Chuyên đề Nghiên cứu ứng dụng công nghệ pin năng lượng mặt trời cho đảo Ngọc Vừng, huyện Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh

Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 1 2. Mục đích và yêu cầu nội dung nghiên cứu ....................................................... 2 I/ TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................................................. 3 1. Vấn đề năng lượng .......................................................................................... 3 1.1.Khái niệm ...................................................................................................... 3 1.2.Các dạng năng lượng ..................................................................................... 4 1.3. Hệ thống đơn vị đo năng lượng .................................................................... 5 1.4.Quá trình phát triển sử dụng các dạng năng lượng ......................................... 7 2. Năng lượng tái tạo ........................................................................................... 8 2.1.Năng lượng địa nhiệt ..................................................................................... 9 2.2.Năng lượng thuỷ triều ..................................................................................... 10 2.3.Năng lượng mặt trời ....................................................................................... 11 3.Khái niệm và lịch sử về pin năng lượng mặt trời ............................................... 12 4.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời tại Việt Nam. 5. Các đặc điểm chính về địa lý khu vực đảo Ngọc Vừng, tỉnh Quảng Ninh. 5.1. Vị trí địa lí và đặc điểm địa hình 5.2. Khí hậu 5.3. Điều kiện kinh tế xã hội II/ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................ 14 1 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 14 2 Các bước nghiên cứu ......................................................................................... 14 3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 14 III/ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 15 1.Cơ sở khoa học .................................................................................................. 15 2. Cấu tạo, vận hành ............................................................................................. 15 3. Khả năng ứng dụng thực tế ............................................................................... 15 IV/ DỰ KIẾN KẾT QUẢ THU ĐƯỢC ............................................................. 15 Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 2 V/ TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 16 Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Năng lượng là tài sản có giá trị đối với một quốc gia, là thành tố chủ đạo trong sự phát triển của nền kinh tế. Không thể phủ nhận rằng mọi hoạt động kinh tế, công nghiệp, giao thông và sinh hoạt của con người đều phụ thuộc vào nguồn năng lượng hiện có. Đầu thập niên 70, sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ, giá cả dầu mỏ và vấn đề tiêu dùng năng lượng là mối quan tâm hàng đầu. Nhưng trước đó các vấn đề về môi trường đã nảy sinh và càng trở nên suy giảm nghiêm trọng hơn. Mặc dù các vấn đề về môi trường là do sự kết hợp của nhiều yếu tố xung quanh nhưng chủ yếu là do dân số gia tăng, tiêu thụ năng lượng quá mức và hoạt động công nghiệp tràn lan. Để ứng phó với những biến đổi đó, con người buộc phải tìm đến những giải pháp và những phương án hành động mang tính bền vững luôn được ưu tiên hàng đầu trong giai đoạn hiện nay. Việc tìm ra và khai thác năng lượng tái tạo được xem như một giải pháp hiệu quả nhất. Năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng địa nhiệt, nhiên liệu sinh học... là những nguồn năng lượng sạch có tiềm năng lớn, sẵn có trong tự nhiên, không gây ô nhiễm và giúp giảm thiểu các tác động đến môi trường trong quá trình khai thác và sử dụng và là những giải pháp tối ưu thay thế cho nguồn năng lượng hoá thạch trong tương lai. Để tiếp cận và ứng dụng công nghệ năng lượng sạch, cụ thể là nguồn năng lượng mặt trời, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ pin năng lượng mặt trời cho đảo Ngọc Vừng, huyện Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh” được chúng tôi lựa chọn nhằm góp phần tìm kiếm giải pháp về năng lượng sạch cho phát điện phục vụ sinh hoạt, nâng cao chất lượng cuộc sống cộng đồng dân cư sinh sống trên đảo trong thời điểm điện lưới quốc gia chưa thể đáp ứng được nhu cầu điện sinh hoạt tại xã đảo. Đồng thời góp phần áp dụng một hướng đi tuy không mới trên thế giới nhưng vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam cho vấn đề năng lượng sạch Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 4 và các giải pháp ứng phó với sự cạn kiệt các nguồn tài nguyên không tái tạo hiện nay. Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 5 2. Mục đích và yêu cầu nghiên cứu 2.1. Mục đích Xác lập cơ sở khoa học, cơ sở thực tiễn cho việc ứng dụng lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời nhằm phát điện phục vụ sinh hoạt cho đảo Ngọc Vừng, huyện Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh, Việt Nam. 2.2. Yêu cầu nội dung nghiên cứu  Tìm hiểu, tổng hợp và phân tích về các công nghệ năng lượng sạch hiện có trên thế giới.  Phân tích hiện trạng sản xuất và cung cấp điện tại đảo Ngọc Vừng.  Nghiên cứu cấu tạo và ứng dụng của hệ thống pin năng lượng mặt trời.  Đề xuất phương án sản xuất và cung cấp điện thân thiện với môi trường. Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 6 I - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Vấn đề năng lượng 1.1 Khái niệm Theo thuyết tương đối của Albert Enstein, năng lượng là thước đo của lượng vật chất được xác định theo công thức liên quan đến khối lượng toàn phần : E = mc² Trong đó m : khối lượng (kg) c : hằng số vận tốc (m/s) E : khối lượng toàn phần (kg.(m/s)2 . Hiểu theo nghĩa thông thường, năng lượng là khả năng làm thay đổi trạng thái hoặc thực hiện công năng lên một hệ vật chất. Như vậy, năng lượng là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng sinh công của một hệ thống. Theo định luật bảo toàn năng lượng “Năng lượng không tự sinh ra và không tự mất đi. Nó chỉ chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác.” Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như : • Năng lượng cơ học • Thế năng • Động năng • Năng lượng nhiệt • Năng lượng từ • Năng lượng điện • Năng lượng phóng xạ • Năng lượng nguyên tử • Năng lượng hoá học • ... 1.2 Các dạng năng lượng Theo sách “Cứu lấy trái đất- chiến lược cho cuộc sống bền vững”, năng Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 7 lượng được chia làm 2 dạng chính: năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo Năng lượng không tái tạo là năng lượng đến từ lòng đất và không thể tái sinh trong thời gian ngắn. Nhiên liệu hoá thạch là dạng điển hình của năng lượng không tái tạo, bao gồm than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên. Những nguồn năng lượng này bắt nguồn từ xác động thực vật bị chôn vùi hàng nghìn năm trước, bị phân huỷ và hình thành nguồn năng lượng hữu ích cho con người. [10] Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là nguồn năng lượng từ những nguồn mà con người cho là vô tận, nghĩa là nguồn năng lượng tồn tại dồi dào đến mức không thể trở nên cạn kiệt hoặc có thể tái tạo trong một thời gian ngắn. Các nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời như bức xạ mặt trời, năng lượng gió, chuyển động sóng hay nhiên liệu sinh học. Các dạng khác như năng lượng địa nhiệt, năng lượng thuỷ triều... 1.3. Hệ thống đơn vị đo năng lượng Đơn vị năng lượng trong hệ thống đơn vị quốc tế (hệ SI) bao gồm joules (J), watt giây (Ws) hoặc newton mét (Nm); đơn vị của công suất là watt (W). Bên cạnh hệ SI còn có một số loại đơn vị phổ biến khác. Bảng 1.1 trình bày cách quy đổi của hầu hết các loại đơn vị năng lượng thường được sử dụng ngày nay. Ngoài ra còn có kpm (1 kpm = 2.72 . 10 –6 kWh) ; erg (1 erg = 2.78 . 10 –14 kWh) ; electronvolts (1 eV = 4.45 . 10 –26 kWh) ; BTU (British Thermal Unit, 1 BTU = 1055.06 J = 0.000293071 kWh).[9] Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 8 Bảng 1.1 Quy đổi đơn vị năng lượng kJ kcal kWh kg ce kg oe m3 gas BTU 1 kilojoule (kJ) 1 0.2388 0.000278 0.000034 0.000024 0.000032 0.94781 1 kilocalorie (kcal) 4.1868 1 0.001163 0.000143 0.0001 0.00013 3.96831 1 kilowatt- giờ (kWh) 3600 860 1 0.123 0.086 0.113 3412 1 kg than tương đương (kg ce) 29,308 7000 8.14 1 0.7 0.923 27,779 1 kg dầu mỏ tương đương (kg oe) 41,868 10,000 11.63 1.428 1 1.319 39,683 1 m3 khí gas 31,736 7580 8.816 1.083 0.758 1 30,080 1 đơn vị nhiệt Anh (BTU) 1.0551 0.252 0.000293 0.000036 0.000025 0.000033 1 Nguồn : Volker Quaschning, 2005, Understanding Renewable Energy Systems, Earthscan, UK. Trong đó : Coal equivalent (ce) : than đá tương đương Oil equivalent (oe) : dầu tương đương Natural gas : khí thiên nhiên British Thermal Unit (BTU) : đơn vị nhiệt của Anh Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 9 1.4. Sự phát triển tiêu dùng năng lượng Vào cuối thế kỉ thứ 18, than đá và dầu thô đã không còn là nguồn cung cấp năng lượng chủ đạo cho các ngành công nghiệp. Củi gỗ và các kĩ thuật nhờ gió và sức nước đã đáp ứng cho hầu hết các nhu cầu năng lượng của con người. Hình ảnh những guồng nước và cối xay gió đã trở nên phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới vào thời gian đó. Nguồn : wikipedia Vào năm 1768, James Watt đặt nền móng cho nền công nghiệp bằng phát triển động cơ chạy bằng hơi nước. Động cơ hơi nước mà sau này là động cơ đốt trong đã nhanh chóng được thay thế bởi sức gió và hệ thống sức nước. Than đá trở thành nguồn nhiên liệu cung cấp năng lượng quan trọng duy nhất. Đầu thế kỉ 20, dầu thô kế tiếp trở thành nhiên liệu không thể thiếu cung cấp cho sự cơ giới hoá giao thông đường bộ đang vươn lên mạnh mẽ. Củi đã mất đi vai trò quan trọng cung cấp năng lượng cho các quốc gia công nghiệp và những nhà máy thuỷ điện thay thế những guồng nước thô sơ. Nhu cầu năng lượng trên thế giới tăng vọt sau khủng hoảng năng lượng những năm 1930. Khí thiên nhiên bước vào bối cảnh đó sau chiến tranh thế giới Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 10 thứ hai. Vào thập niên 1960, năng lượng hạt nhân đã được bổ sung vào danh sách của những nguồn năng lượng truyền thống. Những nguồn năng lượng mới nối tiếp được tìm ra vẫn chưa phá bỏ được ưu thế của than đá và dầu thô, nhưng khí gas là nguồn năng lượng phát triển nhanh vượt trội. Nhu cầu năng lượng cơ bản về điện hạt nhân ngày nay vẫn tương đối khiêm tốn. Những nguồn nhiên liệu hoá thạch như than đá, dầu thô và khí gas cung cấp hơn 85% nhu cầu năng lượng tối thiểu trên thế giới Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 11 Bảng 1.2. Sự tiêu thụ năng lượng trên thế giới bao gồm năng lượng sinh khối và các dạng khác Đơn vị: PJ 1925 1938 1950 1960 1968 1980 2002 Nhiên liệu dạng rắna 36,039 37,856 46,675 58,541 67,830 77,118 100,395 Nhiên liệu dạng lỏngb 5772 11,017 21,155 43,921 79,169 117,112 147,480 Khí gas 1406 2930 7384 17,961 33,900 53,736 95,543 Thuỷ điệnc 771 1774 3316 6632 10,179 16,732 24,792 Điện hạt nhânc 0 0 0 0 463 6476 25,564 Tổng 43,988 53,577 78,530 127,055 191,541 271,174 393,773 Nguồn: Enquete-Kommission, 1995; BP, 2003 Lưu ý : a :Than đá, than non,.. ; b: các sản phẩm dầu ; c : chuyển đổi từ nhiệt tương đương với 38% hiệu quả chuyển đổi Bảng 1.2 cho thấy tình hình tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới trong những năm của thế kỉ trước. Từ bảng cho thấy lượng tiêu thụ tăng dẫn qua mỗi năm. Năng lượng hạt nhân cũng bắt đầu được đưa vào phục vụ sản xuất từ những năm cuối thập niên 60 thế kỉ 20.Và không chỉ riêng năng lượng hạt nhân, các dạng năng lượng khác được tiêu thụ mạnh rõ rệt vào những năm đầu thế kỉ 21. 2.. Năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng vô tận trong thời gian sống của loài người. Năng lượng tái tạo có thể chia làm 3 loại chính: năng lượng mặt trời, năng lượng thuỷ triều và năng lượng địa nhiệt. Số liệu trung bình hàng năm trên trái đất : [9] - Năng lượng mặt trời : 3,900,000,000 PJ/year - Năng lượng thuỷ triều : 94,000 PJ/year - Năng lượng địa nhiệt : 996,000 PJ/year Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 12 Năng lượng dự trữ trong gió, mưa, bắt nguồn từ các quá trình chuyển hoá năng lượng trong tự nhiên và có thể khai thác được bằng các phương tiện kĩ thuật. Theo lí thuyết, các nguồn cung cấp năng lượng tái tạo hàng năm lớn hơn nhiều lần nhu cầu năng lượng của trái đất và có thể đáp ứng hoàn toàn được nhu cầu này. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là sự chuyển đổi từ những dạng năng lượng truyền thống sang năng lượng tái tạo sẽ không gặp trở ngại gì. Nói cách khác, năng lượng tái tạo cần một cơ sở hạ tầng hoàn toàn khác biệt so với những gì được xây dựng lên trong những thế kỉ trước. Nguồn năng lượng hiện tại phụ thuộc chủ yếu vào nguồn nhiên liệu hoá thạch. Ưu tiên hàng đầu là sản xuất và vận chuyển nhiên liệu hoá thạch một cách kinh tế nhất và biến đổi chúng thành những dạng năng lượng khác một cách ít tốn kém nhất. Ưu điểm chính của năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch là tính sẵn có, chúng có thể được sử dụng ngay khi con người cần. Ngược lại, tính sẵn có của hầu hết các dạng năng lượng tái tạo là không ổn định. Chúng không những cần được chuyển đổi thành các dạng năng lượng có ích khác như điện hay nhiệt mà còn phải được đảm bảo luôn dồi dào thông qua những hệ thống dự trữ lớn. Vấn đề đặt ra không phải là năng lượng tái tạo có thể đáp ứng được tất cả nhu cầu năng lượng của con người hay không mà là loại năng lượng tái tạo nào là tối ưu và phù hợp và khi nào thì chúng sẽ đáp ứng đầy đủ nhu cầu về năng lượng trên trái đất. Đối với vấn đề nóng lên toàn cầu, sự chuyển đổi về nguồn cung cấp năng lượng là thách thức lớn nhất trong thế kỉ 21. 2.1.. Năng lượng địa nhiệt Nhiệt độ trong lòng trái đất khoảng 30000C đến 10 0000C, sự phân rã phóng xạ giải phóng ra lượng nhiệt này. Còn bề mặt trái đất có nhiệt độ tương đối thấp. Sự chênh lệch về nhiệt độ giữa bề mặt và trong lòng trái đất gây nên dòng nhiệt biến đổi liên tục, có giá trị khoảng 0.063 W/m2. Ngày nay năng lượng địa nhiệt chỉ được khai thác tại những vùng có nhiệt độ trong lòng trái đất cao bất thường. Những vùng thuộc “vành đai lửa ven Thái Bình Dương” là những vùng có tiềm Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 13 năng địa nhiệt rất lớn. Đây cũng là một nguồn năng lượng sạch có thể thay thế dầu mỏ và than đá trong tương lai. Hiện nay Mỹ đang là quốc gia đứng đầu về sản xuất điện từ năng lượng địa nhiệt. Một nghiên cứu mới được công bố trong năm 2008 của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã cho biết: Nếu có thể khai thác được 40% lượng nhiệt nằm dưới lòng đất của nước Mỹ, nó sẽ đáp ứng gấp 56.000 lần nhu cầu điện năng hiện nay của đất nước này. Ở các nước đang phát triển như Philippin, Indonexia, Trung Quốc năng lượng địa nhiệt cũng đã và đang được thăm dò và khai thác. Trong đó Philippin là nước sản xuất ra điện lớn thứ hai sau Mỹ. Hiện nay, 23% sản lượng điện của nước này được sản xuất từ nguồn năng lượng địa nhiệt. Indonesia, là quốc gia sản xuất điện địa nhiệt lớn đứng thứ ba trên thế giới. [4] Ở Châu Phi, tiềm năng phát triển năng lượng địa nhiệt cũng rất lớn, đặc biệt là ở Thung lũng Great Rift. Kenya là một trong những nước đi đầu khu vực trong việc khai thác nguồn năng lượng tiềm ẩn này. [4] Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng vô tận có tiềm năng khai thác hàng trăm nghìn megawatt. Nhưng hiện nay đây vẫn là một ngành còn non trẻ và chiếm thứ yếu trong sản xuất năng lượng. 2.2. Năng lượng thuỷ triều Giữa mặt trăng và trái đất tồn tại một lực hấp dẫn gây nên tác động tại một số điểm nhất định trên bề mặt trái đất. Dấu hiệu rõ ràng nhất cho thấy lực hấp dẫn này là thuỷ triều. Sự lên xuống của mực nước trên các đại dương tạo nên thuỷ triều và sinh ra một nguồn năng lượng đáng kể. Năng lượng thuỷ triều có thể dùng để phát điện trên bờ biển những khi thuỷ triều lên cao. Khi triều lên, nước tràn vào hồ chứa và được ngăn lại. Khi triều xuống, nước trong hồ được xả ra , làm chạy những tua-bin được đặt dưới mực triều thấp. Những tua-bin này chạy máy phát điện sinh ra điện. Hiện nay chỉ có một vài nhà máy phát điện thuỷ triều đang hoạt động. Nhà máy lớn nhất với công suất 240 MW đặt tại Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 14 Rance, Pháp. Tuy nhiên, điện thuỷ triều luôn gây tác động lớn đến tự nhiên. Hiện tại lượng điện được sản xuất nhờ thuỷ triều vẫn còn tương đối thấp. 2.3. Năng lượng mặt trời Nguồn cung cấp năng lượng lớn nhất là mặt trời. Hàng năm, mặt trời cung cấp khoảng 3.9x1024 J = 1.08x1018 kWh xuống bề mặt trái đất. Và nguồn năng lượng này gấp 10 000 lần nhu cầu năng lượng tối thiểu hàng năm trên trái đất và gấp nhiều lần các nguồn năng lượng dự trữ khác. Nói cách khác, sử dụng 1/10 nguồn năng lượng được cung cấp này có thể đáp ứng được toàn bộ nhu cầu năng lượng của loài người. Có sự phân biệt giữa năng lượng mặt trời được sử dụng trực tiếp và gián tiếp. Các hệ thống kĩ thuật sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời trực tiếp chuyển bức xạ mặt trời thành năng lượng có ích (ví dụ như điện năng hoặc nhiệt năng). Gió, nước và thực vật sinh trưởng là các dạng gián tiếp của năng lượng mặt trời. Tại đó, các quá trình trong tự nhiên biến đổi năng lượng mặt trời thành các dạng năng lượng khác. Các thiết bị kĩ thuật cũng có thể sử dụng những loại năng lượng gián tiếp này từ năng lượng mặt trời. * Năng lượng mặt trời trực tiếp - Nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời - Hệ thống quang phân để sản xuất nhiên liệu - Hệ thống thu năng lượng mặt trời để đun nóng nước - Hệ thống đun nóng bằng năng lượng mặt trời bị động - Phát điện bằng pin năng lượng mặt trời * Năng lượng mặt trời gián tiếp Chuyên đề tốt nghiệp Khoa CNSH&MT SV: Trần Thị ánh Phượng MSSV: 506301067 15 Các quá trình trong tự nhiên chuyển năng lượng mặt trời thành các dạng năng lượng khác. Các thiết bị chuyển đổi điện có thể tận dụng nguồn năng lượng gián tiếp này. Một ví dụ điển hình về dạng gián tiếp của năng lượng mặt trời là sức nước. Bức xạ mặt trời làm bốc hơi nước từ các đại dương. Hơi nước này ngưng đọng, rơi xuống từ các tầng cao, được hoà chung vào sông, suối và kết thúc vòng tuần hoàn khi ra đến cửa sông. Các nhà máy thuỷ điện có thể chuyển động năng và thế năng từ nước thành điện. Một số loại hình gián tiếp của năng lượng mặt trời là : - Hơi nước, mưa, dòng nước chảy - Sự tan chảy của tuyết - Sự di chuyển của nước - Các dòng hải lưu - Sản phẩm sinh khối - Nhiệt từ bề mặt trái đất và khí quyển - Gió 3. Khái niệm và lịch sử về pin năng lượng mặt trời Bên cạnh phương pháp phát điện bằng cảm ứng từ do Michael Faraday phát minh năm 1821, tác dụng của quang năng lên selenium được Becquerel tìm ra vào năm 1839 và phát triển bằng cách sử dụng những tấm silic có hiệu quả cao hơn vào năm 1958 để phát điện. Những kết quả nghiên cứu khác trong những năm 1960 về vật liệu chế tạo những tấm PMT như gallium arsenide (GaAs), chúng có thể làm việc trong nhiệt độ cao hơn sili