MỞ ĐẦU Năng lƣợng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lƣợng mà con ngƣời biết sử dụng từ rất sớm. Sử dụng NLMT hiện đang đƣợc cho là giải pháp tối ƣu nhất trong khi các nguồn nguyên nhiên liệu hóa thạch đang dầu bị cạn kiệt. Đây là nguồn năng lƣợng sạch, không gây ô nhiễm môi trƣờng và có trữ lƣợng vô cùng lớn do tính tái tạo cao. Bƣớc vào thế kỷ 21, công nghệ sử dụng NLMT đang có xu hƣớng phát triển mạnh.
Hiện nay, nhiều nƣớc đã đầu tƣ rất lớn vào ngành công nghiệp NLMT, Nhật Bản và Đức là hai quốc gia đứng đầu thế giới về ngành công nghiệp này. Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nƣớc nóng. Các hệ thống đun nƣớc nóng bằng NLMT đã đƣợc sử dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Đến nay, Trung Quốc đã lắp đặt nhiều hệ thống ĐNNMT, tƣơng đƣơng với 10,5GWth và đang là quốc gia dẫn đầu thế giới, chiến 60% tổng công suất lắp đặt của toàn thế giới.
Các chƣơng trình thúc đẩy sử dụng NLMT đang đƣợc mở rộng trên thế giới. Tây Ban Nha đã ban hành Luật Xây dựng có hiệu lực từ năm 2006, bắt buộc các tòa nhà mới xây phải lắp đặt trên mái nhà hệ thống pin mặt trời, hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời (ĐNNMT), đặc biệt các Trung tâm thƣơng mại, cao ốc văn phòng, khác sạn, bệnh viện, kho vận, trong đó quy định nƣớc nóng từ NLMT phải đáp ứng đƣợc từ 30 - 70% nhu cầu tùy thuộc vào vùng khí hậu cụ thể. Ở Cape Town (Nam Phi), Rome (Italia) đòi hỏi các tòa nhà xây dựng mới phải lắp đặt hệ thống ĐNNMT nhằm đảm bảo 30 - 50% nhu cầu sử dụng hàng ngày… Việt Nam đã xây dựng trên 100 trạm quan trắc để theo dõi các dữ liệu về NLMT trên khắp lãnh thổ Việt Nam. Những số liệu quan trắc của các trạm cho thấy, năng lƣợng bức xạ trung bình trên cả nƣớc mỗi ngày từ 4 - 6kWh/m2.
Tiềm năng sử dụng NLMT ở hầu khắp mọi vùng trong cả nƣớc. Đối với mỗi hộ gia đình riêng việc đun nƣớc nóng cho sinh hoạt bình quân sinh ra khoảng 30% tổng lƣợng khí thải CO2 của cả hộ gia đình tạo ra. Thông qua lắp đặt HV: Nguyễn Đình Đáp 9 K16 Khoa học môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường thiết bị ĐNNMT, thiết bị có khả năng cung cấp khoảng 80% nhu cầu năng lƣợng cần thiết của chúng ta để đun nƣớc nóng. Theo ƣớc tính, cả nƣớc hiện có khoảng 2,5 triệu bình đun nƣớc nóng bằng điện có công suất trong khoảng 2 - 5kW, hàng năm tiêu tốn khoảng 3,6 tỷ kWh điện năng và sẽ tăng nhanh theo tốc độ xây dựng nhà ở, dịch vụ và du lịch.
Đây là một con số rất lớn cho thấy một thị trƣờng đầy tiềm năng đối với thiết bị bình ĐNNMT. Việt Nam có nhiều lợi thế phát triển hệ thống sử dụng NLMT. Trong đó, hiệu quả nhất là sử dụng NLMT vào đun nƣớc nóng, đặc biệt ở khu vực thành thị, nơi ngƣời dân có đời sống cao và có điều kiện sử dụng dịch vụ. Cho đến nay mặc dù khẳng định rằng sử dụng NLMT thay cho việc sử dụng điện để đun nƣớc nóng (chủ yếu cho sinh hoạt gia đình) là tiết kiệm điện năng và do đó đem lại các lợi ích về kinh tế và môi trƣờng, tuy nhiên vẫn chƣa có một công trình thực nghiệm nào (ít nhất là ở Việt Nam) đo đạc, đánh giá hiệu quả thực tế của các lợi ích đó.
Các số liệu về tiết kiệm năng lƣợng, kinh tế của thiết bị ĐNNMT đã cho trên các tài liệu, tạp chí, trên các phƣơng tiện truyền thông… đều chỉ là các con số ƣớc tính “lý thuyết”, độ tin cậy không cao. Việc phát triển hệ thống ĐNNMT đang gặp một số thách thức khó khăn nhƣ: chƣa có chiến lƣợc, chính sách về tiết kiệm năng lƣợng; sự hỗ trợ của Nhà nƣớc về đầu tƣ nghiên cứu và phát triển cũng nhƣ đầu tƣ về kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất, ứng dụng thiết bị ĐNNMT còn hạn chế; những điều kiện triển khai sử dụng thiết bị cho từng khu vực cụ thể; sự không đồng bộ giữa thiết kế bình ĐNNMT và các công trình xây dựng; giá thành của thiết bị ĐNNMT còn cao hơn so với sử dụng thiết bị truyền thống; cách lắp đặt, vận hành thiết bị chƣa đƣợc phổ biến rộng rãi đến ngƣời tiêu dùng… Do vậy, cần có những nghiên cứu chi tiết, cụ thể về hiện trạng sử dụng, những điều kiện áp dụng, triển khai, phát triển sử dụng các thiết bị ĐNNMT. Tính toán, đánh giá, phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi trƣờng làm cơ sở cho việc phát triển thị trƣờng và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị ĐNNMT. HV: Nguyễn Đình Đáp 10 K16 Khoa học môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, với sự hỗ trợ của Văn phòng tiết kiệm năng lƣợng (Bộ Công Thƣơng) và Trung tâm nghiên cứu năng lƣợng mới (Đại học Bách khoa Hà Nội), trong khuôn khổ một luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trƣờng, tác giả tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt” đƣợc đặt ra với mục đích tìm hiểu những điều kiện cơ bản để triển khai, lắp đặt thiết bị nƣớc nóng mặt trời, tính toán hiệu quả về mặt tiết kiệm điện năng, kinh tế và môi trƣờng của việc sử dụng thiết bị nƣớc nóng mặt trời dựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm.
Từ đó, kiến nghị các giải pháp phát triển sử dụng các thiết bị đun nƣớc nóng mặt trời ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung. Các nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu những đặc điểm kỹ thuật của thiết bị ĐNNMT, những yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất của thiết bị - Nghiên cứu, đánh giá các tiềm năng, đặc thù của Hà Nội trong sử dụng thiết bị ĐNNMT - Điều tra, đánh giá hiện trạng sử dụng thiết bị ĐNNMT tại Hà Nội. - Tiến hành thực nghiệm lắp đặt 05 hệ thống ĐNNMT có các bộ đo ghi tự động; đo đạc, thu thập, xử lý số liệu và đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng, hiệu quả kinh tế và môi trƣờng của của các hệ thống. - Đề xuất một số giải pháp phát triển sử dụng thiết bị ĐNNMT phục vụ sinh hoạt.
Việc thực hiện đề tài nhằm giải đáp các câu hỏi nêu trên với những phân tích đầy đủ bài toán kinh tế môi trƣờng của việc sử dụng thiết bị ĐNNMT cho ngƣời dân thành phố Hà Nội. Hiện nay, các giải pháp công nghệ thân thiện với môi trƣờng và tiết kiệm năng lƣợng đang đƣợc quan tâm, đầu tƣ nghiên cứu. Trong đó, sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo là giải pháp cứu cánh cho thách thức khủng hoảng năng lƣợng và biến đổi khí hậu toàn cầu, là một mũi tên nhằm tới hai mục tiêu của sự phát triển bền vững. HV: Nguyễn Đình Đáp 11 K16 Khoa học môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường Sử dụng năng lƣợng tái tạo là xu hƣớng đƣợc chọn lựa chọn để phát triển nguồn năng lƣợng mới cho thế kỷ 21.
HV: Nguyễn Đình Đáp 12 K16 Khoa học môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1. NGUỒN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1. Bức xạ mặt trời Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đƣờng kính trung bình khoảng 1,36 triệu km và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km.
Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8. Mặt trời đƣợc xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục. Do luôn luôn bức xạ năng lƣợng vào trong vũ trụ nên khối lƣợng của mặt trời sẽ giảm dần. Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt trời sẽ thôi không tồn tại nữa.
Tuy nhiên, do khối lƣợng của mặt trời vô cùng lớn, vào khoảng 1,991.1030kg, nên thời gian để mặt trời còn tồn tại cũng vô cùng lớn. Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo hƣớng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời là sự phân bố khối lƣợng rất không đồng đều. Ví dụ, khối lƣợng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lƣợng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào khoảng 1,41g/cm3 [1]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất không hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung bình đã trình bày ở trên.
Trong kỹ thuật NLMT, ngƣời ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant). Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời đƣợc hiểu là lƣợng bức xạ mặt trời (BXMT) nhận đƣợc trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển và thẳng góc với tia tới. Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều. Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2[1].
Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu đƣợc dùng để biểu diễn giá trị của lƣợng bức xạ khảo sát là G, I và H. Đơn vị của G là W/m2, đơn vị HV: Nguyễn Đình Đáp 13 K16 Khoa học môi trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường của I và H là J/m2, trong đó thời gian tƣơng ứng với các ký hiệu I và H lần lƣợt là giờ và ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT đƣợc hiểu là khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn.
Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển Nói chung, BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển (Extra Terrestrial Solar Radiation) có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát cụ thể và có phƣơng rất rõ ràng, đó là đƣờng nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát.