Giới thiệu các nhà máy điện mặt trời (phần 1)

Khi chúng ta nghĩ về các nhà máy điện, chúng ta thường nghĩ tới những tổ hợp tập trung to lớn với tháp làm mát cùng hệ thống ống khói khổng lồ. Về mặt khái niệm, một nhà máy điện chỉ là một sự cài đặt kỹ thuật, cái biến đổi sự cung cấp một dạng năng lượng cụ thể thành điện năng. Một nhà máy điện mặt trời sẽ sản xuất ra điện từ các tia mặt trời.

1. Parabolic trough power plants

Giống như tên gọi, trong nhà máy điện dạng hình máng parabol có rất nhiều tấm gương dạng hình máng tập trung ánh sáng vào một điểm trọng tâm. Các bộ thu ánh sáng được đặt thẳng đứng cạnh nhau theo hàng với chiều dài hàng trăm mét. Nhiều hàng lại được đặt song song để hình thành nên toàn bộ vùng thu ánh sáng mặt trời.

Các bộ thu ánh sáng đơn lẻ có thể quay theo chiều dọc trục để theo sát sự di chuyển của mặt trời. Các tấm gương này tập trung ánh sáng lên gấp khoảng 80 lần tại điểm trung tâm là những ống hấp thụ. Những ống này được bao bọc bởi một lớp kính để hạn chế mất mát về nhiệt xảy ra. Một lớp vỏ bọc được chọn lựa đặc biệt bao ngoài các ống hấp thụ để ngăn cản nhiệt tỏa ra ngoài qua bề mặt các ống. Với các hệ thống truyền thống, một loại dầu giữ nhiệt đặc biệt sẽ chảy trong các ống đó, và với tác động của ánh sáng nhiệt độ sẽ lên đến 400 độ C. Lượng nhiệt này sẽ được vận chuyển qua các bộ trao đổi nhiệt nơi tạo hơi quá nhiệt để sử dụng cho chu trình hơi nước. Hơi nước quay tuabin và chạy máy phát, tạo ra điện. Sau khi qua các tầng của tuabin nó được ngưng đọng lại thành nước và thông qua bơm được đưa trở lại vòng lặp. Nguyên lý sản xuất ra điện sử dụng hơi nước gọi là chu trình Clausius-Rankin. Quá trình này được sử dụng trong các nhà máy điện hơi nước cổ điển như các nhà máy nhiệt điện.

Nguyên lý hoạt động

Trong lúc thời tiết xấu hay vào ban đêm một buồng đốt có thể được sử dụng song song để vận hành chu trình hơi nước. Điều này ngược lại với hệ thống quang điện, bởi nó đảm bảo công suất đầu ra suốt cả ngày, đồng thời nó cũng tăng sự hấp dẫn và sự đảm bảo trong việc lập kế hoạch cung cấp điện cho cộng đồng. Về mặt phát thải cacbon, sinh học hoặc năng lượng mới (cái tạo ra hydro) có thể được sử dụng giống như một nguồn nguyên liệu bổ trợ hoặc các buồng đốt bằng nhiên liệu hóa thạch sẽ được giới hạn hoàn toàn. Một giải pháp khác được đưa ra là sử dụng các bồn nhiệt. Hệ thống mặt trời sẽ hâm nóng các bồn nhiệt vào ban ngày khi lượng nhiệt từ mặt trời là dồi dào. Vào ban đêm hay khi thời tiết xấu các bồn chứa nhiệt này sẽ giúp vận hành chu trình hơi nước. Các bồn nhiệt phải được thiết kế chịu được nhiệt độ lên tới 300 độ C. Các muối nóng chảy được sử dụng làm môi chất giữ nhiệt trong bồn.

Nhà máy điện đảm bảo cung cấp điện cả ngày với sự hỗ trợ của bồn nhiệt

Sự phát triển của loại nhà máy này bắt đầu từ năm 1906. Tại Mỹ và nhiều vùng ở Cairo (Ai cập dưới thời kỳ cai trị của người Anh) các nghiên cứu ứng dụng đã được thực hiện và bước đầu đã thành công. Nói chúng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng hầu như không đổi cho đến ngày hôm nay. Mặc dù vậy, các vấn đề có liên quan đến vật liệu và các vấn đề kỹ thuật khác đã kết thúc nỗ lực đầu tiên về loại máy phát với công suất lớn vào năm 1914, trước chiến tranh thế giới thứ nhất. Ngày nay Mỹ và một số nước châu Âu đã đưa ra nhiều chính sách hỗ trợ để phát triển loại hình nhà máy này. Một số nhà máy lớn được xây dựng tại Nevada (Mỹ), Guadix (Tây Ban Nha). Sự phát triển của công nghệ cũng giúp tăng hiệu suất và giảm giá thành. Một sự lựa chọn mới là hóa hơi trực tiếp nước bằng ánh sáng mặt trời. Với loại mới này, nước sẽ được bay hơi dưới áp suất cao, ở nhiệt độ khoảng 500 độ C trước khi được dẫn vào tuabin. 

2. Solar tower power plant 

Với nhà máy điện tháp mặt trời, hàng trăm hay thậm chí hàng nghìn các tấm gương được lắp đặt xung quanh một tháp. Được gọi là các kính định nhật, những tấm gương này được điều khiển riêng biệt bởi máy tính để dõi theo sự di chuyển của mặt trời đồng thời hướng đến đỉnh tháp. Chúng phải được hướng với độ chính xác vài phần trăm của một độ để có thể phản chiếu ánh sáng đến điểm trung tâm (tâm điểm). Một bình chứa sẽ được đặt ở đó với thiết bị thu, cái mà dưới tác dụng của ánh sáng tập trung sẽ được nung nóng lên đến nhiệt độ trên 1000 độ C. Không khí hay các muối nóng chảy vận chuyển nhiệt. Tuabin khí hay hơi sẽ điều khiển máy phát để biến đổi nhiệt thành năng lượng điện. Có hai loại nhà máy điện tháp, loại bình chứa thể tích không áp suất và loại bình chứa có áp suất. Với loại bình chứa thể tích không áp suất, không khí từ môi trường sẽ được chuyển đến bình chứa (nơi nhận các tia sáng phản xạ từ các tấm gương) bởi một quạt gió. Bình chứa được nung nóng bởi các tia bức xạ mặt trời và chuyển nhiệt độ đó qua cho không khí xung quanh (ở trong bình chứa). Không khí trước khi vào bình chứa có nhiệt độ thấp. Nhiệt độ cao chỉ đạt được trong bình chứa. Loại nhà máy này giảm mất mát nhiệt do phát xạ. Không khí được tăng nhiệt độ lên từ 650 độ C đến 850 độ C, trước khi đưa vào lò hơi để làm bay hơi nước, điều khiển chu trình hơi trong tuabin. Trong trường hợp đòi hỏi, có thể nó sẽ được kết hợp với các loại nhà máy điện khác.

Loại bình chứa không áp suất

Loại thứ hai là nhà máy điện tháp mặt trời với bình chứa có áp suất. Loại này đang cho thấy nhiều tương lai hứa hẹn. ánh sáng được tập trung để đốt nóng không khí trong bình chứa có áp suất khoảng 15 bar và nhiệt độ lên tới 1100 độ C. Không khí nóng được sử dụng để chạy tuabin. Không khí nóng sau khi được sử dụng một lần ở tuabin lại được tái sử dụng để tạo hơi nóng cho một chu trình khác. Với loại nhà máy này, hiệu suất sẽ tăng từ 35% đến 50%.

Nhà máy điện với bình chứa áp suất

Trái với nhà máy điện hình máng parabol, chúng ta hiện không có nhiều kinh nghiệm về loại nhà máy này trên thị trường. Mặc dù vậy, mọi nghiên cứu ứng dụng để tối ưu hóa các thành phần cấu tạo hay kiểm tra chúng hiện đã được tiến hành ở Almeria (Tây Ban Nha), Daggett (Mỹ), và Rehovot (Israel). Nhà máy điện tháp đầu tiên được xây dựng có công suất 11 MW ở Seville, Tây Ban Nha năm 2006. Mặc dù vậy, thay vì đốt nóng không khí thì bình chứa của nhà máy này lại làm bay hơi nước. Do nhiệt độ thấp, hiệu suất của nó tương đối thấp. Năm 2006 người ta cũng khởi động việc xây dựng một nhà máy có công suất 20 MW gần Seville cũng như các nhà máy khác trong giai đoạn thiết kế.

Nhà máy điện ở Almeria, Tây Ban Nha

Trước khi thành công trên thị trường, kỹ thuật sử dụng trong nhà máy với bình chứa không khí (không có áp suất) được phát triển lần đầu tại Đức đã được chứng minh là phù hợp với ứng dụng thực tiễn. Hiện nó đã được kiểm tra tại nhà máy mới xây dựng tại Julich, Đức, tuy nhiên nó chỉ có công suất khoảng 1,5 MW. Mục tiêu của chính phủ Đức với loại nhà máy này chỉ là xuất khẩu công nghệ cho các nước ở vùng có nhiều nắng nóng trên thế giới.