Bài giảng năng lượng môi trường

Bài giảng Năng lượng & Môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

BÀI GIẢNG
NĂNG LƯỢNG & MÔI TRƯỜNG

HƯNG YÊN - 2012

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 1


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm
Trong cách nói thông thường, năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn
năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các
chuẩn mực của con người thì là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng
tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người
(thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn
và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong
một thời gian dài trên Trái đất. Tóm lại, “NLTT là năng lượng thu được từ những
nguồn liên tục được xem là vô hạn”.
Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do
Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang
năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay
tức khắc hay được tạm thời dự trữ.
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.
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.
1.2. Tiềm năng, trữ lượng và môi trường
1.2.1. Các dạng năng lượng hóa thạch
Dầu mỏ.

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 2


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục. Dầu thô
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 hydrocacbon
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 thô 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 thô là nguồn năng lượng không tái tạo
nên nhiều người lo ngại về khả năng cạn kiệt dầu trong một tương lai không xa.
Tùy theo nguồn tính toán, trữ lượng dầu mỏ thế giới nằm trong khoảng từ
1.148 tỉ thùng (barrel) (theo BP Statistical Review 2004 đến 1.260 tỉ thùng (theo
Oeldorado 2004 của ExxonMobil). Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy và có khả năng khai
thác mang lại hiệu quả kinh tế với kỹ thuật hiện tại đã tăng lên trong những năm gần
đây và đạt mức cao nhất vào năm 2003. Người ta dự đoán rằng trữ lượng dầu mỏ sẽ
đủ dùng cho 50 năm nữa. Năm 2003 trữ lượng dầu mỏ nhiều nhất là ở Ả Rập Saudi
(262,7 tỉ thùng), Iran (130,7 tỉ thùng) và ở Iraq (115,0 tỉ thùng) kế đến là ở Các Tiểu
Vương quốc Ả Rập Thống nhất, Kuwait và Venezuela. Nước khai thác dầu nhiều
nhất thế giới trong năm 2003 là Ả Rập Saudi (496,8 triệu tấn), Nga (420 triệu tấn),
Mỹ (349,4 triệu tấn), Mexico (187,8 triệu tấn) và Iran (181,7 triệu tấn). Việt Nam
được xếp vào các nước xuất khẩu dầu mỏ từ năm 1991 khi sản lượng xuất được vài
ba triệu tấn. Đến nay, sản lượng dầu khí khai thác và xuất khẩu hàng năm đạt vào
khoảng 20 triệu tấn/năm.
Việc sử dụng dầu mỏ đã và đang có những tác động xấu đến môi trường: dầu
mỏ bị tràn ra biển gây ô nhiễm môi trường , ảnh hưởng đời sống sinh vật biển . Dầu
mỏ đem đốt cũng gây ra ô nhiễm vì sinh ra nhiều khí như SO2 , CO2 . Xe cộ , máy
móc ... chạy bằng xăng góp phần làm Trái Đất nóng lên .
Than đá.
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 bở
sinh vật (biodegradation). Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có
các nguyên tố khác như lưu huỳnh. Than đá, là sản phẩm của quá trình biến chất, là
các lớp đá có màu đen hoặc đen nâu có thể đốt cháy được. Than đá là nguồn nhiên
liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide
lớn nhất, được xem là nguyên nhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Than đá được khai thác từ các mỏ than lộ thiên hoặc dưới lòng đất (hầm lò).
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 3

Bài giảng Năng lượng & Môi trường

Than đá sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Trước đây, than dùng làm
nhiên liệu cho máy hơi nước , đầu máy xe lửa . Sau đó , than làm nhiên liệu cho nhà
máy nhiệt điện , ngành luyện kim . Gần đây than còn dùng cho ngành hóa học tạo ra
các sản phẩm như dược phẩm , chất dẻo , sợi nhân tạo . Than chì dùng làm điện cực
Than có tính chất hấp thụ các chất độc vì thế người ta gọi là than hấp thụ hoặc là
than hoạt tính có khả năng giữ trên bề mặt các chất khí , chất hơi , chất tan trong
dung dịch . Dùng nhiều trong việc máy lọc nước , làm trắng đường , mặt nạ phòng
độc ....
Trữ lượng than của cả thế giới vẫn còn cao so với các nguyên liệu năng lượng khác (
dầu mỏ , khí đốt ... ) . Được khai thác nhiều nhất ở Bắc bán cầu , trong đó 4/5 thuộc
các nước sau : Hoa Kì , Nga , Trung Quốc , Ấn Độ , Úc , Đức , Ba Lan , Canada ... ,
sản lượng than khai thác là 5 tỉ tấn/năm
Tại Việt Nam , có rất nhiều mỏ than tập trung nhiều nhất ở các tỉnh phía Bắc
nhất là tỉnh Quảng Ninh , mỗi năm khai thác khoảng 15 đến 20 triệu tấn. Than được
khai thác lộ thiên là chính còn lại là khai thác hầm lò
Cũng như dầu mỏ, việc sử dụng than đá đã và đang tạo ra nhiều tác động có
hại đến môi trường: việc khai thác than tạo ra khói bụi, nước thải xử lý chế biến than
làm ảnh hưởng môi trường nước. Việc sử dụng các công nghệ khí hóa than cũng như
sử dụng than làm nhiên liệu
trường không khí.

tạo ra nhiều khí CO, CO2, SO2,... ảnh hưởng đến môi

1.2.2. Các dạng năng lượng tái tạo.
Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và
năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và
trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu

năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời.
Trong các mô hình tính toán trên lý thuyết người ta cũng đã cố gắng chứng
minh là với trình độ công nghệ ngày nay, mặc dầu là bị thất thoát công suất và nhu
cầu năng lượng ngày một tăng, vẫn có thể đáp ứng được toàn bộ nhu cầu về năng
lượng điện của châu Âu bằng các tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi
hay là bằng các tuốc bin gió được lắp đặt ngoài biển (off-shore). Sử dụng một cách
triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lượng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu
cầu nước nóng.
Với điều kiện địa lý và khí hậu thuận lợi, Việt Nam là nước có nguồn NLTT
khá lớn và đa dạng, phân luồng trên nhiều vùng sinh thái khác nhau, có thể khai thác
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 4


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

để đáp ứng một phần nhu cầu năng lượng, điện năng tại chỗ cho miền núi, hải đảo,
nông thôn, thành thị cũng như nối lưới điện quốc gia.
Việt Nam có thể phát triển mạnh nguồn NLTT, đó là thủy điện nhỏ, gió, mặt
trời và sinh khối. Trong đó, thủy điện nhỏ có sức cạnh tranh so với các nguồn năng
lượng khác, ước tính Việt Nam có khoảng 480 trạm thủy điện nhỏ với tổng công
suất lắp đặt là 300MW, phục vụ hơn 1 triệu người tại 20 tỉnh.
Các đề tài nghiên cứu đang được tiến hành cho thấy Việt Nam có thể phát
triển mạnh nguồn năng lượng tái tạo, đó là thuỷ điện nhỏ, gió, mặt trời và sinh khối
(biomass). Từ lâu, thuỷ điện nhỏ đã được sử dụng ở Việt Nam nhằm giải quyết nhu
cầu năng lượng ở quy mô gia đình và cộng đồng nhỏ, chủ yếu là vùng trung du miền
núi. Thuỷ điện nhỏ có sức cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác do điện từ
đó có giá thành cạnh tranh, trung bình khoảng 4 cent (600 đồng)/KWh. Ước tính
Việt Nam có khoảng 480 trạm thuỷ điện nhỏ với tổng công suất lắp đặt là 300MW,
phục vụ hơn 1 triệu người tại 20 tỉnh. Trong số 113 trạm thuỷ điện nhỏ, công suất từ
100KW-10MW, chỉ còn 44 trạm đang hoạt động. Con số 300MW quả là quá nhỏ bé

so với tiềm năng của thuỷ điện nhỏ ở Việt Nam là 2.000MW, tương đương với công
suất của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình.
Còn về điện mặt trời, Việt Nam đã phát triển nguồn năng lượng này từ những
năm 1960 song cho tới nay vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi. Theo ý kiến của nhiều
chuyên gia, nên phát động phong trào sử dụng loại hình năng lượng này ở thành phố
nhằm tiết kiệm điện. Bức xạ nắng mặt trời sau khi đi qua tấm kính có thể đun nóng
nước tới 80oC và nước được nối qua bình nóng lạnh để tắm rửa hoặc đun nấu. Với
một bể 500 lít nước nóng/ngày, một hộ gia đình cần đầu tư 3 triệu đồng để mua thiết
bị và 3 năm sẽ thu hồi được vốn.
Một loại NLTT nữa là gió. Mặc dù Việt Nam không có nhiều tiềm năng gió
như các nước châu Âu, song so với khu vực Đông Nam Á thì lại có tiềm năng lớn.
Tuy nhiên tốc độ gió ở Việt Nam không cao, phân bố mật độ năng lượng vào
khoảng 800 -1.400 kWh/m2/năm tại các hải đảo, 500-1.000 kWh/m2/năm tại vùng
duyên hải và Tây Nguyên, các khu vực khác dưới 500kWh/m2/năm.
Ngoài phong điện, tiềm năng sinh khối trong phát triển năng lượng bền vững
ở Việt Nam cũng khá lớn. Nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam là trấu, bã mía, sắn,
ngô, quả có dầu, gỗ, phân động vật, rác sinh học đô thị và phụ phẩm nông nghiệp.
Trong đó, tiềm năng sinh khối từ mía, bã mía là 200-250MW, trong khi trấu có tiềm
năng tối đa là 100MW. Hiện cả nước có khoảng 43 nhà máy mía đường, trong đó

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 5


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

33 nhà máy sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bằng bã mía với tổng công suất
lắp đặt 130MW.
Mặc dù có nhiều nỗ lực trong việc thúc đẩy nguồn NLTT nhưng cho đến nay
số dự án NLTT thực hiện ở Việt Nam còn rất “khiêm tốn”. Theo nhiều chuyên gia,
mức độ giảm tỷ trọng trên sẽ còn tiếp diễn trong những năm tới bởi Việt Nam hiện

vẫn chưa có kế hoạch tổng thể về vấn đề này.
Kinh nghiệm thế giới cho thấy, một trong những phương cách đầy triển vọng
có thể giải quyết được những nhiệm vụ của chiến lược phát triển bền vững là thiết
lập cơ chế hữu hiệu, khuyến khích sử dụng các nguồn NLTT. Cơ chế này được hình
thành ở các nước công nghiệp phát triển vào những năm 1970. Chính phủ các nước
phải can thiệp vào ngành năng lượng mạnh hơn về phương diện đa dạng hóa nguồn
cung cấp năng lượng và nâng cao tính tự chủ về năng lượng cũng như về kiểm soát
sự tiêu thụ. Chính trong giai đoạn đó, NLTT bắt đầu được sử dụng tích cực hơn. Các
nhà sản xuất và người tiêu thụ năng lượng “sạch” được Nhà nước dành cho những
ưu đãi như: tài trợ và cấp tín dụng với mức lãi suất thấp, bảo lãnh tiền vay ngân
hàng, xác lập giá cố định mua điện năng được sản xuất bằng NLTT, cấp tài chính
cho các công tác nghiên cứu và triển khai trong lĩnh vực năng lượng phi truyền
thống…
Hiện nhiều nước trên thế giới có biện pháp trợ giúp hữu hiệu của Nhà nước
đối với ngành năng lượng phi truyền thống là các hợp đồng dài hạn (từ 15 tới 30
năm) mua điện theo giá cố định (thường cao hơn giá thị trường) của các công ty nhỏ
sản xuất điện năng bằng các nguồn NLTT.
Tại Mỹ, năm 1992 nước này đã thông qua Luật về chính sách năng lượng,
trong đó quy định ưu đãi thuế cố định là 10% đối với vốn đầu tư cho thiết bị sử dụng
năng lượng mặt trời và địa nhiệt. Bằng cách đó đã tạo được cơ sở để các nhà máy
điện sử dụng năng lượng truyền thống và các nguồn NLTT cạnh tranh với nhau, còn
các nhà đầu tư có đủ cơ sở để thu được lợi nhuận do sử dụng NLTT. Trong những
năm gần đây, chương trình “Gió cung cấp năng lượng cho Mỹ” đã được đưa vào
thực hiện với nguồn trợ cấp hàng năm của Bộ Năng lượng Mỹ là 33 triệu USD. Mỹ
còn là một trong những quốc gia dẫn đầu trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời
với mục đích thương mại. Trong 20 năm qua, Mỹ đã chi hơn 1,4 tỷ USD cho việc
nghiên cứu triển khai các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện.
Hiện nay trên 10.000 ngôi nhà ở Mỹ sử dụng hoàn toàn năng lượng mặt trời.
1.3. Phân loại các nguồn NLTT
1.3.1. Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 6


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ
điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng
năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào
khoảng 5 tỷ năm nữa.Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng
quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong
pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các
vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc
làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ
thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời.Năng lượng của các photon có thể được hấp
thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng
quang hóa.Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này
được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch
không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng.
Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho
sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống.
Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên
liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật),
khí
(khí
đốt
sinh
học)
hay
rắn.
Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí

quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng
lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống
bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ
photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và
không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.
Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy
phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy
sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có
thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển.
Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió.
Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng
để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển.
Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển.
Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi
nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương
nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 7


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy
điện dùng nhiệt lượng của biển.
Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần
năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà
máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa
nước ngọt của dòng sông trở về biển.
1.3.2. Nguồn gốc từ nhiệt năng trái đất
Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có
được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng

chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và
sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ
lòng Trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của Mặt Trời.
Địa nhiệt dù sao vẫn có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa,
trong các lĩnh vực như:
- Nhà máy điện địa nhiệt
- Sưởi ấm địa nhiệt
1.3.3. Nguồn gốc từ hệ động năng trái đất - mặt trăng.
Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng
với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy
quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái
Đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi
Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái
Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều.
Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà
máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu
thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt
về phía Mặt Trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với
tuổi thọ của Mặt Trời.
1.3.4. Các nguồn NLTT nhỏ khác.
Ngoài các nguồn năng lượng nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có
các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng:

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 8


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

- Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lượng lắc lư của tay khi con người hoạt
động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con quay. Năng lượng

này được dùng để làm chuyển động kim đồng hồ.
- Một số động cơ có rung động lớn được gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến
dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và tạo nguồn điện
phụ. Tinh thể này cũng có thể được gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên
của người để phát điện cho các thiết bị cá nhân nhỏ như PDA, điện thoại di động...
- Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nước hay các nguồn nước
chảy, khi nước đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp.
- Các ăngten thu dao động điện từ (thường ở phổ radio) trong môi trường
sang năng lượng điện xoay chiều hay điện một chiều. Một số đèn nhấp nháy gắn vào
điện thoại di động thu năng lượng sóng vi ba phát ra từ điện thoại để phát sáng, hoạt
động theo cơ chế này.
1.4. Vai trò của năng lượng tái tạo
1.4.1. Về môi trường
Vấn đề biến đổi khí hậu
Việc sử dụng quá mức các nguồn năng lượng truyền thống đã và đang gây ra
các vấn đề nghiêm trọng về môi trường, đó là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu.
Để ứng phó với biến đổi khí hậu, nhiều quốc gia đang nỗ lực tìm kiếm và sử
dụng hiệu quả các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo, giảm lượng khí thải
gây hiệu ứng nhà kính.
Báo cáo phát triển Thế giới do Ngân hàng Thế giới công bố mới đây cho biết ba yếu
tố chính khiến người dân ở khu vực Đông Á và Thái Bình Dương bị ảnh hưởng bởi
biến đổi khí hậu là: Lượng dân cư lớn sống dọc theo bờ biển và ở đảo thấp; một số
nước nghèo phụ thuộc vào nông nghiệp; các nền kinh tế khu vực phụ thuộc nhiều
vào nguồn thuỷ hải sản.
Việt Nam là một nước chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu và cũng đã
chủ động có kế hoạch hành động cùng cộng đồng quốc tế chống biến đổi khí hậu.
Theo Thứ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường Trần Văn Đức, Việt Nam đã có
nhiều nỗ lực trong việc ứng dụng các công nghệ giảm carbon. Chương trình mục
tiêu quốc gia chống biến đổi khi hậu đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt. Kịch
bản nước biển dâng cũng đã được công bố dựa trên các cơ sở nghiên cứu thực tiễn.

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 9


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

Một số nước khác cũng đã giảm sự thâm dụng năng lượng, đầu tư vào năng lượng
tái tạo, tích cực bảo vệ rừng, xây dựng các đô thị thông minh với khí hậu.
Một số nước khác cũng đã giảm sự thâm dụng năng lượng, đầu tư vào năng lượng
tái tạo, tích cực bảo vệ rừng, xây dựng các đô thị thông minh với khí hậu.
Thái Lan đang theo đuổi con đường năng lượng tái tạo để cải thiện an ninh năng
lượng. Quốc gia này dự kiến tăng tỷ lệ tiêu thụ năng lượng tái tạo toàn quốc từ 1%
như hiện nay lên 20% vào năm 2020.Hay như Trung Quốc đang xây dựng các toà
nhà chọc trời ở thành phố Rizhao (tinhr Sơn Đông) có khả năng sử dụng năng lượng
mặt trời. 99% hộ dân của thành phố sẽ sử dụng hơn 500.000 m2 tấm đun nước nóng
bằng năng lượng mặt trời, giảm được một nửa phát thải cacbon.
Trên thực tế, vấn đề đặt ra là cần nâng cao nhận thức của cộng đồng, thuyết phục
cộng đồng đương đầu với sự thay đổi và nắm bắt các cơ hội để đạt được sự tăng
trưởng bền vững
Mới đây, tại Hội nghị về khí hậu do tạp chí The Economist, Viện nghiên cứu Trái
đất của Đại học Columbia và doanh nghiệp viễn thông Ericsson đồng tổ chức, Tổng
Thư ký Liên hợp quốc, tuyên bố: “Chúng ta đang sống trong một thế giới phát triển
nhanh, một thế giới phụ thuộc, tương trợ lẫn nhau”. Ông cũng nhấn mạnh tăng
trưởng xanh chính là con đường để giúp giải quyết các thách thức về khí hậu. “Điều
này có thể giúp chúng ta đạt được các nền tảng phục hồi bền vững và rộng mở”.
1.4.2. Về kinh tế xã hội
Nhu cầu sử dụng năng lượng trên Thế giới ngày càng tăng và việc lạm dụng
các nguồn năng lượng hóa thạch đã làm cho các nguồn năng lượng này ngày càng
trở nên cạng kiệt, đồng thời kéo theo đó là giá cả năng lượng leo thang. Do đó việc
sử dụng các nguồn NLTT sẽ góp phần giải quyết nhu cầu sử dụng năng lượng, giảm

chi phí cho việc sử dụng năng lượng, góp phần vào sự phát triển của nền kinh tế, cải
thiện đời sống kinh tế và tinh thần của người dân ở những vùng sâu, vùng xa,...
1.4.3. Về an ninh quốc gia.
Hạn chế, tiến đến chấm dứt sự phụ vào năng lượng của nước ngoài, bảo đảm
an ninh năng lượng trong nước
1.4.4. Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mới và năng lượng tái tạo.
Đức hiện đang dẫn đầu thế giới về mức sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và
có thể trở thành quốc gia đầu tiên của G20 từ bỏ các nguồn nhiên liệu từ dầu

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 10


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

mỏ. Đức hiện đang dẫn đầu thế giới về mức sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và có
thể trở thành quốc gia đầu tiên của G20 từ bỏ các nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ.
Theo nghiên cứu mang tên Cách mạng năng lượng: Hướng tới cung cấp năng
lượng tái tạo đầy đủ tại châu Âu (Energy (R)evolution: Towards a fully renewable
energy supply in the EU) của tổ chức Greenpeace và hội đồng Năng lượng tái tạo
châu Âu (EREC) công bố ngày 8.7, đến năm 2050, Liên minh châu Âu (EU) có thể
chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo gần như hoàn toàn.
Nghiên cứu cho biết 27 nước thành viên châu Âu có thể hướng tới loại bớt
năng lượng hóa thạch và hạt nhân để dần sử dụng các nguồn khác như năng lượng
gió, mặt trời, địa nhiệt và sinh khối (biomass). Cụ thể: vào năm 2050, 92% năng
lượng sử dụng và 97% lượng điện của châu Âu sẽ là năng lượng tái tạo; 8% số năng
lượng còn lại là dầu, chỉ được dùng trong hàng hải và hàng không, vốn là hai lĩnh
vực được xem là khó tìm nguồn năng lượng thay thế.
Mục tiêu trên có thể làm EU tiêu tốn trên 2.000 tỉ euro từ nay đến năm 2050,
đồng thời làm giá năng lượng trong khu vực này tăng cao trong ngắn và trung hạn.
Đầu tư cho năng năng lượng tái tạo từ 2007 đến 2030 có thể lên đến 30 tỉ euro/năm,

tương đương 80% tổng số đầu tư của EU.
Tuy nhiên Greenpeace và EREC khẳng định các kế hoạch năng lượng xanh
sẽ giúp châu Âu giảm gánh nặng 19 tỉ euro (24,05 tỉ USD) mỗi năm cho nhập khẩu
dầu và khí đốt. Tính tổng cộng đến năm 2050, EU có thể tiết kiệm 2650 tỉ euro chi
phí nhiên liệu. Ngoài ra, các dự án năng lượng xanh sẽ giải quyết việc làm cho
khoảng 1,2 triệu người lao động châu Âu vào năm 2030 và tạo ra 280.000 việc làm
mới từ năm 2020 đến 2030.
Việt Nam được đánh giá là nước có nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo sạch
khá dồi dào, nhưng ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo vẫn ở bước đầu chập
chững và còn nhiều hạn chế. Theo “Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của
Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050” mục tiêu hướng tới của các
nguồn năng lượng mới và tái tạo vẫn còn ở mức khiêm tốn (đạt tỉ lệ khoảng 5% tổng
năng lượng thương mại sơ cấp đến năm 2010 và 11% vào năm 2050). Trong khi đó,
nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng ở mức chóng mặt ở Việt Nam.
Mặc dù chưa được đầu tư đúng mức nhưng năng lượng tái tạo hiện cũng đã
thu hút sự chú ý của một số cơ quan nghiên cứu trong nước. Thách thức chung của
các nghiên cứu ở Việt Nam hiện nay là giá thành vật liệu cao, do đó, các sản phẩm
làm ra khó có thể cạnh tranh với hàng ngoại nhập và chủ yếu nghiên cứu ứng dụng
năng lượng thủy điện, năng lượng mặt trời, và năng lượng gió.
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 11


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

CHƯƠNG II. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. Năng lượng mặt trời
2.1.1. Cấu trúc của mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,39.106km (lớn hơn 110
lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU
ánh sáng, mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng cách này đến trái

đất). Khối lương mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg. Nhiệt độ To trung tâm mặt
trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, 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 đông 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 nguội 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.
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 lương mặt trời, vùng này
có bán kính khoảng 175.000km, khối lương riêng 160kg/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 lương truyền từ trong ra ngoài,
vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr),
kền (Ni), cacbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng
này khoảng 400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng
“quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km. 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 4500K
và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và
gọi là“khí quyển” của mặt trời.
Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K 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 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 đât. Nguyên tố phổ biến nhất
trên mặt trời là nguyên 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
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 12

Bài giảng Năng lượng & Môi trường

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 đông 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 lương bức xạ :
4H11

→ He24 + 2 Neutrino + 

Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời
Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.
Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham
gia vào các “biến cố” sau đó.
Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị
mất đi. Khối lương của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10 6 tấn, tuy nhiên
theo các nhà nghiên cứu, trang 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 9.1024kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 13


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong
một năm trên trái đất).

2.1.2. Khái quát về năng lượng bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng
hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ  ban đầu khi đi qua
5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng
của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ 
là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 2) Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm
hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có
bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài
hơn. Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong
trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra.
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là
một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 0,1 – 10 m và
hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 –
0,78 m, đó là vùng nhìn thấy của phổ.

Hình 2.2. Dải bức xạ mặt trời
Chùm tia xuyên thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực
xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển tính
đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ được xác định theo công thức:
q = 

 T 
D-T .C 0 

 100 

4

Trong đó:
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 14

(0.1)


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

D-T là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời


=
D-T

β2
4

 - góc nhìn mặt trời (hình 1.7)
C0 = 5,67 W/m2K4 - hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T  57620K – nhiệt độ bề mặt trời (coi là vật đen tuyệt đối)

Hình 2.3. Góc nhìn mặt trời
Vậy:
2

 2.3,14.32 
4


360.60 
 5762 


2
q=
.5, 67. 
 = 1353 W/m
4
 100 

Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên 
cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có
thể xem như q = const và được gọi là hằng số mặt trời.
2.1.3. Quá trình truyền bức xạ mặt trời đến trái đất
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị
hấp thụ và tán xạ bởi ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng
lượng được truyền trực tiếp tới trái đất. Lúc đầu ôxy phân tử bình thường O 2 phân ly
thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó cần phải có các photon bước
sóng ngắn hơn 1,18 m, do đó các photon (coi bức xạ như các hạt rời rạc - photon)
có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết
hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với phân tử ôxy khác
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 15


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

để tạo thành phân tử ôzôn O3. Ôzôn cũng hấp thụ các bức xạ tử ngoại nhưng với
mức độ thấp hơn so với ôxy. Dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn
0,32 m, sự phân tách O3 thành O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng
lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của
O, O2 và O3, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển bức
xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.
Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại

của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá
vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và
một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là
bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí
quyển,
bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong
sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ
rất mạnh bức xạ mặt trời. Khi đi qua lớp khí quyển, bức xạ mặt trời còn gặp một trở
ngại đáng kể nữa đó là sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp
chất khác. Mức độ của sụ hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất là ở
khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.

Hình 2.4. Quá trình truyền bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 16


Bi ging Nng lng & Mụi trng

Phn nng lng bc x mt tri truyn ti b mt trỏi t trong nhng ngy
quang mõy thi im cao nht vo khong 1000 W/m2. (Hỡnh 4)
Yu t c bn xỏc nh cng bc x mt tri mt thi im no ú trờn
trỏi t l quóng ng nú i qua. S mt mỏt nng lng trờn quóng ng ú gn
lin vi s tỏn x, hp th bc x v ph thuc vo thi gian trong ngy, mựa trong
nm v v trớ a lý. Cỏc mựa hỡnh thnh l do s nghiờng ca trc trỏi t i vi
mt phng qu o ca nú quanh mt tri gõy ra (hỡnh 5). Gúc nghiờng vo khong
23,5o v thc t xem nh khụng i trong khụng gian. S nh hng nh vy ca
trc trỏi t trong chuyn ng ca nú i vi mt tri gõy ra nhng s dao ng
quan trng v di ngy v ờm trong nm.
Thời gian để trái đất hoàn thành một quỹ đạo chuyển động là một năm.
Tại một vị trí nhất định trên quỹ đạo, phần bán cầu nào nghiêng về phía mặt

trời sẽ nhận đ-ợc l-ợng bức xạ trực xạ nhiều hơn với thời gian chiếu sáng dài hơn
trong một ngày so với bán cầu kia.

Bắc cực

21/3

23,5
độ
nghiêng

H-ớng quay
trái đất

Mặt trời
21/12

21/6

21/9
Hỡnh 2.5. Trỏi t trờn qu o chuyeenrr ng quanh mt tri
Từ một vị trí quan sát trên bề mặt trái đất, sự thay đổi của vị trí mặt trời
theo thời gian trong năm đ-ợc minh họa nh- trên hình 5. Vào ngày 22 tháng 6 mặt
trời ở vị trí gần bán cầu bắc nhất và đi qua đỉnh đầu vào lúc giữa tr-a tại chí
tuyến bắc (vĩ tuyến 23,50N). Kết quả là bắc bán cầu nhận đ-ợc ánh sáng mặt
trời nhiều nhất vào ngày này trong năm. Khi trái đất tiếp tục quay theo quỹ đạo
của nó, mặt trời sẽ chuyển dịch t-ơng đối về phía nam bán cầu làm thời gian
đ-ợc chiếu sáng ở phía nam bán cầu trong một ngày dài hơn so với bắc bán cầu.
Vào ngày 22 tháng 9 mặt trời trực tiếp đi qua thiên đỉnh tại xích đạo nên cả hai
bán cầu đều nhận đ-ợc ánh sáng mặt trời nh- nhau trong một ngày. Sau khi tiếp

tục di chuyển t-ơng đối về phía nam cho đến khi đi qua thiên đỉnh tại chí
Khoa Cụng ngh Húa hc & Mụi trng 17


Bi ging Nng lng & Mụi trng

tuyến nam (vĩ độ 23,50S) vào ngày 22 tháng 12. Trong ngày này bán cầu bắc có
thời gian chiếu sáng ít nhất và bán cầu nam có thời gian chiếu sáng dài nhất. Sau
khi đạt tới vị trí thiên đỉnh ở nam chí tuyến, mặt trời lại di chuyển t-ơng đối
về phía bắc bán cầu và đi ngang qua xích đạo lần nữa vào ngày 21 tháng 3 rồi
lại đối diện trực tiếp với trí tuyến bắc vào ngày 22 tháng 6 hoàn thành một chu
kỳ chuyển động của trái đất quanh mặt trời trong thời gian một năm
C-ờng độ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào khoảng cách t-ơng đối giữa mặt trời
và với điểm quan sát trên trái đất. Trong một ngày, khoảng cách này sẽ giảm dần
từ khi mặt trời mọc đến khi đạt đ-ợc giá trị thấp nhất vào giữa tr-a khi mặt trời
ở trên đỉnh đầu, sau đó lại tăng dần cho tới khi mặt trời lặn. Nh- vậy c-ờng độ
bức xạ t-ơng ứng sẽ tăng dần trong buổi sáng cho tới khi đạt giá trị lớn nhất I max vào
giữa tr-a sau đó lại giảm dần trong buổi chiều
Phõn b cng bc x n sc Io() ca mt tri c xỏc nh theo nh
lut Planck:

I0 =

C1 -5

(0.2)

C2
T

e -1
Vi: - chiu di bc súng (m);
T - nhit tuyt i (0K);
C1 = 0,374.10-15 W/m2
C2 = 1,4388.10-2 m.0K
Din tớch phớa di ng cong I0 = f() mụ t nng sut bc x ton phn


E0 =

I d
0

ca mt tri (hỡnh 6)

0

I0
(W/m3)
83
80

50%E0

60

E0
40
20

Hỡnh 2.6. Phõn b I0 () ca mt tri
Phn nng sut bc x mang tia sỏng (AS) thy c l:
Khoa Cụng ngh Húa hc & Mụi trng 18


Bài giảng Năng lượng & Môi trường
0,8.10-6

EAS =



0,4.10-6



I0λ dλ = 0,5 I0λ dλ = 0,5E 0
0

I0 đạt giá trị cực đại tại (max) = 2,98.10-3 /T0 = 0,5 m
Vậy:
I0max = I0 ((max), T0) = 8,3.10-3 W/m3
Năng suất bức xạ toàn phần:
E0 = 0.T04 = 6,25.107 W/m2
Công suất bức xạ toàn phần của mặt trời:
Q0 = E0.F = D2.0.T04 = 3,8.1026 W
Công suất này bằng 4.103 lần tổng công suất điện trên toàn thế giới hiện nay,
vào khoảng 1013W.
2.2. Các phương pháp biến đổi năng lượng mặt trời
Ngày nay, NLMT đã được sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng khác nhau.

Quá trình biến đổi NLMT là quá trình chuyển đổi vật lý của năng lượng nhiệt mặt
trời thành các dạng năng lượng khác, bao gồm các các phương pháp chuyển đổi
sau:
- Nhiệt – nhiệt: chuyển năng lượng bức xạ nhiệt của mặt trời thành nhiệt năng
hấp thụ trong các vật thể. Ví dụ: đun nước nóng bằng NLMT
- Nhiệt – Điện (hiện tượng quang điện): chuyển năng lượng bức xạ của các
photon của mặt trời thành điện. Ví dụ: tế bào quang điện - pin mặt trời.
- Nhiệt – Cơ: chuyển hóa năng lượng nhiệt bức xạ của mặt trời thành cơ năng
làm quay động cơ. Ví dụ: động cơ Stirling
- Nhiệt – hóa (quang – hóa): hấp thụ và chuyển hóa năng lượng nhiệt mặt trời
thành năng lượng trong các phản ứng quang hóa
2.3. Hiệu ứng nhà kính
Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích luỹ năng lượng bức xạ mặt trời dưới
một tấm kính hoặc một lớp khí nào đó, ví dụ CO2 hoặc NOx. Hiện tượng này được
giải thích như sau: tấm kính hoặc khí có độ trong đơn sắc D giảm dần khi bước
sóng  tăng. Còn bước sóng max khi E đạt giá trị cực đại – là bước sóng mang
nhiều năng lượng nhất – thì lại giảm theo định luật Wien max.T = 2,9.10-3 (m.K).

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 19


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

Hình 2.7. Hiệu ứng nhà kính

Bức xạ mặt trời phát ra ở nhiệt độ cao T0 = 5762K, có năng lượng tập trung quanh
sóng max0 = 0,5 m sẽ xuyên qua kính hoàn toàn
vì D(max0)  1. Bức xạ thứ cấp phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T  400K,
có năng lượng tập trung quanh sóng max = 8m hầu như không xuyên qua kính vì
D( max)  0, và bị phản xạ lại mặt thu. Hiệu số (năng lượng vào – năng lượng ra) >

0, được tích luỹ phía dưới tấm kính làm nhiệt độ tại đó tăng lên.
2.4. Bộ thu bức xạ nhiệt mặt trời dạng tấm phẳng (bộ thu phẳng-collector)
2.4.1. Định nghĩa và kết cấu bộ thu phẳng
Bộ thu phẳng là một hệ tấm phẳng: kính, tấm hấp thụ, lớp cách nhiệt được đặt
song song thành một hệ bền vững. Về nguyên lý thì các bộ thu phẳng có cấu tạo
dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính nhưng tùy thuộc vào việc sử dụng nhiệt
vào mục đích sử dụng: nung nóng không khí, đun nước nóng, chưng cất nước,
bếp mặt trời,... mà cấu tạo của bộ thu có hình dạng khác nhau

Hình 2.8. Kết cấu bộ thu phẳng
1. Tấm kính trong suốt
2. Lớp cách nhiệt
3. Tấm hấp thụ
4. Tia vào có bước sóng
ngắn
5. Tia nhiệt có bước
sóng dài phát xạ từ tấm hấp thụ
6. Tia nhiệt bị phản xạ
ngược về tấm hấp thụ.

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 20


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

* Nguyên lý hoạt động của bộ thu phẳng (nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng
nhà kính): Ta khảo sát một bộ thu phẳng (hình 8). Mặt trên hộp được đậy bằng tấm
kính, thành chung quanh và đáy làm bằng vật liệu cách nhiệt tốt. Đáy hộp là một tấm
kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của tấm được phủ một lớp sơn có hệ số hấp thụ cao.
Tấm này được gọi là tấm hấp thụ. Tia mặt trời sau khi truyền qua tấm kính đậy phía

trên hộp tới bề mặt tấm hấp thụ, bị tấm này hấp thụ một phần năng lượng và chyển
hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng dần lên. Khi đó tấm hấp thụ trở thành
nguồn phát ra các tia bức xạ nhiệt thứ cấp có bước sóng dài hướng về mọi phía. Nhờ
nhận liên tục các tia bức xạ mặt trời nên nó được nung nóng liên tục, và bức xạ nhiệt
cũng được phát ra liên tục. Những tia bức xạ nhiệt hướng lên phía trên bị kính ngăn
lại do phần lớn các tia bức xạ nhiệt thứ cấp có bước sóng dài λ > 0,7 μm (nhiệt độ
tấm hấp thụ không cao), bị phản xạ trở về tấm hấp thụ và lại bị tấm hấp thụ hấp
thụ,… Quá trình này dẫn đến nhiệt độ tấm hấp thụ tăng lên nhờ các mặt đáy và các
thành bên đước cách nhiệt tốt nên nhiệt không bị truyền dẫn ra khỏi hộp. Kết quả là
năng lượng từ các tia bức xạ mặt trời vào được hộp mà không ra ngoài đựơc. Hộp
thu thành một bẫy nhiệt. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng nhà kính. Nhiệt độ của
tấm hấp thụ càng cao phát xạ nhiệt từ mặt hấp thụ càng lớn, cho đến khi năng lượng
mà tấm hấp thu nhận đựơc từ bức xạ mặt trời cân bằng với năng lượng mất mát với
môi truờng xung quanh thì trạng thái cân bằng nhiệt được thiết lập
* Nguyên lý hội tụ bức xạ:
Tất cả các tia tới của bức xạ mặt trời đến một mặt gọi là mặt phản xạ, các tia
bức xạ sẽ bị khúc xạ, các tia khúc xạ này sẽ hướng về một điểm hay một đường tuỳ
thuộc vào cấu tạo của mặt phản xạ, do cường độ tia bức xạ quá lớn ở tại điểm hoặc
đường mà tia khúc xạ tới nên làm nóng vật đặt tại đó. Dựa trên nguyên lý hội tụ bức
xạ người ta chia làm hai loại:
- Loại hội tụ bức xạ theo điểm là các thiết bị dùng gương cầu lõm có dạng
paraboloit tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao, nhờ vậy tập trung ở tiêu điểm
nhiệt độ từ vài trăm đến trên 3000 oC.
- Loại hội tụ theo đường là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặt
cắt ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ theo đường tiêu
cự. Nếu đặt tại đường tiêu cự một ống dài cho nước đi qua thì nước sẽ được đun
nóng lên.
Nói chung các thiết bị chuyển hoá quang nhiệt làm việc theo nguyên lý hội tụ ít
được phổ biến do có một số nhược điểm sau:
+ Mặt phản xạ nhanh bị mờ sau một thời gian làm việc ngoài trời do đó mà

hiệu suất giảm nhanh,

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 21


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

+ Phải thường xuyên xoay mặt phản xạ theo hướng mặt trời, nếu dùng thiết bị
tự động thì giá thành sẽ cao mà xoay thủ công cũng không được thuận tiện,
+ Thiết bị này chỉ thu được phần trực xạ (tia nắng trực tiếp) còn phần tán xạ
thì không thu được, nếu khi bị mây che khuất thì thiết bị không thu được năng
lượng.
2.4.2. Kết cấu và hoạt động của một vài bộ thu phẳng.
2.4.2.1. Bộ thu phẳng dùng để nung nóng không khí
 Collector phẳng: Collector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng dạng tấm phẳng.
.

Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của collector phẳng
Tấm che được làm bằng thuỷ tinh hay bằng vật liệu trong suốt khác. Nhiệm vụ
cơ bản của các tấm che là tạo ra hiệu ứng lồng kính để làm giảm bớt tổn thất năng
lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của colletor ra ngoài môi trường, đồng thời góp
phần hạn chế tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu. Các tấm che này phải có độ trong
suốt cao để cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức tối đa. Tuỳ theo mức nhiệt độ làm
việc của Collector mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N. Khi nhiệt độ làm việc
càng cao thì N càng lớn, giá tri phổ biến của N là từ 1 đến 2. Trong một vài trường
hợp có thể người ta không cần dùng đến tấm che.
Bề mặt hấp thụ là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho môi chất
làm việc (không khí hoặc chất lỏng). Thông thường bề mặt này được sơn mầu đen.
Để gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược
lại từ bề mặt hấp thụ người ta có thể dùng các loại sơn chuyên dụng để tạo nên bề

mặt hấp thụ chọn lọc (selective surface).
Lớp cách nhiệt đặt ở mặt dưới của collector để giảm tổn thất nhiệt theo hướng
đáy của collector, ngoài ra có thể bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bên
của collector.
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 22


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

So với các loại collector khác thì collector dạng tấm phẳng có một số ưu điểm
như: có thể hấp thụ tất cả các loại tia bức xạ, không cần quay theo mặt trời, dễ gia
công, không cần bảo trì thường xuyên và giá thành khá rẻ.
Collector phẳng được chia thành nhiều loại, sau đây là một số loại collector
phẳng sử dụng phổ biến:
-

Collector tấm trần:

Hình 2.10. Collector tấm trần
Loại collector tấm trần không cần tấm che, tấm hấp thụ nằm phía trên, dòng
khí chuyển động phía dưới của tấm hấp thụ, tổn thất bức xạ và đối lưu lớn ở trên bề
mặt, thích hợp cho việc tăng nhiệt độ khoảng 3 ÷ 5 (oC)
- Collector dòng trên:

Hình 2.11. Collector dòng trên
Collector dòng trên có dòng khí chuyển động giữa tấm hấp thụ và tấm che.
Năng lượng hữu ích có giảm chút ít do phản xạ và tính hấp thụ của tấm che. Giảm
được mất mát nhiệt đối lưu và bức xạ. Nhiệt độ có thể tăng lên 10 ÷ 30oC.
- Collector dòng dưới:

Hình 2.12. Collector dòng dưới

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 23


Bài giảng Năng lượng & Môi trường

Collector này giảm mất mát nhiệt do tấm hấp thụ được che bằng vật liệu trong
suốt. Dòng khí chuyển động bên dưới tấm hấp thụ. Nhiệt độ dòng khí tăng lên được
30oC, giảm bám bụi vào bề mặt hấp thụ và tấm che.
.- Collector dòng song song:

Hình 2.13. Collector dòng song song
Đặc điểm của collector dòng song song là dòng khí chuyển động cả bên trên
và bên dưới của tấm hấp thụ. Điều đó làm tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ
tấm hấp thụ thấp, giảm được tổn thất nhiệt do bức xạ. Tuy nhiên bề mặt hấp thụ bị
lắng bụi.
 Collector dạng zic zắc: Cấu tạo của collector dạng này gần giống như
collector phẳng chỉ khác bề mặt hấp thụ có dạng zic zắc. Mục đích làm mặt hấp thụ
có dạng zic zắc là để tăng diên tích bề mặt hấp thu nhiệt, đồng thời tăng hiệu suất
hấp thụ nhiệt do các tia bức xạ tới được phản xạ và hấp thụ nhiều lần.
Bức xạ mặt trời

Hình 1.38. Collector zíc zắc

Hình 2.14. Collecor dạng zic zăc
Để đạt được hiệu suất cao nhất khi sử dụng thiết bị dạng này thì góc nghiêng và kích
thước của tấm hấp thụ là yếu tố được quan tâm nhất khi tính toán thiết kế.

Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 24

Bài giảng Năng lượng & Môi trường

 Collector dạng tập trung:
Cấu tạo của collector dạng tập trung gồm hai phần (hình 15): Bề mặt thu nhận
(bề mặt hứng các tia trực xạ) và bề mặt tiếp nhận. Bề mặt thu nhân có nhiệm vụ
hứng các tia trực xạ và hội tụ thành một điểm hoặc một đường tại đó có đặt một mặt
tiếp nhận. Mặt tiếp nhận có tác dụng hấp thụ và bị làm nóng bởi các tia bức xạ từ
mặt thu nhận hội tụ lại tại mặt tiếp nhận này và chuyển thành nhiệt.
Nhìn chung, nhiệt độ làm việc của collector dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt
độ làm việc của collector dạng tấm phẳng. Vì vậy, người ta thường thay thế collector
dạng tấm phẳng bằng collector dạng tập trung khi nhiệt độ làm việc vượt quá 100 oC.
Về nguyên tắc, collector dạng tập trung cần phải được cho quay theo mặt trời nhằm
đảm bảo các tia trực xạ có thể được phản chiếu tốt nhất đến bề mặt tiếp nhận của
collector.

Hình 2.15. Collector tập trung
Khi nghiên cứu về collector dạng tập trung này ta cần phải chú ý đến một
thông số đặc biệt thể hiện tính đặc thù của loại collector nay, đó là tỷ số giữa diên
tích bề mặt hứng các tia trực xạ Aa và diện tích bề mặt tiếp nhân Ar, ta gọi đó là tỷ số
tập trung CR (Concentration
Ratio)
Aa
Khi đó ta có: CR = A
r
Collector dạng tập trung có hai loại điển hình là dạng chỏm cầu (mặt tròn
xoay) và dạng lòng máng. Loại chỏm cầu có độ hội tụ cao, hội tụ về 1 điểm có nghĩa
là có tỷ số CR cao do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngàn độ. Còn loại
lòng máng có độ hội tụ trung bình, hội tụ thành một dải (một đường) vì vậy tỷ số CR

nhỏ hơn của loại chỏm cầu loại này có nhiệt độ khoảng 350 ÷ 500 oC.
Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 25