Khai thác năng lượng mặt trời bằng cửa sổ kiểu mới

Mới đây, các nhà khoa học tại Học viện công nghệ Massachusetts đã đạt được bước đột phá mới trong khai thác năng lượng mặt trời. Công nghệ mới này sẽ sớm được thương mại hóa trong những thiết bị hữu ích cho con người trong một vài năm tới.

Hãy tưởng tượng khung cửa sổ không chỉ giúp chúng ta nhìn ngắm không gian bên ngoài, chiếu sáng phòng mà còn là một bộ phận giúp tăng hiệu suất của các thiết bị khai thác năng lượng mặt trời.

Phương pháo khai thác năng lượng mặt trời kiểu mới này được phát triển bởi các kỹ sư thuộc Học viện công nghệ Massachusetts (MIT) và công bố ngày trên Tạp chí Khoa học tự nhiên ngày 11 tháng 7, 2008.

Mô hình giới thiệu cơ chế sản sinh điện từ các tấm tập kết năng lượng mặt trời, mô hình này có thể năng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời của các ô cửa sổ lên rất nhiều. Thay vì đặt trên mái nhà các tấm tế bào năng lượng mặt trời với hiệu điện thế thấp, các nhà nghiên cứu đặt ở gờ khung cửa sổ các miếng tế bào năng lượng mặt trời có hiệu điện thế cao. Mỗi phần tử mầu sắc sẽ hấp thụ năng lượng từ các dải ánh sáng tương ứng và lan tỏa (truyền) năng lượng ra các cạnh, nơi đặt các tế bào năng lượng mặt trời. Các lớp dải màu được bố trí chồng lên nhau giúp khai thác triệt để nguồn ánh sáng. Ảnh: Nicolle Rager Fuller, NSF, nguồn web.mit.edu

Các nhà nghiên cứu đã sáng tạo ra bộ tập kết năng lượng mặt trời kiểu mới (“solar concentrator”), nơi ánh sáng trải khắp bề mặt rộng lớn của tấm cửa sổ sẽ được tập kết lại tại các cạnh.

Thay vì phủ khắp nóc nhà những tấm thiết bị chứa hàng triệu tế bào năng lượng mặt trời, vừa đắt đỏ vừa chiếm nhiều diện tích, trong thiết kế mới chỉ cần đặt các tế bào nằm ở cạnh của ô kính cửa sổ. Ngoài ra, cơ chế hội tụ ánh sáng làm tăng hiệu suất khai thác điện mặt trời ở mỗi tế bào “vào quãng trên 40%”, theo tiết lộ của Marc A. Baldo, người lãnh đạo công trình nghiên cứu.

Tập hợp các miếng dùng để tập kết năng lượng mặt trời và 4 dải màu sắc của ánh sáng. Các tế bào năng lượng mặt trời có thể được gắn vào rìa khung cửa sổ nên giảm được diện tích bề mặt cần thiết do đó giúp giảm chi phí khi chế tạo các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời. Ánh sáng trải khắp bề mặt và tập kết ở các cạnh, nơi đặt các tế bào năng lượng mặt trời. Thiết bị được cấu tạo nhiều lớp tập kết sẽ cấp phát khả năng khai thác tối ưu của tế bào năng lượng mặt trời trên mỗi dải sóng ánh sáng dài ngắn khác biệt, tăng công suất điện toàn diện. Ảnh: Donna Coveney, nguồn web.mit.edu

Do hệ thống này rất dễ dàng chế tạo nên các nhóm nghiên cứu tin tưởng có thể sẽ sản xuất thương mại sau 3 năm nữa. Thêm vào đó, với chi phí giá thành rẻ, hệ thống ô cửa năng lượng mặt trời này còn tăng thêm 50% hiệu suất so với các hệ thống hiện tại. Cả hai yếu tố này lần lượt giúp giảm chi phí sản xuất các thiết bị khai thác điện từ năng lượng mặt trời.

Ngoài Baldo, nhóm nghiên cứu còn gồm Michael Currie, Jon Mapel và Timothy Heidel, tất cả đều là nghiên cứu sinh tiến sỹ tại Khoa Khoa học máy tính và Kỹ nghệ điện; Shalom Goffri, nghiên cứu sinh hậu tiến sỹ tại Phòng nghiên cứu điện tử MIT.

“Công trình của giáo sư Baldo ứng dụng thành công mô hình thiết kế kiểu mới nhằm tăng cao hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng trong khi không hề can thiệp vào nguồn quang năng”, đánh giá của tiến sỹ Aravinda Kini, trưởng phòng Khoa học năng lượng cơ bản, Phòng Khoa học năng lượng thuộc Bộ năng lượng Hoa Kỳ, nhà bảo trợ nghiên cứu này. “Thành tựu đã cho thấy tầm quan trọng then chốt của những nghiên cứu căn bản mới mẻ, đó là đem lại bước tiến bộ cách mạng về sử dụng năng lượng mặt trời nhằm sinh lợi ích cho con người”.

Ngày nay các miếng tập kết năng lượng mặt trời thường “chuyển động theo hướng mặt trời để tận dụng khả năng khai thác các cường độ quang học cao, thường là những tấm gương di động cỡ lớn nên rất tốn kém khi triển khai và duy trì”, Baldo và đồng nghiệp viết trong bài báo trên Tạp chí Khoa học tự nhiên. Ngoài ra, “các tế bào năng lượng mặt trời nằm ở tiêu điểm của gương phải được làm mát và toàn bộ khối phải có khoảng trống ở quanh chu vi để tránh hiệu ứng màn chắn đối với các lớp tập kết kề nhau”. Các miếng tập kết năng lượng mặt trời do các nhà khoa học MIT thiết kế bao gồm hỗn hợp của hai hoặc nhiều màu được quét lên tấm kính thủy tinh hoặc nhựa dẻo. Các màu phối hợp với nhau để hấp thu ánh sáng dọc theo dải sóng ánh sáng, sau đó sẽ tái phát chúng ở những bước sóng ánh sáng khác nhau và lan truyền dọc theo ô cửa đến các cạnh, nơi đặt các tế bào năng lượng mặt trời.

Trong thập niên 1970, các miếng tập kết năng lượng mặt trời tương tự đã được phát triển bằng cách nhuộm màu cho chất dẻo (plastic). Nhưng ý tưởng này bị bỏ rơi bởi nhiều lý do như không tụ hội đủ ánh sáng để có thể truyền tới các bộ phận tập kết năng lượng mặt trời ở cạnh. Có quá nhiều đường tập kết dẫn đến năng lượng bị phân tán trước khi đến được đích. Các kỹ sư, chuyên gia kỹ nghệ quang học đã khai thác la-de và đi-ốt phát sáng, để thực hiện những cải tiến tương tự có thể ứng dụng trong bộ tập kết năng lượng mặt trời. Một hỗn hợp các màu theo tỷ lệ rõ ràng, được pha trộn vào bề mặt lớp kính, cho phép kiểm soát mức độ thu nhận và lan tỏa ánh sáng. “Chúng tôi làm vậy nhằm làm ánh sáng có thể đi xa hơn”, Mapel cho biết. “Về cơ bản chúng tôi có thể giảm thiểu mức tiêu hao trong quá trình chuyên chở năng lượng mặt trời giữa các phần tử, kết quả làm tăng gấp 10 lần khả năng chuyển đổi của tế bào năng lượng mặt trời”. Nghiên cứu được cấp vốn bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (Hoa Kỳ). Baldo đồng thời cũng đang là thành viên của Phòng nghiên cứu điện tử MIT, Phòng công nghệ các hệ thống vi mô và Viện Kỹ nghệ nano quân sự. Mapel, Currie và Goffri đang lập công ty có tên gọi Covalent Solar nhằm khai thác và thương mại hóa công nghệ mới này. Hồi đầu năm nay, Covalent Solar đã giành được hai giải thưởng giá trị $100K trong cuộc thi Entrepreneurship Competition. Công ty giành được khoản đầu tư đầu tiên là 20 000 Mỹ kim và giành được giải thưởng Audience Judging Award trị giá 10 000 Mỹ kim.

• Marc Baldo thuyết trình về các miếng tập kết năng lượng mặt trời kiểu mới, xem video:http://techtv.mit.edu/file/get/Newsoffice-MarkBaldoDiscussesMITsSolarConcentrator690.mov