Kỷ nguyên năng lượng mặt trời

Càng ngày, con người càng có có nhu cầu nhiều hơn về điện, trong khi cho đến nay, phần lớn năng lượng này được khai thác từ nhiên liệu hóa thạch - loại nhiên liệu không chỉ gây ô nhiễm môi trường, không tái tạo, mà nguồn cung cũng sẽ sớm trở nên khan hiếm. Do đó, người ta tích cực tìm những nguồn năng lượng không gây ra ô nhiễm và có khả năng tái tạo.

Hệ thống pin mặt trời kết hợp với điện gió ở Giang Tô, Trung Quốc. (Ảnh minh họa: kt).

Phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời trì trệ trong những năm đầu thế kỷ XX vì sự sẵn có, tính kinh tế, sự tiện dụng của than và dầu mỏ, cũng như sự yếu kém của khoa học kỹ thuật. Lệnh cấm vận dầu 1973 và cuộc khủng hoảng năng lượng 1979 đã thúc đẩy mạnh mẽ việc hoạch định lại chính sách năng lượng trên toàn thế giới, trong đó, chú trọng phát triển công nghệ năng lượng mặt trời.

Từ xưa, con người đã biết dùng năng lượng mặt trời cho nhiều mục đích. Ngày nay, năng lượng mặt trời đang dần trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo được tận dụng nhiều nhất qua nhiều năm và các nhà sáng tạo đang tìm kiếm nhiều giải pháp tốt hơn để khai thác nguồn năng lượng này phục vụ mục đích: đun nước nóng, sưởi ấm và làm mát không gian, chưng cất nước uống và khử trùng, nấu ăn, chiếu sáng, phục vụ các mục đích công nghiệp… Công nghệ năng lượng mặt trời cũng đã thúc đẩy mạnh mẽ việc cải thiện hệ thống phương tiện di chuyển cả trên không, trên mặt nước và mặt đất.

Lợi ích làm điện mặt trời bao gồm: không mất đất làm thủy điện vì nhà nào cũng làm được, kể cả công ty; không mất rừng vì bị tàn phá làm thủy điện; không bị trái bom nước khổng lồ của thủy điện treo trên đầu dân, không bị lũ lụt do thủy điện xả lũ, không bị tổn thất nhân mạng và tài sản nhân dân; không bị ô nhiễm như nhiệt điện than, cứ mỗi MW điện sẽ giảm 1000 tấn CO2 mỗi năm, làm giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính.

Nguồn điện mặt trời có thể chuyển hoá năng lượng từ mặt trời thành điện trong khi việc khử muối với mục đích loại bỏ những khoáng chất không cần thiết từ nước biển để sử dụng và cho mục đích nông nghiệp, biến nước lợ thành nước uống bằng cách tách muối ra khỏi nước.

Nhiều vùng đất ngày nay vẫn phải sống trong điều kiện thiếu nước dù 70% trái đất được bao phủ bởi nước. Đã có một số dự án làm nhà máy nhiên liệu năng lượng mặt trời tại các khu vực đô thị ven biển vào năm 2050 bằng cách tách nước biển cung cấp hydro để chạy các nhà máy điện dùng tế bào nhiên liệu và nước tinh khiết được tạo ra sẽ bổ sung trực tiếp vào hệ thống nước sạch đô thị.

Công nghệ sản xuất hydro là một khu vực quan trọng của nghiên cứu hóa học năng lượng mặt trời từ những năm 1970. Ngoài điện phân điều khiển bởi các tế bào quang điện hoặc tế bào hóa nhiệt, quy trình nhiệt hóa cũng đã được khám phá: sử dụng các bộ tập trung để phân tách nước thành oxy và hydro ở nhiệt độ cao; sử dụng nhiệt từ các bộ tập trung năng lượng mặt trời để tái tạo làm tăng tổng sản lượng hydro so với phương pháp tái tạo thông thường; sử dụng lò năng lượng mặt trời để phân hủy oxide kẽm (ZnO) ở nhiệt độ trên 1200°C, tạo kẽm tinh khiết, sau đó cho kẽm phản ứng với nước để sản xuất hydro…

Được biết đến với nhiều ưu điểm nổi trội, tuy nhiên, các thiết bị năng lượng mặt trời còn có giá thành khá cao; tận dụng năng lượng từ những vùng được đánh giá là nhiều năng lượng mặt trời như sa mạc cũng không phải là một điều dễ. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra những chảo gương mặt trời để khai thác năng lượng mặt trời với giá rẻ nhất.

Trong khi những hệ thống thông thường chỉ chuyển hoá khoảng 20% nắng từ mặt trời thành năng lượng thì hệ thống chảo gương mặt trời có thể chuyển hoá lên đến 80%. Hệ thống thu năng lượng mặt trời với chi phí thấp có thể thu ánh sáng mặt trời 2000 lần.

Một thử thách khác khi ứng dụng nguồn điện năng lượng mặt trời tái tạo ngoài chi phí thiết bị cao là công nghệ lưu trữ năng lượng - chìa khoá để biến năng lượng mặt trời trở nên phổ biến hơn, đặc biệt đối với những nơi hẻo lánh không gần mạng điện.

Kết hợp công nghệ pin và công nghệ mặt trời là cách tốt nhất để đảm bảo dòng năng lượng ổn định có giá thành rẻ hơn năng lượng được khai thác từ các nhà máy đốt nhiên liệu hoá thạch. Trở ngại chính của việc dùng năng lượng mặt trời là không phải lúc nào cũng có ánh sáng mặt trời. Kỹ thuật bình điện chưa được hoàn hảo nên vấn đề này vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng.

Mới đây, các nhà nghiên cứu Australia phát minh loại sơn dùng để thu nhận năng lượng mặt trời để tách hơi nước thành oxy và khí hydro sử dụng trong các tế bào nhiên liệu. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan đã phát minh các tế bào năng lượng mặt trời trong suốt có thể gắn như kính cửa sổ để thu năng lượng mặt trời.

Ước tính, nếu thay thế gần 7.000km² diện tích cửa sổ tại Mỹ bằng loại pin mới này, có thể nâng thêm 40% sản lượng điện của Mỹ. Năng lượng mặt trời không mang lại lợi ích thương mại trong thời gian ngắn, nhưng sẽ ngày càng trở thành nguồn năng lượng thiết thực.

Một trong những lý do khiến nhiều người tin rằng năng lượng quang điện mặt trời sẽ chiếm lĩnh thế giới là bởi nó có thể mở rộng theo những cách mà không một nguồn năng lượng nào khác có thể.

Các tấm pin năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để xây dựng các nhà máy điện hàng trăm Megawatt, hoặc được thu nhỏ xuống mức ít người nghĩ đến. Các nhà khoa học đã tạo ra được các tế bào pin năng lượng mặt trời chỉ dày có 1 micromet, được "hàn lạnh" trực tiếp lên một vật kim loại mà không cần dùng đến bất kỳ chất kết dính nào.

Họ cũng đã tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời nhỏ và nhẹ đến mức chúng có thể được đặt lên một bong bóng xà phòng mà không làm bể nó.Với độ mỏng như thế, chúng có thể được tích hợp vào mọi loại phụ kiện, như quần áo, gương đeo, mũ hay balo nhằm cung cấp nguồn điện liên tục cho các thiết bị điện tử.

Nhà có mái gắn pin năng lượng mặt trời. (Ảnh minh họa: kt).

Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), năng lượng tái tạo, trong đó đi đầu là năng lượng mặt trời, chiếm đến 2/3 các nguồn năng lượng mới trên thế giới trong năm 2016. Công suất năng lượng mặt trời đã tăng 50% so với năm trước đó, phát triển nhanh nhất trong số các nguồn năng lượng mới.

Điều này khiến cho các nhà khoa học coi đây là một kỷ nguyên mới của thế giới. IEA cũng dự đoán rằng năng lượng mặt trời sẽ thống trị tăng trưởng tương lai; đến năm 2022, công suất năng lượng mặt trời dự báo sẽ chiếm tới một nửa so với công suất năng lượng từ than, đồng thời trở thành nguồn năng lượng lớn nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo.

Báo cáo của IEA cũng cho rằng, các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng có khả năng cạnh tranh cao với nguồn hóa thạch về giá. Trong 5 năm tới, tăng trưởng của năng lượng tái tạo có thể gấp 2 lần khí của gas và than đá cộng lại.

Mặc dù đóng góp của năng lượng tái tạo trong sản lượng điện sẽ tăng từ 24% năm 2016 lên 30% trong năm 2022, than đá vẫn sẽ là nguồn lớn nhất cung cấp cho phát điện. IEA khuyến cáo, các quốc gia sẽ phải tiếp tục ban hành những chính sách linh hoạt hơn để thúc đẩy nguồn năng lượng xanh trên toàn cầu - hướng đi đúng đắn cho sự phát triển bền vững cũng như bảo tồn những nguồn tài nguyên có hạn cho các thế hệ tiếp theo./.