Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 7: Energy from the Sun – Chương 7: Năng lượng từ Mặt trời (Phần 2) 

Từ ánh sáng thành Điện

Việc chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện diễn ra trong các tế bào quang điện (tế bào PV – photovoltaic cells) trong đó có chứa một vật liệu bán dẫn (thường là silicon) hấp thu ánh sáng mặt trời và dẫn đến chuyển động của các điện tích. Những tế bào quang điện đơn lẻ được kết nối với nhau tạo thành các mô-đun (modules) và sau đó được lắp ráp thành các thiết bị lớn hơn được gọi là các tấm pin quang điện (Hình 19). Công nghệ này đã được sử dụng trong một số thời điểm tại các vùng hẻo lánh xa hệ thống tryền tải điện (chẳng hạn như các ngôi nhà nhỏ trên núi cao và các vệ tinh nhân tạo) hoặc trong các thiết bị mà đòi hỏi ít năng lượng (chẳng hạn như máy tính cầm tay nhỏ và đồng hồ đeo tay). Để đáp ứng nhu cầu của một hộ gia đình trung bình ở vĩ độ như của Ý cần các tấm pin quang điện với diện tích khoảng 18 m².

Hình 19: Các tấm pin quang điện chuyển đổi ánh sáng Mặt trời thành điện năng. 

Ở mức độ hiện tại, ngành công nghiệp quang điện đang tăng trưởng với tốc độ khoảng 70% mỗi năm, nhưng vẫn chỉ tạo ra một lượng tương đối nhỏ năng lượng khi so sánh với năng lượng được tạo ra từ các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc điện hạt nhân. Khoảng 68 GW năng lượng được sản xuất cho tới cuối năm 2011 từ các nhà máy năng lượng trên toàn thế giới.

Thời hạn sử dụng của các tấm pin silicon quang điện hiện nay là khoảng 30 năm, và để hoàn trả lại năng lượng cần thiết cho việc làm ra chúng cần khoảng từ 1 đến 3 năm. Giá thành của điện được sản xuất bằng các tấm pin quang điện vẫn còn cao hơn giá điện được được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Sự cân bằng về chi phí giá thành được dự đoán là có thể đạt được trong một vài năm tới. Giá bán chắc chắn sẽ giảm xuống khi sản lượng và năng suất tăng lên. Thế nhưng, một điều đáng được chỉ ra ở đây, đó là thực ra pin quang điện (PVs) đã có thể có tính cạnh tranh về mặt kinh tế nếu các yếu tố bất lợi bên ngoài gắn liền với nhiên liệu hóa thạch được mô tả trước đây cũng được đưa vào tính toán.

Điều thú vị là một số nước Châu Phi đang trải qua sự phát triển nhanh dựa trên quang điện. Công nghệ này cho phép năng lượng được tạo ra ở những nơi cần thiết, mà không cần một mạng lưới phân phối truyền tải đường dài tốn kém. Do đó công nghệ này đặc biệt phù hợp cho các nước nghèo, mà lại nghèo các nguồn lực kinh tế cần thiết để xây dựng các cơ sở hạ tầng điện lớn. Chúng ta cũng cần phải nhớ rằng vẫn còn 1.5 tỷ người trên thế giới không được tiếp cận với năng lượng điện.

Các nước dẫn đầu về công nghiệp quang điện trên thế giới là Trung Quốc, Đài Loan, Đức, và Nhật Bản, những nước mà ngày hôm nay đang thu lượm những quả ngọt từ tầm nhìn xa về sáng tạo công nghiệp vốn đã bắt đầu từ hơn 20 năm trước. Hoa Kỳ đang cố gắng khôi phục phần sân đã mất, thực hiện một bước nhảy lượng tử vào thế hệ thứ hai của các tế bào quang điện mặt trời dạng phim mỏng (photovoltaic-based thin-film solar cells).

Hiện tại, một số ngành công nghiệp sản xuất ra loại tế bào này sử dụng một công nghệ tương tự như công nghệ đã dùng để in báo. Được phủ lên trên màng nhôm là một loại mực có chứa hỗn hợp của các phân tử nano bán dẫn sản xuất từ đồng (Cu), indium (In), gallium (Ga), và selenium (Se). Nghiên cứu sâu hơn có thể dẫn tới các tế bào năng lượng Mặt trời được ép trên các tấm nhựa có thể gấp lại hoặc thậm chí là được trộn vào trong sơn. Nhiều người dự đoán rằng công nghệ quang điện sẽ trở thành công nghệ đình đám tiếp theo làm thay đổi sâu sắc cách thức điện năng được sản xuất và phân phối.

Các hệ thống pin quang điện thường được đặt trên mái của các tòa nhà và nhà máy – có thể tách biệt hoặc được kết nối vào mạng lưới phân phối điện. Trong trường hợp thứ nhất, hệ thống sử dụng các pin để tích lũy năng lượng được tạo ra trong ngày để sử dụng vào ban đêm. Trong trường hợp thứ hai, các hệ thống trao đổi năng lượng với mạng lưới điện, bán đi lượng dư thừa trong ngày và mua lại lượng cần thiết vào ban đêm. Tại thời điểm cuối năm, sự chênh lệch được tính toán, với một mức phí đặc biệt cho phần điện năng được chia sẻ – đó là, người sử dụng trả hóa đơn cho công ty/nhà sản xuất điện và không có chiều ngược lại. Trong quá trình này, người sử dụng có thể trang trải cho khoản đầu tư lắp đặt pin quang điện trong khoảng thời gian dưới 10 năm.

Việc sản xuất năng lượng điện bằng các tấm pin quang điện cần có không gian rộng, nhưng không cần đến mức lớn như mọi người vẫn nghĩ. Chẳng hạn như người ta đã tính toán rằng, với việc sử dụng các tấm pin với hiệu suất chuyển đổi là 10% (thực tế đã vượt con số này) để che phủ một diện tích khoảng 26000 km² (hoặc khoảng 10000 dặm vuông) bởi các mô-đun pin quang điện là có thể sản xuất ra lượng điện năng đủ cung cấp cho nhu cầu của toàn nước Mỹ. Đây thực sự là một diện tích lớn, nhưng đó vẫn chưa tới ¼ diện tích được bao phủ bởi mạng lưới đường cao tốc liên bang. Một nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng để cung cấp đủ cho nhu cầu điện của Châu Âu với các tấm pin quang điện cần một không gian khoảng bằng 0.6% diện tích của quốc gia (Hình 20). Ví dụ, Ý cần khoảng 2400 km² (tương đương 927 dặm vuông) – một vùng với kích thước của một tỉnh nhỏ ở Ý.

Hình 20: Phần trăm diện tích của các nước Châu Âu sẽ cần bị bao phủ bởi các tấm pin quang điện, nếu muốn cung cấp đủ nhu cầu điện năng cho quốc gia đó. Dữ liệu: Solar Energy 81 (2007), trang 1295-1305.

Để sản xuất ra toàn bộ năng lượng (điện và không phải điện) được tiêu thụ ở Mỹ từ các thiết bị quang điện cần sử dụng 2.7% tổng diện tích đất quốc gia. Tỷ lệ này tăng lên 24% ở Bỉ và giảm xuống 0.3% đối với Brazil.

Tập trung ánh sáng Mặt trời

Việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng cũng có thể đạt được bằng cách khai thác năng lượng cơ học của hơi nước được tạo ra bởi một dung dịch ở nhiệt độ cao (thông qua các tua-bin và hệ thống truyền dẫn, như trong các nhà máy điện truyền thống). Nhiệt độ cao như vậy có thể đạt được bằng việc (i) tập trung ánh sáng mặt trời vào một nồi hơi bằng một hệ thống gương, hoặc (ii) sử dụng một hệ thống thu nhận dạng đường parabol có khả năng tập trung ánh sáng vào một ống mà trong đó có chứa dòng dung dịch hấp thụ nhiệt từ Mặt trời.

Phương pháp thứ nhất đã được tái khởi động gần đây, trong khi phương pháp thứ hai (hiệu quả hơn) vẫn đang được phát triển. Nhiều cơ sở đang được xây dựng ở Tây Ban Nha và Hoa Kỳ. Cũng có một bộ phận được xây dựng ở Priolo, Sicily, là kết quả của dự án liên kết giữa ENEL (công ty dịch vụ điện lớn nhất của Ý) và ENEA (Cơ quan Quốc gia về Năng lượng Tái Tạo của Ý).

Một cách khác trong đó năng lượng nhiệt có nhiệt độ cao từ mặt trời có thể được sử dụng để tạo ra hiđro (H₂) từ quá trình phân tách nhiệt của nước. Khả năng sử dụng hiđro trong lĩnh vực năng lượng sẽ được thảo luận ngay sau đây.

Hết phần 2 – Chương 7 (còn tiếp)

Người dịch: Đoàn Công Điển

Biên tập: Phạm Thu Hường &  Đào Thu Hằng

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes.