Hiện nay nhu cầu sử dụng các loại năng lượng của loài người tăng lên rất nhanh, trong khi đó thì nguyên liệu như dầu mỏ, than đá… ngày càng ít đi và không thể tái tạo được. Như vậy việc nghiên cứu ra những nguồn năng lượng thay thế là vô cùng cần thiết, trong đó có thể kể tới năng lượng mặt trời. Hôm nay hãy cùng đi tìm hiểu về năng lượng mặt trời là gì cũng như cách sử dụng năng lượng mặt trời nhé.
Tổng quan năng lượng mặt trời là gì?
Năng lượng mặt trời được hiểu là năng lượng bức xạ, năng lượng từ nhiệt được tạo ra bởi mặt trời. Đây là nguồn năng lượng đầu tiên mà con người sử dụng trong lịch sử của mình.
Năng lượng mặt trời cùng các tài nguyên thứ cấp của nó, chẳng hạn như sức gió, sức nước, sức sóng, sinh khối… tạo nên phần lớn nguồn năng lượng tái tạo trên địa cầu. Con người và tất cả các sinh vật trên hành tinh này sẽ chẳng thể tồn tại trong trường hợp không có mặt trời và nguồn năng lượng mặt trời.
Vai trò của năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời có vị trí so với các loại năng lượng là gì? Chính là vai trò sống còn đối với sự sinh trưởng và phát triển của các sinh vật trên hành tinh.
Ví dụ như thực vật cần ánh sáng mặt trời để quang hợp tạo ra chất hữu cơ làm thức ăn cho động vật và con người; ánh sáng và nhiệt từ mặt trời giúp chiếu sáng, sưởi ấm không gian…
Con người còn dùng công nghệ năng lượng mặt trời để làm gì? Với sự sáng tạo của mình, chúng ta ngày càng ứng dụng rộng rãi các thiết bị năng lượng mặt trời trong đời sống của mình với hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời; hệ thống lọc nước năng lượng mặt trời giúp biến nước mặn hoặc nước lợ thành nước uống được; hệ thống sưởi ấm, làm mát, thông gió; sử dụng năng lượng mặt trời để đun nấu, phơi sấy, khử trùng; đặc biệt là ứng dụng năng lượng mặt trời tạo ra điện với hệ thống điện năng lượng mặt trời…
Xem thêm: Hiệu ứng nhà kính là gì? Tác hại và phân loại hiệu ứng nhà kính
Công nghệ điện mặt trời là gì?
Hệ thống điện năng lượng mặt trời là nguồn điện được tạo ra từ bức xạ ánh sáng mặt trời. Bạn có biết ưu điểm của hệ thống điện mặt trời và lý do nó được xếp vào nguồn năng lượng sạch là gì? Đó là bởi hệ thống năng lượng mặt trời không chỉ tạo ra điện phục vụ cho nhu cầu của con người mà còn giúp chống lại quá trình biến đổi khí hậu đang diễn ra hàng ngày ngày trên thế giới, tác động xấu đến cuộc sống của chúng ta cũng như các sinh vật khác.
Vậy ứng dụng của hệ thống pin mặt trời là gì? Dễ thấy điện mặt trời cũng giống như điện từ các nhà máy nhiệt điện truyền thống, nó có thể được sử dụng cho tất cả những thiết bị điện trong gia dụng, sản xuất… Những thiết bị điện năng lượng mặt trời có thể kể tới như điện thoại năng lượng mặt trời, điều hòa năng lượng mặt trời, thậm chí cả xe ô tô, xe máy sử dụng năng lượng điện từ mặt trời. Dù các ứng dụng của năng lượng mặt trời ngày càng đa dạng nhưng phổ biến nhất vẫn là để phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất nhờ các hệ thống pin năng lượng mặt trời gia đình và nhà máy điện mặt trời.
Pin năng lượng mặt trời là gì?
Pin mặt trời là gì? Pin mặt trời hay được gọi với cái tên pin quang điện, trong tiếng Anh là Solar panel, là một thiết bị bao gồm nhiều tế bào quang điện (gọi là solar cells). Đây là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến ánh sáng, gọi là điốt quang, nó có chức năng làm biến đổi năng lượng của ánh sáng mặt trời trở thành năng lượng điện.
Các chỉ số điện như hiệu điện thế cường độ dòng điện, hay điện trở của tấm pin thay đổi phụ thuộc vào lượng ánh sáng được chiếu lên chúng. Các tế bào quang điện này được ghép lại thành một, trở thành tấm năng lượng mặt trời (thông thường sẽ có từ 60 đến 72 tế bào quang điện trên một tấm pin).
Tấm năng lượng mặt trời được biết đến như một là vật liệu có tính năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng được sử dụng như một giàn năng lượng mặt trời. Chúng có hiệu suất cao và tuổi thọ trung bình lên đến 30 năm nên đang rất được ưa chuộng.
Điện năng lượng mặt trời tập trung
Hệ thống pin năng lượng mặt trời tập trung trong tiếng Anh là Concentrator Photovoltaics (CPV). Ý tưởng sử dụng năng lượng mặt trời tập trung là dùng hệ thống quang học để có thể tập trung ánh sáng vào một tế bào quang điện nhỏ, nhờ đó diện tích trung tâm của pin lưu trữ điện năng lượng mặt trời được giảm đi, đồng thời cường độ ánh sáng được khuếch đại lên tương ứng với tỷ lệ tập trung của hệ thống. Vì giảm diện tích pin sử dụng trong khi tăng hiệu suất nên đã giảm được chi phí trên mỗi đơn vị Watt của tấm pin.
Đặc điểm của hệ thống điện năng lượng mặt trời tập trung này là nó chỉ hấp thụ được các tia sáng trực tiếp, do đó, các hệ này sẽ phải có một dàn xoay theo hướng mặt trời (solar tracker) để có thể tận dụng tối đa nguồn sáng trực tiếp. Cùng với bộ phận quang học của pin, dàn xoay khiến chi phí tăng thêm và nâng cao mức độ phức tạp của hệ thống, đồng thời đòi hỏi các công tác bảo trì thường xuyên hơn.
– Bộ phận quang học
Có 2 bộ phận quang học phổ biến là gương parabol dạng máng và thấu kính khúc xạ. Thấu kính khúc xạ thường hay sử dụng là thấu kính Fresnel (là một loại thấu kính có bề mặt mà nó được ghép lại từ các phần của mặt cầu, làm giảm độ dày của thấu kính và do đó giảm trọng lượng cũng như độ tiêu hao ánh sáng do sự hấp thụ của thủy tinh làm kính). Nếu không có thấu kính khúc xạ thì có thể sử dụng thấu kính hay gương phản xạ (gương parabol dạng máng).
– Hệ số hội tụ
Hệ số hội tụ có khá nhiều định nghĩa. Thường thì người ta sẽ sử dụng hệ số hội tụ hình học, tức là diện tích thấu kính trên diện tích hoạt động của các tế bào quang điện nằm dưới nó. Một định nghĩa hệ số hội tụ khác được nhắc đến là hệ số hội tụ ánh sáng, nó được tính bằng tỷ lệ giữa cường độ ánh sáng mặt trời chiếu tới tế bào quang điện so với cường độ ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt của thấu kính. Các công ty năng lượng mặt trời trên thị trường hiện nay có thể tạo ra hệ số hội tụ đạt tới 500 lần thậm chí là 1000 lần.
– Dàn xoay
Do hệ thống pin năng lượng mặt trời tập trung chỉ có khả năng hấp thụ các tia sáng trực tiếp, cho nên nó cần có bộ phận hướng nắng (solar tracker) để tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời. Trên thị trường hiện nay phổ biến 2 dạng dàn xoay chính đó là dàn xoay 1 trục và dàn xoay 2 trục. Dàn xoay 2 trục sử dụng với hệ thống quang học hội tụ theo điểm thường đòi hỏi để tấm pin luôn hướng theo mặt trời và ánh sáng hội tụ được tập trung vào tế bào quang điện. Trong khi đó, hệ thống quang học hội tụ theo đường thì cần có dàn xoay 1 trục, để cho ánh sáng mặt trời được tập trung dọc theo dãy các tế bào quang điện. Về mặt cơ học thì dàn xoay 2 trục sẽ phức tạp hơn dàn xoay 1 trục nhưng lại có hệ số hội tụ cao hơn, dẫn đến chi phí cho tế bào quang điện thấp hơn.
Xem thêm: Tài nguyên thiên nhiên là gì? Vì sao phải sử dụng hợp lý tài nguyên
– Tế bào quang điện
Tế bào quang điện có đặc điểm tận dụng nguồn sáng có cường độ lớn, cũng như các vật liệu khác thì những tế bào quang điện trong hệ thống pin năng lượng mặt trời tập trung đòi hỏi phải có hiệu suất cao. Bởi vậy, với cùng một mức công suất thì giá thành của các hệ thống pin năng lượng mặt trời tập trung rẻ hơn so với các hệ thống điện năng lượng mặt trời truyền thống khác. Các tế bào quang điện được sử dụng phổ biến hiện nay là loại tế bào quang điện đa tầng, có hiệu suất lên tới 40%.
Các ứng dụng khác từ năng lượng mặt trời là gì?
Nhờ biết cách tận dụng năng lượng mặt trời, con người còn có thể giải quyết rất nhiều việc sau:
– Sấy khô các sản phẩm nông nghiệp
Việt Nam là nước có tỷ trọng sản xuất nông nghiệp cao, hàng năm thu hoạch rất nhiều sản phẩm nông nghiệp. Các sản phẩm nông nghiệp thường sẽ có đặc điểm là mau hư hỏng, vì thế nhu cầu sấy khô chúng luôn cần thiết. Vậy nhưng các nguồn năng lượng truyền thống thì ngày càng khan hiếm, cho nên những thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu phát triển.
Những máy này chi phí còn khá cao nên chưa nhiều người dân có thể sở hữu máy sấy sử dụng năng lượng mặt trời. Chúng áp dụng nguyên lý giống hiệu ứng nhà kính, khiến cho nguồn nhiệt từ mặt trời bên trong hệ thống sấy trở nên cao hơn nhiều so với nhiệt độ bên ngoài. Mỗi thiết bị này sẽ gồm có 4 bộ phận: Bộ phận tải ẩm – thông gió, bộ phận cấp nhiên liệu, bộ phận cấp nhiệt, buồng sấy. Ngoài ra còn thiết bị hỗ trợ để máy sấy sử dụng năng lượng mặt trời vẫn hoạt động khi không có nắng.
Xem thêm: Hiện tượng cực quang là gì? Nguyên nhân và đặc điểm
– Ứng dụng của năng lượng mặt trời trong nấu ăn
Bếp sử dụng năng lượng mặt trời là một ứng dụng khá phổ thông, gồm có bếp tấm, bếp hộp, bếp parabol.
Bếp tấm sử dụng một bề mặt phản chiếu ánh sáng mặt trời trực tiếp vào 1 điểm. Đồ ăn được để trong thùng chứa cách nhiệt. Nhiệt độ bếp tấm có thể đạt khoảng 150 độ C.
Bếp hộp là bếp tận dụng thùng các tông sơn đen có nắp trong suốt. Chi phí làm loại bếp này khá là rẻ, nên được những cư dân ở khu vực còn khó khăn ưa dùng. Nhiệt độ đạt được cũng tương đương bếp tấm.
Bếp parabol là bếp hình chảo với lòng chảo chứa dụng cụ nấu ăn. Do nhiệt của bếp sử dụng năng lượng mặt trời này có thể đạt tới gần 400 độ C cho nên thức ăn được nấu chín rất nhanh, phù hợp cho nhiều người ăn.
Bếp sử dụng năng lượng mặt trời không đốt cháy oxi và không tạo ra khí cacbonic nên được coi là sản phẩm thân thiện với môi trường. Nó cũng giúp tiết kiệm khá nhiều nhiên liệu. Tuy nhiên bếp sử dụng năng lượng mặt trời không thể nấu vào những ngày mưa hay ban đêm, đây là nhược điểm lớn nhất.
– Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời
Sử dụng năng lượng mặt trời để làm nóng nước là chính là hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời.
Máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có 2 bộ phận chính là ống thủy tinh hấp thu nhiệt mặt trời và bình bảo ôn.
Ống thủy tinh này khi được ánh sáng mặt trời chiếu vào nó sẽ hấp thụ các bức xạ, rồi chuyển hóa thành nhiệt năng để làm nóng nước. Ngoài ra thiết bị năng lượng mặt trời này còn có bình trữ nước nóng, ngay cả khi không có ánh nắng thì vẫn có nước nóng để dùng.
Nếu muốn lắp máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời, cần chú ý những điều sau:
– Lắp máy đúng hướng mặt trời chiếu vào nhiều nhất.
– Nguồn cấp nước ổn định, máy không có nước sẽ nhanh hỏng.
– Sử dụng năng lượng mặt trời làm đèn chiếu sáng
Số lượng đèn giao thông, đèn tín hiệu ở mỗi quốc gia đều rất lớn, nếu như có thể dùng hệ thống điện năng lượng mặt trời cho những chiếc đèn này thì ngân sách hàng năm sẽ tiết kiệm được một khoản tiền.
Đèn sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời gồm các bộ phận sau:
– Tấm năng lượng mặt trời để hấp thụ bức xạ và chuyển đổi thành điện.
– Đèn có cảm biến ánh sáng để nhận biết được trời sáng hay tối.
– Bộ phận pin dự phòng lưu lại lượng điện được chuyển hóa từ hệ thống pin năng lượng mặt trời.
– Mạch điều khiển để dòng điện không từ pin sạc chạy vào tấm năng lượng mặt trời.
– Cuối cùng là bóng đèn led để phát sáng.
– Năng lượng cho phương tiện đi lại
Các phương tiện giao thông như ô tô, xe máy hay thậm chí là máy bay đã được sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời trong nhiều năm trở lại đây.
– Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời
Tập đoàn sản xuất máy bay Airbus đã chế tạo ra máy bay Zephyr, nó có thể thực hiện chuyến bay bằng năng lượng mặt trời trong vòng 25 tiếng mà hoàn toàn không cần tiếp thêm nhiên liệu. Zephyr có trọng lượng rất nhẹ chỉ rơi vào khoảng 75kg vì được làm từ sợi Carbon. Một hệ thống pin năng lượng mặt trời được lắp trên 2 sải cánh dài đến 25 m. Nhờ vậy máy bay được cung cấp năng lượng liên tục khi bay, giúp kéo dài hành trình chuyến bay trên tầng bình lưu.
– Ô tô dùng hệ thống năng lượng mặt trời
Ô tô chạy bằng hệ thống pin năng lượng mặt trời được trang bị những tấm năng lượng mặt trời lắp trên mui xe. Những tấm pin này có tác dụng hấp thu nhiệt từ mặt trời sau đó chuyển thành điện năng để chạy cho ô tô. Siêu xe ô tô chạy bằng pin lưu trữ điện năng lượng mặt trời đầu tiên là Lightyear one. Xe có khả năng tăng tốc lên 100km trong 10 giây. Mỗi lần xe được sạc đầy thì sẽ di chuyển được quãng đường 725 km. Với thêm 1 giờ sạc dưới ánh mặt trời sẽ giúp xe đi được 12km.
– Sử dụng năng lượng mặt trời trong xử lý nước
Nước có thể được khử trùng khi đạt 65 độ C trở lên, cho nên ở các nước đang phát triển người dân đã sử dụng năng lượng mặt trời để phơi nước trong các chai nhựa. Ngoài ra cũng có thể chưng cất nước mặn trở thành nước tinh khiết có thể uống được bằng những bồn kính thủy tinh.
– Xe điện sử dụng năng lượng mặt trời
Dù việc sử dụng năng lượng mặt trời đang trở nên phổ biến, về mặt lý thuyết, việc kết hợp các tấm năng lượng mặt trời, pin siêu hiệu quả và nhiều năm kinh nghiệm sản xuất ô tô có thể giúp tạo ra một phương tiện chạy được mãi mãi vì năng lượng mặt trời là miễn phí và ở khắp mọi nơi. Nhưng để đi đến thực tế thì chưa nhiều công ty có thể làm được.
Tuy nhiên vào năm 2020 vừa qua. Công ty Aptera có trụ sở tại California đã ra mắt chiếc xe sử dụng năng lượng mặt trời.
Với công nghệ Never Charge của Aptera, chiếc xe được tích hợp tấm năng lượng mặt trời có thể chạy tối đa 72 km mỗi ngày. Chiếc xe này trở thành ô tô đầu tiên không cần cung cấp nhiên liệu hàng ngày.
Chiếc ô tô cũng được trang bị một hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể hoạt động trong phạm vi 1.600 km, vượt xa đáng kể so với xe Tesla Model S có phạm vi hoạt động 595 km.
Mẫu ô tô này cũng được thiết kế động cơ điện làm mát bằng nước cho phép chiếc xe này có thể tăng tốc từ 0 km/h đến 96 km/h chỉ trong vòng 3,5 giây.
Lợi ích to lớn từ điện năng lượng mặt trời
Chúng ta hãy cùng điểm xem năng lượng mặt trời có những lợi ích gì nhé.
Về mặt kinh tế
– Không mất chi phí nguyên liệu sản xuất năng lượng. Chỉ cần sản xuất và lắp đặt các thành phần, quan trọng nhất là tấm lợp năng lượng mặt trời, sau đó nó hoàn toàn vận hành miễn phí. Điều này nghĩa là dù ban đầu phải đầu tư lớn nhưng sau đó bạn sẽ không mất thêm chi phí phát sinh nào.
– Đa chức năng, sử dụng được với nhiều thiết bị năng lượng mặt trời: phát sáng, nấu nướng thức ăn… Vô cùng tiết kiệm với cả gia đình cũng như quốc gia.
Về mặt an ninh
– Một chiếc camera sử dụng năng lượng mặt trời không cần dây cáp để hoạt động vì vậy bạn có thể lắp nó ở bất cứ vị trí nào, kể cả gồ ghề hay khó khăn đến đâu.
– Camera năng lượng mặt trời dễ dàng lắp đặt và điều chỉnh, vì nó không liên quan đến hệ thống dây cáp lộn xộn nên việc tháo lắp rất nhanh.
Cuối cùng là về mặt môi trường
– Sử dụng năng lượng mặt trời thay thế cho nhiên liệu hóa thạch làm giảm việc thải ra khí cacbonic, giảm hiệu ứng nhà kính toàn cầu. Việc này góp một phần vào việc làm chậm lại quá trình biến đổi khí hậu, không gây ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Việc biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ mang lại rất nhiều lợi ích trong quá trình lắp điện mặt trời tại nhà.
Cấu tạo và sơ đồ lắp đặt pin năng lượng mặt trời
– Hệ thống pin năng lượng mặt trời hay còn được gọi là pin quang điện.
Hệ thống pin năng lượng mặt trời là bộ phận chính, có nhiệm vụ thu nhận và chuyển hóa năng lượng cũng như bức xạ mặt trời thành điện năng. Sau đó nó sẽ cung cấp nguồn điện cho cả hệ thống hoạt động
* Hệ thống sạc cho pin năng lượng mặt trời:
Có nhiệm vụ đảm bảo chuyển năng lượng thu được từ hệ thống pin năng lượng mặt trời sang hệ thống ắc quy sao cho bình ắc quy không sạc quá tải; cũng không xả quá sâu nhằm bảo đảm tuổi thọ cho thiết bị
* Inverter dùng trong chuyển đổi của nguồn điện:
Bộ phận này có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiều của hệ thống pin năng lượng mặt trời sang nguồn điện xoay chiều chuẩn 220V
* Hệ thống ắc quy lưu trữ:
Hệ thống pin lưu trữ điện năng lượng mặt trời sử dụng để lưu trữ nguồn điện; sau đó cung cấp cho các tải tiêu thụ khi điện lưới bị mất hoặc hệ thống điện năng lượng mặt trời không sản xuất ra điện.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện có sử dụng năng lượng mặt trời:
Tóm lại là, nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời khá đơn giản.
Bước đầu hệ thống pin năng lượng mặt trời được lắp đặt ở vách tường, mái nhà hoặc những nơi thuận lợi để đón nắng. Năng lượng mặt trời chiếu thẳng vào hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ được chuyển hóa thành dòng điện một chiều theo hiệu ứng quang điện.
Dòng điện một chiều này tiếp tục được inverter chuyển hóa, tạo thành dòng điện xoay chiều sin chuẩn 220v có cùng công suất và tần số với điện lưới. Nhờ sạc năng lượng mặt trời sạc đầy hệ thống ắc quy lưu trữ, rồi sau đó trực tiếp hòa vào điện lưới của cả nước. Cả 2 nguồn điện này sẽ song song cung cấp điện cho các tải tiêu thụ điện, tuy nhiên sẽ ưu tiên sử dụng điện từ hệ thống điện mặt trời. Trong trường hợp điện mặt trời không sản sinh đủ để cung cấp cho hệ thống thì các tải tiêu thụ mới nhận điện từ lưới điện Quốc gia.
Hi vọng qua bài viết trên, các bạn đã phần nào hiểu về năng lượng mặt trời là gì và cách làm năng lượng mặt trời. Nếu còn thắc mắc gì các bạn hãy comment cho chúng mình biết để có thể tiếp tục chia sẻ những bài viết hay nhé.
