CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ GƯƠNG ĐỊNH NHẬT 1. Các dạng nhiệt điện Mặt Trời Ngày nay năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng Mặt Trời đang ngày được sử dụng phổ biến để thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch. Hiện tại, năng lượng Mặt Trời được sử dụng chủ yếu trong hai lĩnh vực làm nóng nước (phục vụ sản xuất và sinh hoạt) và sản xuất điện. Có hai phương pháp chính sản xuất điện từ Mặt Trời: công nghệ quang điện (PV – photovoltaic) và công nghệ tập trung nhiệt 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 với công suất nhỏ cho các thiết bị cầm tay, hoặc dùng để cấp điện cho các hộ gia đình riêng lẻ, đặc biệt thường được áp dụng ở khu vực vùng sâu vùng xa. Công nghệ nhiệt Mặt Trời có quy mô lớn hơn. Một khác biệt lớn so với công nghệ quang điện là các nhà máy nhiệt điện Mặt Trời sản xuất điện năng gián tiếp từ bức xạ Mặt Trời.
Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời là hệ thống tập trung bức xạ Mặt Trời để đun nóng môi chất nhiệt đến một nhiệt độ nhất định. Nhiệt lượng của môi chất nhiệt sẽ được sử dụng để sản xuất điện thông qua hệ thống tua-bin hơi giống như của một nhà máy nhiệt điện thông thường. Do đó hệ thống này có tên là nhiệt điện Mặt Trời và có các dạng như sau: 1.1 Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời sử dụng gương parapol Sơ đồ tổng quan một nhà máy nhiệt điện Mặt Trời sử dụng gương parapol được cho ở hình 1. Phần quan trọng nhất của hệ thống là máng parabol để thu gom bức xạ Mặt Trời.
Những bộ thu này được gọi là các hệ thu gom thẳng hàng, chúng được chế tạo từ các tấm gương phản xạ ghép lại với nhau thành dạng máng parapol. Các máng này có thể kéo dài hàng trăm mét và đặt song song với nhau tạo thành một cánh đồng gương parapol. Các gương parapol này được lắp đặt theo trục bắc nam và có thể quay theo trục đông tây để đón được nhiều bức xạ Mặt Trời nhất. Một hệ thống ống dẫn 5 được đặt ở trung tâm của parapol để thu toàn bộ năng lượng bức xạ Mặt Trời hướng đến máng.
Các môi chất nhiệt được dẫn chảy qua hệ thống ống dẫn này và sẽ dược làm nóng lên đến nhiệt độ khoảng 4000C. Sau đó môi chất ở nhiệt độ cao sẽ được đưa đến lò hơi và truyền nhiệt lượng để đun sôi nước sinh hơi nước cung cấp cho tua-bin hơi máy phát điện. Môi chất sau khi truyền hết nhiệt lượng sẽ được bơm tuần hoàn theo hệ thống ống dẫn và bắt đầu chu trình mới. 1 Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời sử dụng gương parapol Một nhà máy tiêu biểu thuộc loại này là nhà máy điện Nevada Solar One (hình 1.2) ở thung lũng Eldorado, bang Nevada, Hoa kỳ hoàn thành vào năm 2007.
Hệ thống gương parapol của nhà máy trải rộng trên diện tích 160 hecta, bao gồm 760 máng parapol với 182.000 tấm gương phản xạ và 18.240 ống nhận nhiệt đặt ở trung tâm 6 máng. Nhà máy cung cấp công suất trung bình 64 MW và tối đa lên đến 75MW, sản lượng điện ước tính là 134 triệu kWh mỗi năm. Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời sử dụng gương parapol có ưu điểm là dễ lắp đặt và vận hành. Tuy nhiên nhược điểm của nó là cần một hệ thống ống dẫn môi chất nhiệt rất lớn trải dài trên một diện tích rộng lớn dẫn tới chi phí đầu tư ban đầu cao và hiệu suất thấp do tổn hao nhiệt trong quá trình chuyển tải môi chất nhiệt.
Một nhược điểm nữa là hệ thống này có khả năng lưu trữ nhiệt khá thấp nên khả năng sản xuất điện vào ban đêm chỉ đạt một phần nhỏ công suất nhà máy, cần phải sử dụng một số nhiên liệu bổ sung để đảm bảo công suất. 2 Cánh đồng gương parapol nhà máy Nevada Solar One 1. Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời sử dụng gương Fresnel: Do việc chế tạo các gương parapol để hội tụ bức xạ Mặt Trời vào các ống thu nhiệt là khá tốn kém nên một giải pháp thay thế được sử dụng là dùng hệ thống gương 7 Fresnel để định hướng bức xạ Mặt Trời vào bộ hấp thụ (absorber), bên trong bộ hấp thụ có chứa nhiều ống dẫn môi chất nhiệt (hình 1. Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời sử dụng gương Fresnel có cấu trúc hoàn toàn tương tự hệ thống sử dụng gương parapol.
Cánh đồng năng lượng là hệ thống các gương Fresnel được lắp đặt theo phương bắc – nam và có thể xoay theo trục đông – tây. Môi chất nhiệt sẽ được đưa đến hệ thống hấp thụ nhiệt để làm tăng nhiệt độ môi chất lên đến 3000C sau đó được đưa đến lò hơi để sản xuất điện. 3 Bộ hấp thụ 8 Hình 1. 4 Hệ thống gương Fresnel tập trung năng lượng về bộ hấp thụ Nhà máy nhiệt điện Mặt Trời Puerto Errado 2 (PE2) ở Tây Ban Nha (hình 1.5) là tiêu biểu cho hệ thống nhiệt điện Mặt Trời sử dụng gương Fresnel.
Nhà máy có công suất thiết kế 30MW được xây dựng bởi công ty Novatec Solar, được hoàn thành và đưa vào hoạt động tháng 8 năm 2012. PE2 có diện tích gương phản xạ khoảng 302.000m2, là hệ thống nhiệt điện Mặt Trời lớn nhất thế giới hiện tại sử dụng gương Fresnel. Tổng điện năng nhà máy này sản xuất mỗi năm là 50 triệu KWh. Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời với gương Fresnel giúp giảm giá thành so với hệ thống sử dụng gương Parabol.
Tuy nhiên hệ thống vẫn chưa cải thiện được vấn đề chi phí cao của hệ thống ống dẫn môi chất cũng như vấn đề hiệu suất và khả năng lưu trữ nhiệt để sản xuất điện ban đêm. 5 Puerto Errado 2 (PE2) ở Tây Ban Nha 1. Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời với tháp thu nhiệt trung tâm Hai hệ thống nhiệt điện Mặt Trời đã nêu ở trên có một số nhược điểm về hiệu suất và khả năng tích trữ nhiệt lượng. Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời với tháp thu nhiệt trung tâm (hình 1.6) là hệ thống giúp khắc phục các nhược điểm trên.
Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời với tháp thu nhiệt trung tâm có thành phần chính là hệ thống gương định nhật (heliostat). Gương định nhật là những tấm gương phẳng lớn được điều khiển xoay theo chu kỳ chuyển động của Mặt Trời để chuyển hướng bức xạ Mặt Trời về tháp thu nhiệt. Một cánh đồng gương định nhật có thể trải rộng trên diện tích hàng trăm hecta với hàng ngàn gương định nhật. Do số lượng gương định nhật rất lớn và tất cả đều chuyển hướng bức xạ Mặt Trời về tháp thu nhiệt nên mức độ tập trung năng lượng ở đây rất cao.
Tại tháp thu nhiệt, môi chất nhiệt sẽ nhận được nhiệt lượng sau đó được chuyển đến lò hơi để vận hành máy phát điện. Môi chất nhiệt thường được sử dụng trong nhà máy điện loại này là muối nóng chảy, nhiệt độ của môi chất có thể lên đến hơn 5000C ở tháp thu nhiệt. 10 Việc môi chất được làm nóng ở tháp thu nhiệt và không phải truyền dẫn đi qua hệ thống ống dẫn trải suốt cánh đồng năng lượng như hai hệ thống trước giúp cho hệ thống nhiệt điện Mặt Trời với tháp thu nhiệt trung tâm giảm thiểu được chi phí đầu tư cho hệ thống ống dẫn môi chất cũng như giảm được tổn thất năng lượng trong quá trình vận chuyển môi chất qua cánh đồng năng lượng. Mặt khác với nhiệt độ muối nóng chảy lên đến 5000C giúp cho hệ thống có khả năng lưu trữ nhiệt tốt hơn, đảm bảo công suất phát điện của nhà máy cả vào ban đêm và những ngày không có nắng.
6 Hệ thống nhiệt điện Mặt Trời với tháp thu nhiệt trung tâm Tổ hợp 3 nhà máy nhiệt điện Mặt Trời thuộc dự án Ivanpah Solar Power Facility ở sa mạc Mojave, bang California, Hoa Kỳ hiện tại là tổ hợp lớn nhất thuộc loại này. Tổ hợp này có công suất 392MW, gồm 173.500 gương định nhật tập trung bức xạ Mặt Trời lên 3 tháp thu nhiệt. Toàn hệ thống nằm trên một khuôn viên rộng 1420 hecta. Tổng vốn đầu tư cho hệ thống khoảng 2,2 tỉ USD.7 là ảnh chụp từ trên cao của tổ hợp Ivanpah Solar Power Facility.
7 Tổ hợp Ivanpah Solar Power Facility – Sa mạc Mojave, California 1. Tổng quan về lịch sử phát triển công nghệ gương định nhật Trong các mô hình khai thác năng lượng Mặt Trời bằng phương pháp tập trung bức xạ thì mô hình nhiệt điện Mặt Trời với tháp thu nhiệt trung tâm là mô hình phù hợp nhất để xây dựng nhà máy nhiệt điện Mặt Trời với công suất lớn. Trong mô hình nhiệt điện Mặt Trời với tháp thu nhiệt trung tâm thì hệ thống gương phản xạ để tập trung bức xạ vào tháp ở trung tâm là phần quan trọng nhất. Các gương phản xạ này được gọi là gương định nhật hay Heliostat.
Hoa Kỳ và châu Âu là những khu vực tiên phong trong nghiên cứu phát triển hệ thống gương định nhật. Tổng hợp những nghiên cứu ở Hoa Kỳ Quá trình phát triển của gương định nhật ở Hoa Kỳ bắt đầu vào năm 1975 khi bốn nhóm nghiên cứu được tài trợ để hoàn thành nghiên cứu thiết kế cho gương định nhật thế hệ đầu tiên. Mỗi nhóm đã xây dựng khoảng bốn đến sáu gương định nhật cho mục đích nghiên cứu. Để giảm đáng kể chi phí, thế hệ thứ hai được phát triển vào cuối năm 1977 và một nguyên mẫu khác cũng đã được xây dựng và thử nghiệm trong năm 12 1981.
Các mô hình gương định nhật được phát triển trong giai đoạn thế hệ đầu tiên và thế hệ thứ hai được thể hiện ở hình 1. Có năm mô hình được xây dựng và thử nghiệm: (1) mô hình gương định nhật gắn trên bệ đỡ “pedestal-mounted” hình 1.8(a); (2) mô hình gương định nhật đặt trong màng bong bóng kín “bubble-enclosed membrane” hình 1.8(b); (3) mô hình gương định nhật lắp đặt theo nhóm “ganged” hình 1.8(c); (4) mô hình gương định nhật lắp đặt theo kiểu băng chuyền “carousel” hình 1.8(d); (5) mô hình gương định nhật kiểu quay vòng “rotating field” hình 1. Sau khi được đánh giá một cách đầy đủ, mô hình gương định nhật gắn trên bệ đỡ “pedestal-mounted” được chứng minh là có ưu thế nhất trong năm mô hình nêu trên, đặc biệt là về mặt chi phí xây dựng và do đó nó được lựa chọn để ứng dụng vào nhà máy nhiệt điện Mặt Trời với tháp thu nhiệt trung tâm thí điểm đầu tiên - Solar One (1982).