Biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng (để sử dụng trực tiếp hoặc để sản xuất điện theo chu trình nhiệt động, động cơ nhiệt làm quay máy phát điện) là công nghệ đơn giản, dễ thực hiện để đảm bảo năng lượng cho các hộ tiêu thụ thuộc các cấp khác nhau. Những năm gần đây trên toàn thế giới, người ta ngày một quan tâm hơn tới phương hướng sử dụng năng lượng mặt trời.
Sử dụng nhiệt từ bức xạ mặt trời trong sinh hoạt và sản xuất
Mọi người đều biết rằng năng lượng mặt trời biến đổi thành nhiệt năng được sử dụng rộng rãi cho các mục tiêu sinh hoạt, sưởi ấm và cung cấp nước nóng, hâm nóng nước trong các bể bơi. Các thiết trí được sử dụng cho các mục tiêu đó bao gồm bộ phận chính là thiết bị thu năng lượng mặt trời (TTNM) hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính.
Thiết bị thu phẳng bao gồm phần tử hấp thụ bức xạ mặt trời, lớp phủ trong suốt và lớp cách nhiệt. Phần tử hấp thụ liên kết với hệ thống dẫn nhiệt. Thiết trí đơn giản về kết cấu và dễ lắp đặt.
Với sự xuất hiện của những công nghệ đem lại lợi nhuận cao, những năm gần đây các hệ thống sưởi ấm và cung cấp nước nóng có sử dụng TTNM đã trở nên phổ biến rộng rãi. Những công nghệ này phát triển mạnh ở các nước thuộc Liên minh châu Âu (EU). Nền kinh tế của những nước này phụ thuộc đáng kể vào nhiên liệu nhập khẩu, do vậy việc sử dụng bất cứ nguồn năng lượng tái tạo nào đều được các chính phủ khuyến khích.
Tổng bề mặt các thiết bị thu năng lượng mặt trời là một trong những tiêu chí tổng quát đánh giá sự phát triển theo hướng đó. Ở châu Âu năm 2000, tiêu chí đó là 14.891.000 m2, và trên toàn thế giới – 71.341.000 m2.
Tuy nhiên sử dụng nhiệt năng từ bức xạ mặt trời chưa được phổ biến rộng rãi trong công nghiệp. Nguyên nhân chính của tình trạng này cũng giống như đối với toàn bộ ngành năng lượng tái tạo, đó là giá nhiên liệu khoáng đã được duy trì ở mức thấp trong suốt thời gian dài, do đó chưa thực sự đủ để khuyến khích phát triển ngành năng lượng tái tạo.
Để đánh giá tình trạng sự việc sử dụng trong công nghiệp nhiệt năng từ bức xạ mặt trời, Cơ quan Năng lượng Quốc tế đã có dự án Task 33/1Y, với sự tham gia của 16 viện và 11 công ty từ 8 nước. Mục tiêu của dự án là nghiên cứu triển khai các trạm năng lượng mặt trời (TNM) sản xuất nhiệt lượng cho các mục tiêu công nghiệp. Sau đây sẽ trình bày một số kết quả thu được trong quá trình thực hiện dự án.
Trong khuôn khổ dự án Task 33/1Y đã nghiên cứu triển khai 23 phương án thiết trí với các TTNM để sưởi các xưởng sản xuất. Các xưởng sản xuất thông thường có chiều cao 5 – 10 m, nhiệt độ bên trong yêu cầu nằm trong dải 15 – 18oC. Nhiệt độ không cao và các sơ đồ đấu các TTNM đơn giản làm cho các thiết trí này trở nên lý tưởng cho những mục tiêu đó.
Các thiết trí hâm nước để rửa trong ngành công nghiệp thực phẩm và ngành vận tải yêu cầu nhiệt độ thấp (40 – 90oC) tương tự như những thiết trí quy mô lớn được sử dụng để sưởi ấm nhà ở và cung cấp nước nóng. Một trong những hệ thống trình diễn trong khuôn khổ dự án Task 33/1Y đã được thực hiện trong lĩnh vực vận tải.
Đối với dải nhiệt độ 120 – 150oC, cần có các thiết bị tập trung với hệ thống hướng theo một tọa độ. Ai Cập đã mời thầu công trình thiết bị năng lượng mặt trời (gần Cairo) với các thiết bị tập trung kiểu hình trụ parabol để sản xuất 1,3 tấn hơi một giờ. Thiết bị gồm bốn hàng gương phản xạ hình trụ parabol diện tích 1.900 m2.
Như vậy, mặc dầu trên thực tế việc sử dụng các thiết bị năng lượng mặt trời cho các mục tiêu công nghiệp mới trong giai đoạn đầu, nhưng đã có tiềm năng lớn về sử dụng. Với mục đích này, người ta đã xây dựng được những công nghệ tương đối rẻ, đơn giản trong vận hành. Công tác nghiên cứu tiếp theo nhằm tăng dải nhiệt độ thu được cần hướng tới mục tiêu mở rộng lĩnh vực sử dụng các thiết bị năng lượng mặt trời tương tự trong công nghiệp.
Biến đổi bức xạ mặt trời theo chu trình nhiệt động
Khác với phương hướng nêu trên, việc phát triển công nghệ biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời theo hướng này đã bị chững lại hàng mấy thập kỷ nay. Một trong những nguyên nhân của tình trạng đó có thể là các trạm phát điện bằng năng lượng mặt trời (TĐNM) chịu sự cạnh tranh của các nhà máy điện đốt nhiên liệu truyền thống và hạt nhân cung cấp điện tập trung.
Một số công trình nghiên cứu triển khai về các TĐNM hoạt động theo chu trình nhiệt động bắt đầu được triển khai do thiếu nhiên liệu và tình hình chính trị phức tạp ở khu vực
Cận Đông trong thời gian cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ nhất vào những năm 70. Khi đó phương hướng có triển vọng hơn cả là xây dựng các trạm phát điện với các thiết bị tuabin hơi được sử dụng ở các nhà máy nhiệt điện thông thường.
Ngoài ra khi nghiên cứu triển khai TĐNM, đã phải xét đến những đặc điểm của nguồn năng lượng bức xạ mặt trời: mật độ trung bình của dòng bức xạ theo hướng vuông góc không vượt quá 1 kW/m2, năng lượng chuyển đến có tính chu kỳ do thay đổi ngày đêm và không đồng đều tùy thuộc vào lượng mây.
Lần đầu tiên ý tưởng xây dựng TĐNM kiểu công nghiệp đã được kỹ sư N. V. Lignitski (Liên Xô) đề xuất vào những năm 30. Chính kỹ sư này khi đó đã khuyến nghị sơ đồ TĐNM mà hiện nay được gọi là sơ đồ máy thu trung tâm hoặc kiểu tháp.
Những đánh giá kinh tế đã chỉ rõ tính hợp lý của việc sử dụng ở các trạm đó những máy phát điện tuabin hơi lớn công suất 100 MW. Đối với chúng những thông số điển hình của hơi là nhiệt độ 500oC và áp suất 15 MPa. Nếu xét đến những tổn thất để đảm bảo những thông số đó cần tập trung khoảng 1.000 kính định nhật. Sự tập trung đó đã đạt được nhờ điều khiển các kính định nhật theo hai tọa độ. Các trạm này cần phải có các bộ tích nhiệt để đảm bảo động cơ nhiệt hoạt động khi không có bức xạ mặt trời.
Ở Mỹ đã xây dựng một số TĐNM kiểu tháp công suất từ 10 đến 100 MW. Phân tích chi tiết về mặt kinh tế các hệ thống kiểu đó cho thấy, nếu tính hết các chi phí cho công trình thì giá 1 kW công suất đặt lên tới khoảng 1.150 USD. Điện năng do các trạm đó sản xuất ra đắt hơn đáng kể so với các nhà máy điện sử dụng nguồn năng lượng khác.
Nhằm tạo ra các trạm sản xuất điện năng rẻ hơn, người ta đã đề xuất sơ đồ với các gương phản xạ kiểu hình trụ parabol, tuy nhiên thay vì một máy thu năng lượng mặt trời duy nhất, người ta sử dụng máy thu phân bố, được đặt theo đường tiêu của các gương hình trụ parabol. Mà vì máy thu được bố trí gần gương phản xạ nên có thể lắp đặt các gương với độ chính xác thấp hơn và theo một tọa độ.
Hãng Mỹ – Israel “LUZ” đã nghiên cứu triển khai và bắt đầu chế tạo hàng loạt các trạm công suất 80 MW. Từ năm 1984 đến năm 1991 tại vùng hoang mạc bang California đã xây dựng 9 trạm với tổng công suất 354 MW. Năm 1992, khi đang xây dựng trạm thứ 10 thì hãng bị phá sản, sau đó đã vài lần thay đổi chủ sở hữu. Tháng 02/2005, cả 7 trạm (trừ hai trạm đầu tiên) đã được một trong những hãng lớn nhất chế tạo máy phát điện dùng cho các thiết bị phát điện bằng sức gió mua lại.
Các trạm của hãng “LUZ” được chế tạo theo dạng môđun, bao gồm các gương hình trụ parabol dài 50 m, đặt thành các hàng cách nhau 7 m. Bức xạ mặt trời được tập trung vào máy thu dạng ống, có lớp phủ hấp thụ, được đặt trên đường tiêu của các gương. Bên trong máy thu chứa một loại dầu khoáng, dầu được đun nóng tới 300 – 390oC. Chất tải nhiệt được đưa vào bộ tích nhiệt để tiếp đó sản xuất điện năng bằng máy phát điện tuabin hơi. Giá điện năng nhận được ở các trạm đó không cao hơn nhiều so với các nhà máy nhiệt điện. Như vậy, lần đầu tiên đã xuất hiện khả năng tạo ra các TĐNM vận hành theo chu trình nhiệt động và sản xuất điện năng với giá so sánh được với các nhà máy điện chạy bằng các dạng nhiên liệu khác
Các trạm với gương phản chiếu hình trụ parabol khác với các trạm kiểu tháp ở chỗ không có máy thu trung tâm, nhưng nhiệt năng thu được từ mặt trời chỉ được sử dụng cho một động cơ nhiệt hoạt động. Cũng có thể chế tạo các trạm kiểu môđun trong đó điện năng được sản xuất từ những động cơ nhiệt kích thước không lớn, nhiệt lượng được góp lại từ những hệ thống gương phản chiếu không lớn lắm. Khi đó, do kích thước kết cấu không lớn nên quá trình dõi theo mặt trời cũng đơn giản hơn. Vấn đề chính khi chế tạo các trạm đó là nghiên cứu triển khai các động cơ nhiệt phù hợp.
Một trong những phương hướng chế tạo các động cơ đó là nghiên cứu triển khai động cơ Stirling để có thể hoạt động trong thành phần của TĐNM.
Động cơ Stirling là động cơ nhiệt trong đó chất công tác (hêli hoặc hyđrô) luôn nằm trong một không gian khép kín bên trong động cơ. Một khoang xi lanh của động cơ được đun nóng, còn khoang kia được làm lạnh. Trong xi lanh công tác đặt hai pít tông – pít tông công tác và pít tông phụ trợ. Pít tông phụ trợ đẩy chất công tác vào khoang đun nóng hoặc khoang làm lạnh. Trong phần được đun nóng, khí dãn nở, tạo ra công làm chuyển động pít tông công tác. Khi pít tông công tác đạt tới điểm chết, nhờ pít tông phụ trợ chất công tác được chuyển đến khoang làm lạnh, ở đó áp suất của khí sụt xuống và pít tông công tác trở về vị trí xuất phát.
Động cơ Stirling khác với động cơ đốt trong ở chỗ nhiệt lượng được đưa vào từ bên ngoài, và do vậy thuộc loại động cơ đốt ngoài. Động cơ Stirling có thể sử dụng nhiên liệu lỏng được đốt cháy bên ngoài động cơ, nhưng cũng có thể hoạt động nhờ nhiệt năng từ nguồn gốc bất kỳ, vì vậy được xem là phương án khả dĩ của động cơ nhiệt cho các TĐNM.
Trong hai thập kỷ qua, người ta lại quan tâm đến động cơ Stirling. Động cơ Stirling được nghiên cứu chế tạo để sử dụng làm động cơ chính trong tàu ngầm. Nhiều hãng đang triển khai các công trình chế tạo động cơ Stirling cho các TĐNM.
Trạm đầu tiên công suất 1 MW đã xây dựng xong đầu năm 2007. Trạm gồm 40 môđun. Việc lắp ráp 20.000 môđun cho trạm công suất 500 MW sẽ bắt đầu vào năm 2008. Trạm này cách Los Angeles 112 km.
Tại bãi thử nghiệm của công ty ở bang New Mexicô hiện có 6 môđun như vậy đang hoạt động, chúng đã được thử nghiệm, vận hành thành công trong suốt 26.000 giờ. Giá điện năng sản xuất ra không tới 10 US cent/1 kWh.
Do đó, xét đến các vấn đề nêu trên có thể đi đến kết luận về tình trạng và phương hướng biến đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng và về triển vọng sử dụng năng lượng này.
Biến đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng bằng thiết bị thu năng lượng mặt trời dùng cho nhu cầu sinh hoạt đã trở nên thông dụng tại nhiều khu vực trên thế giới.
Sử dụng nhiệt năng thu được bằng các thiết bị thu năng lượng mặt trời cho mục tiêu công nghiệp mới ở giai đoạn ban đầu, tuy nhiên đã tồn tại những công nghệ tương ứng và điều kiện để phát triển thành công phương hướng này.
Việc thu nhiệt lượng từ bức xạ mặt trời và biến đổi nó thành điện năng theo chu trình nhiệt động được khởi đầu vào những năm 70 thế kỷ trước, sau một thập kỷ dậm chân tại chỗ, nay lại bắt đầu khởi sắc và có những triển vọng tốt cùng với sự xuất hiện những công nghệ mới.
