BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo quyết định số 546 ngày 11 tháng 8 năm 2020) NĂM 2020 LỜI NÓI ĐẦU Năng lượng là nhân tố quyết định đến sự phát triển kinh tế xã hội của một quốc gia và đó cũng là nhân tố quan trọng đảm bảo sự thoả mãn các nhu cầu cho cuộc sống của con người. Nguồn năng lượng chính và quan trọng mà loài người đã và đang sử dụng đó là nhiên liệu hoá thạch, hay còn gọi nguồn năng lượng truyền thống, như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và một số loại mới phát hiện đang nghiên cứu khai thác như đá phiến dầu, cát dầu và băng cháy… Các nguồn năng lượng này đang cung cấp hơn 80% nhu cầu năng lượng trên thế giới, bao gồm cung cấp điện năng, nhiệt năng và nhiên liệu cho các loại động cơ nhằm phục vụ mọi hoạt động con người. Tuy nhiên trữ lượng các nguồn năng lượng hoá thạch là có hạn vì chúng không thể tái tạo và sự cạn kiệt của chúng cũng đang đến gần, theo các chuyên gia an ninh năng lượng của Liên Hiệp Quốc, nguồn nguyên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá, khí đốt, dầu đá phiến) trên trái đất chỉ có thể khai thác khoảng 60 đến 90 năm nữa là cạn kiệt, còn các loại khác mới phát hiện như "băng cháy" mặc dù trữ lượng lớn nhưng công nghệ khai thác chưa được hoàn thiện. Ngoài ra hậu quả việc sử dụng nguồn năng lượng hoá thạch đã và đang là một vấn đề nghiêm trọng của nhân loại, đó là hiện tượng nóng lên toàn cầu làm biến đổi khí hậu do sự phát thải khí nhà kính carbon dioxide CO 2 từ việc sử dụng nhiên liệu hoá thạch.
Một nguồn năng lượng hoá thạch khác mặc dù không phát thải khí nhà kính, có trữ lượng lớn đã và đang sử dụng hiệu quả hơn nữa thế kỷ qua nhưng khi sử dụng nguồn năng lượng này nguy cơ có tác động đến môi trường sống rất nghiêm trọng, nên hiện nay đang dừng lại và không khuyến khích sử dụng đó là năng lượng hạt nhân. Do vậy, để có nguồn năng lượng bền vững thì nhiều năm nay các nhà khoa học trên thế giới đầu tư nhiều công sức cho việc tìm những dạng năng lượng mới nhằm có thể thay thế dần các nhiên liệu hoá thạch. Sự tìm kiếm này đã và đang đem lại nhiều thành quả quan trọng đầy triển vọng. Các nguồn năng lượng mới trong thiên nhiên đã và đang nghiên cứu chuyển hoá thành các chất mang năng lượng còn gọi là năng lượng tái tạo.
Năng lượng tái tạo có khả năng thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống, không chỉ ở dạng tiềm năng mà đã trở thành dạng năng lượng thực sự, đã và đang đóng góp tích cực trong sự cân bằng năng lượng ở nhiều nước trên thế giới. Ngoài ra, khi sử 2 năng lượng tái tạo để thay thế các dạng năng lượng truyền thống đã góp phần giảm phát thải khí nhà kính một cách đáng kể. Các nguồn năng lượng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý, ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia. Việc đưa vào sử dụng năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế.
Theo báo cáo của Tổ chức năng lượng quốc tế (IEA), trong tương lai các nước sẽ chú trọng đến sử dụng nhiên liệu ít carbon hơn. Tỷ lệ nhiên liệu phi hóa thạch chiếm trong tổng số các loại nhiên liệu được dự đoán tăng từ 19% ở thời điểm hiện tại lên mức 25% đến năm 2040. 3 MỤC LỤC BÀI 1: BỨC XẠ MẶT TRỜI. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển trái đất.
Bức xạ mặt trời ở bề mặt trái đất. Số liệu về bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng. 11 BÀI 2: CÁC BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HỘI TỤ .1 Khái niệm chung .2 Bộ thu phẳng có các gương phản xạ.
Bộ thu máng Parapol. 19 Bài 3: PIN MẶT TRỜI. Hiệu ứng quang điện. Pin mặt trời .3 Công nghệ chế tao pin mặt trời tinh thể si .4 Các vật liệu và pin mặt trời vô định hình .5 Pin mặt tròi nhlểu mức nàng lượng .6 Ứng dựng pin mật tròi .7 Hệ thống điện mặt trời nóì lười.
81 BÀI 4: NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ ỨNG DỤNG .1 Khái niệm co bàn vế năng lượng gió .2 Lý thuyết đông cơ gió .3 Ứng dụng nàng lượng gió. 112 Bài 5: CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHÁC .1 Năng lượng sinh khối .2 Năng lượng địa nhiệt. 134 4 BÀI 1: BỨC XẠ MẶT TRỜI 1. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển trái đất Nãng lượng mặt trời là một nguồn năng lựơng vô cùng quan trọng đoi với sự tồn lại và phát triển của sự sống trên Quả Đất.
Tuy nhiên khi truyền tới Quả Đất bức xạ mạt trời phải di qua ỉớp khí quyển làm thay dổi tính chất cùa nó. Vì vậy, trước hết ta hãy xem xét các tính chất của bức xạ mặt trời ngoài khí quyển Quà Đất. Có thể nói Mặt Trời là một khối khí hình cầu có nhiệt độ rất cao. Năng lượng khổng lồ do Mặt Trời phát ra là kết quả của các phàn ứng nhiệt hạt nhân khác nhau xảy ra liên tục và dữ dội trên hành tinh này.
Đường kính Mạt Trời vào khoảng 1,39. Như đã biết, đường kính Quả Đất chí là 1,27 -104km. Khoảng cách trung bình giữa Mặt Trời và Quả Đất là 1,496. Mặc dù Mặt Trời râì lớn, nhưng do khoảng cách Mặt Trời - Quà Đâì cũng lớn, nên lừ mặt đất chúng ta nhìn Mặt Trời dưới một góc chí bằng 32’.
Vì vậy các tia mặt trời khi tới mặt đất có thể xem là các tia song song. Nhiệt độ và do đó độ sáng của Mặt Trời biến đổi từ tâm của nó ra ngoài. Nhưng đối với các tính toán ứng dụng ở mặt đất người ta xem như độ sáng cùa Mặt Trời là đồng đều. Các đo đạc cho thấy rằng mật độ dòng năng lượng từ Mặt Trời ở phía ngoài khí quyển Quá Đất là có thế xem như không đổi.
Người ta gọi phần nàng lưọììg mill trời tói trên một don vị diện tích vuông góc với các tia mặt trời ở phía ngoài khí quyển quả đất là hầng số Mặt Tròi, ký hiệu ụ., nó có giá trị gần bằng 1353 w/m2. Quả Đất quay xung quanh Mạt Trời trên một quỹ đạo elĩp với độ lệnh tâm rất nhỏ và Mặt Trời ở trên một tiêu điểm. Vì vậy khoảng cách giữa Mặt Trời và Quà Đất trong một chu kỳ quay của nó, 365 ngày hay một năm, có thay dổi một ít. Do đó mật độ năng lượng Mặt Trời bên ngoài khí quyển Quả Đất cũng bị thay dổi một lượng nhỏ.
Giá trị mật độ năng lượng Mặt Trời ở một ngày bất kỳ nào đó có thể tính theo công thức: 5 4'=Isci1 + 0,033cos~n I (1,1) 365 ) Ớ đây n là số ngày trong năm (lính từ đầu năm, n -1 là ngày 01 tháng 01). Phản bô' phổ của bức xạ Mặt Trời bên ngoài khí quyển Quã Đất được cho trong bảng 1.1 đối với hằng số mặt trời 1^= 1353 W/nT. Như thấy trong bảng 1.1, giá trị phổ lúc đau tăng lẻn rất nhanh theo bước sóng Ầ, đạt cực dại ở X - 0,48pm và sau đó giảm dần đến 0. Khoảng 99% của bức xạ Mặt Trời nằm trong giải phổ từ 0,2pm đến 4pm, lỉình 1.1 biếu diễn sự phân bô' phố của bức xạ Mặt Trời được cho trong bảng 1.ỉ: Phân bô phổ bức xạ mặt trời bén ngoài khí quyển Quá Đất DU*) (W/m2.94 Ghi (*) Đại lượng + dược xác dinh theo chú D; biểu thứ 2 sau: co À D;, =■/ JeÀdẤ ■x]00 = - /If(JxlOO Lo _Q JJ Ở ngoài khí quyển Quả Đất phổ bức xạ mặt trời gần giống với bức xạ của một vật đen tuyệt đối theo dịnh luật Stefan- Boltzmann ở nhiệt độ 5762K.
Bức xạ mặt trời ở bề mặt trái đất Bức xạ Mặt Trời nhận được ở be mặt Quả Đất bị suy giảm đáng kể so với bức xạ Mặt Trời ngoài vũ trụ do các hiện tượng hấp thụ, tán xạ khi tia Mặt Trời di qua lớp khí quyển Quả Đất (hình 1. Sự hấp thự trước hết là do sự có mặt của phân tử ozon Oj và hơi nước H2 o trong khí quyển. Ngoài ra còn do sự hấp thụ cuả các phân tử khí khác (như cacbonic CO2, oxit nitơ NOj, oxit cacbon co, oxỵ Oj, và metan CH4,.và các hạt bụi. Mật khác khi tia Mặt Trời gặp các phân tử khí và các hạt bụi nói 6 trên nó còn bị tán xạ về mọi phía, trong đó có một phần dáng kể nâng lượng đi trở lại vĩí trụ mà không đến dược mạt đất.2- Sự hâ'p thụ và tán xạ của tia Mặt Trời khi qua lớp khí quyến Quả Đất.
Khí quyến ỡ một địa phương nào đó trẽn bề mặt Quả Đất thường dược phân thành hai loại: khí quyển có mây mù và khí quyển trong sáng không có mây mù. Cơ chế hấp thụ và tán xạ là như nhau đối với hai loại khí quyển nói trên. Tuy nhiên cường độ hấp thụ hay tán xạ đối với loại bầu khí quyển mây mù mạnh hơn so với khí quyển trong sáng. 7 Những ngày trong sáng hoàn toàn không có mây mù cường độ bức xạ Mạt Trời tới bề mặt Quả Đất có giá trị lớn nhất.
Thành phẩn các tia bức xạ Mặt Trời đi thẳng từ Mặt Trời tới mặt đất mà không bị thay dổi hướng khi qua lớp khí quyển dược gọi là thành phần n ực xạ. Còn đõì với các tia bức xạ Mặt Trời đê'n điểm quan sát trên mặt dát từ mọi phía dưới bẩu trời đưực gọi là thành phần nhiễu xạ. 'Ihành phẩn nhiễu xạ được gây ra do hiện tượng tán xạ của tia Mặt Trời khi gặp các phân tử khí và các loại hạt bụi trong bầu khí quyển cũng như các vật cản khác, Tổng của các thành phần trực xạ và nhiêu xạ được gọi là Tổng xạ. Nói chung, cường dộ cúa của các tia nhiễu xạ đến từ các hướng khác nhau trong bầu trời ỉà không bằng nhau.
Tính chất đó được gọi là tính chất bấỉ dẳng hướng cùa bức xạ nhiều xạ. Tuy nhiên khi tính toán về bức xạ Mặt Trời trên mặt đất người ta thường bỏ qua lính bất đẳng hướng này mà xem bức xạ nhiều xạ là đẳng hướng.