annual cycle) và các chu kỳ khác dài
hơn. Các chu kỳ này ảnh hường đến độ chênh lệch của thủy triều. Để khai
thác năng lượng thủy triều, để thiết kế và xây dựng các hệ thống năng
18

lượng thủy triều, cần phải hiểu biết đầy đủ các quy luật vận động của thủy
triều. Biên độ của các chu kỳ thủy triều tăng lên một cách rất đáng kể ở
một số vùng biện có địa hình đặc biệt như ở các cửa sông, ở các vịnh dạng
hình phễu, ở các khu vực có các đảo hay các doi đất chia mặt biển thành
từng ngăn tạo ra sự phản xạ và cộng hưởng sóng biển. Ở Severn Estury
(nước Anh) do có sự kết hợp của một số điều kiện địa lý đặc biệt nói trên
nên ở đây có thủy triều cao nhất trên thế giới.
Các hệ thống năng lượng thủy triều có hồ chứa có thể được thiết kế
để hoạt động theo một trong ba phương thức sau:
- Phát điện khi triều xuống;
- Phát điện khi triều lên;
- Phát điện cả hai chiều (lúc triều lên và xuống).
3.2 Năng lượng nhiệt đại dương

Năng lượng Mặt Trời được các đại dương hấp thụ và tích trữ như là
nguồn nhiệt trong các lớp nước bề mặt. Mặt khác, ở các độ sâu hơn 1000m
nước lạnh chuyển động một cách rất chậm từ các địa cực đến xích đạo. Do
đó độ chênh lệch nhiệt độ (hay còn gọi là gradient nhiệt độ) theo chiều
0

vuông góc với mặt biển đạt được khoảng 25 C và khá ổn định trong thời
gian cả năm ở nhiều vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Theo các định luật cơ
bản của nhiệt động học, gradient nhiệt độ có thể khai thác như một nguồn
nhiệt. Nước nóng ở bề mặt và nước lạnh ở dưới tầng sâu của đại dương,
nếu đem lại gần nhau có thể sử dụng như là các nguồn nóng và nguồn lạnh
trong một máy nhiệt. Một máy nhiệt hoạt động với hai nguồn nhiệt như thế
cũng giống như các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng đối với
các máy nhiệt đại dương thì không cần dùng một nhiên liệu nào cả.

13

Tiềm năng năng lượng đại dương ước tính khoảng 10 W (10 TW).
Tất nhiên không thể khai thác được hết toàn bộ nguồn năng lượng này.
Nguồn năng lượng có thể khai thác thực tế nhỏ hơn tiềm năng nói trên. Các
chuyên gia năng lượng đã tính toán một cách chính xác và đưa ra con số
11

tiềm năng thực tế là 10 W (0,1 TW).
3.3 Năng lượng sóng biển
Gió thổi trên bề mặt đại dương bao la truyền một phần năng lượng
của nó cho đại dương tạo ra các sóng biển. Các sóng biển cũng là một
nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển
19


biến đổi từ nơi này sang nơi khác phụ thuộc vào vị trí địa lý. Thậm chí
ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian
từng giờ, từng ngày, từng mùa.
Tùy theo nguyên lý hoạt động, các thiết bị khai thác sóng biển được
phân loại theo “mái dốc” (Ramp), cánh nổi (float flaps), bóng khí (air bell)
và bơm sóng (wave pump). Một cách phân loại khác là chia các loại thiết bị
thành các bộ “một chiều” (Rectifier), bộ dao động điện (Tuned Oscillator)
hoặc bộ dao động không điện (Untuned Oscillator).
Trên thế giới đã có nhiều công ty nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các
thiết bị khai thác năng lượng sóng biển, nhưng nói chung số lượng cũng
như công suất thiết bị còn nhỏ. Các công trình nghiên cứu phát triển trong
lĩnh vực khai thác năng lượng sóng biển vẫn đang được tiếp tục ở một số
nước trên thế giới như ở Nhật Bản.

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

Thời gian
(tuần)

Công việc thực hiện

1-2

Nguyên cứu các khái niệm
và lý thuyết

2-3

Tìm hiểu các nghiên cứu
trước đây

3-6

Xây dựng giả thuyết và đề
cương chi tiết

6-8

Phân tích tài liệu thu thập

8-10

Hoàn thành bài báo cáo

11

Chuẩn bị báo cáo

12

Dự trữ

20

Ghi chú


KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
1. Kết luận

Năng lượng tái tạo là một bước tiến trong quá trình khai thác các
nguồn tài nguyên của con người. Hiện nay với nhiều nguồn năng lượng tái
tạo đang được nghiên cứu và sử dụng thì trong một tương lai không xa
năng lượng tái tạo sẽ thay thế các nguồn năng lượng truyền thống hiện nay.
Với các ưu điểm vượt bậc mà nguồn năng lượng tái tạo mang lại so với
nguồn năng lượng truyền thống thì đây cũng là cơ hội cho chúng ta nắm bắt
để có thể phát triển kinh tế. Bên cạnh đó nó cũng giải quyết được những
vấn đề cấp thiết hiện nay như hiện tượng hiệu ứng nhà kính đe dọa sự tồn
tại của con người.
2. Khuyến nghị

- Vì một môi trường trong lành và tương lai tươi sáng thì các ngành
chức năng cần phải có những giải pháp hỗ trợ cho những doanh nghiệp
đầu tư vào ngành năng lượng tái tạo.

- Mặc khác cũng cần có sự quan tâm của các sinh viên và các nhà khoa
học để có thêm nhiều nghiên cứu nhằm nâng cao và cải tiến các công
nghệ khai thác nguồn năng lượng tái tạo.
- Đây cũng là vấn đề của toàn xã hội nên mọi người cần có cái nhìn sâu
sắc hơn về nó.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đàm quang Minh, Vũ Thành Tự Anh (2006). Năng lượng gió Việt Nam
tiềm năng và triển vọng. Chương trình giảng dạy kinh tế Fulbright, Trường
đại học khoa học tự nhiên Hà Nội.
[2] Mukund R.Patel. Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and
operation. Taylor & Francis group.
[3] Tạ Văn Đa. Tài nguyên năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam, Viện
khoa học khí tượng thủy văn và môi trường.
[4] Mukund R.Patel. Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and
21


Operation. Second edition.
[5] Hoàng Dương Hùng (2008). Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng
dụng. Đại học bách khoa Đà Nẵng.

22


23


24

25