Dẫn nhập
Điện là nhu cầu cần thiết để con người sử dụng trong kỹ nghệ cũng như trong dân chúng.
Con người đã có nhiều sáng kiến để chế tạo và phát sinh ra điện năng. Nguồn năng lượng tạo ra điện gồm có than đá, dầu đốt, khí đốt, nước (thuỷ lực), gió (cánh quạt gió), ánh sáng mặt trời và nguyên tử lực…
Mỗi loại nguồn năng lượng đều có ưu điểm và khuyết điểm nhất là ô nhiểm không khí bởi chất đốt sinh ra khí Carbonic (CO2). Khí Carbonic sẽ làm hư hại nhiều môi trường sống của loài vật. Nhưng nguy hiểm nhất là điện nguyên tử lực khi những lò nguyên tử bị tại nạn thì chất phóng xạ nguyên tử sẽ lan ra khắp nơi rất nguy hiểm đến tính mạng, đời sống của con người và vạn vật.
Lò nguyên tử ở Chernobyl bị nỗ vào tháng 4 năm 1986 đã đưa đến nhiều tử vong và cho đến hôm nay vẫn còn tác hại mội trường quanh vùng. Lò nguyên tử ở Nhật Fukushima bị hư hại vì động đất năm 2011 đã gây tác hại lên vạn vật.
Ngày nay nhiều quốc gia đã và đang có kế hoạch dùng những nguồn năng lượng khác vô tận để tạo ra điện thay thế nguyên tử lực. Đó là hệ thống điện lấy từ gió và điện lấy từ ánh sáng mặt trời. Những Mô-đu điện mặt trời được thiết kế ngoài cánh đồng, trên các mái nhà… để lấy điện. Ngoài ra người ta cũng dùng ánh sáng mặt trời để biến năng lượng mặt trời thành thuỷ năng (nước sôi bốc thành hơi) sinh ra cơ năng, có nghĩa là làm quay Turbine được gắn liền với bộ phận Dynamo (Stromerzeuger) để phát sinh ra điện.
Chúng ta hãy tìm hiểu xem điện mặt trời được phát sinh ra như thế nào?
1. Mặt trời và năng lượng
Mặt trời là một khí cầu sáng rực với đường kính 1392 triệu km, lớn hơn quả đất 333000 lần. Nó toả ánh sáng và sức nóng khắp vũ trụ. Vì thế cho nên tại mặt trời không có sự sống. Ở quả đất chúng ta, từ động vật cho tới thực vật đều cần tới ánh sáng mặt trời. Năng lượng của ánh sáng mặt trời ảnh hưởng nhiều đến sự cấu tạo chất đường trong thực vật cũng như làm cho cây cỏ cứng cáp. Sinh tố D trong ánh sáng mặt trời rất cần thiết cho con người và động vật. Sức nóng của mặt trời đã tạo ra sự vận hành luân lưu nước trong hành tinh chúng ta đang sống.
Trên bề mặt của mặt trời nhiệt độ nóng vào khoảng 5700 độ Celsius. Tại trung tâm điểm của mặt trời người ta ước lượng khoảng 15 triệu độ Celsius (15 triệu ˚C). Nhiệt độ và áp suất bên trong của mặt trời quá cao đến nỗi những phản ứng hạt nhân khác biệt có thể di động tự nhiên và biến mất. Sự hoán chuyển chất Oxy đóng vai trò quan trọng. Trong mặt trời những vật thể đều trở thành năng lượng. Bốn triệu tấn vật thể có thể biến mất trong mỗi giây đồng hồ những phản ứng nắng cháy. Mỗi gram vật thể mặt trời cho ra 25 triệu Kilowatt giờ (KWh). Mỗi giây đồng hồ (2 sec) năng lượng do 4 triệu tấn vật thể sinh ra từ mặt trời được truyền đi trong vũ trụ. Trong 10 tỷ năm nó chỉ mòn độ 0,07 % trọng lượng của nó.
Năng lượng mặt trời truyền đến mặt đất trong vòng 8 phút bằng những tia điện tử (elektromagnetische Strahlung) được xem như vận tốc ánh sáng (Lichtgeschwindigkeit). Mỗi năm, một mét vuông (m²) ở mặt đất sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời và phát sinh ra điện là 2200 Kilowatt giờ (KWh) điện năng mặt trời. Tại Âu Châu từ 800 đến 1700 KWh trên một mét vuông (m²). Tại Frankfurt am Main, Germany ở trên mái nhà rộng 100 m² hướng Nam hoặc Tây Nam sẽ nhận được khoảng 10.000 KWh.
2. Biến Năng như thế nào?
Chúng ta cần nên biết qua từ Photovoltaik thường được dùng trong điện mặt trời. Photovoltaik là danh từ dùng cho kỹ thuật điện năng trong trường hợp nầy. Nó là một danh từ tập hợp của tiếng Hy Lạp (ánh sáng: Light) và tên của một nhà tiền phương người Ý Alessandro Volta trong viện nghiên cứu điện lực.
Pin mặt trời (Solarzellen)
Những pin-điện mặt trời là những tấm tinh thể (Kristallplatten) được cấu tạo bằng những lớp Silizium (Silizium được chế tạo bằng loại cát mịn). Một lớp chống phản xạ ở trên bề mặt của pin để ngăn cản sự phản xạ những phân tử ánh sáng (Lichtteilchen) mà người ta gọi là Photon.
Như vậy pin-điện mặt trời gồm hai lớp Silizium, không đồng nhất về phân tử (Elementen). Từ đó khả năng dẫn điện của nó cũng khác nhau. Trong mặt tiếp giao giữa những lớp Silizium là một điện trường (elektrisches Feld). Những Photon của ánh sáng mặt trời bắn những âm điện tử (die negative geladenen Elektronen) ra khỏi những chuổi nguyên tử (Atomverband) của chất bán dẫn Silizium (Silizium Halbleiter).
Điện trường ở vùng tiếp giáp làm cho những âm điện tử bị đẩy đến “vùng n“ (n-Bereich: Negative dotiertes Silizium). Những dương điện tử , tiếng Đức còn gọi là những lỗ hổng (Löcher), di chuyển xuống “vùng p“ (p-Bereich: Positive dotiertes Silizium) của chất bán dẫn.
Khi mạch điện được đóng, những âm điện tử di chuyển xuyên qua dây dẫn điện đến vùng dương điện (p-Bereich) tạo nên thế điện giữa hai bề mặt qua pin-điện.
Trong thập niên 1950, Photovoltaik (viết tắc PV) đã được nghiên cứu và phát triển năng lượng trong việc xử dụng điện năng trong kỹ thuật vệ tinh. (Satelittentechnik).
Những cuộc hành trình trong vũ trụ với thời gian dài người ta cần năng lượng điện mà không phải do chất đốt sinh ra vì điều kiện chuyển vận khó khăn. Đó là năng lượng lấy từ ánh sáng mặt trời. Riêng tại Cộng Hoà Liên Bang Đức có rất nhiều bộ phận phát sinh điện mặt trời đã được chế tạo để cung cấp cho hơn hàng trăm vệ tinh trong không gian.
3. Cấu tạo hệ thống điện mặt trời
Với kỹ thuật đơn giản, người ta có thể xử dụng năng lượng mặt trời một cách tiện lợi. Ở Việt Nam ta, nếu điều kiện tài chánh tương đối cho phép, trong tương lai người dân thôn quê, vùng miền xa, có thể tự xử dụng hệ thống điện mặt trời trong nhà quanh năm. Hình thể và địa dư Việt Nam nằm gần đường xích đạo nên mùa nắng dài hơn mùa mưa, rất tiện lợi cho việc xử dụng điện mặt trời. Vào mùa mưa thì có hệ thống tích điện, hơn nữa ban ngày vẫn có ánh sáng và điện vẫn được phát sinh ở những pin-điện.
Một hệ thống điện mặt trời đơn giản gồm có:
- Tấm pin-điện mặt trời (Solarmodul)
- Bộ phận điều chỉnh (Laderregler)
- Bộ phận tích điện (Batteriespeicher)
- Máy tiêu thụ điện (Elektrische Verbraucher)
a) Tấm pin-điện mặt trời
Tấm pin-điện mặt trời còn gọi là Mô-đu gồm nhiều pin điện mặt trời nhỏ được ghép liền với nhau. Tuỳ theo nhà chế tạo người ta có thể ấn định số pin điện trong tấm pin điện mặt trời để xác định điện thế của nó. Ví dụ, một tấm pin-điện mặt trời có hiệu PO 36/45 có 36 Pin điện mặt trời có kích thước 10 cm x 10 cm, nặng tổng cộng 6000 gram, có công suất là 45 Watts và điện thế 12 V. Với kỹ thuật ngày càng tối tân, với cùng diện tích bề mặt, pin điện mặt trời được chế tạo với công suất và điện thế mạnh hơn.
b) Bộ phận điều chỉnh
Tuỳ theo số lượng những tâm pin điện mặt trời (TPĐMT), có thể gọi là mô-đu điện được dùng để lấy năng lượng từ mặt trời và cho ra điện năng nhiều hay ít mà người ta dùng bộ phận điều chỉnh cho thích hợp. Ví dụ loại Solar-Matic 07/12 của hãng AEG cho 2 mô-đu hoặc Solar-matic 14/12 cho 4 mô-đu v.v. Bộ phận điều chỉnh có nhiệm vụ điều chỉnh điện thế cho phù hợp với điện thế mà máy móc tiêu thụ cần đến. Nếu không máy sẽ bị hỏng khi điện thế quá cao. Song vào đó bộ phận điều chỉnh cũng ngăn chận sự tải điện ngược lại quá thấp của những bộ phận tích điện.
c) Bộ phận tích điện
Có nhiệm vụ tích trử điện đã được phát sinh ra từ những tấm pin-điện trong bất cứ lúc nào. Ví dụ như bình Akku xe hơi. Bộ phận tích điện sẽ cung cấp điện cho máy tiêu thụ khi cần, nhất là vào những khi trời tối hoặc thiếu ánh sáng.
d) Máy tiêu thụ điện
Là những máy móc được sử dụng bằng điện trong nhà như là tủ lạnh, Radio, đèn…
Tóm lại, điện lấy từ ánh sáng mặt trời ngày càng phổ thông, có nhiều nước xử dụng để dần dần thay thế cho điện được phát sinh từ lò nguyên tử. Những quốc gia nào nằm ở gần đường xích đạo thì việc xử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời càng tiện lợi hơn. Tuy nhiên hiện nay giá thành của mỗi tấm pin-điện chưa phải rẻ lắm. Các hãng xe hơi đã nghiên cứu và dùng điện mặt trời để ứng dụng trong xe hơi. Hy vọng trong tương lai với đà phát triển về mọi ngành ở mỗi quốc gia và nhất là nhu cầu của dẫn chúng, điện lấy từ mặt trời sẽ càng phổ biến và giá thành sẽ rẻ hơn thì điện sẽ được ứng dụng ở nhiều nơi khi mà đường dây điện không thể dẫn tới vùng sâu, vùng cao ở Việt Nam.
Nguyễn Văn Phảy
(Kỹ sư Điện Tổng Quát và Truyền Thông tại Germany)
