CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Giới thiệu chung Như chúng ta đã biết mốc lịch sử rất quan trọng trong lịch sử phát triển của loài người là việc phát minh ra lửa và dùng các loại nhiên liệu tự nhiên như củi rừng để duy trì ngọn lửa, nhờ đó đã phát triển thành một nền văn minh của nhân loại và thoát khỏi cuộc sống của động vật. Sau nhiều nghìn năm mãi đến thế kỷ thứ nhất trước công nguyên con người mới biết dùng sức nước để làm quay guồng nước, và đến đầu thế kỷ thứ XII mới biết sử dụng sức gió để làm quay cối xay gió. Khoảng nửa cuối thế kỹ thứ XVIII con người mới phát hiện được nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu và khí đốt tự nhiên.
Đến giữa thế kỷ XX nhà máy điện nguyên tử đầu tiên của thế giới ra đời, nhờ đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng lượng của con người và đưa nền văn minh của nhân loại tiến một bước dài như ngày nay. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn, con người khai thác đến một lúc nào đó sẽ hết, hơn nữa khi khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch, thủy điện và điện nguyên tử… đã để lại cho loài người những hậu quả về tác động môi trường là vô cùng lớn lao. Một trong những hậu quả đó là khi sử dụng các nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất, mà hậu quả tai hại của hiện tượng này đã làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đối với cuộc sống hiện nay và tương lai của loài người. Ngày nay, khi mà tiềm năng thủy điện đã được con người khai thác gần hết, còn các nguồn nhiên liệu như: than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong tương lai không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều tranh cãi bởi sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặt biệt là các nước phát triển.
Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt được những thành công nhất định: Đó là sự ra đời của các trung tâm phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn mega oát. Tuy nhiên những nguồn năng lượng trên tương đối phụ thuộc vào tự nhiên. Hòa cùng xu hướng phát triển về khoa học kỹ thuật trên thế giới, thì trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta đã được triển khai khá mạnh mẽ và rộng 3 khắp. Vì vậy, chúng ta cần phải nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận này một cách tốt nhất và có hiệu quả nhất.Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những hướng pháttriển được nhiều sự chú ý vì những tính chất ưu việt của nó như: luôn có sẵn, siêusạch và gần như vô tận.
Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử dụng. Con người đã biết khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này từ rất lâu, tuy nhiên việc sử dụng nó một cách có hiệu quả và phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau vẫn là vấn đề mà chúng ta quan tâm. Những thách thức chính liên quan đến sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là quang điện: Chi phí lắp đặt cao và chuyển đổi năng lượng hiệu quả thấp. Điều khiển chọn điểm công suất lớn nhất là một phương pháp tiếp cận được sử dụng để tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời, do đó năng lượng phát ra từ mặt trời có thể được trích xuất tối đa.2 Các dạng năng lượng tái tạo cơ bản 1.1 Năng lượng gió Sự hình thành của năng lượng gió: Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau.
Một nửa bề mặt của trái đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của mặt trời và thêm vào đó là bức xạ mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của trái đất di động tạo thành gió. Trái đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của trái đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo trái đất tạo thành khi quay quanh mặt trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.1 Nguyên lý hoạt động tạo năng lượng từ gió 4 1.2 Năng lượng mặt trời Nhà máy phát điện mặt trời bằng phương pháp tập trung năng lượng mặt trời vào một khu vực bằng gương hoặc thấu kính, công nghệ này giúp chuyển đổi quang năng thành điện năng lượng mặt trời một cách hiệu quả. Về cơ bản, công nghệ sử dụng đáy của các Parabol, hệ thống động cơ Stirling, hệ thống thu quang năng trung tâm, và các hệ thống quang tập trung quang năng để tạo ra nguồn năng lượng mong muốn.2 Nguyên lý hoạt động tạo năng lượng từ bức xạ mặt trời sử dụng các Parabol Nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời: Phương pháp khai thác nhiệt lượng tạo ra từ quang năng của ánh sáng mặt trời để tạo ra điện năng, gọi là nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời. Về cơ bản, sử dụng các bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời bằng các tấm để có được nguồn nước nóng, từ đó chạy máy phát để tạo ra điện năng phục vụ cho đời sống thường ngày.3 Các tấm pin năng lượng mặt trời 5 1.3 Năng lượng thủy điện Thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước.
Đa số năng lượng thủy điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuốc bin nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thuỷ triều. Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra.
Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất. Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất. Để có được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp.4 Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện Hình 1.5 Nhà máy thủy điện 6 1.4 Năng lượng sinh khối Sinh khối là dạng vật liệu sinh học từ sự sống, hay gần đây là sinh vật sống, đa số là các cây trồng hay vật liệu có nguồn gốc từ thực vật. Được xem là nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sinh khối có thể dùng trực tiếp, gián tiếp một lần hay chuyển thành dạng năng lượng khác như nhiên liệu sinh học.
Sinh khối có thể chuyển thành năng lượng theo ba cách: chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi hóa học, và chuyển đổi sinh hóa. Về mặt lịch sử, con người đã khai thác các sản phẩm có nguồn gốc từ năng lượng sinh khối khi họ bắt đầu dùng củi và cỏ khô để nhóm lửa sưởi ấm. Ngày nay, thuật ngữ này có thể hiểu theo hai nghĩa. Nghĩa thứ nhất, sinh khối là vật liệu cây trồng dùng để tạo ra điện năng (dùng turbin hơi hoặc nén khí), hoặc tạo ra nhiệt (thông qua việc đốt trực tiếp).6 Nguyên lý hoạt động tạo năng lượng sinh khối 1.5 Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong tâm Trái Đất.
Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. Năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại, nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện. Có khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp 0,3% nhu cầu điện toàn cầu. Thêm vào đó, 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được 7 lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu vực.7 Nguyên lý hoạt động của năng lượng địa nhiệt 1.6 Năng lượng sóng biển Năng lượng thuỷ triều là một dạng của thủy năng có thể chuyển đỗi năng lượng thu được từ thuỷ triều thành các dạng năng lượng hữu ích khác, chủ yếu là điện.
Mặc dù chưa được sử dụng rộng rãi, năng lượng thuỷ triều có tiềm năng cho việc sản xuất điện năng trong tương lai. Thuỷ triều dễ dự đoán hơn gió và mặt trời. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng thuỷ có mức chi phí thực hiện tương đối cao và chỉ thực hiện được ở những nơi có thuỷ triều đủ cao hoặc có vận tốc dòng chảy lớn. Tuy nhiên, với nhiều sự cải tiến và phát triển về công nghệ hiện nay, phát triển về mặt thiết kế và công nghệ tua bin (như tua bin hướng trục, tua bin tạo dòng chảy chéo), cho thấy tổng công suất của năng lượng thủy triều có thể cao hơn nhiều so với giả định trước đây, nhờ đó chi phí kinh tế và môi trường có thể được đưa xuống mức cạnh tranh.8 Nguyên lý hoạt động của năng lượng sóng biển 8 1.7 Hệ thống điện năng lượng mặt trời Hệ thống điện năng lượng mặt trời được cấu thành chính từ các tấm pin mặt trời (pin quang điện).
Các tấm pin năng lượng mặt trời trong hệ thống đóng vai trò hấp thụ ánh nắng mặt trời, chuyển hóa quang năng thành điện năng và điện năng được đưa lên điện lưới hoặc lưu trữ trực tiếp trên ắc quy để hoạt động độc lập. Hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi điện nối lưới (inverter). Mô hình năng lượng mặt trời Một hệ thống quang điện mặt trời thường sẽ gồm các thành phần chính như: - Tấm pin quang điện: thường gắn trên mái nhà để hấp thụ nhiệt độ, ánh sáng từ mặt trời chuyển thành điện năng. - Biến tần: Biến tần là 1 thiết bị có tác dụng chuyển đổi dòng điện từ dòng DC (dòng 1 chiều) thành dòng AC (điện xoay chiều).