Mặt trời - nguồn năng lượng vô tận

Từ thập niên 70 của thế kỷ trước, khi cuộc khủng hoảng năng lượng đẩy giá dầu lên cao ngất ngưởng, giải pháp năng lượng mặt trời đã được đón nhận nồng nhiệt.

Có lẽ mọi người đều quen thuộc với những tấm panô màu đen bóng - được gọi là tế bào quang vontaic (PV) - đặt trên mái nhà để thu nhiệt từ ánh nắng mặt trời và chuyển nó thành điện năng. Nhưng các panô mặt trời vẫn còn hiếm thấy ở khu ngoại ô do chi phí mua và lắp đặt còn là một trở ngại lớn.

Tuy nhiên, có nhiều cách khác để thu năng lượng mặt trời nhằm giải quyết nhu cầu về năng lượng đang gặp khó khăn của chúng ta trong những năm tới đây.

Hiện nay, các nhà khoa học đang tăng cường tập trung những “hệ thống hội tụ năng lượng mặt trời” - viết tắt là CPS. Hệ thống CPS này có chức năng hội tụ bức xạ mặt trời trực tiếp qua các thiết bị quang học đến bộ hứng bức xạ - giống như cách ta dùng kính lúp để đốt một lỗ trên tờ giấy - sau đó, bức xạ mặt trời này sẽ được chuyển hóa thành điện năng. Trên thực tế, hệ thống CPS gồm có 4 thành phần - một khu khai thác, thiết bị hứng bức xạ mặt trời, một bộ thu năng lượng và một nhà máy biến thế.

Nhiều khái niệm nhắm vào việc thu năng lượng mặt trời hiện đang trong quá trình hoạt động hoặc thử nghiệm. Các máng parabol đã được ứng dụng từ giữa thập niên 80, nổi bật nhất trong số đó là tổ hợp 9 nhà máy năng lượng xây dựng ở sa mạc California.

Hiện nay, tổ hợp nhà máy năng lượng mặt trời này vẫn hoạt động hiệu quả với tổng công suất 354 MW năng lượng và vẫn giữ kỷ lục là nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới.

Ở châu Âu, nhiều dự án mặt trời đang được triển khai. Đức là nước tiên phong với 10 nhà máy năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, Platforma Solar de Almeria - nằm trong sa mạc Tabernas thuộc miền Nam Tây Ban Nha - là một cơ sở nghiên cứu năng lượng mặt trời đang thử nghiệm nhiều công nghệ hiện đại nhất.

Một trong những công trình đang thử nghiệm tại đây là cấu hình “tháp trung tâm” sử dụng một tập hợp kính địa nhật - các tấm gương tự động dò tìm tia mặt trời - đóng vai trò như những bộ hứng bức xạ năng lượng mặt trời. Các kính địa nhật này sau đó sẽ hội tụ bức xạ mặt trời lên một máy thu trung tâm đặt trên đỉnh tháp.

Planta Solar 10 (PS10) là nhà máy năng lượng mặt trời thương mại đầu tiên ở châu Âu chính thức mở cửa hồi tháng 3/2007 tại Seville, Tây Ban Nha. Đây cũng là nhà máy năng lượng nhiệt điện mặt trời thương mại đầu tiên trên thế giới. PS10 bao gồm 634 kính địa nhật khổng lồ hội tụ tia mặt trời lên một bộ thu năng lượng cao 115m.

Với nhiệt độ lên đến 2500C, bộ thu này sẽ làm nước bốc hơi tạo năng vận hành tuốcbin phát điện. Với công suất 11MW, PS10 có thể sản sinh 23 triệu kWh điện/năm - đủ cung cấp cho 6.000 hộ và giảm được 18.000 tấn khí thải carbon mỗi năm.

Được biết, nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời thứ hai với tên gọi PS20 hiện đang được xây dựng và sẽ sản xuất khoảng 20MW điện.

Sử dụng các máng, đĩa và tháp chưa phải là cách duy nhất để tạo ra năng lượng mặt trời. Các phương pháp sơ đẳng hơn, được hình thành đầu tiên từ khoảng hơn 1/4 thế kỷ trước, một lần nữa trở thành chủ đề được xem xét nghiêm túc.

Một trong những ý tưởng đó là “Energy Tower” (tạm dịch là “Tháp năng lượng”). Nếu dự án này được triển khai, thì nó sẽ tạo ra vài cấu trúc cao nhất trên trái đất, thậm chí còn làm cho tháp Burj Dubai cao 800m ở Các tiểu Vương quốc Arập thống nhất (UAE) trở thành “chú lùn”.

Energy Tower có nguồn gốc từ công trình nghiên cứu “Water Spray Down Draft Energy Tower” của Tiến sĩ Philip Carlson đã được cấp bằng sáng chế năm 1975.

Từ năm 1982, Energy Tower trở thành dự án được nghiên cứu và phát triển nhờ công của Giáo sư Dan Zaslavsky thuộc Viện Công nghệ Technion tại Haifa, Israel.

Energy Tower sản xuất điện năng bằng cách bơm nước lên đỉnh một ống khói và sau đó phun vào bên trong. Không khí nóng ở chóp ống khói làm cho nước bốc hơi, tiếp theo chính hơi nước đó sẽ làm mát không khí và làm cho nó trở nên dày đặc hơn. Luồng không khí mát hơn này sẽ cuộn xuống bên dưới ống khói tạo ra năng lượng dùng cho tua-bin.

Theo Tiến sĩ Rami Guetta - Giám đốc dự án của Sharav Skuices Ltd., công ty do Giáo sư Zalavsky sáng lập để phát triển hệ thống Energy Tower - hiện đang có nhiều sự quan tâm đặc biệt từ Australia và Mỹ dù chưa có hợp đồng nào được ký kết. Ông cho biết: “Chúng tôi cần khoảng 18 tháng tới 2 năm nữa để nghiên cứu tính khả thi về vấn đề chi phí và ấn định đầu ra của tháp”.

Một sáng kiến tương tự - Solar Tower - được đề xuất bởi Công ty Enviro Mission (Australia) và một công ty Mỹ tên là Solar Mission Technologies. Solar Tower là dự án dựa theo cấu trúc hình tháp cao 190m bao bọc bởi các bộ thu bằng plastic (tạo thành mái che trong suốt có tác dụng giữ không khí nóng).

Cấu trúc này, tọa lạc tại Manzanares (Ciudad Real, Tây Ban Nha), là tác phẩm của Jorg Schlaich, một kỹ sư người Đức. Nhà máy này hoạt động thành công suốt từ năm 1982 đến năm 1989 và đã sản sinh ra được 50 kW điện.

Tương tự Energy Tower, Solar Tower cũng sử dụng không khí để quay tuốcbin và cần có khí hậu nóng để vận hành. Nhưng thay vì tạo luồng không khí lạnh di chuyển xuống, Solar Tower sử dụng không khí nóng từ các bộ thu và làm chệch hướng luồng không khí lên phía trên ống khói.

SolarTower cần có tháp cao khoảng 1.000m, mà theo Enviro Mission, có thể sản sinh ra đến 200MW điện phục vụ cho 200.000 hộ dân. Thế nhưng, những người chỉ trích dự án tháp năng lượng thì cho rằng các bộ thu chiếm quá nhiều mặt bằng (chu vi có thể lên đến 3km) và chi phí thực hiện cũng quá cao