3. Năng lượng mặt trời (Solar energy)

Năng lượng khổng lồ của mặt trời được sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch trong nhân, ở nhiệt độ lên đến 15 triệu độ :

4 H (1-1) ----> He (4-2) + 2 positron + 2 neutrino + 2 photon gamma

Mỗi giây, mặt trời thiêu hủy khoảng 700 triệu tấn Hydro thành "tro" Heli, biến thành năng lượng và mặt trời nhẹ đi chút ít. Đến nay, phản ứng nhiệt hạch đã tiêu thụ khoảng 50% lượng Hydro trong nhân. Mặt trời đã tồn tại cách đây 4-5 tỉ năm và vì thế, nó sẽ còn tỏa sáng thêm khoảng 5 tỷ năm nữa, trước khi nguyên tử Hydro cuối cùng biến thành năng lượng.

Phần lớn năng lượng mặt trời bị phân tán vào vũ trụ, chỉ một phần rất nhỏ của nó đến được trái đất, nhưng "lượng nhỏ" đó cũng đã lên đến 1,73.(10 lũy thừa mũ 14) Kw !

Cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) thay đổi theo vĩ độ, mùa, giờ trong ngày và độ mây che phủ.

-Vùng vĩ độ thấp, gần xích đạo, nhận được nhiều bức xạ mặt trời hơn vùng vĩ độ cao, gần hai cực.

-BXMT mùa hè nhiều hơn mùa đông.

-BXMT có cường độ cao vào buổi trưa và thấp hơn vào bình minh hay hoàng hôn.

-Mây hấp thu một ít NLMT, vì vậy làm giảm cường độ bức xạ.

Các công nghệ NLMT hiện nay vẫn chưa phổ biến rộng rãi, phần lớn vì chi phí ban đầu cho việc chuyển hóa năng lượng còn cao và hiệu suất thu thập còn thấp. Tuy nhiên, sử dụng NLMT về lâu dài sẽ kinh tế và sự tiên bộ của KHKT đang ngày càng nâng cao hiệu suất thu thập NLMT.

Một nguồn năng lượng lý tưởng, không ô nhiễm, sẵn có khắp mọi nơi và gần như vô tận. Năng lượng mặt trời sẽ ngày càng quan trọng trong tương lai.

NLMT được sử dụng theo 2 hướng chính : sưởi ấm nhà cửa bằng hiệu ứng nhà kính và phát điện.

(1) Sưởi ấm :

Không khí bên trong nhà kính giữ ấm hơn không khí bên ngoài suốt những tháng đông lạnh. Dạng làm ấm này một phần nhờ vật liệu (thủy tinh ) bao phủ bên ngoài. Lớp kính trong suốt đối với những ánh sáng thấy được nhưng không cho bức xạ nhiệt (hồng ngoại) truyền qua. Vì bức xạ hồng ngoại không thể xuyên qua kính, nhiệt không thoát ra được, không khí bên trong liên tục ấm dần.

a. Hệ thống sưởi ấm thụ động (Passive solar heating : PSH) :

Ở hệ thống này, NLMT sưỏi ấm nhà ở không cần bơm hay quạt để phân phối nhiệt thu được. Một số đặc trưng thiết kế được dùng trong hệ thống để sưởi ấm nhà ở vào mùa thu đông và giúp chúng giữ mát vào mùa hè.

Ví dụ như, ở Bắc Bán Cầu, các cửa sổ lớn hơn đối mặt về hướng Nam nhận được nhiều ánh sáng trong ngày hơn các hướng khác. Ánh sáng mặt trời đi xuyên qua cửa sổ, nhiệt được giữ lại trong sàn, tường, bể chứa nước... Nhiệt này có thể lưu chuyển suốt căn nhà một cách tự nhiên nhờ đối lưu (dòng tuần hoàn do không khí nóng bay lên và không khí lạnh chìm xuống). Các nhà ở với hệ thống PSH phải được cách nhiệt tốt để nhiệt tích tụ không bị mất mát.

b. Hệ thống sưởi ấm chủ động (Active Solar Heating : ASH) :

Ở hệ thống này, một loạt các thiết bị (thường đặt trên mái nhà) được dùng để thu thập NLMT. Thiết bị thu thập phổ biến nhất là một panel mặt trời phẳng hay một tấm kim loại đen trong một hộp cách nhiệt. Nhiệt hấp thụ truyền cho chất lỏng hoặc không khí bên trong panel. Sau đó các chất lỏng hay khí này được bơm vào bồn dự trữ thường đặt ở tầng hầm. Mặc dù hệ thống này có thể dùng để sưởi ấm không gian nhà ở hay dùng để làm nóng nước nhưng nó đặc biệt hiệu quả đối với công dụng thứ hai (đun nóng nước).

Điều hòa không khí bằng NLMT (solar air conditioning) mặc dù khả thi về mặt kỹ thuật nhưng còn đắt đỏ và vì vậy chưa phổ biến trên thị trường cho các hộ gia đình.

(2)Phát điện :

a. Phát điện từ nhiệt mặt trời : (Solar Thermal Electric Generation) có một số hệ thống khác nhau sử dụng nhiệt mặt trời để phát điện.

Nguyên tắc chung, chúng tập trung ánh sáng mặt trời để tạo nên nhiệt độ cao.

-Hệ thống dạng máng gương : điều khiển bằng máy vi tính, có thể quay theo mặt trời để đạt hiệu quả tối ưu. Chúng tập trung ánh sáng vào những ống chứa đầy dầu, đun nóng dầu lên đến 390 độ C. Dầu nóng được lưu chuyển đến hệ thống trữ nước và đun nóng nước thành hơi quá nhiệt làm quay máy phát điện (ngoài ra, hơi quá nhiệt còn có thể được ứng dụng trong các quy trình công nghệ kỹ thuật khác hay đẻ khử mặn v.v...). Dạng này cần một hệ thống dự bị (backup system) thường là khí thiên nhiên để phát điện vào buổi tối hay suốt những ngày nhiều mây. Một hệ thống nhiệt mặt trời lớn dạng máng gương này đang hoạt động ở sa mạc Mojave, Nam California.

-Hệ thống nhiệt mặt trời dạng đĩa : ở White Cliffs, bang New South Wales, Úc, sử dụng các đĩa có hình dạng giống như chảo parabol vô tuyến, phản xạ năng lượng vào một tâm điểm, làm cho nước đi qua tâm điểm biến thành hơi, quay tuabin chạy máy phát điện. Một computer điều khiển hướng các đĩa quay về phía mặt trời. Thiết kế tiến bộ này có vẻ hiệu quả hơn trong mùa đông và ở những vĩ độ cao. Nó tạo ra nhiệt độ cao đến 1500 độ C (so sánh với 390 độ C ở hệ thống máng gương).

-Tháp năng lượng mặt trời là một hệ thống khác gồm một tòa nhà cao hay một cái tháp được bao quanh bởi vô số gương. Các gương được điều khiển bằng Computer chuyển động theo hướng mặt trời, tập trung bức xạ vào một trung tâm thu nhận ở đỉnh tháp. Ở đó, chất lỏng tuần hoàn (muối nóng chảy) được đun nóng để tạo ra hơi nước phát điện. Do muối chảy giữ nhiệt nên một phần nhiẹt có thể giữ được để phát điện vào ban đêm. Các tháp mặt trời đang thử nghiệm ở Mỹ, một số nước Châu Âu và Nhật Bản.

b. Pin mặt trời : (Tế bào quang điện mặt trời)

Có thể chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các tế bào quang điện (Photovoltaic Solar Cells : PVs) dạng tấm phim mỏng bằng tinh thể silicon, phát điện khi hấp thu năng lượng mặt trời (hiện tượng quang điện). Các PVs được xếp trên những panel lớn.

Công nghệ PVs hiện tại (cũng được dùng để cung cấp năng lượng cho vệ tinh, đồng hồ, máy tính bỏ túi...) có một số hạn chế, cản trở việc ứng dụng rộng rãi nó để phát điện. Bởi vì, PVs chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất không cao, mặc dù hiệu suất đã cải thiện nhiều so với các thập kỷ trước. Bất lợi khác là chi phí sản xuất PVs để phát điện khá đắt và lượng panel mặt trời dùng trên quy mô lớn đòi hỏi diện tích vùng đất lớn. Mặt tích cực, PVs phát điện không gây ô nhiễm và ít phải bảo quản, chu cấp.

Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể nhưng khả năng dùng các PVs để phát điện trên quy mô lớn xem ra vẫn còn khó thực hiện. Đơn giản vì chúng ta không đủ không gian. Với hiệu suất như hiện nay, cần phải có hàng ngàn mẫu (đơn vị diện tích) panel hấp thu NLMT để sản xuất ra lượng điện năng bằng vói lượng sản xuất từ một nhà máy điện thông thường.

Tuy nhiên, dùng PVs cho quy mô nhỏ lại khá khả quan., nhất là đối với các vùng thôn quê xa xôi ở những nước đang phát triển, sẽ kinh tế hơn là kéo dây điện về. Cho đến năm 1995, ước tính đã có 250.000 hộ gia đình ở các nước đang phát triển thuộc Châu Á, Mỹ Latinh và châu Phi đã cài đặt trên mái nhà của họ (dưới sự trợ giúp của các tổ chức quốc tế), cung cấp điện năng để thắp sáng, xay bột, bơm nước...

Solar Hydrogen :

Điện mặt trời tạo ra từ hiện tượng quang điện có thể dùng để tách nước thành khí oxy và hydro. Hydro cũng có thể sinh ra từ các nguồn năng lượng thông thường như nhiên liệu hóa thạch (hóa khí than) nhưng lại gặp các vấn đề môi trường liên quan. Vì lẽ đó, chúng ta giới hạn đề cập nhiên liệu Hydrogen sản xuất từ điện mặt trời.

Hydrogen là một nhiên liệu sạch, nó cháy tạo ra nước và nhiệt, không có SO2, CO hay CO2.. Nó có sinh ra một số Nitơ oxit nhưng với lượng rất nhỏ. Hydrogen có thể cung cấp năng lượng cho vận chuyển (dưới dạng các ôtô chạy điện dùng Hydrogen) cũng như sưởi ấm nhà ở và phát điện. Chú ý, Hydro là khí dễ cháy, đôi khi có thể gây nổ.

Có vẻ như thật lãng phí khi dùng NLMT để sản xuất Hydro rồi sau đó lại dùng Hydro để làm nhiên liệu phát điện phải không. Thế nhưng, thực ra thì chúng ta biết rằng, điện năng sinh ra từ PVs không thể lưu trữ lâu được, nó phải được sử dụng ngay lập tức. Do đó, giải pháp "Hydro" đã đưa ra một phương thức tiện lợi để lưu trữ NLMT ở dạng hóa năng. Dạng nhiên liệu Hydro này có thể vận chuyển bằng đường ống dẫn.

Hồ mặt trời (Solar Ponds)

Nước hấp thu NLMT nên có thể xây hồ nhân tạo để thu NLMT. Hồ MT thường được đào sâu từ 1 đến vài mét và lót mặt trong bằng plastic đen. Nhiệt độ dưới đáy hồ có thể lên đến 100 độ C trong khi nước trên bề mặt vẫn giữ ở nhiệt độ không khí.

Ở điều kiện bình thường, nước nóng dâng lên trên mặt do nó có tỷ trọng nhỏ hơn nước lạnh. Tuy nhiên, nước ở đáy hồ mặt trời tỷ trọng nặng hơn nước bề mặt do sự hiẹn diện của muối. Vì vậy ít có sự hòa trộn xuất hiện giữa các lơp nước.

Một vấn đề liên quan đến hồ mặt trời là lượng đất nó cần khá lớn và mối nhiễm mặn tiềm tàng, nếu như nước lợ trong hồ rò rỉ ra xung quanh.

Sử dụng hồ mặt trời vẫn còn đang ở giai đoạn thử nghiệm. Ở Israel, người ta thử nghiệm một nhà máy nhỏ phát điện từ một hồ mặt trời chứa nước mặn của Biển Chết.