Tài liệu Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam theo số liệu quan trắc khí tượng thủy văn Luận văn ThS. Khoa học Môi Trường

®¹i häc quèc gia hµ néi Tr-êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn ------------------ H¸n ThÞ Ng©n NGHI£N CøU §¸NH GI¸ TIÒM N¡NG N¡NG L-îng mÆt trêi th«ng qua sè giê n¾ng ë viÖt nam LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Hµ Néi - N¨m ®¹i häc quèc gia hµ néi Tr-êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn ------------------ H¸n ThÞ Ng©n NGHI£N CøU §¸NH GI¸ TIÒM N¡NG N¡NG L-îng mÆt trêi th«ng qua sè giê n¾ng ë viÖt nam Chuyªn ngµnh: M· sè: LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc N PGS.TS. L-u §øc H¶i Hµ Néi - 2011 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân MỤC LỤC Chƣơng 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 3 1.1. Tổng quan về năng lượng mặt trời ............................................................ 3 1.1.1. Khái niệm chung .................................................................................... 3 1.1.2. Các nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới ................ 4 1.1.3. Các nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam ................. 7 1.1.3.1. Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời ................................. 7 1.1.3.2. Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời .......................................... 11 1.1.3.3. Các ứng dụng khác ............................................................................ 13 1.2. Tổng quan về các khu vực nghiên cứu .................................................... 14 1.2.1. Tổng quan vùng Tây Bắc .................................................................... 14 1.2.2. Tổng quan vùng Việt Bắc .................................................................... 15 1.2.3. Tổng quan vùng Đông Bắc .................................................................. 15 1.2.4. Tổng quan vùng Đồng Bằng Bắc Bộ................................................... 16 1.2.5. Tổng quan vùng Bắc Trung Bộ ........................................................... 17 1.2.6. Tổng quan vùng Trung Trung Bộ........................................................ 19 1.2.7. Tổng quan vùng Nam Trung Bộ.......................................................... 20 1.2.8. Tổng quan vùng Nam Bộ .................................................................... 21 1.2.9. Tổng quan vùng Tây Nguyên. ............................................................. 22 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 25 2.1. Đối tượng nghiên cứu. ............................................................................. 25 2.1.1. Mạng lưới trạm quan trắc khí tượng.................................................... 25 2.1.1.1. Tổng quát chung về quan trắc khí tượng .......................................... 25 2.1.1.2. Các cơ sở phát triển mạng lưới trạm quan trắc trong quy hoạch từng giai đoạn: ......................................................................................................... 26 2.1.1.3. Mạng lưới trạm quan trắc khí tượng hiện tại .................................... 28 2.1.2. Thời gian nắng ..................................................................................... 29 2.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 29 2.2.1. Phương pháp đo thời gian nắng ........................................................... 29 2.2.2. Phương pháp thu thập, chiết xuất, thống kê, tổng hợp số liệu ............ 30 2.2.3. Phương pháp xây dựng bản đồ bằng phần mềm ArcView GIS 3.2 .... 30 2.2.3.1. Khái niệm .......................................................................................... 30 2.2.3.2. Cấu trúc dữ liệu trong ArcView........................................................ 31 2.2.3.3. Lập bản đồ ......................................................................................... 32 2.2.4. Phương pháp đánh giá tiềm năng ........................................................ 33 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................ 34 3.1. Tiềm năng năng lượng mặt trời theo từng khu vực trên lãnh thổ Việt Nam . ......................................................................................................................34 3.1.1. Khu vực Tây Bắc .................................................................................. 34 3.1.1.1. Đặc điểm phân bố nắng ...................................................................... 34 i Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân 3.1.1.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 38 3.1.2. Khu vực Việt Bắc .................................................................................. 38 3.1.2.1. Đặc điểm phân bố nắng ..................................................................... 38 3.1.2.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 42 3.1.3. Khu vực Đông Bắc ................................................................................ 42 3.1.3.1. Đặc điểm phân bố nắng ...................................................................... 42 3.1.3.2. Thuận lợi và khó khăn trong việc sử dụng năng lượng mặt trời........ 46 3.1.4. Khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ ................................................................. 47 3.1.4.1. Đặc điểm phân bố nắng ...................................................................... 47 3.1.4.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 51 3.1.5. Khu vực Bắc Trung Bộ ......................................................................... 52 3.1.5.1. Đặc điểm phân bố nắng ...................................................................... 52 3.1.5.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 55 3.1.6. Khu vực Trung Trung Bộ ...................................................................... 56 3.1.6.1. Đặc điểm phân bố nắng ...................................................................... 56 3.1.6.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 60 3.1.7. Khu vực Nam Trung Bộ ........................................................................ 60 3.1.7.1. Đặc điểm phân bố nắng ..................................................................... 60 3.1.7.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 64 3.1.8. Khu vực Nam Bộ................................................................................... 64 3.1.8.1. Đặc điểm phân bố nắng ...................................................................... 64 3.1.8.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 68 3.1.9. Khu vực Tây Nguyên ............................................................................ 68 3.1.9.1. Đặc điểm phân bố nắng ...................................................................... 68 3.2. Đánh giá tổng hợp tiềm năng năng lượng mặt trời trên lãnh thổ Việt Nam 72 3.2.1. Số giờ nắng trong năm .......................................................................... 72 3.2.1.1. Đánh giá, so sánh các khu vực trên toàn quốc ................................... 72 3.2.1.2 Bản đồ số giờ nắng .............................................................................. 73 3.2.2. Số ngày có nắng .................................................................................... 75 3.2.2.1. Đánh giá, so sánh các khu vực trên toàn quốc ................................... 75 3.2.2.2 Bản đồ số ngày nắng ........................................................................... 75 3.2.4. Chênh lệch số giờ nắng giữa các tháng trong năm ............................... 79 3.2.5. Đánh giá tổng hợp ................................................................................. 80 3.2.5.1. Đánh giá, so sánh tiềm năng .............................................................. 80 3.2.5.2. Bản đồ đánh giá tổng hợp tiềm năng năng lượng mặt trời Việt Nam 82 KẾT LUẬN .................................................................................................... 84 KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 86 ii Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các số liệu về nƣớc nóng mặt trời đã lắp đặt (cho đến cuối năm 2005).................................................................................................................. 5 Bảng 1.2. Các số liệu về công suất pin mặt trời đã lắp đặt .............................. 5 Bảng 1.3. Lộ trình phát triến nƣớc nóng mặt trời ........................................... 10 Bảng 3.1. Phân chia các mức giờ nắng năm ................................................... 72 Bảng 3.2. Điểm đánh giá số giờ nắng ............................................................. 73 Bảng 3.3. Điểm đánh giá số ngày có nắng ..................................................... 75 Bảng 3.4. Đánh giá độ chênh số giờ nắng giữa các trạm ............................... 79 Bảng 3.5. Đánh giá độ chênh số giờ nắng giữa các tháng .............................. 80 Bảng 3.6. Đánh giá tổng hợp .......................................................................... 81 iii Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Hệ thống cung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời theo kiểu đối lƣu tự nhiên ................................................................................................. 9 Biểu đồ 3.1. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Tây Bắc ......................................................................................................................... 34 Biểu đồ 3.2. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Tây Bắc ......................................................................................................................... 35 Biểu đồ 3.3. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Sơn La ... 36 Biểu đồ 3.4. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Kim Bôi . 36 Biểu đồ 3.5. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Tây Bắc ......................................................................................................................... 37 Biểu đồ 3.6. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Tây Bắc ......................................................................................................................... 37 Biểu đồ 3.7. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Việt Bắc ......................................................................................................................... 39 Biểu đồ 3.8. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Việt Bắc ......................................................................................................................... 39 Biểu đồ 3.9. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Lào Cai .. 40 Biểu đồ 3.10. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Thái Nguyên ............................................................................................................ 40 Biểu đồ 3.11. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Việt Bắc ................................................................................................................... 41 Biểu đồ 3.12. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Việt Bắc ................................................................................................................... 41 Biểu đồ 3.13. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Đông Bắc ................................................................................................................... 43 Biểu đồ 3.14. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Đông Bắc ................................................................................................................... 43 Biểu đồ 3.15. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Bạch Long Vĩ ..................................................................................................................... 44 Biểu đồ 3.16. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Đình Lập ......................................................................................................................... 45 Biểu đồ 3.17. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Đông Bắc ................................................................................................................... 45 Biểu đồ 3.18. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Đông Bắc ................................................................................................................... 46 Biểu đồ 3.19. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ.................................................................................................... 47 Biểu đồ 3.20. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ.................................................................................................... 48 iv Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân Biểu đồ 3.21. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Sơn Tây 49 Biểu đồ 3.22. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Láng ..... 49 Biểu đồ 3.23. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ.................................................................................................... 50 Biểu đồ 3.24. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ.................................................................................................... 50 Biểu đồ 3.25. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Bắc Trung Bộ.......................................................................................................... 52 Biểu đồ 3.26. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Bắc Trung Bộ.......................................................................................................... 53 Biểu đồ 3.27. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Hà Tĩnh 53 Biểu đồ 3.28. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Hƣơng Khê .................................................................................................................. 54 Biểu đồ 3.30. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Bắc Trung Bộ ......................................................................................................... 55 Biểu đồ 3.31. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Trung Trung Bộ .......................................................................................................... 56 Biểu đồ 3.32. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Trung Trung Bộ .......................................................................................................... 57 Biểu đồ 3.33. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Lý Sơn . 58 Biểu đồ 3.34. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Tuyên Hóa ......................................................................................................................... 58 Biểu đồ 3.35. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Trung Trung Bộ .......................................................................................................... 59 Biểu đồ 3.36. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Trung Trung Bộ .......................................................................................................... 59 Biểu đồ 3.37. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Nam Trung Bộ .......................................................................................................... 61 Biểu đồ 3.38. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Nam Trung Bộ .......................................................................................................... 61 Biểu đồ 3.39. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Phan Thiết ......................................................................................................................... 62 Biểu đồ 3.40. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Hoài Nhơn ......................................................................................................................... 62 Biểu đồ 3.41. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Nam Trung Bộ.......................................................................................................... 63 Biểu đồ 3.42. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Nam Trung Bộ .......................................................................................................... 63 Biểu đồ 3.43. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Nam Bộ .................................................................................................................... 65 v Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân Biểu đồ 3.44. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Nam Bộ .................................................................................................................... 65 Biểu đồ 4.45. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Mộc Hóa ......................................................................................................................... 66 Biểu đồ 3.46. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Cà Mau 66 Biểu đồ 3.47. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Nam Bộ ......................................................................................................................... 67 Biểu đồ 3.48. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Nam Bộ ......................................................................................................................... 67 Biểu đồ 3.49. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Tây Nguyên ............................................................................................................ 69 Biểuđồ 3.50. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Tây Nguyên ............................................................................................................ 69 Biểu đồ 3.51. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Kon Tum ......................................................................................................................... 70 Biểu đồ 3.52. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Đà Lạt .. 70 Biểu đồ 3.53. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Tây Nguyên ............................................................................................................ 71 Biểu đồ 3.54. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Tây Nguyên ............................................................................................................ 71 vi Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân MỞ ĐẦU Con ngƣời đang đứng trƣớc nguy cơ khủng hoảng về năng lƣợng do các nguồn năng lƣợng truyền thống nhƣ than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định, nhiều nguồn năng lƣợng thay thế đang đƣợc các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Khai thác năng lƣợng tái tạo là chiến lƣợc của cả thế giới, là giải pháp hữu hiệu nhằm giải quyết vấn đề an ninh năng lƣợng. Theo ƣớc tính đến năm 2015, Việt Nam sẽ thiếu nguồn cung cấp năng lƣợng từ nhiên liệu hóa thạch truyền thống, cần đƣợc bổ sung từ nguồn năng lƣợng tái tạo. Theo kế hoạch, đến năm 2020, Việt Nam sẽ sản xuất 5% điện năng từ năng lƣợng tái tạo. Cho dù đến nay, cả nƣớc mới chỉ có 20 turbine gió với công suất 1.5 MW/ turbine đặt tại Ninh Thuận, còn nguồn năng lƣợng mặt trời vẫn còn là tiềm năng bị bỏ ngỏ ở Việt Nam. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời đƣợc phản ánh qua số giờ nắng. Trung bình năm ở nƣớc ta có khoảng 1400 – 3000 giờ nắng. Việt Nam với lợi thế là một trong những nƣớc nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới. Với dải bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cƣ dân sinh sống nhƣng nhiều nơi không thể đƣa điện lƣới đến đƣợc. Việc sử dụng năng lƣợng mặt trời nhƣ một nguồn năng lƣợng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lƣợng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của dân cƣ các đảo là một giải pháp có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay còn có nhiều hạn chế, cho dù giải pháp này có tác dụng giảm nhẹ hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong các khó khăn hạn chế khả năng sử dụng rộng rãi năng lƣợng mặt trời trong cuộc sống ngƣời dân là: giá thành đầu tƣ và chi phí sản xuất điện mặt trời còn khá cao, trang thiết bị sử dụng còn chƣa phổ biến ở Việt Nam; hơn thế nữa đó là thiếu các thông tin khoa học cần thiết để đánh giá tiềm năng năng lƣợng mặt trời. Với mục đích góp phần vào việc cung cấp thông tin khoa học cho việc nghiên cứu triển khai áp dụng công nghệ khai thác và sử dụng năng lƣợng mặt trời, tôi đã 1 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân chọn đề tài theo tiêu đề: “Đánh giá tiềm năng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam theo số liệu quan trắc khí tƣợng thủy văn”. Số liệu đặc trƣng nhất có thể phản ánh đƣợc tiềm năng năng lƣợng mặt trời là số liệu về số giờ nắng và số ngày có nắng. Trong phạm vi luận văn thạc sỹ tôi tập trung đánh giá theo số liệu số giờ nắng và số ngày có nắng trong hai năm 2009 và 2010. Nhiệm vụ đầu tiên của đề tài là xử lý các số liệu hiện có thu đƣợc từ các trạm khí tƣợng trong phạm vi toàn quốc để đánh giá và xây dựng bản đồ về số giờ nắng chi tiết cho từng vùng ở Việt Nam. Hy vọng rằng, luận văn sẽ là đóng góp nhỏ cho phƣơng hƣớng phát triển năng lƣợng mặt trời nói riêng và năng lƣợng tái tạo nói chung ở Việt Nam. 2 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về năng lƣợng mặt trời 1.1.1. Khái niệm chung Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đƣờng kính trung bình khoảng 1,36 triệu km ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km. Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của Mặt trời vào khoảng 6000 0K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của Mặt trời rất lớn, vào khoảng 8x106 0K đến 40x106 0K. 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 1,991x1030kg, nên thời gian để Mặt trời còn tồn tại đƣợc tính hang tỷ năm. Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo bán 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. 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 năng lƣợng mặt trời, 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 nhận đƣợc trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển và thẳng góc với tia tới. Tại khoảng cách trung bình từ trái đất đến mặt trời (1.5x1011 m), hằng số mặt trời là S0 = 1367 W/m2. Mặt trời phát ra dòng năng lƣợng gần nhƣ không đổi đƣợc gọi là độ chói của mặt trời, có giá trị: L0 = 3.9x1026 W. Trong tự nhiên, bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lƣợng của quá trình phong hóa, bóc mòn, vận chuyển, bồi tụ cũng nhƣ chiếu sáng và sƣởi ấm cho các hành tinh trong hệ mặt trời. Ngày nay, con ngƣời đã có thể biến đổi năng lƣợng bức xạ mặt trời ra nhiều dạng năng lƣợng khác để sử dụng: - Biến đổi ra nhiệt năng nhờ các kỹ thuật làm nóng và làm lạnh. 3 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân - Biến đổi ra nhiệt năng rồi từ nhiệt năng thành cơ năng bằng các quá trình nhiệt động lực và từ cơ năng thành điện năng. - Biến đổi trực tiếp ra điện năng nhờ các pin quang điện. - Biến đổi ra nhiệt năng rồi từ nhiệt năng ra hóa năng nhờ các phản ứng nhiệt hóa. - Tạo ra sinh khối bằng quá trình quang hợp rồi từ sinh khối thu đƣợc hóa năng nhờ các quá trình lên men và nhiệt phân. Ngoài ra, ngƣời ta dự đoán trong tƣơng lai còn có thể biến đổi trực tiếp năng lƣợng mặt trời ra hóa năng nhờ các phản ứng quang hóa. Tuy nhiên, hiện nay năng lƣợng mặt trời khai thác chủ yếu dƣới dạng nhiệt năng và quang năng. Các phƣơng tiện kỹ thuật đƣợc sử dụng để biến đổi năng lƣợng mặt trời ra các dạng năng lƣợng khác bao gồm nhiều thứ khác nhau, từ các dàn đun nƣớc đơn giản đến các lò mặt trời, các nhà máy điện mặt trời. Nói chung các hệ thống thiết bị mặt trời có 2 loại khác nhau về tính năng sử dụng năng lƣợng mặt trời: - Loại không tập trung năng lƣợng mặt trời, loại này hoạt động do tác dụng của tổng xạ, tức là có thể sử dụng đƣợc cả trực xạ lẫn tán xạ mặt trời. - Loại hội tụ năng lƣợng mặt trời, loại này hầu nhƣ chỉ sử dụng đƣợc trực xạ mặt trời. Hiệu quả hoạt động của các hệ thống thiết bị này chủ yếu phụ thuộc vào cƣờng độ tổng xạ và trực xạ, phân phối tần suất tổng xạ và trực xạ, phân phối phổ trực xạ và tán xạ, ngoài ra cũng còn chịu ảnh hƣởng của một số yếu tố khí tƣợng khác nhƣ nhiệt độ, gió, độ ẩm v..v… Trong phạm vi luận văn cao học này, tác giả chỉ sử dụng thông số số giờ nắng là thông số đặc trƣng nhất để đánh giá tiềm năng năng lƣợng mặt trời. 1.1.2. Các nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới Các số liệu từ REN 21: Renewables Global Status Report 2006 Update, 18.7.2006 cho thấy: đến cuối năm 2005, tổng công suất lắp đặt các hệ thống nƣớc nóng mặt trời trên toàn thế giới vào khoảng 88GWth, trong đó phần lớn đƣợc lắp đặt ở Trung Quốc và các nƣớc thuộc khối EU. Bảng 1.1 trình bày cụ thể các số liệu đó 4 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân ở một vài nƣớc tiêu biểu. Đặc biệt, trong những năm gần đây, tốc độ lắp đặt các hệ thống nƣớc nóng mặt trời ở các nƣớc đứng đầu trong bảng gia tăng rất đáng kể. Cụ thể, nếu vào năm 2005 các nƣớc EU có 11,2GWth đã lắp đặt, thì vào năm 2007 con số đó đã tăng lên đến 15,37GWth. Bảng 1.1. Các số liệu về nước nóng mặt trời đã lắp đặt (cho đến cuối năm 2005) Nƣớc Số liệu đã lắp đặt, 106 m2 collector Số liệu đã lắp đặt, GWth Trung Quốc 79,3 55,5 EU 16 11,2 Thổ Nhĩ Kỳ 8,1 5,7 Nhật Bản 7,2 5 Israel 4,7 3,3 Brazil 2,3 1,6 Mỹ 2,3 1,6 Úc 1,7 1,2 Ấn Độ 1,5 1,1 Ghi chú: 1m2 collector có thể được qui đổi thành 0,7kWth. Theo Renewables 2007, Global Status Report, công suất lắp đặt pin mặt trời trên toàn thế giới đến năm 2007 là 10.300 MWp, trong đó Đức hiện đang dẫn đầu với 3.862MWp. Bảng 2 trình bày các số liệu về công suất pin mặt trời đã đƣợc lắp đặt ở một số nƣớc. Bảng 1.2. Các số liệu về công suất pin mặt trời đã lắp đặt Nƣớc Công suất pin mặt trời đã lắp đặt, MWp Đức 3862 Nhật 1919 Mỹ 831 Tây Ban Nha 655 Ý 120 Ấn Độ 110 Trung Quốc 100 Úc 82 Thái Lan 36 Indonesia 8 Malaysia 5,5 Philippines 4 Cambodia 3 Lào 1 Nguồn: Renewables 2007, Global Status Report 5 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân Các bảng 1.1 và 1.2 cho thấy, các nƣớc đang thi đua khai thác nguồn năng lƣợng vô tận từ Mặt trời để đáp ứng các nhu cầu thiết yếu của con ngƣời. Trong đó, có thể nói tốc độ khai thác sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Trung Quốc là rất ấn tƣợng. Các nƣớc trong khu vực cũng đang có cuộc cạnh tranh rất quyết liệt trong lĩnh vực này. Ngoài ra, trong cuộc chạy đua tìm kiếm những nguồn năng lƣợng mới nhằm thay thế cho nguồn năng lƣợng đang dần cạn kiệt trên trái đất, giới khoa học đã tìm mọi cách tận dụng nguồn năng lƣợng vô tận từ vũ trụ, mà đặc biệt là năng lƣợng mặt trời. Nguồn năng lƣợng đó đã giúp các nhà khoa học ứng dụng và vận hành thành công nhiều phát minh khoa học độc đáo, đồng thời mở ra những cơ hội khai thác năng lƣợng mới cho toàn nhân loại: - Máy bay sử dụng năng lƣợng mặt trời từ lâu đã đƣợc một số quốc gia nhƣ Anh, Mỹ, Nhật Bản... tìm cách phát triển và đã thu đƣợc thành công lớn. Chiếc máy bay chạy bằng năng lƣợng mặt trời hiện đại nhất hiện nay của Mỹ là loại máy bay với sải cánh dài 70 m, trọng lƣợng khoảng 1,6 tấn đã thực hiện thành công nhiều chuyến bay không cần đến bất kỳ một nhiên liệu nào khác. Theo dự tính của các nhà khoa học Mỹ, đến năm 2011, nƣớc này sẽ hoàn tất việc chế tạo máy bay sử dụng năng lƣợng mặt trời và thực hiện chuyến bay vòng quanh thế giới. - Thành công đầu tiên trong ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào việc cung cấp năng lƣợng cho điện thoại di động thuộc về nhà cung cấp điện thoại di động Samsung, sau khi hãng này cho ra đời loại điện thoại di động thân thiện với môi trƣờng đƣợc chế tạo từ nhựa tái chế, và đặc biệt là có thể gọi, hoặc nghe liên tục mà không cần sạc pin. Thay vào đó, ngƣời sử dụng chỉ việc để mặt sau chiếc điện thoại tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, và nó sẽ tự nạp năng lƣợng thông qua pin năng lƣợng mặt trời. Chiếc điện thoại này của Samsung đƣợc đánh giá là điểm nhấn của khoa học công nghệ trong thế kỷ XXI. - Ý tƣởng trạm xe buýt chiếu sáng tự động bắt đầu đƣợc đƣa ra thực hiện tại Florence - Italia. Vào ban đêm, những trạm xe buýt này trở thành những công trình chiếu sáng công cộng hết sức thu hút và sang trọng. Ngoài ra, trong trạm xe buýt, 6 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân còn cài đặt thêm hệ thống cho phép ngƣời đợi xe kết nối wifi và sử dụng điện thoại truy cập Internet miễn phí trong lúc chờ đợi. - Ô tô chạy bằng năng lƣợng mặt trời là sản phẩm của các nhà sản xuất ôtô Thụy Sĩ từng đƣợc trƣng bày trong triển lãm xe ôtô tại Geneva. Chiếc ôtô này đƣợc phủ bởi một lớp film quang điện mỏng cho phép hấp thụ năng lƣợng từ mặt trời và có thể giúp nó vận hành liên tục trong 20 phút. Tuy chỉ có thể tích trữ và cung cấp năng lƣợng trong một thời gian ngắn, song loại xe đƣợc đánh giá là thân thiện với môi trƣờng này đang đƣợc các nhà khoa học tại nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu phát triển. 1.1.3. Các nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam Mặc dù đƣợc đánh giá là có tiềm năng rất đáng kể về năng lƣợng mặt trời, nhƣng do nhiều nguyên nhân khác nhau, tỉ trọng của năng lƣợng mặt trời trong cán cân năng lƣợng sử dụng chung của toàn đất nƣớc vẫn còn rất bé. Tuy vậy, có thể thấy rõ năng lƣợng mặt trời đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào sử dụng từ rất lâu ở Việt Nam. Bên cạnh các phƣơng thức khai thác truyền thống, đơn giản, mang tính dân gian nhƣ phơi lúa và sấy khô các loại thủy hải sản, các hoạt động nghiên cứu và sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam cho đến hiện nay thƣờng tập trung vào các lĩnh vực nhƣ cung cấp nước nóng dùng trong sinh hoạt và phát điện ở qui mô nhỏ. Các hoạt động khác nhƣ sấy, nấu ăn, chƣng cất nƣớc, làm lạnh,…có đƣợc chú ý đến nhƣng vẫn còn ở qui mô lẻ tẻ, chƣa đáng kể. 1.1.3.1. Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời Đây là lĩnh vực có sự phát triển rất đáng kể trong những năm gần đây, nhất là ở các tỉnh phía nam. Về nguyên tắc, có thể có hai loại phƣơng án sử dụng năng lƣợng mặt trời để cung cấp nƣớc nóng dùng trong sinh hoạt gia đình (dùng để tắm hoặc rửa chén bát): - Phương án 1: kết hợp với điện, có bơm nƣớc để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt theo kiểu đối lƣu cƣỡng bức. - Phương án 2: chỉ sử dụng năng lƣợng mặt trời, quá trình trao đổi nhiệt theo kiểu đối lƣu tự nhiên. 7 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân Hiện nay trên thị trƣờng đều có cả hai loại phƣơng án đã nêu ở trên. Tuy nhiên, do các hệ thống cung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời thuộc phƣơng án 1 thƣờng đắt hơn rất nhiều lần so với phƣơng án 2, cho nên trong thực tế thƣờng gặp hệ thống cung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời theo phƣơng án 2 nhiều hơn phƣơng án 1. Hình 1.1 dƣới đây trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống cung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời theo phƣơng án 2. Từ hình vẽ ta thấy, dƣới tác động của các tia bức xạ mặt trời, nƣớc trong collector mặt trời 1 sẽ gia tăng nhiệt độ và dần dần đi lên theo đƣờng ống dẫn nƣớc nóng 2. Tƣơng ứng, nƣớc có nhiệt độ thấp hơn sẽ chảy từ bình chứa 3 đặt ở phía trên để đi vào collector 1 theo đƣờng ống dẫn nƣớc lạnh tuần hoàn 4 và tạo nên vòng tuần hoàn khép kín. Trong trƣờng hợp này chuyển động của nƣớc là hoàn toàn tự nhiên, có nghĩa là không do tác động của bơm, chuyển động này đƣợc tạo nên là do sự sụt giảm khối lƣợng riêng của nƣớc khi nhiệt độ nƣớc gia tăng. Cứ tiếp tục nhƣ thế nhiệt độ của nƣớc trong bình chứa sẽ tăng dần. Khi bức xạ mặt trời ở mức còn đủ để làm nóng nƣớc thì nƣớc trong bình chứa bị phân lớp khá đáng kể theo nhiệt độ, theo đó nhiệt độ của nƣớc ở vị trí cao hơn sẽ có giá trị lớn hơn. Khi nƣớc không còn chuyển động nữa thì nhiệt độ của nƣớc trong bình chứa cũng không hoàn toàn đồng đều, tuy nhiên mức sai biệt nhiệt độ sẽ giảm bớt. 8 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân 3 Nƣớc nóng đến nơi sử dụng 2 Cấp nƣớc lạnh 1 4 1- Collector mặt trời 3- Bình chứa nước nóng 2- Ống nước nóng tuần hoàn 4- Ống nước lạnh tuần hoàn Hình 1.1. Hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời theo kiểu đối lưu tự nhiên Nguyên tắc làm việc cơ bản của các hệ thống loại này là sự tích lũy dần dần nhiệt lƣợng nhận đƣợc từ các tia bức xạ mặt trời từ sáng cho đến chiều, do vậy thƣờng chỉ nên sử dụng nƣớc nóng mặt trời từ cuối buổi chiều trở đi. Thực tế cho thấy, ở các tỉnh phía nam, gần nhƣ có thể sử dụng nƣớc nóng mặt trời trong suốt cả năm. Tùy vào đặc điểm của từng hệ thống cụ thể, và tùy vào tình hình thời tiết cụ thể, mà nhiệt độ trung bình của nƣớc vào cuối mỗi buổi chiều có thể biến đổi trong khoảng từ 45oC cho đến khoảng gần 70oC. Với các hệ thống thuộc phƣơng án 1, do có sử dụng điện trở cho nên chắc chắn nhiệt độ của nƣớc khá ổn định, có thể kiểm soát đƣợc, có nghĩa là không phụ thuộc vào thời tiết. Trong hệ thống này ngoài điện trở sẽ có thêm rơ le kiểm soát nhiệt độ và bơm nƣớc. Do chƣa có các số liệu thống kê đáng tin cậy cho nên thật khó có thể xác định số lƣợng các hệ thống nƣớc nóng mặt trời đã đƣợc lắp đặt trong phạm vi cả nƣớc. Tuy nhiên, một điều rõ ràng là nƣớc nóng mặt trời ngày càng đƣợc nhiều ngƣời quan tâm. Hiện nay ở Thành phố Hồ Chí Minh có khoảng hơn 30 công ty kinh doanh các sản phẩm nƣớc nóng mặt trời. Nếu trƣớc đây nƣớc nóng mặt trời 9 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân còn rất xa lạ với mọi ngƣời, thì ngày nay nƣớc nóng mặt trời đã trở nên quen thuộc hơn, các sản phẩm nƣớc nóng mặt trời đã và đang trở thành mặt hàng cạnh tranh quyết liệt giữa các công ty kinh doanh cùng ngành hàng này. Ở Thành phố Hồ Chí Minh hiện nay có khá nhiều gia đình và một số khách sạn đang sử dụng nƣớc nóng mặt trời, đặc biệt ở khu đô thị mới Phú Mỹ Hƣng (Quận 7, TP Hồ Chí Minh) hầu nhƣ nhà nào cũng sử dụng nƣớc nóng mặt trời. Nhiều ngƣời vẫn ái ngại, liệu các tỉnh ở phía bắc có thể sử dụng nƣớc nóng mặt trời đƣợc hay không? Có thể nhìn vào tốc độ tăng trƣởng các sản phẩm nƣớc nóng mặt trời ở Trung Quốc trong những năm gần đây để tìm ra câu trả lời cho câu hỏi này. Tuy nhiên, nếu lắp đặt ở các tỉnh phía bắc, cần chú ý lựa chọn chủng loại hợp lý của collector mặt trời để có thể đạt đƣợc mức hiệu quả nhƣ mong muốn. So với collector tấm phẳng loại thông thƣờng, tổn thất nhiệt của collector ống thủy tinh chân không hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng xung quanh. Chính vì vậy, collector ống thủy tinh chân không đƣợc xem là phƣơng án thích hợp với điều kiện khí hậu của các tỉnh phía bắc, nơi mà nhiệt độ môi trƣờng xung quanh thƣờng giảm khá thấp vào mùa đông. Nhằm mục đích đẩy mạnh việc sử dụng nƣớc nóng mặt trời, bắt đầu từ ngày 01.8.2008 Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện chƣơng trình “Hỗ trợ sản xuất và tiêu dùng máy nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời”, theo đó, khi mua một sản phẩm nƣớc nóng mặt trời ngƣời dân sẽ đƣợc hỗ trợ một triệu đồng, chƣơng trình này dự kiến sẽ đƣợc kéo dài trong 5 năm. Nhƣ đã trình bày ở trên, trong điều kiện Việt Nam, tính khả thi của việc ứng dụng nƣớc nóng mặt trời là rất cao, đặc biệt các tỉnh ở phía nam. Bảng 1.3 dƣới đây trình bày lộ trình phát triển nƣớc nóng mặt trời trong những năm sắp tới. Các số liệu trong bảng tƣơng ứng với lƣợng nƣớc nóng mặt trời dự kiến khai thác đã đƣợc qui đổi sang đơn vị TOE (tấn dầu tƣơng đƣơng), đây là lộ trình ứng với chỉ tiêu ở mức cao. Bảng 1.3. Lộ trình phát triến nước nóng mặt trời Năm 2010 2015 2020 2025 TOE 8600 21500 10 43000 107500 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân Ghi chú: TOE (The tonne of oil equivalent) là đơn vị được sử dụng để đo năng lượng, đó là lượng nhiệt sinh ra khi đốt một tấn dầu thô, có giá trị xấp xỉ khoảng 42GJ. 1.1.3.2. Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời Cho đến nay, tổng công suất điện mặt trời đã đƣợc lắp đặt trên phạm vi toàn quốc chỉ vào khoảng 1,2MWp. Trong tất cả các trƣờng hợp, theo ngôn ngữ thông dụng, thiết bị dùng để biến đổi trực tiếp bức xạ mặt trời thành điện là pin mặt trời. Đây là những hệ thống nhỏ lẻ, không nối lƣới, thƣờng đƣợc sử dụng trực tiếp ở dạng điện một chiều để thắp sáng, trong một số trƣờng hợp có thể đƣợc biến thành điện xoay chiều để sử dụng cho các nhu cầu khác. Trong vài năm trở lại đây, theo xu thế chung, đã có một số cố gắng nghiên cứu nối lƣới điện mặt trời. Tuy nhiên, các hoạt động này hiện chỉ đang dừng ở mức thử nghiệm, chƣa ứng dụng đƣợc trong đời sống xã hội. Về mặt nguyên lý, pin mặt trời đƣợc tạo nên từ những chất bán dẫn. Dƣới tác động của các tia bức xạ mặt trời, các điện tử sẽ đƣợc tách ra khỏi các nguyên tử, sự chuyển động của các điện tử khi đƣợc đấu nối qua vật dẫn điện sẽ tạo nên dòng điện. Quá trình biến đổi từ các tia sáng mặt trời (Photons) thành điện (Voltage) đƣợc gọi là hiệu ứng quang điện (Photovoltaic Effect). Cho đến hiện nay, về mặt thị trƣờng, vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng trong công nghiệp chế tạo pin mặt trời là Silic tinh thể và Silic vô định hình. Trong những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu có xu hƣớng chuyển sang chế tạo pin mặt trời trên cơ sở nano-TiO2 tẩm chất nhạy quang (Dye-Sensitized Nanocrystalline TiO2 Solar Cell). Tùy theo cấu tạo và loại vật liệu đƣợc sử dụng mà hiệu suất pin mặt trời có thể biến đổi trong khoảng từ 11,1% cho đến 27,3%. Thông thƣờng mỗi tấm pin mặt trời đƣợc tạo nên từ nhiều module giống nhau, bằng cách ghép các module theo một cách nào đó ngƣời ta có thể chế tạo ra các tấm pin mặt trời có mức điện áp và công suất khác nhau. Do khả năng cung cấp điện của pin mặt trời có quan hệ chặt chẽ với cƣờng độ bức xạ mặt trời, mà cƣờng độ bức xạ mặt trời lại thƣờng xuyên biến đổi, cho nên không thể biểu diễn công suất của pin mặt trời ở dạng W (Watt) mà phải là Wp (Watt-peak). 11 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân Theo định nghĩa, Wp là công suất điện một chiều của pin mặt trời đƣợc đo đạc trong các điều kiện tiêu chuẩn nhƣ sau: - Cƣờng độ sáng: 1000W/m2 - Nhiệt độ môi trƣờng: 25oC - Quang phổ của nguồn sáng thử nghiệm phải tƣơng tự nhƣ quang phổ của bức xạ mặt trời tƣơng ứng với hệ số khối lƣợng không khí là 1,5. Nhìn chung, cho đến hiện nay, kinh phí để lắp đặt pin mặt trời hầu hết đều đến từ các dự án hợp tác quốc tế hoặc đến từ ngân sách nhà nƣớc, rất ít có trƣờng hợp ngƣời dân tự bỏ tiền túi để lắp đặt. Tuy nhiên, trong vài năm gần đây, tình hình đã dần dần thay đổi theo chiều hƣớng tích cực. Trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây, đã xuất hiện một vài công ty chuyên kinh doanh về pin mặt trời, đã có một số dự án thành lập các nhà máy sản xuất pin mặt trời, và trong thực tế đã và đang xây dựng nhà máy sản xuất pin mặt trời. Có thể xem SELCO-Vietnam là công ty chuyên kinh doanh về pin mặt trời đầu tiên ở Việt Nam, đây là công ty 100% vốn nƣớc ngoài, đƣợc thành lập vào năm 1997. Nhà máy pin mặt trời thuộc Công ty cổ phần Năng lƣợng Mặt trời đỏ đƣợc xem là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam trong lĩnh vực này, nhà máy đƣợc khởi công vào ngày 20.3.2008 tại huyện Đức Hòa, tỉnh Long An, công suất dự kiến của giai đoạn 1 là 3MWp/năm và của giai đoạn 2 là 5MWp/năm. Cũng nhƣ các nƣớc khác trong khu vực, việc sử dụng pin mặt trời ở Việt Nam có tính khả thi rất cao và có nhu cầu tiềm năng rất lớn. Bằng cách triển khai rộng rãi pin mặt trời, có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng điện cho các hộ gia đình, các tổ chức và các đơn vị trú đóng ở các vùng sâu, vùng xa. Ƣu điểm cơ bản của pin mặt trời là tuổi thọ rất lâu, nhƣng nhƣợc điểm cơ bản của pin mặt trời là giá thành vẫn còn cao, chƣa phù hợp với phần lớn các hộ gia đình nghèo thật sự có nhu cầu. Chính vì vậy, trong những năm sắp tới, nên tập trung đẩy mạnh việc sử dụng pin mặt trời ở các đơn vị thuộc khu vực nhà nƣớc trú đóng ở các vùng xa xôi nhƣ các đơn vị bộ đội, các trạm bƣu điện, các trạm y tế, các trƣờng học và hệ thống đèn báo hiệu giao thông,…Riêng đối với đồng bào ở các vùng sâu, vùng xa, nhà nƣớc cần 12