Thế nào là năng lượng xanh?

Năng lượng xanh là loại năng lượng mà khi được sản xuất, nó có ít tác động tiêu cực đến môi trường hơn so với năng lượng hóa thạch.

Những loại năng lượng xanh mà ngày nay người ta thường đề cập đến là năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng và năng lượng địa nhiệt. Ngoài ra còn rất nhiều loại năng lượng được cho là “xanh”, thậm chí cả năng lượng hạt nhân vì trong trạng thái hoạt động (an toàn), nó sản sinh ra lượng chất thải thấp hơn nhiều lần so với việc sử dụng than đá hoặc dầu.

Năng lượng tái tạo là một tên gọi khác của năng lượng xanh.

Mục tiêu của việc sản xuất năng lượng xanh là để tạo ra năng lượng nhưng không gây hại cho môi trường. Mỗi hình thức chế tạo năng lượng đều ít nhiều gây ảnh hưởng đến môi trường, nhưng, trong số đó năng lượng tái tạo là đối tượng gây ra ít tác động hơn cả.

Hầu hết những người theo trường phái ủng hộ năng lượng tái tạo đều cho rằng nhân loại càng sử dụng năng lượng xanh nhiều bao nhiêu thì hành tinh của chúng ta “sống” lâu hơn bấy nhiêu. Khí nhà kính, một sản phẩm phụ của việc sản xuất năng lượng theo kiểu cũ, chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng làm nóng trái đất một cách nhanh chóng hiện nay.

Một lợi ích khác cần phải đề cập là năng lượng xanh không cần phải “nhập khẩu”. Chẳng hạn, một địa phương có thể tự sản xuất ra điện bằng cách lắp đặt các tấm pin mặt trời để hấp thụ năng lượng, từ đó tạo ra điện năng. Nếu sử dụng đúng cách, năng lượng dư thừa sẽ có thể được giữ tại bộ lưu trữ để dùng sau, hoặc, được truyền tải lên mạng lưới điện địa phương để cung cấp cho những nơi khác.

Pin mặt trời hoạt động như thế nào?

Mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng dồi dào không cạn kiệt và không sản sinh ra khí thải carbon dioxide. Do đó, việc phát triển ngành công nghệ năng lượng mặt trời đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. Vậy pin năng lượng mặt trời là gì và hoạt động như thế nào?

Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.

Silicon được biết đến là một chất bán dẫn.

“Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng”. Với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.

Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời. Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron.

Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa công việc của pin năng lượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rải rác này vào một dòng điện. Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời, có tác dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng.

Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon. Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ. Bằng cách ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loại silicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p. Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm – Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương – Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống.

Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p. Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời. Vì silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này.

Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa.

Chiếu sáng hiệu suất cao là gì?

Chiếu sáng hiệu suất cao có thể hiểu là hình thức chiếu sáng bảo đảm độ sáng cao hơn, chất lượng ánh sáng tốt hơn phù hợp với con mắt khi nhìn và quan sát nhưng sử dụng ít điện hơn so với chiếu sáng thông thường trước đây.

Chiếu sáng hiệu suất cao có thể hiểu là hình thức chiếu sáng bảo đảm độ sáng cao hơn, chất lượng ánh sáng tốt hơn phù hợp với con mắt khi nhìn và quan sát nhưng sử dụng ít điện hơn so với chiếu sáng thông thường trước đây.

Để thực hiện chiếu sáng hiệu suất cao cần những giải pháp tổng thể gồm: Sử dụng các bóng đèn phát ra nhiều ánh sáng mà sử dụng ít điện, có màu sắc ánh sáng phù hợp với hoạt động của mắt trong khi làm việc và sinh hoạt hàng ngày; Sử dụng các chao, máng đèn tập trung ánh sáng nhiều hơn đến nơi cần chiếu sáng, do vậy hiệu quả sử dụng ánh sáng do bóng đèn phát ra cao hơn, đồng thời giảm bớt độ chói của bóng đèn tránh gây loá mắt.

Bên cạnh đó, sử dụng các thiết bị điện như chấn lưu, khởi động tiêu thụ ít điện hơn và không gây hiện tượng nhấp nháy của bóng đèn tuýp huỳnh quang. Việc bố trí các đèn chiếu sáng đúng kỹ thuật sẽ tạo môi trường ánh sáng hài hoà thoải mái dễ chịu cho mọi người; cần sử dụng các thiết bị điều khiển để điều chỉnh độ sáng phù hợp với yêu cầu sử dụng và tận dụng ánh sáng tự nhiên vào nhà.

Kỹ thuật thu biến đổi năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đất

Để có thể đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài cho loài người, từ nhiều thập kỷ nay, các nhà khoa học đã và đang tập trung tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, trong đó có nguồn năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng công nghệ chùm tia vi ba và laser công suất cao.

Trong vũ trụ (ví dụ trên quỹ đạo địa tĩnh-GEO), ánh sáng mặt trời có gần như quanh năm, mật độ năng lượng mặt trời đạt cỡ 1340 W/m2, lớn gấp gần 8 lần so với năng lượng trung trình trên mặt đất. Năng lượng mặt trời nhiều vô tận, có thể dùng hàng tỷ năm.

Mặt trời phát năng lượng ở dạng tia bức xạ khoảng 12 x 1016 Joules/sec (hoặc 120.000 TW/sec) xuống trái đất. Lượng năng lượng này còn lớn hơn rất nhiều lần so với số lượng năng lượng cả trái đất dùng trong 1 năm. Vì vậy, biến đổi năng lượng mặt trời sang dạng chùm tia vi ba hoặc laser với công suất cao (cỡ GW đến TW) rồi truyền về trái đất (hoặc truyền từ một điểm đến một điểm trong vũ trụ), sau đó chuyển sang dạng điện năng, đưa đến nơi sử dụng được coi là giải pháp có tính khả thi nhất, đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài cho loài người.

Một số nét chính về hệ truyền không dây năng lượng mặt trời từ vũ trụ về mặt đất:

Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn. Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như radio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông tin được biến điệu truyền đi mọi hướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì độ lớn và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, năng lượng chỉ truyền theo một chiều xác định.

Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tia công suất (powerbeam) ở dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất.

Về mặt lịch sử truyền năng lượng không dây được nghiên cứu triển khai rất sớm, cách đây khoảng 150 năm, bắt đầu từ các khái niệm và ý tưởng về truyền năng lượng mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do Nicolai Tesla khởi xướng. Tuy nhiên từ đó đến nay kết quả lý thuyết và thực nghiệm về truyền công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết và công nghệ mới phù hợp.

Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lượng không dây qua các tháp cao ở New York, làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách 26 hải lý (cỡ 40 km), N.Tesla đã thu được một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực truyền không dây. Một số nhà nghiên cứu sau đó đã triển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm về truyền năng không dây trường gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị như máy điện, ôtô, xe điện, máy tính, điện thoại di động…

Doanh thu cho nạp điện không dây lên tới trên 1 tỷ USD

Tuy nhiên, chỉ đến năm 2004, sau các nghiên cứu lý thuyết tường minh hơn và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư và đạt được rất nhiều kết quả ấn tượng.

Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm mạnh từ những năm 1973, sau patent của Glaser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt đất. Từ đó đến nay đã có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật, châu Âu, Trung quốc, Ấn Độ được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt.

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống truyền năng lượng cao không dây bằng chùm tia vi ba hoặc laser về mặt đất bao gồm các phần chính sau:

Vệ tinh năng lượng mặt trời (SPS-Solar Power Satellite) bay trên quỹ đạo GEO, MEO, LEO, bao gồm một số khối thiết bị sau:

– Khối thiết bị thu năng lượng mặt trời, thường bao gồm hệ thống gương để hội tụ năng lượng mặt trời, và các pannel pin mặt trời để cung cấp điện cho ma trận linh kiện vi ba (hoặc laser).

– Khối ma trận linh kiện viba như TWT, cyclostron, hoặc cryston biến đổi năng lượng điện từ năng lượng mặt trời thành các tia vi ba có công suất cao. Còn đối với hệ laser là các ma trận laser công suất cao.

– Hệ thống (ma trận) angten phát bức xạ vi ba bằng các angten liên kết pha đặt trên vệ tinh hướng xuống mục tiêu dưới đất, nơi có hệ thống angten thu. Còn đối với hệ laser là hệ thống phát chùm laser công suất cao xuống mục tiêu

Không gian truyền dẫn năng lượng không dây: Bầu không gian vũ trụ từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO về mặt đất. Tần số (bước sóng) đối với công nghệ chùm tia vi ba là 2,58 GHz, hoặc tần số 5,8 GHz, còn đối với chùm tia laser là bước sóng hồng ngoại ở dải λ= 0,7 – 1,1µm

Hệ thống thiết bị angten thu chùm tia vi ba (laser) biến đổi sang điện rồi truyền dẫn năng lượng đến nơi sử dụng:

– Hệ thống thu chùm tia vi ba trên mặt đất là ma trận angten thu tín hiệu vi ba và bộ chỉnh lưu kết hợp với nhau, gọi là rectena. Tín hiệu vi ba được thu rồi chỉnh lưu bằng mạch chỉnh lưu dùng phôtôđiôt schottky. Vì năng lượng phát ra từ quỹ đạo GEO thường có dạng hình nón, nên ở mặt đất cần có rectena kích thước thích hợp mới thu nhận được hết năng lượng. Thông thường năng lượng tập trung chủ yếu ở trung tâm ra phía ngoài, tại rìa angten năng lượng bằng không.

– Đối với hệ thống thu laser chủ yếu là dùng các tấm pin mặt trời PV đa lớp hiệu suất cao ghép vào nhau. Pin mặt trời có khả năng thu cả ánh sáng mặt trời tự nhiên và cả ánh sáng bức xạ từ vũ trụ phát ra.

Về độ an toàn: hệ SPS chùm tia vi ba có độ an toàn hơn, mật độ công suất thấp so với mức tác hại; còn hệ dùng chùm tia laser thì độ an toàn không cao, nguy hiểm, có tác hại đối với con người.

Về mức độ phát triển và kết quả đạt được: Hệ SPS dùng chùm tia vi ba đang được phát triển mạnh, dùng để truyền năng lượng từ GEO về và đã đạt được nhiều kết quả truyền được năng lượng cỡ KW trở lên. Hệ này đang được đầu tư hàng tỷ USD trong rất nhiều dự án lớn, và trong thời gian tới sẽ nghiên cứu để tiến tới truyền từ GW- TW. Còn đối với hệ chùm tia laser cũng được phát triển mạnh, với kinh phí đầu tư rất lớn, dùng cho các mục đích quân sự – làm vũ khí, cung cấp năng lượng cho các căn cứ quân sự nhỏ từ quỹ đạo LEO, nhưng ở trạng thái bí mật không công bố.

Một số ưu điểm, nhược điểm của hệ thống truyền năng lượng không dây và khó khăn thách thức chính:

Năng lượng mặt trời vũ trụ có thể giải quyết vấn đề an ninh năng lượng toàn cầu bởi vì không giống như năng lượng mặt trời trên trái đất và năng lượng gió, năng lượng mặt trời vũ trụ có liên tục hàng ngày 24/24 giờ, với trữ lượng vô cùng lớn, nó có hiệu ứng bơm liên tục. Hơn nữa, nó có thể cấp năng lượng cho bất cứ một khu vực nào trên mặt đất, cả vùng sâu vùng xa, không phụ thuộc các nguồn nước sạch để hoạt động, chỉ cần hướng angten phát về vị trí đặt angten thu ở nơi mong muốn sử dụng. Vì vậy năng lượng mặt trời vũ trụ là nguồn ổn định lâu dài, cung cấp trực tiếp cho mọi dân tộc, không phụ thuộc sở hữu của quốc gia nào.

Đồng thời, năng lượng mặt trời vũ trụ không gây ra các khí có hiệu ứng nhà kính, không ảnh hưởng nhiều đến biến đổi khí hậu, và không tạo ra phế thải độc hại cần phải chôn cất (như năng lượng hạt nhân), vì vậy nó không thể là mục tiêu cho bọn khủng bố. Ngoài ra, hệ thống SPS yêu cầu diện tích nhỏ hơn khoảng 1/5 lần so với hệ thống năng lượng mặt trời trên mặt đất khi cho cùng công suất.

Tuy nhiên, kích thước và trọng lượng vệ tinh SPS hiện nay còn rất lớn nên giá thành phóng tên lửa đưa vệ tinh lên quỹ đạo khá cao. Giá thành để đưa lên quỹ đạo LEO cần giảm vào khoảng 400 – 500 USD/kg.

Mặc dù có những khó khăn, thách thức rất lớn cả về kỹ thuật, tài chính, song để đảm bảo an ninh năng lượng, chính phủ các nước, các tập đoàn lớn trên thế giới (như NASA (Mỹ), BOEING (Mỹ), NASDA (Nhật Bản), châu Âu…) vẫn có những đầu tư hàng chục tỷ USD cho các dự án nghiên cứu, thí điểm và đưa ra những chiến lược có tính dài hạn.

Các nhà khoa học cũng đặt mục tiêu trước mắt là nghiên cứu và phát triển những công nghệ mới về khoa học vũ trụ có thể chế tạo được SPS, hệ thống rectenna và đưa được SPS lên quỹ đạo, duy trì hoạt động của chúng trong vài chục năm, và phấn đấu đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ thành điện năng trên 50%.

Chuyên cung cấp dịch vụ môi trường – công ty môi trường công nghiệp SGC :

CÔNG TY CP DỊCH VỤ CÔNG NGHỆ SÀI GÒN (SGC)

Trụ sở: 49F/1, HT18, P.Hiệp Thành, Q12, HCM

VPGD : 224,KP1,HT37,P.Hiệp Thành,Q12, HCM

Tel: 0283.717.7382Fax: 0283.717.3057

CN Hà Nội: số 10, ngách 173, ngõ 192, Lê Trọng Tấn, Q. Hoàng Mai

Tel: 0283.717.7382Fax: 0283.717.3057

Fb: https://www.facebook.com/hsevn.sgc

Email: info@hsevn.com.vn

Website: http://hsevn.com.vn

Dịch vụ: http://hsevn.com.vn/xu-ly-nuoc-thai-bang-cong-nghe-mbbr.html