Khoa học vũ trụ

Năng lượng mặt trời là gì: Định nghĩa, tính chất và cách khai thác nó

Năng lượng Mặt trời là gì?

Năng lượng Mặt trời, hay còn gọi là bức xạ từ Mặt trời có khả năng tạo ra nhiệt, gây ra các phản ứng hóa học hoặc tạo ra điện. Tổng lượng năng lượng Mặt trời trên Trái đất vượt quá mức yêu cầu năng lượng hiện tại của con người và tương lai có lẽ vẫn vậy. Nếu được khai thác phù hợp, nguồn khuếch tán cao này có khả năng đáp ứng tất cả các nhu cầu năng lượng trong tương lai. Trong thế kỷ 21, năng lượng Mặt trời dự kiến sẽ ngày càng trở nên hấp dẫn như một nguồn năng lượng tái tạo vì nguồn cung cấp không cạn kiệt và đặc tính không gây ô nhiễm của nó, trái ngược hoàn toàn với than nhiên liệu hóa thạch hữu cơ, dầu mỏ và khí tự nhiên.

Mặt trời là một nguồn năng lượng cực kỳ mạnh mẽ và cho đến nay, ánh sáng Mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà Trái đất nhận được, nhưng cường độ của nó ở bề mặt Trái đất thực sự khá thấp. Điều này thực chất là do sự lan truyền bức xạ xuyên tâm khổng lồ từ Mặt trời xa xôi. Một tổn thất bổ sung tương đối nhỏ là do bầu khí quyển và các đám mây của Trái đất, chúng hấp thụ hoặc tán xạ tới 54% ánh sáng mặt trời tới. Ánh sáng Mặt trời chiếu xuống mặt đất bao gồm gần 50% ánh sáng khả kiến, 45% bức xạ hồng ngoại và một lượng nhỏ tia cực tím và các dạng bức xạ điện từ khác.

Công dụng của năng lượng Mặt trời

Tiềm năng về năng lượng Mặt trời là rất lớn, vì khoảng 200.000 lần tổng công suất sản xuất điện hàng ngày của Trái đất được tiếp nhận mỗi ngày dưới dạng năng lượng Mặt trời. Thật không may, mặc dù bản thân năng lượng Mặt trời là miễn phí, nhưng chi phí cao cho việc thu thập, chuyển đổi và lưu trữ vẫn hạn chế việc khai thác ở nhiều nơi. Bức xạ Mặt trời có thể được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt (nhiệt) hoặc thành năng lượng điện.

Năng lượng nhiệt

Trong số các thiết bị phổ biến nhất được sử dụng để thu năng lượng Mặt trời và chuyển đổi nó thành năng lượng nhiệt là các bộ thu dạng tấm phẳng, được sử dụng để sưởi ấm bởi Mặt trời. Do cường độ bức xạ Mặt trời ở bề mặt Trái đất rất thấp, những thanh thu gom này phải có diện tích lớn. Ví dụ, ngay cả ở những vùng nắng của khu vực ôn đới trên thế giới, một nhà thu thập năng lượng Mặt trời phải có diện tích bề mặt khoảng 40 mét vuông (430 feet vuông) để thu thập đủ năng lượng phục vụ nhu cầu năng lượng của một người.

Các bộ sưu tập dạng tấm phẳng được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm một tấm kim loại màu đen, được phủ một hoặc hai tấm kính, được làm nóng bởi ánh sáng Mặt trời chiếu trên nó. Nhiệt này sau đó được truyền vào không khí hoặc nước, được gọi là chất lỏng mang (ví dụ như kim tiêm giữ máu hoặc thuốc), chảy qua mặt sau của tấm. Nhiệt có thể được sử dụng trực tiếp hoặc có thể được truyền sang phương tiện khác để lưu trữ. Bộ thu dạng tấm phẳng thường được sử dụng cho máy nước nóng năng lượng Mặt trời và sưởi ấm nhà. Việc lưu trữ nhiệt để sử dụng vào ban đêm hoặc vào những ngày nhiều mây thường được thực hiện bằng cách sử dụng các bể cách nhiệt để lưu trữ nước nóng trong thời gian nắng.

Một hệ thống như vậy có thể cung cấp cho một ngôi nhà nước nóng được lấy từ bể chứa, hoặc, với nước ấm chảy qua các ống trong sàn và trần nhà, nó có thể cung cấp không gian sưởi ấm. Các bộ thu tấm phẳng thường truyền chất lỏng mang nhiệt đến nhiệt độ từ 66 đến 93 ° C (150 đến 200 ° F). Hiệu quả của các bộ thu như vậy (tức là tỷ lệ năng lượng nhận được mà chúng chuyển đổi thành năng lượng có thể sử dụng) dao động từ 20 đến 80 phần trăm, tùy thuộc vào thiết kế của bộ thu. Một phương pháp chuyển đổi năng lượng nhiệt khác được tìm thấy trong các ao năng lượng Mặt trời, đó là các khối nước mặn được thiết kế để thu thập và lưu trữ năng lượng Mặt trời.

Nhiệt được chiết xuất từ các ao như vậy cho phép sản xuất hóa chất, thực phẩm, dệt may và các sản phẩm công nghiệp khác và cũng có thể được sử dụng để sưởi ấm nhà kính, bể bơi và các tòa nhà chăn nuôi. Ao năng lượng Mặt trời đôi khi được sử dụng để sản xuất điện thông qua việc sử dụng động cơ chu trình Rankine hữu cơ, một phương tiện chuyển đổi năng lượng Mặt trời tương đối hiệu quả và kinh tế, đặc biệt hữu ích ở các địa điểm xa. Ao năng lượng Mặt trời khá tốn kém để lắp đặt và bảo trì và thường giới hạn ở các khu vực nông thôn có nhiệt độ cao.

Ở quy mô nhỏ hơn, năng lượng Mặt trời cũng có thể được khai thác để nấu thức ăn trong các lò năng lượng Mặt trời được thiết kế đặc biệt. Lò năng lượng Mặt trời thường tập trung ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng đến một điểm trung tâm, nơi một cái lò lớn có bề mặt màu đen chuyển đổi ánh sáng Mặt trời thành nhiệt. Các lò thu nhiệt thường di động và không yêu cầu đầu vào nhiên liệu khác.

Sản xuất điện

Bức xạ Mặt trời có thể được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng bởi các pin Mặt trời (pin quang điện). Trong các tế bào như vậy, một điện áp nhỏ được tạo ra khi ánh sáng chiếu vào điểm nối giữa kim loại và chất bán dẫn (như silicon) hoặc điểm nối giữa hai chất bán dẫn khác nhau. Công suất được tạo ra bởi một tế bào quang điện duy nhất thường chỉ khoảng hai watt. Tuy nhiên, bằng cách kết nối một số lượng lớn các tế bào riêng lẻ với nhau, như trong các tấm pin Mặt trời, hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn kilowatt điện có thể được tạo ra trong một nhà máy điện Mặt trời hoặc trong một mảng lớn của từng hộ gia đình. Hiệu suất năng lượng của hầu hết các tế bào quang điện ngày nay chỉ khoảng 15 đến 20 phần trăm, và vì cường độ bức xạ Mặt trời thấp để bắt đầu, nên cần phải lắp ráp các tế bào lớn và tốn kém như vậy để tạo ra một lượng điện vừa phải.

Các tế bào quang điện nhỏ hoạt động dưới ánh sáng Mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo đã được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng năng lượng thấp, ví dụ như nguồn năng lượng cho máy tính và đồng hồ. Các đơn vị lớn hơn đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy bơm nước và hệ thống thông tin liên lạc ở vùng sâu vùng xa và cho các vệ tinh thời tiết và thông tin liên lạc. Các tấm silicon tinh thể cổ điển và các công nghệ mới nổi sử dụng pin mặt trời màng mỏng, bao gồm cả quang điện tích hợp trong tòa nhà, có thể được các chủ nhà và doanh nghiệp lắp đặt trên mái nhà của họ để thay thế hoặc tăng cường cung cấp điện thông thường.

Các nhà máy năng lượng Mặt trời tập trung sử dụng sự tập trung, hoặc tập trung, người thu gom để tập trung ánh sáng mặt trời nhận được từ một khu vực rộng vào một máy thu nhỏ màu đen, do đó làm tăng đáng kể cường độ ánh sáng để tạo ra nhiệt độ cao. Các mảng của gương hoặc ống kính được căn chỉnh cẩn thận có thể tập trung đủ ánh sáng Mặt trời để làm nóng mục tiêu đến nhiệt độ 2.000 ° C (3.600 ° F) trở lên. Nhiệt này sau đó có thể được sử dụng để vận hành lò hơi, từ đó tạo ra hơi nước cho nhà máy phát điện tua bin hơi nước. Để sản xuất hơi trực tiếp, các gương có thể di chuyển có thể được bố trí để tập trung một lượng lớn bức xạ Mặt trời trên các ống đen qua đó nước được lưu thông và do đó được làm nóng.

Các ứng dụng khác

Năng lượng Mặt trời cũng được sử dụng ở quy mô nhỏ cho các mục đích khác với những mục đích được mô tả ở trên. Ở một số nước, ví dụ, năng lượng Mặt trời được sử dụng để sản xuất muối từ nước biển bằng cách bốc hơi. Tương tự, các đơn vị khử mặn sử dụng năng lượng Mặt trời biến nước muối thành nước uống bằng cách chuyển đổi năng lượng của Mặt trời thành nhiệt, trực tiếp hoặc gián tiếp, để thúc đẩy quá trình khử muối.

Công nghệ năng lượng Mặt trời cũng sản xuất hydro sạch và tái tạo như một nguồn năng lượng thay thế. Bắt chước quá trình quang hợp, lá nhân tạo là các thiết bị dựa trên silicon sử dụng năng lượng Mặt trời để tách nước thành hydro và oxy, hầu như không gây ô nhiễm. Cần làm thêm để cải thiện hiệu quả và chi phí của các thiết bị này cho sử dụng trong công nghiệp.

 

Chủ đề xuất hiện trong bài viết
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker