Năng Lượng Mặt Trời – Kỳ 1

Tính đến năm 2016, Mặt Trời vẫn là nguồn năng lượng lớn nhất mà nhân loại có thể tận dụng được. Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi, dù ít hay nhiều. Việc thu giữ năng lượng Mặt Trời gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường. Còn việc sử dụng năng lượng Mặt Trời không thải ra khí và nước độc hại, nên không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính.

Hai phương pháp phổ biến dùng để thu giữ và lưu trữ năng lượng Mặt Trời là phương pháp thụ động và phương pháp chủ động. Trong đó, phương pháp thụ động sử dụng các nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng. Còn phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu bức xạ nhiệt và sử dụng các hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt.

Phương pháp thụ động có lịch sử phát triển dài hơn nhiều, trong khi phương pháp chủ động chỉ mới được phát triển chủ yếu từ thế kỷ 20. Năng lượng Mặt Trời có 2 ứng dụng chính:

Nhiệt Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện

Điện Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng (hay còn gọi là quang điện-photovoltaics)

2 dạng hệ thống dân dụng sử dụng năng lượng Mặt Trời phổ biến nhất hiện nay là hệ thống sưởi nhiệt Mặt Trời và hệ thống Quang Điện cá nhân. Các hệ thống khác bao gồm: hệ thống đun nước Mặt Trời, máy bơm năng lượng Mặt Trời, và Điện năng lượng Mặt Trời.

Tuy công suất lắp đặt Điện Mặt Trời vẫn tương đối thấp so với một số dạng năng lượng mới khác như thủy điện và gió, nhu cầu Điện Mặt Trời tăng rất nhanh trong thời gian qua, với tốc độ trung bình khoảng 25% mỗi năm.

Nguồn Năng Lượng Mặt Trời

Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1.4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch, trong qua trình được truyền từ tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khác bên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau. Quá trình bức xạ của Mặt Trời diễn ra trong suốt 5 tỷ năm, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa.

Mặt Trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ, nhưng chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất. Tuy nhiên, phần năng lượng bức xạ đến Trái Đất vẫn được xem là rất lớn, khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển của Trái Đất. Một phần lớn bức xạ Mặt Trời phản xạ lại về không gian trên bề mặt các đám mây.

99% bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất chuyển thành nhiệt và sau đó tỏa nhiệt lại về không gian. Chỉ cần một phần nhỏ năng lượng Mặt Trời được sử dụng đã có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của Thế giới.

Chuyển Năng Lượng Mặt Trời Thành Quang Điện

Các tấm pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, như thường được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay. Chúng được làm từ các vật liệu bán dẫn tương tự như trong các con bộ điện tử trong máy tính.

Khi ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu, năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt điện tích (electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích điện di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện. Quá trình chuyển đổi photon thành điện gọi là hiệu ứng quang điện. Và dù được phát hiện từ hơn 200 năm trước, kỹ thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973.

Các tấm pin Mặt Trời thông thường được lắp thành một module khoảng 40 phiến pin, cứ mỗi 10 module sẽ được lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện có thể dài vài mét. Các chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng được lắp ở một góc cố định, hoặc được lắp trên một hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để luôn bắt được nắng theo sự thay đổi quỹ đạo của ánh nắng Mặt Trời. Quy mô hệ thống quang điện có thể từ 10-20 chuỗi quang điện cho các ứng dụng dân sự, cho đến hệ thống lớn bao gồm hàng trăm chuỗi quang điện kết nối với nhau để cung cấp cho các cơ sở sản xuất điện hay trong các ứng dụng công nghiệp…

Một số dạng pin Mặt Trời được thiết kế để vận hành trong điều kiện ánh sáng Mặt Trời hội tụ. Các tấm Pin Mặt Trời được lắp đặt thành các collector tập trung ánh sáng Mặt Trời sử dụng các lăng kính hội tụ ánh sáng.

Phương pháp có ưu điểm và khuyết điểm so với mạng Pin Mặt Trời dạng phẳng. Ưu điểm là sử dụng rất ít các vật liệu Pin Mặt Trời bán dẫn đắt tiền trong khi đó hấp tối đa ánh sáng Mặt Trời. Khuyết điểm là các lăng kính hội tụ cần phải được hướng thẳng đến Mặt Trời, nên việc sử dụng các hệ hấp thu tập trung chỉ có thể triển khai ở những khu vực có nắng nhiều nhất.