TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ThS Vũ Hoàng Hải BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Trình độ: ĐH, CĐ Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Điện Môn: Năng lượng tái tạo Thời lượng giảng dạy: 30 tiết TP HỒ CHÍ MINH – 2016 LƯU HÀNH NỘI BỘ BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO MỤC LỤC CHƯƠNG 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan lượng mặt trời 1.2 Nguồn lượng mặt trời 1.3 Chuyển lượng mặt trời thành điện (Quang điện) 1.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin quang điện 1.3.2 Các ứng dụng Quang Điện 10 1.3.3 Các dạng hệ thống Quang Điện 12 1.4 Nhiệt mặt trời 15 1.4.1 Chuyển hóa nhiệt Mặt Trời thành điện 15 1.4.2 Các hệ thống thu hội tụ ánh sáng Mặt Trời 16 1.5 Các tác động môi trường 20 1.6 Giá thành 21 CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI 22 2.1 Tổng quan lượng sinh khối 22 2.2 Nguồn gốc sinh khối 24 2.2.1 Chất bã sinh khối qua xử lý 26 2.2.2 Bột giấy chất bã trình sản xuất giấy 26 2.2.3 Bã rừng (Forestry residues) 26 2.2.4 Bã nông nghiệp (Agricultural residues) 27 2.2.5 Chất thải từ gia súc (Livestock residues) 28 2.2.6 Các loại bã thải khác 30 2.2.7 Cây trồng lượng (Energy forestry/crops) 30 2.3 Ứng dụng lượng sinh khối 32 2.3.1 Sản xuất nhiệt truyền thống 33 2.3.2 Nhiên liệu sinh khối 33 2.3.3 Sản xuất điện từ lượng sinh khối 36 2.4 Các tác động môi trường 43 CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG GIÓ 46 3.1 Tổng quan lượng gió 46 3.2 Tổng quan lượng gió 47 3.3 Nguồn Năng Lượng Gió 50 3.3.1 Turbin gió 50 3.3.2 Vị trí đặt turbin 54 3.3.3 Đánh giá lượng sản sinh 56 3.4 Tác động môi trường 57 3.4.1 Các mặt thuận lợi 57 Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 3.4.2 Các mặt bất lợi 59 CHƯƠNG 4: NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT 60 4.1 Tổng quan lượng địa nhiệt 60 4.2 Nguồn lượng địa nhiệt 61 4.3 Các ứng dụng Địa Nhiệt 70 4.3.1 Đặc tính chất bán dẫn 71 4.3.2 Biểu thức hiệu suất 77 4.3.2 Biểu thức hiệu suất 77 4.4 Các vấn đề môi trường khác 79 CHƯƠNG 5: CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG KHÁC 81 5.1 Thủy điện 81 5.1.1 Đánh giá tiềm thủy điện 83 5.1.2 Các đập thủy điện 86 5.1.3 Turbin thủy lực 87 5.1.4 Các tác động môi trường 91 5.1.5 Các tác động xã hội 93 5.2 Năng lượng thủy triều 93 5.3 Năng lượng sóng biển 99 5.4 Năng lượng nguyên tử 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan lượng mặt trời Mặt Trời nguồn lượng lớn mà người tận dụng được: sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần vơ tận, có khắp nơi dù hay nhiều Việc thu giữ lượng Mặt Trời (NLMT) gần khơng có ảnh hưởng tiêu cực đến mơi trường Việc sử dụng NLMT khơng thải khí nước độc hại, khơng góp phần vào vấn đề nhiễm mơi trường hiệu ứng nhà kính Hai phương pháp phổ biến dùng để thu nhận trữ lượng Mặt Trời phương pháp thụ động phương pháp chủ động Phương pháp thụ động sử dụng nguyên tắc thu giữ nhiệt cấu trúc vật liệu công trình xây dựng Phương pháp chủ động sử dụng thiết bị đặc biệt để thu xạ nhiệt sử dụng hệ thống quạt máy bơm để phân phối nhiệt Phương pháp thụ động có lịch sử phát triển dài hẳn, phương pháp chủ động phát triển chủ yếu kỷ 20 Hai ứng dụng NLMT là:  Nhiệt Mặt Trời: chuyển xạ Mặt Trời thành nhiệt năng, sử dụng hệ thống sưởi, để đun nước tạo quay turbin điện  Điện Mặt Trời: chuyển xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện (hay gọi quang điện-photovoltaics) Hai dạng hệ thống dân dụng sử dụng NLMT phổ biến hệ thống sưởi nhiệt Mặt Trời hệ thống Quang Điện cá nhân Các hệ thống khác bao gồm: hệ thống đun nước Mặt Trời, máy bơm NLMT, Điện MT dùng trạm TT Vô Tuyến vùng xâu vùng xa Tuy công suất lắp đặt ĐMT tương đối thấp so với số dạng NL khác thủy điện gió, nhu cầu Điện Mặt Trời tăng nhanh vòng 15 năm qua, với tốc độ trung bình 25% năm Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Riêng năm 2004, tổng công suất lắp đặt điện Mặt Trời toàn cầu đạt 927 MW, tăng gần gấp đôi so với năm 2003 (574) gấp 40 lần so với 20 năm trước Các quốc gia phát triển giới thúc đẩy mạnh mẽ kế hoạch phát triển Điện Mặt Trời thông qua cải thiện kỹ thuật trợ vốn 1.2 Nguồn lượng mặt trời Mặt Trời khối cầu có đường kính khống 1,4 triệu km với thành phần gồm khí có nhiệt độ cao Nhiệt độ bên Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí Trái Đất Đây điều kiện lý tưởng cho phản ứng phân hạch nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ phản ứng phân hạch này, qua trình truyền từ tâm Mặt Trời ngoài, tương tác vơi nguyên tố khác bên Mặt Trời chuyển thành xạ có mức lượng thấp hơn, chủ yếu ánh sáng phần nhiệt phổ lượng Bức xạ điện từ này, với phổ lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát khơng gian hướng khác Quá trình xạ Mặt Trời diễn từ tỷ năm nay, tiếp tục vài tỷ năm Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Mỗi giây, Mặt Trời phát khối lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ, nhiên phần nhỏ tổng lượng xạ đến Trái Đất Tuy nhiên, phần lượng xem lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ngoại tầng khí Trái Đất Một phần lớn xạ Mặt Trời phản xạ lại không gian bề mặt đám mây 99% xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất chuyển thành nhiệt sau tỏa nhiệt lại không gian Chỉ cần phần nhỏ lượng Mặt Trời sử dụng đáp ứng nhu cầu lượng giới 1.2 Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.3 Chuyển lượng Mặt Trời thành điện (QUANG ĐIỆN) Các pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, thường thấy máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay Chúng làm từ vật liệu bán dẫn tương tự điện tử máy tính Một ánh sáng Mặt Trời hấp thụ vật liệu này, lượng Mặt Trời đánh bật hạt điện tích (electron) lượng thấp nguyên tử vật liệu bán dẫn, cho phép hạt tích điện di chuyển vật liệu tạo thành điện Quá trình chuyển đổi photon thành điện này gọi hiệu ứng quang điện Cho dù phát từ 200 năm trước, kỹ thuật quang điện phát triển rộng rãi ứng dụng dân kể từ khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 Các pin Mặt Trời thông thường lắp thành module khoảng 40 phiến pin, 10 module lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện dài vài mét Các chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng lắp góc cố định hướng phía Nam, lắp hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để bắt nắng theo thay đổi quĩ đạo nắng Mặt Trời Qui mơ hệ thống quang điện từ mức 10-20 chuỗi quang điện cho ứng dụng dân sự, hệ thống lớn bao gồm hàng trăm chuỗi quang điện kết nối với để cung cấp cho sở sản xuất điện hay ứng dụng công nghiệp Một số dạng pin Mặt Trời thiết kế để vận hành điều kiện ánh sáng Mặt Trời hội tụ Các Pin Mặt Trời lắp đặt thành collector tập trung ánh sáng Mặt Trời sử dụng lăng kính hội tụ ánh sáng Phương pháp có mặt thuật lợi bất lợi so với mạng Pin Mặt Trời dạng phẳng (flat-plate PV) Thuận lợi điểm sử dụng vật liệu Pin Mặt Trời bán dẫn đắt tiền hấp tối đa ánh sáng Mặt Trời Mặt bất lợi lăng kính hội tụ phải hướng thẳng đến Mặt Trời, việc sử dụng hệ hấp thu tập trung khai triển khu vực có nắng nhiều nhất, đa số đòi hỏi việc sử dụng thiết bị hiệu chỉnh hướng nằng tối tân, kỹ thuật cao Hiệu Pin Mặt Trời phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện phiến pin MặT TRờI Chỉ có ánh sáng Mặt Trời với mức lượng định chuyển đổi cách hiệu thành điện năng, chưa kể đến phần lớn lượng ánh sáng bị phản chiếu lại hấp thu vật liệu cấu thành phiến pin Do đó, hiệu suất tiêu biểu cho loại pin Mặt Trời thương mại tương đới thấp, khoảng 15% (tương đương với 1/6 xạ Mặt Trời chiếu đến pin chuyển thành điện) Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Hiệu suất thấp dẫn đến việc đòi hỏi tăng diện tích lắp đặt để đạt công suất đưa ra, tức tăng giá thành sản xuầt Do đó, mục tiêu hành đầu ngành công nghiệp ĐMT tăng hiệu Pin giảm giá thành đơn vị phiến pin 1.3 Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin quang điện a) Phiến pin quang điện (Photovoltaic Cell) Phiến pin quang điện kỳ công vật lý tinh thể bán dẫn Nó cấu tạo từ lớp phẳng mỏng vật liệu đặc biệt gọi bán dẫn xếp chồng lên (Hình 1.4) 1.4 Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 98 5.10 Yêu cầu chất lỏng bay 20 độ C tạo áp suất bay đáng kể đặt Ammonia lỏng có khả này, nhiên hiệu suất nhiệt cực đại thiết bị khoảng vài phần trăm chênh lệch nhiệt độ nhỏ Thiết bị OTEC dài khoảng 1000 feet neo đại dương Nước ấm (bề mặt) chảy vào phần hệ thống, sau qua phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt cho nồi hơi, làm bay Ammonia Hơi sau ngưng tụ lại thành chất lỏng trở lại nồi Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 99 Các ưu điểm hấp dẫn OTEC là:  Không sinh ô nhiễm, không sinh CO2  Sử dụng nguồn lượng gần vô tận mặt trời chuyển thành nhiệt bề mặt đại dương Dự án thí điểm gần Hawaii Ngoài việc phát lượng điện, nước sau sử dụng dùng điều hòa khơng khí, đưa vào khu ni trồng thủy sản gần đó, cung cấp nguồn nước biển sạch, giàu dinh dưỡng cho tảo, cá, động vật giáp xác Mặc dù OTEC khả thi mặt kỹ thuật ảnh hưởng tiềm tàng việc đưa lượng lớn nước lạnh lên bề mặt vùng nhiệt đới cần xem xét kỹ trước tiến hành đại trà Các tính chất nước như: nồng độ khí hòa tan, độ đục, nồng độ chất dinh dưỡng, chênh lệch độ mặn thay đổi theo nhiệt độ, thay đổi ảnh hưởng đến sinh vật biển 5.3 NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN (Ocean Waves) Sóng đại dương sinh gió, gió gây mặt trời (chuyển động khối khí chênh lệch nhiệt độ v.v ) Vì vậy, lượng sóng xem dạng gián tiếp lượng Mặt Trời Giống dạng dòng nước chảy khác, lượng sóng có khả làm quay tuabin phát điện Na Uy, Anh, Nhật số nước nghiên cứu sản xuất điện từ sóng đại dương Trạm phát điện từ sóng dùng kỹ thuật đơn giản Thiết bị bêtơng rỗng đặt chìm vào máng rãnh ngồi khơi để "bắt" sóng Mỗi sóng vào khoang (khoảng 10 giây/lần), nước dâng lên khoang đẩy khơng khí vào lỗ có đạt tuabin, làm quay tuabin chạy máy phát điện Khi sóng hạ, kéo khơng khí trở lại khoang chuyển động khơng khí lại tiếp tục làm quay tuabin Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 100 5.11 Điều cần lưu ý cố ngồi khơi làm hư hỏng thiết bị Năm 1995, trạm phát điện sóng giới biển Bắc Scotland bị nhấn chìm bão sau hoạt động chưa đầy tháng Mặc dù nguồn lượng từ sóng đại dương lớn nay, hiệu suất lượng thu thấp nên việc ứng dụng lượng sóng chưa mang tính kinh tế thực tiễn 5.4 NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ Nhiệt Mặt trời vũ trụ bắt nguồn từ lượng sinh phản ứng tổng hợp hạt nhân hay gọi phản ứng hợp hạch (hoặc nhiệt hạch) Có lẽ khơng phải biết Mặt trời có lò phản ứng tổng hợp hạt nhân lõi Dưới áp lực lớn với nhiệt độ 16 triệu độ C, hạt nhân nguyên tử hợp giải phóng lượng Các nhà khoa học tính giây có khoảng tỷ vật chất biến thành ánh sáng mặt trời Liệu người ứng dụng phản ứng hợp hạch ứng dụng phản ứng phân hạch nguyên tử hay không Để trả lời câu hỏi ấy, nhà khoa học nhà hoạch định sách tồn cầu phải tập trung giải tốn phức tạp cơng nghệ, hiệu đầu tư khả phát triển bền vững ứng dụng hợp hạch nguyên tử Chúng tập trung trả lời câu hỏi phản ứng hợp hạch, điều kiện để phản ứng xảy ra, nhiên liệu thí nghiệm ứng dụng thực Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ mơn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 101 Phản ứng hợp hạch Ngược lại với phản ứng hạt nhân (hay phân hạch nguyên tử), trình bắn phá hạt nhân nguyên tử, làm chúng bị tách thành nguyên tử nhẹ giải phóng lượng, phản ứng hợp hạch trình tổng hợp hạt nhân nguyên tử nhẹ dính kết với để tạo thành nguyên tử nặng giải phóng lượng lượng Hợp hạch nguyên tử thử nghiệm thành công vào năm 50 lý thuyết biết đến từ năm 30 qua trình xạ tạo lượng khổng lồ mặt trời khác Các phản ứng hợp hạch biết đến phản ứng nhiệt hạch nhiệt độ đòi hỏi lên tới hàng chục, hàng trăm triệu độ C Trong bom H (bom hydrogen hay bom khinh khí), sử dụng phản ứng hợp hạch, nhiệt độ tạo từ kíp nổ phân hạch Phản ứng hợp hạch có hiệu suất cao hẳn phản ứng phân hạch nguyên tử Năm 1952, Mỹ cho thử nghiệm bom H đảo Elugelab, Thái Bình Dương Sức cơng phá bom H mạnh nhiều lần bom nguyên tử (bom A) Dài mét, bom H có bí danh Mike có sức cơng phá tương đương 10,4 triệu thuốc nổ TNT, tổng sức mạnh tất bom mà quân đồng minh thả xuống Thế chiến thứ hai Khi Mike nổ, nhiệt độ trung tâm lớn gấp 1.000 lần nhiệt độ mặt trời Hòn đảo Elugelab bị nóng chảy, sót lại miệng núi lửa ngầm nằm sâu nước Phương trình E = mc2 biểu diễn tương quan khối lượng lượng Trong phản ứng hợp hạch, phần (mass energy) chất phản ứng (reactant) biến đổi thành động sản phẩm tạo Năng lượng liên kết (binding energy) lượng tương đương với chênh lệch khối lượng hạt nhân trọn vẹn thành phần gồm proton neutron Đối với lượng giải qua q trình hợp phân hạch, sản phẩm cần có lượng liên kết cho proton neutron cao cho chất phản ứng Hợp hạch giải phóng lượng nguyên tố nhẹ, khác với phân hạch giải phóng lượng nguyên tố nặng Phản ứng hợp hạch xảy hạt nhân tiến sát gần khoảng 1-15 m, làm cho lực hút tương tác mạnh hạt nhân thắng lực đẩy điện tích proton, dẫn đến tượng hợp Hiện tượng xảy hạt nhân va chạm với động đủ mạnh Các phản ứng hợp hạch quan trọng có đủ hạt lượng nhiệt độ cực cao Phản ứng lượng: Ef = k*(mi-mf)*c2 (5.1) Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 102 Phương trình xuất phát từ phương trình E = mc2 Einstein Sự thay đổi lượng Ef hệ thống tỷ lệ với chênh lệch khối lượng (mi-mf) chất phản ứng sản phẩm tạo Ef = Năng lượng / phản ứng mi = tổng khối lượng ban đầu (các chất phản ứng) mf = tổng khối lượng cuối (sản phẩm tạo ra) k = hệ số chuyển đổi (bằng hệ đơn vị quốc tế SI) Bảng 5.1 Khối lượng nguyên tử (Khối lượng electron = 0.000549 u) Loại hạt Ký hiệu Khối lượng (u)* Neutron n 1.008665 Proton p (H-1) 1.007276 Deuteron Deuterium (H- 2.013553 2) Triton Tritium (H-3) 3.015500 Helium-3 He-3 3.014932 Helium-4 He-4 (alpha) 4.001506 *1 u = đơn vị khối lượng nguyên tử = 1.66054 x 10-27 kg = 931.466 MeV/c2 Trên với lực hấp dẫn lớn, hydrogen thông thường với hạt nhân chứa proton đơn lẻ nhiên liệu cho phản ứng hợp để tạo thành helium thông qua chu kỳ phản ứng (nucleosynthesis) Tuy nhiên, phản ứng diễn chậm để ứng dụng trái đất Đồng vị deuterium tritium hydrogen có phản ứng hợp hạch nhanh Khí từ hỗn hợp đồng vị hydrogen đun nóng đến 100 triệu °C hãm 0,1 giây Hạt nhân hai đồng vị hydro, deuterium (D) tritium (T), va chạm kết hợp tạo hạt nhân Helium (He) bắn hạt neutron (n) tự với lượng cực lớn 17,6 MeV (2,8 pJ) [phương trình phản ứng: (D + T > 4He(3,5 MeV) + n(14,1 MeV)] Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 103 Khi khơng có lực hấp dẫn lớn Mặt trời, tạo điều kiện hợp hạch tầm kiểm soát Trái đất cách sử dụng lực từ (nam châm) để giữ nhiên liệu hợp hạch nung nóng nhiều phương pháp Tốc độ phản ứng hợp hạch plasma = R * n1 * n2 (5.1) Với: n1, n2 = mật độ loại hạt phản ứng (hạt/m3) R = hệ số tốc độ (m3/giây) Nhân với Ef để xác định mật độ lượng hợp hạch Để tính tốc độ phản ứng, nhân hệ số tốc độ R với mật độ loại hạt phản ứng (chia đôi có loại để tránh tính gấp đơi khả phản ứng) Hệ số tốc độ phản ứng p + p => D mặt trời thấp nhiều phản ứng với hỗn hợp deuterium tritium phản ứng p + p diễn với tương tác nguyên tử yếu Mặc dù mật độ hạt mặt trời lớn, hệ số tốc độ phản ứng thấp có nghĩa proton mặt trời tồn hàng tỷ năm trước hợp Trong lò phản ứng hợp hạch sử dụng từ trường, deuteron tồn khoảng 100 giây Đối với phản ứng hợp hạch liên tục tầm kiểm sốt, khơng thể dùng bom phân hạch để kích nổ Khó khăn trung tâm hợp hạch kiểm soát việc giữ nhiên liệu hạt nhân nhiệt độ cực cao cần thiết cho trình hợp hạch khoảng thời gian đủ dài phép phản ứng diễn Đối với phản ứng hợp hạch sử dụng đồng vị deuterium tritium hydro, thời gian 0,1 giây Ở nhiệt độ này, nhiên liệu khơng trạng thái vật chất bình thường mà trở thành lớp plasma (bị ion hóa) chứa hỗn hợp electron nguyên tử mang điện tích (charged atoms) Cho đến nay, chưa có vật liệu chứa hỗn hợp cực nóng Vì thử nghiệm hầu hết dựa thuộc tính điện từ plasma, sử dụng từ trường để tạo bình chứa từ (magnetic bottle) Một phương pháp khác sử dụng chùm tia laser nhằm vào "pellet" nhỏ bé nhiên liệu hợp hạch Các phản ứng hợp hạch  Phản ứng hợp hạch mặt trời, chuỗi P-P Chuỗi proton - proton chế hợp hạch phổ biến mặt trời đơi proton hợp tạo thành deuteron Mỗi deuteron hợp với proton tạo Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 104 thành helium-3 Hai nguyên tử helium-3 lại hợp tạo thành beryllium-3 Nguyên tử không bền vững phân hủy thành proton hạt alpha (helium-4) Q trình giải phóng neutrino, positron tia gamma Các positron nhanh chóng bị triệt tiêu electron plasma, giải phóng thêm lượng dạng tia gamma Các neutrino tương tác yếu đến độ chúng thoát khỏi mặt trời tức khắc 5.12  Phản ứng D - T [ D + T => He-4 + n ] Phản ứng Diteurium - Tritium có tốc độ phản ứng cao nhiệt độ plasma đạt Sản phẩm phản ứng gồm hạt alpha (helium4) với lượng 3,5 MeV, neutron với lượng 14,1 MeV Neutron khơng mang điện tích khỏi plasma giữ lại hệ thống nắp, vách đường dẫn đặc biệt để tạo phản ứng [ n + Li-6 => He-4 + T ] nhằm biến neutron thu lại thành tritium (1 eV = 1,6022-19 joules) Động nhiệt trung bình hạt = eV 11,600 K Phản ứng hợp hạch kiểm sốt ứng dụng thành cơng tạo nhiều thuận lợi mặt nguồn lượng so với phân hạch Deuterium tạo dễ dàng hydrogen có nước dễ dàng phân tách điện phân, đơn giản nhiều so với phương pháp tách Uranium-235 phức tạp đắt tiền Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 105 Phản ứng hợp hạch dựa sở hợp hạt nhân nhẹ đồng vị hydrogen (deuterium tritium) để giải phóng lượng, giống lượng mặt trời 5.13 Khó khăn nằm việc gắn hợp nguyên tử hydro Trên trái đất, việc xảy với nhiệt độ 100 triệu độ C, lần nhiệt độ trung tâm mặt trời Đây tốn phức tạp khơng phải thực Ở nhiệt độ cao vậy, nguyên tử khí bị tuột khỏi electron bên ngồi, để lại hạt nhân mang điện tích dương Đám khí gọi plasma; Do mang điện tích nên chứa từ trường bên trong, nhiệt độ cao Nhiệt độ đạt đến mức cần thiết tạo từ trường đủ mạnh bắn tia hydrogen giàu neutron giúp tượng hợp hạch xảy Vì khơng thể có lực hấp dẫn lớn mặt trời, người ta cần nhiệt độ tới 100 triệu °C , áp lực đủ lớn để biến khối nhiên liệu deuterium tritium thành plasma, tức bị ion hoá Các hạt plasma hợp để tạo thành heli neutron tốc độ cao, đồng thời giải phóng lượng lượng vô lớn Nhiên liệu cho phản ứng hợp hạch Hơn nữa, nguyên liệu cho phản ứng hợp hạch đồng vị hydrogen ln có sẵn với khối lượng lớn Thêm vào khơng có sản phẩm phụ phóng xạ Deuterium tritium đồng vị nặng hydrogen (deuterium rút từ nước, tritium sản xuất từ lithium, kim loại nhẹ có khắp nơi Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 106 giới) Một kilogram nhiên liệu sản lượng tương đương với 10000 nhiên liệu hố thạch Bảng 5.2 Tóm tắt cấu hình ngun tố Hydrogen Tên: protium Ký hiệu: H Số neutron: Số proton: Độ phổ cập đồng vị tự nhiên: 94.985% Chu kỳ bán rã: (half-life): ổn định Khối lượng đồng vị (isotope mass): 1.00794 u Spin: ½+ Năng lượng dư: 7285.969 ± 0.001 keV Năng lượng liên kết (binding energy): 0.000 ± 0.000 keV  Deuterium Deuterium Harold Clayton Urey, giáo sư hóa trường ĐH Columbia (Mỹ), phát lần vào năm 1931 Urey đoạt giải Nobel 1934 với cơng trình Năm 1933, Gilbert Newton thành công việc tách mẫu khỏi nước nặng Deuterium, gọi hydrogen nặng, đồng vị ổn định hydrogen với tỷ lệ sẵn có tự nhiên 1/6500 so với hydro Hạt nhân deuterium, gọi deuteron, chứa proton neutron hạt nhân hydrogen bình thường có proton Ký hiệu hóa học deuterium 2H Tuy nhiên ký hiệu khơng thức D thường sử dụng nhiều Deuterium xuất tự nhiên dạng khí deuterium, ký hiệu D2 Khi liên kết với nguyên tử 1H điển hình, khí gọi hydrogen deuteride Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 107 5.14 Deuterium phản ứng gần hydrogen bình thường Tuy nhiên có khối lượng nguyên tử lớn nên phản ứng có deuterium tham gia có chiều hướng xảy chậm so với phản ứng với hydrogen thường Hai chất đồng vị phân biệt vật lý phương pháp khối phổ kế (mass spectroscopy) Bảng 5.3 Tóm tắt cấu hình nguyên tố Deteurium Tên: deuterium Ký hiệu: 2H Số neutron: Số proton: Độ phổ cập đồng vị tự nhiên (natural abundance): 0,015% Chu kỳ bán rã (half-life): ổn định (stable) Khối lượng đồng vị (isotope mass): 2,01355321270 u Spin: 1+ Năng lượng dư (excess energy): 13135,720 ± 0,001 keV Năng lượng liên kết (binding energy): 2224,573 ± 0,002 keV Khối lượng nguyên tử (atomic weight): 2,01355321270 Deuterium thay hydrogen thường phân tử nước tạo thành nước nặng (D2O) Mặc dù khơng gây ngộ độc, nước nặng gây bệnh tim Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 108 Sự tồn deuterium liệu quan trọng vũ trụ học Hiện tượng hợp tiêu hủy deuterium có q trình tự nhiên chưa biết đến tạo deuterium Đây luận điểm làm thuyết Big Bang có sức thuyết phục so với thuyết trạng thái không đổi vũ trụ Nơi sản xuất deuterium nhiều Canada, dạng nước nặng điều tiết neutron cho hoạt động lò phản ứng CANDU  Tritium Tritium Ernest Rutherford, Mark Oliphant Paul Harteck tạo lần đầu từ deuterium năm 1934 Tuy nhiên việc phân tách thành công tritium Luis Alvarez thực hiện, người cho thấy tính phóng xạ chất W F Libby sau khám phá tritium dùng để xác định niên đại Bảng 5.4 Tóm tắt cấu hình ngun tố Tritium Tên: tritium, triton Ký hiệu: 3H Số neutron: Số proton: Độ phổ cập đồng vị tự nhiên (natural abundance): trace Chu kỳ bán rã (half-life): 12,32 năm Sản phẩm phân rã (decay products): helium-3 Khối lượng đồng vị: (isotope mass): 3,0160492 u Spin: 1/2+ Năng lượng dư (excess energy): 14949,794 ± 0,001 keV Năng lượng liên kết (binding energy): 8481,821 ± 0,004 keV Hình thức phân rã (decay mode): lượng phân rã (decay energy) Năng lượng nguyên tử (atomic weight): 3,0160492 Tritium có ký hiệu 3H thường dùng ký hiệu khơng thức T, đồng vị phóng xạ hydro Hạt nhân tritium (đôi gọi triton) chứa proton neutron so với proton hydrogen thường Tritium tồn thể khí nhiệt độ áp suất thông thường Tritium kết hợp với oxygen tạo thành Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 109 chất lỏng gọi nước tritium (ký hiệu T2O), nước tritium loãng (THO), gần giống nước nặng Tritium chất phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn, 12,32 năm Nó phân rã thành helium-3 giải phóng 18,6 keV lượng Điện tử có động trung bình 6,5 keV, lượng lại bị phản neutron kèm với electron (electron antineutrino) chiếm đoạt cách chưa giải thích Bức xạ lượng thấp beta từ tritium thẩm thấu qua da, tritium nguy hiểm qua đường hơ hấp tiêu hóa Tritium xuất tự nhiên tia vũ trụ tác dụng với khí Phản ứng quan trọng để tạo tritium tự nhiên neutron nhanh tác dụng với nitrogen khí Tuy nhiên, có chu kỳ bán rã ngắn, tritium tạo theo cách không tích lũy qua giai đoạn địa chất trữ lượng tự nhiên mà khơng đáng kể Tritium nhân tạo sản xuất lò phản ứng hạt nhân qua phản ứng neutron với lithium-3 Bên cạnh đó, tritium tạo từ lò phản ứng điều tiết nước nặng deuterium nhận thêm neutron Phản ứng có tiết diện tán xạ cực nhỏ nên coi nguồn cung cấp tritium đáng kể có dòng neutron thật lớn Tritium biết đến nhiều nghiên cứu hợp hạch ngun tử có tiết diện tán xạ thuận lợi hiệu suất lượng cao (17,6 MeV) phản ứng với deuterium Mọi hạt nhân nguyên tử, cấu thành proton neutron, đẩy điện tích dương Tuy nhiên, nguyên tử đạt đến nhiệt độ áp lực vừa đủ (như tâm Mặt trời), vận động ngẫu nhiên chúng vượt qua lực đẩy điện tích nói tiến lại gần đủ cho lực hạt nhân làm chúng hợp thành nguyên tử nặng Vì tritium có điện tích với hydrogen, có lực đẩy điện tích tương tự Tuy nhiên, khối lượng nặng hydrogen, bị tác dụng lực đẩy dễ hợp với nguyên tử khác Tương tự deuterium Đây lý nhiều đốt cháy hydrogen mà thay vào deuterium Trữ lượng tritium giới, trước vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân mặt đất bị phản đối, ước tính khoảng 80 megacuries (MCi) Giống hydrogen, khó chứa tritium thấm qua cao su, nhựa hay chí số loại thép Ngoài cần ý tritium sử dụng với khối lượng lớn, lò phản ứng hợp hạch, gây nhiễm phóng xạ Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 110  Tokamak Phản ứng nhiệt hạch dựa sở hợp hạt nhân nhẹ đồng vị hydro (deuterium tritium) để giải phóng lượng, giống lượng mặt trời Khí từ hỗn hợp đồng vị hydro đun nóng đến 100 triệu °C hãm giây Hạt nhân hai đồng vị hydro, deuterium (D) tritium (T), va chạm kết hợp tạo hạt nhân Heli (He) bắn hạt neutron (n) tự với lượng cực lớn 17,6 MeV (2,8 pJ) [phương trình phản ứng: (D + T > 4He(3,5 MeV) + n(14,1 MeV)] Thu biến đổi lượng từ hạt neutron thành nhiệt tạo nguồn lượng điện dồi tương lai Khó khăn nằm việc gắn hợp nguyên tử hydro Trên trái đất, việc xảy với nhiệt độ 100 triệu°, lần nhiệt độ trung tâm mặt trời Đây toán phức tạp thực Ở nhiệt độ cao vậy, nguyên tử khí bị tuột khỏi electron bên ngoài, để lại hạt nhân mang điện tích dương Đám khí gọi plasma Do mang điện tích nên chứa từ trường bên trong, nhiệt độ cao Nhiệt độ đạt đến mức cần thiết tạo từ trường đủ mạnh bắn tia hydro giàu neutron giúp tượng nhiệt hạch xảy 5.15 Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 111 Tokamak loại máy sản sinh từ trường hình xuyến (toroidal) để chứa plasma Mặc dù có số thiết bị chứa plasma khác, tokamak coi ứng cử viên số việc tạo lượng hợp hạch Cái tên tokamak chuyển ngữ từ thuật ngữ tiếng Nga "Токамак" xuất phát từ cụm từ "тороидальная камера в магнитных катушках" - bình chứa từ hình xuyến (toroidal chamber in magnetic coils), phát minh Igor Yevgenyevich Tamm Andrei Sakharov năm 1950 Thiết bị gây phản ứng tạo lượng mặt trời lượng tạo lớn lượng tiêu thụ Vướng mắc cỗ máy đạt đến tới hạn vật lý nguyên tử với tên gọi tokamak đắt tiền Sẽ cần vài thập kỷ cho thí nghiệm tốn khác trước thiết bị phản ứng nhiệt hạch tạo điện thương phẩm Đặc trưng tokamak tính đối xứng quay (hay đối xứng phương vị) việc sử dụng dòng plasma để tạo cấu tạo xoắn ốc từ trường cần thiết cho cân ổn định Không giống với stellarator, thiết bị chứa từ hình xuyến (toroidal magnetic confinement) khác có hệ đối xứng quay rời rạc tất từ trường tạo từ cuộn dây bên ngồi với dòng điện cực nhỏ chạy qua plasma Hình dạng đặc biệt lò phản ứng hợp hạch nhằm tạo từ trường tốt Hình xuyến có tính chất hình học mà hình dạng khác, hình cầu chẳng hạn, khơng có Vấn đề liên quan tới định lý "trái cầu có tóc" (hairy ball) Tưởng tượng hình cầu có tóc mọc xung quanh, tương tự đường sức từ lò phản ứng hợp hạch Người ta thấy khơng thể chải tóc cầu mà khơng làm cho tóc dựng đứng lên Hiện tượng tạo bất ổn lò phản ứng Một hình xuyến "có tóc" giải vấn đề này, giúp cho việc điều chỉnh từ trường tránh trường hợp sai quy luật, cho phép từ trường chứa plasma tốt Trong vật lý, từ trường thực thể sản sinh hạt mang điện chuyển động Spin lượng tử (quantum-mechanical spin) hạt tạo từ trường bị từ trường tác động thể dòng điện Điều giải thích từ trường tạo từ nam châm vĩnh cửu (permanent ferromagnets) Từ trường trường vector (vector field) Nó kết hợp với điểm khơng gian tạo thành vector thay đổi theo thời gian Hướng trường vector hướng cân kim la bàn đặt từ trường Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thanh Hào, Năng lượng tái tạo, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2012 Nguyễn Bốn, Hồng Dương Hùng, Giáo trình Năng lượng mặt trời, ĐHBK Đà Nẵng, 2008 Nguyễn Thanh Hào, Nhà máy nhiệt điện, Nhà xuất Đại học Công nghiệp TP.HCM, 2011 TS Võ Viết Cường, Giáo trình Năng lượng tái tạo, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, 2014 Chetan Singh Solanki, Solar Photovoltaic Technology and Systems: A Manual for Technicians, Trainers and Engineers, PHI Learning, New Delhi, 2013 Duffie J.A and Beckman W.A., Solar Engineering of Thermal Processes 2nd Edn, John Wiley and Sons Inc., New York, 1994 Kreith, F and Kreider, J.F., Principle of Solar Energy, McGraw Hill Inc., New York, 1978 Norton, B., Solar Energy Thermal Technology, Germany, 1992 Ramage, J., Energy A Guidebook, Oxford University Press, Oxford, 1983 Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện ... Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh – Khoa Cơng Nghệ Điện – Bộ môn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Mỗi giây, Mặt Trời phát khối lượng. ..BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO MỤC LỤC CHƯƠNG 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan lượng mặt trời 1.2 Nguồn lượng mặt trời 1.3 Chuyển lượng mặt trời thành... Cơng Nghệ Điện – Bộ mơn Cung Cấp & Hệ Thống Điện BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan lượng mặt trời Mặt Trời nguồn lượng lớn mà người tận dụng được: sạch, mạnh mẽ,