Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam theo số liệu quan trắc khí tượng thủy văn

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:104

Thêm vào BST

Báo xấu

180
lượt xem 51
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiệm vụ đầu tiên của đề tài là xử lý các số liệu hiện có thu được từ các trạm khí tượng 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 phương hướng phát triển năng lượng mặt trời nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung ở Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam theo số liệu quan trắc khí tượng thủy văn

i MỤC LỤC 1.1.3.1.Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời ................................ 8 1.1.3.2.Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời ........................................ 11 1.1.3.3.Các ứng dụng khác ............................................................................. 14 2.1.Đối tượng nghiên cứu. ........................................................................... 27 2.1.1.Mạng lưới trạm quan trắc khí tượng ................................................... 27 2.1.1.1.Tổng quát chung về quan trắc khí tượng .......................................... 27 2.1.1.2.Các cơ sở phát triển mạng lưới trạm quan trắc trong quy hoạch từng giai đoạn: ................................................................................................ 28 2.1.1.3.Mạng lưới trạm quan trắc khí tượng hiện tại .................................. 31 2.1.2.Thời gian nắng ....................................................................................... 32 2.2.Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 32 2.2.1.Phương pháp đo thời gian nắng ........................................................... 32 2.2.2.Phương pháp thu thập, chiết xuất, thống kê, tổng hợp số liệu .......... 32 2.2.3.Phương pháp xây dựng bản đồ bằng phần mềm ArcView GIS 3.2 33 ... 2.2.3.1.Khái niệm ........................................................................................... 33 2.2.3.2.Cấu trúc dữ liệu trong ArcView ........................................................ 34 2.2.3.3.Lập bản đồ ......................................................................................... 35 2.2.4.Phương pháp đánh giá tiềm năng .......................................................... 36 3.1.Tiềm năng năng lượng mặt trời theo từng khu vực trên lãnh thổ Việt Nam ........................................................................................................ 37 3.1.1. Khu vực Tây Bắc .................................................................................. 37 3.1.1.1. Đặc điểm phân bố nắng ................................................................... 37 3.1.1.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 41 3.1.2. Khu vực Việt Bắc ................................................................................ 41 3.1.2.1. Đặc điểm phân bố nắng .................................................................. 41 3.1.2.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 46 3.1.3. Khu vực Đông Bắc ............................................................................... 46 3.1.3.1. Đặc điểm phân bố nắng ................................................................... 46 3.1.3.2. Thuận lợi và khó khăn trong việc sử dụng năng lượng mặt trời 50 .... 3.1.4. Khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ .............................................................. 51 3.1.5. Khu vực Bắc Trung Bộ ........................................................................ 56 3.1.5.1. Đặc điểm phân bố nắng ................................................................... 56 3.1.5.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 60 3.1.6. Khu vực Trung Trung Bộ ..................................................................... 61 3.1.6.1. Đặc điểm phân bố nắng ................................................................... 61 3.1.6.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 66 3.1.7. Khu vực Nam Trung Bộ ....................................................................... 66 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
ii 3.1.7.1. Đặc điểm phân bố nắng .................................................................. 66 3.1.7.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 70 3.1.8. Khu vực Nam Bộ .................................................................................. 71 3.1.8.1. Đặc điểm phân bố nắng ................................................................... 71 3.1.8.2. Đánh giá tiềm năng ............................................................................ 75 3.1.9. Khu vực Tây Nguyên ............................................................................ 75 3.1.9.1. Đặc điểm phân bố nắng ................................................................... 75 3.2.Đánh giá tổng hợp tiềm năng năng lượng mặt trời trên lãnh thổ Việt Nam ........................................................................................................ 80 3.2.1. Số giờ nắng trong năm ......................................................................... 80 3.2.1.1. Đánh giá, so sánh các khu vực trên toàn quốc .................................. 80 3.2.1.2 Bản đồ số giờ nắng ........................................................................... 81 3.2.2. Số ngày có nắng ................................................................................... 83 3.2.2.1. Đánh giá, so sánh các khu vực trên toàn quốc .................................. 83 3.2.2.2 Bản đồ số ngày nắng ......................................................................... 83 3.2.4. Chênh lệch số giờ nắng giữa các tháng trong năm ............................. 88 3.2.5. Đánh giá tổng hợp ................................................................................ 90 3.2.5.1. Đánh giá, so sánh tiềm năng .............................................................. 90 3.2.5.2. Bản đồ đánh giá tổng hợp tiềm năng năng lượng mặt trời Việt Nam 92 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các số liệu về nước 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 nước nóng mặt trời ................................. 11 Bảng 3.1. Phân chia các mức giờ nắng năm ............................................. 80 Bảng 3.2. Điểm đánh giá số giờ nắng ....................................................... 81 Bảng 3.3. Điểm đánh giá số ngày có nắng ................................................ 83 Bảng 3.4. Đánh giá độ chênh số giờ nắng giữa các trạm ....................... 88 Bảng 3.5. Đánh giá độ chênh số giờ nắng giữa các tháng ...................... 89 Bảng 3.6. Đánh giá tổng hợp ...................................................................... 90 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời theo kiểu đối lưu tự nhiên ............................................................................ 9 Biểu đồ 3.1. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Tây Bắc .......................................................................................................... 37 Biểu đồ 3.2. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Tây Bắc .......................................................................................................... 38 Biểu đồ 3.3. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Sơn La .................................................................................................................... 39 Biểu đồ 3.4. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Kim Bôi ................................................................................................................... 39 Biểu đồ 3.5. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Tây Bắc .......................................................................................................... 40 Biểu đồ 3.6. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Tây Bắc .......................................................................................................... 40 Biểu đồ 3.7. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Việt Bắc ......................................................................................................... 42 Biểu đồ 3.8. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Việt Bắc ......................................................................................................... 43 Biểu đồ 3.9. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Lào Cai ................................................................................................................... 43 Biểu đồ 3.10. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Thái Nguyên ................................................................................................... 44 Biểu đồ 3.11. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Việt Bắc ......................................................................................................... 45 Biểu đồ 3.12. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Việt Bắc ......................................................................................................... 45 Biểu đồ 3.13. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Đông Bắc ........................................................................................................ 47 Biểu đồ 3.14. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Đông Bắc ........................................................................................................ 47 Biểu đồ 3.15. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Bạch Long Vĩ ................................................................................................. 48 Biểu đồ 3.16. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Đình Lập ........................................................................................................ 49 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
v Biểu đồ 3.17. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Đông Bắc ........................................................................................................ 49 Biểu đồ 3.18. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Đông Bắc ........................................................................................................ 50 Biểu đồ 3.19. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ ...................................................................................... 51 Biểu đồ 3.20. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ ...................................................................................... 52 Biểu đồ 3.21. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Sơn Tây .................................................................................................................. 53 Biểu đồ 3.22. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Láng ................................................................................................................ 53 Biểu đồ 3.23. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ ...................................................................................... 54 Biểu đồ 3.24. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ ...................................................................................... 54 Biểu đồ 3.25. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Bắc Trung Bộ ............................................................................................... 56 Biểu đồ 3.26. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Bắc Trung Bộ ............................................................................................... 57 Biểu đồ 3.27. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Hà Tĩnh ................................................................................................................. 58 Biểu đồ 3.28. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Hương Khê .................................................................................................... 58 Biểu đồ 3.30. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Bắc Trung Bộ ............................................................................................... 59 Biểu đồ 3.31. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Trung Trung Bộ ............................................................................................ 62 Biểu đồ 3.32. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Trung Trung Bộ ............................................................................................ 62 Biểu đồ 3.33. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 trạm Lý Sơn .................................................................................................................. 63 Biểu đồ 3.34. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Tuyên Hóa ...................................................................................................... 63 Biểu đồ 3.35. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Trung Trung Bộ ............................................................................................ 64 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
vi Biểu đồ 3.36. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Trung Trung Bộ ............................................................................................ 64 Biểu đồ 3.37. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Nam Trung Bộ .............................................................................................. 67 Biểu đồ 3.38. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Nam Trung Bộ .............................................................................................. 67 Biểu đồ 3.39. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Phan Thiết ..................................................................................................... 68 Biểu đồ 3.40. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Hoài Nhơn ...................................................................................................... 69 Biểu đồ 3.41. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Nam Trung Bộ .............................................................................................. 69 Biểu đồ 3.42. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Nam Trung Bộ .............................................................................................. 70 Biểu đồ 3.43. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Nam Bộ .......................................................................................................... 71 Biểu đồ 3.44. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Nam Bộ .......................................................................................................... 72 Biểu đồ 4.45. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Mộc Hóa ........................................................................................................ 72 Biểu đồ 3.46. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Cà Mau ................................................................................................................. 73 Biểu đồ 3.47. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Nam Bộ .......................................................................................................... 74 Biểu đồ 3.48. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Nam Bộ .......................................................................................................... 74 Biểu đồ 3.49. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2009 khu vực Tây Nguyên .................................................................................................... 76 Biểuđồ 3.50. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Tây Nguyên .................................................................................................... 76 Biểu đồ 3.51. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Kon Tum ........................................................................................................ 77 Biểu đồ 3.52. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 trạm Đà Lạt .................................................................................................................. 78 Biểu đồ 3.53. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2009 khu vực Tây Nguyên .................................................................................................... 78 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
vii Biểu đồ 3.54. Phân bố số giờ nắng các trạm trong năm 2010 khu vực Tây Nguyên .................................................................................................... 79 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
1 MỞ ĐẦU Con người đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng về năng lượng do các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định, nhiều nguồn năng lượng thay thế đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Khai thác năng lượng tái tạo là chiến lược của cả thế giới, là giải pháp hữu hiệu nhằm giải quyết vấn đề an ninh năng lượng. Theo ước tính đến năm 2015, Việt Nam sẽ thiếu nguồn cung cấp năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch truyền thống, cần được bổ sung từ nguồn năng lượng tái tạo. Theo kế hoạch, đến năm 2020, Việt Nam sẽ sản xuất 5% điện năng từ năng lượng tái tạo. Cho dù đến nay, cả nước mới chỉ có 20 turbine gió với công suất 1.5 MW/ turbine đặt tại Ninh Thuận, còn nguồn năng lượng mặt trời vẫn còn là tiềm năng bị bỏ ngỏ ở Việt Nam. Tiềm năng năng lượng mặt trời được phản ánh qua số giờ nắng. Trung bình năm ở nước ta có khoảng 1400 – 3000 giờ nắng. Việt Nam với lợi thế là một trong những nước 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 cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được. Việc sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của dân cư các đảo là một giải pháp có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng 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 lượng mặt trời trong cuộc sống người dân là: giá thành đầu tư và chi phí sản xuất điện mặt trời còn khá cao, trang thiết bị sử dụng còn chưa phổ Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
2 biến ở Việt Nam; hơn thế nữa đó là thiếu các thông tin khoa học cần thiết để đánh giá tiềm năng năng lượng 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 lượng mặt trời, tôi đã chọn đề tài theo tiêu đề: “Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam theo số liệu quan trắc khí tượng thủy văn”. Số liệu đặc trưng nhất có thể phản ánh được tiềm năng năng lượng 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 được từ các trạm khí tượng 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 phương hướng phát triển năng lượng mặt trời nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung ở Việt Nam. Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
3 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về năng lượng mặt trời 1.1.1. Khái niệm chung Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường 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 được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục. Do luôn luôn bức xạ năng lượng vào trong Vũ trụ nên khối lượng 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 lượng của Mặt trời vô cùng lớn, vào khoảng 1,991x10 30kg, nên thời gian để Mặt trời còn tồn tại được 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 lượng rất không đồng đều. Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm Mặt trời vào khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lượng 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 lượng mặt trời, người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant). Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời được hiểu là lượng bức xạ mặt trời nhận được 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 lượng gần như không đổi được 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 lượng của quá trình phong hóa, bóc mòn, vận chuyển, bồi tụ cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
4 hành tinh trong hệ mặt trời. Ngày nay, con người đã có thể biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời ra nhiều dạng năng lượng khác để sử dụng: Biến đổi ra nhiệt năng nhờ các kỹ thuật làm nóng và làm lạnh. 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 được hóa năng nhờ các quá trình lên men và nhiệt phân. Ngoài ra, người ta dự đoán trong tương lai còn có thể biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời ra hóa năng nhờ các phản ứng quang hóa. Tuy nhiên, hiện nay năng lượng mặt trời khai thác chủ yếu dưới dạng nhiệt năng và quang năng. Các phương tiện kỹ thuật được sử dụng để biến đổi năng lượng mặt trời ra các dạng năng lượng khác bao gồm nhiều thứ khác nhau, từ các dàn đun nước 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 lượng mặt trời: Loại không tập trung năng lượng mặt trời, loại này hoạt động do tác dụng của tổng xạ, tức là có thể sử dụng được cả trực xạ lẫn tán xạ mặt trời. Loại hội tụ năng lượng mặt trời, loại này hầu như chỉ sử dụng được trực xạ mặt trời. Hiệu quả hoạt động của các hệ thống thiết bị này chủ yếu phụ thuộc vào cường 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 hưởng của một số yếu tố khí tượng khác như 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 trưng nhất để đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời. 1.1.2. Các nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
5 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 nước nóng mặt trời trên toàn thế giới vào khoảng 88GWth, trong đó phần lớn được lắp đặt ở Trung Quốc và các nước thuộc khối EU. Bảng 1.1 trình bày cụ thể các số liệu đó ở một vài nước tiêu biểu. Đặc biệt, trong những năm gần đây, tốc độ lắp đặt các hệ thống nước nóng mặt trời ở các nước đứng đầu trong bảng gia tăng rất đáng kể. Cụ thể, nếu vào năm 2005 các nước EU có 11,2 GWth 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) Nước Số liệu đã lắp đặt, 106 m2 Số liệu đã lắp đặt, GWth collector 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: 1m collector có thể được qui đổi thành 0,7kWth. 2 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 được lắp đặt ở một số nước. Bảng 1.2. Các số liệu về công suất pin mặt trời đã lắp đặt Nước Công suất pin mặt trời đã lắp đặt, MWp Đức 3862 Nhật 1919 Mỹ 831 Tây Ban Nha 655 Ý 120 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
6 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 Các bảng 1.1 và 1.2 cho thấy, các nước đang thi đua khai thác nguồn năng lượng vô tận từ Mặt trời để đáp ứng các nhu cầu thiết yếu của con người. Trong đó, có thể nói tốc độ khai thác sử dụng năng lượng mặt trời ở Trung Quốc là rất ấn tượng. Các nước 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 lượng mới nhằm thay thế cho nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt trên trái đất, giới khoa học đã tìm mọi cách tận dụng nguồn năng lượng vô tận từ vũ trụ, mà đặc biệt là năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng 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 lượng mới cho toàn nhân loại: Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời từ lâu đã được một số quốc gia như Anh, Mỹ, Nhật Bản... tìm cách phát triển và đã thu được thành công lớn. Chiếc máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời hiện đại nhất hiện nay của Mỹ là loại máy bay với sải cánh dài 70 m, trọng lượng 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, nước này sẽ hoàn tất việc chế tạo máy bay sử dụng năng lượng mặt trời và thực hiện chuyến bay vòng quanh thế giới. Thành công đầu tiên trong ứng dụng năng lượng mặt trời vào việc cung cấp năng lượng cho điện thoại di động thuộc về nhà cung cấp điện thoại di động Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
7 Samsung, sau khi hãng này cho ra đời loại điện thoại di động thân thiện với môi trường được 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, người sử dụng chỉ việc để mặt sau chiếc điện thoại tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, và nó sẽ tự nạp năng lượng thông qua pin năng lượng mặt trời. Chiếc điện thoại này của Samsung được đánh giá là điểm nhấn của khoa học công nghệ trong thế kỷ XXI. Ý tưởng trạm xe buýt chiếu sáng tự động bắt đầu được đưa 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, còn cài đặt thêm hệ thống cho phép người đợi xe kết nối wifi và sử dụng điện thoại truy cập Internet miễn phí trong lúc chờ đợi. Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời là sản phẩm của các nhà sản xuất ôtô Thụy Sĩ từng được trưng bày trong triển lãm xe ôtô tại Geneva. Chiếc ôtô này được phủ bởi một lớp film quang điện mỏng cho phép hấp thụ năng lượng 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 lượng trong một thời gian ngắn, song loại xe được đánh giá là thân thiện với môi trường này đang được 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 được đánh giá là có tiềm năng rất đáng kể về năng lượng mặt trời, nhưng do nhiều nguyên nhân khác nhau, tỉ trọng của năng lượng mặt trời trong cán cân năng lượng sử dụng chung của toàn đất nước vẫn còn rất bé. Tuy vậy, có thể thấy rõ năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng từ rất lâu ở Việt Nam. Bên cạnh các phương thức khai thác truyền thống, đơn giản, mang tính dân gian như phơi lúa và sấy khô các loại thủy hải sản, các hoạt động nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến hiện nay thường tập trung vào các lĩnh vực như cung cấp nước nóng dùng trong sinh hoạt và phát điện ở qui mô nhỏ. Các hoạt động khác như sấy, nấu ăn, chưng cất Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
8 nước, làm lạnh,…có được chú ý đến nhưng vẫn còn ở qui mô lẻ tẻ, chưa 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 phương án sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp nước nóng dùng trong sinh hoạt gia đình (dùng để tắm hoặc rửa chén bát): Phương án 1: kết hợp với điện, có bơm nước để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt theo kiểu đối lưu cưỡng bức. Phương án 2: chỉ sử dụng năng lượng mặt trời, quá trình trao đổi nhiệt theo kiểu đối lưu tự nhiên. Hiện nay trên thị trường đều có cả hai loại phương án đã nêu ở trên. Tuy nhiên, do các hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời thuộc phương án 1 thường đắt hơn rất nhiều lần so với phương án 2, cho nên trong thực tế thường gặp hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời theo phương án 2 nhiều hơn phương án 1. Hình 1.1 dưới đây trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời theo phương án 2. Từ hình vẽ ta thấy, dưới tác động của các tia bức xạ mặt trời, nước trong collector mặt trời 1 sẽ gia tăng nhiệt độ và dần dần đi lên theo đường ống dẫn nước nóng 2. Tương ứng, nước có nhiệt độ thấp hơn sẽ chảy từ bình chứa 3 đặt ở phía trên để đi vào collector 1 theo đường ống dẫn nước lạnh tuần hoàn 4 và tạo nên vòng tuần hoàn khép kín. Trong trường hợp này chuyển động của nước là hoàn toàn tự nhiên, có nghĩa là không do tác động của bơm, chuyển động này được tạo nên là do sự sụt giảm khối lượng riêng của nước khi nhiệt độ nước gia tăng. Cứ tiếp tục như thế nhiệt độ của nước trong bình chứa sẽ tăng dần. Khi bức xạ mặt trời ở mức còn đủ để làm nóng nước thì nước trong bình chứa bị phân lớp khá đáng kể theo nhiệt độ, Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
9 theo đó nhiệt độ của nước ở vị trí cao hơn sẽ có giá trị lớn hơn. Khi nước không còn chuyển động nữa thì nhiệt độ của nước trong bình chứa cũng không hoàn toàn đồng đều, tuy nhiên mức sai biệt nhiệt độ sẽ giảm bớt. 3 Nước nóng đến nơi sử 2 dụng 1 Cấp nước lạnh 4 1 Collector mặt trời 2 Ống nước nóng tuần hoàn 3 Bình chứa nước nóng 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 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
10 Nguyên tắc làm việc cơ bản của các hệ thống loại này là sự tích lũy dần dần nhiệt lượng nhận được từ các tia bức xạ mặt trời từ sáng cho đến chiều, do vậy thường chỉ nên sử dụng nước nóng mặt trời từ cuối buổi chiều trở đi. Thực tế cho thấy, ở các tỉnh phía nam, gần như có thể sử dụng nước 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 nước vào cuối mỗi buổi chiều có thể biến đổi trong khoảng từ 45oC cho đến khoảng gần 70oC. Với các hệ thống thuộc phương án 1, do có sử dụng điện trở cho nên chắc chắn nhiệt độ của nước khá ổn định, có thể kiểm soát được, 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 nước. Do chưa có các số liệu thống kê đáng tin cậy cho nên thật khó có thể xác định số lượng các hệ thống nước nóng mặt trời đã được lắp đặt trong phạm vi cả nước. Tuy nhiên, một điều rõ ràng là nước nóng mặt trời ngày càng được nhiều người quan tâm. Hiện nay ở Thành phố Hồ Chí Minh có khoảng hơn 30 công ty kinh doanh các sản phẩm nước nóng mặt trời. Nếu trước đây nước nóng mặt trời còn rất xa lạ với mọi người, thì ngày nay nước nóng mặt trời đã trở nên quen thuộc hơn, các sản phẩm nước 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 nước nóng mặt trời, đặc biệt ở khu đô thị mới Phú Mỹ Hưng (Quận 7, TP Hồ Chí Minh) hầu như nhà nào cũng sử dụng nước nóng mặt trời. Nhiều người vẫn ái ngại, liệu các tỉnh ở phía bắc có thể sử dụng nước nóng mặt trời được hay không? Có thể nhìn vào tốc độ tăng trưởng các sản phẩm nước 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 được mức hiệu quả như mong muốn. So với collector tấm phẳng loại thông thường, tổn thất nhiệt của collector ống thủy tinh Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
11 chân không hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh. Chính vì vậy, collector ống thủy tinh chân không được xem là phương án thích hợp với điều kiện khí hậu của các tỉnh phía bắc, nơi mà nhiệt độ môi trường xung quanh thường giảm khá thấp vào mùa đông. Nhằm mục đích đẩy mạnh việc sử dụng nước nóng mặt trời, bắt đầu từ ngày 01.8.2008 Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện chương trình “Hỗ trợ sản xuất và tiêu dùng máy nước nóng năng lượng mặt trời”, theo đó, khi mua một sản phẩm nước nóng mặt trời người dân sẽ được hỗ trợ một triệu đồng, chương trình này dự kiến sẽ được kéo dài trong 5 năm. Như đã trình bày ở trên, trong điều kiện Việt Nam, tính khả thi của việc ứng dụng nước nóng mặt trời là rất cao, đặc biệt các tỉnh ở phía nam. Bảng 1.3 dưới đây trình bày lộ trình phát triển nước nóng mặt trời trong những năm sắp tới. Các số liệu trong bảng tương ứng với lượng nước nóng mặt trời dự kiến khai thác đã được qui đổi sang đơn vị TOE (tấn dầu tương đương), đây là lộ trình ứng với chỉ tiêu ở mức cao. Bảng 1.3. Lộ trình phát triến nước nóng mặt trời Nă 2010 2015 2020 2025 m TO 8600 21500 43000 107500 E 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 được lắp đặt trên phạm vi toàn quốc chỉ vào khoảng 1,2MWp. Trong tất cả các trường 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 lưới, thường được sử dụng Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
12 trực tiếp ở dạng điện một chiều để thắp sáng, trong một số trường hợp có thể được 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 lưới điện mặt trời. Tuy nhiên, các hoạt động này hiện chỉ đang dừng ở mức thử nghiệm, chưa ứng dụng được trong đời sống xã hội. Về mặt nguyên lý, pin mặt trời được tạo nên từ những chất bán dẫn. Dưới tác động của các tia bức xạ mặt trời, các điện tử sẽ được tách ra khỏi các nguyên tử, sự chuyển động của các điện tử khi được 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) được gọi là hiệu ứng quang điện (Photovoltaic Effect). Cho đến hiện nay, về mặt thị trường, vật liệu thường được 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 hướng chuyển sang chế tạo pin mặt trời trên cơ sở nanoTiO2 tẩm chất nhạy quang (DyeSensitized Nanocrystalline TiO 2 Solar Cell). Tùy theo cấu tạo và loại vật liệu được sử dụng mà hiệu suất pin mặt trời có thể biến đổi trong khoảng từ 11,1% cho đến 27,3%. Thông thường mỗi tấm pin mặt trời được tạo nên từ nhiều module giống nhau, bằng cách ghép các module theo một cách nào đó người 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 cường độ bức xạ mặt trời, mà cường độ bức xạ mặt trời lại thường xuyên biến đổi, cho nên không thể biểu diễn công suất của pin mặt trời ở dạng W (Watt) mà phải là Wp (Wattpeak). Theo định nghĩa, Wp là công suất điện một chiều của pin mặt trời được đo đạc trong các điều kiện tiêu chuẩn như sau: Cường độ sáng: 1000W/m2 Nhiệt độ môi trường: 25oC Quang phổ của nguồn sáng thử nghiệm phải tương tự như quang phổ của bức xạ mặt trời tương ứng với hệ số khối lượng không khí là 1,5. Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân
13 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 nước, rất ít có trường hợp người dân tự bỏ tiền túi để lắp đặt. Tuy nhiên, trong vài năm gần đây, tình hình đã dần dần thay đổi theo chiều hướng 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 nước ngoài, được thành lập vào năm 1997. Nhà máy pin mặt trời thuộc Công ty cổ phần Năng lượng Mặt trời đỏ được xem là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam trong lĩnh vực này, nhà máy được 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 như các nước 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 được 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. Ưu điểm cơ bản của pin mặt trời là tuổi thọ rất lâu, nhưng nhược điểm cơ bản của pin mặt trời là giá thành vẫn còn cao, chưa 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 nước trú đóng ở các vùng xa xôi như các đơn vị bộ đội, các trạm bưu điện, các trạm y tế, các trường học và hệ thống đèn báo hiệu giao thông,…Riêng đối với đồng bào ở các vùng sâu, vùng xa, nhà nước cần có chính sách hỗ trợ tài chính thích hợp mới hy vọng thúc đẩy được việc sử dụng pin mặt trời. Các số liệu khảo sát sơ bộ cho thấy, nhu cầu lắp đặt pin mặt trời cho các tổ chức, đơn vị thuộc khu vực nhà nước trú đóng ở các vùng xa xôi không ít hơn 450MWp. Riêng với các hộ gia đình ở vùng sâu, vùng xa, thật khó xác định chính Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường Hán Thị Ngân