Năng lượng mặt trời là gì? Ứng dụng của năng lượng mặt trời
Nguồn năng lượng mặt trời có vai trò quyết định đối với sự sống trên trái đất. Nó thể hiện ở nhiều dạng khác nhau, là nguồn năng lượng tự nhiên mạnh mẽ và dồi dào nhất.
Năng lượng mặt trời là gì?
Năng lượng mặt trời chính là bức xạ nhiệt và ánh sáng đến từ mặt trời trong không gian. Chúng ta sử dụng nguồn năng lượng này để tạo ra điện mặt trời, sấy khô, làm nóng nước và nhiều ứng dụng hữu ích khác.
Mặt trời là một hành tinh cách trái đất 150 triệu km, có kích cỡ gấp 333000 lần hành tinh của chúng ta. Nhiệt độ trên bề mặt mặt trời khoảng 5600oC, trong lõi lên tới hơn 15 triệu độ C. Đây là khối lượng vật chất khổng lồ với phản ứng hạt nhân xảy ra liên tục.
Mặt trời cung cấp toàn bộ năng lượng trực tiếp hoặc gián tiếp cho con người và các dạng sống khác trên trái đất. Mặt trời quyết định khí hậu và thời tiết, không có mặt trời trái đất sẽ bị đóng băng vĩnh viễn.
Nguồn năng lượng mặt trời
Sâu trong lõi mặt trời, hoạt động hạt nhân mạnh tạo ra nguồn bức xạ mặt trời khổng lồ. Bức xạ này lại tạo ra năng lượng ánh sáng (Photon) và năng lượng nhiệt. Các photon không có khối lượng vật lý riêng nhưng mang năng lượng và động lượng rất lớn.
Các photon khác nhau có bước sóng khác nhau. Một số photon có bước sóng điện từ mà mắt người không thể nhìn thấy (tia tử ngoại, hồng ngoại). Một số khác có thể nhìn thấy được là ánh sáng trắng.
Theo thời gian các photon này bị đẩy ra khỏi tâm mặt trời. Phải mất đến hàng triệu năm để photon đi từ lõi đến bề mặt mặt trời. Khi đến bề mặt mặt trời, các photon đi qua không gian với tốc độ 300 ngìn Km/s, và mất khoảng 8 phút để tới trái đất.
Trên hành trình từ mặt trời đến trái đất, các photon có thể va chạm với các hạt khác, bị lệch hướng, bị hủy khi tiếp xúc với vật chất bất kỳ có khả năng hấp thụ bức xạ chuyển thành nhiệt năng.
Khí quyển trái đất hấp thụ phần lớn các photon trước khi chúng đến bề mặt trái đất. Chính vì vậy, chúng ta sẽ thấy vào giữa trưa mặt trời có vẻ nóng hơn. Buổi trưa các photon đi qua lớp khí quyển mỏng hơn so với buổi chiều mặt trời lặn. Một lý do khác khiến mặt trời buổi trưa nóng hơn là do cường độ photon cao nhất vào giữa trưa. Khi mặt trời xuống thấp, các photon trải rộng trên khoảng cách lớn do vị trí góc nghiêng của bạn và mặt trời.
Đây cũng là một lý do khiến mùa đông lạnh hơn mùa hè. Vào mùa đông, vị trí của bạn trên trái đất bị nghiêng xa mặt trời. Khi đó, các photon đi qua lớp khí quyển dày hơn để đến chỗ bạn.
Khai thác nguồn năng lượng mặt trời
Dựa trên những phát minh, tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày nay. Con người đã có thể khai thác và sử dụng được một phần nhỏ của năng lượng mặt trời.
Năng lượng ánh sáng – Điện mặt trời
Điện mặt trời là ý tướng tuyệt vời. Lấy năng lượng từ mặt trời và chuyển thành điện năng cung cấp cho các trang thiết bị là mong ước của chúng ta. Sẽ không có hóa đơn tiền điện, không lệ thuộc vào công ty điện lực, và bạn sẽ có nguồn năng lượng miễn phí, hầu như bất tận và không ảnh hưởng xấu đến môi trường.
Tất nhiên, thực tế hơi khác. Điện năng từ ánh nắng mặt trời là nguồn tài nguyên khổng lồ. Nhưng để thu được nguồn năng lượng mặt trời sử dụng bạn sẽ cần có công nghệ, tài chính cần thiết. Đối với các gia đình thì giá lắp điện mặt trời có lẽ sẽ là rào cản lớn nhất.
Tấm pin mặt trời (panel) tạo ra điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Hiện tượng được phát hiện vào đầu Thế Kỷ XIX. Khi đó các nhà khoa học nhận thấy một số vật liệu tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng.
Nguyên lý hoạt động:
Hai lớp vật liệu bán dẫn ghép với nhau để tạo ra hiệu ứng này. Một lớp bị thiếu điện tích âm, một lớp thiếu điện tích dương. Khi trời nắng, các lớp vật liệu này hấp thụ photon, kích thích các electron, làm cho một số hạt electron “nhảy” từ lớp này sang lớp kia, tạo ra điện tích.
Tế bào quang điện mặt trời
Vật liệu bán dẫn được dùng để chế tạo tế bào điện mặt trời là Si, được cắt thành các tấm rất mỏng. Một số tấm silic được hợp kim hóa với nguyên tố thích hợp để tạo ra sự không cân bằng electron trong các tấm này. Sau đó, các tấm được xếp với nhau để tạo thành tế bào quang điện mặt trời. Các dải kim loại lắp vào tế bào để dẫn dòng điện.
Khi photon đi đến tế bào quang điện mặt trời, sẽ xảy ra một trong ba khả năng: photon được tế bào hấp thụ, photon bị phản xạ ra xa, hoặc đi qua tế bào. Khi Si hấp thụ photon, dòng điện được tạo ra. Càng nhiều photon (cường độ ánh sáng càng mạnh) được tế bào hấp thụ, cường độ dòng điện càng lớn.
Tế bào năng lượng mặt trời tạo ra điện năng nhiều vào các ngày nắng, nhưng cũng có thể tạo ra điện năng vào ngày nhiều mây. Một số hệ thống thậm chí còn có thể tạo ra dòng điện nhỏ vào đêm trăng sáng. Các tế bào điện mặt trời riêng rẽ tạo ra điện năng tương đối nhỏ. Để có công suất điện đủ mạnh, cần nối các tế bào này với nhau, tạo thành các module mặt trời, còn được gọi là panel mặt trời hay tấm pin năng lượng mặt trời. Nhưng thuật ngữ chính xác, về mặt khoa học, là module quang điện.
Điện mặt trời có ứng dụng rất hữu ích trong cuộc sống. Chúng ta sử dụng điện mặt trời để chạy các thiết bị điện mà thông thường sử dụng điện lưới. Ngoài ra, các vệ tinh ngoài vũ trụ hay tàu thám hiểm cung duy trì hoạt động nhờ điện mặt trời.
Điện mặt trời mái nhà
Đây là một hệ thống phát điện năng lượng mặt trời được lắp đặt trên mái nhà. Chúng sử dụng cho các hộ gia đình hoặc nhà xưởng, nhà máy, trang trại. Chúng cung cấp một phần hoặc toàn bộ điện năng cho các thiết bị trong gia đình.
Có nhiều loại hệ thống điện mặt trời mái nhà, sử dụng tùy hoàn cảnh khác nhau. Các hộ gia đình hiện nay thường sử dụng hệ hòa lưới. Hệ thống này cung cấp điện vào ban ngày, ban đêm dùng điện lưới. Ngoài ra với chi phí lắp đặt cao hơn có thể dùng hệ tương tác lưới hoặc độc lập.
>>>Tìm hiểu thêm về các hệ thống điện năng lượng mặt trời
Đầu tư dự án phát điện mặt trời
Các nhà đầu tư bỏ vốn xây dựng một Solar Farm (trang trại điện mặt trời). Đây là một hệ thống điện mặt trời hòa lưới có quy mô lớn. Điện tạo ra được bán lại cho công ty điện lực với giá thỏa thuận của 2 bên.
Lợi nhuận từ đầu tư điện mặt trời rất lớn do hệ thống vận hành tự động. Chi phí cho việc bảo hành, bảo trì thấp hơn nữa tuổi thọ rất cao. Tại Việt Nam việc đầu tư còn bị hạn chế do thiếu về cơ sở hạ tầng. Nhưng tương lai đó vẫn là một xu hướng phát triển nguồn năng lượng bền vững lâu dài.
Năng lượng nhiệt từ mặt trời
Đây là năng lượng tạo ra khi photon khi va chạm với các vật chất khác sinh ra nhiệt. Dạng năng lượng này được ứng dụng để làm nóng, làm ấm không gian và chưng cất nước.
Các ứng dụng phổ biến
Bình nước nóng thái dương năng:
Sử dụng nhiệt mặt trời để làm nóng nước thông qua các ống thu nhiệt. Ứng dụng nhiều trong các nhà hàng, khách sạn đặc biệt hiệu quả vào mùa hè.
Làm muối ăn:
Nhiệt lượng làm nước bốc hơi để lại các tinh thể muối ăn. Đây là cách làm muối ăn truyền thống từ lâu đời.
Nấu nướng bằng nhiệt mặt trời:
Nhiệt lượng của mặt trời có thể tập trung và dùng để nấu chín thức ăn. Ngoài ra còn có thể làm khô và khử trùng thực phẩm. Con người đã sáng tạo ra một số loại bếp như: Bếp hộp, bếp phản xạ, bếp tấm…Tận dụng nguồn nhiệt từ ánh sáng mặt trời thay cho gas và điện.
