Nhà máy nhiệt điện mặt trời hoạt động như thế nào?

thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 1



Nhà máy nhiệt điện mặt trời
hoạt động như thế nào?


Nhà máy nhiệt điện mặt trời Hồ Ivanpah Dry ở California, Mĩ. (Ảnh: Nature.com)
Số đông trong chúng ta thường ít quan tâm điện năng từ đâu mà có, mọi người chỉ thấy
là điện có sẵn và có nhiều. Điện năng được sản xuất bằng cách đốt các nhiên liệu hóa
thạch như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên, làm phát thải carbon dioxide, nitrogen
oxide và sulfur oxide – các chất khí mà các nhà khoa học cho là góp phần gây ra sự biến
đổi khí hậu. Năng lượng nhiệt mặt trời là một lựa chọn phi carbon, có thể hồi phục cho
năng lượng mà chúng ta sản xuất với các nhiên liệu hóa thạch như than đá và khí đốt.
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 2

Đây chẳng phải là cái gì đó xa vời. Từ năm 1984 đến 1991, chỉ riêng nước Mĩ đã xây
dựng chín nhà máy như thế trong sa mạc Mojave ở bang California, và hiện nay chúng
cung cấp liên tục 354 megawatt, điện năng đủ dùng cho 500.000 hộ dân California. Đó là
một nguồn năng lượng đáng tin cậy. Vào năm 2008, khi xảy ra sự cố 6 ngày nhu cầu điện
năng tăng đột biến làm nghẽn mạng lưới điện và gây mất điện ở California, chính các
nhà máy nhiệt điện mặt trời đã chạy 110% công suất để góp phần khắc phục sự cố.
Vào thập niên 1990, khi giá khí thiên nhiên sụt giảm, người ta ít chú ý đến năng lượng
nhiệt mặt trời. Tuy nhiên, ngày nay, công nghệ này đang hồi sinh mạnh mẽ. Các nhà máy
điện mặt trời đã tăng về số lượng và quy mô vào năm 2013. Một số ước tính dự đoán
rằng nguồn năng lượng này sẽ sớm qua mặt năng lượng gió.

Nhà máy Shams 1, công suất 100 MW, cấp điện cho 20.000 hộ gia đình ở UAE, đã đi vào hoạt

động từ tháng 3/2013. Shams 1 sẽ cắt giảm lượng khí thải CO
2
của UAE khoảng 175.000 tấn mỗi
năm, tương đương với việc trồng 1,5 triệu cây xanh, hay cắt giảm 15.000 xe hơi trên đường
phố. (Ảnh: Flickr.com)
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 3


Các gương phản xạ của nhà máy Shams 1 ở AEU. Shams 1 có diện tích 2,5 km
2
với 250.000 tấm
gương gắn trên 768 bộ thu hình chão parabol. Các gương parabol tập trung ánh sáng mặt trời
lên những cái ống chứa đầy dầu để làm nóng nước và tạo ra hơi nước sau đó làm quay tuabin.
Vì nằm ở giữa sa mạc, nên nhà máy có một hệ thống làm lạnh khô để giảm lượng nước tiêu thụ.
(Ảnh: Flickr.com)
Theo ước tính của Phòng thí nghiệm Năng lượng Có khả năng hồi phục Quốc gia ở Mĩ thì
năng lượng nhiệt mặt trời có thể cung cấp hàng trăm giagawatt điện năng, tương đương
với hơn 10% nhu cầu điện năng sử dụng ở nước Mĩ.
Có hai phương pháp chính sản xuất điện từ mặt trời: công nghệ quang điện (PV –
photovoltaic) và công nghệ tập trung năng lượng mặt trời (CSP – concentrating solar
power).
Công nghệ quang điện biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Những tấm
pin mặt trời kiểu này thường dùng để cấp điện cho các dụng cụ như đồng hồ, kính mát
và ba lô, hoặc dùng để cấp điện cho các khu vực vùng sâu vùng xa.
Công nghệ nhiệt mặt trời có quy mô lớn hơn. Một khác biệt lớn với công nghệ quang
diện là các nhà máy nhiệt điện mặt trời sản xuất điện năng gián tiếp. Nhiệt thu từ ánh
nắng mặt trời được thu gom và dùng để làm nóng một chất lỏng. Hơi nước tạo ra từ
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 4

chất lỏng nóng đó làm chạy máy phát sản xuất điện. Nghĩa là nhà máy nhiệt điện mặt
trời hoạt động na ná như nhà máy nhiệt điện, chỉ khác là hơi nước được tạo ra bởi nhiệt
thu gom từ ánh nắng thay vì từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch.

Hai nhà máy nhiệt điện mặt trời PS20 (trái) và PS10 (phải) ở Tây Ban Nha. PS10 có 624 cái
gương phản xạ, sản xuất 11 MW điện năng cấp cho 5.500 hộ gia đình. PS20 có 1.255 kính định
nhật, sản xuất 20 MW, và đã đi vào hoạt động hết công suất trong năm 2013. (Ảnh: Flickr.com)
Hai loại nhà máy
Có hai loại hệ thống nhiệt điện mặt trời: thụ động và chủ động. Một hệ thống thụ động
không cần trang thiết bị, giống như khi nhiệt tỏa ra bên trong xe hơi của bạn khi xe đỗ ở
ngoài nắng. Một hệ thống chủ động đòi hỏi một cách nào đó hấp thu và tập trung bức
xạ mặt trời và sau đó dự trữ nó.
Một số nhà máy nhiệt điện mặt trời là các hệ thống chủ động, và trong khi vẫn có một
vài loại khác nhau, nhưng chúng có một số tương đồng căn bản: Các gương phản xạ và
tập trung ánh sáng mặt trời, và các bộ thu gom lấy năng lượng mặt trời và biến đổi nó
thành năng lượng nhiệt. Một máy phát điện có thể được vận hành để phát điện từ năng
lượng nhiệt này.
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 5


Sơ đồ nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng máng parabol.
Loại nhà máy nhiệt điện mặt trời phổ biến nhất, thuộc loại này có các nhà máy trong sa
mạc Mojave ở California, sử dụng một thiết kế máng parabol để thu gom bức xạ mặt
trời. Những bộ thu này được gọi là các hệ thu gom thẳng hàng, và hệ lớn nhất có thể
phát ra 80 megawatt điện năng. Chúng được chế tạo có dạng nửa hình ống kiểu giống
như cầu trượt của trẻ nhỏ, và có các bộ phản xạ hình parabol được lắp hơn 900.000 cái
gương được canh hướng bắc-nam và có thể quay theo hướng mặt trời khi nó di chuyển
từ đông sang tây trong ngày. Do hình dạng của nó, loại nhà máy này có thể đạt tới nhiệt

độ hoạt động khoảng 400 độ C, tập trung các tia sáng mặt trời gấp 30 đến 100 lần cường
độ bình thường của chúng lên trên chất-lỏng-vận-chuyển-nhiệt hoặc các ống chứa đầy
nước/hơi nước. Chất lỏng nóng đó được dùng để tạo ra hơi nước, và hơi nước sau đó
làm quay tuabin của máy phát điện.
Trong khi các thiết kế máng parabol có thể hoạt động ở mức công suất như nhà máy
điện mặt trời, nhưng chúng thường khai thác dưới dạng tổ hợp lai mặt trời và nhiên liệu
hóa thạch, bổ sung thêm kho nhiên liệu hóa thạch làm nguồn dự phòng.
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 6


Các máng parabol của cụm nhà máy nhiệt điện mặt trời Solnova 1, 3 và 4 thuộc hãng Abengoa
Solar ở Tây Ban Nha. Được xây dựng hoàn tất vào năm 2010, mỗi nhà máy Solnova có thể 50
MW điện năng. Ảnh: Flickr.com

Các hệ thống tháp điện mặt trời là một loại khác nữa của hệ thống nhiệt điện mặt trời.
Các tháp điện mặt trời hoạt động dựa trên hàng nghìn kính định nhật, chúng là những
cái gương lớn, luôn hướng theo mặt trời và tập trung bức xạ mặt trời lên trên một bộ
thu duy nhất lắp trên tháp. Giống như các máng parabol, chất lỏng truyền nhiệt hoặc
nước/hơi nước được làm nóng lên trong bộ thu (mặc dù các tháp điện mặt trời có thể
tập trung năng lượng mặt trời nhiều gấp 1500 lần), cuối cùng biến đổi thành hơi nước
và được dùng để sản xuất điện với một tuabin và máy phát điện.

thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 7


Nguyên lí của các nhà máy năng lượng mặt trời tập trung (CSP) thật đơn giản: các gương cong
định nhật bắt lấy ánh sáng mặt trời và tập trung nó vào một ống thu năng lượng mặt trời. Một
môi trường truyền nhiệt, chủ yếu là dầu, chảy qua cái ống này, và được làm nóng lên bởi bức xạ

mặt trời tập trung. Môi trường này truyền nhiệt của nó sang nước, tạo ra hơi nước. Hơi nước
làm quay tuabin của máy phát điện. (Ảnh: Flickr.com)

Các thiết kế tháp điện mặt trời vẫn đang trong giai đoạn phát triển nhưng có thể một
ngày nào đó chúng sẽ được hoàn thiện để mang lại những nhà máy điện sản xuất
khoảng 200 MW cho mỗi tháp.
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 8


Tháp điện mặt trời PS20 ở ngoại ô thành phố Seville, Tây Ban Nha. Nhà máy PS20 sản xuất điện
đủ cấp cho 6000 hộ gia đình. Ảnh: Markel Redondo/Greenpeace.

Một hệ thống thứ ba là động cơ/đĩa mặt trời. So với máng parabol và tháp mặt trời, các
hệ thống đĩa có công suất phát nhỏ hơn (chừng 3 đến 25 kilowatt). Có hai bộ phận
chính: bộ tập trung năng lượng mặt trời (đĩa) và đơn vị biến đổi năng lượng (động
cơ/máy phát điện). Hệ thống đĩa được lắp sao cho luôn hướng về phía mặt trời và thu
lấy năng lượng mặt trời; nó có thể tập trung gấp khoảng 2000 lần mức cường độ bình
thường. Một máy thu nhiệt, một loạt ống chứa một chất lỏng làm nguội (ví dụ như
hydrogen hoặc helium), đặt nằm giữa hệ thống đĩa và động cơ. Nó hấp thu năng lượng
mặt trời tập trung từ hệ thống đĩa, biến nó thành nhiệt và gửi nhiệt đến động cơ chuyển
hóa nó thành điện năng.

thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 9


Sơ đồ hoạt động của nhà máy tháp điện mặt trời.

Một trạm phát điện đĩa mặt trời ở Hermannsburg, NT, Australia. Ảnh: Flickr.com

thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 10


Một đĩa mặt trời tự chế từ chão thu truyền hình vệ tinh thu nhiệt mặt trời để đun nấu. Ảnh:
Flickr.com
Nhiệt mặt trời
Các hệ thống khai thác nhiệt mặt trời là một giải pháp năng lượng hồi phục đầy triển
vọng – mặt trời là một nguồn tài nguyên dồi dào. Ngoại trừ vào ban đêm. Hay khi mặt
trời bị mây che. Các hệ thống dự trữ nhiệt năng (TES) là những bể chứa chất lỏng áp
suất cao sử dụng cùng với một hệ thống nhiệt mặt trời cho phép nhà máy hoạt động
thêm vài giờ đồng hồ sau khi mặt trời đã lặn. Dự trữ vào giờ cao điểm là một yếu tố
then chốt đối với hiệu quả của các nhà máy nhiệt điện mặt trời.
Ba công nghệ TES chính đã được thử nghiệm kể từ thập niên 1980 khi những nhà máy
nhiệt điện mặt trời đầu tiên được xây dựng: hệ thống trực tiếp hai-bể, hệ thống gián
tiếp hai-bể, và hệ thống dị nhiệt một-bể.
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 11

Trong một hệ thống trực tiếp hai-bể, năng lượng nhiệt mặt trời được dự trữ ngay trong
chất lỏng truyền nhiệt thu gom nó. Chất lỏng đó được chia làm hai bể, một bể dự trữ nó
ở một nhiệt độ thấp và bể kia ở một nhiệt độ cao. Chất lỏng dự trữ ở bể nhiệt độ thấp
chảy qua bộ thu nhiệt mặt trời của nhà máy điện, ở đó nó được làm nóng lên trở lại rồi
gửi đến bể nhiệt độ cao. Chất lỏng dự trữ ở bể nhiệt độ cao được gửi qua một bộ trao
đổi nhiệt tạo ra hơi nước, cái sau đó được dùng để sản xuất điện năng trong máy phát
điện. Và một khi đã đi qua bộ trao đổi nhiệt, chất lỏng đó chảy trở lại bể nhiệt độ thấp.
Trong một hệ thống gián tiếp hai-bể, các chức năng về cơ bản giống như hệ thống trực
tiếp, ngoại trừ là nó làm việc với các loại chất lỏng truyền nhiệt khác nhau, chúng
thường là đắt tiền và không được dự trù dùng làm chất lỏng trữ nhiệt. Để khắc phục vấn
đề này, các hệ thống gián tiếp cho các chất lỏng nhiệt độ thấp chảy qua một bộ trao đổi

nhiệt bổ sung.
Không giống như các hệ thống hai-bể, hệ thống dị nhiệt một-bể dữ trữ nhiệt năng ở
dạng rắn, thường là cát silica. Bên trong bể, các phần chất rắn được giữ ở áp suất từ
thấp đến cao, trong một gradient nhiệt độ, tùy thuộc vào dòng chất lỏng. Vì các mục
đích dự trữ, chất lỏng nóng truyền nhiệt chảy vào phần trên của bể và lạnh đi khi nó
tràn xuống dưới, thoát ra là một chất lỏng nhiệt độ thấp. Để tạo ra hơi nước và sản xuất
điện, quá trình được đảo ngược lại.
Các hệ thống nhiệt mặt trời sử dụng dầu khoáng hoặc muối nóng chảy làm môi trường
truyền nhiệt rất tốt cho TES, nhưng thật đáng tiếc không được nghiên cứu thêm, các hệ
thống chạy trên nước/hơi nước thì không thể dự trữ nhiệt năng. Những tiến bộ khác về
các chất lỏng truyền nhiệt bao gồm nghiên cứu về các chất lỏng thay thế, sử dụng các
vật liệu biến đổi pha và các khái niệm dự trữ nhiệt mới lạ nhằm cắt giảm chi phí dự trữ
và cải thiện hiệu quả và hiệu suất năng lượng.
Nhà kính nhiệt mặt trời
Ý tưởng sử dụng các vật liệu khối trữ nhiệt để dự trữ năng lượng mặt trời có khả năng
áp dụng không chỉ cho các nhà máy nhiệt điện mặt trời quy mô lớn và các cơ sở dự trữ
năng lượng. Ý tưởng đó có thể hoạt động trong trường hợp dễ gặp hơn dưới dạng nhà
kính.
Các nhà kính bẫy năng lượng mặt trời vào ban ngày, thông thường là khai thác lợi thế
đối mặt về phương nam và mái dốc để tăng tối đa sự phơi sáng. Nhưng một khi mặt trời
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 12

đã lặn, người nông dân sẽ làm gì? Các nhà kính nhiệt mặt trời có khả năng duy trì sức
ấm và sử dụng nó để làm ấm nhà kính vào ban đêm.
Đá, xi măng và nước hoặc các thùng chứa nước đều có thể dùng làm vật liệu khối nhiệt
thụ động, đơn giản, bắt giữ nhiệt của mặt trời vào ban ngày và phát xạ nhiệt đó trở lại
vào ban đêm.

Lisa Kivirist và John Ivanko đứng cạnh hệ thống nhiệt mặt trời làm ấm nhà kính của họ.

(AP Photo/ Andy Manis)
Tham vọng to hơn nữa ư? Hãy ứng dụng các ý tưởng sử dụng trong các nhà máy nhiệt
điện mặt trời (mặc dù ở quy mô nhỏ hơn nhiều). Các nhà kính nhiệt mặt trời, còn gọi là
nhà kính mặt trời chủ động, đòi hỏi yêu cầu căn bản giống như bất kì hệ thống nhiệt mặt
trời nào khác: một bộ thu mặt trời, một bể chứa nước, hệ thống ống dẫn (chôn dưới
đất), một máy bơm đẩy môi trường truyền nhiệt (không khí hoặc nước) trong bộ thu
mặt trời đến bộ phận dự trữ và nguồn điện (hay bất kì nguồn năng lượng nào khác) để
vận hành máy bơm.
thuvienvatly.com
123vatly.blogspot.com 13

Trong một kịch bản, không khí thu gom ở phần chóp đỉnh của mái nhà kính được thổi
qua các ống dẫn đi xuống đất. Vào ban ngày, không khí này nóng và làm ấm mặt đất.
Vào ban đêm, không khí lạnh được thổi luồng xuống vào các ống. Mặt đất ấm làm nóng
không khí lạnh, thành ra làm ấm nhà kính. Đôi khi nước được sử dụng làm môi trường
truyền nhiệt. Nước được chứa cùng với nhiệt mặt trời trong bể chứa ngoài và sau đó
bơm vào các ống làm ấm nhà kính.
Ống khói nhiệt mặt trời
Giống hệt như các nhà kính mặt trời là một cách ứng dụng các công nghệ nhiệt mặt trời
cho nhu cầu hàng ngày, các ống khói nhiệt mặt trời, hay ống khói nhiệt, cũng khai thác
các vật liệu khối nhiệt. Ống khói nhiệt là những hệ thống thông hơi mặt trời thụ động,
nghĩa là chúng không hoạt động theo cơ giới. Ví dụ của hệ thống thông hơi cơ giới là hệ
thống thông hơi cho toàn căn nhà sử dụng quạt và ống dẫn để tống không khí cũ ra
ngoài và cấp vào không khí mới. Thông qua các nguyên lí làm nguội bằng đối lưu, các
ống khói nhiệt cho phép không khí lạnh đi vào đồng thời đẩy không khí nóng từ bên
trong ra ngoài. Được thiết kế dựa trên thực tế là không khí nóng bốc lên cao, chúng làm
giảm lượng nhiệt không mong muốn vào ban ngày và trao đổi không khí (ấm) bên trong
với không khí (lạnh) bên ngoài.
Các ống khói nhiệt thường được làm bằng vật liệu khối nhiệt rỗng, màu đen với miệng
hở ở phía trên cho không khí nóng thoát ra ngoài. Các miệng vào thì nhỏ hơn các miệng

ra và được đặt ở độ cao từ thấp tới trung bình trong phòng. Khi không khí nóng dâng
lên, nó thoát qua miệng thoát ngoài, hoặc thoát ra ngoài hoặc vào khoảng trống cầu
thang. Khi không khí nóng thoát ra, không khí bị hút vào qua các miệng vào.
Trước tình trạng ấm lên toàn cầu, chi phí nhiên liệu leo thang và nhu cầu năng lượng
không ngừng tăng lên, dự báo nhu cầu sử dụng năng lượng tăng gần tương đương 335
triệu thùng dầu mỗi ngày, chủ yếu là nhu cầu sử dụng điện năng. Dù quy mô lớn hay
nhỏ, dù có hòa vào lưới điện hay không, nhưng một trong những lợi thế lớn của điện
mặt trời là nó có sẵn ngay lúc này, không phải chờ đợi gì cả. Bằng cách tập trung năng
lượng với các vật liệu phản xạ và biến đổi hó thành điện năng, các nhà máy nhiệt điện
mặt trời, nếu được chấp nhận chính thức là một phần không thể thiếu của lĩnh vực cung
ứng điện, có khả năng cấp điện cho hơn 100 triệu người dân trong 20 năm sắp tới. Tất
cả khai thác từ một nguồn hồi phục vĩ đại: mặt trời của chúng ta.
Trần Nghiêm tổng hợp từ HowStuffWork.com và nhiều nguồn khác