⚛️📌 Pin Mặt trời tế bào quang điện – ‘’giải pháp cho năng lượng xanh’’ và những bất cập.

🌞 Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng Mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt.
🌎 Đương nhiên, chúng là sạch, nếu nhân loại muốn tiến đến một kỷ nguyên năng lượng sạch và dồi dào, thì chúng là những mục tiêu tiềm năng. Tuy vậy, đừng đánh đồng giữa việc, chúng là năng lượng sạch, nhưng không có nghĩa quá trình chuyển hóa năng lượng từ chúng là sạch.
⚡️ Nói rõ ràng hơn, ở dạng tự nhiên, chúng thuần khiết là ‘’năng lượng xanh’’, nhưng khi chuyển hóa chúng thành năng lượng phục vụ cho các mục đích con người, chúng không còn xanh nữa, pin Mặt trời quang điện (ở thời điểm hiện tại) cũng không phải ngoại lệ.

1️⃣Pin Mặt trời tế bào quang điện:
⚛️ Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng.
⚛️ Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
👉 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
👉 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời.
👉 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.
⚠️ Một điều đáng lưu ý là hiệu suất pin Mặt trời hiện tại khá thấp. Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng Mặt trời. Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từ pin Mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa. Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất chỉ từ 5% đến 20%.

2/ Những lợi ích của pin Mặt trời tế bào quang điện:
⚛️ Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Mặc dù giá thành còn đắt, nhưng chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước... Các Pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời.
⚛️ Chúng có thể được áp dụng cho mọi quy mô, từ sạc những chiếc smartphone, máy tính, áp dụng trong công nghệ hàng không, vũ trụ cho đến trong công nghiệp điện với hàng chục, hàng trăm ngàn tấm pin phối hợp cung cấp điện năng cho cả một vùng.
⚛️ Những tấm pin Mặt trời quang điện cũng được xem là nguồn năng lượng khá xanh trong quá trình hoạt động, bởi vì khi làm việc, chúng không tạo ra khí thải. Điều này nghe có vẻ rất thuận tai và rất được yêu thích trong giới bảo vệ môi trường.

3/ Những bất cập của pin Mặt trời tế bào quang điện (hiện tại):
⚛️ Điều đầu tiên cần phải nói đến đó chính là hiệu suất của nó quá thấp. Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất chỉ từ 5% đến 20%. Có nghĩa là nếu bạn lợp đầy mái một chiếc xe ô tô nhỏ bằng pin quang điện. Xét trong điều kiện có nắng tốt, bạn cần sạc nó trong 90 giờ để chạy một quãng đường 300 dặm. Cứ cho rằng bạn đang ở một nước cận nhiệt đới với số giờ nắng hoàn hảo là 9 tiếng mỗi ngày, bạn cần sạc nó 10 ngày liên tục.
⚛️ Tiếp đó, nhiệt độ làm ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất pin Mặt trời, không phải nắng càng to thì hứng được càng nhiều, có một sự biến thiên về hiệu suất pin tương quan với nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao, hiệu suất pin càng giảm. Và bề mặt các tấm pin quang điện thường nóng lên rất nhanh, và đạt độ nóng cao, trong điều kiện nắng mạnh bề mặt này có thể đạt 65 độ C. Những nghiên cứu cho thấy các tấm pin hoạt động tốt với hiệu suất 15% ở nhiệt độ phòng chỉ còn lại 9.5% khi ở 55 độ C.
⚛️ Chúng ta không thể không nhắc đến bóng râm. Mọi tính toán về công suất và hiệu suất trên lý thuyết chỉ dành cho những ngày nắng hoàn hảo. Ngoài ra, khi áp dụng mô hình pin quang điện, phải tính đến những khoảng thời gian không nắng. Vì vậy, pin quang điện chỉ phù hợp nhất để ứng dụng ở những nơi có số giờ nắng cao quanh năm. Đây là một nhược điểm lớn.
⚛️ Kế đến là tuổi thọ của những tấm pin này không được cao lắm, chúng xuống cấp với tốc độ trên 0.5% mỗi năm và trở nên hoàn toàn vô dụng sau khoảng 20 năm. Chưa kể đến các nguyên do thời tiết khắc nghiệt khác như bão, lốc xoáy, mưa đá có thể dễ dàng làm hỏng các tấm pin, như nhiều trường hợp đã xảy ra với các cánh đồng pin lớn trên thế giới.
⚛️ Chi phí của các tấm pin hiện nay vẫn còn khá đắt, nhưng chúng ta có hy vọng với sự phát triển của công nghệ cũng như sự mở rộng của thị trường quang điện, mức giá sẽ giảm đáng kể trong nhiều năm tới.
⚛️ Sản xuất điện từ pin quang điện là một chuyện, còn lưu trữ năng lượng từ nó là một chuyện khác. Việc lưu trữ chính xác là khó hơn việc sản xuất bởi nhiều lý do. Và trên hết, những thiết bị được sử dụng cho lưu trữ cũng trải qua quá trình xuống cấp, chúng gây ô nhiễm.
⚛️ Hơn nữa, ở các cánh đồng cấp năng lượng Mặt trời. Thường xảy ra vấn đề lớn đối với sự lưu trữ. Ban ngày, lượng ánh sáng Mặt trời dồi dào và hệ thống không thể hấp thu được tất cả. Nhưng đến ban đêm, nhu cầu dùng điện của các hộ gia đình đạt mức cao, lúc này, hệ thống phải khá chất vật để cung cấp và thường phải kết hợp với điện từ nguồn khác, tự mình hệ thống điện Mặt trời khó cấp cho tất cả.
⚛️ Ngoài ra, đừng lầm tưởng pin quang điện khi tạo điện không có chất thải khí tức có nghĩa là chúng sạch. Thực ra chúng hoạt động dựa trên ‘’khoản vay nợ carbon’’. Cần rất nhiều năng lượng để tạo ra một tấm pin mặt trời ở nơi đầu tiên. Đặc biệt, làm tan chảy và tinh chế silicon mà các tấm này sử dụng để thu và tải ánh sáng mặt trời cần rất nhiều nhiệt. Điểm nóng chảy của silicon, 1414 ° C, chỉ thấp hơn 124 ° C so với sắt. Silic được nấu chảy trong các lò điện và tại thời điểm này, hầu hết điện được sản xuất bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch. Vì vậy, khi một tấm pin quang điện mới được đưa vào hoạt động, nó bắt đầu bằng một khoản nợ carbon, theo quan điểm tiết kiệm khí nhà kính. Quan sát điều này, người ta cho rằng nếu động cơ lắp đặt các tấm pin mặt trời hoàn toàn là vì môi trường, chúng khá vô dụng.
⚛️ Bên cạnh đó, vì tuổi thọ ngắn hạn của các tâm pin quang điện, sau khi chúng trở nên bị hư hại, việc xử lý chất thải từ chúng cũng là vấn đề lớn. Cơ quan Năng lượng tái tạo quốc tế (IRENA) năm 2016 ước tính có khoảng 250.000 tấn chất thải từ pin mặt trời trên thế giới vào cuối năm đó. IRENA dự kiến số tiền này có thể đạt tới 78 triệu tấn vào năm 2050. Các tấm pin mặt trời thường chứa chì, cadmium (có khoảng 100.000 pound cadmium chứa trong 1,8 triệu tấm) và các hóa chất độc hại khác không thể loại bỏ nếu không phá vỡ chúng hoàn toàn. Khoảng 90% của hầu hết các module PV được tạo thành từ silic. Tuy nhiên, kính này thường không thể được tái chế do tạp chất. Các tạp chất có vấn đề phổ biến trong thủy tinh bao gồm nhựa, chì, cadmium và antimon. Các chất độc này có thể dễ dàng trôi từ tấm pin ngấm vào đất và nguồn nước thông qua nước mưa trước những biến cố thời tiết khắc nghiệt như bão.

💁 Kết luận: Bài viết trên đã nêu ra (chỉ một số) những lợi ích và cả bất cập của pin Mặt trời tế bào quang điện. Thực tế, nói rằng pin quang điện là năng lượng xanh nhưng chúng không thực sự xanh cho lắm. Mặc dù việc sản xuất điện từ nguồn này không trực tiếp sản sinh ra khí thải, nhưng chúng hoạt động dựa trên nguồn ‘’vay nợ khí thải’’. Pin Mặt trời có giúp hạn chế việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, điều này đúng. Pin Mặt trời tương đối sạch, cũng khá đúng. Nhưng chung quy thì nó vẫn là có hại cho môi trường. Để tìm kiếm một công nghệ xanh thật sự, điều này rất khó, cần thêm nhiều năm nghiên cứu. Cũng như pin quang điện, cũng phải cần nhiều sự nghiên cứu nữa để đạt được cái thật gọi là ‘’năng lượng xanh’’.
💁 Như vậy, pin Mặt trời tính đến hiện tại có nhiều ứng dụng trong thực tế, không thể phủ nhận mặc dù bản thân công nghệ chưa đạt được sự tối ưu nhất định. Hiện nay, thế giới đang phát triển một mô hình điện Mặt trời khác không từ các tế bào quang điện và lưu trữ dưới dạng điện, mà là lưu trữ trực tiếp dưới dạng nhiệt. Khắc phục tương đối những yếu điểm hiện có của pin PV. Mặc dù mô hình này chưa hẳn là xanh cũng như chưa được ứng dụng nhiều như PV, nhưng có thể đây cũng là hy vọng về một nguồn năng lượng ‘’tốt’’. Đây chính là hệ thống Concentrated solar power (Ad sẽ có bài sau).

📂 Nguồn: Science Realm, Wikipedia, scienceabc.com, economist.com, forbes.com.

#ScienceRealm #Physics #Vatly #Environment #Moitruong #Energy #Nangluong