Năng lượng Mặt Trời: Làm thế nào để thu hoạch năng lượng từ Mặt Trời một cách hiệu quả

23 minute read

Updated on Mon Dec 14 2020

Trong 2 giờ, Mặt Trời đưa cho Trái Đất một lượng năng lượng nhiều như lượng chúng ta sử dụng trên toàn thế giới mỗi năm.

Hãy nói nhanh về ánh sáng trước khi chúng ta đi sâu vào cách các tấm pin Mặt Trời biến nó thành năng lượng hữu ích như thế nào nào.

Ánh sáng thực sự là gì?

Chúng ta có thể nghĩ về ánh sáng như một làn sóng. Khoảng cách giữa các đỉnh của sóng được gọi là bước sóng. Ánh sáng đỏ có bước sóng khoảng 700 nano-mét (700 phần tỷ mét) trong khi ánh sáng xanh có bước sóng khoảng 450 nano-mét:

Bước sóng

Mắt chúng ta chỉ có thể thấy ánh sáng với bước sóng từ khoảng 380 nm và 700 nm. Vậy phần còn lại thì sao?


Tập hợp đầy đủ các bước sóng được gọi là Quang phổ điện từ. Chỉ một phần nhỏ của nó là ánh sáng khả kiến mà chúng ta có thể thấy:

Quang phổ điện từ

Ánh sáng mang năng lượng - bước sóng càng ngắn thì năng lượng nó mang theo càng nhiều.

Ba loại sóng nào sau đây từ Mặt Trời đến Trái Đất với số lượng lớn?


Quang phổ bức xạ Mặt Trời

Ba phương pháp nào được sử dụng để thu năng lượng Mặt Trời?


Nhiệt Mặt Trời là dạng năng lượng trực quan nhất, vậy hãy bắt đầu với nó nào.

Nhiệt Mặt Trời

Vào một ngày nắng, bạn cảm thấy dưới ánh nắng mặt trời ấm hơn trong bóng râm phải không? Điều này là do khi da bạn hấp thụ ánh sáng mặt trời, nó sẽ biến một phần của nó thành nhiệt năng. Chúng ta có thể sử dụng loại nhiệt này đó!

Năng lượng Mặt Trời tập trung (CSP) sử dụng một số lượng lớn các tấm gương để tập trung ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ. Ánh sáng tập trung được sử dụng để làm nóng chất lỏng (nước, dầu hoặc muối nóng chảy) đến nhiệt độ rất cao. Nhiệt này sau đó có thể

  • được sử dụng để sưởi ấm,
  • trữ cho sau này,
  • hoặc được chuyển hóa thành điện bằng cách làm bay hơi nước và tạo ra hơi nước, thứ được sử dụng để làm quay tuabin. Nó hoạt động tương tự hầu hết các nhà máy điện khác. Đây là toàn bộ quá trình trong một bức ảnh:
Năng lượng mặt trời tập trung (CSP)

Ngày nay, điện từ Nhiệt Mặt Trời CSP đắt tiền, nhưng nó có một số lợi ích riêng:

  • Nó có thể được tích hợp với bộ lưu trữ nhiệt để cung cấp điện theo yêu cầu.
  • Nó góp phần vào sự ổn định và linh hoạt của hệ thống điện.

Nhiệt Mặt Trời cũng có thể được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa. Các tấm nhiệt Mặt Trời hoặc bộ thu nhiệt Mặt Trời hấp thụ năng lượng ánh sáng của Mặt Trời để làm ấm chất lỏng đi qua tấm pin. Sau đó, chất này được sử dụng để làm nóng nước có thể được sử dụng cho các ứng dụng sinh hoạt khác nhau.

Bóng đèn ngược: chuyển ánh sáng thành điện năng?

Pin năng lượng, mô-đun/pa-nô và mạng lưới

Với công nghệ quang điện mặt trời (Solar PV), chúng ta chuyển hóa trực tiếp ánh sáng thành điện năng. Giá thành trung bình của điện được tạo ra theo cách này tương đương với giá thành của nhiên liệu hóa thạch - nghe có vẻ đầy hứa hẹn nhỉ! Thế nó hoạt động như thế nào?

Hầu hết các pin mặt trời được làm bằng silic. Silic có 4 electron ở lớp electron ngoài cùng của nó. Khi nhiều nguyên tử silic kết hợp với nhau, chúng tạo thành một mạng tinh thể, do thứ được biết đến trong hóa học là liên kết cộng hóa trị. Nó trông như sau:

Cấu trúc của Silic

Nếu chúng ta thêm một số lượng nhỏ các nguyên tử có 5 electron ở lớp ngoài cùng của chúng (như phốt pho), hợp chất sẽ vẫn tạo thành tinh thể. Tuy nhiên, sẽ có một số electron tự do trôi nổi xung quanh vì đơn giản là chúng không phù hợp với bất kỳ vị trí nào trong cấu trúc tinh thể này.

Mặt khác, nếu chúng ta thêm một nguyên tố chỉ có 3 electron ở lớp ngoài cùng của nó (như boron), chúng ta sẽ có một lỗ electron khó xử lý trong cấu trúc.

Chất bán dẫn loại N và loại P

Vậy chúng ta gọi những vật liệu này là gì?

  • Silic cộng với một nguyên tố có 5 electron ngoài cùng được gọi là chất bán dẫn loại n (n cho âm (negative)). Điều này là do Silic thường có 4 electron ngoài cùng. Với 5 electron lớp ngoài cùng, nó dư electron, làm cho nó mang điện tích âm.
  • Silic cộng với một nguyên tố có 3 electron ngoài cùng được gọi là chất bán dẫn loại p (p cho dương (positive)).

Những cái tên này có thể gây hiểu nhầm một chút đó! Cả vật liệu loại n và loại p đều có điện tích trung hòa (không âm cũng không dương). Vậy tại sao chúng được gọi là cực dương và cực âm chứ? Hãy xem các cấu trúc được hiển thị ở trên. Vật liệu loại n có thêm một electron mang điện tích âm, trong khi vật liệu loại p có một lỗ electron mang điện tích dương.

Khi chúng ta đặt các chất bán dẫn loại n và p cạnh nhau, chúng ta tạo thành cái gọi là lớp chuyển tiếp PN. Bạn nghĩ điều gì xảy ra với các electron tự do khi chúng ta làm cho hai chất bán dẫn này chạm vào nhau?


Khi một electron tự do từ nửa loại n chuyển sang nửa loại p, nó sẽ lấp đầy một lỗ ở đó.

Lớp chuyển tiếp PN

Việc lấp đầy lỗ xảy ra theo một đường sọc nhỏ nơi các nửa loại p và n chạm nhau. Đây được gọi là lớp nghèo vì vùng này "nghèo" các lỗ.

Các nguyên tử trong lớp nghèo trở nên tích điện âm do các electron di chuyển vào vùng để lấp đầy lỗ trống. Tại sao?


Điều này là tốt cho một chút. Tuy nhiên, khi nhiều lỗ đã được lấp đầy, điện tích âm trở nên mạnh. Điều này tạo ra cái gọi là rào cản điện trường. Lúc này, các electron bị điện trường đẩy ra khỏi lớp nghèo và không còn lỗ trống nào được lấp đầy.

Lực đẩy electron vào loại n

Ánh sáng Mặt Trời đóng vai trò ở đâu?

Ánh sáng mang năng lượng. Khi ánh sáng chiếu vào lớp nghèo, nó có thể khiến các electron rời khỏi các lỗ mà chúng vốn đang lấp đầy.

Cách các electron di chuyển khi ánh sáng chiếu vào lớp nghèo

Các ion âm xung quanh electron bị đẩy ra đẩy nó trở lại vật chất loại n. Khi có ít một electron lấp đầy lỗ hơn, sẽ có chỗ (điện từ) cho một lỗ mới!

Nhưng làm thế nào electron có thể vượt qua rào cản điện trường được tạo ra từ tất cả các ion âm trong lớp nghèo nhỉ?


Các electron chuyển động qua dây dẫn ư? Nó là dòng điện đó! Và đó cũng chính là cách chúng ta sản xuất điện bằng tấm pin năng lượng Mặt Trời.

Quá trình Quang Điện Mặt Trời

Khi electron quay trở lại phía bên loại p, pin Mặt Trời sẽ trở lại trạng thái ban đầu và quá trình này có thể lặp lại miễn là Mặt Trời còn chiếu sáng. Tuyệt vời ghê!

Tóm lại, chu trình sau đây diễn ra lặp đi lặp lại:

  • Một electron bên trong một lỗ bị ánh sáng chiếu vào. Năng lượng của ánh sáng làm cho electron bị đẩy ra.
  • Điện trường tạo bởi các ion trong lớp nghèo đẩy electron về phía bên loại n.
  • Bây giờ có thêm một lỗ trong vùng bên loại p. Cái lỗ này muốn được lấp đầy.
  • Một electron đi cửa sau qua dây dẫn hoặc mạch điện để lấp đầy lỗ đó.

Năng lượng Mặt Trời có bền vững hay không?

Thời gian hoàn vốn của Năng lượng Mặt Trời

Nhưng điều gì sẽ xảy ra sau 25 đến 30 năm khi các tấm pin ngừng hoạt động? Đáng buồn thay, đó phần lớn là một câu hỏi mở. Để chuẩn bị cho thời điểm các tấm pin Mặt Trời được chế tạo ngày nay trở thành chất thải, chúng ta cần phát triển các phương pháp tái chế quy mô lớn với giá cả phải chăng.

Ta cần bao nhiêu đất để sản xuất tất cả năng lượng bằng năng lượng Mặt Trời?

Trước khi chúng ta làm các phép tính, bạn nghĩ thế nào?


Chúng ta sẽ cần ba con số để ước tính sơ bộ:

  • Nhân loại sử dụng 157.000 TWh năng lượng mỗi năm.
  • Hoa Kỳ đạt đến khoảng 250MW năng lượng mỗi km² trên trung bình.
  • Các tấm pin Mặt Trời hiện đại hoạt động với hiệu suất khoảng 20%, có nghĩa là chúng có thể chuyển 20% năng lượng ánh sáng phát ra thành điện năng.

Do hiệu suất 20%, việc bao phủ 1 km² với các tấm pin Mặt Trời sẽ cung cấp 50 MW điện. Hãy nhớ rằng năng lượng = công suất x thời gian? Vì vậy, lượng năng lượng được sản xuất bởi các tấm pin này trong một năm sẽ là 50 MW x 365 ngày x 24 giờ = 438 GWh. Điều này tương đương với 0,438 TWh.

Do đó, để có được 157.000 TWh nhân loại sử dụng, chúng ta sẽ cần 157.000 / 0,438 = 358.500 km² tấm pin mặt trời. Hay nói một cách đơn giản hơn, diện tích của nước Đức.

Diện tích năng lượng Mặt Trời cần để cung cấp năng lượng cho toàn thế giới

Đó là rất nhiều, nhưng không phải là không hợp lý. Chúng ta dùng 34% diện tích đất của Trái Đất cho việc trồng trọt và chăn nuôi để tạo ra thức ăn, nếu so với nó, một trang trại điện Mặt Trời có quy mô bằng nước Đức (0,3% diện tích của Trái Đất) không còn là diện tích quá lớn nữa.

Tuy nhiên, việc triển khai năng lượng Mặt Trời trên quy mô cực lớn mang đến những vấn đề mà các phép tính trên đã bỏ qua. Điểm nổi bật nhất của những vấn đề này là việc cung cấp năng lượng Mặt Trời không ổn định: chúng ta không thể tạo ra năng lượng vào ban đêm, nhưng khi Mặt Trời chiếu sáng, chúng ta có thể tạo ra quá nhiều! Chúng ta sẽ xem xét các cách giải quyết vấn đề này sau.

Chúng ta có thể cải thiện năng lượng Mặt Trời và nhiệt Mặt Trời không?

Có nhiều cách để làm năng lượng Mặt Trời. Năng lượng Mặt Trời bằng tinh thể silic (công nghệ chúng ta vừa thảo luận) hấp thụ khoảng 20% năng lượng Mặt Trời chiếu vào nó. Các công nghệ năng lượng Mặt Trời khác cho thấy hiệu suất lên đến 40%, nhưng có chi phí cao hơn nhiều.

Cái gọi là kỹ thuật "màng mỏng" có thể trở nên rẻ hơn và thân thiện hơn với môi trường. Để bạn hiểu được tốc độ phát triển đó là như thế nào, hãy xem biểu đồ sau:

Hiệu quả của các loại điện Mặt Trời theo thời gian

Nhiệt Mặt Trời có thể sản xuất năng lượng nhiệt tái tạo, thay vì trực tiếp sản xuất điện. Tại sao điều này lại hữu ích?


Hệ thống năng lượng mặt trời tập trung (CSP) có thể được triển khai trên quy mô lớn ngày nay - chúng ta có đủ nguyên liệu để xây dựng chúng. Mặc dù CSP hiện đắt hơn nhiên liệu hóa thạch, nhưng CSP có tiềm năng trở nên khả thi hơn khi được mở rộng quy mô.

Một công nghệ ít được khám phá hơn nhưng vẫn đầy hứa hẹn là Quang hợp Nhân tạo. Nếu chúng ta có thể triển khai nó trên quy mô lớn, ta có thể giải quyết được nhiều vấn đề cùng một lúc - ta sẽ nói về chúng nhiều hơn ở chương "Hydro". Đừng nhảy cóc qua nha! Các chương ở giữa về các công nghệ cũng thú vị và quan trọng không kém đó.

Chương tiếp theo