LUẬN văn sư PHẠM vật lý GIẢI PHÁP sử DỤNG các DẠNG NĂNG LƯỢNG mới TRONG TƯƠNG LAI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM





Luận văn tốt nghiệp đại học
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Tên đề tài:

GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG
MỚI TRONG TƯƠNG LAI

Giáo viên hướng dẫn:
ThS. Dương Quốc Chánh Tín

Cần Thơ, 2011

Sinh viên thực hiện:
Lại Chí Hiếu
MSSV: 1076678
Lớp: SP Vật lý – CN K33


LỜI CẢM ƠN
Người xưa có câu “uống nước nhớ nguồn”, lời dạy này mãi ghi sâu trong
lòng em. Những tri thức mà bốn năm qua em nhận được, đúc kết được là nhờ vào
lòng nhiệt thành, tận tình chỉ dạy của quý thầy cô. Công lao ấy có thể ví như biển
cả, không có gì đền đáp được. Em xin chân thành cảm ơn công ơn của quý thầy cô.

Kiến thức mà quý thầy cô cho em là nền tảng vững chắc giúp em thực hiện đề tài
này, cũng như hành trang vô cùng quý báu vào đời.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Quốc Chánh Tín, thầy luôn
gần gũi, thân thiện và tận tình chỉ bảo em hoàn thành đề tài này. Thầy đã giúp em
định hướng được mục tiêu của đề tài, chỉ dạy cho em biết phương pháp nghiên cứu
khoa học và cách thức trình bày bài luận. Ngoài ra, thầy đã dành nhiều thời gian sửa
chữa từng câu từng chữ trong bài viết, giải đáp kịp thời các vướng mắc trong quá
trình em thực hiện đề tài sao cho bài luận của em hoàn thành kịp tiến độ và hoàn
thiện nhất. Em không những học được ở thầy tri thức khoa học mà còn học được
nhiều đức tính tốt đẹp của thầy.
Em xin chân thành cảm ơn những tác giả của các tài liệu, đã cung cấp cho
em nguồn thông tin chính xác, hỗ trợ em thực hiện tốt đề tài và giúp em mở mang
được nhiều tri thức khoa học mới.
Do còn thiếu kĩ năng, kinh nghiệm về nghiên cứu khoa học nên không thể
tránh được các sai sót dù đã cố gắng nhiều. Vì vậy, em rất mong quý thầy cô và các
độc giả quan tâm đóng góp ý kiến.
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè đã luôn đồng
hành trong suốt những năm vừa qua. Em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công
đến tất cả mọi người
Xin chân thành cảm ơn!


NHẬN XÉT CỦA GVHD
.................................................................................................................................. .....................
...................................................................................... ............................................ .....................
.................................................................................................................................. .....................
.................................................................................................................................. .....................
.................................................................................................................................. .....................
.................................................................................................................................. .....................
.............................................................................................. .........................................................

.................................................................................................................................. .....................
.............................................. .................................................................................... .....................
.................................................................................................................................. .....................
.................................................................................................................................. .....................
...................................................................................................... .................................................
.................................................................................................................................. .....................
...................................................... ............................................................................ .....................
.................................................................................................................................. .....................
.................................................................................................................................. .....................
............................................................................................................... ........................................
.......................................................................................................................................................
................................................................. ......................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
............................................................................................................................ ...........................
.......................................................................................................................................................
.............................................................................. .........................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
........................................................................................................................................ ...............
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................... .............................................................
Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2011
GV HƯỚNG DẪN


NHẬN XÉT CỦA GVPB 1
.......................................................................................................................................................
....................................................................................................................... ................................
.......................................................................................................................................................

....................................................................... ................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
............................................................................................................................... ........................
.......................................................................................................................................................
............................................................................... ........................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
....................................................................................................................................... ................
.......................................................................................................................................................
....................................................................................... ................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
................................................................................................................................................ .......
.......................................................................................................................................................
.................................................................................................. .....................................................
.......................................................................................................................................................
.................................................... ...................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
............................................................................................................... ........................................
.......................................................................................................................................................
................................................................ .......................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
........................................................................................................................... ............................
Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2011
GV PHẢN BIỆN 1

NHẬN XÉT CỦA GVPB 2
............................................................................... ........................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
....................................................................................................................................... ................
.......................................................................................................................................................
....................................................................................... ................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
............................................................................................................................................... ........
.......................................................................................................................................................
............................................................................................... ........................................................
.......................................................................................................................................................
............................................... ........................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
....................................................................................................... ................................................
.......................................................................................................................................................
......................................................... ..............................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.................................................................................................................... ...................................
.......................................................................................................................................................
...................................................................... .................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
......................................................................................................... ..............................................
.......................................................................................................................................................
........................................................... ............................................................................................
.......................................................................................................................................................

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2011
GV PHẢN BIỆN 2


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài: GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG MỚI
TRONG TƯƠNG LAI

Phần 1. MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
2. Mục đích của đề tài
3. Mục tiêu của đề tài
4. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu đề tài
5. Giới hạn của đề tài
6. Các bước thực hiện đề tài
Phần 2. NỘI DUNG
Chương 1. Năng lượng mặt trời
Chương 2. Năng lượng gió
Chương 3. Năng lượng hạt nhân
Chương 4. Năng lượng sinh khối
Chương 5. Năng lượng địa nhiệt
Chương 6. Năng lượng thủy
triều
Chương 7. Năng lượng nhiệt đại dương
Chương 8. Năng lượng Hidro.
Phần 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
2. Kiến nghị
3. Những dự định trong tương lai.

MỤC LỤC

Lời cảm ơn
Nhận xét của giáo viên
Tóm tắt luận văn
Mục lục
Danh sách các chữ viết tắt

Trang
Phần 1. MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
a. Năng lượng và thực trạng sử dụng năng lượng
b. Lịch sử của vấn đề
2. Mục đích của đề tài
3. Mục tiêu của đề tài
4. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu đề tài
5. Giới hạn của đề tài
6. Các bước thực hiện đề tài
Phần 2. NỘI DUNG
Chương 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Vài nét về Mặt Trời ....................................................................................... 1
1.1.1. Năng lượng mặt trời .........................................................................1
1.1.2. Bức xạ mặt trời
1.1.2.1. Bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển Trái Đất ....................................1
1.1.2.2. Bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Trái Đất ...........................................2
1.1.2.3. Các góc tạo ra bởi chùm tia bức xạ với các mặt phẳng ..................3
1.1.2.4. Cường độ của bức xạ tới trên các mặt phẳng và hệ số chuyển đổi
bức xạ...................................................................................................................4

1.1.3. Số liệu bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam .............................................. 6
1.2. Nguyên tắc khai thác - sử dụng nguồn NLMT ............................................... 7
1.2.1. Hiệu ứng nhà kính............................................................................. 7
1.2.2. Hiệu ứng quang điện .........................................................................8
1.2.2.1. Hiệu ứng quang điện ...................................................................... 9
1.2.2.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện ...................................10
1.3. Các ứng dụng NLMT trong thực tế ................................................................11
1.4. Thực trạng sử dụng NLMT trên thế giới và tại Việt Nam............................... 14
1.4.1. Thế giới
1.4.2. Việt Nam
1.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng NLMT ở Việt Nam ...................................18
1.5.1. Ưu điểm
1.5.2. Khuyết điểm
i


1.5.3. Đề xuất phương án phát triển NLMT ở Việt Nam ............................ 19

Chương 2. NĂNG LƯỢNG GIÓ
2.1. Khái niệm cơ bản về năng lượng gió............................................................ 24
2.2. Nguyên tắc khai thác - sử dụng NLG ........................................................... 24
2.3. Các ứng dụng NLG trong thực tế ................................................................. 27
2.3.1. Động cơ gió phát điện
2.3.2. Động cơ gió bơm nước
2.4. Thực trạng sử dụng NLG trên thế giới và Việt Nam .................................... 28
2.4.1. Thế giới
2.4.2. Tình hình Việt Nam
2.5. Đánh giá tình khả thi khi sử dụng NLG tại Việt Nam .................................. 30
2.5.1. Những thuận lợi ........................................................................................ 30
2.5.2. Những bất lợi và khó khăn ........................................................................ 31

2.5.3. Đề xuất phương án phát triển NLG ở Việt Nam ........................................ 32
Chương 3. NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN
3.1. Các khái niệm cơ bản về NLHN .................................................................. 35
3.2. Nguyên tắc hoạt động của nhà máy điện hạt nhân........................................ 36
3.3. Thực trạng sử dụng NLHN trên thế giới và VN ........................................... 37
3.3.1. Thế giới
3.3.2. Việt Nam
3.4. Các tai nạn ở các các nhà máy điện hạt nhân................................................ 40
3.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng NLHN ở VN ........................................... 41
3.5.1. Thuận lợi .................................................................................................. 41
3.5.2. Những bất lợi, khó khăn............................................................................ 42
3.5.3. Đề xuất phương án phát triển NLHN ở Việt Nam ..................................... 43
Chương 4. NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI
4.1. Khái niệm cơ bản về NLSK ......................................................................... 45
4.2. Nguyên tắc khai thác sử dụng NLSK ........................................................... 45
4.3. Các ứng dụng NLSK trong thực tế............................................................... 46
4.3.1. Sản xuất khí sinh học biogas ..................................................................... 46
4.3.2. Nhà máy điện sinh khối ............................................................................ 47
4.3. Tiềm năng sinh khối của Việt Nam.............................................................. 48
4.4. Thực trạng sử dụng NLSK trên thế giới và Việt Nam .................................. 49
4.4.1. Thế giới
4.4.2. Việt nam
4.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng NLSK ở Việt Nam .................................. 51
4.5.1. Thuận lợi .................................................................................................. 51
4.5.2. Khó khăn, nhược điểm.............................................................................. 52
ii


4.5.3. Đề xuất phương án phát triển NLSK ở Việt Nam ...................................... 53
4.5.3.1. Biogas.................................................................................................... 53

4.5.3.2. Chế xăng nhiên liệu sinh học (bio-ethanol [C2H5OH]) ........................... 54
4.5.3.3. Sản xuất điện từ trấu, mùn cưa, rác... ..................................................... 56
Chương 5. NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
5.1. Khái niệm cơ bản về NLĐN ........................................................................ 58
5.2. Nguyên tắc khai thác - sử dụng .................................................................... 58
5.3. Các ứng dụng NLĐN trong thực tế .............................................................. 59
5.3.1. Phương pháp sử dụng trực tiếp.................................................................. 59
5.3.2. Phương pháp sản xuất điện năng từ NLĐN ............................................... 59
5.4. Tình hình sử dụng NLĐN trên thế giới và Việt Nam.................................... 60
5.4.1. Thế giới
5.4.2. Việt Nam
5.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng NLĐN tại Việt Nam................................ 62
5.5.1. Thuận lợi .................................................................................................. 62
55.2. Hạn chế, khó khăn ..................................................................................... 63
5.5.3. Đề xuất phương án phát triển NLĐN ở Việt Nam ..................................... 63
5.5.3.1. Sưởi ấm địa nhiệt ................................................................................... 63
5.5.3.2. Nước nóng địa nhiệt............................................................................... 64
5.5.3.2. Nhà máy điện địa nhiệt .......................................................................... 64
Chương 6. NĂNG LƯỢNG THỦY TRIỀU
6.1. Khái niệm cơ bản......................................................................................... 66
6.2. Nguyên tắc khai thác thủy triều.................................................................... 67
6.3. Nhà máy điện thủy triều.............................................................................. 67
6.3.1. Phát điện khi triều xuống .......................................................................... 68
6.3.2. Phát điện khi chiều lên.............................................................................. 68
6.3.3. Phát điện cả hai chiều ............................................................................... 68
6.4. Tình hình sử dụng năng lượng thủy triều ..................................................... 68
6.4.1. Thế giới
6.4.2. Việt Nam
6.5. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng hệ thống điện thủy triều ở Việt Nam ....... 70
6.5.1. Ưu điểm.................................................................................................... 70

6.5.2. Nhược điểm .............................................................................................. 71
6.5.3. Đề xuất phương án phát triển năng lượng thủy triều ở Việt Nam .............. 71
Chương 7. NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐẠI DƯƠNG
7.1. Khái niệm cơ bản về năng lượng nhiệt đại dương ........................................ 73
7.2. Nhà máy nhiệt điện đại dương ..................................................................... 73

iii


7.2.1. Nhà máy nhiệt điện đại dương hoạt động theo chu trình kín (OTEC)
7.2.2. Nhà máy nhiệt điện đại dương hoạt động theo chu trình mở (open OTEC)
7.3. Tình hình sử dụng năng lượng nhiệt đại dương ............................................ 74
7.4. Đánh giá tính khả thi khi sử dụng nguồn năng lượng nhiệt đại dương ở Việt
Nam ................................................................................................................... 75
7.4.1. Thuận lợi .................................................................................................. 75
7.4.2. Khó khăn, bất lợi ...................................................................................... 75
7.4.3. Đề xuất phương án phát triển năng lượng nhiệt đại dương ở Việt Nam ..... 76
Chương 8. NĂNG LƯỢNG HYDRO
8.1. Khái niệm cơ bản về Hydrogen và năng lượng Hydrogen ............................ 77
8.2. Nguyên lý sử dụng....................................................................................... 77
8.2.1. Các phương pháp tách điều chế Hydro...................................................... 78
8.2.1.1. Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)... 78
8.2.1.2. Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon) ................ 78
8.2.1.3. Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis) .... 78
8.2.1.4. Điện phân nước...................................................................................... 78
8.2.1.5. Phương pháp sinh học............................................................................ 79
8.3. Ứng dụng nguồn năng lượng từ Hydrogen ................................................... 80
8.3.1. Hydrogen sử dụng làm nhiên liệu động cơ ................................................ 80
8.3.2. Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu ..................................................... 80
8.4. Tình hình sử dụng năng lượng 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 lượng Hydrogen ở Việt Nam .......... 84
8.5.1. Ưu điểm.................................................................................................... 84
8.5.2. Khuyết điểm ............................................................................................. 85
8.5.3. Đề xuất phương án phát triển năng lượng Hidro ở Việt Nam .................... 85
Phần 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
2. Kiến nghị
3. Những dự định trong tương lai
Trích dẫn
Tài liệu tham khảo

iv


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. EU (European Union)- Liên minh châu Âu.
2. IAEA (International Atomic Energy Agency)- Cơ quan năng lượng nguyên tử
quốc tế.
3. IEA (International Energy Agency)- Cơ quan năng lượng quốc tế.
4. ODA - Tổ chức viện trợ phát triển châu Á.
5. OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries)- Tổ chức các nước
xuất khẩu dầu mỏ.
6. WB (World Bank) - Ngân hàng thế giới.
7. WTO (World Trade Organization)- Tổ chức thương mại thế giới.
8. IRENA(International Renewable Energy Agency)- Cơ quan Năng lượng Tái
tạo Quốc tế.
9. UNEP- Chương trình Môi trường Liên hợp quốc.
10. PV OIL- Tổng Công ty Dầu Việt Nam.

11. NLMT - Năng lượng mặt trời.
12. NLG – Năng lượng gió.
13. NLHN – Năng lượng hạt nhân.
14. NMĐHN- Nhà máy điện hạt nhân.
15. NLSK – Năng lượng sinh khối.
16. NLĐN – Năng lượng địa nhiệt.
17. EVN - Tập đoàn Điện lực Việt Nam.
18. PV Power - Tổng Công ty Điện lực Dầu khí Việt Nam.
19. Bộ NN&PTNT - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.
20. UBND - Ủy ban nhân dân.
21. TOE - đơn vị tính năng lượng qui đổi tương đương với 01 tấn dầu


Phần 1. MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
a. Năng lượng và thực trạng sử dụng năng lượng
Nhu cầu năng lượng 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 như do sự gia tăng dân số quá nhanh (hiện nay đã hơn 6,5 tỉ người, đến giữa
thế kỷ ước tính tăng 40%, tức 9,1 tỷ), với mức sống nâng cao hơn nhiều so với thế
kỷ trước. Theo đánh giá của cơ quan năng lượng thế giới (IEA), mức tiêu thụ năng
lượng hằng năm sẽ tăng thêm hơn 1,7%. Điển hình như Trung Quốc những năm gần
đây có mức tăng trưởng kinh tế mỗi năm gần 10%, mức tiêu thụ dầu mỏ tăng 15%.
Vì vậy, Trung Quốc và các nước đang phát triển như Việt Nam đang rất cần năng
lượng (nhất là dầu mỏ) để phát triển đất nước. Trong khi đó, các cường quốc kinh tế
như Mỹ, Nhật, Nga và các nước châu Âu cũng rất cần năng lượng để củng cố vị trí
ảnh hưởng kinh tế, chính trị trên thế giới. Hai cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm
1973 và 1979 đã đẩy giá dầu tăng nhanh với tốc độ chóng mặt từ 50USD/thùng lên
100USD/thùng. Đến tháng 4 năm 2011 giá xăng dầu đã lên mức 120 đến

125USD/thùng. Các cuộc khủng hoảng dầu mỏ là nguyên nhân của các vụ xung đột
giữa các nước Trung Đông, và hậu quả là sản xuất của các nước bị ngưng trệ, các
nước OPEC thực hiện cấm vận không cung cấp dầu cho Mỹ, tranh chấp giữa các
nước Israel với Syrie và Ai Cập.
Theo báo cáo nghiên cứu của Liên Hiệp Quốc năm 2004, tổng dự trữ năng
lượng 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 là dầu mỏ
3,51 Gtoe, khí thiên nhiên 2,16 Gtoe, than 2,26 Gtoe thì lượng tài nguyên hóa thạch
dầu mỏ chỉ còn dùng được khoảng 41 năm nữa (tức năm 2045), 64 năm với khí
thiên nhiên và 251 năm đối với than. Viễn cảnh không còn dầu, khí trong thế kỷ này
là một sự khó khăn lớn đối với nhân loại vì chúng ta đã quá lệ thuộc vào dầu khí.
b. Lịch sử của vấn đề
Khi nền văn minh, khoa học kỹ thuật của nhân loại một ngày một cao, dẫn
đến kinh tế phát triển với tốc độ nhanh, điều đó giúp đời sống con người được nâng
cao, chất lượng hơn; do đó, nhu cầu sử dụng năng lượng cho sản xuất và giải trí của
con người tăng rất nhanh. Tuy nhiên, dần dần chúng ta nhận ra rằng các nguồn năng
lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ… mà chúng ta đang sử dụng ngày càng
khan hiếm và đặc biệt là hậu quả của việc sử dụng chúng. Vấn đề ô nhiễm môi
trường, chất thải độc hại trong quá trình sản xuất và tiêu thụ các dạng năng lượng
truyền thống như than, dầu mỏ… dẫn đến lủng tầng ozon, nhiệt Trái Đất tăng, ô
nhiễm môi trường sinh thái… càng ngày càng được toàn thế giới quan tâm. Hàng


năm các tổ chức quốc tế về năng lượng, môi trường như Cơ quan năng lượng
nguyên tử quốc tế (IAEA), Greenpeace Organization - tổ chức hòa bình xanh,…
luôn tổ chức các hội nghị cấp cao để tìm ra các giải pháp năng lượng mới hiệu quả
an toàn cho Trái Đất nhằm bảo vệ sự sống còn của con người trong tương lai. Các
nguồn năng lượng mới này vừa đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia, lại
vừa mang lại cho loài người chất lượng cao và một môi trường sống sạch đẹp.
2. Mục đích của đề tài

Đánh giá tính khả thi của từng dạng năng lượng mới. Từ đó đề xuất giải pháp
cho việc sử dụng hiệu quả các dạng năng lượng mới trong tương lai ở Việt Nam.
3. Mục tiêu của đề tài
Bài luận đề ra ba mục tiêu chính như sau:
o Xây dựng cơ sở lý thuyết vật lý để người đọc có thể tiếp cận dễ dàng
khi tiếp cận với các dạng năng lượng mới.
o Tìm hiểu các dạng năng lượng mới đang được sử dụng rộng rãi trên thế
giới; từ đó so sánh, phân tích các ưu - nhược điểm của chúng đối với các
điều kiện Việt Nam.
o Đưa ra giải pháp cho việc sử dụng các dạng năng lượng mới.
4. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu đề tài
a.
Phương pháp thực hiện đề tài

Đọc, tìm ra các nguồn năng lượng mới đang được thế giới sử dụng và
chọn ra tám nguồn năng lượng có triển vọng nhất đối với Việt Nam để
nghiên cứu.

Nghiên cứu lý thuyết về từng dạng năng lượng mới và các nguyên tắc
khai thác - sử dụng các nguồn năng lượng này trong thực tế và trong
tương lai được các nước tiên tiến quan tâm.

Phân tích các ứng dụng của từng dạng năng lượng mới trên thế giới và
Việt Nam.

Tìm hiểu tình hình sử dụng các dạng năng lượng mới trên thế giới. Đặc
biệt, tìm hiểu thực trạng sử dụng và tiềm năng các nguồn năng lượng
mới này ở Việt Nam.

Rút ra dạng năng lượng mới và một trong các ứng dụng cụ thể của dạng

năng lượng đó có thể phát triển ở nước ta.
b. Phương tiện thực hiện đề tài
 Các tài liệu tham khảo gồm có: các giáo trình chuyên ngành vật lý,
điện- điện tử, vật lý môi trường.
 Các công trình nghiên cứu khoa học về các dạng năng lượng mới – tái
tạo, các báo cáo khoa học, số liệu thực tế của các tổ chức năng lượng.
 Các trang web khoa học, bài phát minh mới về tiết kiệm và sử dụng
năng lượng hiệu quả, các dự án năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường.


5. Giới hạn của đề tài
Đề tài đã đề ra được một số giải pháp phát triển ngành năng lượng ở Việt
Nam, giúp mọi người nhận thức tốt hơn về trách nhiệm sử dụng năng lượng sao cho
tiết kiệm - hiệu quả. Tuy nhiên, đề tài chưa thực sự đạt được hiệu quả cao, mặc dù
bản thân đã cố gắng học hỏi, sưu tầm nhiều thông tin từ thầy cô, sách vở, các trang
web khoa học, nhưng do đây là một đề tài tương đối mới với nước ta do đó các
nghiên cứu, ứng dụng thực tế trong nước còn khá mới mẻ, khiêm tốn, chủ yếu ở
dạng tiềm năng. Do đó việc tìm hiểu thực tế trong nước là rất khó khăn.
6. Các bước thực hiện đề tài
Bước 1: Nhận đề tài
Bước 2. Tìm kiếm tài liệu, thông tin trên mạng có liên quan tới đề tài.
Bước 3. Đọc và phân tích các thông tin, từ đó viết đề cương.
Bước 4. Tiến hành viết đề tài theo đề cương và trao đổi với GVHD.
Bước 5. Viết bài luận, chỉnh sửa, hoàn thiện bài viết.
Bước 6. Viết báo cáo.
Bước 7. Bảo vệ luận văn.


Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai

Phần 2. NỘI DUNG
Chương 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1. Khái niệm cơ bản về NLMT
1.1.1. Năng lượng mặt trời
NLMT là một nguồn năng lượng sạch, vô tận và nó cũng chính là yếu tố tạo ra
các nguồn năng lượng khác trên trái đất. Vì vậy, NLMT đóng vai trò quan trọng đối
với sự tồn tại và phát triển của sự sống trên trái đất.
Nguồn NLMT được cung cấp từ các phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân
hydro. Thông thường thì phản ứng kết hợp rất khó xảy ra vì các hạt nhân hydro tích
điện dương và đẩy nhau. Nhưng trong lòng Mặt Trời tồn tại nhiệt độ rất cao, cho
phép các phản ứng này xảy ra vì ở nhiệt độ đủ cao khoảng 50 - 100 triệu độ thì các
hạt nhân hydro có động năng đủ lớn để thắng lực đẩy Culomb và tiến lại gần nhau
đến mức mà lực hạt nhân tác dụng và kết hợp chúng lại.

4H 1  He4  2 o  o  2 0 e  Q
1

2

o

o

1

Sự kết hợp giữa bốn nguyên tử hydro có bốn proton, tạo thành một nguyên tử
hêli có số proton ít hơn. Vì thế, khi tạo thành một nguyên tử He xảy ra hiện tượng
hụt khối m và giải phóng năng lượng theo định luật bảo toàn năng lượng của
Einstein E   m c 2 . Năng lượng này tạo ra nhiệt độ rất cao, ở trung tâm khoảng từ

8.106K đến 40.106K và ở bề mặt Mặt Trời khoảng 6000K. Sau đó NLMT được bức
xạ ra ngoài không gian vũ trụ dưới dạng sóng điện từ.
Các quá trình phản ứng nhiệt hạch diễn ra liên tục, làm cho Mặt Trời luôn
phát ra một năng lượng khổng lồ và một phần năng lượng này được truyền tới trái
đất. Các nhà khoa học tính toán được mỗi ngày Mặt Trời sản xuất một nguồn năng
lượng từ phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024kWh, tức là chưa đầy một phần triệu
giây Mặt Trời đã giải phóng ra một năng lượng tương đương với tổng số điện năng
sản xuất trên thế giới. Và năng lượng bức xạ của Mặt Trời lên Trái Đất trong vòng
20 giây tương đương với lượng năng lượng cần thiết cho toàn nhân loại trong vòng
một ngày (tính theo số liệu tiêu thụ năng lượng năm 1986).
1.1.2. Bức xạ Mặt Trời
Bức xạ Mặt Trời có thể hiểu là một dạng năng lượng Mặt Trời được truyền
đi dưới dạng sóng điện từ, nó là quá trình truyền các dao động điện từ trong không
gian. Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng vận tốc ánh
sáng. Bức xạ Mặt Trời truyền tới Trái Đất và biến đổi thành các dạng nhiệt năng. Vì
Trái Đất được bao bọc bởi tầng khí quyển chứa các thành phần vật chất cản trở bức
xạ Mặt Trời, do đó chúng ta phân ra hai loại bức xạ để xét bức xạ Mặt Trời ngoài
khí quyển Trái Đất và trên bề mặt Trái Đất.
1.1.2.1. Bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển Trái Đất

Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

1


Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai
Vì khoảng cách từ Mặt Trời tới Trái Đất là rất lớn so với kích thước Mặt
Trời, nên chúng ta có thể coi các tia Mặt Trời tới Trái Đất gần như song song, mật
độ dòng năng lượng ở phía ngoài khí quyển xem như không đổi. Để đặc trưng cho
điều này, người ta gọi Isc là hằng số Mặt Trời - là cường độ bức xạ đo được trên một

đơn vị diện tích bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, có giá trị gần bằng 1353W/m2.
Tuy nhiên do Trái Đất quay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo elip nên trong một chu kì
quay 365 ngày của nó làm khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời thay đổi dẫn đến hằng
số này thay đổi chút ít. Vì vậy người ta tính giá trị cường độ bức xạ Mặt Trời ở một
ngày bất kỳ theo công thức:
360 

I sc  I sc 1 0,033cos
(1.1)
n
365
Trong đó n là số ngày trong năm tính từ đầu năm, n = 1 là ngày 01 tháng 01.

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

Theo hình 1.1 ta thấy mối quan hệ phụ thuộc của cường độ bức xạ vào bước
sóng của nó. Phần phổ có bước sóng từ 0,2 đến 4  m chiếm 99% toàn bộ năng
lượng bức xạ mặt trời, đạt cực đại ở bức xạ có bước sóng 0,48  m ứng với mật độ
năng lượng 2074W/m2.  m . Phần ánh sáng khả kiến chiếm khoảng phổ hẹp từ 0,4 0,75  m , nhưng chiếm tới 44% năng lượng bức xạ, các tia hồng ngoại chiếm gần
48% và 7% là năng lượng của bức xạ cực tím, còn lại các tia khác chỉ chiếm 1%.
1.1.2.2. Bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Trái Đất
Bức xạ Mặt Trời muốn chiếu xuống bề mặt Trái Đất phải đi qua tầng khí
quyển Trái Đất, có bề dày khoảng 7991km, trong khí quyển chứa gồm có các phân
tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và các đám mây. Chính các
thành phần này cản trở bức xạ điện từ của Mặt Trời, làm suy giảm đáng kể năng
lượng bức xạ của chúng. Các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình các tia Mặt
Trời gặp các thành phần trong khí quyển gồm có tán xạ, phản xạ và hấp thụ.
Ví dụ như khi các bức xạ Mặt Trời đi qua tầng ozon (O3) thì xảy ra hiện
tượng hấp thụ, các bước sóng trong vùng tử ngoại có bước sóng trong khoảng 0,2 0,3  m bị giữ lại; xuống phía dưới các phân tử hơi nước H2O và khí cacbonic hấp
thụ các bức xạ hồng ngoại, hơi nước hấp thụ các bức xạ hồng ngoại trong khoảng 1

Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

2


Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai
- 8  m và 12  m , trong khi đó cacbonic hấp thụ bức xạ hồng ngoại có bước sóng
gần 4  m và bước sóng lớn hơn 13  m . Trong các ngày có nhiều mây mù, sự suy
giảm bức xạ Mặt Trời xảy ra mạnh hơn; năng lượng bức xạ Mặt Trời sẽ bị mất đi
đáng kể do bức xạ Mặt Trời bị phản xạ trở lại vũ trụ khi gặp các đám mây, một
phần bức xạ khác bị hấp thụ vào mây và phần còn lại truyền tiếp tới bề mặt Trái Đất
gọi là bức xạ nhiễu xạ.
Tổng các bức xạ bị phản xạ hay bị tán xạ khi xâm nhập vào tầng khí quyển
được gọi là Albedo của hệ khí quyển Trái Đất, có giá trị vào khoảng 30%.
Vậy tổng bức xạ Mặt Trời tới bề mặt Trái Đất chỉ còn 70% bức xạ ban đầu,
các bức xạ này gồm có bức xạ trực xạ và bức xạ nhiễu xạ (hay bức xạ khuyết tán).
Bức xạ trực xạ là các tia sáng Mặt Trời đi thẳng từ Mặt Trời đến mặt đất, không bị
thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển. Bức xạ nhiễu xạ là bức xạ đến từ nhiều
hướng đối với điểm quan sát, bức xạ này bị thay đổi hướng ban đầu do các hiện
tượng tán xạ, phản xạ tạo ra.
1.1.2.3. Các góc tạo ra bởi chùm tia bức xạ với các mặt phẳng
Dưới đây, chúng ta xét đến mối quan hệ hình học giữa bức xạ Mặt Trời tới
trên các mặt phẳng được bố trí bất kỳ trên mặt đất, tức là chúng ta xét các góc đặc
trưng 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 phương 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 phương nằm
ngang, 0    180 .
 Góc phương vị mặt phẳng nghiêng  là góc lệch của hình chiếu pháp tuyến mặt
phẳng nghiêng trên mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc  = 0 nếu
bề mặt quay về hướng 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 phương vị Mặt Trời  s là góc lệch giữa hình chiếu tia tới trên mặt phẳng
nằm ngang và phương chính nam. Góc này lấy dấu dương 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 tương ứng với giờ Mặt Trời là 12 giờ (tức
là khi Mặt Trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái
đất, với hướng phía Bắc là hướng dương, 23, 45    23, 45 . Góc lệch  có thể


tính toán theo phương trình của Cooper:

  23, 45.sin 360


284  n 
365



(1.2)

Trong đó n là thứ tự ngày của một năm.
Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

3

Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai
 Góc vĩ tuyến  (vĩ độ) của một địa phương nào đó là góc tạo bởi bán kính của
Quả Đất đi qua địa phương đó và hình chiếu của nó trên mặt phẳng quỹ đạo của
Quả Đất. Vĩ độ của các địa phương trên mặt đất biến thiên từ 0 (đường xích đạo)
đến +90o (điểm cực Bắc) hay -90 o (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. Người ta quy ước Mặt Trời ở đỉnh đầu (lúc 12 giờ trưa)  = 0 và lấy
giá trị 150 cho một giờ đồng hồ.
1.1.2.4. Cường độ của bức xạ tới trên các mặt phẳng và hệ số chuyển đổi bức
xạ
Nếu gọi cường 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 được cường độ bức xạ IH
được xác định theo hệ thức: I H  I N .sin   I N .cos  z (1.3)
Trong đó, người ta xác định được 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
(1.4)
lệch  nhờ hệ thức sau: sin   cos cos cos  sin  sin 
Khi cũng ở độ cao  nhưng tia trực xạ IN chiếu lên mặt phẳng nghiêng với
góc tới  , khi đó cường độ tia bức xạ I  trên mặt phẳng nghiêng là:

I   I N .cos 

(1.5)

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

Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

(1.6)

4


Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai

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

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

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 

Người ta rút ra được 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 trường hợp phép tính còn được đơn giản hóa. Ví dụ, tại thời
điểm 12h    0  thì số hạng cuối trong biểu thức (1.7) bằng không, được 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 phương trình (1.7) chỉ
còn:
cos z  cos  sin  .sin   cos .cos.cos
(1.8)
Trong thực tế, các bộ thu được 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 hướng về phía Nam Bán Cầu và ngược lại) để có góc tới  bé nhất, tức
là lúc đó bộ thu nhận được giá trị cường 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:
H
H .cos cos
(1.9)
Rb  T  n

H n .cos z cos z
H
Trong đó: Rb được gọi là hệ số chuyển đổi trực xạ, Hn cường độ trực xạ, H là cường
độ tổng xạ trên mặt phẳng ngang và H T là tổng xạ gửi tới mặt phẳng nghiêng.

Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

5


Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai
1.1.3. Số liệu bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam

Hình 1.5. Thành phần tổng xạ và nhiễu xạ trong một ngày trời trong.

Phần lớn các số liệu về bức xạ Mặt Trời được đo ở trên mặt nằm ngang ở các
Trạm Khí Tượng Thủy Văn. Ví dụ hình 1.5 trình bày các đường cong ghi được
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 trưa.
Đối với các ngày mây mù các đường cong trên sẽ biến đổi phức tạp với rất nhiều
cực đại và cực tiểu phụ. Mật độ năng lượng thường được đo bằng cal/cm2 hay
J/cm2. Để đánh giá bức xạ Mặt Trời tại một địa phương nào đó, người ta dựa vào
mật độ năng lượng Mặt Trời trung bình ngày và số giờ nắng trung bình hành tháng
trong năm và cả năm. Các giờ nắng được tính khi cường độ bức xạ Mặt trời có giá
trị lớn hơn 140W/m 2.
Bảng 1.1 cho số liệu năng lượng Mặt Trời trung bình ngày ở các địa phương khác
nhau ở Việt Nam.
Bảng 1.1. Lượng tổng xạ bức xạ Mặt Trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số
2
địa phương Việt Nam, đơn vị: MJ/m .ngày). [1]

TT

Địa
phương

1

Cao Bằng

2
3

Láng (Hà

Nội)
Vinh

4

Đà Nẵng

5

Cần Thơ

1
7
8,21
18,81
8,76
20,11
8,88
21,79
12,44
22,84
17,51
16,68

Tổng xạ bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm
(đơn vị: MJ/m2.ngày)
2
3
4
5

8
9
10
11
8,72
10,43
12,70
16,81
19,11
17,60
13,57
11,27
8,63
9,09
12,44
18,94
18,23
17,22
15,04
12,40
8,13
9,34
14,50
20,03
16,39
15,92
13,16
10,22
14,87
18,02

20,28
22,17
20,78
17,93
14,29
10,43
20,07
20,95
20,88
16,72
15,29
16,38
15,54
15,25

Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

6
12
17,56
9,37
19,11
10,66
19,78
9,01
21,04
8,47
15,00
16,38
6

Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai

Bảng 1.2. Số giờ nắng trung bình cả năm của các vùng lãnh thổ Việt Nam.[2]

Vùng
lãnh thổ
1
2
3
4
5
6
7
8

Tên địa phương
Điện Biên, Lai Châu, Sơn La Mộc Châu
Lào Cai, Hà Giang, vùng Tây Bắc Bắc Bộ
Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng sông
Hồng, Hà Tĩnh
Quảng Bình, Quảng Trị, vùng núi Thừa Thiên Huế
Vùng ven biển từ Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế
đến Ninh Thuận
Phan Thiết (Bình Thuận)
Kon-Tum, Gia Lai, Đăk Lăk, Lâm Đồng
Đông Nam Bộ, TP. Hồ Chí Minh, Đồng bằng
sông Cửu Long
Trung bình cả nước

Số giờ nắng trung
bình trong năm
1930
1452
1631
1818
2294
2961
2431
2411
1854

1.2. Nguyên tắc khai thác - sử dụng nguồn NLMT
Vì năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới Trái Đất dưới dạng bức xạ sóng
điện từ gồm các tia hồng ngoại và các tia tử ngoại. Do đó ta có thể thu NLMT dưới
dạng nhiệt hoặc quang bằng một số phương 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.
Vật hấp thụ
Kim loại đen
Tế bào quang điện
Thiết bị thu bức xạ Mặt Trời
Thực vật

Chuyển đổi thành
nhiệt
điện
nhiệt
sinh khối

Dạng năng lượng
nhiệt năng
điện năng
nhiệt năng
hóa năng

Tùy theo nhu cầu sử dụng cụ thể của từng vùng miền, địa phương mà người
ta biến đổi NLMT thành những dạng năng lượng khác như nhiệt, điện, cơ… Ngày
nay người ta nghiên cứu và tiến hành khai thác nguồn NLMT trên hai lĩnh vực chủ
yếu. Thứ nhất là dùng thiết bị quang điện bán dẫn hay được gọi là pin Mặt Trời để
thu và biến đổi NLMT trực tiếp thành điện năng. Còn lĩnh vực thứ hai là sử dụng
NLMT dưới dạng nhiệt năng, tức là chúng ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt Mặt
Trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào mục đích khác nhau.
1.2.1. Hiệu ứng nhà kính
Hiệu ứng nhà kính được ứng dụng rộng rãi trong khai thác nhiệt Mặt Trời.
Nguyên lý của hiệu ứng nhà kính như sau: các loại kính (hay thủy tinh) được dùng
trong xây dựng thường có hệ số truyền qua rất nhỏ đối với vùng phổ có bước
sóng   0,7  m nên các bức xạ Mặt Trời có bước sóng   0,7  m được 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
Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

7


Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai
xạ truyền qua nhiều hay ít. Ta xét một hộp thu năng lượng Mặt Trời ứng dụng hiệu
ứng nhà kính, cấu tạo của hộp thu năng lượng 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
nhiệt tốt, mặt trên của đáy hộp có một tấm kim loại phủ lớp sơn đen có hệ số hấp

thụ cao, được 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 lượng Mặt Trời nhận được 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 bước sóng   0, 7  m ) hướng ra mọi phía.
Quá trình nhận bức xạ năng lượng Mặt Trời diễn ra liên tục, vì thế tấm hấp thụ cũng
liên tục bức xạ nhiệt. Những tia bức xạ nhiệt (5) hướng lên trên, gặp tấm kính phủ
thì bị ngăn lại vì kính chỉ cho bức xạ có bước sóng   0,7  m truyền qua. Những tia
này bị phản xạ lại mặt đáy, được 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 lượng nhiệt được tạo ra từ bức xạ
Mặt Trời bị giữ lại trong hộp, hộp thu được xem như một cái bẫy nhiệt - bức xạ Mặt
Trời vào được nhưng bức xạ nhiệt không ra được. Các quá trình như trên được gọi
là hiệu ứng nhà kính. Hiệu ứng nhà kính được ứng dụng nhiều trong đời sống như
trong các thiết bị sấy, đun nước nóng, sưởi ấm bằng năng lượng Mặt Trời.
1.2.2. Hiệu ứng quang điện
1.2.2.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, khi bề mặt vật rắn
được chiếu ánh sáng thích hợp, các điện tử hấp thụ năng lượng từ các photon thì xảy
ra hiện tượng các electron được giải 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 ngưỡng (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 như
các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà chỉ thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở
Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

8

Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai
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.

Ta xét hệ hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E11.8. Ở điều kiện bình thường, điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu
ánh sáng vào vật rắn, các điện tử hấp thụ các photon (có năng lượng h ) và chuyển
lên mức năng lượng cao hơn E2. Phương trình cân bằng năng lượng có dạng:
h  E  E
2
1
Với h là hằng số Planck,  là tần số ánh sáng.

Hình 1.8. Quá trình lượng tử trong hệ
hai mức.

Hình 1.9. Quá trình lượng tử trong hệ hai vùng
năng lượng.

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành
ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát
nhau và tạo thành các vùng năng lượng. Các điện tử luôn chiếm đầy vùng năng
lượng 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 lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn
trống hoặc bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dưới vùng dẫn có năng lượng là
Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độ rộng năng

lượng E g, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử (hình 1.9).

Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

9


Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai
Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng như trên, điện tử ở vùng
hóa trị hấp thụ năng lượng photon, nó trở thành điện tử tự do e vượt qua vùng cấm,
sự chuyển động có hướng của điện tử tự do ở vùng dẫn tạo thành dòng điện. Đồng
thời ở vùng hóa trị xuất hiện một trạng thái lượng tử bỏ trống hay lỗ trống, được
xem như “hạt” mang điện dương, kí hiệu h+. Do tác động của điện trường các
electron trong vùng hóa trị dễ dàng chiếm đầy lỗ trống dù ở mức năng lượng thấp
hơn. Vậy lỗ trống cũng tham gia quá trình dẫn điện. Hiệu ứng lượng tử của quá
trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương 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 lượng photon chiếu vào nó phải lớn hơn năng lượng của vùng cấm
Eg. Ta có biểu thức sau:
hc
h 
 E g  Ec  E

Suy ra bước sóng giới hạn c của ánh sáng để tạo cặp e và h+ là:
hc
hc

Ec  Ev E g
Vậy, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng 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 tượng 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 lượng 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 được gọi là thời gian sống của cặp điện tử – lỗ trống.

c 

1.2.2.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện
Giới hạn lý thuyết của hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ thống hai mức
được xác định theo biểu thức sau:

c

E g  J o    d 

(1.18)
 0
 hc  
d
 Jo  

0
Trong đó:
J o    là mật độ photon có bước sóng 
J o    d  là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng     d 
hc
là năng lượng của photon.


Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

10





Giải pháp sử dụng các dạng năng lượng mới trong tương lai
Tử số của (1.18) là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá
trình quang điện, còn mẫu số là tổng năng lượng của các photon tới hệ. Như vậy,
 là một hàm số của E g (vì c cũng là hàm số của Eg) như 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.

Như 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
lượng bất kỳ. Năng lượng tổn hao trong một quá trình biến đổi quang điện chủ yếu
do hai nguyên nhân sau: các photon có năng lượng h  E g 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 giải phóng năng lượng E  h  E g cho mạng tinh thể vật rắn
để tới đáy các vùng năng lượng.
Đối với bán dẫn silicon Si, Eg = 1,16 eV, tính toán cho thấy 23% mất mát
năng lượng do photon truyền qua; 33% bị mất do quá trình hồi phục của e  h tới
các bờ vùng Ec và E . Như vậy đối với quá trình quang điện trên vật liệu Si, thì
v
  0, 44 .
1.3. Các ứng dụng NLMT trong thực tế
Từ ngày xưa, khi chưa có khoa học kỹ thuật nhưng loài người đã biết lợi

dụng NLMT trong thiết kế nhà cửa sao cho giữ được nhiệt Mặt Trời sưởi ấm vào
mùa đông và giảm được sự nắng nóng cho căn nhà vào mùa hè.
Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật phát triển con người đã tính toán, thiết kế
được các dụng cụ tinh vi hơn nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn NLMT. Một
số ứng dụng được 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 pn hoạt động dựa trên
hiệu ứng quang điện bên trong biến đổi NLMT thành điện năng. Pin mặt trời được
Chương 1. Năng lượng Mặt Trời

11