Công nghệ sản xuất điện mặt trời vào ban đêm!

Một câu hỏi kinh điển về năng lượng mặt trời là: “Pin mặt trời có hoạt động vào ban đêm không?”. Câu trả lời thông thường và về mặt kỹ thuật là không. Các tấm pin quang điện (photovoltaic – PV) cần photon từ ánh sáng mặt trời để kích hoạt các electron, từ đó tạo ra dòng điện. Khi mặt trời lặn, quá trình này sẽ dừng lại. Ngay cả ánh trăng, dù thực chất là ánh sáng mặt trời phản chiếu, cũng yếu hơn hàng triệu lần và không đủ năng lượng để kích hoạt hệ thống một cách hiệu quả.

Tuy nhiên, trong một bước đột phá đầy hứa hẹn, các nhà khoa học đã phát triển một công nghệ mới cho phép các tấm pin mặt trời có thể tạo ra điện ngay cả trong bóng tối.

I. Các giải pháp sử dụng điện mặt trời ban đêm hiện nay

Trước khi đi vào công nghệ mới, hãy cùng xem cách các hệ thống điện mặt trời hiện tại cung cấp điện vào ban đêm:

• Lưu trữ bằng pin (Battery Storage): Đây là giải pháp phổ biến nhất. Năng lượng dư thừa được tạo ra vào ban ngày sẽ được nạp vào một hệ thống pin lưu trữ. Vào ban đêm, ngôi nhà sẽ sử dụng điện từ nguồn pin này. Một bộ pin được sạc đầy có thể cung cấp đủ điện cho một gia đình trong 10-12 giờ.
• Bù trừ điện năng (Net Metering): Với các hệ thống hòa lưới, lượng điện dư thừa vào ban ngày sẽ được đẩy lên lưới điện quốc gia và được ghi nhận lại dưới dạng “tín chỉ” năng lượng. Vào ban đêm, gia đình sẽ sử dụng điện từ lưới, và các tín chỉ đã tích lũy sẽ được dùng để bù trừ vào hóa đơn tiền điện.

Bước đột phá: Tấm pin “ngược” tạo ra điện từ bóng tối

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford và Đại học California, Davis đã phát triển một loại pin mặt trời có thể hoạt động theo nguyên lý ngược lại so với ban ngày.

1. Nguyên lý hoạt động

• Ban ngày: Tấm pin (vật thể lạnh) hấp thụ nhiệt từ mặt trời (nguồn nóng) để tạo ra điện.
• Ban đêm: Trái Đất và các vật thể trên đó (bao gồm cả tấm pin) sẽ bức xạ nhiệt ra ngoài không gian vũ trụ lạnh giá dưới dạng tia hồng ngoại. Quá trình này được gọi là làm mát bằng bức xạ (radiative cooling).

Công nghệ mới này tận dụng chính quá trình làm mát đó. Các nhà khoa học đã tích hợp một máy phát nhiệt điện (thermoelectric generator – TEG) vào một tấm pin quang điện thông thường. TEG là một thiết bị có khả năng tạo ra điện từ sự chênh lệch nhiệt độ.

Vào ban đêm, bề mặt tấm pin, do liên tục bức xạ nhiệt vào không gian, sẽ trở nên lạnh hơn một chút so với không khí xung quanh. Máy phát nhiệt điện TEG sẽ khai thác sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhoi này để tạo ra một dòng điện.

2. Hiệu suất và Tiềm năng

Trong các thử nghiệm, nguyên mẫu này đã tạo ra công suất khoảng 50 milliwatt trên mỗi mét vuông (50 mW/m²).

Mặc dù con số này còn khiêm tốn – chỉ đủ để sạc một chiếc điện thoại hoặc thắp sáng vài bóng đèn LED – nhưng nó đã chứng minh được tính khả thi của công nghệ. Đây là một bước tiến quan trọng, mở ra tiềm năng cung cấp năng lượng 24/7, đặc biệt cho khoảng 750 triệu người trên thế giới hiện đang sống không có điện vào ban đêm.

Một ưu điểm lớn là công nghệ này sử dụng các vật liệu rẻ tiền và phổ biến, có thể được tích hợp vào các tấm pin mặt trời hiện có.

3. Hạn chế

Công nghệ này hoạt động hiệu quả nhất vào những đêm trời quang mây. Nếu trời có mây, lớp mây sẽ hoạt động như một tấm chăn, phản xạ lại bức xạ hồng ngoại xuống mặt đất và làm giảm đáng kể sự chênh lệch nhiệt độ, từ đó làm giảm hiệu suất phát điện.

II. Các công nghệ năng lượng “mọi thời tiết” khác

Bên cạnh công nghệ phát điện ban đêm, các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu các giải pháp khác để tận dụng năng lượng trong mọi điều kiện thời tiết. Một ví dụ đáng chú ý đến từ Đại học Soochow (Trung Quốc) là tấm pin mặt trời có thể tạo ra điện từ mưa.

Họ đã phủ một lớp máy phát nano ma sát (triboelectric nanogenerator – TENG) lên trên tấm pin mặt trời. Lớp TENG này có khả năng biến đổi năng lượng cơ học từ sự va chạm của các hạt mưa thành điện năng, giúp hệ thống vẫn có thể tạo ra điện ngay cả khi trời mưa, dù ngày hay đêm.

Mặc dù công nghệ sản xuất điện mặt trời vào ban đêm vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được thương mại hóa, nó đại diện cho một tương lai đầy hứa hẹn của ngành năng lượng tái tạo. Nó không chỉ giải quyết được điểm yếu cố hữu của năng lượng mặt trời là chỉ hoạt động vào ban ngày, mà còn mở ra hy vọng về một nguồn điện ổn định, sạch và bền vững cho các cộng đồng vùng sâu vùng xa trên toàn thế giới, giảm sự phụ thuộc vào pin lưu trữ vốn có tuổi thọ giới hạn và chi phí cao.