Chương 1 TỔNG QUAN 1. Pin năng lượng mặt trời Điện mặt trời là điện được sản xuất từ các tấm quang điện theo nguyên lý biến đổi từ quang năng thành điện năng. Sản xuất điện từ năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng và mang lại những lợi ích đáng kể. Năm 2021, sản lượng điện năng lượng mặt trời trên thế giới là 1032.
Trên thị thường hiện nay, phổ biến nhất là pin năng lượng nền Silic đa tinh thể. Cấu trúc phổ biến và các vật liệu chính cấu thành một tấm pin năng lượng mặt trời mẫu có khối lượng 21kg được mô tả trong Hình 1. Có thể thấy rằng thuỷ tinh chiếm phần lớn về khối lượng trong tấm pin và thủy tinh hệ soda – đá vôi – silica thường được lựa chọn trong sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời [2, 3].1 Mô tả cấu trúc phổ biến của tấm pin năng lượng mặt trời Silic đa tinh thể [2] và khối lượng tương đối của các vật liệu có trong tấm pin năng lượng mặt trời Si sản xuất năm 2020 [3]. Theo báo cáo Đánh giá điện toàn cầu năm 2022 của Ember (tổ chức chuyên tập trung nghiên cứu năng lượng và khí hậu) [4], sản lượng điện mặt trời của Việt Nam năm 2021 nằm trong 10 quốc gia có sản lượng điện mặt trời cao nhất thế giới (Hình 1.
Bên cạnh đó, sản lượng điện mặt trời của Việt Nam năm 2021 tăng tới 337% so với năm 2020, điện gió và điện mặt trời đóng góp hơn 10% vào sản lượng điện tổng. Việt Nam đã chuyển đổi hơn 8% tổng nhu cầu điện từ nhiên liệu hóa thạch sang điện gió và điện mặt trời chỉ trong hai năm qua. Theo số liệu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), 4 tháng đầu năm 2022, điện mặt trời chiếm 10.78% lượng điện sản xuất toàn hệ thống. Các số liệu thống kê đã cho thấy sự chuyển đổi mạnh mẽ và nhanh 3 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch chóng của Việt Nam trong việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, cụ thể là năng lượng mặt trời.
Các quốc gia có sản lượng điện mặt trời cao nhất thế giới năm 2021 (theo Đánh giá điện toàn cầu năm 2022 - ember-climate.org) Tuổi thọ ước tính của một tấm pin năng lượng mặt trời là khoảng 25 năm. Do đó, trong những thập kỷ tới, các tấm pin mặt trời có thể trở thành một nguồn chất thải nguy hại và việc xử lý các tấm pin mặt trời sẽ là một vấn đề môi trường quan trọng [5]. Bên cạnh đó, hư hỏng trong quá trình lắp đặt, sử dụng và vận chuyển là nguyên nhân phổ biến dẫn đến việc thải bỏ các tấm pin năng lượng mặt trời. Mặt khác, các tấm pin năng lượng mặt trời bị lỗi thời do hiệu suất kém so với các thế hệ pin năng lượng mặt trời mới ra cũng sẽ bị thải bỏ trước khi hết hạn sử dụng.
Hiện nay đã có các quy trình công nghệ và chương trình tái chế toàn cầu đã được tiến hành và thương mại hoá [2, 6]; hai quy trình tái chế phổ biến được thể hiện trong Hình 1. Tuy nhiên, các chất thải từ tấm pin năng lượng mặt trời phần lớn vẫn được xử lý bằng phương pháp chôn lấp. Về lâu dài các chất độc trong các tấm pin có thể sẽ đi vào đất, mạch nước ngầm,…gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái và ô nhiễm môi trường [7–9].3 Hai quy trình phổ biến tái chế tấm pin năng lượng mặt trời của PV Cycle, SEIA và Veolia [2]. 4 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch Tại Việt Nam, các tổ chức, cá nhân sản xuất, sử dụng pin năng lượng mặt trời phải thực hiện quy định về trách nhiệm của chủ nguồn thải quy định tại Nghị định số 38/2015/NĐ-CP ngày 24/4/2015 của Chính phủ về quản lý chất thải và phế liệu.
Các chủ nguồn thải có trách nhiệm thực hiện phân định và phân loại tấm pin năng lượng mặt trời quy định tại mục 3 của QCVN 07:2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng chất thải nguy hại để quản lý cho phù hợp như tái sử dụng, tái chế, xử lý hoặc chuyển giao cho các cơ sở có chức năng phù hợp để tái chế, xử lý theo đúng quy định. Vật liệu xốp 1. Định nghĩa và phân loại Bất kỳ vật liệu nào chứa các lỗ rỗng, chẳng hạn như kênh hoặc kẽ với độ sâu lớn hơn bề rộng, đều có thể được coi là vật liệu xốp, mặc dù trong một ngữ cảnh cụ thể, một định nghĩa hẹp hơn có thể phù hợp. Dựa trên Hình 1.4, lỗ xốp có thể phân loại theo tính khả dụng của chúng đối với chất lỏng bên ngoài.
Minh họa mặt cắt của vật liệu xốp. Theo quan điểm này, những lỗ xốp hoàn toàn độc lập so với những lỗ xốp bên cạnh (a), được gọi là lỗ xốp kín. Mặt khác, những lỗ xốp có kênh dẫn liên tục đến bề mặt ngoài của vật liệu (b, c, d, e và f) được gọi là lỗ xốp hở. Gần giống, nhưng khác với độ xốp là độ nhám (roughness) của bề mặt bên ngoài (g), để phân biệt, một bề mặt gồ ghề được quy ước không phải là xốp, trừ khi nó có chiều sâu lớn hơn chiều rộng [10].
Một số loại vật liệu xốp có nguồn gốc từ gốm, polyme và kim loại được thể hiện trong Hình 1. Dữ liệu được tham khảo từ phần mềm CES Edupack 2019. 5 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch Hình 1. Biểu đồ thể hiện mối tương quan giữa khối lượng thể tích và cường độ chịu nén của một số loại vật liệu xốp.
Vật liệu xốp có thể được phân loại dựa trên kích thước lỗ xốp theo Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học ứng dụng - IUPAC [11] như sau: - Micropores: vật liệu có kích thước lỗ xốp nhỏ hơn 2 nm. - Mesopores: vật liệu có kích thước lỗ xốp từ 2 đến 50 nm. - Macropores: vật liệu có kích thước lỗ xốp lớn hơn 50 nm. Vật liệu xốp được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống như xây dựng, xúc tác, môi trường, y sinh, năng lượng…Có nhiều cách chế tạo vật liệu xốp khác nhau.
Khả năng ứng dụng của vật liệu xốp phụ thuộc rất nhiều vào kích thước lỗ xốp của vật liệu.6 thể hiện mối liên hệ giữa kích thước lỗ xốp, độ xốp và phạm vi ứng dụng của một số loại vật liệu xốp có nguồn gốc ceramic. Kích thước lỗ xốp và độ xốp của các nhóm vật liệu xốp điển hình có nguồn gốc ceramic [12]. 6 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch 1. Các khái niệm chung Nếu vật rắn có khối lượng m và thể tích là V, thì thể tích đó có thể viết như sau: V = Vr + Vlx = Vr + Vk + Vbk (1.1) Trong đó: Vr: phần thể tích của pha rắn (cm3) Vlx: phần thể tích lỗ xốp (cm3), bao gồm phần thể tích lỗ xốp kín Vk và lỗ xốp hở Vbk.
a) Mật độ thực (ρt): là tỉ số giữa khối lượng và thể tích của pha rắn, không kể thể tích lỗ xốp. b) Mật độ biểu kiến (ρbk): là tỉ số giữa khối lượng và phần thể tích không chứa các lỗ xốp hở.3) ρ= (g⁄cm3 ) Vr + Vk c) Khối lượng thể tích (ρ): là tỉ số giữa khối lượng và toàn bộ thể thể tích của mẫu.4) ρ= = = (g⁄cm3 ) V Vr + Vlx Vr + Vk + Vbk d) Độ xốp hở: hay độ xốp biểu kiến, là tỉ số giữa phần thể tích lỗ xốp hở và thể tích của mẫu.5) εbk = (%) V Các giá trị mật độ biểu kiến, khối lượng thể tích và độ xốp hở có thể được xác định bằng phương pháp cân trong chất lỏng thấm ướt, dựa trên nguyên lý lực đẩy Archimedes. e) Độ xốp kín: là tỉ số giữa phần thể tích lỗ xốp kín và thể tích của mẫu.6) εbk = (%) V 7 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch f) Độ xốp: hay độ xốp tổng, là tỉ số giữa phần thể tích lỗ xốp và thể tích của mẫu. Bằng tổng của độ xốp hở và độ xốp kín.
Vlx Vbk +Vk (1.7) ε = εbk + εk = = (%) V V g) Kích thước lỗ xốp và phân bố kích thước lỗ xốp: kích thước lỗ xốp là khoảng cách giữa hai bên tường đối diện của lỗ xốp. Trên thực tế trong vật liệu xốp, không chỉ tồn tại một kích thước lỗ xốp, do các lỗ xốp không có hình dạng xác định (dị dạng), mà là một dải phân bố kích thước lỗ xốp (Hình 1. Đường cong phân bố kích thước lỗ xốp. - Kích thước lỗ xốp trung bình (Mean) được hiểu là trung bình cộng của tất cả các kích thước lỗ xốp.
- Trung vị (Median) là giá trị giữa của phân bố kích thước lỗ xốp (d50), tại đó 50% kích thước lỗ xốp nhỏ hơn giá trị kích thước lỗ xốp tại d50 trên đường cong phân bố lỗ xốp. - Giá trị xuất hiện thường xuyên nhất (Mode): là giá trị kích thước lỗ xốp xuất hiện với tần suất lớn nhất. h) Độ bền cơ: khi vượt quá giới hạn bền nào đó, vật liệu xuất hiện vết nứt cho tới khi các vết nứt nối liền nhau thì vật liệu bị phá hủy. Độ bền cơ của vật liệu xốp phụ thuộc vào độ xốp, kích thước và hình dạng lỗ xốp, sự phân bố kích thước lỗ xốp, độ bền của tường lỗ xốp, sự phân bố lớp tường và kích thước lỗ xốp lớn nhất.
Thủy tinh Thủy tinh là hợp chất vô cơ nóng chảy được làm quá lạnh về trạng thái rắn mà không kết kinh. Thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định mà thay đổi dần từ trạng thái rắn sang lỏng, gọi là khoảng nhiệt độ biến mềm. Giới hạn phân chia trạng 8 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch thái rắn – lỏng của các chất tạo thủy tinh được quy ước bởi nhiệt độ tạo thủy tinh Tg, thường được định nghĩa là nhiệt độ tương ứng với độ nhớt 1013 Poises (η = 1012 Pa. Với độ nhớt là đại lượng dùng để đánh giá mức trượt tương đối giữa hai lớp chất lỏng khi có lực tác dụng.
Nhiệt độ Tg, có thể xác định được bằng kỹ thuật phân tích độ giãn nở (Dilatometry), phân tích nhiệt vi sai DTA (Differential Thermal Analysis) hoặc nhiệt lượng kế quét vi sai DSC (Differential Scanning Calorimetry) [13]. Phương trình Vogel – Fulcher – Tammann – Hesse, còn được gọi là phương trình Vogel – Fulcher hoặc phương trình Fulcher (VFT), được sử dụng để mô tả độ nhớt của thủy tinh (η) theo một hàm của nhiệt độ (T). Trong đó, A, B và T0 là các hằng số phụ thuộc vào thành phần hóa của thủy tinh [14].
