nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà máy điện năng lượng mặt trời tại tỉnh ninh thuận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HOÀI BÃO

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH NINH THUẬN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250

S KC 0 0 4 0 8 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HOÀI BÃO

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH NINH THUẬN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HOÀI BÃO

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NHÀ MÁY ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TỈNH NINH THUẬN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ CHÍ KIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013


Lời cam đoan
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hoài Bão

i

Lời cảm ơn
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành đề
tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, học viên đã nhận được
rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè.
Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy TS. Lê
Chí Kiên, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện hoàn thành luận
văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt
xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi
và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian
làm luận văn này.
Học viên xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã
giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để
hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !

ii


Tóm tắt luận văn
Ngày nay nhu cầu năng lượng trên thế giới cũng như ở Việt Nam không ngừng tăng
cao. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch lại ngày càng cạn kiệt. Do đó chúng
ta cần có một chính sách phát triển năng lượng bền vững, sử dụng các nguồn năng
lượng sạch như mặt trời, sinh khối, thủy triều..vv. Ninh Thuận là một trong những
tỉnh thành có điều kiện thuận lợi nhất để phát triển năng lượng mặt trời với số ngày
nắng trung bình trong năm, nhiệt độ trung bình trong năm cũng như cường độ bức
xạ mặt trời là cao nhất cả nước. Công nghệ điện mặt trời bao gồm hai lĩnh vực là
quang điện và nhiệt điện. Luận văn này trình bày phương pháp tính toán, đo đạc
cường độ bức xạ mặt trời chiếu tới mặt đất và bộ thu. Khái quát các công nghệ xây

dựng nhà máy nhiệt điện mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận, trong đó tính toán các thông
số của hệ thống ứng với mỗi công nghệ khác nhau. Các công nghệ được đề xuất
bao gồm dùng hệ thống gương parapol trụ để tập trung, phản xạ năng lượng mặt
trời, dùng dầu tổng hợp làm dung môi truyền nhiệt, hỗn hợp muối NaNO3, KNO3
làm chất trữ nhiệt vào ban đêm, công nghệ dùng hỗn hợp muối nóng chảy làm dung
môi truyền nhiệt và cuối cùng dùng hệ thống gương phẳng để tập trung, phản xạ
năng lượng mặt trời. So sánh các công nghệ này và lựa chọn công nghệ phù hợp
nhất.

iii


Abstract

Today, energy demand of the world and Viet Nam continuous rise. Meanwhile, the
fossil energy sources increasingly exhausted. Therefore we need to have a policy of
sustainable energy development, use of clean energy sources such as solar, biomass,
tidal.. and so on. Ninh Thuan is one of the provinces with the most favorable
conditions for the development of solar energy with the average number of sunny
days per year, the average temperature per year and intensity of solar radiation is
highest in country. Solar Power Technology includes two fields are photovoltaic
and thermoelectric. This project presents calculation methods, measurement of solar
radiation intensity projection to ground and the collector. Generalize technologies to
build solar thermal power plants in Ninh Thuan province, calculate of system
parameters for each different technology. The proposed technology includes use
parapol cylindrical mirror system to concentrate, reflect solar energy, synthetic oil
as a solvent heat transfer, salt mixture NaNO3, KNO3 are used to storage heat at
night, technology using molten salt mixture as solvent heat transfer and final using
flat mirror system to focus, reflect solar energy. Compare technologies and select
the most appropriate technology.

iv


Mục lục
Tựa
Quyết định giao đề tài luận văn tốt nghiệp
Lý lịch khoa học
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii
Tóm tắt luận văn ........................................................................................................ iii
Abstract ..................................................................................................................... iv
Mục lục .......................................................................................................................v
Danh sách các hình.................................................................................................. viii
Danh sách các bảng ................................................................................................... ix
Chương I: Tổng quan ...............................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ..........................................................................................................1
1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ........................................................2
1.3. Nhu cầu năng lượng thế giới ............................................................................2
1.4. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. ..................................................4
1.4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới ...........................................4
1.4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam. .........................................5
1.5. Mục tiêu và giới hạn của đề tài .........................................................................6
1.6. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................6
1.7. Nội dung luận văn .............................................................................................6
Chương II: Cơ sở lý thuyết ......................................................................................8
2.1. Mặt trời, cấu tạo của mặt trời............................................................................8
2.2. Các phản ứng hạt nhân trong mặt trời ............................................................10
2.2.1. Phản ứng tổng hợp hạt nhân Hêli .............................................................10

2.2.2. Phản ứng tổng hợp Cácbon và các nguyên tố khác ..................................11
2.3. Bản chất của bức xạ mặt trời. .........................................................................12
2.3.1. Bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất - ảnh hưởng của lớp khí quyển .........13

v


2.3.2. Bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất - ảnh hưởng của chuyển động quả đất
– mặt trời. ...........................................................................................................13
2.4. Các thành phần bức xạ mặt trời tới bộ thu......................................................14
2.5. Công nghệ điện mặt trời .................................................................................14
2.5.1. Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp ....................................................14
2.5.2. Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ cao .....................................................15
2.6. Tuabin hơi nước ..............................................................................................16
2.6.1. Sơ lược về tuabin hơi ...............................................................................16
2.6.2. Nguyên lý làm việc của tuabin hơi ...........................................................17
2.7. Chu trình Rankine ...........................................................................................18
Chương III: Bức xạ mặt trời và bộ thu bức xạ mặt trời ....................................20
3.1. Năng lượng bức xạ mặt trời ............................................................................20
3.2. Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất ................................24
3.3. Bức xạ mặt trời truyền qua kính .....................................................................26
3.4. Đo cường độ bức xạ mặt trời. .........................................................................27
3.5. Các loại gương phản xạ năng lượng mặt trời .................................................27
Chương IV: Khảo sát, đánh giá lựa chọn công nghệ nhà máy điện mặt trời ...32
4.1. Đánh giá chung về thuận lợi tại tỉnh Ninh Thuận trong việc lắp đặt nhà máy
điện mặt trời ...........................................................................................................32
4.1.1. Giải thích một số thuật ngữ, nội dung và phương pháp tính một số chỉ
tiêu thống kê khí hậu. .........................................................................................32
4.1.2. Điều kiện thuận lợi phát triển năng lượng mặt trời tại Ninh Thuận.........33
4.2. Lựa chọn vị trí lắp đặt, công suất nhà máy .....................................................35

4.2.1. Lựa chọn vị trí lắp đặt...............................................................................35
4.2.2. Lựa chọn công suất nhà máy ....................................................................35
4.2.3.Tính toán lượng hơi cần thiết để cung cấp cho tuabin ..............................36
4.3. Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời dùng gương parapol trụ,
dầu tổng hợp làm dung môi truyền nhiệt ...............................................................38
4.3.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy ...........................................................38

vi


4.3.2. Năng lượng hóa hơi một lít nước .............................................................39
4.3.3. Thông số, thành phần của bộ thu..............................................................40
4.3.4. Hệ thống dự trữ nhiệt vào ban đêm ..........................................................42
4.4. Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời dùng gương parapol trụ
làm bộ thu, hỗn hợp muối nóng chảy làm dung môi truyền nhiệt. ........................44
4.5. Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời dùng gương phẳng .......47
4.5.1. Nguyên lý hoạt động ................................................................................47
4.5.2. Năng lượng mặt trời do bộ thu hấp thụ ....................................................47
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài ...........................................50
5.1. Kết luận ...........................................................................................................50
5.1.1. Các kết quả đạt được trong đề tài. ............................................................50
5.1.2. Các hạn chế trong đề tài ...........................................................................50
5.2. Hướng phát triển của đề tài.............................................................................50
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................51
Phụ lục .....................................................................................................................52

vii


Danh sách các hình

Hình 1.1: Tỉ lệ nguồn năng lượng trên thế giới năm 2006 (nguồn IEA, 2008) ..........3
Hình 1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới từ 1980 và dự báo đến năm2030 ...................4
Hình 2.1. Bề ngoài của mặt trời ..................................................................................8
Hình 2.2. Cấu trúc của mặt trời ...................................................................................9
Hình 2.3 Ảnh hưởng chuyển động quả đất lên bức xạ mặt trời tới trái đất ..............13
Hình 2.4 Các thành phần bức xạ mặt trời tới bộ thu .................................................14
Hình 2.5 : Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính......................................15
Hình 2.6 : Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng đĩa parapol....................................16
Hình 2.7: Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử máng parapol ........................................16
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tuabin hơi ..................................................17
Hình 2.9: Chu trình Rankine .....................................................................................18
Hình 3.1 Dãi bức xạ điện từ ......................................................................................20
Hình 3.2. Góc nhìn mặt trời ......................................................................................21
Hình 3.3. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái
đất .............................................................................................................23
Hình 3.4. Phân bố E0λλ của mặt trời ........................................................................23
Hình 3.5. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khếch tán ......................................25
Hình 3.6. Hiệu ứng lồng kính ...................................................................................26
Hình 3.7 a: Máy đo bức xạ nhiệt SL 200 ..................................................................27
Hình 3.7 b: Máy đo bức xạ nhiệt G-3202-18 ............................................................27
Hình 3.8. Hệ gương và mặt thu .................................................................................29
Hình 3.9. Gương phẳng............................................................................................30
Hình 3.10. Gương parabol trụ - khai triển và tính toán ...........................................31
Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý chu trình Rankine ...........................................................36
Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy điện mặt trời sử dụng máng parapol
trụ .............................................................................................................38
Hình 4.3. Collector parapol trụ .................................................................................39
Hình 4.4. Lắp đặt các máng parapol trụ ....................................................................44
Hình 4.5 . Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy điện mặt trời sử dụng gương phẳng 47

viii


Danh sách các bảng
Bảng 1.1: Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới. .........................................5
Bảng 4.1. Thống kê số giờ nắng các tháng trong năm từ 2008 – 2012 ....................33
Bảng 4.2 Thống kê nhiệt độ không khí trung bình các tháng trong năm từ 2008 - 2012 ..... 33

ix


1. Tổng quan

Chương I

Tổng quan
1.1

Đặt vấn đề

Sự tăng trưởng mạnh về kinh tế kéo theo nhu cầu về năng lượng tăng trên toàn cầu
nói chung và Việt Nam nói riêng. Các nguồn năng lượng hiện đang khai thác như
than đá, khí, dầu ... là các nguồn năng lượng chủ yếu, các nguồn năng lượng này
đang dần cạn kiệt và đắt đỏ, xu hướng chung của toàn thế giới trong nhưng năm qua
và trong tương lai đang và sẽ tăng cường khai thác các nguồn năng lượng sạch có
tiềm năng lớn và dồi dào trong tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng địa
nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng gió, biogas ...
Năng lượng mặt trời là năng lượng được tạo ra từ ánh sáng mặt trời. Nguồn năng
lượng này có thể tái tạo được và gần như vô tận đối với con người, không gây ô
nhiễm môi trường ...

Trong khi các dạng năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt và các cuộc khủng
hoảng về năng lượng diễn ra ngày càng nặng nề, thì việc nghiên cứu nhằm khai thác
các nguồn năng lượng có thể tái tạo đã được chú ý phát triển. Các dạng năng lượng
tái tạo đang được nghiên cứu phát triển hiện nay là năng lượng mặt trời, năng lượng
sinh khối (chất đốt thực vật, khí biogas…), năng lượng gió, năng lượng nước (thuỷ
năng),vv... Về thực chất, các dạng năng lượng tái tạo đều có xuất xứ từ năng lượng
mặt trời. Đến nay, năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất thế giới có ứng dụng
hiệu quả vào đời sống là điện mặt trời với tốc độ tăng trưởng bình quân hằng năm là
60% chủ yếu ở Nhật Bản, Đức và Mỹ.
Tại Việt Nam, theo các nhà nghiên cứu trên thế giới, Việt Nam có tiềm năng rất lớn
về năng lượng mặt trời. Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày trong năm ở phía
Bắc là 3,69KWh/1m2 và phía Nam là 5,9KWh/1m2, số giờ giờ nắng trong một năm
ở miền Bắc khoảng 1.600h và ở miền Nam khoảng 2.600h. Điện lưới quốc gia ngày

1


1. Tổng quan
càng quá tải trong việc cung cấp điện kinh doanh và cho sinh hoạt bình thường.
Thiếu điện dẫn đến cắt điện luân phiên và việc tăng giá điện đã gây ảnh hưởng
không nhỏ tới cuộc sống của người dân nói riêng cũng như hoạt động sản xuất kinh
doanh nói chung. Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời dồi dào vô tận đang trở
thành vấn đề mà người dân và doanh nghiệp đã bắt đầu quan tâm.
1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Ninh Thuận có khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với đặc trưng khô nóng, gió
nhiều, bốc hơi mạnh, nhiệt độ trung bình hàng năm từ 26-270C. Tỉnh Ninh Thuận có
cường độ chiếu xạ mặt trời lớn, thời gian chiếu sáng dài và đồng đều nên có điều
kiện tiếp nhận hàng năm một lượng bức xạ mặt trời rất lớn: trên 190 kcal/cm2, trong
đó tháng ít nhất cũng 14 kcal/cm2. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng
2.600-2.800 h, tổng nhiệt độ trong năm khoảng 9.500 - 10.0000oC, phân bố tương

đối điều hòa quanh năm. Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói hơn 90% số ngày
trong năm có thể sử dụng được năng lượng mặt trời. Số tháng nắng trong năm: 9
tháng/năm (tương đương 200 ngày nắng/năm). Vì vậy, tỉnh Ninh Thuận là một
trong những tỉnh có tiềm năng năng lượng mặt trời lớn, rất thuận lợi cho việc xây
dựng nhà máy điện năng lượng mặt trời.
Nhiệm vụ chính của đề tài này là nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà máy điện năng
lượng mặt trời phù hợp nhất đặt tại tỉnh Ninh Thuận cụ thể là tại huyện Thuận Nam,
nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng cho các hộ dân đang sinh sống trên địa bàn huyện.
Trong đề tài này người nghiên cứu đã đưa ra ba công nghệ nhà máy điện mặt trời
khác nhau, sau đó tính toán, so sánh các số liệu có được để lựa chọn công nghệ phù
hợp nhất.
1.3. Nhu cầu năng lượng thế giới
Hầu hết nhu cầu năng lượng của thế giới được cung cấp bởi nhiên liệu hóa thạch là
dầu, khí đốt tự nhiên và than đá (hình 1.1). Việc cung cấp năng lượng chính trong
năm 2006 là hơn 80%, trong khi năng lượng tái tạo vẫn chiếm một tỷ lệ nhỏ. Nguồn
tài nguyên hóa thạch là hữu hạn, phân phối không đồng đều. Việc khai thác, sản

2


1. Tổng quan
xuất, chuyển đổi các dạng năng lượng sẽ phát thải chất gây ô nhiễm, tạo nên hiệu
ứng nhà kính, tác động thay đổi khí hậu toàn cầu.
Giải quyết vấn đề tính bền vững và hữu ích. Năm 1987 báo cáo Brundtland Uỷ ban
Môi trường thế giới và Phát triển, gọi là “ tương lai của chúng ta”, cảnh báo thế giới
tính cấp bách về việc cần phải phát triển kinh tế đồng thời duy trì, không làm cạn
kiệt tài nguyên thiên nhiên hoặc thiệt hại môi trường. Báo cáo cung cấp một tuyên
bố quan trọng về phát triển bền vững, xác định "phát triển đáp ứng nhu cầu của hiện
tại không ảnh hưởng đến khả năng của các thế hệ tương lai”, Để đáp ứng nhu cầu
đó, hệ thống năng lượng hiện nay không bền vững. Chúng đã góp phần phát triển xã

hội sau cuộc cách mạng công nghiệp và chịu trách nhiệm về các tiêu chuẩn sống
hiện nay. Điều đó sẽ gây ra suy giảm trong một vài thế kỷ tới, các nguồn tài nguyên
quý giá được hình thành từ vài triệu năm trước.
Nhu cầu năng lượng trên thế giới ngày càng tăng cao (hình 1.2), các nguồn tài nguyên
sẽ ngày càng cạn kiệt, do đó con người phải tìm ra các nguồn năng lượng mới, phát
triển bền vững, một trong các nguồn năng lượng đó là năng lượng mặt trời.
40.0%
35.0%

34.4%

30.0%

26.0%

25.0%
20.5%
20.0%
15.0%
10.1%
10.0%

6.2%

5.0%

2.2%

0.6%

0.0%

Dầu FO

Than đá

Khí đốt

Biomass và
rác thải

Hạt nhân

Thủy điện

nhiên liệu
khác

Hình 1.1: Tỉ lệ nguồn năng lượng trên thế giới năm 2006 (nguồn IEA, 2008)

3


1. Tổng quan

Q. Btu
800

722

700
600

510

500

613

421

400
300

563

665

283

309

Năm
1980

Năm
1985

347

366

Năm
1990

Năm
1995

200

100
0
Năm
2003

Năm
2010

Năm
2015

Năm
2020

Năm
2025

Năm
2030

Hình 1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới từ 1980 và dự báo đến năm2030
(nguồn IEA, 2008)
1.4. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới
Điện mặt trời được các nhà khoa học đề cập vào những năm đầu thập kỷ 70. Trong
quá khứ và hiện nay sử dụng năng lượng điện mặt trời cho truyền thông vệ tinh, cho
khu dân cư và tải là công nghiệp. Ở Mỹ, Nhật và một số nước Châu Âu như: Đức,
Pháp…vv đã có nhiều nghiên cứu cũng như xây dựng, đưa vào hoạt động các nhà
máy điện năng lượng mặt trời với những công nghệ khác nhau.
Công viên mặt trời Okhotnikovo, toạ lạc trên bán đảo Crimea, miền nam Ukraine, là
nhà máy điện mặt trời lớn nhất tại trung và đông Âu, sản xuất đủ điện để cung cấp
cho khoảng 20.000 hộ gia đình.
Nhà máy điện mặt trời Okhotnikovo rộng 160 héc-ta và bao gồm 560.000 tấm thu
năng lượng mặt trời. Nhà máy, với công suất 80 MWp, đã hoàn thành giai đoạn 1 và
2 hồi tháng 7/2011 và 3 và 4 hồi tháng 10. Nhà máy điện mặt trời Okhotnikovo
được xem là dự án xanh hàng đầu của Ukraine. Việc nhà máy Okhotnykovo đi vào
hoạt động sẽ giúp giảm 80.000 tấn khí thải các-bon của Ukraine mỗi năm.

4


1. Tổng quan
Để nắm rõ hơn về tình hình nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
ta có thể khảo sát các số liệu dưới đây..
Bảng 1.1: Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới.
Thông số thống kê

Công suất lắp đặt

Lắp đặt mới năm 2010, toàn thế giới

16.6 GW

Tổng lắp đặt tính đến cuối năm 2010

39.5 GW

Điện năng sản xuất từ pin mặt trời năm 2010 toàn thế giới

47000 GWh

Lượng phát điện ròng ở Đức năm 2009

617000 GWh

Sản lượng điện thương mại Việt Nam 2010

86000 GWh

(Nguồn: Denis Lenardic, pvresources.com/Solarserver)
1.4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam.
Về vấn đề này hiện nay ở Việt Nam nói chung vẫn còn khá mới mẻ. Trước đây thì
nhà nước chưa quan tâm nhưng 5 năm trở lại đây thì có chuyển biến khá mạnh
mẽ. Từ đó có chính sách hổ trợ nghiên cứu và đầu tư cho nguồn này. Cũng do thiếu
điện nên nay là cơ hội cho năng lượng tái tạo phát triển. Đầu tư cũng khá lớn như
vay tiền ngân hàng thế giới, dự án ODA Phần Lan cung cấp điện mặt trời cho
khoảng 300 xã miền núi khó khăn, các xã vùng sâu vùng xa.
Việc hợp tác với các Tổ chức Phi chính phủ trong lĩnh vực này cũng nhiều. Hiện
nay tại trung tâm Năng Lượng Mới thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội có nhiều hợp
tác trong lĩnh vực này, song song với việc quan hệ hợp tác với các tổ chức trên thì

trung tâm này còn thường xuyên nghiên cứu và đưa vào lắp đặt nhiều dự án cung
cấp điện bằng những nguồn năng lượng tái tạo tại hơn 30 tỉnh thành trên cả nước
chưa có điện lưới quốc gia như: Tỉnh Bắc Giang, Bình Định, Quảng Trị ...vv.

5


1. Tổng quan
Ứng dụng nhiệt mặt trời ở nước ta mới chủ yếu là để thiết kế, sản xuất, lắp đặt các
thiết bị đun nước nóng sinh hoạt cho hộ gia đình, khách sạn, trường học, bệnh viện,
... khoảng 1,5 triệu m2 đã được lắp đặt.
Theo thống kê của Bộ công thương, tỉ lệ năng lượng tái tạo tại nước ta tính đến năm
2007 chiếm khoảng 2.1% tổng công suất lắp đặt, trong đó năng lượng mặt trời
chiếm 0.008%.
1.5. Mục tiêu và giới hạn của đề tài
Mục tiêu của đề tài là đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận,
nghiên cứu công nghệ nhiệt điện năng lượng mặt trời phù hợp áp dụng tại tỉnh Ninh
Thuận. Trong đó mục tiêu cụ thể là xác định công nghệ, tính toán công suất lắp đặt,
xác định phương án lắp đặt nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời tại huyện Thuận
Nam tỉnh Ninh Thuận.
Giới hạn của đề tài là chỉ mới khảo sát, tính toán được công suất cho nhà máy tại
một huyện, chưa tính toán được chi phí sản xuất.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm:
-

Khảo sát, phân tích tổng hợp

-

Sử dụng các phương pháp thống kê để nghiên cứu và phân tích dữ liệu.

-

Nghiên cứu, đánh giá, so sánh các công nghệ xây dựng nhà máy điện mặt
trời, sau đó chọn lựa công nghệ phù hợp nhất đối với địa phương nghiên cứu

1.7. Nội dung luận văn
Phần còn lại của nội dung luận văn bao gồm:
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày sơ lược lý thuyết mặt trời, bức xạ mặt trời, tua bin hơi nước
Chương 3. Bức xạ mặt trời và bộ thu bức xạ mặt trời

6


1. Tổng quan
Chương này trình bày các tính chất, phương pháp xác định bức xạ năng lượng mặt
trời. Các bộ thu năng lượng mặt trời
Chương 4. Khảo sát đánh giá, lựa chọn công nghệ nhà máy điện mặt trời
Chương này trình bày những điều kiện thuận lợi ở tỉnh Ninh Thuận để xây dựng
nhà máy nhiệt điện mặt trời. Lựa chọn vị trí lắp đặt, các công nghệ nhà máy nhiệt
điện mặt trời khác nhau. Ứng với mỗi công nghệ có sự so sánh và lựa chọn công
nghệ phù hợp nhất.
Chương 5. Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Chương này trình bày các kết quả đạt được trong luận văn, các mặt hạn chế và
hướng phát triển của đề tài.

7

2. Cơ sở lý thuyết

Chương II

Cơ sở lý thuyết
2.1.

Mặt trời, cấu tạo của mặt trời

Hình 2.1. Bề ngoài của mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn 110
lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150106 km (bằng một đơn vị thiên văn
AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái
đất). Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030 kg. Nhiệt độ tại trung tâm
mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 K đến 20.106 K, trung bình khoảng
15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự
thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt
nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do
có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất
của vật chất n guội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa
học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời.

8


2. Cơ sở lý thuyết
Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy
ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng

này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160 kg/dm3, nhiệt độ ước
tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp
là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong
ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nátri (Na), stronti
(Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli
(He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày
125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000 K, dày 1000 km ở
vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt
độ thấp khoảng 4500 K và các tia lửa có nhiệt độ từ 70000 K -10000 K. Vùng
ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời.

Hình 2.2. Cấu trúc của mặt trời
Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762 K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các
nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh
thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa

9


2. Cơ sở lý thuyết
trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được
rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất. Nguyên tố phổ
biến nhất trên mặt trời làn guyên tố nhẹ nhất Hydro. Vật chất của mặt trời bao gồm
chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác. Nguồn
năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt
nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hydro có một
hạt mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy
nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có
thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác
dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2

neutrino và một lượng bức xạ γ.
4H11 →

He24 + 2 Neutrino + γ.

(2.1)

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn. Trong
quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị mất đi.
Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các
nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng
tỷ năm nữa. Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng
nhiệt hạch lên đến 9.1024 KWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã
giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất
trong một năm trên trái đất).
2.2.

Các phản ứng hạt nhân trong mặt trời

2.2.1. Phản ứng tổng hợp hạt nhân Hêli
Trong quá trình hình thành, nhiệt độ bên trong mặt trời sẽ tăng dần. Khi vùng
tâm mặt trời đạt nhiệt độ T ≥107 K, thì có đủ điều kiện để xảy ra phản ứng tổng
hợp Hêli từ Hydrô, theo phương trình :
4H1 →He4 + q.

(2.2)

10

2. Cơ sở lý thuyết
Đây là phản ứng sinh nhiệt q = ∆m.c2, trong đó c = 3.108m/s làvận tốc ánh sáng
trong chân không, ∆m = (4mH - mHe) là độ hụt khối, được biến thành năng lượng
theo phương trình Einstein. Mỗi 1kg hạt nhân H1 chuyển thành He4 thì bị hụt một
khối lượng ∆m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lượng:
q = ∆m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J

(2.3)

Lượng nhiệt sinh ra sẽ làm tăng áp suất khối khí, khiến mặt trời phát ra ánh sáng và
bức xạ, và nở ra cho đến khi cân bằng với lực hấp dẫn. Mỗi giây mặt trời tiêu hủy
hơn 420 triệu tấn hydro, giảm khối lượng ∆m = 4,2 triệu tấn và phát ra năng lượng
Q = 3,8.1026 W.
Để đơn giản ta có thể hình dung như sau:
-

Ta có 1g proton H1 tham gia phản ứng tạo ra một lượng năng lượng là
6.3.1011 J.

-

Công suất bức xạ mặt trời: 3,865.1026 J/s, gần bằng năng lượng đốt cháy hết
1,32.1016 tấn than

-

Quả đất nhận được 17,57.1016 J/s, tương đương đốt cháy 6.106 tấn than.

Giai đoạn đốt Hydro của mặt trời được khởi động cách đây 4,5 tỷ năm, và còn tiếp
tục trong khoảng 5,5 tỷ năm nữa.

2.2.2. Phản ứng tổng hợp Cácbon và các nguyên tố khác
Khi nhiên liệu H2 dùng sắp hết, phản ứng tổng hợp He sẽ yếu dần, áp lực bức xạ
bên trong không đủ mạnh để cân bằng lực nén do hấp dẫn, khiến thể tích co lại.
Khi co lại, khí He bên trong bị nén nên nhiệt độ tăng dần, cho đến khi đạt tới nhiệt
độ108K, sẽxảy ra phản ứng tổng hợp nhân Cacbon từ He :
3He4 →C12 + q

(2.4)

Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao, tốc độ lớn, nên thời gian cháy He chỉ bằng
1/30 thời gian cháy H2 khoảng 300 triệu năm. Nhiệt sinh ra trong phản ứng làm
tăng áp suất bức xạ, khiến ngôi sao nở ra hàng trăm lần so với trước. Lúc này mặt
ngoài sao nhiệt độ khoảng 4000K, có màu đỏ, nên gọi là sao đỏ khổng lồ. Vào thời
điểm là sao đỏ khổng lồ, mặt trời sẽ nuốt chửng sao Thủy và sao Kim, nung trái

11


2. Cơ sở lý thuyết
đất đến 1500K thành 1 hành tinh nóng chảy, kết thúc sự sống tại đây.
Kết thúc quá trình cháy Heli, áp lực trong sao giảm, lực hấp dẫn ép sao co lại, làm
mật độ và nhiệt độ tăng lên, đến T= 5.106K sẽ xảy ra phản ứng tạo Oxy:
4C12→3O16 + q

(2.5)

Quá trình cháy xảy ra như trên, với tốc độ tăng dần và thời gian ngắn dần. Chu
trình cháy - tắt - nén - cháy được tăng tốc, liên tiếp thực hiện các phản ứng tạo
nguyên tố mới O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 -> Si28 -> P30 -> S32 ->... -> Cr52 > Mn54 -> Fe56
Các phản ứng trên đã tạo ra hơn 20 nguyên tố, tận cùng là sắt Fe56 (gồm 26 proton

và 30 netron), toàn bộ quá trình được tăng tốc, xảy ra chỉ trong vài triệu năm. Sau
khi tạo ra sắt Fe56, chuỗi phản ứng hạt nhân trong ngôi sao kết thúc, vì việc tổng
hợp sắt thành nguyên tố nặng hơn không có độ hụt khối lượng, không phát sinh
năng lượng, mà cần phải cấp thêm năng lượng.
2.3.

Bản chất của bức xạ mặt trời.

Sóng điện từ, có phổ bước sóng rất rộng, λ = (10-10 ÷>1014)μm (tia vũ trụ đến
sóng vô tuyến điện).
Năng lượng bức xạ mặt trời tập trung chủ yếu trong vùng phổ từ 0,2 đến 3 μm,
chiếm khoảng 80% năng lượng bức xạ mặt trời.
Mắt người nhận được vùng sóng có λ = (0.4 ÷ 0.78) μm , ánh sáng nhìn thấy
Ở ngoài vũ trụ (ngoài tầng khí quyển quả đất) mật độ năng lượng mặt trời không đổi
và bằng Isc = 1364 W/m2 gọi là hằng số mặt trời.
Ngoài vũ trụ bức xạ mặt trời chỉ có một thành phần là các tia mặt trời truyền thẳng
gọi là trực xạ.

12


2. Cơ sở lý thuyết
2.3.1. Bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất - ảnh hưởng của lớp khí quyển
Quả đất bị bao quanh bởi một lớp khí quyển, lớp khí quyển này có bề dày khoảng
10km. Nó bao gồm các phân tử khí như: O2, N2, CO2, NOx, SOx…vv, hơi nước và
các hạt bụi.
Khi tia mặt trời xuyên qua lớp khí quyển này sẽ bị:
-

Các phân tử khí, hơi nước, bụi…… làm tán xạ và hấp thụ một phần năng

lượng, nên khi đến mặt đất chỉ còn khoảng 70% năng lượng mặt trời ngoài vũ
trụ và mật độ cực đại ∼1000W/m2.

-

Do bị tán xạ nên tới mặt đất bức xạ mặt trời có 2 thành phần là trực xạ và
nhiễu xạ. Thành phần nhiễu xạ đến điểm quan sát trên mặt đất từ mọi phương
của bầu trời. Tỷ lệ các thành phần phụ thuộc vào thời gian, vị trí quan sát và
vào thời tiết.

-

Tổng trực xạ và nhiễu xạ gọi là tổng xạ.

2.3.2. Bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất - ảnh hưởng của chuyển động quả đất –
mặt trời.
Quả đất quay xung quanh mặt trời với chu kỳ 365,25 ngày, chuyển động quay xung
quanh trục riêng Bắc – Nam với chu kỳ 24 giờ. Trục quay riêng Bắc – Nam tạo một
góc 23,450, do đó năng lượng mặt trời luôn thây đổi theo thời gian và vĩ độ.

Hình 2.3 Ảnh hưởng chuyển động quả đất lên bức xạ mặt trời tới trái đất

13