Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến các nguồn năng lượng thay thế. Dầu và khí đốt sớm muộn gì cũng sẽ cạn kiệt, vì vậy chúng ta phải nghĩ xem chúng ta sẽ tồn tại như thế nào trong hoàn cảnh hiện tại. Cối xay gió được sử dụng tích cực ở châu Âu, ai đó đang cố gắng khai thác năng lượng từ đại dương, và chúng ta sẽ nói về năng lượng mặt trời. Rốt cuộc, một ngôi sao mà chúng ta nhìn thấy hầu như hàng ngày trên bầu trời có thể giúp chúng ta tiết kiệm tài nguyên không thể tái tạo và cải thiện môi trường. Giá trị của mặt trời đối với Trái đất là rất khó để đánh giá quá cao - nó cung cấp nhiệt, ánh sáng và cho phép tất cả sự sống trên hành tinh hoạt động. Vậy tại sao không tìm một công dụng khác cho nó?
Một chút lịch sử
Vào giữa thế kỷ 19, nhà vật lý Alexander Edmond Becquerel đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện. Và đến cuối thế kỷ này, Charles Fritts đã tạo ra thiết bị đầu tiên có khả năng biến quang năng thành điện năng. Để làm được điều này, người ta đã sử dụng selen phủ một lớp vàng mỏng. Hiệu ứng yếu, nhưng phát minh này thường gắn liền với sự khởi đầu của kỷ nguyên năng lượng mặt trời. Một số học giả không đồng ý với công thức này. Họ gọi người sáng lập kỷ nguyên năng lượng mặt trời là nhà bác học nổi tiếng thế giới Albert Einstein. Năm 1921năm ông nhận giải Nobel vì đã giải thích các định luật của hiệu ứng quang điện ngoài.
Có vẻ như năng lượng mặt trời là một cách phát triển đầy hứa hẹn. Nhưng có rất nhiều trở ngại để nó xâm nhập vào mọi nhà - chủ yếu là kinh tế và môi trường. Điều gì tạo nên giá thành của các tấm pin mặt trời, tác hại của chúng đối với môi trường và những cách khác để tạo ra năng lượng, chúng ta sẽ tìm hiểu bên dưới.
Phương thức tiết kiệm
Nhiệm vụ cấp bách nhất liên quan đến việc thuần hóa năng lượng của mặt trời không chỉ là sự tiếp nhận mà còn là sự tích tụ của nó. Và đó là điều khó khăn nhất. Hiện tại, các nhà khoa học mới chỉ phát triển 3 cách để chế ngự hoàn toàn năng lượng mặt trời.
Đầu tiên là dựa trên việc sử dụng một chiếc gương parabol và hơi giống với một chiếc kính lúp, vật dụng quen thuộc với mọi người từ khi còn nhỏ. Ánh sáng đi qua thấu kính, tụ lại tại một điểm. Nếu bạn đặt một mảnh giấy ở nơi này, nó sẽ sáng lên, bởi vì nhiệt độ của những tia nắng mặt trời giao nhau cao đến mức khó tin. Một gương parabol là một đĩa lõm giống như một cái bát cạn. Gương này, không giống như kính lúp, không truyền mà phản xạ ánh sáng mặt trời, thu ánh sáng mặt trời tại một điểm, thường hướng đến một đường ống đen có nước. Màu này được sử dụng vì nó hấp thụ ánh sáng tốt nhất. Nước trong ống được làm nóng bằng ánh sáng mặt trời và có thể được sử dụng để tạo ra điện hoặc sưởi ấm những ngôi nhà nhỏ.
Máy sưởi phẳng
Phương pháp này sử dụngmột hệ thống hoàn toàn khác. Bộ thu năng lượng mặt trời trông giống như một cấu trúc nhiều lớp. Nguyên lý hoạt động của nó trông như thế này.
Đi qua kính, các tia chiếu vào kim loại bị tối, như bạn đã biết, sẽ hấp thụ ánh sáng tốt hơn. Bức xạ mặt trời biến thành nhiệt năng và làm nóng nước nằm dưới tấm sắt. Hơn nữa, mọi thứ diễn ra như trong phương pháp đầu tiên. Nước nóng có thể được sử dụng để sưởi ấm không gian hoặc để tạo ra năng lượng điện. Đúng là hiệu quả của phương pháp này không cao để có thể sử dụng ở mọi nơi.
Theo quy luật, năng lượng mặt trời thu được theo cách này là nhiệt. Để tạo ra điện, phương pháp thứ ba thường được sử dụng hơn nhiều.
Pin mặt trời
Hầu hết chúng ta đều quen thuộc với cách thu năng lượng này. Nó liên quan đến việc sử dụng các loại pin hoặc tấm pin mặt trời khác nhau, có thể được tìm thấy trên mái của nhiều ngôi nhà hiện đại. Phương pháp này phức tạp hơn so với mô tả trước đây, nhưng có nhiều hứa hẹn hơn. Chính anh ấy là người có thể chuyển đổi quang năng thành điện năng ở quy mô công nghiệp.
Tấm đặc biệt được thiết kế để bắt tia được làm từ các tinh thể silicon đã được làm giàu. Ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng, đánh bật electron ra khỏi quỹ đạo. Một cái khác ngay lập tức cố gắng thay thế vị trí của nó, do đó có được một chuỗi chuyển động liên tục, tạo ra một dòng điện. Nếu cần thiết, nó ngay lập tức được sử dụng để cung cấp thiết bị hoặc tích lũy dưới dạngđiện trong pin đặc biệt.
Sự phổ biến của phương pháp này được chứng minh bởi thực tế là nó cho phép bạn thu được hơn 120 watt chỉ từ một mét vuông tấm pin mặt trời. Đồng thời, các tấm có độ dày tương đối nhỏ, cho phép đặt chúng ở hầu hết mọi nơi.
Các loại tấm silicon
Có một số loại pin mặt trời. Loại đầu tiên được làm bằng silicon đơn tinh thể. Hiệu suất của chúng là khoảng 15%. Những tấm pin mặt trời này là đắt nhất.
Hiệu suất của các phần tử làm bằng silicon đa tinh thể đạt 11%. Chúng có chi phí thấp hơn, vì vật liệu cho chúng được lấy bằng công nghệ đơn giản hóa. Loại thứ ba là loại kinh tế nhất và có hiệu quả tối thiểu. Đây là những tấm được làm bằng silicon vô định hình, tức là không kết tinh. Ngoài hiệu quả thấp, chúng còn có một nhược điểm đáng kể khác - dễ vỡ.
Một số nhà sản xuất sử dụng cả hai mặt của bảng điều khiển năng lượng mặt trời để tăng hiệu quả - mặt sau và mặt trước. Điều này cho phép bạn thu nhận ánh sáng với khối lượng lớn và tăng lượng năng lượng nhận được lên 15-20%.
Nhà sản xuất trong nước
Năng lượng mặt trời trên Trái đất đang trở nên phổ biến hơn. Ngay ở nước ta, họ cũng đang muốn theo học ngành này. Mặc dù thực tế là việc phát triển năng lượng thay thế không mấy tích cực ở Nga, nhưng một số thành công đã đạt được. Hiện tại, một số tổ chức đang tham gia vào việc tạo ra các tấm pin cho năng lượng mặt trời - chủ yếu làcác viện khoa học thuộc nhiều lĩnh vực và nhà máy sản xuất thiết bị điện.
- NPF "Kvark".
- OJSC Kovrov.
- Viện Nghiên cứu Điện khí hóa Nông nghiệp Toàn Nga.
- NGO Engineering.
- ÁO VIÊN.
- OJSC "Nhà máy Ryazan của các thiết bị kim loại-gốm".
- Công ty cổ phần Pravdinsky Nhà máy thí điểm về nguồn điện Pozit.
Nhà máy cơ khí
Đây chỉ là một phần nhỏ trong số các doanh nghiệp tích cực tham gia vào việc phát triển năng lượng thay thế ở Nga.
Tác động môi trường
Việc từ chối các nguồn năng lượng từ than và dầu không chỉ liên quan đến việc các nguồn này sớm hay muộn sẽ cạn kiệt. Thực tế là chúng gây hại rất nhiều cho môi trường - chúng gây ô nhiễm đất, không khí và nước, góp phần phát triển bệnh tật ở người và giảm khả năng miễn dịch. Đó là lý do tại sao các nguồn năng lượng thay thế phải thân thiện với môi trường.
Silicon, được sử dụng để sản xuất tế bào quang điện, bản thân nó rất an toàn vì nó là vật liệu tự nhiên. Nhưng sau khi làm sạch nó, chất thải vẫn còn. Chúng là những chất có thể gây hại cho con người và môi trường nếu sử dụng không đúng cách.
Ngoài ra, trong một khu vực hoàn toàn bằng các tấm pin mặt trời, ánh sáng tự nhiên có thể bị gián đoạn. Điều này sẽ dẫn đến những thay đổi trong hệ sinh thái hiện có. Nhưng nhìn chung, tác động môi trường của các thiết bị được thiết kế để chuyển đổi năng lượng mặt trời là rất ít.
Kinh tế
Chi phí lớn nhất để sản xuất các tấm pin mặt trời có liên quan đến chi phí nguyên liệu thô cao. Như chúng ta đã tìm hiểu, các tấm đặc biệt được tạo ra bằng cách sử dụng silicon. Mặc dù thực tế là khoáng chất này phân bố rộng rãi trong tự nhiên, có những vấn đề lớn liên quan đến việc khai thác nó. Thực tế là silicon, chiếm hơn một phần tư khối lượng của vỏ trái đất, không thích hợp để sản xuất pin mặt trời. Đối với những mục đích này, chỉ vật liệu tinh khiết nhất thu được bằng phương pháp công nghiệp là phù hợp. Thật không may, việc lấy silicon tinh khiết nhất từ cát là một vấn đề cực kỳ khó khăn.
Giá của tài nguyên này có thể so sánh với uranium được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân. Đó là lý do tại sao giá thành của các tấm pin mặt trời hiện vẫn ở mức khá cao.
Công nghệ hiện đại
Những nỗ lực đầu tiên để chế ngự năng lượng mặt trời đã xuất hiện cách đây rất lâu. Kể từ đó, nhiều nhà khoa học đã tích cực tham gia vào việc tìm kiếm các thiết bị hiệu quả nhất. Nó không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn phải nhỏ gọn. Hiệu quả của nó nên được cố gắng ở mức tối đa.
Những bước đầu tiên hướng tới một thiết bị lý tưởng để nhận và chuyển đổi năng lượng mặt trời đã được thực hiện với sự phát minh ra pin silicon. Tất nhiên, giá cả khá cao, nhưng các tấm có thể được đặt trên mái nhà và tường nhà, nơi chúng sẽ không làm phiền bất cứ ai. Và hiệu quả của những loại pin như vậy là không thể phủ nhận.
Nhưng cách tốt nhất để tăng sự phổ biến của năng lượng mặt trời là làm cho nó rẻ hơn. Các nhà khoa học Đức đã đề xuất thay thế silicon bằng sợi tổng hợp có thể được tích hợp vàovải hoặc các vật liệu khác. Hiệu suất của pin năng lượng mặt trời như vậy không cao lắm. Nhưng một chiếc áo xen kẽ với sợi tổng hợp ít nhất có thể cung cấp điện cho điện thoại thông minh hoặc đầu đĩa. Công việc cũng đang được tiến hành tích cực trong lĩnh vực công nghệ nano. Có khả năng chúng sẽ cho phép mặt trời trở thành nguồn năng lượng phổ biến nhất trong thế kỷ này. Các chuyên gia Scates của AS từ Na Uy đã tuyên bố rằng công nghệ nano sẽ làm giảm chi phí của các tấm pin mặt trời xuống 2 lần.
Năng lượng mặt trời cho ngôi nhà
Nhà ở tự duy trì là ước mơ của nhiều người: không phụ thuộc vào hệ thống sưởi tập trung, không gặp vấn đề khi thanh toán hóa đơn và không gây hại cho môi trường. Hiện nay, nhiều quốc gia đang tích cực xây dựng nhà ở chỉ tiêu thụ năng lượng thu được từ các nguồn thay thế. Một ví dụ nổi bật là cái gọi là ngôi nhà năng lượng mặt trời.
Trong quá trình xây dựng sẽ cần đầu tư nhiều hơn so với cách làm truyền thống. Nhưng sau vài năm hoạt động, tất cả các chi phí sẽ được trả hết - bạn sẽ không phải trả tiền sưởi ấm, nước nóng và điện. Trong một ngôi nhà năng lượng mặt trời, tất cả các thông tin liên lạc này được gắn với các tấm quang điện đặc biệt đặt trên mái nhà. Hơn nữa, các nguồn năng lượng thu được theo cách này không chỉ được sử dụng cho các nhu cầu hiện tại mà còn được tích lũy để sử dụng vào ban đêm và khi trời nhiều mây.
Hiện nay, việc xây dựng những ngôi nhà như vậy không chỉ được thực hiện ở các nước gần đường xích đạo, nơi dễ thu được năng lượng mặt trời nhất. Chúng cũng được dựng lên ởCanada, Phần Lan và Thụy Điển.
Ưu và nhược điểm
Sự phát triển của các công nghệ cho phép sử dụng năng lượng mặt trời ở mọi nơi có thể năng động hơn. Nhưng có những lý do nhất định khiến điều này vẫn chưa được ưu tiên. Như chúng tôi đã nói ở trên, trong quá trình sản xuất tấm panel sẽ sinh ra các chất có hại cho môi trường. Ngoài ra, thiết bị hoàn thiện có chứa gali, asen, cadmium và chì.
Nhu cầu tái chế các tấm quang điện cũng đặt ra nhiều câu hỏi. Sau 50 năm hoạt động, chúng sẽ không thể sử dụng được nữa và sẽ phải tiêu hủy bằng cách nào đó. Nó sẽ gây ra những tác hại to lớn cho thiên nhiên? Cũng cần xem xét rằng năng lượng mặt trời là một nguồn tài nguyên hay thay đổi, hiệu quả của nó phụ thuộc vào thời gian trong ngày và thời tiết. Và đây là một nhược điểm đáng kể.
Nhưng, tất nhiên, có những điểm cộng. Năng lượng mặt trời có thể được khai thác ở hầu hết mọi nơi trên Trái đất và thiết bị để sản xuất và chuyển đổi nó có thể đủ nhỏ để vừa với mặt sau của điện thoại thông minh. Quan trọng hơn, nó là một nguồn tài nguyên tái tạo, tức là lượng năng lượng mặt trời sẽ không thay đổi trong ít nhất một nghìn năm nữa.
Triển vọng
Sự phát triển của công nghệ trong lĩnh vực năng lượng mặt trời sẽ dẫn đến giảm chi phí tạo ra các nguyên tố. Các tấm kính đã xuất hiện có thể được cài đặt trên các cửa sổ. Sự phát triển của công nghệ nano đã giúp chúng ta có thể phát minh ra một loại sơn sẽ được phun lên các tấm pin mặt trời và có thể thay thế lớp silicon. Nếu chi phí năng lượng mặt trời thực sự giảm xuống vài lần, thì mức độ phổ biến của nó cũng sẽ tăng lên gấp nhiều lần.
Việc tạo ra các tấm pin nhỏ để sử dụng cá nhân sẽ cho phép mọi người sử dụng năng lượng mặt trời trong bất kỳ môi trường nào - ở nhà, trong xe hơi hoặc thậm chí bên ngoài thành phố. Nhờ sự phân bổ của chúng, tải trên lưới điện tập trung sẽ giảm xuống, vì mọi người sẽ có thể tự sạc các thiết bị điện tử nhỏ.
Các chuyên gia của Shell tin rằng vào năm 2040, khoảng một nửa năng lượng trên thế giới sẽ được tạo ra từ các nguồn tài nguyên tái tạo. Hiện đã có mặt ở Đức, việc tiêu thụ năng lượng mặt trời đang gia tăng tích cực và năng lượng pin là hơn 35 Gigawatts. Nhật Bản cũng đang tích cực phát triển ngành này. Đây là hai quốc gia đứng đầu về tiêu thụ năng lượng mặt trời trên thế giới. Hoa Kỳ có thể sẽ sớm tham gia cùng họ.
Các nguồn năng lượng thay thế khác
Các nhà khoa học không ngừng phân vân xem những gì khác có thể được sử dụng để tạo ra điện hoặc nhiệt. Dưới đây là ví dụ về các nguồn năng lượng thay thế hứa hẹn nhất.
Cối xay gió hiện có thể được tìm thấy ở hầu hết mọi quốc gia. Thậm chí, trên các đường phố ở nhiều thành phố của Nga, những chiếc đèn lồng được lắp đặt tự cung cấp điện từ năng lượng gió. Chắc chắn giá thành của chúng cao hơn mức trung bình, nhưng theo thời gian chúng sẽ bù đắp cho sự chênh lệch này.
Cách đây khá lâu, một công nghệ đã được phát minh cho phép bạn sử dụng năng lượngsự khác biệt về nhiệt độ nước ở bề mặt đại dương và ở độ sâu. Trung Quốc đang tích cực phát triển theo hướng này. Trong những năm tới, ngoài khơi Trung Quốc, họ sẽ xây dựng nhà máy điện lớn nhất hoạt động trên công nghệ này. Có nhiều cách khác để sử dụng biển. Ví dụ: ở Úc, họ có kế hoạch tạo ra một nhà máy điện tạo ra năng lượng từ lực của dòng điện.
Có nhiều cách khác để tạo ra điện hoặc nhiệt. Nhưng trong bối cảnh của nhiều lựa chọn khác, năng lượng mặt trời thực sự là một hướng đi đầy hứa hẹn trong sự phát triển của khoa học.
