Kiến thức cơ bản về năng lượng mặt trời từ cơ quan năng lượng quốc tế IEA

Năng lượng từ mặt trời

Mặt trời đã tạo ra năng lượng trong hàng tỷ năm và là nguồn cuối cùng cho tất cả các nguồn năng lượng và nhiên liệu mà chúng ta sử dụng ngày nay. Con người đã sử dụng tia nắng mặt trời (bức xạ mặt trời) hàng ngàn năm để sưởi ấm và làm khô thịt, trái cây và ngũ cốc. Theo thời gian, con người đã phát triển các công nghệ thu năng lượng mặt trời để làm nhiệt và chuyển hóa thành điện năng.

Năng lượng bức xạ từ mặt trời đã cung cấp năng lượng cho sự sống trên trái đất trong nhiều triệu năm.

Thu và sử dụng năng lượng nhiệt (nhiệt) mặt trời

Một ví dụ về thiết bị thu thập năng lượng mặt trời ban đầu là lò nướng năng lượng mặt trời (một hộp để thu thập và hấp thụ ánh sáng mặt trời). Vào những năm 1830, nhà thiên văn học người Anh John Herschel đã sử dụng lò nướng năng lượng mặt trời để nấu thức ăn trong chuyến thám hiểm đến châu Phi. Hiện nay con người sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để thu thập và chuyển đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng cho nhiều mục đích sử dụng.

Chúng tôi sử dụng hệ thống năng lượng nhiệt mặt trời để sưởi ấm

Nước để sử dụng trong nhà, tòa nhà hoặc hồ bơi

Bên trong nhà, nhà kính và các tòa nhà khác

Chất lỏng đến nhiệt độ cao trong nhà máy nhiệt điện mặt trời

Hệ thống quang điện mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Các thiết bị quang điện mặt trời (PV : Photovoltaic), hoặc pin mặt trời, thay đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Các tế bào PV nhỏ có thể cung cấp năng lượng cho máy tính, đồng hồ và các thiết bị điện tử nhỏ khác. Việc bố trí nhiều pin mặt trời trong các tấm pin PV và bố trí nhiều tấm pin PV trong các mảng PV có thể sản xuất điện cho toàn bộ ngôi nhà. Một số nhà máy điện PV có mảng lớn bao phủ nhiều mẫu đất để sản xuất điện cho hàng nghìn ngôi nhà.

Năng lượng mặt trời có những lợi ích và một số hạn chế

Sử dụng năng lượng mặt trời có hai lợi ích chính:

• Hệ thống năng lượng mặt trời không tạo ra chất gây ô nhiễm không khí hoặc carbon dioxide.
• Hệ thống năng lượng mặt trời trên các tòa nhà có ảnh hưởng tối thiểu đến môi trường.

Năng lượng mặt trời cũng có một số hạn chế:

Lượng ánh sáng mặt trời chiếu đến bề mặt trái đất không phải là hằng số. Lượng ánh sáng mặt trời thay đổi tùy thuộc vào vị trí, thời gian trong ngày, mùa trong năm và điều kiện thời tiết.

Lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới một mét vuông bề mặt trái đất là tương đối nhỏ, do đó, một diện tích bề mặt lớn là cần thiết để hấp thụ hoặc thu thập một lượng năng lượng hữu ích.

Năng lượng mặt trời được tìm thấy và sử dụng ở đâu

Năng lượng mặt trời là ánh nắng mặt trời

Nguồn: Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ

Nguồn: Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ

Bản đồ thế giới về tài nguyên mặt trời

Nguồn: Chương trình Môi trường Liên hợp quốc (UNEP) , NASA Khí tượng bề mặt và Năng lượng Mặt trời (SSE), 2008.

Ánh nắng là năng lượng bức xạ từ mặt trời. Lượng bức xạ mặt trời, hay năng lượng mặt trời, mà trái đất nhận được mỗi ngày lớn hơn nhiều lần so với tổng lượng tất cả các năng lượng mà con người tiêu thụ mỗi ngày. Việc sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là để phát điện, đã tăng lên rất nhiều ở Hoa Kỳ và trên thế giới trong 30 năm qua.

Vĩ độ, khí hậu và các kiểu thời tiết là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự cách nhiệt — lượng bức xạ mặt trời nhận được trên một diện tích bề mặt nhất định trong một khoảng thời gian cụ thể. Các vị trí gần đường xích đạo và trong khí hậu khô cằn thường nhận được lượng cách nhiệt cao hơn các vị trí khác. Mây, bụi, tro núi lửa và ô nhiễm trong khí quyển ảnh hưởng đến mức độ cách nhiệt ở bề mặt. Các tòa nhà, cây cối và núi có thể che bóng cho một vị trí vào các thời điểm khác nhau trong ngày trong các tháng khác nhau trong năm. Sự thay đổi theo mùa (hàng tháng) trong nguồn năng lượng mặt trời tăng lên khi khoảng cách ngày càng tăng từ đường xích đạo của trái đất.

Loại bộ thu năng lượng mặt trời cũng xác định loại bức xạ mặt trời và mức độ cách nhiệt mà bộ thu năng lượng mặt trời nhận được. Các hệ thống thu năng lượng mặt trời tập trung, chẳng hạn như các hệ thống được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời , yêu cầu bức xạ mặt trời trực tiếp , thường lớn hơn ở các vùng khô hạn có ít ngày nhiều mây. Các bộ thu nhiệt mặt trời và quang điện (PV) tấm phẳng có thể sử dụng bức xạ mặt trời toàn cầu , bao gồm bức xạ mặt trời khuếch tán (phân tán) và trực tiếp . Tìm hiểu thêm về bức xạ mặt trời .

Bộ thu nhiệt mặt trời

Các tấm thu nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp hấp thụ nhiệt năng của mặt trời để làm nóng nước để giặt và tắm hoặc cho bể bơi, hoặc để làm nóng không khí bên trong các tòa nhà.

Công nghệ năng lượng mặt trời Tập trung

Công nghệ năng lượng mặt trời tập trung sử dụng gương để phản xạ và tập trung ánh sáng mặt trời vào các bộ thu hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển nó thành nhiệt. Chúng ta có thể sử dụng năng lượng nhiệt này để sưởi ấm các tòa nhà hoặc sản xuất điện bằng tuabin hơi nước hoặc động cơ nhiệt chạy máy phát điện.

Hệ thống quang điện

Tế bào quang điện (PV) chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Các hệ thống PV có thể bao gồm từ các hệ thống cung cấp lượng điện nhỏ cho đồng hồ và máy tính đến các hệ thống cung cấp lượng điện mà hàng trăm hoặc hàng nghìn ngôi nhà sử dụng. Hàng triệu ngôi nhà và tòa nhà trên khắp thế giới có hệ thống PV trên mái của chúng và có rất nhiều nhà máy điện PV lớn.

Sử dụng năng lượng mặt trời

Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA) ước tính rằng tổng mức sử dụng năng lượng mặt trời ở Hoa Kỳ tăng từ khoảng 0,06 nghìn tỷ đơn vị nhiệt của Anh (Btu) vào năm 1984 lên khoảng 1,044 nghìn tỷ Btu vào năm 2020. Tổng sản lượng điện mặt trời tăng từ khoảng 5 triệu kilowatthours ( kWh) vào năm 1984, gần như tất cả từ các nhà máy nhiệt điện mặt trời quy mô tiện ích (nhà máy điện có công suất phát điện ít nhất một megawatt (MW)), lên khoảng 133 tỷ kWh vào năm 2020, trong đó 66% là từ các nhà máy điện các nhà máy điện PV quy mô, 31% là từ các hệ thống PV quy mô nhỏ (hoặc phân tán) (hệ thống có công suất phát điện dưới 1 MW), và 3% là từ các nhà máy nhiệt điện mặt trời quy mô tiện ích.

EIA cũng ước tính tổng sản lượng điện mặt trời trên thế giới vào khoảng 33 tỷ kWh vào năm 2010 và 699 tỷ kWh vào năm 2019, trong đó Mỹ sản xuất khoảng 15% và Trung Quốc sản xuất khoảng 32%.

Tấm pin năng lượng mặt trời

Tế bào quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng

Tế bào quang điện (PV), thường được gọi là pin mặt trời, là một thiết bị phi cơ có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Một số tế bào PV có thể chuyển đổi ánh sáng nhân tạo thành điện năng.

Photon mang năng lượng mặt trời

Nguồn: Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia (có bản quyền)

Nguồn: Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia (có bản quyền)

Ánh sáng mặt trời bao gồm các photon, hoặc các hạt năng lượng mặt trời. Các photon này chứa các lượng năng lượng khác nhau tương ứng với các bước sóng khác nhau của quang phổ mặt trời.

Một tế bào PV được làm bằng vật liệu bán dẫn . Khi các photon chạm vào tế bào PV, chúng có thể phản xạ khỏi tế bào, đi qua tế bào hoặc bị vật liệu bán dẫn hấp thụ. Chỉ các photon bị hấp thụ mới cung cấp năng lượng để tạo ra điện. Khi vật liệu bán dẫn hấp thụ đủ ánh sáng mặt trời (năng lượng mặt trời), các điện tử bị tách ra khỏi nguyên tử của vật liệu. Xử lý đặc biệt bề mặt vật liệu trong quá trình sản xuất làm cho bề mặt phía trước của tế bào dễ tiếp nhận các điện tử bị tách rời hoặc tự do để các điện tử di chuyển tự nhiên đến bề mặt của tế bào.

Dòng điện

Sự di chuyển của các electron, mỗi electron mang điện tích âm, về phía bề mặt trước của tế bào, tạo ra sự mất cân bằng điện tích giữa bề mặt trước và sau của tế bào. Đến lượt nó, sự mất cân bằng này tạo ra một điện thế giống như cực âm và cực dương của pin. Vật dẫn điện trên tế bào hấp thụ các điện tử. Khi các dây dẫn được nối trong mạch điện với tải bên ngoài, chẳng hạn như pin, dòng điện chạy trong mạch.

Hiệu suất của hệ thống quang điện thay đổi tùy theo loại công nghệ quang điện

Hiệu suất mà tế bào PV chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng khác nhau tùy theo loại vật liệu và công nghệ tế bào. Hiệu suất của các mô-đun PV đạt trung bình dưới 10% vào giữa những năm 1980, tăng lên khoảng 15% vào năm 2015 và hiện đang đạt mức 20% đối với các mô-đun hiện đại. Tế bào PV thử nghiệm và tế bào PV cho vệ tinh không gian có hiệu suất gần 50%.

Cách hệ thống quang điện hoạt động

Tế bào PV là khối xây dựng cơ bản của một hệ thống PV. Các tế bào riêng lẻ có thể thay đổi kích thước từ khoảng 0,5 inch đến khoảng 4 inch. Tuy nhiên, một tế bào chỉ tạo ra 1 hoặc 2 Watts, chỉ đủ điện cho các mục đích sử dụng nhỏ, chẳng hạn như để cung cấp năng lượng cho máy tính hoặc đồng hồ đeo tay.

Các tế bào PV được kết nối bằng điện trong một bảng điều khiển hoặc mô-đun PV được đóng gói, kín với thời tiết. Các mô-đun PV khác nhau về kích thước và lượng điện mà chúng có thể tạo ra. Công suất tạo điện của mô-đun PV tăng theo số lượng ô trong mô-đun hoặc trên diện tích bề mặt của mô-đun. Các mô-đun PV có thể được kết nối theo nhóm để tạo thành một mảng PV. Một mảng PV có thể bao gồm hai hoặc hàng trăm mô-đun PV. Số lượng mô-đun PV được kết nối trong một mảng PV xác định tổng lượng điện mà mảng có thể tạo ra.

Tế bào quang điện tạo ra dòng điện một chiều (DC). Điện một chiều này có thể được sử dụng để sạc pin, đến lượt nó, cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng dòng điện một chiều. Gần như tất cả điện năng được cung cấp dưới dạng dòng điện xoay chiều (AC) trong đường dây điện. Các thiết bị được gọi là bộ biến tần được sử dụng trên các mô-đun PV hoặc trong các mảng để chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều.

Các tế bào và mô-đun PV sẽ tạo ra lượng điện lớn nhất khi chúng trực tiếp đối diện với mặt trời. Các mô-đun và mảng PV có thể sử dụng các hệ thống theo dõi di chuyển các mô-đun liên tục đối mặt với mặt trời, nhưng các hệ thống này đắt tiền và chủ yếu được sử dụng trong các nhà máy điện PV lớn. Hầu hết các hệ thống PV trên các tòa nhà đều có các mô-đun ở một vị trí cố định với các mô-đun hướng thẳng về phía nam (ở bán cầu bắc — trực tiếp về phía bắc ở bán cầu nam). Tìm hiểu thêm về góc nghiêng bộ thu PV và hệ thống theo dõi bộ thu PV .

Các ứng dụng của hệ thống quang điện

Hệ thống quang điện nhỏ nhất cung cấp năng lượng cho máy tính và đồng hồ đeo tay. Các hệ thống lớn hơn có thể cung cấp điện để bơm nước, cấp nguồn cho thiết bị thông tin liên lạc, cung cấp điện cho một gia đình hoặc doanh nghiệp, hoặc tạo thành các mảng lớn cung cấp điện cho hàng nghìn khách hàng sử dụng điện.

Một số lợi thế của hệ thống PV là

Hệ thống PV có thể cung cấp điện ở những nơi không có hệ thống phân phối điện (đường dây điện), và chúng cũng có thể cung cấp điện cho lưới điện.

Các mảng PV có thể được cài đặt nhanh chóng và có thể có kích thước bất kỳ.

Các tác động môi trường của hệ thống PV đặt trên các tòa nhà là tối thiểu.

Lịch sử của quang điện

Tế bào PV thực tế đầu tiên được phát triển vào năm 1954 bởi các nhà nghiên cứu Bell Telephone. Bắt đầu từ cuối những năm 1950, tế bào PV được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh không gian của Hoa Kỳ. Vào cuối những năm 1970, các tấm pin PV đã cung cấp điện ở những địa điểm xa xôi, hoặc ngoài lưới điện, những nơi không có đường dây điện. Kể từ năm 2004, hầu hết các tấm pin PV được lắp đặt tại Hoa Kỳ đã nằm trong các hệ thống nối lưới trên các ngôi nhà, tòa nhà và các cơ sở điện ở trạm trung tâm. Các tiến bộ kỹ thuật, chi phí thấp hơn cho các hệ thống PV, các khuyến khích tài chính và các chính sách của chính phủ đã giúp mở rộng đáng kể việc sử dụng PV từ giữa những năm 1990. Hàng trăm nghìn hệ thống PV nối lưới hiện đã được lắp đặt tại Hoa Kỳ.

EIA ước tính lượng điện sản xuất tại các nhà máy điện PV quy mô tiện ích tăng từ 76 triệu kwh (kWh) năm 2008 lên 88 tỷ kwh vào năm 2020. Các nhà máy điện quy mô tiện ích có công suất phát điện ít nhất 1.000 kw (hoặc 1 megawatt). EIA ước tính rằng 42 tỷ kWh được tạo ra bởi các hệ thống PV nối lưới quy mô nhỏ vào năm 2020, tăng từ 11 tỷ kWh vào năm 2014. Hệ thống PV quy mô nhỏ là những hệ thống có công suất phát điện dưới một megawatt. Hầu hết được đặt trên các tòa nhà và đôi khi được gọi là hệ thống PV trên mái nhà .

Nhà máy nhiệt điện mặt trời

Hệ thống nhiệt điện mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời tập trung

Các hệ thống phát điện bằng năng lượng mặt trời thu thập và tập trung ánh sáng mặt trời để tạo ra nhiệt ở nhiệt độ cao cần thiết để tạo ra điện. Tất cả các hệ thống nhiệt điện mặt trời đều có bộ thu năng lượng mặt trời với hai thành phần chính: tấm phản xạ (gương) thu và tập trung ánh sáng mặt trời vào bộ thu . Trong hầu hết các loại hệ thống, chất lỏng truyền nhiệt được làm nóng và lưu thông trong bộ thu và được sử dụng để tạo ra hơi nước. Hơi nước được chuyển thành cơ năng trong tuabin, cung cấp năng lượng cho máy phát điện để sản xuất điện. Hệ thống nhiệt điện mặt trời có hệ thống theo dõi giúp ánh sáng mặt trời tập trung vào bộ thu vào ban ngày khi mặt trời thay đổi vị trí trên bầu trời.

Hệ thống nhiệt điện mặt trời cũng có thể có một thành phần hệ thống lưu trữ nhiệt năng cho phép hệ thống thu năng lượng mặt trời làm nóng hệ thống lưu trữ năng lượng vào ban ngày và nhiệt từ hệ thống lưu trữ được sử dụng để sản xuất điện vào buổi tối hoặc khi trời nhiều mây. Các nhà máy nhiệt điện mặt trời cũng có thể là hệ thống lai sử dụng nhiên liệu khác (thường là khí đốt tự nhiên) để bổ sung năng lượng từ mặt trời trong thời gian bức xạ mặt trời thấp.

Các loại nhà máy nhiệt điện mặt trời tập trung

Có ba loại hệ thống nhiệt điện mặt trời tập trung chính:

Hệ thống tập trung tuyến tính , bao gồm máng parabol và gương phản xạ Fresnel tuyến tính

Tháp điện mặt trời

Hệ thống động cơ / đĩa năng lượng mặt trời

Hệ thống tập trung tuyến tính

Hệ thống tập trung tuyến tính thu năng lượng của mặt trời bằng cách sử dụng các gương dài, hình chữ nhật, cong (hình chữ U). Gương tập trung ánh sáng mặt trời vào các máy thu (ống) chạy theo chiều dài của gương. Ánh sáng mặt trời tập trung làm nóng một chất lỏng chảy qua các ống. Chất lỏng được đưa đến bộ trao đổi nhiệt để đun sôi nước trong máy phát tuabin hơi nước thông thường để sản xuất điện. Có hai loại hệ thống tập trung tuyến tính chính: hệ thống máng parabol, trong đó các ống thu được đặt dọc theo tiêu cự của mỗi gương parabol và hệ thống phản xạ Fresnel tuyến tính, trong đó một ống thu nằm trên một số gương để cho phép các gương linh động hơn trong việc theo dõi mặt trời.

Một nhà máy điện cực thu tập trung tuyến tính có một số lượng lớn hoặc trường , các bộ thu xếp thành các hàng song song theo hướng bắc nam sao cho các gương theo dõi mặt trời từ đông sang tây và tập trung ánh sáng mặt trời liên tục vào các ống thu vào ban ngày.

Máng parabol

Nhà máy điện máng parabol

Nguồn: Chụp ảnh cổ trang (có bản quyền)

Một bộ thu máng hình parabol có một gương phản xạ dài (hình cong) hình parabol để tập trung tia nắng mặt trời vào một ống thu đặt tại tiêu điểm của parabol. Bộ thu di chuyển để tập trung ánh sáng mặt trời vào bộ thu khi mặt trời di chuyển trên bầu trời vào ban ngày.

Do có hình dạng parabol, một máng có thể tập trung ánh sáng mặt trời từ 30 lần đến 100 lần cường độ bình thường (tỷ lệ nồng độ) của nó vào đường ống thu, nằm dọc theo đường tiêu điểm của máng, đạt được nhiệt độ hoạt động cao hơn 750 ° F.

Cơ sở nhiệt điện mặt trời hoạt động lâu nhất trên thế giới sử dụng hệ thống tập trung tuyến tính dạng máng parabol. Cơ sở Hệ thống Sản xuất Năng lượng Mặt trời (SEGS), với chín nhà máy riêng biệt, nằm trong Sa mạc Mojave ở California. Nhà máy đầu tiên trong hệ thống, SEGS I, hoạt động từ năm 1984 đến năm 2015, và nhà máy thứ hai, SEGS II, hoạt động từ năm 1985 đến năm 2015. SEGS III – VII (3–7), mỗi nhà máy có công suất phát điện mùa hè là 36 megawatt (MW ), đi vào hoạt động vào các năm 1986, 1987 và 1988. SEGS VIII và IX (8 và 9), mỗi tổ chức có công suất phát điện thực mùa hè là 88 MW, bắt đầu hoạt động lần lượt vào năm 1989 và 1990. Cùng với đó, bảy nhà máy SEGS III – IX hiện đang vận hành có tổng công suất phát điện ròng vào mùa hè khoảng 356 MW, khiến chúng trở thành một trong những nhà máy nhiệt điện mặt trời lớn nhất trên thế giới.

Ngoài SEGS, nhiều dự án điện mặt trời dạng máng parabol khác đang hoạt động ở Hoa Kỳ và trên thế giới. Bốn dự án lớn nhất ở Hoa Kỳ sau SEGS là

Dự án năng lượng mặt trời Mojave: một dự án 280 MW ở Barstow, California

Trạm phát điện Solana: một dự án 280 MW ở Gila Bend, Arizona

Dự án Năng lượng Mặt trời Genesis: một dự án 250 MW ở Blythe, California

Nevada Solar One: một nhà máy 69 MW gần Thành phố Boulder, Nevada

Phản xạ Fresnel tuyến tính

Hệ thống phản xạ Fresnel tuyến tính (LFR) tương tự như hệ thống máng parabol ở chỗ gương (gương phản xạ) tập trung ánh sáng mặt trời vào một bộ thu nằm phía trên gương. Các gương phản xạ này sử dụng thấu kính Fresnelhiệu ứng, cho phép gương tập trung với khẩu độ lớn và tiêu cự ngắn. Những hệ thống này có khả năng tập trung năng lượng của mặt trời gấp khoảng 30 lần cường độ bình thường của nó. Gương phản xạ Fresnel tuyến tính nhỏ gọn (CLFR) – còn được gọi là gương phản xạ Fresnel tuyến tính tập trung – là một loại công nghệ LFR với nhiều chất hấp thụ trong vùng lân cận của gương. Nhiều bộ thu cho phép các gương thay đổi vị trí của chúng để chúng không che các bộ phản xạ khác. Điều này cải thiện hiệu quả hệ thống và giảm chi phí. Một nhà máy điện mặt trời CLFR trình diễn đã được xây dựng gần Bakersfield, California, vào năm 2008, nhưng hiện nó không hoạt động.

Tháp điện mặt trời

Nguồn: Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia (NREL)

Hệ thống tháp năng lượng mặt trời sử dụng một trường lớn các gương theo dõi mặt trời phẳng được gọi là heliostats để phản xạ và tập trung ánh sáng mặt trời vào bộ thu trên đỉnh tháp. Ánh sáng mặt trời có thể tập trung tới 1.500 lần. Một số tháp điện sử dụng nước làm chất lỏng truyền nhiệt. Các thiết kế tiên tiến đang thử nghiệm với muối nitrat nóng chảy vì khả năng truyền nhiệt và lưu trữ năng lượng vượt trội của nó. Việc lưu trữ năng lượng nhiệt cho phép hệ thống sản xuất điện khi thời tiết nhiều mây hoặc vào ban đêm.

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và một số công ty điện lực đã xây dựng và vận hành tháp năng lượng mặt trời trình diễn đầu tiên trên thế giới gần Barstow, California, trong những năm 1980 và 1990. Hai dự án tháp điện mặt trời hiện đang hoạt động tại Hoa Kỳ:

Cơ sở điện mặt trời Ivanpah: một dự án ba tháp 392 MW với công suất phát điện lần lượt là 126 MW, 133 MW và 133 MW ở Hồ khô Ivanpah, California

Dự án năng lượng mặt trời Crescent Dunes: dự án một tháp 110 MW ở Nevada

Đĩa / động cơ năng lượng mặt trời

Nguồn: Chụp ảnh cổ trang (có bản quyền)

Hệ thống đĩa / động cơ năng lượng mặt trời sử dụng một đĩa được nhân đôi tương tự như một đĩa vệ tinh rất lớn. Để giảm giá thành, gương soi bát đĩa thường có nhiều gương phẳng nhỏ tạo thành hình bát đĩa. Bề mặt hình đĩa hướng và tập trung ánh sáng mặt trời vào bộ thu nhiệt, bộ thu nhiệt này sẽ hấp thụ và thu nhiệt và chuyển nó đến bộ tạo động cơ. Loại động cơ nhiệt phổ biến nhất được sử dụng trong hệ thống đĩa / động cơ là động cơ Stirling. Hệ thống này sử dụng chất lỏng được làm nóng bởi bộ thu để di chuyển các pít-tông và tạo ra công suất cơ học. Cơ năng chạy máy phát điện hoặc máy phát điện để tạo ra điện năng.

Hệ thống đĩa / động cơ năng lượng mặt trời luôn hướng thẳng vào mặt trời và tập trung năng lượng mặt trời tại tâm điểm của đĩa. Tỷ lệ nồng độ của đĩa năng lượng mặt trời cao hơn nhiều so với các hệ thống cô đặc tuyến tính và nó có nhiệt độ chất lỏng hoạt động cao hơn 1.380 ° F. Thiết bị tạo ra năng lượng của đĩa năng lượng mặt trời có thể được đặt ở tâm điểm của đĩa, rất phù hợp với các vị trí xa hoặc năng lượng có thể được thu thập từ nhiều đĩa và chuyển thành điện tại một điểm trung tâm.

Không có dự án động cơ / đĩa năng lượng mặt trời quy mô tiện ích nào đang hoạt động thương mại ở Hoa Kỳ.

Bộ thu nhiệt mặt trời

Sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời

Con người sử dụng nhiệt năng của mặt trời để làm nóng nước và không khí. Hai loại phổ biến của hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời là hệ thống thụ động và hệ thống chủ động .

Hệ thống sưởi không gian bằng năng lượng mặt trời thụ động xảy ra khi mặt trời chiếu qua cửa sổ của một tòa nhà và làm ấm bên trong. Các thiết kế tòa nhà sử dụng hệ thống sưởi năng lượng mặt trời thụ động thường có cửa sổ hướng Nam cho phép mặt trời chiếu vào các bức tường hoặc sàn nhà hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời vào ban ngày vào mùa đông. Năng lượng mặt trời được hấp thụ sẽ làm nóng tòa nhà bởi bức xạ tự nhiên và đối lưu vào ban đêm. Cửa sổ nhô ra hoặc che chắn ánh nắng mặt trời chiếu vào cửa sổ trong mùa hè để giữ cho tòa nhà mát mẻ.

Hệ thống sưởi năng lượng mặt trời hoạt động sử dụng một bộ thu và một chất lỏng hấp thụ bức xạ mặt trời. Quạt hoặc máy bơm luân chuyển không khí hoặc chất lỏng hấp thụ nhiệt qua các bộ thu nhiệt và sau đó truyền chất lỏng được làm nóng trực tiếp đến phòng hoặc đến hệ thống lưu trữ nhiệt. Hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời hoạt động thường có một bồn chứa để chứa nước nóng bằng năng lượng mặt trời.

Các bộ thu năng lượng mặt trời hoặc không tập trung hoặc tập trung

Bộ thu không tập trung — Vùng thu (vùng chặn bức xạ mặt trời) giống như vùng hấp thụ (vùng hấp thụ bức xạ). Hệ thống năng lượng mặt trời để làm nóng nước hoặc không khí thường có bộ thu không tập trung. Bộ thu tấm phẳng là loại bộ thu nhiệt không tập trung phổ biến nhất để làm nóng nước và không gian trong các tòa nhà và được sử dụng khi nhiệt độ thấp hơn 200 ° F là đủ.

Bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng thường có ba thành phần chính:

Một tấm kim loại phẳng chặn và hấp thụ năng lượng mặt trời

Lớp vỏ trong suốt cho phép năng lượng mặt trời đi qua lớp vỏ và giảm thất thoát nhiệt từ bộ hấp thụ

Một lớp cách nhiệt ở mặt sau của bộ hấp thụ để giảm thất thoát nhiệt

Các bộ thu nhiệt nước bằng năng lượng mặt trời có các ống kim loại được gắn vào bộ hấp thụ. Chất lỏng truyền nhiệt được bơm qua các ống hấp thụ để loại bỏ nhiệt ra khỏi chất hấp thụ và truyền nhiệt cho nước trong bể chứa. Hệ thống năng lượng mặt trời để làm nóng nước bể bơi ở những vùng khí hậu ấm áp thường không có vỏ bọc hoặc lớp cách nhiệt cho bộ hấp thụ, và nước bể bơi được lưu thông từ bể bơi qua các bộ thu gom và trở lại bể bơi.

Hệ thống sưởi không khí bằng năng lượng mặt trời sử dụng quạt để di chuyển không khí qua các tấm thu tấm phẳng và vào bên trong các tòa nhà.

Các bộ thu tập trung — Khu vực chặn bức xạ mặt trời lớn hơn, đôi khi lớn hơn hàng trăm lần, so với khu vực hấp thụ. Bộ thu tập trung hoặc tập trung năng lượng mặt trời vào một bộ hấp thụ. Bộ thu thường di chuyển để ánh sáng mặt trời tập trung vào bộ hấp thụ. Các nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng hệ thống thu năng lượng mặt trời tập trung vì chúng có thể tạo ra nhiệt ở nhiệt độ cao.

Năng lượng mặt trời và môi trường

Một loạt các tấm quang điện mặt trời cung cấp điện để sử dụng tại Trung tâm Tác chiến Mặt đất của Lực lượng Thủy quân Lục chiến ở Twentynine Palms, California

Nguồn: Ảnh của Thủy quân lục chiến Hoa Kỳ của Pfc. Jeremiah Handeland / Đã phát hành (miền công cộng)

Hệ thống năng lượng mặt trời / nhà máy điện không tạo ra ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước hoặc khí nhà kính. Sử dụng năng lượng mặt trời có thể có tác động tích cực, gián tiếp đến môi trường khi năng lượng mặt trời thay thế hoặc giảm việc sử dụng các nguồn năng lượng khác có ảnh hưởng lớn hơn đến môi trường.

Một số vật liệu và hóa chất độc hại được sử dụng để tạo ra các tế bào quang điện (PV) chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Một số hệ thống nhiệt mặt trời sử dụng chất lỏng nguy hiểm tiềm ẩn để truyền nhiệt. Rò rỉ của những vật liệu này có thể gây hại cho môi trường. Luật môi trường của Hoa Kỳ quy định việc sử dụng và thải bỏ các loại vật liệu này.

Như với bất kỳ loại nhà máy điện nào, các nhà máy điện mặt trời lớn có thể ảnh hưởng đến môi trường gần vị trí của chúng. Giải phóng mặt bằng để xây dựng và đặt nhà máy điện có thể ảnh hưởng lâu dài đến môi trường sống của các loài động thực vật bản địa. Một số nhà máy điện mặt trời có thể yêu cầu nước để làm sạch bộ thu năng lượng mặt trời và bộ tập trung hoặc để làm mát máy phát tua bin. Sử dụng một lượng lớn nước ngầm hoặc nước mặt ở một số địa điểm khô cằn có thể ảnh hưởng đến các hệ sinh thái phụ thuộc vào các nguồn nước này. Ngoài ra, chùm ánh sáng mặt trời tập trung mà tháp điện mặt trời tạo ra có thể giết chết các loài chim và côn trùng bay vào chùm tia này.

Lithaco

Nguồn: https://www.eia.gov/kids/energy-sources/solar/#solar_photovoltaics-basics