Nhà máy nhiệt điện mặt trời hoạt động như thế nào?

Số đông trong chúng ta thường ít quan tâm điện năng từ đâu mà có, mọi người chỉ thấy là điện có sẵn và có nhiều. Điện năng được sản xuất bằng cách đốt các nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên, làm phát thải carbon dioxide, nitrogen oxide và sulfur oxide – các chất khí mà các nhà khoa học cho là góp phần gây ra sự biến đổi khí hậu. Năng lượng nhiệt mặt trờilà một lựa chọn phi carbon, có thể hồi phục cho năng lượng mà chúng ta sản xuất với các nhiên liệu hóa thạch như than đá và khí đốt. Đây chẳng phải là cái gì đó xa vời. Từ năm 1984 đến 1991, chỉ riêng nước Mĩ đã xây dựng chín nhà máy như thế trong sa mạc Mojave ở bang California, và hiện nay chúng cung cấp liên tục 354 megawatt, điện năng đủ dùng cho 500.000 hộ dân California. Đó là một nguồn năng lượng đáng tin cậy. Vào năm 2008, khi xảy ra sự cố 6 ngày nhu cầu điện năng tăng đột biến làm nghẽn mạng lưới điện và gây mất điện ở California, chính các nhà máy nhiệt điện mặt trời đã chạy 110% công suất để góp phần khắc phục sự cố.

Nhà máy nhiệt điện mặt trời Hồ Ivanpah Dry ở California, Mĩ. 

Vào thập niên 1990, khi giá khí thiên nhiên sụt giảm, người ta ít chú ý đến năng lượng nhiệt mặt trời. Tuy nhiên, ngày nay, công nghệ này đang hồi sinh mạnh mẽ. Các nhà máy điện mặt trời đã tăng về số lượng và quy mô vào năm 2013. Một số ước tính dự đoán rằng nguồn năng lượng này sẽ sớm qua mặt năng lượng gió.

Nhà máy Shams 1, công suất 100 MW, cấp điện cho 20.000 hộ gia đình ở UAE, đã đi vào hoạt động từ tháng 3/2013. Shams 1 sẽ cắt giảm lượng khí thải CO₂ của UAE khoảng 175.000 tấn mỗi năm, tương đương với việc trồng 1,5 triệu cây xanh, hay cắt giảm 15.000 xe hơi trên đường phố.

Các gương phản xạ của nhà máy Shams 1 ở AEU. Shams 1 có diện tích 2,5 km² với 250.000 tấm gương gắn trên 768 bộ thu hình chão parabol. Các gương parabol tập trung ánh sáng mặt trời lên những cái ống chứa đầy dầu để làm nóng nước và tạo ra hơi nước sau đó làm quay tuabin. Vì nằm ở giữa sa mạc, nên nhà máy có một hệ thống làm lạnh khô để giảm lượng nước tiêu thụ. 

Hai nhà máy nhiệt điện mặt trời PS20 (trái) và PS10 (phải) ở Tây Ban Nha. PS10 có 624 cái gương phản xạ, sản xuất 11 MW điện năng cấp cho 5.500 hộ gia đình. PS20 có 1.255 kính định nhật, sản xuất 20 MW, và đã đi vào hoạt động hết công suất trong năm 2013.

Theo ước tính của Phòng thí nghiệm Năng lượng Có khả năng hồi phục Quốc gia ở Mĩ thì năng lượng nhiệt mặt trời có thể cung cấp hàng trăm giagawatt điện năng, tương đương với hơn 10% nhu cầu điện năng sử dụng ở nước Mĩ.

Có hai phương pháp chính sản xuất điện từ mặt trời: công nghệ quang điện (PV – photovoltaic) và công nghệ tập trung nhiệt mặt trời (CSP – concentrating solar power).

Công nghệ quang điện biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Những tấm pin mặt trời kiểu này thường dùng để cấp điện cho các dụng cụ như đồng hồ, kính mát và ba lô, hoặc dùng để cấp điện cho các khu vực vùng sâu vùng xa.

Công nghệ nhiệt mặt trời có quy mô lớn hơn. Một khác biệt lớn với công nghệ quang diện là các nhà máy nhiệt điện mặt trời sản xuất điện năng gián tiếp. Nhiệt thu từ ánh nắng mặt trời được thu gom và dùng để làm nóng một chất lỏng. Hơi nước tạo ra từ chất lỏng nóng đó làm chạy máy phát sản xuất điện. Nghĩa là nhà máy nhiệt điện mặt trời hoạt động na ná như nhà máy nhiệt điện, chỉ khác là hơi nước được tạo ra bởi nhiệt thu gom từ ánh nắng thay vì từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch.

Hai loại nhà máy

Có hai loại hệ thống nhiệt điện mặt trời: thụ động và chủ động. Một hệ thống thụ động không cần trang thiết bị, giống như khi nhiệt tỏa ra bên trong xe hơi của bạn khi xe đỗ ở ngoài nắng. Một hệ thống chủ động đòi hỏi một cách nào đó hấp thu và tập trung bức xạ mặt trời và sau đó dự trữ nó.

Một số nhà máy nhiệt điện mặt trời là các hệ thống chủ động, và trong khi vẫn có một vài loại khác nhau, nhưng chúng có một số tương đồng căn bản: Các gương phản xạ và tập trung ánh sáng mặt trời, và các bộ thu gom lấy năng lượng mặt trời và biến đổi nó thành năng lượng nhiệt. Một máy phát điện có thể được vận hành để phát điện từ năng lượng nhiệt này.

Sơ đồ nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng máng parabol.

Loại nhà máy nhiệt điện mặt trời phổ biến nhất, thuộc loại này có các nhà máy trong sa mạc Mojave ở California, sử dụng một thiết kếmáng parabol để thu gom bức xạ mặt trời. Những bộ thu này được gọi là các hệ thu gom thẳng hàng, và hệ lớn nhất có thể phát ra 80 megawatt điện năng. Chúng được chế tạo có dạng nửa hình ống kiểu giống như cầu trượt của trẻ nhỏ, và có các bộ phản xạ hình parabol được lắp hơn 900.000 cái gương được canh hướng bắc-nam và có thể quay theo hướng mặt trời khi nó di chuyển từ đông sang tây trong ngày. Do hình dạng của nó, loại nhà máy này có thể đạt tới nhiệt độ hoạt động khoảng 400 độ C, tập trung các tia sáng mặt trời gấp 30 đến 100 lần cường độ bình thường của chúng lên trên chất-lỏng-vận-chuyển-nhiệt hoặc các ống chứa đầy nước/hơi nước. Chất lỏng nóng đó được dùng để tạo ra hơi nước, và hơi nước sau đó làm quay tuabin của máy phát điện.

Trong khi các thiết kế máng parabol có thể hoạt động ở mức công suất như nhà máy điện mặt trời, nhưng chúng thường khai thác dưới dạng tổ hợp lai mặt trời và nhiên liệu hóa thạch, bổ sung thêm kho nhiên liệu hóa thạch làm nguồn dự phòng.

Các máng parabol của cụm nhà máy nhiệt điện mặt trời Solnova 1, 3 và 4 thuộc hãng Abengoa Solar ở Tây Ban Nha. Được xây dựng hoàn tất vào năm 2010, mỗi nhà máy Solnova có thể 50 MW điện năng.

Nguyên lí của các nhà máy năng lượng mặt trời tập trung (CSP) thật đơn giản: các gương cong định nhật bắt lấy ánh sáng mặt trời và tập trung nó vào một ống thu năng lượng mặt trời. Một môi trường truyền nhiệt, chủ yếu là dầu, chảy qua cái ống này, và được làm nóng lên bởi bức xạ mặt trời tập trung. Môi trường này truyền nhiệt của nó sang nước, tạo ra hơi nước. Hơi nước làm quay tuabin của máy phát điện.

Các hệ thống tháp điện mặt trời là một loại khác nữa của hệ thống nhiệt điện mặt trời. Các tháp điện mặt trời hoạt động dựa trên hàng nghìn kính định nhật, chúng là những cái gương lớn, luôn hướng theo mặt trời và tập trung bức xạ mặt trời lên trên một bộ thu duy nhất lắp trên tháp. Giống như các máng parabol, chất lỏng truyền nhiệt hoặc nước/hơi nước được làm nóng lên trong bộ thu (mặc dù các tháp điện mặt trời có thể tập trung năng lượng mặt trời nhiều gấp 1500 lần), cuối cùng biến đổi thành hơi nước và được dùng để sản xuất điện với một tuabin và máy phát điện.

Các thiết kế tháp điện mặt trời vẫn đang trong giai đoạn phát triển nhưng có thể một ngày nào đó chúng sẽ được hoàn thiện để mang lại những nhà máy điện sản xuất khoảng 200 MW cho mỗi tháp.

Tháp điện mặt trời PS20 ở ngoại ô thành phố Seville, Tây Ban Nha. Nhà máy PS20 sản xuất điện đủ cấp cho 6000 hộ gia đình. Ảnh: Markel Redondo/Greenpeace.

Sơ đồ hoạt động của nhà máy tháp điện mặt trời.

Một hệ thống thứ ba là động cơ/đĩa mặt trời. So với máng parabol và tháp mặt trời, các hệ thống đĩa có công suất phát nhỏ hơn (chừng 3 đến 25 kilowatt). Có hai bộ phận chính: bộ tập trung năng lượng mặt trời (đĩa) và đơn vị biến đổi năng lượng (động cơ/máy phát điện). Hệ thống đĩa được lắp sao cho luôn hướng về phía mặt trời và thu lấy năng lượng mặt trời; nó có thể tập trung gấp khoảng 2000 lần mức cường độ bình thường. Một máy thu nhiệt, một loạt ống chứa một chất lỏng làm nguội (ví dụ như hydrogen hoặc helium), đặt nằm giữa hệ thống đĩa và động cơ. Nó hấp thu năng lượng mặt trời tập trung từ hệ thống đĩa, biến nó thành nhiệt và gửi nhiệt đến động cơ chuyển hóa nó thành điện năng.

Một trạm phát điện đĩa mặt trời ở Hermannsburg, NT, Australia.

Một đĩa mặt trời tự chế từ chão thu truyền hình vệ tinh thu nhiệt mặt trời để đun nấu. 

Nhiệt mặt trời

Các hệ thống khai thác nhiệt mặt trời là một giải pháp năng lượng hồi phục đầy triển vọng – mặt trời là một nguồn tài nguyên dồi dào. Ngoại trừ vào ban đêm. Hay khi mặt trời bị mây che. Các hệ thống dự trữ nhiệt năng (TES) là những bể chứa chất lỏng áp suất cao sử dụng cùng với một hệ thống nhiệt mặt trời cho phép nhà máy hoạt động thêm vài giờ đồng hồ sau khi mặt trời đã lặn. Dự trữ vào giờ cao điểm là một yếu tố then chốt đối với hiệu quả của các nhà máy nhiệt điện mặt trời.

Ba công nghệ TES chính đã được thử nghiệm kể từ thập niên 1980 khi những nhà máy nhiệt điện mặt trời đầu tiên được xây dựng: hệ thống trực tiếp hai-bể, hệ thống gián tiếp hai-bể, và hệ thống dị nhiệt một-bể.

Trong một hệ thống trực tiếp hai-bể, năng lượng nhiệt mặt trời được dự trữ ngay trong chất lỏng truyền nhiệt thu gom nó. Chất lỏng đó được chia làm hai bể, một bể dự trữ nó ở một nhiệt độ thấp và bể kia ở một nhiệt độ cao. Chất lỏng dự trữ ở bể nhiệt độ thấp chảy qua bộ thu nhiệt mặt trời của nhà máy điện, ở đó nó được làm nóng lên trở lại rồi gửi đến bể nhiệt độ cao. Chất lỏng dự trữ ở bể nhiệt độ cao được gửi qua một bộ trao đổi nhiệt tạo ra hơi nước, cái sau đó được dùng để sản xuất điện năng trong máy phát điện. Và một khi đã đi qua bộ trao đổi nhiệt, chất lỏng đó chảy trở lại bể nhiệt độ thấp.

Trong một hệ thống gián tiếp hai-bể, các chức năng về cơ bản giống như hệ thống trực tiếp, ngoại trừ là nó làm việc với các loại chất lỏng truyền nhiệt khác nhau, chúng thường là đắt tiền và không được dự trù dùng làm chất lỏng trữ nhiệt. Để khắc phục vấn đề này, các hệ thống gián tiếp cho các chất lỏng nhiệt độ thấp chảy qua một bộ trao đổi nhiệt bổ sung.

Không giống như các hệ thống hai-bể, hệ thống dị nhiệt một-bể dữ trữ nhiệt năng ở dạng rắn, thường là cát silica. Bên trong bể, các phần chất rắn được giữ ở áp suất từ thấp đến cao, trong một gradient nhiệt độ, tùy thuộc vào dòng chất lỏng. Vì các mục đích dự trữ, chất lỏng nóng truyền nhiệt chảy vào phần trên của bể và lạnh đi khi nó tràn xuống dưới, thoát ra là một chất lỏng nhiệt độ thấp. Để tạo ra hơi nước và sản xuất điện, quá trình được đảo ngược lại.

Các hệ thống nhiệt mặt trời sử dụng dầu khoáng hoặc muối nóng chảy làm môi trường truyền nhiệt rất tốt cho TES, nhưng thật đáng tiếc không được nghiên cứu thêm, các hệ thống chạy trên nước/hơi nước thì không thể dự trữ nhiệt năng. Những tiến bộ khác về các chất lỏng truyền nhiệt bao gồm nghiên cứu về các chất lỏng thay thế, sử dụng các vật liệu biến đổi pha và các khái niệm dự trữ nhiệt mới lạ nhằm cắt giảm chi phí dự trữ và cải thiện hiệu quả và hiệu suất năng lượng.

Nhà kính nhiệt mặt trời

Ý tưởng sử dụng các vật liệu khối trữ nhiệt để dự trữ năng lượng mặt trời có khả năng áp dụng không chỉ cho các nhà máy nhiệt điện mặt trời quy mô lớn và các cơ sở dự trữ năng lượng. Ý tưởng đó có thể hoạt động trong trường hợp dễ gặp hơn dưới dạng nhà kính.

Các nhà kính bẫy năng lượng mặt trời vào ban ngày, thông thường là khai thác lợi thế đối mặt về phương nam và mái dốc để tăng tối đa sự phơi sáng. Nhưng một khi mặt trời đã lặn, người nông dân sẽ làm gì? Các nhà kính nhiệt mặt trời có khả năng duy trì sức ấm và sử dụng nó để làm ấm nhà kính vào ban đêm.

Đá, xi măng và nước hoặc các thùng chứa nước đều có thể dùng làm vật liệu khối nhiệt thụ động, đơn giản, bắt giữ nhiệt của mặt trời vào ban ngày và phát xạ nhiệt đó trở lại vào ban đêm.

Lisa Kivirist và John Ivanko đứng cạnh hệ thống nhiệt mặt trời làm ấm nhà kính của họ.

Tham vọng to hơn nữa ư? Hãy ứng dụng các ý tưởng sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời (mặc dù ở quy mô nhỏ hơn nhiều). Các nhà kính nhiệt mặt trời, còn gọi là nhà kính mặt trời chủ động, đòi hỏi yêu cầu căn bản giống như bất kì hệ thống nhiệt mặt trời nào khác: một bộ thu mặt trời, một bể chứa nước, hệ thống ống dẫn (chôn dưới đất), một máy bơm đẩy môi trường truyền nhiệt (không khí hoặc nước) trong bộ thu mặt trời đến bộ phận dự trữ và nguồn điện (hay bất kì nguồn năng lượng nào khác) để vận hành máy bơm.

Trong một kịch bản, không khí thu gom ở phần chóp đỉnh của mái nhà kính được thổi qua các ống dẫn đi xuống đất. Vào ban ngày, không khí này nóng và làm ấm mặt đất. Vào ban đêm, không khí lạnh được thổi luồng xuống vào các ống. Mặt đất ấm làm nóng không khí lạnh, thành ra làm ấm nhà kính. Đôi khi nước được sử dụng làm môi trường truyền nhiệt. Nước được chứa cùng với nhiệt mặt trời trong bể chứa ngoài và sau đó bơm vào các ống làm ấm nhà kính.

Ống khói nhiệt mặt trời

Giống hệt như các nhà kính mặt trời là một cách ứng dụng các công nghệ nhiệt mặt trời cho nhu cầu hàng ngày, các ống khói nhiệt mặt trời, hay ống khói nhiệt, cũng khai thác các vật liệu khối nhiệt. Ống khói nhiệt là những hệ thống thông hơi mặt trời thụ động, nghĩa là chúng không hoạt động theo cơ giới. Ví dụ của hệ thống thông hơi cơ giới là hệ thống thông hơi cho toàn căn nhà sử dụng quạt và ống dẫn để tống không khí cũ ra ngoài và cấp vào không khí mới. Thông qua các nguyên lí làm nguội bằng đối lưu, các ống khói nhiệt cho phép không khí lạnh đi vào đồng thời đẩy không khí nóng từ bên trong ra ngoài. Được thiết kế dựa trên thực tế là không khí nóng bốc lên cao, chúng làm giảm lượng nhiệt không mong muốn vào ban ngày và trao đổi không khí (ấm) bên trong với không khí (lạnh) bên ngoài.

Các ống khói nhiệt thường được làm bằng vật liệu khối nhiệt rỗng, màu đen với miệng hở ở phía trên cho không khí nóng thoát ra ngoài. Các miệng vào thì nhỏ hơn các miệng ra và được đặt ở độ cao từ thấp tới trung bình trong phòng. Khi không khí nóng dâng lên, nó thoát qua miệng thoát ngoài, hoặc thoát ra ngoài hoặc vào khoảng trống cầu thang. Khi không khí nóng thoát ra, không khí bị hút vào qua các miệng vào.

Trước tình trạng ấm lên toàn cầu, chi phí nhiên liệu leo thang và nhu cầu năng lượng không ngừng tăng lên, dự báo nhu cầu sử dụng năng lượng tăng gần tương đương 335 triệu thùng dầu mỗi ngày, chủ yếu là nhu cầu sử dụng điện năng. Dù quy mô lớn hay nhỏ, dù có hòa vào lưới điện hay không, nhưng một trong những lợi thế lớn của điện mặt trời là nó có sẵn ngay lúc này, không phải chờ đợi gì cả. Bằng cách tập trung năng lượng với các vật liệu phản xạ và biến đổi hó thành điện năng, các nhà máy nhiệt điện mặt trời, nếu được chấp nhận chính thức là một phần không thể thiếu của lĩnh vực cung ứng điện, có khả năng cấp điện cho hơn 100 triệu người dân trong 20 năm sắp tới. Tất cả khai thác từ một nguồn hồi phục vĩ đại: mặt trời của chúng ta.