Bước tiến dài của công nghệ năng lượng mặt trời

Kể từ đầu những năm 60 thế kỷ 19, khi mà kỹ sư, nhà sáng chế Auguste Mouchout người Pháp sử dụng một chiếc nồi kín bằng thuỷ tinh, một chiếc đĩa hình parabôn mài bóng và sức nóng mặt trời để tạo ra hơi nước, cấp cho chiếc động cơ hơi nước đầu tiên chạy bằng năng lượng mặt trời thì đến nay, công nghệ năng lượng nhiệt mặt trời (solar thermal energy - STE) đã có những bước tiến dài.

Giờ đây đã có hàng loạt các hệ công nghệ đang được hoặc sẵn sàng sử dụng - trong đó phải kể đến máng gương parabôn, tháp năng lượng, và hệ thống đĩa/động cơ - và một số hệ khác đang trong quá trình triển khai. Các thông báo liên tiếp xuất hiện trong tháng 10 và 11 vừa qua cho thấy sự đa dạng và mức độ triển khai của các công nghệ này.

Công nghệ CSP thế hệ mới




Ảnh 1: Rẻ hơn, nhanh hơn, khoẻ hơn. Trạm năng lượng nhiệt mặt trời (STE) Kimberlina tại Bakersfield (bang California, Mỹ) với các dãy gương dài hơn 300 m.

Công ty Ausra Inc. đã đưa vào hoạt động trạm năng lượng nhiệt mặt trời (STE) Kimberlina tại Bakersfield (bang California, Mỹ). Đây là trạm nhiệt điện mặt trời đầu tiên kể từ khi Công ty FPL Energy xây dựng 9 hệ thống phát năng lượng mặt trời tại sa mạc Mojave vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990.

Trạm Kimberlina công suất 5 MW điện sử dụng công nghệ tập trung năng lượng mặt trời (concentrating solar power - CSP) “thế hệ mới”, theo cách gọi của Ausra Inc., và công ty này nói rằng trạm phát điện này được xây dựng theo mẫu của trạm nhiệt điện Liddell ở bang New South Wales (Ôxtrâylia). Trạm bao gồm các dãy gương dài 1.000 foot (cỡ 300 m), và 150 công nhân phải mất 7 tháng mới xây dựng xong (xem Ảnh 1). Các tuyến thu năng lượng sẽ phát ra 25 MW nhiệt năng làm quay một tuabin hơi tại trạm phát điện năng lượng sạch cạnh đó. Theo công ty Ausra, họ đã giảm được chi phí nhờ đơn giản hoá thiết kế và sản xuất gương hàng loạt tại nhà máy của họ tại Las Vegas (bang Nevada).

Kimberlina chỉ là bước khởi đầu của nhiệt điện mặt trời tại bang California. Hiện nay công ty Ausra đang triển khai cho công ty Pacific Gas and Electric một nhà máy nhiệt điện công suất 177 MW tại Carrizo Plains, ở phía tây Bakersfield. Ngoài nhà máy trên, Ban Năng lượng bang California đang xét duyệt các đề xuất về năm nhà máy nhiệt điện mặt trời cỡ lớn, bao gồm dự án SES Solar Two (750 MW) của công ty Stirling Energy Systems, tháp năng lượng mặt trời Ivanpah (400 MW) của công ty BrightSource, dự án máng thu năng lượng mặt trời (250 MW) của công ty Beacon Solar tại Kern County và hai dự án năng lượng hỗn hợp (hybrid) có sử dụng máng thu năng lượng mặt trời để tạo ra công suất tổng là 112 MW. Sáu dự án nói trên cộng lại sẽ bổ sung 1.689 MW cho lưới điện. Văn phòng Quản lý Đất Liên bang cũng đang nghiên cứu yêu cầu đầu tư 34 nhà máy điện mặt trời nữa tại miền Nam California, với tổng công suất khoảng 24 GW.

Tuabin hơi nước tháp mặt trời

Theo công ty Siemens Energy, họ sẽ cung cấp một động cơ hơi nước công nghiệp cho một trong những nhà máy điện tháp mặt trời (solar tower) vận hành thương mại đầu tiên, đó là dự án Solar Tres (19 MW) của công ty Sener, đặt ở gần Seville (Tây Ban Nha), đã khởi công cách đây 7 năm. Để tập trung ánh sáng mặt trời, nhà máy điện này sẽ sử dụng hệ thống gương dõi theo mặt trời được bố trí thành hàng xung quanh tháp và phản xạ ánh sáng trực tiếp vào bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao khoảng 400 foot (120 m).


Ảnh 2: Không phải chỉ cứ thuỷ tinh mới phản quang. Mỏng phản quang dài 375 foot (114 m), rộng 20 foot (6 m). Theo hóng SkyFuel, đây là đơn nguyên máng gương parabôn lớn nhất cho đến nay.

Các gương dõi theo mặt trời (heliostat) sẽ được bố trí trên diện tích 0,32 km2, tức là khoảng bằng 60 lần diện tích sân bóng đá. Trong dự án này, muối được sử dụng để truyền nhiệt bên trong bộ thu, thay vì dầu nhiệt (thermo oil) theo cách truyền thống. Ánh sáng mặt trời tập trung sẽ tạo ra nhiệt độ trên 900oC tại thiết bị thu. Kết quả là muối khi bị nung nóng lên tới khoảng 565oC, sẽ chuyển sang trạng thái lỏng và chảy qua bộ trao đổi nhiệt, tạo ra đủ hơi nước làm quay tổ máy phát điện tuabin.

Siemens, hãng chuyên chế tạo tuabin dùng trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời dùng gương parabôn, đã chế tạo riêng tuabin SST-600 loại hai xilanh gia nhiệt lại để đáp ứng các yêu cầu công nghệ cho dự án tháp mặt trời Sener. Theo công ty Siemens, việc gia nhiệt lại sẽ nâng cao hiệu suất chung của nhà máy. Siemens cũng kết hợp với Sener tìm ra thiết kế bảo vệ để tuabin hơi không bị nguội quá mức vào ban đêm.

Gương parabôn không có thuỷ tinh

Phần lớn các máng gương parabôn đều làm bằng thuỷ tinh uốn cong rất nặng. Thế nhưng hãng SkyFuel Inc. mới thành lập và các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia mới đây tiết lộ rằng SkyTrough lại được chế tạo bằng vật liệu riêng của hãng SkyFuel mang tên ReflecTech, loại màng mỏng polyme mạ bạc có tính phản quang cao, khó vỡ, được gắn vào các tấm nhôm mỏng (Ảnh 2). Màng mỏng này có nhiều ưu điểm: cho phép chế tạo các tấm phân đoạn lớn hơn, và do vậy số lượng yêu cầu ít hơn so với các thiết kế máng gương trước đây, và theo hãng SkyFuel, nhờ đó giảm được chi phí cho máng parabôn tập trung ánh sáng tới 35%; và có thể chế tạo với khối lượng lớn.

Khác với các đối thủ cạnh tranh khác trong lĩnh vực năng lượng mặt trời như Ausra và BrightSource, trong các buổi đàm phán với nhiều công ty có ý định xây dựng nhà máy nhiệt điện mặt trời tại miền Tây Nam nước Mỹ, hãng SkyFuel nói rằng họ không muốn xây dựng các nhà máy điện của riêng họ theo công nghệ này. SkyFuel cũng đang nghiên cứu phương án của riêng họ về công nghệ Fresnel tuyến tính, trong đó sử dụng muối nóng chảy làm chất lỏng truyền nhiệt.


Anh3
Ảnh 3: Tháp điện mặt trời ở Tây Ban Nha

Công nghệ hỗn hợp năng lượng nhiệt mặt trời

Tháng 10/2008, Viện nghiên cứu Điện lực Mỹ (EPRI) bắt đầu chương trình nghiên cứu tại hai nhà máy chu trình hỗn hợp đốt khí tự nhiên - nhà máy Griffith Energy của công ty Dynegy Inc. tại Kingman (bang Arizona) và nhà máy điện Chuck Lenzie của công ty NV Energy, gần Las Vegas (bang Nevada) - nhằm giúp các công ty điện lực bổ sung năng lượng mặt trời cho các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hoá thạch. Trong khuôn khổ một công trình nghiên cứu lớn hơn, trong năm 2009, EPRI thực hiện công trình nghiên cứu song song tại các nhà máy nhiệt điện than, tuy nhiên địa điểm tiến hành còn chưa được xác định.

Theo lập luận của EPRI thì 27 bang của Mỹ đã có chính sách về mức chuẩn áp dụng năng lượng tái tạo, trong đó một số bang đề ra tỉ lệ bắt buộc về năng lượng mặt trời. Tuy nhiên hiện nay đa số các ứng dụng năng lượng mặt trời còn chưa đủ sức cạnh tranh về chi phí so với các phương án phát điện khác. Theo EPRI, sử dụng năng lượng mặt trời để hỗ trợ than hoặc khí tự nhiên có thể “là phương án có chi phí thấp nhất để bổ sung năng lượng mặt trời cho nguồn điện bởi vì phương án này sử dụng các công trình điện hiện có. Và bởi vì cường độ năng lượng mặt trời mạnh nhất nói chung lại rơi vào thời điểm phụ tải đỉnh mùa hè, điều này khiến cho chu kỳ hơi được năng lượng mặt trời hỗ trợ trở thành phương án năng lượng tái tạo thực sự hấp dẫn”.