Năng lượng mặt trời tập trung là gì?

Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời bị chi phối bởi hệ thống PV, với các trang trại năng lượng mặt trời, điện mặt trời trên mái nhà và lắp đặt khu dân cư ở mức cao nhất mọi thời đại. Nhưng quang điện không phải là dạng năng lượng mặt trời duy nhất. Điện mặt trời tập trung có truyền thống đứng sau PV về mặt triển khai, tương đối ít được công nhận trong lĩnh vực năng lượng tái tạo lớn hơn. Nhưng khi đổi mới công nghệ làm cho năng lượng mặt trời tập trung trở nên khả thi hơn, các nhà máy CSP có thể trở thành đối thủ cạnh tranh với điện mặt trời và thậm chí cả nhiên liệu hóa thạch, trong vài thập kỷ tới.

Điện mặt trời tập trung, còn được gọi là CSP, là sự chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiệt năng. Các nhà máy CSP sử dụng một trường thu năng lượng mặt trời để tập trung một vùng lớn ánh sáng mặt trời vào một tiêu điểm nhỏ. Tại tiêu điểm là một máy thu chứa đầy môi trường lỏng được ánh sáng mặt trời đốt nóng. Môi trường quá nhiệt này được sử dụng để truyền nhiệt có thể được sử dụng cho một số mục đích, từ sản xuất điện đến động cơ máy móc.

Năng lượng mặt trời tập trung: Cách thức hoạt động

Trong khi quang điện dựa vào phản ứng hóa học để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, thì năng lượng mặt trời tập trung khai thác nhiệt năng thô từ mặt trời. Họ làm điều này bằng cách sử dụng một loạt gương cầu lõm hoặc gương parabol để tập trung ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ. Điều này phóng đại ánh sáng mặt trời và tạo ra một vùng có nhiệt độ cực cao, được sử dụng để làm nóng môi trường lỏng. Nhiệt từ môi chất lỏng quá nhiệt được sử dụng để tạo ra hơi nước, dẫn động tuabin và sản xuất điện. Vì CSP sử dụng năng lượng nhiệt nên nó có nhiều điểm chung với các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch hơn là các trang trại điện mặt trời.

Các nhà máy năng lượng mặt trời tập trung dựa vào chất lỏng có khả năng lưu trữ nhiệt tốt, như dầu hoặc muối nóng chảy. Chất lỏng được lưu trữ trong một bộ thu trung tâm đặt tại tâm điểm của các tấm thu năng lượng mặt trời, hấp thụ ánh sáng mặt trời tập trung. Năng lượng khổng lồ tập trung vào một khu vực nhỏ làm tăng nhiệt độ của chất lỏng lên từ 700 đến 1.000 độ F.

Sau đó, chất lỏng quá nhiệt được bơm qua bộ trao đổi nhiệt, tại đây nhiệt năng được chuyển đến động cơ hơi nước. Môi chất lỏng làm nóng nước trong động cơ, tạo ra hơi nước có áp suất dẫn động tuabin và tạo ra điện. Sau đó, hơi nước được làm lạnh và ngưng tụ trở lại thành nước, và môi trường lỏng được bơm trở lại máy thu tại tiêu điểm. Các nhà máy CSP có thể lưu trữ nhiệt năng trong môi trường lỏng, cho phép chúng tiếp tục tạo ra điện ngay cả sau khi mặt trời lặn.

Lịch sử tóm tắt:

Năng lượng mặt trời tập trung là một khái niệm tương đối đơn giản, và vì vậy nó đã được sử dụng bởi nhiều nền văn minh trong suốt lịch sử. Ngay từ thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên, con người đã sử dụng kính lúp để tạo ra lửa. Người La Mã và Hy Lạp sử dụng gương để đốt đuốc, và người Hy Lạp thậm chí còn có “tia tử thần”, bao gồm một chiếc gương hình parabol sử dụng ánh sáng mặt trời tập trung để đốt cháy tàu địch.

Năm 1767, nhà khoa học Thụy Sĩ Horace de Saussure đã phát minh ra chiếc bếp năng lượng mặt trời đầu tiên được biết đến. Nó được làm bằng một loạt các hộp thủy tinh vừa khít với nhau. Nó tập trung nhiệt của mặt trời vào các hộp trong cùng, các hộp này sẽ đủ nóng để đun sôi nước và nấu chín thức ăn. Bếp năng lượng mặt trời của ông đã được sử dụng bởi Sir John Herschel trong chuyến thám hiểm Nam Phi của ông.

Nhà vật lý người Pháp Augustin Mouchot đã phát minh ra động cơ hơi nước chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên vào những năm 1860. Nó bao gồm một gương mặt trời hình đĩa tập trung ánh sáng mặt trời vào một ống thủy tinh chứa đầy nước. Nước được đun sôi và tạo thành hơi nước làm động cơ hoạt động. Mouchot nhận được sự hỗ trợ tài chính từ chính phủ Pháp, người coi phát minh của ông là một dạng năng lượng khả thi. Nhưng giá than giảm khiến phát minh của ông trở nên kém hấp dẫn hơn về mặt kinh tế, và vì vậy chính phủ đã cắt tài trợ của ông.

Trong vài thập kỷ tiếp theo, các nhà khoa học như Frank Schuman đã tiến hành nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời tập trung để tưới tiêu, vận chuyển và làm lạnh. Năm 1913, Schuman đã thiết kế và lắp đặt một nhà máy năng lượng mặt trời hình parabol 41 kW ở Ai Cập để bơm nước tưới. Phát minh của ông đã được đánh giá cao bởi các nhà khoa học và nhà phát minh thời đó. Thật không may, sự quan tâm đến năng lượng mặt trời tập trung đã bị cản trở bởi hai cuộc chiến tranh thế giới và sự giảm giá của nhiên liệu hóa thạch.

Trong những năm 1960 và 70, mối quan tâm đến năng lượng mặt trời tập trung một lần nữa lên đến đỉnh điểm khi giá dầu tăng và những lo ngại về môi trường xuất hiện trong cuộc thảo luận của công chúng. Nhà máy CSP phát điện đầu tiên được xây dựng ở Ý vào năm 1968. Được thiết kế bởi nhà tiên phong năng lượng mặt trời Giovanni Francia, nhà máy năng lượng mặt trời sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời trung tâm trong lĩnh vực thu năng lượng mặt trời. Nó có công suất 1 MW.

Những năm 1980 và 90 chứng kiến ​​một số nhà máy CSP được xây dựng ở California. Solar One được xây dựng vào năm 1981 và có công suất 10 MW. Nó được nâng cấp thành Solar Two vào năm 1995, kết hợp một thiết kế mới sử dụng muối nóng chảy làm môi trường lỏng để truyền nhiệt. SEGS được đưa vào vận hành vào năm 1984. Với công suất định mức 354 MW, SEGS là nhà máy CSP lớn nhất thế giới cho đến năm 2014.

Các nhà máy CSP mới tạm lắng cho đến giữa những năm 2000, khi một số nhà máy năng lượng mặt trời được xây dựng ở các vùng nhiều nắng trên toàn cầu. Tây Ban Nha dẫn đầu, xây dựng hơn 40 hệ thống máng hình parabol từ năm 2009 đến năm 2013. Các nhà máy của CSP cũng đã mọc lên ở Úc, Trung Đông và Tây Nam Hoa Kỳ.

Các loại thiết bị tập trung

Có một số cách khác nhau để tập trung năng lượng của mặt trời, mặc dù tất cả các phương pháp đều dựa vào việc tập trung ánh sáng mặt trời vào một điểm duy nhất để làm nóng một loại chất lỏng nào đó. Trong khi nước từng là môi trường chất lỏng được lựa chọn, các muối nóng chảy thường được sử dụng vì chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, mặc dù hệ thống hơi nước trực tiếp vẫn tồn tại. Sự khác biệt chính giữa các hệ thống CSP nằm ở hình dạng và cấu hình của bộ thu và bộ thu năng lượng mặt trời.

Máng parabol

Hệ thống máng hình parabol sử dụng những dãy gương cong parabol dài để hội tụ ánh sáng mặt trời vào một ống thu mỏng tại tiêu điểm của gương, ống này treo qua tâm gương. Ống này chứa đầy môi trường lỏng quá nhiệt, có thể đạt nhiệt độ cao tới 750 độ F. Chất lỏng chạy qua một bộ trao đổi nhiệt, làm nóng nước và tạo ra hơi nước có áp suất. Các nhà máy CSP hình parabol bao gồm hàng trăm dãy bộ thu năng lượng mặt trời song song. Chúng được định hướng từ bắc xuống nam để chúng có thể theo dõi mặt trời trên bầu trời. Một số hệ thống máng hình parabol kết hợp thiết kế giống như nhà kính, trong đó gương cong trở thành một ống kín với bộ thu ở trung tâm. Máng parabol là hình thức CSP chiếm ưu thế trên toàn thế giới, mặc dù các tháp điện mặt trời gần đây đã trở thành hệ thống được ưa chuộng.

Tháp năng lượng mặt trời

Các tháp điện mặt trời sử dụng một hệ thống thu trung tâm, trong đó hàng trăm đến hàng nghìn bộ thu năng lượng mặt trời nhằm vào một tháp trung tâm duy nhất. Tiêu điểm được đặt cao trên đỉnh tháp và môi chất lỏng dẫn động một tuabin hơi bên trong tháp. Các tấm gương trong nhà máy phẳng và theo dõi mặt trời khi nó di chuyển trên bầu trời. Vì chúng chỉ có một bộ thu nên chúng có thể đạt nhiệt độ cao hơn so với máng hình parabol, làm cho chúng hoạt động hiệu quả hơn. Môi trường lỏng trong tháp năng lượng mặt trời có thể đạt nhiệt độ hơn 1.000 độ F. Các tháp điện mặt trời đang chiếm lĩnh hệ thống máng hình parabol vì hiệu suất cao hơn và khả năng tích hợp lưu trữ năng lượng dễ dàng hơn.

Gương Phản xạ Fresnel

Gương phản xạ Fresnel sử dụng một loạt gương dài, hẹp để tập trung ánh sáng mặt trời vào bộ thu trung tâm. Chúng có thiết kế tương tự như máng parabol, nhưng chúng sử dụng gương phẳng, rẻ hơn đáng kể. Tất cả các gương đều sử dụng chung một ống nhận trung tâm chạy theo chiều dài của các gương tại tiêu điểm của chúng. Chóa phản xạ Fresnel rẻ hơn và có thiết kế đơn giản hơn khi so sánh với máng hình parabol.

Động cơ Stirling đĩa năng lượng mặt trời

Các bộ thu đĩa năng lượng mặt trời sử dụng một đĩa hình parabol lớn duy nhất để tập trung ánh sáng mặt trời vào tiêu điểm. Máy thu ở tiêu điểm thường được gắn với động cơ Stirling, động cơ này sử dụng chất lỏng quá nhiệt để tạo ra năng lượng cơ học. Hệ thống đĩa-động cơ đáng chú ý vì hiệu quả cao so với các thiết kế CSP khác.

Các ứng dụng của Năng lượng mặt trời tập trung

Năng lượng mặt trời tập trung cực kỳ hữu ích cho một loạt các ứng dụng. Năng lượng nhiệt của mặt trời có thể được sử dụng để sưởi ấm, hoặc nó có thể được sử dụng để tạo ra điện hoặc điều khiển động cơ cơ khí. Theo một nghĩa nào đó, CSP có thể thực tế hơn so với điện năng lượng mặt trời

Hầu hết các nhà máy CSP được sử dụng để tạo ra điện. Chúng tập trung ánh sáng mặt trời để tạo nhiệt. Nhiệt này sau đó được chuyển thành cơ năng trong tuabin, sau đó được chuyển thành năng lượng điện. Nhà máy điện Ouarzazate ở Maroc là nhà máy CSP lớn nhất thế giới, với công suất 510 MW. Nó kết hợp một tháp năng lượng mặt trời 150 MW với 360 MW máng hình parabol. Cũng có kế hoạch lắp đặt một nhà máy PV 72 MW.

Năng lượng mặt trời tập trung có thể được sử dụng làm năng lượng nhiệt để điều khiển máy móc cho các quy trình công nghiệp nặng. Năng lượng nhiệt mặt trời đã được sử dụng trong chế biến khoáng sản, sản xuất hóa chất, chế biến thực phẩm và khử muối. Thu hồi dầu tăng cường bằng nhiệt mặt trời là một kỹ thuật được sử dụng trong các mỏ dầu có lượng dầu nặng bất thường. Hơi nước sinh ra từ năng lượng mặt trời đậm đặc được bơm vào lòng đất giúp dầu bớt nhớt và dễ bơm hơn. Phương pháp này đã làm cho các giếng dầu thông thường không sinh lời trở nên kinh tế hơn để khai thác.

Nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp cũng có thể được sử dụng làm hệ thống sưởi thụ động trong các ứng dụng dân dụng và thương mại. Bộ thu năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để làm nóng hồ bơi, nhà cửa và các tòa nhà. Chúng thường được tích hợp với các thiết kế tòa nhà bền vững.

Năng lượng mặt trời tập trung và quang điện:

CSP thường được so sánh với hệ thống điện mặt trời. Cả hai đều sử dụng mặt trời, dễ so sánh, nhưng chúng hoạt động trên các nguyên tắc rất khác nhau. Năng lượng mặt trời tập trung biến ánh sáng mặt trời thành nhiệt năng để tạo ra điện bằng cách sử dụng tuabin chạy bằng hơi nước. Các tấm PV sử dụng ánh sáng mặt trời để kích thích phản ứng hóa học trong vật liệu bán dẫn tạo ra điện. Về mặt này, CSP có nhiều điểm chung hơn với các dạng năng lượng nhiệt khác, như nhiên liệu hóa thạch.

Năng lượng mặt trời tập trung có một số lợi thế so với PV. Trong khi cả tấm pin mặt trời và CSP đều bị hạn chế bởi sự sẵn có của ánh sáng mặt trời, năng lượng mặt trời tập trung dựa vào nhiệt, có thể được lưu trữ. Năng lượng nhiệt được lưu trữ có thể được sử dụng để sản xuất điện trong vài giờ sau khi mặt trời lặn hoặc trong những ngày nhiều mây. Trong khi các mảng PV có thể lưu trữ năng lượng trong pin, khả năng tạo ra năng lượng dư thừa trong ngày dựa trên kích thước của hệ thống và lượng năng lượng đang được sử dụng.

Nhưng có một lý do khiến PV đi trước CSP về mức độ sử dụng ở quy mô tiện ích. Năng lượng mặt trời tập trung rất đắt, với các nhà máy CSP rẻ nhất vẫn đắt hơn khoảng 5 lần so với các nhà máy PV. Trong khi một trang trại năng lượng mặt trời có thể có giá thấp nhất là 1,3 cent cho mỗi kWh, thì một tháp năng lượng mặt trời có thể có giá tối thiểu là 7 cent cho mỗi kWh. Năng lượng mặt trời tập trung ngày càng trở nên rẻ hơn khi công nghệ tiến bộ và các chuyên gia kỳ vọng CSP sẽ cạnh tranh được với PV trong một vài thập kỷ nữa.

Năng lượng mặt trời tập trung cũng có ảnh hưởng đến môi trường lớn hơn so với PV. Giống như các loại năng lượng nhiệt khác, CSP là nguồn tiêu thụ nước lớn. Lượng nước lớn là cần thiết để làm mát máy móc bên trong và rửa sạch các tấm thu năng lượng mặt trời. Nhiều nhà máy CSP ở các vùng khô hạn, nơi khan hiếm nước, điều này làm tăng thêm chi phí môi trường nói chung. Nhiều tháp điện mặt trời cũng đốt nhiên liệu hóa thạch vào đầu ngày để đưa môi chất lỏng lên đến nhiệt độ hoạt động. Nhưng điện mặt trời cũng có tác động đến môi trường. Một số loại tấm pin mặt trời đòi hỏi phải có hóa chất độc hại để sản xuất và các tấm pin cũ có thể trở thành chất thải nguy hại nếu không được xử lý đúng cách.

Phần kết luận

Điện mặt trời tập trung là một lựa chọn ngày càng hấp dẫn để tạo ra năng lượng sạch. Đó là một dạng năng lượng mặt trời trực tiếp hơn, một dạng khai thác nhiệt năng của mặt trời để điều khiển tuabin hơi nước. Mặc dù việc sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời đã có từ nhiều thế kỷ trước, các trang trại năng lượng mặt trời sử dụng tấm pin PV vẫn rẻ hơn để lắp đặt và vận hành. Tuy nhiên, các tháp điện mặt trời đang được xây dựng trên toàn cầu, trong đó Tây Ban Nha và Mỹ dẫn đầu. Ngay cả với những lợi ích của việc lưu trữ năng lượng nhiệt, CSP vẫn thua PV năng lượng mặt trời về chi phí, và dấu ấn môi trường tương đối lớn là một trở ngại lớn khác cho sự phát triển hơn nữa.

Các câu hỏi thường gặp

Điện mặt trời tập trung là gì?

Điện mặt trời tập trung, còn được gọi là CSP, là việc thu năng lượng nhiệt của mặt trời để tạo ra điện. CSP sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời phản chiếu kết hợp với bộ thu chứa đầy môi trường lỏng. Bộ thu được đặt ở tâm điểm của các bộ thu năng lượng mặt trời, và môi trường được đốt nóng đến nhiệt độ cực cao. Nhiệt này sau đó được sử dụng để dẫn động một tuabin hơi nước.

Các loại cây CSP khác nhau là gì?

Có bốn loại nhà máy năng lượng mặt trời tập trung: máng parabol, tháp năng lượng mặt trời, bộ phản xạ Fresnel và động cơ đĩa năng lượng mặt trời. Máng parabol và tháp năng lượng mặt trời là những loại phổ biến nhất.

Năng lượng mặt trời tập trung có tốt hơn PV không?

Các nhà máy CSP được hưởng lợi từ việc tăng khả năng lưu trữ năng lượng khi so sánh với PV, vì nhiệt năng có thể được lưu trữ trong vài giờ để tiếp tục phát điện sau khi mặt trời lặn. Nhưng điện mặt trời vẫn rẻ hơn và ít tác động đến môi trường hơn so với CSP.