Tài liệu Tìm hiểu một số dạng năng lượng mới và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ Tên của đề tài: TÌM HIỂU MỘT SỐ DẠNG NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ ỨNG DỤNG Luận văn Tốt nghiệp Ngành: SP.VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ GV hướng dẫn: ThS. Lê Văn Nhạn Sinh viên: Nguyễn Thị Kiều Ngân Lớp: SP. Vật lý – Công nghệ Mã số SV: 1070373 Cần Thơ, 2011 Sau thời gian dài nghiên cứu thì đề tài: “ TÌM HIỂU MỘT SỐ DẠNG NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ ỨNG DỤNG ” đã hoàn thành. Để nghiên cứu thành công đề tài này, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của: - Khoa Sư Phạm, Bộ môn Sư Phạm Vật Lý đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu khoa học. - Thầy Lê Văn Nhạn đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. - Các thầy cô và các anh chị làm việc trong Trung Tâm Học Liệu trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu đề tài này. - Các bạn lớp Sư Phạm Vật lý – Công nghệ K33 đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm kiếm tài liệu. Cuối cùng tôi xin gửi lời tri ân chân thành nhất đến quý thầy cô Bộ môn Sư phạm Vật Lý, Khoa Sư phạm, trường Đại học Cần Thơ. Kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe và hạnh phúc. Cần Thơ, ngày 28 tháng 04 năm 2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Kiều Ngân NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN  .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Cần thơ, ngày ..... tháng ..... năm 2011 Giáo viên hướng dẫn ( Ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN  .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Cần thơ, ngày ..... tháng ..... năm 2011 Giáo viên phản biện ( Ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN  .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Cần thơ, ngày ..... tháng ..... năm 2011 Giáo viên phản biện ( Ký và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC  A- PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... 1 2. Mục đích của đề tài ...................................................................................................... 2 3. Giới hạn của đề tài ....................................................................................................... 2 4. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài ...................................................... 4 5. Các bước thực hiện đề tài ............................................................................................ 4 6. Ký hiệu và chữ viết tắt trong đề tài .............................................................................. 4 B- PHẦN NỘI DUNG .................................................................................................... 5 CHƯƠNG I: ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. Giới thiệu chung về năng lượng Mặt Trời ................................................................. 5 1.2. Những ứng dụng của năng lượng Mặt Trời ............................................................... 8 1.2.1. Sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời.................................................................... 8 1.2.1.1. Ứng dụng pin năng lượng Mặt Trời..................................................................... 8 1.2.1.1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống pin Mặt Trời.............................................. 9 1.2.1.1.2. Cấu tạo pin năng lượng Mặt Trời ..................................................................... 9 1.2.1.1.3. Hệ nguồn điện Mặt Trời độc lập..................................................................... 13 1.2.1.2. Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới........................................................................ 14 1.2.2. Hệ thống sấy dùng năng lượng Mặt Trời.............................................................. 15 1.2.2.1. Tủ sấy dùng năng lượng Mặt Trời ..................................................................... 16 1.2.2.2. Thiết bị sấy kiểu nhà kính.................................................................................. 16 1.2.2.3. Lò sấy gỗ bằng năng lượng Mặt Trời ................................................................ 17 1.2.3.Tấm năng lượng Mặt Trời (Collector) ................................................................... 18 1.2.3.1. Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời ............................................................... 18 1.2.3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Collector ................................................. 18 1.2.3.1.2. Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng Mặt Trời ..................................... 19 1.2.3.1.3. Hệ thống cung cấp nước nóng có nhiệt độ thấp.............................................. 22 1.2.3.1.4. Hệ thống cung cấp nước nóng có nhiệt độ cao .............................................. 22 1.2.3.2. Tấm quang điện Mặt Trời .................................................................................. 22 *Cấu tạo và cách lắp đặt tấm quang điện Mặt Trời ................................................ 22 1.2.4. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng Mặt Trời................... 23 * Hệ thống lạnh hấp thụ dùng năng lượng Mặt Trời và hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lượng Mặt Trời ......................................................................................... 23 1.2.5. Bếp nấu dùng năng lượng Mặt Trời...................................................................... 27 1.2.5.1. Lợi ích và nguyên tắc chung .............................................................................. 28 a) Lợi ích ......................................................................................................................... 28 b) Nguyên tắc chung ....................................................................................................... 28 1.2.5.2. Bếp hình hộp ...................................................................................................... 29 a) Nguyên lý cấu tạo ............................................................................................. 29 b) Ưu diểm, khuyết điểm của bếp......................................................................... 29 1.2.5.3. Bếp Parapol........................................................................................................ 30 a) Nguyên lý cấu tạo ............................................................................................. 30 b) Ưu diểm, khuyết điểm của bếp......................................................................... 31 1.2.5.4. Bếp làm bằng hộp Cac-tông............................................................................... 31 1.2.5.5. Bếp pa-nô ........................................................................................................... 31 1.2.5.6. Bếp dùng hai lớp nồi.......................................................................................... 32 1.2..5.7. Bếp hỗn hợp ...................................................................................................... 32 1.2.5.8. Những thí dụ dùng bếp mặt trời ........................................................................ 32 1. Việt Nam ..................................................................................................................... 32 2. Ấn Độ.......................................................................................................................... 33 3. Bolivia ........................................................................................................................ 33 4. Châu Phi...................................................................................................................... 34 5. Pháp............................................................................................................................. 34 1.2.6. Ứng dụng năng lượng Mặt Trời để chưng cất nước ............................................. 34 1.2.6.1. Chưng cất nước theo phương pháp cổ điển ....................................................... 34 1.2.6.2. Thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng Mặt Trời dạng phẳng ...................... 36 1.2.6.3. Thiết bị chưng cất dạng câu BALAYAGE ........................................................ 37 1.3. Một số phát minh khoa học sử dụng năng lượng Mặt Trời thành công của trong và ngoài nước trong những năm gần đây ........................................................................... 38 1.3.1. Xe chạy bằng năng lượng Mặt Trời...................................................................... 38 1.3.2. Máy bay bay bằng năng lượng Mặt Trời .............................................................. 39 1.4. Một số sản phẩm do Công Ty Cổ Phần Năng Lượng MẶT TRỜI ĐỎ sản xuất .... 40 1.4.1. Giới thiệu sơ lược về nhà máy sản xuất tấm Thu Điện Mặt Trời đầu tiên tại Việt Nam................................................................................................................................. 40 1.4.2. Một số sản phẩm do công ty nghiên cứu và sản suất............................................ 41 1.4.2.1. Pin năng lượng Mặt trời Red Sun (Red Sun Solar Cells Panels) ...................... 41 1.4.2.2. Máy nước nóng năng lượng Mặt trời POLAR SUN.......................................... 47 1.5. Bài toán dặt ra và vấn đề cần giải quyết khi sử dụng năng lượng Mặt trời đối với Việt Nam nước ta.................................................................................................................... 51 1.5.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................. 51 1.5.2. Giải pháp ............................................................................................................... 51 CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1. Giới thiệu chung về năng lượng gió ........................................................................ 52 2.1.1. Sự hình thành năng lượng gió............................................................................... 52 2.1.2. Vật lý học về năng lượng gió................................................................................ 53 2.2. Những ứng dụng của năng lượng gió ...................................................................... 53 2.2.1. Ứng dụng năng lượng gió để sản xuất điện ......................................................... 53 2.2.1.1. Sản xuất điện từ năng lượng gió ........................................................................ 54 2.2.1.2. Thiết bị điện dùng cho máy phát điện gió ......................................................... 54 2.2.1.3. Nguyên lý làm việc của hệ thống tự động điều chỉnh theo hướng gió .............. 55 2.2.1.4. Nguyên lý làm việc của hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của cánh quạt ..................................................................................................................................... …56 2.2.1.5. Khuyến khích sử dụng năng lượng gió.............................................................. 58 2.2.1.6. Thống kê ............................................................................................................ 58 2.2.1.6.1. Công suất định mức lắp đặt trên thế giới ........................................................ 59 2.2.1.6.2. Công suất định mức lắp đặt tại Áo ................................................................. 60 2.2.1.6.3. Công suất định mức lắp đặt tại Đức................................................................ 60 2.2.1.6.4. Công suất định mức lắp đặt tại Pháp .............................................................. 61 2.2.2. Ứng dụng động cơ gió bơm nước ......................................................................... 62 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT 3.1. Giới thiệu chung về năng lượng địa nhiệt................................................................ 65 a) Nguồn nước nóng ....................................................................................................... 65 b) Nguồn áp suất địa nhiệt .............................................................................................. 66 c) Các nguồn đá nóng khô .............................................................................................. 66 d) NL Địa Nhiệt ở các lô hông núi lửa ........................................................................... 66 3.2. Các ứng dụng của các nguồn năng lượng địa nhiệt ................................................. 66 3.2.1. Điện địa nhiệt........................................................................................................ 66 3.2.2. Sản xuất điện từ nguồn năng lượng địa nhiệt ....................................................... 67 a) Hệ thống hóa hơi khô ................................................................................................. 67 b) Hệ thống hóa hơi đơn ................................................................................................ 67 c) Hệ thống hóa hơi kép.................................................................................................. 67 d) Hệ thống 2 tầng .......................................................................................................... 68 e) Hệ thống kết hợp......................................................................................................... 68 3.2.3. Các ứng dụng khác của năng lượng địa nhiệt....................................................... 68 3.2.3.1. Sử dụng trực tiếp: Sưởi bằng địa nhiệt .............................................................. 69 3.2.3.2. Tác động môi trường.......................................................................................... 70 3.2.3.3. Kinh tế................................................................................................................ 71 3.2.3.4. Tài nguyên ......................................................................................................... 71 3.2.3.5. Lịch sử ............................................................................................................... 73 3.2.3.6. Khai thác địa nhiệt trên thế giới......................................................................... 75 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG 4.1. Giới thiệu chung về năng lượng Đại Dương............................................................ 77 4.2. Các ứng dụng của các nguồn năng lượng Đại Dương ............................................. 77 4.2.1. Sản xuất điện từ nguồn năng lượng thủy triều...................................................... 77 4.2.2.1. Nhà máy điện thủy triều có hồ chứa nước ở ven bờ .......................................... 77 a) Phát điện khi triều xuống ............................................................................................ 78 b) Phát điện khi triều lên................................................................................................. 79 c) Phát điện cả hai chiều ................................................................................................. 80 4.2.1.2. Nhà máy điện thủy triều lắp đặt dưới Đại Dương ............................................. 82 4.2.1.2.1. Nguyên tắc hoạt động ..................................................................................... 82 a) Đập chắn thủy triều..................................................................................................... 83 b) Hàng rào thủy triều ..................................................................................................... 84 c) Khai thác năng lượng thủy triều bằng tuabin thủy triều ............................................ 84 4.2.1.2.2. Ứng dụng năng lượng thủy triều ở một số nước............................................. 87 A)Việt Nam..................................................................................................................... 87 a) Thuỷ triều được ứng dụng để xả lũ ở Đồng Bằng Sông Cửu Long............................ 87 b) Ông cha ta sử dụng quy luật thủy triều để đánh giặc ................................................. 88 c) Sử dụng thủy triều để sản xuất muối .......................................................................... 89 d) Thủy triều được ứng dụng trong các cảng.................................................................. 90 e) Thủy triều ở vùng biển Việt Nam ............................................................................... 91 f) Kết luận ....................................................................................................................... 92 A) Nauy........................................................................................................................... 92 B) Anh............................................................................................................................. 94 4.2.2. Ứng dụng năng lượng nhiệt đại dương trong nhà máy nhiệt điện đại dương....... 96 4.2.2.1. Nguồn năng lượng nhiệt đại dương ................................................................... 96 4.2.2.2. Sản xuất điện từ nguồn năng lượng nhiệt đại dương ......................................... 97 a) Chu trình kín .............................................................................................................. 97 b) Chu trình mở............................................................................................................. 97 4.2.3. Ứng dụng năng lượng sóng biển......................................................................... 100 4.2.3.1. Nguồn năng lượng sóng biển ........................................................................... 100 4.2.3.2. Sản xuất điện từ năng lượng sóng biển............................................................ 100 C. PHẦN KẾT LUẬN ................................................................................................ 103 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn A. PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài : Năng lượng luôn giữ vai trò quan trọng trong đời sống xã hội. Năng lượng là yếu tố thiết yếu của xã hội loài người. Gần 1/3 năng lượng trên thế giới được tiêu thụ dưới dạng điện năng. Hệ thống điện năng là chìa khoá cho sự phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia. Điện năng cũng là nhiên liệu đầu vào của các ngành công nghiệp và dịch vụ, là một trong những yếu tố sống còn trong việc đảm bảo sự ổn định và phát triển của nền kinh tế. Cái bóng đèn điện đầu tiên do Thommas Edison phát minh vào năm 1878 và nhà máy điện đầu tiên do ông xây dựng vào năm 1884, đã đưa nhân loại bước vào thời đại điện khí hóa. Có thể nói là nhờ có dòng điện mà chỉ trong vòng một thế kỷ thế giới đã đạt đến trình độ phát triển như hiện nay. Nếu ở đầu thế kỷ XX này, sản lượng điện toàn thế giới chỉ đạt khoảng 15 tỷ KWh/năm thì đến nay sản lượng điện hàng năm đã lên tới 10.000 tỷ KWh/năm và con số này đang không ngừng tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học - kỹ thuật và đời sống con người. Xã hội càng văn minh, càng hiện đại thì nhu cầu năng lượng càng tăng. Năng lượng mà chúng ta đang dùng xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau. Bên cạnh việc sử dụng và phát triển những nguồn năng lượng cổ điển khai thác từ than đá, than bùn, dầu mỏ, khí thiên nhiên, thủy điện,… thì ngày nay nhân loại đang tiếp xúc với những nguồn năng lượng mới đó là: Năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng đại dương, khí sinh học, v.v…Các nguồn năng lượng hoá thạch đang dần cạn kiệt và việc sử dụng các nguồn năng lượng hoá thạch đang được cắt giảm vì gây ô nhiễm môi trường quá nặng. Bằng chất xám, họ phát minh ra những sáng chế, khoa học, kỹ thuật công nghệ cao để sử dụng năng lượng tái tạo, năng lượng tự nhiên thành tiền và bảo vệ môi trường trong sạch để phát triển bền vững. Mỏ vàng năng lượng sạch cũng như tài nguyên của nước ta có thể coi là “Rừng vàng biển bạc” và được thiên nhiên ưu ái vô cùng. Vì thế nếu được đầu tư bằng một phần vốn của tập đoàn dầu khí, cùng với những chính sách từ cơ quan nhà nước thì ngành nhiên liệu, năng lượng sạch Việt Nam sẽ không chỉ là sự kiện của đất nước mà còn là của thế giới. Do đó việc nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng mới - nguồn năng lượng sạch là một vấn đề cấp thiết hiện nay. Vì vậy tôi đã quyết định chọn đề tài “ TÌM HIỂU MỘT SỐ DẠNG NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ ỨNG DỤNG ”. Việc chọn đề tài này cũng nhằm để bổ sung thêm kiến thức khoa học và những ứng dụng thực tiễn, đồng thời giúp ích phần nào cho công tác giảng dạy của tôi sau này. SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 1 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn 2. Mục đích của đề tài: - Nghiên cứu ứng dụng các năng lượng sạch của trong và ngoài nước trên thế giới. - Tìm hiểu về tình hình phát triển của những nguồn năng lượng mới này. - Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của từng nguồn năng lượng sạch. 3. Giới hạn của đề tài: Thế giới sẽ ra sao khi nguồn năng lượng hóa thạch cạn kiệt ? và thế giới đã tìm được 10 nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ trong tương lai như sau (từ thấp đến cao): 10/ Nhiệt năng chuyển đổi của đại dương (OTEC) Nước gần bề mặt của đại dương được sưởi ấm nhờ ánh mặt trời, trong khi ở vùng sâu thì khá lạnh. Như vậy, nếu sử dụng một loại chất lỏng có độ sôi thấp (như amoniac) cho luân chuyển từ vùng nước lạnh lên vùng nước ấm, thì có thể tận thu khoảng chênh lệch nhiệt để tạo điện năng. Ước tính, chỉ cần thu được 1% tổng năng lượng mặt trời trong lòng đại dương đã đủ cung cấp hơn 20 lần toàn bộ nhu cầu dùng điện của nước Mỹ trong một ngày. Tuy nhiên các nhà máy OTEC đòi hỏi thiết bị phức tạp, cồng kềnh và khoản đầu tư rất lớn. 9/ Phong điện tại gia So sánh với những "cánh đồng gió" sản xuất phong điện mang tính công nghiệp với những tháp cao chừng 24 m và đường kính cánh quạt 3m-8 m thì những tuabin nhỏ với đường kính chỉ 1,17m, sản xuất 400W dùng cho mỗi hộ gia đình là điều khá hợp lý. Điều cần quan tâm là không phải lúc nào các tuabin nhỏ này cũng làm việc một cách hoàn hảo. 8/ Nhiên liệu hydro cho xe hơi Hydro sẽ phản ứng với oxy để tạo ra điện năng cung cấp cho máy xe hoạt động. Ống xả của xe không thải ra khí gây ô nhiễm mà chỉ thải ra nước. Nhược điểm là hydro SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn thường được lấy từ methan trong tự nhiên, quá trình trích xuất này lại thải ra một lượng lớn carbon dioxide. 7/ Xe điện Xe điện hiệu quả hơn hẳn so với xe chạy bằng xăng khi không có khí thải. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là những khối pin lưu trữ để cung cấp điện năng cho xe. Các nhà khoa học đang tìm cách hạ giá thành khối pin và tăng hiệu năng hoạt động, rút ngắn thời gian tái nạp pin. 6/ Năng lượng từ sóng nước Thiết bị thủy động lực học thoạt nhìn như chiếc cối xay gió nhưng nằm trong lòng nước. Dòng chảy của sông, suối, dòng hải lưu... đều có thể làm xoay tuabin để tạo điện năng và không tạo ra chất thải làm hại môi trường. Các nhà khoa học đang tìm cách sản xuất loại động cơ bền vững hơn so với thiết bị hiện đang sử dụng. 5/ Địa nhiệt Đó là nguồn năng lượng cực lớn nằm trong lòng đất. Hiện nay trên toàn thế giới khai thác khoảng 8000MW từ địa nhiệt, trong đó nước Mỹ chiếm đến 2800MW. Để khai thác nguồn địa nhiệt cần kinh phí đầu tư ban đầu rất lớn. 4/ Những cánh đồng gió Mỹ được xếp hạng nhất về khai thác phong năng, hiện tại nước này sản xuất khoảng 18000MW đủ cung cấp cho 5,4 triệu hộ gia đình. Bộ Năng lượng Mỹ lên kế hoạch đến năm 2030, phong năng cung cấp 20% tổng năng lượng cho nước này. Sản lượng không bằng Mỹ nhưng Đan Mạch lại dẫn đầu nếu tính bình quân lượng phong điện trên đầu người. Hiện nay, Đan Mạch đã đạt 20% tổng lượng điện từ gió. Việc đặt các trạm phong năng tại nơi nào cũng cần tính toán hợp lý tránh làm tổn hại môi trường sinh thái của các loài chim. 3/ Năng lượng mặt trời Có hai cách để khai thác nguồn năng lượng này. Cách thứ nhất là dùng thiết bị thu ánh sáng để đun sôi nước, hơi nước sẽ vận hành tuabin để sinh điện. Cách thứ hai là thu thẳng ánh sáng mặt trời qua các tế bào quang năng rồi chuyển thành điện năng. Cần phải có bộ phận dự trữ để hoạt động về ban đêm khi mặt trời đã lặn. Các nhà khoa học đang tìm cách tăng khả năng thu và chuyển đổi quang năng của các tế bào năng lượng mặt trời, hiệu năng hiện tại được đánh giá là còn quá thấp. SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn 2/ Năng lượng hạt nhân Hiệu quả của năng lượng hạt nhân rất cao nhưng mọi người đều lo ngại nếu nhà máy điện hạt nhân xảy ra sự cố. Bên cạnh đó, xử lý chất thải phóng xạ cũng là vấn đề hết sức quan trọng. 1/ Khai thác quang năng tại gia Cũng giống như khai thác phong năng tại chính căn nhà mà chúng ta đang sống. Sau khi lắp đặt hệ thống, hóa đơn tiền điện sẽ biến mất, thậm chí bạn còn có thể bán lượng điện năng thừa. Tuy nhiên, chi phí ban đầu là cả một vấn đề: cần đến 30.000USD cho một hệ thống này. Kết luận: Nhìn chung các nguồn năng lượng trên đều có thể giải quyết được một phần nào vấn đề thiếu hụt năng lượng trong tương lai nhưng trong các nguồn năng lượng đó khi sử dụng còn nhiều mặt hạn chế và gây ô nhiễm môi trường. Vì thế trong đề tài này tôi chỉ tìm hiểu về những nguồn năng lượng sạch, cụ thể là năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt và năng lượng đại dương. 4. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài: - Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu. - Sưu tầm sách vở và các tài liệu có liên quan qua thư viện và trên mạng internet. - Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô và các bạn. - Tìm hiểu và nhận định 5. Các bước thực hiện đề tài: - Bước 1: Nhận đề tài. - Bước 2: Nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài, tham khảo ý kiến của thầy cô, bạn bè. - Bước 3: Tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng dẫn, nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, giáo viên phản biện; tham khảo ý kiến và chỉnh sửa. - Bước 4: Viết báo cáo. - Bước 5: Báo cáo luận văn. 6. Ký hiệu và chữ viết tắt trong đề tài - NLMT : Năng lượng mặt trời - PMT : Pin mặt trời - BĐK : Bộ điều khiển - NLG : Năng lượng gió SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn B. PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Hiện nay, các công ty và các học viện đang phát triển phương pháp để tăng tính thực tế cho năng lượng mặt trời. Các công ty tiến hành rất nhiều các nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này và các trường đại học cũng đang tiến hành nghiên cứu về thiết bị điện mặt trời, đặc biệt là xe dùng năng lượng mặt trời. Các loại xe dùng năng lượng mặt trời đã xuất hiện thường xuyên trong các buổi trình diễn khoa học và xe hơi, tàu sử dụng năng lượng mặt trời đã trở thành một đề tài thú vị hiện nay. Các trường đại học và học viện đang cạnh tranh nhau trong các cuộc thi thuộc lĩnh vực này. Các cuộc thi diễn ra tại Bắc Mỹ như Solar Splash Competition và Frisian Nuon Challenge ở Châu Âu. 1.1. Giới thiệu chung về năng lượng Mặt Trời Hình 1.1. Tầm nhìn của Sharp về năng lượng mặt trời Mặt Trời là một quả cầu khí khổng lồ đường kính gần 1 triệu rưỡi km, tức là gấp hơn 100 lần Trái Đất. Trong lòng Mặt Trời có thể bỏ lọt hơn một vạn Thiên thể lớn như Trái Đất. Mặt Trời ở cách xa Trái Đất khoảng 150 triệu km, công suất bức xạ của Mặt Trời vào khoảng 38 vạn tỷ tỷ KW. Chỉ một phần nhỏ của năng lượng khổng lồ này đến Trái Đất. Tính ra mỗi năm Trái Đất nhận của Mặt Trời một năng lượng tương đương với 115.000 tỷ tấn than, tức là hơn toàn bộ nguồn trữ lượng than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên có trong lòng đất. Bình quân mỗi mét vuông trên mặt đất nhận được một công suất khoảng 1KW, ở bên ngoài khí quyển công suất bức xạ Mặt Trời khoảng 1,4KW/m2. SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn Hiện nay, việc sử dụng năng lượng Mặt Trời trên thế giới theo nhiều phương hướng, có phương hướng đơn giản và rẻ tiền, có phương hướng tương đối phức tạp và tốn kém hơn. Phương pháp đơn giản nhất để sử dụng năng lượng Mặt Trời là lợi dụng hiệu ứng nhà kính. Nguyên lý của hiệu ứng này như sau: Giả thử ta có một cái hộp trên đậy bằng một tấm kính, dưới đáy có một tấm tôn sơn đen. Bức xạ Mặt Trời đi qua kính là ánh sáng nhìn thấy được, tấm tôn sơn đen sẽ hấp thụ một phần năng lượng, còn một phần bị phản xạ lại dưới dạng bức xạ hồng ngoại. Chúng ta biết rằng kính chỉ cho đi lọt bức xạ nhìn thấp, còn bức xạ hồng ngoại không đi lọt qua tấm kính được. Vì vậy bức xạ hồng ngoại bị giữ lại giữa tấm kính và tấm tôn. Lớp không khí giữa tấm kính và tấm tôn nóng dần lên. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhà kính. Nếu ta cho một dòng nước đi qua giữa tấm tôn và tấm kính thì nhiệt độ nước có thể lên đến 60 – 70oC, thậm chí 100oC. Dựa trên nguyên tắc nhà kính này người ta đã chế tạo nhiều loại thiết bị sử dụng năng lượng Mặt Trời như thiết bị đun nước nóng dùng trong các bệnh viện, các nhà an dưỡng, thiết bị lọc nước mặn ra nước ngọt dùng trên các hải đảo, các tàu đi biển, các máy bơm nước dùng năng lượng Mặt Trời, các loại bếp Mặt Trời dùng cho các vùng nông thôn, v.v…Những thiết bị dùng năng lượng Mặt Trời này đang được sử dụng ngày càng rộng rãi, đặc biệt là các nước đang phát triển. Một phương hướng quan trọng trong việc sử dụng năng lượng Mặt Trời hiện nay là dùng các tấm pin Mặt trời bằng chất bán dẫn Silic hay Sunphuacadimi (CdS ) có tính chất quang điện hay nhiệt điện, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng Mặt Trời ra điện năng .Những tấm pin Mặt Trời này đang được sử dụng ngày càng rộng rãi để làm nguồn điện cho các máy thu phát vô tuyến điện, đặc biệt là ở các vùng xa xôi hẻo lánh, xa nguồn điện lưới, đèn tín hiệu ở các hải đảo, đèn chiếu sáng đường phố, chiếu sáng các vùng nông thôn, v.v…Ví dụ ở Ấn Độ đến năm 1994 đã có 9000 làng được điện khí hóa nhờ năng lượng Mặt Trời và dự tính trong vòng 5 năm tới, mỗi năm sẽ có thêm 100.000 ngọn đèn từ năng lượng Mặt Trời sẽ được lắp đặt trong các vùng nông thôn Ấn Độ. Việc sử dụng năng lượng Mặt Trời còn có thể được thực hiện bằng cách hội tụ các tia sáng Mặt trời vào tiêu điểm của một tấm gương hình parabôlôit, ở tiêu điểm này nhiệt độ có thể lên tới 3000 – 4000oC, có thể nung chảy những kim loại khó nóng chảy như firconiôxyt có độ nóng chảy 2700oC, rất cần cho công nghiệp nguyên tử hay manhêdiôxyt ( 2800oC) thôriôxyt ( 3050oC) v.v…Đây là một kỹ thuật luyện kim mới gọi là luyện kim sạch. Lò nung Mặt Trời ( foursolaire ) lớn nhất thế giới hiện nay là lò nung SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn Odeillo trên dãy núi Pyrénées miền Nam nước Pháp có đường kính 54m cao bằng ngôi nhà 20 tầng, tiêu cự của kính 18m, đĩa sáng ở tiêu điểm có đường kính 25cm, ở đây có nhiệt độ lên đến 3500oC. ở tiêu điểm đấy, người ta đặt một nồi nước, hơi nước làm đẩy tuabin phát ra điện, đây là nhà máy điện Mặt Trời đầu tiên trên thế giới. Công suất của nhà máy điện Mặt Trời đầu tiên này chỉ có 84KW, nhưng nó đã mở đầu cho các nhà máy điện Mặt Trời ở Mỹ, Tây Ban Nha, Uzbekistan,… với công suất hàng nghìn đến hàng vạn KW. Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy. Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026Joule. Trên trái đất năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên Trái Đất. Ngay ngoài khí quyển Trái Đất, cứ mỗi một mét vuông diện tích vuông góc với ánh nắng Mặt Trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1400 joule trong một giây. Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái tạo mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển. 1.2. Những ứng dụng của năng lượng Mặt Trời 1.2.1. Sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời 1.2.1.1. Ứng dụng pin năng lượng Mặt Trời Giới thiệu về pin năng lượng Mặt trời Pin năng lượng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Khi ánh sáng làm phát sinh các cặp electron- lỗ trống ở lớp chuyển tiếp p-n, thì điện → trường trong E t tại đây có tác dụng đẩy các lỗ trống sang phía bán dẫn p và các electron sang phía bán dẫn n. Giữa hai đầu của diod có một hiệu điện thế. Đó chính là suất điện động quang điện. Nếu ta đóng mạch diod bằng một điện trở, thì trong mạch có dòng điện. Diod được chiếu sáng trở thành một nguồn điện, với phía p là cực dương, phía n là cực âm. Đó là pin quang điện. Hiện nay, các tấm pin quang điện làm bằng Si để chuyển năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. Đó là những pin mặt trời. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay, thiết bị bơm nước... Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp vàng cực mỏng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã đưa ra phương pháp tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. 1.2.1.1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống pin Mặt Trời Từ giàn pin Mặt Trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hòa tự động các quá trình nạp điện vào ắcquy và đưa điện từ ắcquy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV, …). 1.2.1.1.2. Cấu tạo pin năng lượng Mặt Trời Để tìm hiểu về pin mặt trời cần một ít lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn. Bán dẫn điển hình và được dùng phổ biến nhất là Silic (Si). Ngoài ra còn có các bán dẫn đơn chất khác như Ge, Se,….Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện rất kém (giống như điện môi), còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt (giống như kim loại). Tính chất dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào tạp chất có mặt trong tinh thể. Nếu trong mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử là Si, thì gọi đó là bán dẫn tinh khiết. Đối với chất bán dẫn tinh khiết, khi điện trường ngoài đủ lớn để cung cấp cho electron vượt vùng cấm (ví dụ Si: 1,12eV; Ge: 0,71eV) thì electron ở miền hóa trị vượt qua miền cấm, chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Sự dẫn điện của electron trong vùng dẫn gọi là sự dẫn điện bằng electron và electron này gọi là electron dẫn. Khi từ miền hóa trị mà ngược lên miền dẫn thì ở miền hóa trị xuất hiện một trạng thái lượng tử bỏ trống. Do tác động của điện trường các electron trong miền hóa trị dễ dàng chiếm đầy lỗ trống dù ở mức năng lượng thấp hơn. Kết quả là ở miền hóa trị cũng tham gia dẫn điện. Như vậy, sự dẫn điện trong chất bán dẫn tinh khiết có hai cách: Sự dẫn điện bằng electron ở miền dẫn và sự dẫn điện bằng lỗ trống ở miền hóa trị. Về phương diện cấu trúc trong mạng tinh thể, nguyên tử Si có 4 electron ở tầng ngoài, 4 electron này liên kết với 4 nguyên tử Si kế cận và nguyên tử Si bây giờ có 8 electron tầng ngoài nên trở thành nguyên tử bền. SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 9 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Lê Văn Nhạn o Ở nhiệt độ thấp (gần 0 K) bán dẫn Si không dẫn diện. Ở nhiệt độ tương đối cao, nhờ dao động nhiệt của các nguyên tử, một số electron thu thêm năng lượng và được giải phóng khỏi liên kết trở thành các electron tự do. Khi có điện trường ngoài các electron này chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Tại mối nối giữa Si-Si do thiếu một electron nên mang điện dương ta có thể xem đó là lỗ trống. Lỗ trống này dễ dàng bị các electron khác chiếm chỗ nên lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường giữa các nút mạng tinh thể. Nếu bán dẫn Si có pha tạp chất thì tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều.Chỉ cần một lượng nhỏ tạp chất (với tỉ lệ vài phần triệu) độ dẫn điện của bán dẫn có thể tăng hàng vạn, hàng triệu lần. Khi đó, cùng với sự dẫn điện riêng còn có sự dẫn điện do tạp chất. Cụ thể, khi pha một lượng rất nhỏ chất có hóa trị 5 vào Si hay Ge ta được bán dẫn loại n. Khi pha Photopho (P) vào Si, nguyên tử P cóp 5 electron ở lớp ngoài cùng, trong đó 4 electron tham gia liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử Si ở xung quanh. Electron còn lại liên kết yếu với nguyên tử P, thực nghiệm và lý thuyết đã xác nhận năng lượng liên kết giảm đi 265 lần. Chỉ cần một năng lượng 0,015eV cũng đủ để nó trở thành electron tự do và chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Khi đó, nguyên tử P trở thành ion dương liên kết trong mạng tinh thể không tham gia dẫn điện. Như vậy, đối với bán dẫn loại n các electron dẫn xem như hạt mang điện cơ bản, lỗ trống trong miền hóa trị là hạt mang điện không cơ bản hay thiểu số. Hoặc khi pha một lượng rất nhỏ chất có hóa tri 3 vào Si hay Ge ta được bán dẫn loại p. Khi pha Bo (B) vào Si thì còn thiếu một electron để tạo thành liên kết giữa nguyên tử B với bốn nguyên tử Si lân cận. Một electron ở liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết này và tạo thành lỗ trống. Khi có điện trường các lỗ trống dịch chuyển tạo thành dòng điện. Còn nguyên tử B thì trở thành một ion âm liên kết với mạng tinh thể không tham gia dẫn điện. Vậy, đối với bán dẫn loại p thì sự dẫn điện chủ yếu là lỗ trống, gọi là hạt mang điện cơ bản, electron là hạt mang điện không cơ bản hay thiểu số. Như vậy, bằng cách chọn loại tạp chất và nồng độ tạp chất vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mong muốn và có tính dẫn điện mong muốn. Đây chính là một tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng. SVTH:Nguyễn Thị Kiều Ngân Trang 10