Năng lượng mặt trời là bất kỳ loại năng lượng nào được tạo ra bởi mặt trời.

Năng lượng mặt trời được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra dưới ánh mặt trời.Sự nhiệt hạch xảy ra khi các proton của nguyên tử hydro va chạm dữ dội trong lõi mặt trời và hợp nhất để tạo ra nguyên tử helium.

Quá trình này, được gọi là phản ứng dây chuyền PP (proton-proton), phát ra một lượng năng lượng khổng lồ.Trong lõi của nó, mặt trời tổng hợp khoảng 620 triệu tấn hydro mỗi giây.Phản ứng dây chuyền PP xảy ra ở các ngôi sao khác có kích thước tương đương mặt trời của chúng ta và cung cấp cho chúng năng lượng và nhiệt liên tục.Nhiệt độ của những ngôi sao này là khoảng 4 triệu độ trên thang Kelvin (khoảng 4 triệu độ C, 7 triệu độ F).

Ở những ngôi sao lớn hơn mặt trời khoảng 1,3 lần, chu trình CNO thúc đẩy quá trình tạo ra năng lượng.Chu trình CNO cũng chuyển đổi hydro thành heli, nhưng dựa vào carbon, nitơ và oxy (C, N và O) để thực hiện việc này.Hiện tại, chưa đến 2% năng lượng của mặt trời được tạo ra bởi chu trình CNO.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân bằng phản ứng dây chuyền PP hoặc chu trình CNO giải phóng lượng năng lượng cực lớn dưới dạng sóng và hạt.Năng lượng mặt trời liên tục chảy ra khỏi mặt trời và khắp hệ mặt trời.Năng lượng mặt trời làm ấm Trái đất, tạo ra gió và thời tiết, đồng thời duy trì đời sống thực vật và động vật.

Năng lượng, nhiệt và ánh sáng từ mặt trời truyền đi dưới dạng bức xạ điện từ (EMR).

Phổ điện từ tồn tại dưới dạng sóng có tần số và bước sóng khác nhau.Tần số của sóng biểu thị số lần sóng lặp lại trong một đơn vị thời gian nhất định.Sóng có bước sóng rất ngắn lặp lại nhiều lần trong một đơn vị thời gian nhất định nên chúng có tần số cao.Ngược lại, sóng tần số thấp có bước sóng dài hơn nhiều.

Phần lớn sóng điện từ là vô hình đối với chúng ta.Các sóng tần số cao nhất do mặt trời phát ra là tia gamma, tia X và tia cực tím (tia UV).Các tia UV có hại nhất gần như bị bầu khí quyển Trái đất hấp thụ hoàn toàn.Tia UV ít mạnh hơn sẽ truyền qua khí quyển và có thể gây cháy nắng.

Mặt trời cũng phát ra bức xạ hồng ngoại, sóng có tần số thấp hơn nhiều.Hầu hết nhiệt từ mặt trời đến dưới dạng năng lượng hồng ngoại.

Bị kẹp giữa tia hồng ngoại và tia cực tím là quang phổ nhìn thấy được, chứa tất cả các màu sắc chúng ta nhìn thấy trên Trái đất.Màu đỏ có bước sóng dài nhất (gần tia hồng ngoại nhất) và màu tím (gần tia UV nhất) ngắn nhất.

Năng lượng mặt trời tự nhiên

Hiệu ứng nhà kính
Các sóng hồng ngoại, nhìn thấy và tia cực tím tới Trái đất tham gia vào quá trình làm nóng hành tinh và tạo ra sự sống - cái gọi là “hiệu ứng nhà kính”.

Khoảng 30% năng lượng mặt trời tới Trái đất sẽ bị phản xạ trở lại không gian.Phần còn lại được hấp thụ vào bầu khí quyển của Trái đất.Bức xạ làm nóng bề mặt Trái đất và bề mặt tỏa ra một phần năng lượng trở lại dưới dạng sóng hồng ngoại.Khi chúng bay lên trong bầu khí quyển, chúng bị chặn lại bởi các khí nhà kính, chẳng hạn như hơi nước và carbon dioxide.

Khí nhà kính giữ nhiệt phản xạ ngược vào khí quyển.Bằng cách này, chúng hoạt động giống như những bức tường kính của nhà kính.Hiệu ứng nhà kính này giữ cho Trái đất đủ ấm để duy trì sự sống.

quang hợp
Hầu như tất cả sự sống trên Trái đất đều dựa vào năng lượng mặt trời để làm thức ăn, trực tiếp hoặc gián tiếp.

Các nhà sản xuất phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng mặt trời.Chúng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa nó thành chất dinh dưỡng thông qua một quá trình gọi là quang hợp.Các nhà sản xuất, còn được gọi là sinh vật tự dưỡng, bao gồm thực vật, tảo, vi khuẩn và nấm.Sinh vật tự dưỡng là nền tảng của lưới thức ăn.

Người tiêu dùng phụ thuộc vào nhà sản xuất về chất dinh dưỡng.Động vật ăn cỏ, động vật ăn thịt, động vật ăn tạp và động vật ăn mảnh vụn phụ thuộc vào năng lượng mặt trời một cách gián tiếp.Động vật ăn cỏ ăn thực vật và các sinh vật sản xuất khác.Động vật ăn thịt và động vật ăn tạp ăn cả động vật sản xuất và động vật ăn cỏ.Động vật ăn mảnh vụn phân hủy thực vật và động vật bằng cách tiêu thụ nó.

Nhiên liệu hóa thạch
Quang hợp cũng chịu trách nhiệm tạo ra tất cả các nhiên liệu hóa thạch trên Trái đất.Các nhà khoa học ước tính rằng khoảng ba tỷ năm trước, các sinh vật tự dưỡng đầu tiên đã tiến hóa trong môi trường nước.Ánh sáng mặt trời cho phép đời sống thực vật phát triển và phát triển.Sau khi sinh vật tự dưỡng chết đi, chúng phân hủy và di chuyển sâu hơn vào Trái đất, đôi khi hàng nghìn mét.Quá trình này tiếp tục trong hàng triệu năm.

Dưới áp suất cao và nhiệt độ cao, những tàn tích này trở thành thứ mà chúng ta gọi là nhiên liệu hóa thạch.Vi sinh vật trở thành dầu mỏ, khí đốt tự nhiên và than đá.

Con người đã phát triển các quy trình khai thác các nhiên liệu hóa thạch này và sử dụng chúng làm năng lượng.Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên không thể tái tạo.Chúng phải mất hàng triệu năm để hình thành.

Khai thác năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên có thể tái tạo và nhiều công nghệ có thể khai thác nó trực tiếp để sử dụng trong gia đình, doanh nghiệp, trường học và bệnh viện.Một số công nghệ năng lượng mặt trời bao gồm tế bào và tấm quang điện, năng lượng mặt trời tập trung và kiến ​​trúc mặt trời.

Có nhiều cách khác nhau để thu bức xạ mặt trời và chuyển đổi nó thành năng lượng có thể sử dụng được.Các phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời chủ động hoặc năng lượng mặt trời thụ động.

Công nghệ năng lượng mặt trời tích cực sử dụng các thiết bị điện hoặc cơ khí để chủ động chuyển đổi năng lượng mặt trời thành dạng năng lượng khác, thường là nhiệt hoặc điện.Công nghệ năng lượng mặt trời thụ động không sử dụng bất kỳ thiết bị bên ngoài nào.Thay vào đó, chúng tận dụng khí hậu địa phương để sưởi ấm các công trình trong mùa đông và phản xạ nhiệt trong mùa hè.

quang điện

Quang điện là một dạng công nghệ năng lượng mặt trời hoạt động được phát hiện vào năm 1839 bởi nhà vật lý 19 tuổi người Pháp Alexandre-Edmond Becquerel.Becquerel phát hiện ra rằng khi ông cho bạc clorua vào dung dịch axit và phơi nó dưới ánh sáng mặt trời, các điện cực bạch kim gắn vào nó sẽ tạo ra một dòng điện.Quá trình tạo ra điện trực tiếp từ bức xạ mặt trời này được gọi là hiệu ứng quang điện hay quang điện.

Ngày nay, quang điện có lẽ là cách quen thuộc nhất để khai thác năng lượng mặt trời.Mảng quang điện thường bao gồm các tấm pin mặt trời, một tập hợp hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm pin mặt trời.

Mỗi pin mặt trời chứa một chất bán dẫn, thường được làm bằng silicon.Khi chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng mặt trời, nó sẽ đánh bật các electron.Một điện trường hướng các electron lỏng lẻo này thành một dòng điện chạy theo một hướng.Các điểm tiếp xúc kim loại ở phía trên và phía dưới của pin mặt trời hướng dòng điện đó tới một vật thể bên ngoài.Vật thể bên ngoài có thể nhỏ như một máy tính chạy bằng năng lượng mặt trời hoặc lớn như một nhà máy điện.

Quang điện lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi trên tàu vũ trụ.Nhiều vệ tinh, bao gồm cả Trạm vũ trụ quốc tế (ISS), có những “cánh” phản chiếu rộng của các tấm pin mặt trời.ISS có hai cánh mảng năng lượng mặt trời (SAW), mỗi cánh sử dụng khoảng 33.000 pin mặt trời.Những tế bào quang điện này cung cấp toàn bộ điện cho ISS, cho phép các phi hành gia vận hành trạm, sống an toàn trong không gian hàng tháng trời và tiến hành các thí nghiệm khoa học và kỹ thuật.

Các nhà máy quang điện đã được xây dựng trên khắp thế giới.Các trạm lớn nhất là ở Hoa Kỳ, Ấn Độ và Trung Quốc.Những nhà máy điện này phát ra hàng trăm megawatt điện, được sử dụng để cung cấp cho gia đình, doanh nghiệp, trường học và bệnh viện.

Công nghệ quang điện cũng có thể được lắp đặt ở quy mô nhỏ hơn.Các tấm pin mặt trời và pin mặt trời có thể được gắn cố định vào mái nhà hoặc tường bên ngoài của các tòa nhà, cung cấp điện cho cấu trúc.Chúng có thể được đặt dọc theo các con đường tới đường cao tốc có đèn chiếu sáng.Pin mặt trời đủ nhỏ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhỏ hơn, chẳng hạn như máy tính, đồng hồ đỗ xe, máy nén rác và máy bơm nước.

Năng lượng mặt trời tập trung

Một loại công nghệ năng lượng mặt trời tích cực khác là năng lượng mặt trời tập trung hoặc năng lượng mặt trời tập trung (CSP).Công nghệ CSP sử dụng thấu kính và gương để tập trung (tập trung) ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng lớn vào một khu vực nhỏ hơn nhiều.Vùng bức xạ cường độ cao này làm nóng chất lỏng, từ đó tạo ra điện hoặc cung cấp nhiên liệu cho một quá trình khác.

Lò năng lượng mặt trời là một ví dụ về năng lượng mặt trời tập trung.Có nhiều loại lò năng lượng mặt trời khác nhau, bao gồm tháp năng lượng mặt trời, máng parabol và gương phản xạ Fresnel.Họ sử dụng cùng một phương pháp chung để thu giữ và chuyển đổi năng lượng.

Tháp năng lượng mặt trời sử dụng kính định nhật, gương phẳng quay theo vòng cung của mặt trời trên bầu trời.Các gương được bố trí xung quanh một “tháp thu” trung tâm và phản chiếu ánh sáng mặt trời thành một tia sáng tập trung chiếu vào một tiêu điểm trên tháp.

Trong các thiết kế tháp năng lượng mặt trời trước đây, ánh sáng mặt trời tập trung làm nóng một thùng chứa nước, tạo ra hơi nước chạy bằng tua-bin.Gần đây, một số tháp năng lượng mặt trời sử dụng natri lỏng, có công suất nhiệt cao hơn và giữ nhiệt trong thời gian dài hơn.Điều này có nghĩa là chất lỏng không chỉ đạt nhiệt độ từ 773 đến 1.273K (500° đến 1.000° C hoặc 932° đến 1.832° F) mà nó còn có thể tiếp tục đun sôi nước và tạo ra điện ngay cả khi mặt trời không chiếu sáng.

Máng parabol và gương phản xạ Fresnel cũng sử dụng CSP, nhưng gương của chúng có hình dạng khác nhau.Gương parabol được uốn cong, có hình dáng giống chiếc yên ngựa.Gương phản xạ Fresnel sử dụng các dải gương phẳng, mỏng để thu ánh sáng mặt trời và hướng nó vào một ống chất lỏng.Gương phản xạ Fresnel có diện tích bề mặt lớn hơn máng parabol và có thể tập trung năng lượng mặt trời lên khoảng 30 lần cường độ bình thường.

Các nhà máy điện mặt trời tập trung được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1980.Cơ sở lớn nhất thế giới là chuỗi nhà máy ở sa mạc Mojave thuộc bang California của Mỹ.Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời (SEGS) này tạo ra hơn 650 gigawatt giờ điện mỗi năm.Các nhà máy lớn và hiệu quả khác đã được phát triển ở Tây Ban Nha và Ấn Độ.

Năng lượng mặt trời tập trung cũng có thể được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn.Ví dụ, nó có thể tạo ra nhiệt cho bếp năng lượng mặt trời.Người dân ở các làng mạc trên khắp thế giới sử dụng bếp năng lượng mặt trời để đun sôi nước vệ sinh và nấu thức ăn.

Bếp năng lượng mặt trời mang lại nhiều ưu điểm so với bếp đốt củi: Chúng không gây nguy hiểm hỏa hoạn, không tạo ra khói, không cần nhiên liệu và giảm mất môi trường sống trong các khu rừng nơi cây cối sẽ bị khai thác làm nhiên liệu.Bếp năng lượng mặt trời cũng cho phép dân làng dành thời gian cho giáo dục, kinh doanh, y tế hoặc gia đình trong khoảng thời gian trước đây được sử dụng để lấy củi.Bếp năng lượng mặt trời được sử dụng ở nhiều khu vực như Tchad, Israel, Ấn Độ và Peru.

Kiến trúc năng lượng mặt trời

Trong suốt một ngày, năng lượng mặt trời là một phần của quá trình đối lưu nhiệt, hay sự chuyển động của nhiệt từ không gian ấm hơn sang không gian mát hơn.Khi mặt trời mọc, nó bắt đầu làm nóng các vật thể và vật chất trên Trái đất.Trong suốt cả ngày, những vật liệu này hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời.Vào ban đêm, khi mặt trời lặn và bầu khí quyển nguội đi, các vật liệu sẽ giải phóng nhiệt trở lại bầu khí quyển.

Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động tận dụng quá trình sưởi ấm và làm mát tự nhiên này.

Các ngôi nhà và các tòa nhà khác sử dụng năng lượng mặt trời thụ động để phân phối nhiệt hiệu quả và không tốn kém.Tính toán “khối lượng nhiệt” của tòa nhà là một ví dụ về điều này.Khối lượng nhiệt của tòa nhà là phần lớn vật liệu được làm nóng suốt cả ngày.Ví dụ về khối lượng nhiệt của tòa nhà là gỗ, kim loại, bê tông, đất sét, đá hoặc bùn.Vào ban đêm, khối nhiệt sẽ giải phóng nhiệt trở lại phòng.Hệ thống thông gió hiệu quả—hành lang, cửa sổ và ống dẫn khí—phân phối không khí ấm áp và duy trì nhiệt độ trong nhà vừa phải, ổn định.

Công nghệ năng lượng mặt trời thụ động thường được tham gia vào việc thiết kế một tòa nhà.Ví dụ, trong giai đoạn lập kế hoạch xây dựng, kỹ sư hoặc kiến ​​trúc sư có thể căn chỉnh tòa nhà theo đường đi hàng ngày của mặt trời để nhận được lượng ánh sáng mặt trời mong muốn.Phương pháp này tính đến vĩ độ, độ cao và độ che phủ mây điển hình của một khu vực cụ thể.Ngoài ra, các tòa nhà có thể được xây dựng hoặc trang bị thêm để có khả năng cách nhiệt, khối lượng nhiệt hoặc thêm bóng mát.

Các ví dụ khác về kiến ​​trúc năng lượng mặt trời thụ động là mái nhà mát mẻ, rào cản bức xạ và mái nhà xanh.Những mái nhà mát mẻ được sơn màu trắng và phản chiếu bức xạ mặt trời thay vì hấp thụ nó.Bề mặt màu trắng làm giảm lượng nhiệt truyền vào bên trong tòa nhà, từ đó làm giảm lượng năng lượng cần thiết để làm mát tòa nhà.

Rào cản bức xạ hoạt động tương tự như mái nhà mát mẻ.Chúng cung cấp vật liệu cách nhiệt bằng vật liệu có độ phản chiếu cao, chẳng hạn như lá nhôm.Giấy bạc phản chiếu nhiệt thay vì hấp thụ và có thể giảm chi phí làm mát tới 10%.Ngoài mái nhà và gác mái, rào chắn bức xạ cũng có thể được lắp đặt bên dưới sàn nhà.

Mái nhà xanh là mái nhà được bao phủ hoàn toàn bởi thảm thực vật.Chúng cần đất và nước tưới để hỗ trợ cây trồng và lớp chống thấm bên dưới.Mái nhà xanh không chỉ làm giảm lượng nhiệt hấp thụ hoặc mất đi mà còn cung cấp thảm thực vật.Thông qua quá trình quang hợp, thực vật trên mái nhà xanh hấp thụ carbon dioxide và thải ra oxy.Chúng lọc các chất ô nhiễm ra khỏi nước mưa và không khí, đồng thời bù đắp một số tác động của việc sử dụng năng lượng trong không gian đó.

Mái nhà xanh đã là truyền thống ở Scandinavia trong nhiều thế kỷ và gần đây đã trở nên phổ biến ở Úc, Tây Âu, Canada và Hoa Kỳ.Ví dụ, Công ty Ford Motor đã bao phủ 42.000 mét vuông (450.000 feet vuông) mái nhà máy lắp ráp ở Dearborn, Michigan bằng thảm thực vật.Ngoài việc giảm phát thải khí nhà kính, mái nhà còn giảm lượng nước mưa chảy tràn bằng cách hấp thụ lượng mưa vài cm.

Mái nhà xanh, mái mát cũng có thể chống lại hiệu ứng “đảo nhiệt đô thị”.Ở những thành phố đông đúc, nhiệt độ có thể luôn cao hơn các khu vực xung quanh.Có nhiều yếu tố góp phần vào việc này: Các thành phố được xây dựng bằng các vật liệu như nhựa đường và bê tông hấp thụ nhiệt;nhà cao tầng chặn gió và tác dụng làm mát của nó;và lượng nhiệt thải lớn được tạo ra bởi công nghiệp, giao thông và dân số đông đúc.Sử dụng không gian sẵn có trên mái nhà để trồng cây xanh hoặc phản xạ nhiệt bằng mái nhà màu trắng có thể giảm bớt phần nào sự gia tăng nhiệt độ cục bộ ở khu vực thành thị.

Năng lượng mặt trời và con người

Vì ánh sáng mặt trời chỉ chiếu sáng khoảng nửa ngày ở hầu hết các nơi trên thế giới nên công nghệ năng lượng mặt trời phải bao gồm các phương pháp lưu trữ năng lượng trong những giờ tối.

Hệ thống khối nhiệt sử dụng sáp parafin hoặc các dạng muối khác nhau để lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt.Hệ thống quang điện có thể gửi lượng điện dư thừa vào lưới điện địa phương hoặc lưu trữ năng lượng trong pin sạc.

Có rất nhiều ưu và nhược điểm khi sử dụng năng lượng mặt trời.

Thuận lợi
Một lợi thế lớn của việc sử dụng năng lượng mặt trời là nó là nguồn tài nguyên có thể tái tạo.Chúng ta sẽ có nguồn cung cấp ánh sáng mặt trời ổn định, vô hạn trong 5 tỷ năm nữa.Trong một giờ, bầu khí quyển Trái đất nhận đủ ánh sáng mặt trời để cung cấp đủ điện cho nhu cầu điện của mọi người trên Trái đất trong một năm.

Năng lượng mặt trời là sạch.Sau khi thiết bị công nghệ năng lượng mặt trời được thi công và đưa vào sử dụng, năng lượng mặt trời không cần nhiên liệu để hoạt động.Nó cũng không thải ra khí nhà kính hoặc vật liệu độc hại.Sử dụng năng lượng mặt trời có thể làm giảm đáng kể tác động của chúng ta đến môi trường.

Có những nơi sử dụng năng lượng mặt trời là thực tế.Những ngôi nhà và tòa nhà ở khu vực có nhiều ánh sáng mặt trời và ít mây che phủ có cơ hội khai thác năng lượng dồi dào của mặt trời.

Bếp năng lượng mặt trời cung cấp giải pháp thay thế tuyệt vời cho việc nấu ăn bằng bếp đốt củi—mà hai tỷ người vẫn đang dựa vào.Bếp năng lượng mặt trời cung cấp một cách sạch hơn và an toàn hơn để vệ sinh nước và nấu thức ăn.

Năng lượng mặt trời bổ sung cho các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió hoặc thủy điện.

Những ngôi nhà hoặc doanh nghiệp lắp đặt các tấm pin mặt trời thành công thực sự có thể sản xuất ra lượng điện dư thừa.Những chủ nhà hoặc chủ doanh nghiệp này có thể bán lại năng lượng cho nhà cung cấp điện, giảm hoặc thậm chí loại bỏ hóa đơn tiền điện.

Nhược điểm
Yếu tố ngăn cản chính đối với việc sử dụng năng lượng mặt trời là các thiết bị cần thiết.Thiết bị công nghệ năng lượng mặt trời đắt tiền.Việc mua và lắp đặt thiết bị có thể tiêu tốn hàng chục nghìn USD đối với từng hộ gia đình.Mặc dù chính phủ thường giảm thuế cho người dân và doanh nghiệp sử dụng năng lượng mặt trời và công nghệ này có thể loại bỏ hóa đơn tiền điện, nhưng chi phí ban đầu quá cao khiến nhiều người phải cân nhắc.

Thiết bị năng lượng mặt trời cũng nặng.Để trang bị thêm hoặc lắp đặt các tấm pin mặt trời trên mái của một tòa nhà, mái nhà phải chắc chắn, rộng và hướng về đường đi của mặt trời.

Cả công nghệ năng lượng mặt trời chủ động và thụ động đều phụ thuộc vào các yếu tố nằm ngoài tầm kiểm soát của chúng ta, chẳng hạn như khí hậu và độ che phủ của mây.Các khu vực địa phương phải được nghiên cứu để xác định xem liệu năng lượng mặt trời có hiệu quả ở khu vực đó hay không.

Ánh sáng mặt trời phải dồi dào và nhất quán thì năng lượng mặt trời mới là sự lựa chọn hiệu quả.Ở hầu hết các nơi trên Trái đất, sự biến đổi của ánh sáng mặt trời khiến việc thực hiện trở thành nguồn năng lượng duy nhất trở nên khó khăn.