Pin mặt trời

Richard Hantula Trần Nghiêm dịch Năng lượng vô tận ............................................................ 1 Tế bào mặt trời đa công dụng ..........................................3 Năng lượng từ ánh sáng mặt trời .....................................5 Tìm hiểu điện năng ..........................................................7 Ngược dòng lịch sử ...........................................................9 Bên trong một tế bào mặt trời ........................................ 11 Ghép các tế bào mặt trời ................................................ 13 Các tấm pin mặt trời gia dụng ........................................ 15 Ưu điểm của các tấm pin mặt trời ..................................18 Nhược điểm của các tấm pin mặt trời ........................... 20 Ủng hộ điện mặt trời ......................................................22 Các tế bào mặt trời ngày một hiệu quả hơn ...................24 Nhiều sản phẩm năng lượng mặt trời hơn .....................26 Thuật ngữ ...................................................................... 28 1 Điện năng là một dạng năng lượng quan trọng. Nó thắp sáng khu vực Seattle ở Washington. Các tấm khai thác năng lượng mặt trời cấp điện cho xe tự hành thám hiểm sao Hỏa. Năng lượng có nhiều dạng khác nhau. Ánh sáng là một dạng năng lượng. Nhiệt là một dạng năng lượng. Điện cũng là một dạng năng lượng. Thường thì một dạng năng lượng này có thể chuyển hóa thành dạng khác. Thực tế này rất quan trọng vì nó giải thích làm thế nào chúng ta có được điện năng, cái chúng ta sử dụng với nhiều phương thức khác nhau. Điện năng được sử dụng để thắp sáng đường phố và nhà cửa, để chạy máy vi tính và ti vi, và để chạy nhiều máy móc và thiết bị khác dùng ở nhà, ở trường học và ở công sở. Một phương pháp thu lấy điện năng là đốt cháy nhiên liệu như dầu hỏa hoặc than đá. Sự cháy của nhiên liệu như vậy tạo ra nhiệt. Nhiệt làm cho nước sôi lên và chuyển thành hơi nước. Hơi nước làm chạy một cỗ máy gọi là tuabin để phát ra điện. Thông thường, dòng điện này được tải vào hệ thống lưới điện công cộng, qua các dây dẫn, đến từng nhà, đến trường học và cơ sở làm việc trong một khu vực rộng lớn. Phương pháp sản xuất điện như thế này là phổ biến. Nhưng nó có một số hạn chế. Hành tinh của chúng ta chỉ có thể chu cấp dầu hỏa và than đá với trữ lượng có hạn. Chúng là loại nhiên liệu không thể hồi phục. Một khi đã qua sử dụng thì chúng không còn nữa. 2 Đồng thời, chúng giải phóng các chất khí khi đốt cháy. Những chất khí này có thể làm nhiễm bẩn, hay nhiễm độc, không khí, và một số chất khí này có thể làm biến đổi khí hậu của Trái đất. Năng lượng tự do và năng lượng sạch Một cách sản xuất điện năng là sử dụng ánh sáng mặt trời. Ánh sáng mặt trời là tự do và không bao giờ cạn kiệt. Đồng thời, nó còn có rất nhiều nữa. Năng lượng của ánh sáng mặt trời chiếu tới trái đất trong một giờ nhiều hơn năng lượng cả thế giới sử dụng trong một năm. Một dụng cụ nhỏ gọi là tế bào mặt trời có thể sản xuất điện năng ngay từ ánh sáng mặt trời (trong tiếng Anh, “solar” có nghĩa là phải làm cái gì đó với Mặt trời). Một tế bào mặt trời không thải ra bất kì chất khí nào. Nó cũng chẳng gây ồn ào gì. Một tấm pin mặt trời là một nhóm tế bào mặt trời hoạt động đồng bộ với nhau. Việc sử dụng các tế bào mặt trời đang phát triển nhanh ở Mĩ và các quốc gia khác. Việc cấp điện ở những nơi xa xôi Các tấm pin mặt trời là một phương pháp di động sản xuất điện năng ở những nơi xa xôi, nơi chẳng có mạng lưới điện nào. Chúng cấp điện thắp sáng đèn hiệu tại các đường băng ở Nam Cực. Chúng được sử dụng trên phi thuyền vũ trụ và trên “xe tự hành” thám hiểm Hỏa tinh. 3 Các tế bào mặt trời và pin mặt trời có rất nhiều công dụng. Chúng có mặt trong mọi thứ như máy tính bỏ túi, đồng hồ và đèn flash máy ảnh. Có các món đồ chơi, radio, máy hát nhạc MP3 cấp nguồn bằng ánh sáng mặt trời. Có điện thoại di động và máy nhắn tin sử dụng năng lượng mặt trời. Việc sử dụng năng lượng mặt trời với các nguồn như thế này có nghĩa là bạn không bao giờ phải lo lắng về việc hết pin cả. Các tấm pin mặt trời thỉnh thoảng được sử dụng để sản xuất điện thắp sáng đèn phố và các trạm xe bus. Chúng có thể sản xuất điện cấp cho các buồng điện thoại đường phố hay các vạch đỗ xe trong công viên hoạt động. Thậm chí một số máy ATM (máy rút tiền hoặc nạp tiền vào tài khoản ngân hàng của bạn) cũng có các tấm pin mặt trời. Nhà cửa sử dụng các tấm pin mặt trời thường lắp chúng trên mái nhà. Cấp điện cho nhà cửa Bóng đèn trên trần nhà và mọi loại máy móc, dụng cụ điện sử dụng trong nhà, tại trường học và nơi công sở lấy điện từ các dây dẫn chạy trên tường hoặc xuyên bên trong tường. Thường thì điện cấp cho nhà cửa lấy từng mạng lưới điện địa phương. Nhưng người ta cũng có thể sử dụng các tấm pin mặt trời để cấp điện song song với điện lưới. Thỉnh thoảng, người ta đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà của họ. Những tòa nhà lớn cũng có thể lắp chúng. Chúng giúp chúng ta tiêu thụ ít điện năng đắt đỏ từ mạng lưới cung cấp của công ti điện. Ngoài ra, chúng còn hỗ trợ 4 trong trường hợp mất điện, hay mạng lưới điện gặp sự cố. Ở một số nơi, bản thân mạng lưới điện còn thu một phần điện năng từ các tấm pin mặt trời. Chiếc Zephyr cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời có thể ở trong không khí hàng ngày liền. Máy bay mặt trời Các tấm pin mặt trời còn được sử dụng trên máy bay mặt trời – nhưng chỉ có vài ba chiếc thôi. Vấn đề là chúng khó sử dụng trên máy bay. Chúng cần bao phủ một diện tích lớn mới sinh ra đủ điện năng. Khi trời tối, thì chúng không hoạt động nữa. Chiếc máy bay đầu tiên cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời bay được một khoảng cách xa là chiếc Solar Challenger. Nó đã băng qua Eo biển Anh ở châu Âu vào năm 1981. Các cánh của nó có hơn 16 000 tế bào mặt trời. Vào năm 2008, chiếc Zephyr-6 đã bay được hơn ba ngày trong không trung. Nó là một chiếc máy bay không người lái. Nó mang theo các bộ pin dự trữ điện năng do các tấm pin mặt trời sản xuất ban ngày để tiếp tục hoạt động vào ban đêm. 5 Mặt trời liên tục giải phóng năng lượng. Năng lượng đó lan đi trong không gian dưới dạng bức xạ điện từ. Có vài loại bức xạ điện từ. Ánh sáng là một loại. Sóng vô tuyến là một loại nữa. Bức xạ điện từ truyền đi giống như những con sóng truyền đi trong nước. Giống như sóng nước, nó là một chuỗi đỉnh sóng và hõm sóng. Một trong những thứ mà các loại bức xạ điện từ khác nhau là bước sóng của chúng. Đây là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (hoặc hai hõm sóng) liên tiếp trong một hàng. Bước sóng của sóng vô tuyến thì dài hơn bước sóng của ánh sáng. Trong các loại ánh sáng, ánh sáng đỏ có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng xanh. Mặt trời sáng rực với nguồn năng lượng gần như vô tận 6 Tế bào mặt trời sử dụng ánh sáng như thế nào ? Chỉ một phần năng lượng Mặt trời gửi đến Trái đất thật sự đến được mặt đất. Một phần năng lượng mặt trời bị phản xạ trở vào trong không gian. Một phần thì bị không khí hấp thụ. Phần lớn năng lượng mặt trời đến được mặt đất ở dạng ánh sáng nhìn thấy. Các tế bào mặt trời có thể khai thác ánh sáng này để sản xuất điện năng. Nhưng chúng không hoạt động đồng đều với mọi dạng ánh sáng. Những loại tế bào mặt trời khác nhau sử dụng những bước sóng ánh sáng khác nhau. Điều này có nghĩa là một tế bào chỉ sử dụng một phần năng lượng mặt trời mà nó nhận được. Những loại bức xạ điện từ khác nhau có bước sóng khác nhau. Các tế bào mặt trời sử dụng những bước sóng nhất định thuộc dải ánh sáng nhìn thấy để sản xuất điện năng. Pin quang điện Một tên gọi khác cho các tế bào mặt trời là tế bào quang điện. Tên gọi này hợp lí, vì quang có nghĩa là “ánh sáng”, và điện ám chỉ điện năng. 7 Người ta thường nghĩ điện là cái gì đó đang chạy đi. Thật ra, điều đó rất đúng. Điện là một dòng chảy gồm những hạt rất nhỏ gọi là electron. Dòng chảy đó được gọi là dòng điện. Có hai loại dòng điện. Một là điện một chiều (DC). Đây là dòng điện không đổi. Nó luôn luôn chạy theo một hướng. Pin và tế bào mặt trời tạo ra điện một chiều. Loại điện kia là điện xoay chiều (AC). Đây là dòng điện biến đổi. Nó đổi chiều nhiều lần trong một giây. Mạng lưới điện cung cấp điện xoay chiều. Đa số các dụng cụ điện trong nhà sử dụng điện xoay chiều. Các tấm pin mặt trời tại Căn cứ Không quân Nellis ở Nevada, Mĩ. Nhà máy quang điện Nellis là nhà máy điện mặt trời lớn nhất ở Mĩ. 8 Đo điện năng Công suất điện là tốc độ sử dụng điện năng. Nó được đo bằng watt. Một bóng đèn 100 watt thì sáng hơn một bóng đèn 60 watt. Nó tiêu thụ nhiều điện năng hơn. (Khi nói tới những lượng lớn của watt, người ta sử dụng các đơn vị lớn hơn: 1 kilowatt là 1000 watt, 1 megawatt là 1 triệu watt). Một đơn vị quan trọng nữa là watt giờ. Nó đo lượng điện năng sản sinh ra hay bị tiêu thụ trong một khoảng thời gian. Nó bằng 1 watt công suất trong thời gian 1 giờ. Một đơn vị tương tự nhưng lớn hơn là kilowatt giờ. Đây là 1000 watt trong 1 giờ. Một bóng đèn 100 watt hoạt động trong 10 giờ sử dụng 1000 watt giờ điện năng. Giá trị này bằng 1 kilowatt giờ. Loại công tơ điện tiêu biểu này được sử dụng để đo xem bao nhiêu kilo watt giờ đã được tiêu thụ. Đi tìm các electron Dòng điện không phải là nơi duy nhất người ta có thể tìm thấy các electron. Chúng còn có mặt trong những hạt nhỏ gọi là nguyên tử cấu tạo nên mọi thứ mà chúng ta thấy xung quanh mình. Mỗi nguyên tử có một tâm, gọi là hạt nhân. Hạt nhân này chứa ít nhất một hạt gọi là proton. Trong đa số các loại nguyên tử, hạt nhân có vài ba proton và những hạt khác nữa gọi là neutron. Một hoặc nhiều electron thường quay tròn xung quanh hạt nhân. 9 Edmond Becquerel nước Pháp là người đầu tiên để ý thấy ánh sáng có thể làm cho các chất sinh ra điện. Đó là vào năm 1839. Sau đó, các nhà khoa học khác đã bắt tay vào nghiên cứu các ràng buộc giữa ánh sáng, vật chất và điện năng. Một người trong số họ là Albert Einstein. Năm 1905, ông đã giải thích làm thế nào các nguyên tử hấp thu bức xạ điện từ (thí dụ như ánh sáng) rồi sau đó giải phóng các electron. Quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện. Einstein đã giành giải Nobel Vật lí năm 1921 cho công trình nghiên cứu về hiệu ứng này. Các tế bào mặt trời đầu tiên Russell Ohl là người đầu tiên đi đến một tế bào mặt trời giống như các tế bào được sử dụng ngày nay. Ông làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey. Tế bào của ông chế tạo bằng silicon (silicon tìm thấy trong cát và nhiều loại đá). Ông gọi tế bào đó là “một dụng cụ điện nhạy sáng”. Ông đã đăng kí một bằng phát minh cho nó vào năm 1941. 5 năm sau, ông lấy được bằng phát minh. Năm 1954, Phòng thí nghiệm Bell chế tạo tế bào mặt trời thực tiễn đầu tiên. Nó là tế bào đầu tiên sản xuất đủ điện năng để chạy các dụng cụ điện thông thường. Trang đầu tiên trong bản đăng kí bằng sáng chế tế bào mặt trời của Russell Ohl, năm 1941. 10 Tuy nhiên, các tế bào buổi đầu không sản xuất nhiều điện năng. Đồng thời, chi phí sản xuất chúng rất đắt đỏ. Công dụng quan trọng đầu tiên của chúng là trong các vệ tinh vũ trụ, bắt đầu vào năm 1958. Khi các tế bào trở nên rẻ tiền hơn, chúng mới được sử dụng trong những ứng dụng khác. Nhà máy điện đầu tiên có khả năng sản xuất 1 megawatt điện năng với các tấm pin mặt trời mở cửa ở Hesperia, California, năm 1982. Edmond Becquerel Edmond Becquerel (ảnh) sống thọ hơn 70 tuổi, từ năm 1820 đến năm 1891. Ông tham gia rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Các lĩnh vực đó bao gồm ánh sáng, điện học và từ học. Sự khám phá của ông ra dòng điện từ ánh sáng xảy ra vào năm 1839, khi ông chỉ mới 19 tuổi. Người con trai Henri của Edmond sau này còn trở nên nổi tiếng hơn cả cha mình. Năm 1896, Henri đã khám phá ra sự phóng xạ. 11 Các tế bào mặt trời có nhiều kích cỡ khác nhau. Một số loại mỏng hơn một con tem. Một số loại có bề ngang đến 12 cm. Các tế bào mặt trời chế tạo từ một loại chất liệu gọi là chất bán dẫn. Thường thì chúng chế tạo từ silicon. Các chất bán dẫn có thể dẫn, hoặc mang, dòng điện. Tuy nhiên, chúng không dẫn điện tốt như kim loại. Đó là nguyên do vì sao người ta gọi chúng là “bán” (dẫn). Vì chúng chỉ “bán” dẫn dòng điện, nên có thể dùng chúng để điều khiển dòng điện. Ở mặt trên và mặt dưới của chúng thường có các tiếp xúc kim loại, nơi dòng điện có thể chạy qua. Một loại tế bào đơn giản điển hình có hai lớp silicon. Một lớp gọi là loại n. Lớp kia gọi là loại p. Các lớp đó có các tính chất khác nhau. Tế bào mặt trời sản sinh ra điện như thế nào ? Quá trình sản sinh điện năng bắt đầu khi các nguyên tử silicon hấp thụ một phần ánh sáng. Năng lượng của ánh sáng đánh bật một số electron ra khỏi các nguyên tử. Các electron chạy qua giữa hai lớp. Dòng chạy đó tạo ra một dòng điện. Dòng điện có thể đi ra khỏi tế bào qua các tiếp xúc kim loại và được sử dụng. Khi ánh sáng đi tới một tế bào mặt trời, phần nhiều năng lượng của chúng bị tiêu hao. Một phần ánh sáng bị phản xạ hoặc truyền xuyên qua tế bào. Một phần bị chuyển thành nhiệt. Chỉ phần ánh sáng có bước sóng, hay màu sắc, thích hợp là bị hấp thụ và sau đó chuyển hóa thành điện năng. 12 Một tế bào mặt trời đơn giản tiêu biểu sử dụng một phần ánh sáng mặt trời để tạo ra dòng điện chạy qua giữa hai lớp chất bán dẫn. Dòng điện này đi ra khỏi tế bào qua các tiếp xúc kim loại và được sử dụng. Một loại tế bào mặt trời khác Một số tế bào mặt trời chế tạo từ những lớp chất liệu rất, rất mỏng. Các lớp đó mỏng hơn 10 micro mét, hay một phần nghìn của một centi mét. Một số tế bào “màng mỏng” này, giống như các tế bào mặt trời bình thường, có đế rắn phía sau. Một số khác thì có đế chất dẻo. Các tế bào màng mỏng thích hợp cho việc sản xuất các tấm pin nhẹ cân hoặc dễ uốn dẻo. Chúng còn thích hợp cho việc bao phủ một diện tích lớn, thí dụ như thành tường của các tòa nhà. 13 Một tế bào mặt trời sản sinh lượng điện năng rất ít. Với đa số mục đích sử dụng, người ta cần có nhiều tế bào mặt trời. Vì lí do này, các tế bào thường được liên kết với nhau thành các nhóm gọi là module mặt trời. Một module mặt trời có một giàn khung để giữ các tế bào. Một số module dài và rộng đến vài foot. Thường thì chúng có thể tạo ra tới vài trăm watt điện năng. Nếu cần công suất lớn hơn nữa, thì có thể ghép các module lại thành ma trận mặt trời. Thỉnh thoảng, các module còn được gọi là tấm pin mặt trời. Các ma trận thỉnh thoảng cũng được gọi là tấm pin mặt trời. Cho dù bạn gọi một nhóm tế bào mặt trời bằng tên gì đi chăng, thì có một thực tế luôn luôn đúng: bạn càng ghép nhiều tế bào lại thì bạn có công suất điện càng lớn. Với đủ số module mặt trời, người ta có thể tạo ra những lượng điện năng lớn. Một thí dụ tiêu biểu là một nhà máy điện mới xây dựng tại Moura ở Bồ Đào Nha. Giai đoạn 1 của dự án trên có 262.080 module mặt trời, mỗi module có 8 tế bào mặt trời. Chúng sẽ sản xuất đến 46 megawatt điện năng. Ma trận mặt trời này cấp điện cho một nhà kho và khu láng trại của bang Utah, Mĩ. 14 Để sản xuất nhiều điện năng, các tế bào mặt trời có thể ghép lại với nhau thành một module mặt trời, và nhiều module có thể ghép lại thành một ma trận mặt trời. Nhiều năng lượng hơn Nhiều chuyên gia nghĩ rằng những nhà máy điện mặt trời với công suất lớn hơn là có khả năng xây dựng trong những năm sắp tới. Một ngày nào đó sẽ có những nhà máy điện mặt trời sản xuất tới 500 megawatt điện năng. Đây là công suất tiêu biểu của một nhà máy điện than hiện nay. Các tấm pin mặt trời hoạt động tốt nhất khi chúng đối mặt trực tiếp với ánh sáng mặt trời. Vì lí do này, các tấm pin thường được đặt trên “bộ dò nắng tự động”. Các bộ dò nắng sẽ hướng các tấm pin về phía mặt trời khi mặt trời di chuyển trên bầu trời. Tập trung ánh sáng mặt trời Các tế bào mặt trời hoạt động tốt hơn với ánh nắng rực rỡ. Để đặt các module nhận càng nhiều ánh sáng càng tốt, thỉnh thoảng người ta sử dụng các bộ tụ sáng. Đây là những dụng cụ thu gom ánh sáng mặt trời trên một diện tích lớn. Chúng sử dụng gương hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng vào các module mặt trời. Vì các bộ tụ sáng phải hướng thẳng về phía mặt trời, nên chúng thường được đặt trên các bộ dò nắng tự động. 15 Các tấm pin mặt trời dùng cho các ngôi nhà không khác gì với những tấm pin mặt trời khác. Chúng phải nhận đủ ánh sáng mặt trời mới có thể sử dụng được. Thường thì chúng được lắp trên mái nhà để đối mặt trực diện với Mặt trời và không bị đối tượng khác che bóng râm. Thỉnh thoảng, người ta cũng lắp chúng ngay trên mặt đất. Các tấm pin mặt trời có nhiều màu sắc và mẫu mã khác nhau. Chúng có thể đặt trên tường hoặc trên mái nhà và hòa hợp vào đó, cho nên có lúc bạn chẳng để ý thấy chúng nữa. Các mái nhà uốn lượn và nghiêng có thể sử dụng các tấm pin màng mỏng. 16 Nhà cửa sử dụng các tấm pin mặt trời thường có một bộ đổi điện biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều. Ngôi nhà trong ảnh còn lấy điện mà mạng lưới cấp điện, và nó có thể cấp điện bổ sung cho mạng lưới điện. Thông thường, các tấm pin mặt trời và dây nối không thể tự cấp điện cho tòa nhà. Cần có thêm thiết bị khác nữa. Các tế bào mặt trời sản xuất điện một chiều. Loại điện này thích hợp cho một số dụng cụ điện tử. Nhưng các thiết bị điện gia dụng và bóng đèn thường hoạt động với điện xoay chiều. Cho nên nhà cửa thường được mắc điện xoay chiều. Để đổi điện một chiều thành xoay chiều, cần sử dụng một dụng cụ gọi là bộ đổi điện. Dự trữ điện năng Tuy nhiên, nếu nhà ở không được nối với mạng lưới cấp điện, thì phải có một số giải pháp nào đó dự trữ điện năng để dùng khi trời tối, lúc các tấm pin mặt trời không hoạt động được. Thường thì người ta sử dụng acquy để dự trữ điện năng. Acquy có thể hữu ích, cả trong những tòa nhà được cấp điện lưới. Chúng có thể cấp điện khi điện lưới bị cắt điện. Các mặt phía bắc và phía nam của tòa nhà Conde Nast ở thành phố New York có các tấm pin mặt trời kiểu màng mỏng. 17 “Đổi điện” Sử dụng điện lưới thì phải trả tiền. Nếu một phần năng lượng của ngôi nhà được khai thác từ các tấm pin mặt trời, thì ngôi nhà có thể sử dụng ít điện lưới hơn. Nhưng còn có một cách khác có thể tiết kiệm hóa đơn tiền điện. Một điều luật thông qua hồi năm 2005 ở Mĩ yêu cầu các công ti điện thanh toán tiền “đổi điện”. Đây là chương trình đặc biệt dành cho các khách hàng sử dụng điện, đồng thời sở hữu các tấm pin mặt trời. Với luật đổi điện, nếu khách hàng có thừa điện mặt trời – phần năng lượng họ sản xuất nhưng không dùng – thì công ti điện mua lại phần năng lượng này. 18 Các tấm pin mặt trời có rất nhiều ưu điểm. Silicon sử dụng trong đa số tấm là chất liệu rất phổ biến. Cát trên bãi biển có thành phần cấu tạo chủ yếu là silicon. Các tấm pin mặt trời là đáng tin cậy. “Nhiên liệu” mà chúng sử dụng – ánh sáng mặt trời – có sẵn dồi dào. Đó là nguồn tài nguyên có thể hồi phục sẽ tồn tại gần như mãi mãi. Các nhà khoa học biết rằng Mặt trời sẽ tỏa sáng trong hàng tỉ năm nữa. Ngoài ra, các tấm pin mặt trời còn sản xuất điện năng ngay tại nơi sử dụng chúng. Như vậy sẽ không cần dây dẫn hay cáp nối để dẫn điện đi từ một nhà máy điện ở xa. Khi sử dụng, các tấm pin mặt trời hầu như chẳng có tác động gì đối với môi trường. Chúng im lìm. Chúng không nhả bụi hoặc các chất khí thải vào không khí. Chúng không làm cho nước nhiễm độc. Chúng không tạo ra các chất thải nguy hiểm. Các “máng” thu gom năng lượng mặt trời tại nhà máy nhiệt điện mặt trời khổng lồ ở Kramer Junction, California 19 Các nhà máy điện sạch hơn Các nhà máy điện sử dụng các tấm pin mặt trời có một số ưu điểm. Thường thì chúng có thể được xây dựng nhanh hơn các nhà máy đốt dầu, than đá, hoặc nhà máy sử dụng nhiên liệu hạt nhân. Nếu cần công suất lớn hơn, thì chúng dễ mở rộng hơn các loại nhà máy khác. Các nhà máy đốt dầu và than đá sử dụng một lượng lớn nhiên liệu. Nhiên liệu này có thể đắt tiền và việc đốt cháy nó có thể giải phóng các chất độc hại. Quá trình vận chuyển nhiên liệu đến nhà máy điện cũng gây ra các trở ngại đối với môi trường. Với các nhà máy điện mặt trời thì không có những vấn đề trở ngại như vậy. Một loại nhà máy điện mặt trời khác Các tấm pin mặt trời không phải là phương thức duy nhất để sản xuất điện từ ánh sáng mặt trời. Một phương pháp khác – gọi là nhà máy nhiệt điện mặt trời – cũng thường hay gặp. Thật ra, đó là giải pháp được sử dụng trong những nhà máy điện mặt trời lớn nhất. Các nhà máy nhiệt điện mặt trời thu gom ánh sáng mặt trời với sự hỗ trợ của các bộ tụ sáng. Thường thì ánh sáng mặt trời làm nóng một chất lỏng đến một nhiệt độ cao, và chất lỏng nóng này khi đó sẽ biến nước thành hơi. Hoặc ánh sáng có thể trực tiếp làm nóng nước và biến nó thành hơi. Cho dù sử dụng phương thức nào, thì hơi nước sau đó được dùng để quay một tuabin và sản xuất ra điện. Các hệ thống nhiệt điện cỡ nhỏ thỉnh thoảng được sử dụng trong các tòa nhà để cấp nhiệt đun hoặc làm nóng nước. 20 Cùng với một số ưu điểm, các tấm pin mặt trời cũng có một vài nhược điểm. Trước hết, chúng chỉ hoạt động tốt nhất chừng nào Mặt trời tỏa nắng rực rỡ. Khi bầu trời chuyển mây, thì chúng sản xuất điện năng kém đi. Ở nước Mĩ, các bang miền nam có xu hướng nhận được nhiều ánh sáng mặt trời hơn, chẳng hạn, so với bang Washington đầy mây ở phía tây bắc. Để sản xuất ra một lượng điện năng tương đương, một ngôi nhà ở Washington sẽ cần nhiều tấm pin mặt trời hơn ở Arizona. Một vấn đề nữa cùng hay gặp phải. Khi trời tối, các tấm pin mặt trời không hoạt động nữa. Nếu ngôi nhà xài điện mặt trời không nối với điện lưới, thì nó phải có acquy hoặc một số phương thức khác để dự trữ điện năng dùng vào lúc ban đêm. Bản đồ giờ nắng trong tháng 6 ở nước Mĩ. 21 Giá thành của các tấm pin mặt trời Trong khi ánh sáng mặt trời có nhiều và không phải trả đồng xu nào hết, nhưng các tấm pin mặt trời thì không rẻ đâu nhé. Mặc dù tiền điện bạn không phải chi trả cho hệ mặt trời làm gì. Trong nhiều trường hợp ngày nay, tổng chi phí hóa ra có thể cao hơn cả điện lấy từ lưới điện. Điều này có thể thay đổi trong tương lai, tuy nhiên, đó là vì giá thành sản xuất điện bởi các nhà máy chạy dầu tăng lên. Đồng thời, khi bạn sử dụng nhiều tấm pin mặt trời hơn, thì giá thành của các tấm cũng có thể giảm xuống. Những nhà máy điện mặt trời sản xuất những lượng lớn điện năng đòi hỏi diện tích đất rộng lớn – và cũng đòi hỏi sử dụng rất nhiều tấm pin mặt trời đắt giá ngày nay. Các vấn đề môi trường Các tấm pin mặt trời sử dụng một nguồn tài nguyên có thể hồi phục. So với các phương pháp sản xuất điện năng khác, thì chúng rất sạch. Nhưng chúng không hoàn hảo đâu. Bạn cần tiêu tốn năng lượng để biến silicon thành thứ có thể sử dụng trong tế bào mặt trời. Năng lượng này thường có nguồn gốc từ việc đốt cháy các nhiên liệu không thể hồi phục như than đá hoặc dầu mỏ. Việc đốt nhiên liệu giải phóng các chất khí độc vào trong không khí. Các nhà máy sản xuất tế bào mặt trời tạo ra rất ít chất thải độc hại. Tuy nhiên, rất ít chứ không phải là không có. Các tấm pin mặt trời dùng trong nhiều năm sẽ bị hỏng. Các chuyên gia đang nghiên cứu các phương cách tái chế chúng. 22 Đa số điện năng sử dụng ở nước Mĩ khai thác từ điện lưới. Thỉnh thoảng, nhu cầu công suất hầu như cao hơn cái điện lưới có khả năng xử lí. Cho nên người ta có thể giải cứu bằng cách sản xuất một phần điện năng của riêng mình. Việc này làm giảm áp lực tải cho lưới điện. Nhưng không phải chỉ có thế. Việc sử dụng một “nhiên liệu” có thể hồi phục như ánh sáng mặt trời để sản xuất điện còn tiết kiệm các nhiên liệu không có khả năng hồi phục, thí dụ như dầu mỏ hoặc than đá. Nó còn tránh được các chất ô nhiễm sinh ra bởi việc đốt dầu hoặc than đá. Tất nhiên, một cách hữu hiệu nữa để giảm việc sử dụng các nhiên liệu không có khả năng hồi phục là sử dụng điện tiết kiệm. Mọi người có thể góp phần cắt giảm lượng điện năng tiêu thụ bằng những việc làm đơn giản như là tắt hết bóng đèn khi rời khỏi phòng. Xúc tiến điện mặt trời Có các chương trình thuộc chính phủ ở Mĩ nhằm xúc tiến việc sử dụng và khai thác điện mặt trời. Một số người dùng đóng thuế ít hơn. Vào năm 2006, Bộ Năng lượng Hoa Kì đã bắt đầu “Sáng kiến Mặt trời Mĩ”. Chương trình này hỗ trợ các nhà khoa học nghiên cứu các biện pháp cắt giảm chi phí của công nghệ mặt trời. Một chương trình thuộc Bộ Năng lượng Mĩ gọi là Ngôi nhà nước Mĩ có nhiệm vụ xúc tiến việc sử dụng năng lượng có thể hồi phục, như năng lượng mặt trời chẳng hạn. Các dự án nghiên cứu của nó đã xây dựng hơn 40.000 ngôi nhà. Mục tiêu của nó là một ngôi nhà “năng lượng tự do”. Một ngôi nhà như vậy sản xuất vừa đủ lượng điện năng mà nó tiêu thụ. Các cuộc đua thể thao sẽ giúp mọi người có thêm hứng thú với điện mặt trời. Mỗi hai hoặc ba năm một lần, kể từ năm 2002, Bộ Năng lượng Mĩ lại tổ chức “Hội thao Mặt trời”. Đó là một sự kiện dành cho sinh viên các trường đại học. Các đội tham gia thi thiết kế, chế tạo và điều khiển ngôi nhà được cấp điện mặt trời tối ưu nhất. 23 Một chiếc xe sử dụng năng lượng mặt trời của trường Đại học Michigan đã giành giải nhất Hội thao Mặt trời Bắc Mĩ 2008. Xe hơi mặt trời Tháng 12 năm 2008, một chiếc xe hơi thí nghiệm được cấp điện mặt trời gọi là chiếc taxi Mặt trời đã hoàn thành hành trình vòng quanh thế giới. Nó được lái đi hơn 50.000 km bằng một động cơ điện cấp nguồn bằng các tế bào mặt trời. Trong Hội thi Mặt trời Thế giới, tổ chức hai năm một lần, các xe hơi được cấp điện mặt trời đã chạy đua khắp đất nước Australia. Nước Mĩ và Canada có cuộc thi riêng của họ, Hội thi Mặt trời Bắc Mĩ. Hội thi này được tổ chức xen kẽ luân phiên với hội thi quốc tế. Bộ Năng lượng Mĩ còn tổ chức một hội thao dành cho học sinh các lớp 6, 7 và 8 gọi là Hội thao Mặt trời Trung học Quốc gia. Các đội học sinh thi chế tạo và chạy đua các mô hình xe hơi được cấp điện mặt trời. 24 Khi so sánh các tế bào mặt trời, một thứ mà các chuyên gia thường quan tâm là giá thành của nó. Nếu giá thành quá cao, thì chẳng ai bỏ tiền ra mua cả. Một trở ngại đối với những tế bào mặt trời đầu tiên là chúng thường đắt tiền hơn các nguồn năng lượng khác. Đó là nguyên do vì sao các tế bào mặt trời đầu tiên lại được sử dụng trên các vệ tinh vũ trụ. Chẳng có phương án nào rẻ hơn nữa để sản xuất điện trong vũ trụ hồi thập niên 1950. Một thứ nữa mà các chuyên gia quan tâm là “hiệu suất” của tế bào. Đại lượng này cho biết một tế bào khai thác ánh sáng mặt trời tốt như thế nào. Một tế bào hiệu suất cao chuyển hóa nhiều năng lượng của ánh sáng mặt trời thành điện năng hơn so với một tế bào hiệu suất thấp. Trung tâm EcoTech ở Norfolk, Anh quốc, sử dụng điện từ sức gió và các tấm pin mặt trời. 25 Kể từ khi phát minh ra các tế bào mặt trời, các nhà khoa học vẫn ngày đêm tìm các phương án làm cho chúng rẻ hơn và hiệu quả hơn. Đã có rất nhiều tiến bộ. Những tế bào mặt trời đầu tiên có hiệu suất chưa tới 4%. Ngày nay, các tế bào đã rẻ tiền đi nhiều, và nhiều tế bào có hiệu suất lên tới 15% hoặc cao hơn. Một số tế bào thử nghiệm còn có hiệu suất cao hơn nữa. Sản xuất các tế bào mặt trời tốt hơn Các nhà khoa học vẫn liên tục đi tìm các phương án làm cho các tế bào mặt trời tốt hơn nữa. Họ đang thử nghiệm những chất liệu mới, như plastic. Họ cũng đi tìm những phương án sao cho các tế bào và các tấm pin mặt trời có thể hữu ích hơn. Chẳng hạn, họ đã phát triển “tụ quang”. Đây là một dụng cụ mặt trời vừa sản xuất điện năng vừa dự trữ điện năng để sử dụng sau đó. Các mẫu thực nghiệm không hoạt động tốt lắm đối với công dụng thực tế. Nhưng nếu dụng cụ trên có thể cải tiến, thì một ngày nào đó nó sẽ loại đi nhu cầu sử dụng acquy dự trữ điện mặt trời, ít nhất là trong một số trường hợp nào đó. Mặt trời và Gió Khi mặt trời không tỏa nắng, các tấm pin mặt trời không thể sản xuất điện năng. Nhưng có một nguồn năng lượng có thể hồi phục có thể hoạt động: đó là gió. Một số người đã có các hệ thống cấp điện kết hợp các tấm pin mặt trời và một tuabin gió. Một hệ thống như vậy được gọi là hệ lai. Tất nhiên, gió không phải lúc nào cũng thổi cả đêm. Cho nên, nếu hệ thống không được nối với điện lưới, thì nó vẫn cần các acquy dự trữ điện năng để dành cho những đêm lặng gió. 26 Con người liên tục đi đến những ý tưởng mới về điện mặt trời. Họ mơ tới những mẫu thiết kế mới cho các tế bào mặt trời. Họ nghĩ tới những chất liệu mới dành cho các tế bào mặt trời. Những loại tế bào mặt trời mới sẽ mang lại những phương pháp mới sử dụng năng lượng mặt trời. Rất nhiều ý tưởng cho các sản phẩm mặt trời đã được người ta nói tới trong những năm gần đây. Một số ý tưởng nay đã có mặt trên thị trường. Những ý tưởng khác thì vẫn đang thử nghiệm. Các ý tưởng cho tương lai Các tế bào mặt trời màng mỏng có thể tích hợp trong vải vóc. Các tế bào chiếm diện tích càng lớn thì chúng càng sản xuất nhiều điện. Nếu dùng chúng trong các tấm màn cửa, các tế bào mặt trời màng mỏng có thể cung cấp một lượng điện năng rất hữu ích. Nhiều người nghĩ rằng các dụng cụ gọi là tế bào nhiên liệu hydrogen có thể một ngày nào đó sẽ một nguồn năng lượng rất tốt vì những mục đích khác nhau. Chúng sử dụng hydrogen để sản xuất điện. Hydrogen thì rất phong phú. Nó có ở trong nước, chẳng hạn. Tuy nhiên, việc trích xuất hydrogen ra khỏi nước làm tiêu tốn năng lượng. Nếu các tấm pin mặt trời đạt tới mức đủ rẻ và đủ hiệu quả, chúng có thể trở thành một phương thức thực tế cung cấp phần năng lượng này. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp sản xuất điện năng bằng cách cho ánh sáng mặt trời đi qua các cửa sổ. 27 Các phương pháp thu gom thật nhiều ánh sáng mặt trời cho các tế bào mặt trời đã được người ta nghiên cứu. Bộ tụ sáng đã được đề xuất dùng trong các cửa sổ. Người ta đưa các chất nhuộm đặc biệt vào trong thủy tinh hoặc plastic. Các tế bào mặt trời được đặt tại mép của tấm thủy tinh hoặc plastic. Các chất nhuộm cho một phần ánh sáng đi qua cửa sổ. Chúng cũng thu giữ một phần năng lượng ánh sáng, chuyển sang các tế bào khai thác. Khai thác điện từ vũ trụ Trong vũ trụ không có đám mây nào cả. Các tấm pin mặt trời có thể thu rất nhiều ánh nắng mặt trời. Các nhà khoa học đã đề xuất sử dụng các ma trận pin mặt trời khổng lồ lắp trên các vệ tinh để phát điện. Điện năng khi đó sẽ được truyền xuống Trái đất để khai thác. Một câu hỏi lớn là các chùm năng lượng trên thực tế có thể truyền đi bao xa. Một thí nghiệm hồi năm 2008 đã làm chủ việc gửi một lượng nhỏ năng lượng đi xa cự li 150 km. Thí nghiệm đó, triển khai ở Hawaii, sử dụng sóng vô tuyến để mang năng lượng. 28 AC – “Điện xoay chiều”: một loại dòng điện đổi chiều của nó nhiều lần trong một giây. bằng phát minh – Đối với một phát minh, là giấy chứng nhận cấp cho người sở hữu nó quyền chế tạo và bán phát minh đó. Bằng phát minh còn cấm những người khác chế tạo và buôn bán phát minh đó nếu không có sự cho phép của chủ sở hữu bằng phát minh. bộ tụ sáng – Một phương pháp thu gom rất nhiều ánh nắng mặt trời trên một diện tích lớn và gửi nó đến một tấm pin mặt trời, thiết bị có diện tích nhỏ hơn. Các bộ tụ sáng thường sử dụng thấu kính hoặc gương. bức xạ điện từ - Năng lượng truyền đi trong không gian dưới dạng sóng. Ánh sáng là một loại. Sóng vô tuyến là một loại khác. bước sóng – Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (hoặc hai hõm sóng) liên tiếp. Ánh đỏ có bước sóng dài hơn ánh sáng xanh. chất bán dẫn – Chất dẫn điện, nhưng đồng thời không phải là kim loại. có thể hồi phục – Một tài nguyên, thí dụ như một nguồn năng lượng, không bao giờ cạn kiệt. Các nguồn năng lượng như ánh sáng mặt trời và gió là có thể hồi phục. Các nguồn năng lượng như than đá, khí đốt và dầu mỏ là “không thể hồi phục”. DC – “Điện một chiều”: một loại dòng điện luôn chạy theo một chiều không đổi. năng lượng mặt trời – Năng lượng thu từ Mặt trời, đưa vào khai thác thực tế, thí dụ như sản xuất điện. kilowatt-giờ - Đơn vị thường dùng để đo điện năng. 1 kilowatt giờ là 1000 watt công suất tác dụng trong khoảng thời gian 1 giờ. lưới điện – Hệ thống cung cấp điện nói chung. ma trận mặt trời – Một nhóm module mặt trời liên kết với nhau. module mặt trời – Một nhóm tế bào mặt trời liên kết với nhau. tấm pin mặt trời – Một tên gọi khác cho module mặt trời hay ma trận mặt trời. tế bào mặt trời – Dụng cụ nhỏ sản xuất điện từ ánh sáng mặt trời. tế bào nhiên liệu – Một dụng cụ sử dụng phản ứng giữa hai chất để sản xuất điện. tuabin – Thiết bị có tác dụng quay có thể dùng để sản xuất điện. watt – Đơn vị thường dùng để đo tốc độ sử dụng điện năng. Các tấm pin mặt trời hoạt động như thế nào? Richard Hantula Trần Nghiêm dịch Phát hành tại thuvienvatly.com, tháng 1/2011