CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát về tình hình năng lượng trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay Nhu cầu về năng lượng đã tăng vọt lên trong vài thập kỷ qua, và nó đã dẫn đến một cuộc khủng hoảng năng lượng dự kiến trong tương lai, hiện đang là vấn đề lớn nhất trên thế giới. Hiện nay, trên thế giới sự giới hạn nguồn năng lượng tỷ lệ nghịch với nhu cầu ngày càng tăng của khu vực và trên toàn cầu. Vấn đề an ninh năng lượng của thế giới đang trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Việc sử dụng năng lượng hiện nay đang tập trung ở nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt….
Làm cho những nguồn tài nguyên này ngày càng cạn kiệt và tác động rất lớn đến môi trường, như ô nhiễm môi trường, rừng bị tàn phá đất bị xói mòn, tăng hiệu ứng nhà kính, băng tan, biến đổi khí hậu vv…. Điều này đã dẫn đến việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế không bao giờ kết thúc vì các nguồn năng lượng hiện tại đang dần cạn kiệt và sẽ sớm không đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai. Trước tình hình nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, nhu cầu sử dụng ngày càng tăng và các vấn đề về môi trường đang là vấn đề thách thức đối với toàn cầu. Điều đó đã dẫn đến tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế sẵn có có thể sản xuất điện và các dạng năng lượng khác cần thiết để thúc đẩy thế giới công nghiệp và kỷ nguyên công nghệ mới.
Một số nước tìm nguồn năng lượng nguyên tử, một số nước tìm đến nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời, gió, thủy triều, năng lượng địa nhiệt, sinh khối vv… Những nguồn năng lượng này có khả năng tái tạo vô tận và khai thác sử dụng không gây ô nhiễm môi trường. Việt nam cũng là một quốc gia có tìm năng khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng thủy điện và năng lượng mặt trời rất lớn. Trong những năm qua, việc tái tạo năng lượng tự nhiên đã mang đến cho nước ta một nguồn thu lớn, thúc đẩy sự phát triển kinh tế, góp phần giảm biến đổi khí hậu và giảm hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu.1 Năng lượng gió Gió là dạng năng lượng đến từ tự nhiên. Nó sinh ra nhờ sự di chuyển của không khí trong bầu khí quyển.
Đây là dạng năng lượng gián tiếp của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra nhờ kết quả của việc mặt trời và trái đất không cùng nằm trên cùng một đường thẳng. Trái đất quay xung quanh mặt trời và bị đốt nóng trong bầu khí quyển. Năng lượng gió là quá trình gió sử dụng hoạt động di chuyển của mình để tạo ra năng lượng cơ học.
Tuabin gió là thiết bị chuyển hóa từ động năng thành cơ năng. Tua-bin gió mang năng lượng gió chuyển thành điện năng. Hiện nay, năng lượng gió đã và đang được khai thác, sử dụng ở nước ta tiêu biểu có thể kể đến như Tuy Phong- Bình Thuận, Ninh Thuận, Bạc Liêu.1 trình bày tua bin gió ờ Ninh Thuận.1 Những tua bin quạt gió [3] Những ưu và nhược điểm của năng lượng gió: Ưu điểm: • Năng lương gió có khả năng tái tạo và luôn tồn tại. • Giúp giảm thải các nguồn phát thải chất ô nhiễm vào bầu khí quyển.
7 • Có thể sử dụng vùng đất này để canh tác sau khi lắp đặt tua-bin. Nhược điểm: • Nhược điểm lớn nhất của nguồn năng lượng này là tính không liên tục. Vì gió lắng xuống thì việc sản xuất điện không thể. • Việc sản xuất và lắp đặt tua-bin gió đòi hỏi các khoản đầu tư lớn – cả trong các ứng dụng thương mại và dân dụng.
• Tuabin gió ở những khu vực hoang vắng, xa người dân vừa là một lợi thế mà cũng là bất lợi, Chi phí đi lại và bảo dưỡng tua bin tăng lên và tốn nhiều thời gian. Các tua bin gió ngoài khơi cần có thuyền và có thể gây nguy hiểm để quản lý [3].2 Năng lượng thủy điện Năng lượng thủy điện còn gọi là thủy điện hoặc thủy năng, là một dạng năng lượng khai thác sức mạnh của nước trong chuyển động. Hơn 2000 năm trước, người Hy Lạp đã sử dụng nước chảy qua bánh xe của nhà máy xay lúa thành bột mì. Vào thế kỷ 21, thủy điện là dạng năng lượng tái tạo được sử dụng rộng rãi nhất, vào năm 2019 nó chiếm hơn 18% tổng công xuất phát điện của thế giới.
Các nhà máy thủy điện biến sự chênh lệch tiềm năng của nước thành điện bằng cách chuyển nó ở hai điểm ở độ cao khác nhau. Để làm được điều này, một dòng nước bị ép qua một mạch thủy lực nối hai điểm ở các độ cao khác nhau gọi là mớn nước, trong đó nước tăng tốc độ khi thế năng được chuyển hóa một phần thành động năng. Tua-bin biến động năng này thành cơ năng sau đó máy phát điện biến thành điện năng. Năng lượng thủy điện đã và đang được khai thác, sử dụng rộng rãi ở nước ta hiện nay như nhà máy thủy điện Sơn La, Hòa Bình, Lai châu.2 Quy trình tạo ra điện từ các đập thủy điện [4] Những ưu và nhược điểm của năng lượng thủy điện: Ưu điểm: • Sử dụng nước tự nhiên để quay Tuabin tạo ra điện nên giá thành điện năng rẻ hơn so với nhiệt điện(10-20%).
• Là nguồn năng lượng có tính bền vững khi giúp giảm phát thải khí nhà kính. • Nhiên liệu không bị đốt cháy nên có thể giúp giảm ô nhiễm môi trường. Nhược điểm: • Phụ thuộc thủy văn (lượng mưa). • Gây ngập lụt đất và môi trường sống của động vật hoang dã, mất hoặc thay đổi môi trường sống của cá.
• Người dân sống dọc theo các khu vực trũng thấp thường gặp nguy cơ lũ lụt vì các khu vực này có thể bị cuốn trôi khi nước được xả hết sức từ đập.3 Năng lượng bức xạ của Mặt Trời Thực tế mặt trời là lò phản ứng hạt nhân, mỗi ngày nó tiêu thụ một khối lượng vật chất lớn để biến đổi thành một khối năng lượng khổng lồ, đó là năng lượng mặt trời. Mặt trời tỏa sáng trong vũ trụ, trong đó có hành tinh của chúng ta. Chúng ta nhận được năng lượng mặt trời mỗi ngày dưới dạng ánh sáng và nhiệt.3 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời [5] Theo những công trình nghiên cứu, năng lượng mặt trời là dòng năng lượng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời và một phần các hạt nguyên tử khác phóng ra từ đây. Dòng năng lượng này tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu.
Theo dự đoán, nguồn năng lượng này có thể hết trong vòng 5 tỷ năm nữa. Năng lượng mặt trời còn là nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên trái đất. Ngay từ ngoài khí quyển trái đất, cứ mỗi một mét vuông diện tích vuông góc với ánh sang mặt trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1. Do vậy, mặt trời đã cho chúng ta nguồn năng lượng tái tạo vô tận.
Mặt trời cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo của gia súc, củi đốt, những nguồn năng lượng tái tạo truyền thống. Con người đã sử dụng năng lượng mặt trời bằng cách thu trực tiếp, biến năng lượng mặt trời thành nhiệt năng như bình đun nước nóng, xấy khô (phơi nắng) nông sản, quần áo vv…. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, người ta dùng năng lượng mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện (pin quang điện) biến quang năng thành điện năng [5]. Việt Nam có vị trí địa lí ở trong vùng quanh năm gió, nắng và bờ biển dài suốt chiều dài của đất nước.
Với vị trí địa lí như vậy, chúng ta đã có nguồn tài nguyên năng lượng tái sinh vô tận: năng lượng mặt trời, gió, sóng biển, thủy triều…. Địa 10 hình của nước ta có nhiều núi cao, dốc đứng rất thuận lợi để xây dựng các nhà máy thủy điện. Đồng thời nước ta có tiềm năng lớn về nguyên liệu để sản xuất khí sinh học. Đồng thời Việt Nam là nước có tên trên bản đồ địa nhiệt thế giới.
Tuy vậy, Việt Nam mới chỉ khai thác được 25% nguồn năng lượng tái sinh (trong đó có năng lượng mặt trời) và còn lại 75% vẫn chưa được khai thác. Với vị trí địa lý nằm ở khu vực cận xích đạo, nên Việt Nam có nhiều tiềm năng tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời, với tổng số giờ nắng cao lên đến trên 2.500 giờ/năm, tổng lượng bức xạ trung bình năm vào khoảng 5 KWh/m2/ngày, theo hướng tăng dần về phía Nam. Đây là một lợi thế cho Việt Nam khai khác nguồn năng lượng tái tạo này, để phục vụ cho nhu cầu sản xuất và sinh hoạt người dân. Hiện nay, ngày càng nhiều hộ gia đình nhận thấy nhiều lợi ích từ việc sử dụng thiết bị tấm pin năng lượng mặt trời để sử dụng vào những nhu cầu hàng ngày, giúp tiết kiệm được một khoản chi phí cho gia đình [6].4 Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam [6] 11 Từ những điều trên, việc tạo ra một hệ thống pin quang điện nhằm chuyển hóa nguồn năng lượng mặt trời (quang năng) thành điện năng ở nước ta là hoàn toàn có khả thi, đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng và góp phần chống biến đổi khí hậu.
Xã hội càng phát triển, nhu cầu sử dụng năng lượng phục vụ đời sống, kinh tế ngày càng ra tăng. Trong khi đó nguồn tài nguyên của trái đất là hữu hạn. Việc khai thác quá mức dẫn đến nhiều hệ lụy, trong đó có ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tới hệ sinh thái và đặc biệt là khả năng thiếu hụt trong tương lai. Việc nghiên cứu ra các hệ thống khai thác năng lượng xanh, có khả năng tái tạo và được đáp ứng bởi nguồn cung vô tận như gió, nước, ánh nắng…ngày càng được chú trọng phát triển.
Phát minh tạo ra tấm pin năng lượng mặt trời được coi là đột phá trong ngành công nghệ thế giới, được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực và hứa hẹn phát triển mạnh trong tương lai. Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.