Powering Planet Earth: Energy Solutions for the Future

Có thể bạn quan tâm

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 7: Energy from the Sun – Chương 7: Năng lượng từ Mặt trời (Phần 1)

Các nhà khoa học được gọi để thấy những gì mà tất cả mọi người đều đã thấy và để nghĩ những gì mà chưa có ai nghĩ tới.

Scientists are called to see what everyone has already seen and to think what nobody has yet thought of. -Albert Szent-Gyorgyi-

Phi thuyền Trái đất không phải là một hệ thống cô lập. Trái đất phải đáp ứng các nhu cầu của phi hành đoàn với tất cả nguồn tài nguyên (nguồn không tái tạo) được chứa đựng ở bên trong. Tuy nhiên, Trái đất cũng được hưởng một lợi ích to lớn khi quay quanh Mặt trời. Hành tinh của chúng ta liên tục nhận được nguồn năng lượng vô tận dưới dạng bức xạ điện từ – ánh sáng và nhiệt.

Chính nguồn năng lượng này đã giúp tái tạo một số nguồn tài nguyên cơ bản của Trái đất, như là các sản phẩm của thế giới thực vật (bao gồm cả oxy) thông qua quá trình quang hợp, và cùng với đó là toàn bộ các tháp thức ăn như: nước uống thông qua sự bốc hơi nước và theo sau là sự ngưng tụ (mưa), và gió được hình thành qua sự chênh lệch nhiệt độ (temperature gradients) làm di chuyển các khối khí lớn.

Các nhiên liệu hóa thạch cũng là một nguồn tài nguyên được tái tạo (renewed) liên tục bởi ánh sáng Mặt trời, bởi vì chúng là sản phẩm chuyển hóa từ quá trình quang hợp. Tuy nhiên trong thực tế với chúng ta, nhiên liệu hóa thạch là các nguồn tài nguyên không tái tạo vì sự hình thành (về mặt địa chất) đòi hỏi một khoảng thời gian dài hơn hàng triệu lần so với thời gian cần thiết để tiêu thụ chúng.

Năng lượng Mặt trời rất dồi dào. Chỉ trong ít hơn 1 giờ đồng hồ, Trái đất nhận từ Mặt trời một lượng năng lượng tương đương với lượng năng lượng tiêu thụ hàng năm của cả thế giới. Năng lượng Mặt trời, không giống như năng lượng hóa thạch, có mặt ở khắp nơi trên hành tinh này, mặc dù với sự khác nhau đáng kể tùy thuộc vào vĩ độ của mỗi nơi. Và bởi vì Mặt trời sẽ còn chiếu sáng trong vài tỷ năm nữa, bên cạnh sự phong phú và được phân bố tốt, năng lượng Mặt trời cũng là nguồn tài nguyên không thể cạn kiệt trong phạm vi thời gian của chúng ta.

Tuy nhiên, các đặc tính rất quan trọng này bị giảm đi bởi hai khuyết điểm: cường độ năng lượng Mặt trời mà Trái đất nhận được khá thấp và có tính gián đoạn ở mức độ khu vực, bởi vì năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chu kỳ ngày – đêm.

Lối sống hiện nay ở các nước phát triển đòi hỏi cường độ năng lượng trong khoảng từ 20 tới 100 W/m2 cho một hộ gia đình và từ 300 tới 900 W/m2 cho một nhà máy thép.

Xem thêm : Kim Ngưu Là Cung Gì? Đặc Điểm, Tính Cách Và Tình Yêu Của Cung Hoàng Đạo Kim Ngưu

Cường độ năng lượng Mặt trời trung bình vào khoảng 170 W/m2, tuy nhiên giá trị này bị giảm mạnh khi được chuyển thành dạng năng lượng có thể sử dụng. Do đó, có thể sẽ không bao giờ vận hành được các nhà máy thép cũng như các trung tâm sử dụng nhiều năng lượng khác – như bệnh viện chẳng hạn – với năng lượng từ ánh sáng Mặt trời trên mái nhà bị giảm dần đi trong ngày.

Do đó, dễ dàng nhận ra thử thách chính dành cho khoa học và công nghệ đó là làm sao dự trữ dòng năng lượng Mặt trời khổng lồ nhưng không tập trung này cho các nhu cầu sử dụng sau này với cường độ, địa điểm và thời gian mong muốn.

Chuyển đổi và khai thác ánh sáng Mặt trời

Như đã ghi chú ở trên, năng lượng sẽ trở nên hữu dụng hơn khi được tập trung (nhưng không quá tập trung, vì có thể trở nên nguy hại), có thể được dự trữ và vận chuyển. Lý do đơn giản là:

1) Năng lượng ở dạng tập trung là đòi hỏi bắt buộc để đáp ứng các nhu cầu của các công trình kiến trúc lớn và phức tạp.

2) Nếu có thể dự trữ, năng lượng có thể được tích lũy và sẵn sàng cho sử dụng.

3) Nếu có thể vận chuyển được, năng lượng có thể được sử dụng ở những nơi khác ngoài nơi mà trữ lượng được tích trữ. Trong trường hợp vận chuyển đường dài, nhất là bằng đường hàng không hoặc đường biển, năng lượng ở dạng có thể vận chuyển là điều cực kỳ cần thiết.

Các chất dễ cháy, chẳng hạn như nhiên liệu hóa thạch, đáp ứng cả ba yêu cầu trên, mặc dù ở các mức độ khác nhau. Điện đáp ứng được yêu cầu thứ nhất và thứ ba – yêu cầu thứ hai có thể được đáp ứng với các bình sạc hiệu quả hơn. Năng lượng nhiệt chỉ đáp ứng được tối đa yêu cầu thứ nhất, khi ở dạng nhiệt có nhiệt độ cao.

Năng lượng Mặt trời có thể được chuyển đổi về dạng năng lượng nhiệt có nhiệt độ thấp, và mặc dù không phải là không thể, nhưng tuy vậy rất khó để chuyển năng lượng mặt trời về dạng nhiệt có nhiệt độ cao, năng lượng điện, và thậm chí là khó hơn để trở về dạng năng lượng nhiên liệu.

Từ ánh sáng thành Nhiệt

Việc chuyển đổi năng lượng mặt trời về dạng năng lượng nhiệt ở nhiệt độ thấp có thể đạt được khi sử dụng các tấm pin mặt trời (solar panels), không nên nhầm lẫn với các tấm pin quang điện (photovoltaic panels) được sử dụng cho việc phát điện (các tấm pin quang điện sẽ được thảo luận sau). Các tấm pin mặt trời này hoạt động như là các trạm thu nhiệt trong đó một dung dịch chảy trong các ống bằng đồng được đốt nóng bởi ánh sáng Mặt trời và sau đó được sử dụng để trao đổi nhiệt với một bình chứa nước (Hình 18).

Ở vĩ độ của nước Ý, một tấm pin mặt trời khoảng 3 m2 là đủ để cung cấp nước nóng cho một gia đình trung bình gồm 4 người. Với các bề mặtlớn hơn, pin mặt trời có thể cung cấp nhiệt cho hệ thống sưởi của các tòa nhà lớn.

Thời gian sử dụng của một tấm pin mặt trời ít nhất là 30 năm, cần ít bảo dưỡng, và trong vòng 2 năm có thể tạo ra một lượng năng lượng tương đương với năng lượng cần dùng để chế tạo ra chúng. Những tấm pin như vậy đơn giản, đảm bảo và không đắt đỏ do được hỗ trợ thúc đẩy bởi nhiều Chính phủ. Ở một số khu vực của Châu Âu, các luật của địa phương yêu cầu các nhà lắp ghép mới xây phải lắp đặt các tấm pin mặt trời (không phải pin quang điện).

Ở thời điểm cuối năm 2011, năng lượng thu được từ việc lắp đặt các tấm pin mặt trời trên toàn thế giới đạt 232 GW, tăng 20% so với năm trước. Trong năm 2010, diện tích các tấm thu năng lượng Mặt trời được lắp đặt ở riêng Trung Quốc đã đạt tới 150 km2 (gần tương đương với diện tích thành phố Milan) – và được trông đợi sẽ tăng gấp đôi vào năm 2020.

Việc sử dụng các tấm pin mặt trời, một cách gián tiếp, cũng giúp tiết kiệm điện. Cần lưu ý rằng các gia đình ngày nay sử dụng một lượng lớn điện năng để làm nóng nước cho máy giặt, máy rửa bát, buồng tắm và các loại tương tự.

Việc sử dụng pin mặt trời vào việc làm làm nóng nước trong các gia đình ở Ý vẫn còn ở mức thấp đáng thất vọng. Trong năm 2011, diện tích được trang bị pin mặt trời trên mỗi người dân Ý thấp hơn 15 lần so với ở nước Áo nơi lạnh hơn (colder Austria) và thấp hơn 11 lần so với Hy Lạp. Điều đáng chú ý là phần lớn việc lắp đặt pin mặt trời ở Ý được thực hiện ở khu vực Nam Tyrol (Alps thuộc Ý), và không có ở vùng miền Nam nhiều nắng. Trên thực tế, nước nóng dùng cho các nhà tắm ở các khu nghỉ dưỡng của Ý lại hầu như luôn thu được từ việc đốt khí propane hóa lỏng (liquid propane gas – LPG). Đây là triệu chứng của một đất nước hoàn toàn bất lực hoặc không có thiện chí về mặt chính trị để hướng tới tương lai.

Hết phần 1 – Chương 7 (còn tiếp)

Người dịch: Đoàn Công Điển

Biên tập: Phạm Thu Hường & Đào Thu Hằng

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes.

Nguồn: https://luatduonggia.edu.vn
Danh mục: Tổng hợp