LUẬN văn sư PHẠM vật lý BIỆN PHÁP sử DỤNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG TƯƠNG LAI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ

-----  -----

Luận văn tốt nghiệp Đại học
Ngành: Sƣ phạm Vật Lý

BIỆN PHÁP SỬ DỤNG HIỆU QUẢ
NĂNG LƢỢNG TRONG TƢƠNG LAI

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

Cần Thơ, 05/2013

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn
Lớp: Sƣ phạm Vật Lý K35
MSSV: 1090226


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn “Biện pháp
sử dụng hiệu quả năng lượng trong tương lai”, em đã gặp
không ít khó khăn, nhƣng nhờ sự hƣớng dẫn nhiệt tình của Thầy
Dƣơng Quốc Chánh Tín, Thầy đã cung cấp tài liệu và hƣớng
dẫn em rất nhiệt tình, em xin chân thành cảm ơn Thầy đã giúp
em hoàn thành đề tài đúng tiến độ.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô và các bạn sinh
viên trong Bộ môn Sƣ phạm Vật lý đã hết lòng quan tâm giúp
đỡ và góp ý kiến trong suốt thời gian em thực hiện đề tài.

Em xin chân thành cảm ơn tác giả của các tài liệu mà em
đã tham khảo để hoàn thành đề tài.
Tuy bản thân đã cố gắng nhƣng không tránh khỏi những
thiếu sót, sai lầm có thể. Em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý
kiến của quý Thầy Cô và các bạn sinh viên để đề tài đƣợc hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện

Trƣơng Quốc Tuấn


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

MỤC LỤC
Phần 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................1
1.1. Năng lƣợng và thực trạng sử dụng năng lƣợng ............................................1
1.2. Lịch sử của vấn đề ........................................................................................1
2. Mục đích của đề tài .........................................................................................2
3. Mục tiêu của đề tài ..........................................................................................2
4. Phƣơng pháp và phƣơng tiện nghiên cứu đề tài ..............................................2
4.1. Phƣơng pháp thực hiện đề tài .......................................................................2
4.2. Phƣơng tiện thực hiện đề tài ........................................................................2
5. Giới hạn của đề tài ..........................................................................................2
6. Các bƣớc thực hiện đề tài ................................................................................3
Phần 2. NỘI DUNG ....................................................................................................4
Chƣơng 1 .....................................................................................................................4

NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ......................................................................................4
1.1. Khái niệm cơ bản về năng lƣợng Mặt Trời ..................................................4
1.1.1. Năng lƣợng Mặt Trời ................................................................................4
1.1.2. Bức xạ Mặt Trời ........................................................................................4
1.1.2.1. Bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển Trái Đất ............................................5
1.1.2.2. Bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Trái Đất ...................................................5
1.1.2.3. Các góc tạo ra bởi chùm tia bức xạ với các mặt phẳng .........................6
1.1.2.4. Cƣờng độ của bức xạ tới trên các mặt phẳng và hệ số chuyển đổi bức
xạ .........................................................................................................................7
1.1.3. Số liệu bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam.......................................................8
1.2. Nguyên tắc khai thác - sử dụng nguồn năng lƣợng Mặt Trời ....................10
1.2.1. Hiệu ứng nhà kính ...................................................................................10
1.2.2. Hiệu ứng quang điện ...............................................................................11
1.2.2.1. Hiệu ứng quang điện ............................................................................11
1.2.2.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện ........................................13
1.3. Các ứng dụng năng lƣợng Mặt Trời trong thực tế .....................................14
1.4. Thực trạng sử dụng năng lƣợng Mặt Trời trên thế giới và tại Việt Nam ...17
1.4.1. Thế giới ...................................................................................................17
1.4.2. Việt Nam .................................................................................................19
1.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng năng lƣợng Mặt Trời tại Việt Nam ......22
1.5.1. Ƣu điểm ...................................................................................................22
1.5.2. Khuyết điểm ............................................................................................22
1.5.3. Đề xuất phƣơng án phát triển năng lƣợng Mặt Trời ở Việt Nam ...........23
Chƣơng 2 ...................................................................................................................26
NĂNG LƢỢNG GIÓ ................................................................................................26
2.1. Khái niệm cơ bản về năng lƣợng gió .........................................................26
2.2. Nguyên tắc khai thác - sử dụng năng lƣợng gió ........................................26
2.3. Các ứng dụng năng lƣợng gió trong thực tế...............................................28
2.3.1. Động cơ gió phát điện .............................................................................28
2.3.2. Động cơ gió bơm nƣớc............................................................................29

2.4. Thực trạng sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới và Việt Nam .................29
GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


2.4.1. Thế giới ...................................................................................................29
2.4.2. Việt Nam .................................................................................................30
2.5. Đánh giá tình khả thi khi sử dụng năng lƣợng gió tại Việt Nam ...............31
2.5.1. Những thuận lợi ......................................................................................31
2.5.2. Những bất lợi và khó khăn ......................................................................32
2.5.3. Đề xuất phƣơng án phát triển năng lƣợng gió ở Việt Nam .....................33
Chƣơng 3 ...................................................................................................................36
NĂNG LƢỢNG HẠT NHÂN ..................................................................................36
3.1. Các khái niệm cơ bản về năng lƣợng hạt nhân ..........................................36
3.1.1. Năng lƣợng nguyên tử. ............................................................................36
3.1.2. Năng lƣợng nguyên tử đƣợc sinh ra nhƣ thế nào. ...................................36
3.1.3. Phản ứng hạt nhân. ..................................................................................36
3.1.3.1. Phản ứng phân hạch hạt nhân. .............................................................36
3.1.3.2. Phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền. ..........................................36
3.1.4. Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) ..............................37
3.2. Nguyên tắc hoạt động của nhà máy điện hạt nhân .....................................37
3.3. Thực trạng sử dụng năng lƣợng hạt nhân trên thế giới và Việt Nam ........39
3.3.1. Thế giới ...................................................................................................39
3.3.2. Việt Nam .................................................................................................40
3.4. Các tai nạn ở các các nhà máy điện hạt nhân .............................................41
3.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng năng lƣợng hạt nhân tại Việt Nam ......43
3.5.1. Thuận lợi .................................................................................................43
3.5.2. Những bất lợi, khó khăn ..........................................................................43
3.5.3. Đề xuất phƣơng án phát triển năng lƣợng hạt nhân ở Việt Nam ............44

Chƣơng 4 ...................................................................................................................46
NĂNG LƢỢNG SINH KHỐI ...................................................................................46
4.1. Khái niệm cơ bản về năng lƣợng sinh khối ...............................................46
4.2. Nguyên tắc khai thác sử dụng năng lƣợng sinh khối .................................46
4.3. Các ứng dụng năng lƣợng sinh khối trong thực tế .....................................47
4.3.1. Sản xuất khí sinh học biogas ...................................................................47
4.3.2. Nhà máy điện sinh khối ..........................................................................47
4.4. Tiềm năng sinh khối của Việt Nam ...........................................................48
4.5. Thực trạng sử dụng năng lƣợng sinh khối trên thế giới và Việt Nam .......49
4.5.1. Thế giới ...................................................................................................49
1.5.2. Việt nam ..................................................................................................50
4.6. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng năng lƣợng sinh khối tại Việt Nam .....52
4.6.1. Thuận lợi .................................................................................................52
4.6.2. Khó khăn, nhƣợc điểm ............................................................................52
4.6.3. Đề xuất phƣơng án phát triển năng lƣợng sinh khối ở Việt Nam ...........53
4.6.3.1. Biogas ...................................................................................................53
4.6.3.2. Chế xăng nhiên liệu sinh học (bio-ethanol [C2H5OH], bio-buthanol
[C4H9OH] ) ........................................................................................................54
4.6.3.3. Sản xuất điện từ trấu, mùn cƣa, rác ......................................................55
Chƣơng 5 ...................................................................................................................57
NĂNG LƢỢNG ĐỊA NHIỆT ...................................................................................57
5.1. Khái niệm cơ bản về năng lƣợng địa nhiệt ................................................57


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

5.2. Nguyên tắc khai thác - sử dụng ..................................................................57
5.3. Các ứng dụng năng lƣợng địa nhiệt trong thực tế ......................................58

5.3.1. Phƣơng pháp sử dụng trực tiếp ...............................................................58
5.3.2. Phƣơng pháp sản xuất điện năng từ năng lƣợng địa nhiệt ......................58
5.4. Tình hình sử dụng năng lƣợng địa nhiệt trên thế giới và Việt Nam ..........59
5.4.1. Thế giới ...................................................................................................59
5.4.2. Việt Nam .................................................................................................60
5.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng năng lƣợng địa nhiệt tại Việt Nam ......61
5.5.1. Thuận lợi .................................................................................................61
5.5.2. Hạn chế, khó khăn ...................................................................................62
5.5.3. Đề xuất phƣơng án phát triển năng lƣợng địa nhiệt ở Việt Nam ...........62
5.5.3.1. Sƣởi ấm địa nhiệt .................................................................................63
5.5.3.2. Nƣớc nóng địa nhiệt .............................................................................63
5.5.3.3. Nhà máy điện địa nhiệt ........................................................................64
Chƣơng 6 ...................................................................................................................65
NĂNG LƢỢNG THỦY TRIỀU ...............................................................................65
6.1. Khái niệm cơ bản .......................................................................................65
6.2. Nguyên tắc khai thác thủy triều .................................................................66
6.3. Nhà máy điện thủy triều ............................................................................67
6.3.1. Phát điện khi triều xuống ........................................................................67
6.3.2. Phát điện khi chiều lên ............................................................................67
6.3.3. Phát điện cả hai chiều ..............................................................................67
6.4. Tình hình sử dụng năng lƣợng thủy triều ...................................................68
6.4.1. Thế giới ...................................................................................................68
6.4.2. Việt Nam .................................................................................................69
6.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng hệ thống điện thủy triều ở Việt Nam ...70
6.5.1. Ƣu điểm ...................................................................................................70
6.5.2. Nhƣợc điểm .............................................................................................70
6.5.3. Đề xuất phƣơng án phát triển năng lƣợng thủy triều ở Việt Nam ..........70
Chƣơng 7 ...................................................................................................................72
NĂNG LƢỢNG NHIỆT ĐẠI DƢƠNG ...................................................................72
7.1. Khái niệm cơ bản về năng lƣợng nhiệt đại dƣơng .....................................72

7.2. Nhà máy nhiệt điện đại dƣơng ...................................................................72
7.2.1. Nhà máy nhiệt điện đại dƣơng hoạt động theo chu trình kín (OTEC)....72
7.2.2. Nhà máy nhiệt điện đại dƣơng hoạt động theo chu trình mở (open
OTEC) ...............................................................................................................73
7.3. Tình hình sử dụng năng lƣợng nhiệt đại dƣơng .........................................73
7.4. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng nguồn năng lƣợng nhiệt đại dƣơng tại
Việt Nam ...........................................................................................................74
7.4.1. Thuận lợi .................................................................................................74
7.4.2. Khó khăn, bất lợi .....................................................................................75
7.4.3. Đề xuất phƣơng án phát triển năng lƣợng nhiệt đại dƣơng ở Việt Nam.75
Chƣơng 8 ...................................................................................................................77
NĂNG LƢỢNG HYDROGEN.................................................................................77
8.1. Khái niệm cơ bản về Hydrogen và năng lƣợng Hydrogen ........................77
8.2. Nguyên tắc sử dụng ....................................................................................78

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


8.2.1. Các phƣơng pháp tách điều chế Hydrogen .............................................78
8.2.1.1. Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nƣớc (Natural gas steam reforming)
................................................................................................................................................ 78
8.2.1.2. Khí hóa Hydrogencarbon nặng (Gasification heavy Hydrogencarbon)
...........................................................................................................................78
8.2.1.3. Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis) 79
8.2.1.4. Điện phân nƣớc ....................................................................................79
8.2.1.5. Phƣơng pháp sinh học ..........................................................................80
8.3. Ứng dụng nguồn năng lƣợng từ Hydrogen ................................................81
8.3.1. Hydrogen sử dụng làm nhiên liệu động cơ .............................................81

8.3.2. Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu ..................................................81
8.4. Tình hình sử dụng năng lƣợng Hydrogen ..................................................82
8.4.1. Thế giới ...................................................................................................82
8.4.2. Việt Nam .................................................................................................84
8.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng năng lƣợng Hydrogen ở Việt Nam ......84
8.5.1. Ƣu điểm ...................................................................................................84
8.5.2. Khuyết điểm ............................................................................................85
8.5.3. Đề xuất phƣơng án phát triển năng lƣợng Hydrogen ở Việt Nam ..........85
Phần 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................86
1. Kết luận .........................................................................................................86
2. Kiến nghị .......................................................................................................86
3. Những dự định trong tƣơng lai......................................................................87


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

Phần 1. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
1.1. Năng lƣợng và thực trạng sử dụng năng lƣợng
Nhu cầu năng lƣợng cho thế kỷ 21 đã tăng rất nhanh do sự gia tăng bùng nổ
quy mô sản xuất trong thời đại toàn cầu hóa và hội nhập các nền kinh tế thế giới,
cũng nhƣ do sự gia tăng dân số quá nhanh (hiện nay đã hơn 7 tỉ ngƣời, đến giữa thế
kỷ ƣớc tính tăng 40% so với hiện nay. Nhu cầu tiêu thụ dầu ngày càng tăng kéo theo
các cuộc khủng hoảng dầu mỏ, cuộc khủng hoảng lần thứ nhất xảy ra năm 1973 do
cuộc chiến Trung Đông, cuộc khủng hoảng thứ hai xảy ra năm 1979, giá dầu tăng
gấp đôi, là hậu quả của cuộc cách mạng Hồi giáo ở Iran. Trong những năm qua, giá
dầu có những biến động khác thƣờng. Ngƣời ta lo lắng xảy ra cuộc khủng hoảng
dầu mỏ mới khi giá dầu tăng chạm mức 150 USD/thùng. Ngoài ra, các nguồn năng

lƣợng không tái tạo khác (than, khí thiên nhiên…) cũng đang dần cạn kiệt.
Theo đánh giá của cơ quan năng lƣợng thế giới (IEA), mức tiêu thụ năng
lƣợng hằng năm sẽ tăng thêm hơn 1,7%. Năm 2004, Liên Hiệp Quốc đánh giá
trong World Energy Asessment Overview, tổng dự trữ năng lƣợng hóa thạch trên
thế giới là 778 Gtoe, trong đó dầu mỏ 143 Gtoe, khí thiên nhiên 138 Gtoe, than 566
Gtoe. Nếu mức sử dụng trung bình mỗi năm dầu mỏ 3,51 Gtoe, khí thiên nhiên 2,16
Gtoe, than 2,26 Gtoe thì lƣợng dầu mỏ chỉ còn dùng đƣợc khoảng 41 năm nữa, 64
năm nữa đối với khí thiên nhiên và 251 năm nữa đối với than. Mất an ninh năng
lƣợng sẽ đe dọa sự phát triển kinh tế của nhiều quốc gia. Con đƣờng mà các nhà
lãnh đạo vạch ra là tiến tới giảm bớt hoặc giảm hẳn sự phụ thuộc của nền kinh tế
vào dầu khí, từ đó có thể ổn định và phát triển nền kinh tế bền vững.
1.2. Lịch sử của vấn đề
Nền kinh tế phát triển nhanh chóng, khoa học kĩ thuật hiện đại ngày một cao,
điều đó cũng có nghĩa là nhu cầu năng lƣợng ngày một tăng cao. Những nguồn năng
lƣợng không tái tạo (than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên…) bị khai thác quá mức và
dần trở nên cạn kiệt. Hơn nữa, khi sử dụng các nguồn năng lƣợng này, sản phẩm
cháy phát thải ra khí CO2 ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng. Ngoài CO2 – thủ phạm
chính gây ra hiệu ứng nhà kính, thì còn thải ra các khí khác cũng gây hiệu ứng nhà
kính (CH4, NOx…)
Ô nhiễm môi trƣờng, thải ra chất thải độc hại trong quá trình sản xuất và tiêu
thụ các dạng năng lƣợng không tái tạo dẫn đến thủng tầng ozon, hiệu ứng nhà kính,
ô nhiễm môi trƣờng sinh thái… xảy ra ngày một trầm trọng. Hàng năm các tổ chức
quốc tế về năng lƣợng, môi trƣờng nhƣ Cơ quan năng lƣợng nguyên tử quốc tế
GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 1 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn

(IAEA), Greenpeace Organization - tổ chức hòa bình xanh… luôn tổ chức các hội
nghị cấp cao để tìm ra các biện pháp pháp năng lƣợng mới hiệu quả an toàn cho
Trái Đất nhằm bảo vệ sự sống còn của con ngƣời trong tƣơng lai. Các nguồn năng
lƣợng mới này vừa đảm bảo an ninh năng lƣợng cho mỗi quốc gia, lại vừa mang lại
cho loài ngƣời chất lƣợng cao và một môi trƣờng sống sạch đẹp.
2. Mục đích của đề tài
Đánh giá thực trạng sử dụng các nguồn năng lƣợng mới làm cơ sở đề xuất
biện pháp pháp sử dụng hiệu quả các dạng năng lƣợng mới Việt Nam.
3. Mục tiêu của đề tài
Luận văn đề ra ba mục tiêu chính nhƣ sau:


Hình thành cơ sở lý thuyết vật lý về các nguồn năng lƣợng mới.



Thực trạng sử dụng các dạng năng lƣợng mới trên thế giới, từ đó so sánh,
phân tích các ƣu - nhƣợc điểm của chúng đối với các điều kiện Việt
Nam.



Đƣa ra biện pháp pháp cho việc sử dụng các dạng năng lƣợng mới cho
Việt Nam.

4. Phƣơng pháp và phƣơng tiện nghiên cứu đề tài
4.1. Phƣơng pháp thực hiện đề tài
 Nghiên cứu các nguồn năng lƣợng mới đang đƣợc thế giới sử dụng và chọn ra
tám nguồn năng lƣợng có triển vọng nhất đối với Việt Nam.
 Nghiên cứu lý thuyết về từng dạng năng lƣợng mới và các nguyên tắc khai

thác - sử dụng tám nguồn năng lƣợng này trong thực tế.
 Thực trạng sử dụng của từng dạng năng lƣợng mới trên thế giới và Việt Nam.
 Đề xuất biện pháp pháp sử dụng hiệu quả tám dạng năng lƣợng ở Việt Nam.
4.2. Phƣơng tiện thực hiện đề tài
 Các tài liệu tham khảo: các giáo trình chuyên ngành vật lý, điện - điện tử, vật
lý môi trƣờng.
 Các công trình nghiên cứu khoa học về các dạng năng lƣợng mới – tái tạo, các
báo cáo khoa học, số liệu thực tế của các tổ chức năng lƣợng.
 Các website khoa học, bài phát minh mới về tiết kiệm và sử dụng năng lƣợng
hiệu quả, các dự án năng lƣợng tái tạo bảo vệ môi trƣờng.
5. Giới hạn của đề tài
Đề tài đã đánh giá đƣợc thực trạng, tiềm năng để phát triển các nguồn năng
lƣợng mới và đề xuất đƣợc một số biện pháp pháp phát triển ở Việt Nam. Tuy nhiên
chƣa thể tìm hiểu thực tế trong nƣớc.


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

6. Các bƣớc thực hiện đề tài
Bƣớc 1: Nhận đề tài
Bƣớc 2. Tìm kiếm tài liệu, thông tin có liên quan tới đề tài.
Bƣớc 3. Đọc và phân tích các thông tin, từ đó viết đề cƣơng.
Bƣớc 4. Viết đề tài theo đề cƣơng và trao đổi với giáo viên hƣớng dẫn.
Bƣớc 5. Viết bài luận, chỉnh sửa, hoàn thiện bài viết.
Bƣớc 6. Viết báo cáo.
Bƣớc 7. Bảo vệ luận văn.

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 3 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


Phần 2. NỘI DUNG
Chƣơng 1
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

1.1. Khái niệm cơ bản về năng lƣợng Mặt Trời
1.1.1. Năng lƣợng Mặt Trời
Năng lƣợng Mặt Trời là một trong những nguồn năng lƣợng tái tạo quan
trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho chúng ta, nó ảnh hƣởng đến sự tồn tại và
phát triển của sự sống trên Trái Đất. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn
năng lƣợng tái tạo khác. Năng lƣợng Mặt Trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để
khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết đặc trƣng và tính chất cơ bản
của nó.
Nguồn gốc của năng lƣợng Mặt Trời là sản phẩm của các phản ứng nhiệt
hạch hạt nhân. Nhiệt độ mặt ngoài của Mặt Trời khoảng 6000 K, còn bên trong có
thể lên đến hàng triệu độ và áp suất bên trong Mặt Trời cao hơn 340.108 MPa, do đó
vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lƣợng rất lớn. Vật chất
va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Năng lƣợng Mặt Trời
đƣợc tạo thành từ hai phản ứng hạt nhân chủ yếu, đó là các phản ứng tuần hoàn giữa
các hạt nhân cacbon và nitơ (C-N) và phản ứng hạt nhân proton – proton.
Cả hai phản ứng trên đều là sự kết hợp bốn hạt nhân nguyên tử Hydrogen để
tạo ra hạt nhân nguyên tử hêli (hạt  ). Sự kết hợp này sẽ sinh ra một độ hụt khối
m . Theo thuyết tƣơng đối của Einstein và qua phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, khối

lƣợng có thể chuyển hóa thành năng lƣợng theo hệ thức E  m.c 2 . Các phản ứng

nhiệt hạch xảy ra liên tục, mỗi giây trôi qua, Mặt Trời biện pháp phóng ra không
gian xung quanh 3,827.1026 Jule, nhƣ vậy trong một ngày sẽ có 3,307.1031 Jule
đƣợc biện pháp phóng từ Mặt Trời.
1.1.2. Bức xạ Mặt Trời
Năng lƣợng Mặt Trời lan truyền trong vũ trụ dƣới dạng các sóng điện từ,
đƣợc gọi là bức xạ điện từ chuyển động trong chân không với vận tốc gần bằng vận
tốc ánh sáng. Trong môi trƣờng vật chất, vận tốc truyền sóng nhỏ hơn v  c / n, n  1
là chiết suất tuyệt đối của môi trƣờng. Trái Đất sẽ nhận đƣợc các bức xạ từ Mặt
Trời, nhƣng trƣớc khi đến Trái Đất, các bức xạ này sẽ đi qua lớp khí quyển của Trái


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

Đất, vì thế sẽ có sự khác biệt giữa bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển và trên bề mặt
Trái Đất.
1.1.2.1. Bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển Trái Đất
Khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời khá lớn so với đƣờng kính
Mặt Trời nên có thể xem các bức xạ Mặt Trời đến Trái Đất dƣới dạng các tia song
song, mật độ dòng năng lƣợng từ Mặt Trời đến Trái Đất có thể xem là không đổi.
Khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời có thay đổi chút ít trong năm do Trái Đất
chuyển động trên quỹ đạo elip mà Mặt Trời là một tiêu điểm. Do đó mật độ năng
lƣợng Mặt Trời ngoài khí quyển bị thay đổi một lƣợng nhỏ theo công thức:
365 

'
I SC
 I SC 1  0,033 cos
n

360 


(1.1)

Trong đó, n là số thứ tự ngày trong năm ( n  1 là ngày 01 tháng 01),
I SC  1535W / m2 là hằng số Mặt Trời.

Hình 1.1. Phân bố năng lƣợng trong phổ bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển.

Phổ bức xạ tăng rất nhanh theo bƣớc sóng, đạt cực đại ở bƣớc sóng 0,48m ,
khi bƣớc sóng càng tăng thêm thì phổ bức xạ giảm dần đến 0. Khoảng 99% bức xạ
của Mặt Trời nằm trong khoảng bƣớc sóng 0,2m đến 0,4m .
Bức xạ của Mặt Trời xem nhƣ bức xạ của vật đen tuyệt đối theo định luật
Stefan-Boltzmann.
1.1.2.2. Bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Trái Đất
Trái Đất đƣợc bao phủ bởi tầng khí quyển có bề dày khoảng 7.991 km bao
gồm các phân tử khí, hơi nƣớc, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và các đám
mây. Bức xạ Mặt Trời suy giảm đáng kể khi đi qua hai tầng của khí quyển đó là
tầng bình lƣu và tầng đối lƣu. Tầng bình lƣu nằm trên cùng, có một lớp ozone dày
khoảng vài chục centimet, tầng đối lƣu nằm gần Trái Đất, xảy ra các biến đổi thời
tiết. Ở hai tầng này sẽ xảy ra hiện tƣợng hấp thụ, tán xạ và phản xạ. Sự hấp thụ của

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 5 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn

phân tử ozon O3 và hơi nƣớc H2O trong khí quyển, các phân tử khí và các hạt bụi.
Tán xạ, phản xạ xảy ra khi các bức xạ Mặt Trời gặp các phân tử khí và các hạt bụi,
do đó một phần bức xạ Mặt Trời đi trở lại vũ trụ.
Đối với các ngày mây mù thì sự suy giảm cƣờng độ bức xạ Mặt Trời xảy ra
mạnh hơn những ngày trong sáng. Albedo của hệ khí quyển Trái Đất chính là tổng
các bức xạ Mặt Trời bị phản xạ lại vũ trụ do phản xạ và tán xạ, có giá trị khoảng
30%. Nhƣ vậy Trái Đất nhận đƣợc khoảng 70% các bức xạ từ Mặt Trời gọi là tổng
xạ và chia thành hai thành phần: Bức xạ trực tiếp (trực xạ) là các tia truyền thẳng từ
Mặt Trời đến Trái Đất và bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán (tán xạ) là các tia
bị thay đổi hƣớng ban đầu. Hƣớng của tia trực xạ phụ thuộc vào thời gian và địa
điểm quan sát, trong khi tia tán xạ đến từ mọi điểm đến điểm quan sát.
1.1.2.3. Các góc tạo ra bởi chùm tia bức xạ với các mặt phẳng
Dƣới đây, chúng ta xét đến mối quan hệ hình học giữa bức xạ Mặt Trời tới
trên các mặt phẳng đƣợc bố trí bất kỳ trên mặt đất, tức là chúng ta xét các góc đặc
trƣng cho vị trí của Mặt Trời so với mặt phẳng đó (Hình 1.2). Trong đó:
 Góc thiên đỉnh  z là góc hợp bởi tia bức xạ và pháp tuyến của mặt phẳng nằm
ngang.
 Góc  là góc tới, hợp bởi tia bức xạ và pháp tuyến của mặt phẳng nằm
nghiêng.
 Góc cao Mặt Trời  là góc giữa phƣơng nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, là
góc phụ của góc thiên đỉnh.
 Góc nghiêng  là góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phƣơng nằm
ngang, 0    180 .
 Góc phƣơng vị mặt phẳng nghiêng  là góc lệch của hình chiếu pháp tuyến
mặt phẳng nghiêng trên mặt phẳng nằm ngang so với đƣờng kinh tuyến.
Góc  = 0 nếu bề mặt quay về hƣớng chính nam (N),  lấy dấu (+) nếu bề mặt
quay về phía tây (T) và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông (Đ),

180    180 .
 Góc phƣơng vị Mặt Trời  s là góc lệch giữa hình chiếu tia tới trên mặt phẳng

nằm ngang và phƣơng chính nam. Góc này lấy dấu dƣơng nếu hình chiếu lệch
về phía đông, lấy dấu âm nếu hình chiếu lệch về phía tây.
 Góc lệch  : vị trí góc của Mặt Trời tƣơng ứng với giờ Mặt Trời là 12 giờ (tức
là khi Mặt Trời đi qua kinh tuyến địa phƣơng) so với mặt phẳng của xích đạo
trái đất, với hƣớng phía Bắc là hƣớng dƣơng, 23,45    23,45 . Góc lệch

 có thể tính toán theo phƣơng trình của Cooper:


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

  23, 45.sin 360


284  n 
365 

(1.2)

 Trong đó n là thứ tự ngày của một năm.
 Góc vĩ tuyến  (vĩ độ) của một địa phƣơng nào đó là góc tạo bởi bán kính của
Trái Đất đi qua địa phƣơng đó và hình chiếu của nó trên mặt phẳng quỹ đạo
của Trái Đất. Vĩ độ của các địa phƣơng trên mặt đất biến thiên từ 0 (đƣờng
xích đạo) đến +90o (điểm cực Bắc) hay -90o (điểm cực Nam).

Hình 1.2. Thành phần trực xạ trên các mặt phẳng.



Góc giờ Mặt Trời  là góc xác định vị trí của Mặt Trời trên bầu trời tại một thời

điểm bất kỳ. Ngƣời ta quy ƣớc Mặt Trời ở đỉnh đầu (lúc 12 giờ trƣa)  = 0 và
lấy giá trị 150 cho một giờ đồng hồ.
1.1.2.4. Cƣờng độ của bức xạ tới trên các mặt phẳng và hệ số chuyển đổi bức xạ
Nếu gọi cƣờng độ của chùm bức xạ tới là IN hợp với pháp tuyến mặt phẳng
nằm ngang đó một góc  z thì mặt phẳng ngang đó nhận đƣợc cƣờng độ bức xạ IH
đƣợc xác định theo hệ thức: I H  I N .sin   I N .cos  z

(1.3)

Trong đó, ngƣời ta xác định đƣợc hệ thức liên hệ giữa góc độ cao Mặt Trời

 tại một điểm bất kỳ theo góc giờ  vào một ngày bất kỳ trong năm theo góc
lệch  nhờ hệ thức sau: sin   coscos cos  sin  sin 
(1.4)
Khi cũng ở độ cao  nhƣng tia trực xạ IN chiếu lên mặt phẳng nghiêng với
góc tới  , khi đó cƣờng độ tia bức xạ I  trên mặt phẳng nghiêng là:
I   I N .cos

(1.5)

Với: cos  sin  .cos  cos .sin  .cos  s   

(1.6)

Hình 1.3. Tia bức xạ tới trên mặt phẳng ngang. Hình 1.4. Tia bức xạ tới trên mặt phẳng nghiêng.

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 7 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


Đặt biểu thức của sin  (1.4) vào biểu thức (1.6) và dùng các hệ thức:

cos .cos s  sin cos cos  cos sin 
và

cos .sin  s  cos sin 

Ngƣời ta rút ra đƣợc biểu thức xác định góc tới  :
cos  sin  .sin .cos  sin  .cos.sin  .cos  cos.cos .cos .cos  cos .cos.sin .sin  .cos
cos .sin .sin  .sin 
1.7 
Trong nhiều trƣờng hợp phép tính còn đƣợc đơn giản hóa. Ví dụ, tại thời
điểm 12h   0  thì số hạng cuối trong biểu thức (1.7) bằng không, đƣợc loại bỏ.
Nếu góc nghiêng   900 thì số hạng thứ hai, ba và năm có phần tử bằng không, nên
loại bỏ. Còn nếu   00 (ứng với mặt phẳng nằm ngang) thì phƣơng trình (1.7) chỉ
còn:

cos z  cos  sin  .sin   cos .cos.cos

(1.8)

Trong thực tế, các bộ thu đƣợc đặt trên các mặt phẳng nghiêng, góc nghiêng
phụ thuộc vĩ tuyến, vĩ tuyến càng lớn góc nghiêng  càng lớn (ở phía Bắc Bán Cầu
đặt nghiêng hƣớng về phía Nam Bán Cầu và ngƣợc lại) để có góc tới  bé nhất, tức

là lúc đó bộ thu nhận đƣợc giá trị cƣờng độ bức xạ lớn nhất. Do đó, khi tính toán bộ
thu ta phải xác định hệ số chuyển đổi giá trị bức xạ của bề mặt nghiêng so với bề
mặt ngang:

Rb 

H .cos
HT
cos
 n

H
H n .cos z cos z

(1.9)

Trong đó: Rb đƣợc gọi là hệ số chuyển đổi trực xạ, Hn cƣờng độ trực xạ, H là cƣờng
độ tổng xạ trên mặt phẳng ngang và HT là tổng xạ gửi tới mặt phẳng nghiêng.
1.1.3. Số liệu bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam

Hình 1.5. Các đƣờng cong ghi các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ trong một ngày trong sáng.


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

Phần lớn các số liệu về bức xạ Mặt Trời đƣợc đo ở trên mặt nằm ngang ở các
Trạm Khí Tƣợng Thủy Văn. Trên Hình 1.5 trình bày các đƣờng cong ghi đƣợc
trong một ngày trong sáng đối với các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ. Qua hình vẽ

ta thấy, sự biến đổi của bức xạ Mặt Trời là khá trơn tru và có một cực đại giữa trƣa.
Đối với các ngày mây mù các đƣờng cong trên sẽ biến đổi phức tạp với rất nhiều
cực đại và cực tiểu phụ. Mật độ năng lƣợng thƣờng đƣợc đo bằng cal/cm2 hay
J/cm2. Để đánh giá bức xạ Mặt Trời tại một địa phƣơng nào đó, ngƣời ta dựa vào
mật độ năng lƣợng Mặt Trời trung bình ngày và số giờ nắng trung bình hành tháng
trong năm và cả năm. Các giờ nắng đƣợc tính khi cƣờng độ bức xạ Mặt Trời có giá
trị lớn hơn 140 W/m2.
Bảng 1.1. Lƣợng tổng xạ bức xạ Mặt Trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số
địa phƣơng Việt Nam.

Địa
phƣơng

TT

1
2
3
4
5

Tổng xạ bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm
(đơn vị: MJ/m2.ngày)
1
7

2
8

3

9

4
10

5
11

6
12

8,21

8,72

10,43

12,70

16,81

17,56

18,81

19,11

17,60

13,57

11,27

9,37

Láng

8,76

8,63

9,09

12,44

18,94

19,11

(Hà Nội)

20,11

18,23

17,22

15,04

12,40

10,66

Vinh

8,88

8,13

9,34

14,50

20,03

19,78

21,79

16,39

15,92

13,16

10,22

9,01

12,44

14,87

18,02

20,28

22,17

21,04

22,84

20,78

17,93

14,29

10,43

8,47

17,51

20,07

20,95

20,88

16,72

15,00

16,68

15,29

16,38

15,54

15,25

16,38

Cao Bằng

Đà Nẵng
Cần Thơ

Bảng 1.2. Số giờ nắng trung bình cả năm của các vùng lãnh thổ Việt Nam.

Vùng
lãnh thổ

Tên địa phƣơng

Số giờ nắng trung

bình trong năm

1

Điện Biên, Lai Châu, Sơn La Mộc Châu

1930

2

Lào Cai, Hà Giang, vùng Tây Bắc Bắc Bộ

1452

3

Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng
sông Hồng, Hà Tĩnh

1631

4

Quảng Bình, Quảng Trị, vùng núi Thừa Thiên

1818

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 9 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


- Huế
5

Vùng ven biển từ Quảng Trị, Thừa Thiên -

2294

Huế đến Ninh Thuận

6

Phan Thiết (Bình Thuận)

2961

7

Kon-Tum, Gia Lai, Đăk Lăk, Lâm Đồng

2431

Đông Nam Bộ, TP. Hồ Chí Minh, Đồng bằng

2411

8

sông Cửu Long
Trung bình cả nƣớc

1854

1.2. Nguyên tắc khai thác - sử dụng nguồn năng lƣợng Mặt Trời
Vì năng lƣợng bức xạ Mặt Trời truyền tới Trái Đất dƣới dạng bức xạ sóng
điện từ gồm các tia hồng ngoại và các tia tử ngoại. Do đó ta có thể thu năng lƣợng
Mặt Trời dƣới dạng nhiệt hoặc quang bằng một số phƣơng pháp cụ thể dựa trên ba
quá trình biến đổi cơ bản: quá trình quang nhiệt, quá trình quang điện và quá trình
quang hợp.
Tùy theo nhu cầu sử dụng cụ thể của từng vùng miền, địa phƣơng mà ngƣời
ta biến đổi năng lƣợng Mặt Trời thành những dạng năng lƣợng khác nhƣ nhiệt, điện,
cơ, … Ngày nay ngƣời ta nghiên cứu và tiến hành khai thác nguồn năng lƣợng Mặt
Trời trên hai lĩnh vực chủ yếu:
 Thứ nhất là dùng thiết bị quang điện bán dẫn (hay pin Mặt Trời) để thu và
biến đổi năng lƣợng Mặt Trời trực tiếp thành điện năng.
 Thứ hai là sử dụng năng lƣợng Mặt Trời dƣới dạng nhiệt năng, tức là chúng
ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt Mặt Trời và tích trữ nó dƣới dạng nhiệt
năng để dùng vào nhiều mục đích khác nhau.
1.2.1. Hiệu ứng nhà kính
Hiệu ứng nhà kính đƣợc ứng dụng rộng rãi trong khai thác nhiệt Mặt Trời.
Nguyên lý của hiệu ứng nhà kính nhƣ sau: các loại kính (hay thủy tinh) đƣợc dùng
trong xây dựng thƣờng có hệ số truyền qua rất nhỏ đối với vùng phổ có bƣớc
sóng   0,7 m nên các bức xạ Mặt Trời có bƣớc sóng   0,7 m đƣợc truyền qua,
còn các bức xạ còn lại   0,7 m thì bị kính ngăn lại vì hệ số phản xạ của kính đối
với vùng phổ này rất lớn. Tùy theo tính chất vật liệu và bề dày của tấm kính mà bức
xạ truyền qua nhiều hay ít. Ta xét một hộp thu năng lƣợng Mặt Trời ứng dụng hiệu
ứng nhà kính, cấu tạo của hộp thu năng lƣợng Mặt Trời gồm có: mặt trên hộp là lớp

kính đậy (1), thành cách nhiệt (2) ở đáy và xung quanh hộp làm bằng vật liệu cách


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

nhiệt tốt, mặt trên của đáy hộp có một tấm kim loại phủ lớp sơn đen có hệ số hấp
thụ cao, đƣợc gọi là tấm hấp thụ (3).

Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo hộp bẫy nhiệt – “hiệu ứng nhà kính”.

Khảo sát một tia bức xạ Mặt Trời (H) bất kỳ xuyên qua tấm kính phủ tới mặt
trên của đáy hộp, tấm hấp thụ chuyển hóa năng lƣợng Mặt Trời nhận đƣợc thành
nhiệt năng làm nóng tấm hấp thụ lên. Tấm hấp thụ lúc này trở thành nguồn nhiệt
phát ra các tia bức xạ nhiệt thứ cấp (có bƣớc sóng   0,7 m ) hƣớng ra mọi phía.
Quá trình nhận bức xạ năng lƣợng Mặt Trời diễn ra liên tục, vì thế tấm hấp
thụ cũng liên tục bức xạ nhiệt. Những tia bức xạ nhiệt (5) hƣớng lên trên, gặp tấm
kính phủ thì bị ngăn lại vì kính chỉ cho bức xạ có bƣớc sóng   0,7 m truyền qua.
Những tia này bị phản xạ (6) lại mặt đáy, đƣợc tấm hấp thụ hấp thu lần nữa, làm
cho tấm hấp thụ ngày càng nóng hơn. Nhờ ở hai bên thành và ở đáy hộp có lớp vỏ
cách nhiệt tốt nên hầu hết nhiệt không bị truyền ra ngoài hộp, năng lƣợng nhiệt
đƣợc tạo ra từ bức xạ Mặt Trời bị giữ lại trong hộp, hộp thu đƣợc xem nhƣ một cái
bẫy nhiệt - bức xạ Mặt Trời vào đƣợc nhƣng bức xạ nhiệt không ra đƣợc.
Các quá trình nhƣ trên đƣợc gọi là hiệu ứng nhà kính. Hiệu ứng nhà kính
đƣợc ứng dụng nhiều trong đời sống nhƣ trong các thiết bị sấy, đun nƣớc nóng, sƣởi
ấm bằng năng lƣợng Mặt Trời.
1.2.2. Hiệu ứng quang điện
1.2.2.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là một hiện tƣợng điện - lƣợng tử, khi bề mặt vật rắn

đƣợc chiếu ánh sáng thích hợp, các điện tử hấp thụ năng lƣợng từ các photon thì xảy
ra hiện tƣợng các electron đƣợc biện pháp phóng, sinh ra dòng quang điện. Điều
kiện để xảy ra hiệu ứng quang điện là ánh sáng chiếu tới vật rắn phải có tần số lớn
hơn một tần số ngƣỡng (tần số này tùy thuộc vào bản chất tấm kim loại). Khi các
điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài. Còn
nếu nhƣ các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà chỉ thoát ra khỏi liên kết với

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 11 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


nguyên tử, trở thành điện tử tự do chuyển động trong lòng khối vật dẫn, ta có hiệu
ứng quang điện bên trong.

Hình 1.7. Hiệu ứng quang điện ngoài.

Xét hệ hai mức năng lƣợng điện tử E1 và E2 (trong đó E1 < E2) nhƣ Hình 1.8.
Ở điều kiện bình thƣờng, điện tử chiếm mức năng lƣợng thấp hơn E1. Khi chiếu ánh
sáng vào vật rắn, các điện tử hấp thụ các photon (có năng lƣợng h ) và chuyển lên
mức năng lƣợng cao hơn E2. Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng có dạng:
h  E2  E1

Với h là hằng số Planck,  là tần số ánh sáng.

Hình 1.8. Quá trình lƣợng tử trong hệ hai mức. Hình 1.9. Quá trình lƣợng tử trong hệ hai vùng
năng lƣợng.

Trong các vật rắn, do tƣơng tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành
ngoài, nên các mức năng lƣợng của nó bị tách ra nhiều mức năng lƣợng con rất sát
nhau và tạo thành các vùng năng lƣợng. Các điện tử luôn chiếm đầy vùng năng
lƣợng thấp vì ở đó các điện tử bền vững nhất, ta gọi vùng đó là vùng hóa trị, bờ trên
của vùng hóa trị có năng lƣợng Ev. Vùng năng lƣợng phía trên tiếp đó hoàn toàn
trống hoặc bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dƣới vùng dẫn có năng lƣợng là
Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độ rộng năng
lƣợng Eg, trong đó không có mức năng lƣợng cho phép nào của điện tử (Hình 1.9).
Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lƣợng nhƣ trên, điện tử ở vùng
hóa trị hấp thụ năng lƣợng photon, nó trở thành điện tử tự do e- vƣợt qua vùng cấm,
sự chuyển động có hƣớng của điện tử tự do ở vùng dẫn tạo thành dòng điện. Đồng


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

thời ở vùng hóa trị xuất hiện một trạng thái lƣợng tử bỏ trống hay lỗ trống, đƣợc
xem nhƣ “hạt” mang điện dƣơng, kí hiệu h+. Do tác động của điện trƣờng các
electron trong vùng hóa trị dễ dàng chiếm đầy lỗ trống dù ở mức năng lƣợng thấp
hơn. Vậy lỗ trống cũng tham gia quá trình dẫn điện. Hiệu ứng lƣợng tử của quá
trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phƣơng trình sau:
ev  h  e  h
Điều kiện để điện tử ở vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tửlỗ trống là năng lƣợng photon chiếu vào nó phải lớn hơn năng lƣợng của vùng cấm
Eg. Ta có biểu thức sau:

h 

hc



 Eg  Ec  E

Suy ra bƣớc sóng giới hạn c của ánh sáng để tạo cặp e- và h+ là:

c 

hc
hc

Ec  Ev Eg

Vậy, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lƣợng của
photon h và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống, tức là đã tạo
ra một điện thế. Hiện tƣợng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.
Sau khoảng vài s ở trạng thái điện tử tự do, electron (còn gọi là điện tử) mất
hết năng lƣợng và rơi vào một trong các lỗ trống nằm trong liên kết hóa trị. Quá
trình này gọi là tái kết hợp. Thời gian từ khi electron trở thành điện tử tự do cho đến
khi xảy ra việc tái hợp lại đƣợc gọi là thời gian sống của cặp điện tử – lỗ trống.
1.2.2.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện
Giới hạn lý thuyết của hiệu suất biến đổi năng lƣợng của hệ thống hai mức
đƣợc xác định theo biểu thức sau:

c

Eg  J o    d 
 0
 hc 
 Jo      d 

 
0

(1.10)

Trong đó:

J o    là mật độ photon có bƣớc sóng 
Jo    d  là tổng số photon tới có bƣớc sóng trong khoảng     d 
hc



là năng lƣợng của photon.

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 13 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


Tử số của (1.10) là năng lƣợng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá
trình quang điện, còn mẫu số là tổng năng lƣợng của các photon tới hệ. Nhƣ vậy,

 là một hàm số của E g (vì c cũng là hàm số của Eg) nhƣ trình bày trong Hình 1.10.

Hình 1.10. Hiệu suất biến đổi quang điện phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm của vật liệu.

Nhƣ thấy trên hình,  có giá trị cực đại max gần bằng 0,44 xung quanh giá trị

Eg = 1,5 eV. Kết quả này có tính tổng quát và áp dụng cho các hệ hai mức năng
lƣợng bất kỳ. Năng lƣợng tổn hao trong một quá trình biến đổi quang điện chủ yếu
do hai nguyên nhân sau: các photon có năng lƣợng h  Eg hay   c không bị
điện tử hấp thụ để tạo cặp e  h , mà truyền qua vật rắn. Do quá trình hồi phục,
điện tử và lỗ trống biện pháp phóng năng lƣợng E  h  Eg cho mạng tinh thể vật
rắn để tới đáy các vùng năng lƣợng.
Đối với bán dẫn silicon Si, Eg = 1,16 eV, tính toán cho thấy 23% mất mát
năng lƣợng do photon truyền qua; 33% bị mất do quá trình hồi phục của e  h tới
các bờ vùng EC và EV . Nhƣ vậy đối với quá trình quang điện trên vật liệu Si, thì

  0,44 .
1.3. Các ứng dụng năng lƣợng Mặt Trời trong thực tế
Con ngƣời đã sớm sử dụng năng lƣợng Mặt Trời trong đời sống, nhƣ thiết kế
nhà cửa sao cho giữ đƣợc nhiệt Mặt Trời sƣởi ấm vào mùa đông và giảm đƣợc sự
nắng nóng cho căn nhà vào mùa hè hay “ngồi Bắc hƣớng Nam”, là do hƣớng Nam
nhận đƣợc nhiều ánh sáng Mặt Trời hơn. Trong chiến tranh, năng lƣợng Mặt Trời
cũng trở thành một “vũ khí” đem lại bình yên cho thành phố Syracuse khi tất cả cƣ
dân trong thành dùng gƣơng tập trung ánh sáng chiếu vào và đốt cháy tàu địch.


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

Khi khoa học kỹ thuật phát triển con ngƣời đã tính toán, thiết kế, phát minh ra
các dụng cụ tinh vi hơn nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lƣợng Mặt
Trời. Một số ứng dụng đƣợc quan tâm hiện nay là pin Mặt Trời (hay tế bào quang
điện), bộ thu bức xạ nhiệt Mặt Trời dạng phẳng hoặc dạng hội tụ, parabol…
Pin Mặt Trời là hệ thống tế bào quang điện bán dẫn p – n hoạt động dựa trên
hiệu ứng quang điện bên trong biến đổi năng lƣợng Mặt Trời thành điện năng. Pin

Mặt Trời đƣợc sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin Mặt Trời đƣợc
chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4. Từ tinh thể Si tinh khiết,
để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, ngƣời ta pha tạp chất donor là photpho (P)
có hóa trị 5. Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor đƣợc
dùng pha vào Si là Bo có hóa trị 3.

Hình 1.11. Hiện tƣợng quang điện tạo ra dòng điện.

Khi để trực tiếp dƣới ánh sáng Mặt Trời, một pin silic có đƣờng kính 6 cm có
thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 A ở 0,5 V. Điện năng của pin Mặt Trời đƣợc nạp
vào acquy và đƣợc phân phối đến các bộ phận tiêu thụ điện theo nhu cầu sử dụng.
Trong thực tế, ngƣời ta đã sử dụng tế bào quang điện để tạo ra điện năng cung cấp
cho các tàu vũ trụ, trạm không gian, trạm điện thoại, các máy bơm ở các nơi xa xôi
hẻo lánh, hệ thống làm mát bảo quản vácxin cho các trạm y tế ở vùng xa hoặc làm
hàng rào điện…

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 15 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


Tấm thu bức xạ Mặt Trời dạng phẳng là một hệ tấm phẳng (kính, tấm hấp thụ,
lớp cách nhiệt) đƣợc đặt song song tạo thành một hệ bền vững. Nguyên lý hoạt
động của bộ thu phẳng dựa trên hiệu ứng nhà kính. Một số ứng dụng của bộ thu
phẳng nhƣ trong hệ thống nung nóng không khí, đun nóng nƣớc, chƣng cất nƣớc,
bếp Mặt Trời, hệ thống làm mát hấp thụ, hệ thống sấy gỗ, ngũ cốc…

Hình 1.12. Quy trình sử dụng pin Mặt Trời.

Nguyên lý hoạt động của bình nƣớc nóng Mặt Trời:

Hình 1.13. Bình nƣớc nóng năng lƣợng Mặt Trời.


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý đối lƣu nhiệt tự nhiên và hiện tƣợng hiệu
ứng nhà kính để biến đổi quang năng thành nhiệt năng và bẫy nhiệt để thu giữ lƣợng
nhiệt này. Khi ánh sáng chiếu vào bộ phận thu nhiệt, các ống thủy tinh chân không
với tính năng hấp thụ nhiệt cao, tỷ lệ phát xạ thấp sẽ hấp thụ bức xạ ánh sáng Mặt
Trời và chuyển hoá thành nhiệt năng. Lƣợng nhiệt này sẽ làm nóng lƣợng nƣớc có
trong các ống thủy tinh chân không. Do quá trình đối lƣu nhiệt tự nhiên (nƣớc nóng
đi lên và nƣớc lạnh đi xuống) nên nƣớc nóng tại bình bảo ôn sẽ tăng lên. Quá trình
này sẽ diễn ra liên tục cho đến khi nhiệt độ nƣớc trong bình bảo ôn bằng nhiệt độ
của nƣớc tại thiết bị ống chân không hấp thụ nhiệt (nhiệt độ cao nhất 800C).
Nguyên lý chƣng cất nƣớc:
Chƣng cất nƣớc là một ứng dụng của hiệu ứng nhà kính (Hình 1.14). Mô hình
chƣng cất nƣớc có hình dạng một bể kín, trên nắp bể đƣợc đậy một lớp kính, còn
đáy bể là tấm hấp thụ bức xạ Mặt Trời. Khi nƣớc hấp thụ bức xạ nhiệt, nóng lên và
bốc hơi. Sự làm mát của bề mặt tấm phủ bởi không khí đối lƣu bên ngoài làm cho
các phần tử nƣớc ngƣng tụ lại trên mặt đáy của kính và tích tụ thành giọt chảy vào
khay nƣớc ngọt. Các thiết bị hiện nay có năng suất lên tới 3 - 4 lít/m2/ngày.

Hình 1.14. Mô hình thiết bị chƣng cất nƣớc.

1.4. Thực trạng sử dụng năng lƣợng Mặt Trời trên thế giới và tại Việt Nam

1.4.1. Thế giới
Do những lợi tiện ích mà năng lƣợng Mặt Trời đem lại nên vấn đề sử dụng
năng lƣợng Mặt Trời ngày càng trở nên cần thiết, cần thiết hơn khi dầu mỏ ngày
càng cạn kiệt, giá cả tăng cao. Theo nhƣ Viện chính sách Địa cầu Mỹ, các nhà đầu
tƣ ngày càng quan tâm đến nguồn năng lƣợng mới thay thế dầu mỏ. Và nguồn năng
lƣợng mới đó chính là năng lƣợng Mặt Trời, ƣớc tính đến năm 2012 công suất một
nhà máy điện năng lƣợng Mặt Trời có thể đạt 6.400 kW. Hiện nay các thiết bị thu
ăng lƣợng Mặt Trời đƣợc lắp đặt gia tăng 40%/năm trên thế giới. Giá điện Mặt Trời
vào khoảng từ 0,13 – 0,17 USD/kWh, đủ sức cạnh tranh với nhiệt điện sử dụng khí
đốt.

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 17 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn


Công nghệ sử dụng pin Mặt Trời ngày càng phát triển mạnh. Nhật Bản và
Đức là hai nƣớc đứng đầu về ngành công nghiệp này. Nhật Bản không giàu tài
nguyên khoáng sản nên đặt mực tiêu đến giữa thế kỉ này sẽ đáp ứng đƣợc 50% nhu
cầu điện từ nguồn năng lƣợng Mặt Trời.
Trung Quốc chiếm 80% thị phần thế giới về đung nóng bằng năng lƣợng Mặt
Trời. Nƣớc này đã lắp đặt nhiều hệ thống đun nƣớc bằng năng lƣợng Mặt Trời,
tƣơng đƣơng 10,5 GW.
Ngành công nghiệp phát triển mạnh nhất đó là sản xuất pin Mặt Trời và các
tấm panel pin Mặt Trời. Nhật Bản đứng đầu thế giới về sản xuất pin Mặt Trời, tiếp
đó là Châu Âu, Trung Quốc và Mỹ.
Trong nỗ lực ngăn chặn khí thải gây ô nhiễm môi trƣờng của thế giới, Ấn Độ
đang phát triển dự án hệ thống phục vụ nấu ăn đƣợc sử dụng bằng năng lƣợng Mặt

Trời lớn nhất thế giới. Dự án đƣợc xây dựng ở Shirdi, bang Maharashtra. Hệ thống
này trị giá khoảng 280.000 USD có nhiệm vụ biến nƣớc thành 3.500 kg hơi nƣớc
mỗi ngày, và sau đó đƣợc dùng để nấu nƣớng phục vụ du khách hành hƣơng.
Theo số liệu thống kê, vào đầu năm 2010 công suất điện của các trạm bộ góp
điện Mặt Trời đã lên tới 1 GW và tổng công suất của quang điện mới chiếm 0,1%
tổng công suất điện phát ra. Theo tính toán của các chuyên gia Ủy ban năng lƣợng
quốc tế Liên hiệp quốc (IEA), năng lƣợng Mặt Trời năm 2050 có thể phát ra khoảng
9.000 TW/h tức 20 - 25% lƣợng điện cần thiết cho tiêu dùng của cả hành tinh. Nếu
điều này đƣợc thực hiện, mỗi năm chúng ta sẽ giảm đƣợc 6 tỷ tấn khí CO2 thải ra
môi trƣờng.

Hình 1.15. Chiếc PlanetSolar hoạt động nhờ năng lƣợng Mặt Trời.

Ngày 25/2/2010, con tàu PlanetSolar - hoạt động nhờ năng lƣợng Mặt Trời
của kỹ sƣ Raphael Domjan - ngƣời Đức, Gerard D’Aboville - ngƣời Pháp và đội
ngũ kỹ sƣ quốc tế đã đƣợc giới thiệu tại Kiel, Đức.


Luận văn tốt nghiệp Đại học

Biện pháp sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong tƣơng lai

Hình 1.16. Chiếc máy bay pin Mặt Trời.

Ngày 26/6/2009, Bertrand Piccard - nhà sáng chế ngƣời Thụy Sĩ đã giới thiệu
chiếc máy bay chạy hoàn toàn bằng ánh sáng Mặt Trời, có sải cánh tƣơng đƣơng
loại phi cơ chở khách Boeing 747 nhƣng chỉ nặng chƣa bằng một chiếc xe hơi nhỏ.

Hình 1.17. Thiết bị sử dụng năng lƣợng Mặt
Trời trên dàn khoan ngoài biển.

Hình 1.18. Bếp Mặt Trời tại Đức.

1.4.2. Việt Nam
Khắp lãnh thổ Việt Nam hiện có trên 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi
dữ liệu về năng lƣợng Mặt Trời. Những số liệu thu đƣợc cho thấy năng lƣợng bức
xạ Mặt Trời là 4 – 6 kWh/m2 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. Do giá thành còn
cao (60 cent hay 8.000 đồng cho 1 kWh) nên điện Mặt Trời chƣa đƣợc dùng rộng
rãi. Hiện mới chỉ có năm 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).

GVHD: ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

- Trang 19 -

SVTH: Trƣơng Quốc Tuấn