Năng lượng mặt trời có thể chuyển thành điện năng bằng hai cách: một là sử dụng pin năng lượng mặt trời, bằng các vật liệu bán dẫn có khả năng hấp thụ photon và phát ra electron; và hai là sử dụng những tua-bin nhiệt như những máy phát điện khác, nhiệt năng từ ánh sáng mặt trời sẽ làm nước bốc hơi, và từ đó làm quay tua-bin và tạo ra dòng điện. Đây cũng chính là cơ chế của các nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời.

Vấn đề lớn nhất ở đây, là: mặt trời không chiếu sáng cả ngày. Vào buổi đêm, hoặc ngay cả khi trời nhiều mây thôi, các nhà máy điện đã không thể sử dụng được năng lượng mặt trời. Đây là lý do khiến cho giá thành của năng lượng mặt trời rất cao, vì chúng không chạy được 24/7. Chỉ cần một đám mây bay qua, và mọi hoạt động sản xuất điện năng bị ngừng trệ. Vì thế, không phải lúc nào cũng có năng lượng mặt trời để tạo ra dòng điện, nhất là vào buổi tối - khi nhu cầu sử dụng điện của người dân là cao nhất.

Giải pháp thì nghe có vẻ đơn giản: chỉ cần dự trữ năng lượng mặt trời lại, xong rồi lấy ra dùng khi cần; nhưng đây lại là một vấn đề nan giải, cho đến khi nghiên cứu mới đây đã mở ra hy vọng cho ngành công nghiệp năng lượng.

Trong bài này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cách thức dự trữ năng lượng mặt trời để dùng khi mặt trời lặn. Ngoài ra, chúng ta hãy thử tìm hiểu về nhà máy điện năng lượng mặt trời đầu tiên sử dụng công nghệ này như thế nào.

Dự trữ năng lượng mặt trời

Thực ra, ý tưởng dự trữ năng lượng mặt trời không phải là mới. Người ta đã tìm rất nhiều cách để có thể dự trữ năng lượng mặt trời, trước khi chuyển đổi nó thành dòng điện. Đã có nhiều phương pháp được đưa ra thử nghiệm, tuy nhiên hiệu quả không được như mong muốn.

Người ta đã thử dự trữ năng lượng mặt trời bằng cách dùng chính nó để bơm nước lên cao, để rồi khi nước chảy xuống sẽ sinh ra năng lượng. Tuy nhiên phương pháp này lại hao tốn nhiều năng lượng, chỉ khoảng 80% năng lượng mặt trời được chuyển thành dòng điện. Việc sử dụng pin năng lượng mặt trời cũng không phải ý hay do giá thành quá cao.

Và rồi một ý tưởng nảy ra: nhiệt năng là một trong những dạng năng lượng dễ lưu trữ nhất.

Rõ ràng, nhà máy nhiệt điện hoạt động được dựa vào việc nhiệt năng sẽ tạo ra hơi nước quay các tua-bin, vậy việc dự trữ nhiệt năng sẽ giúp nhà máy hoạt động khi không có nguồn cung cấp nhiệt: hãy để năng lượng mặt trời làm nóng một thứ gì đó, giữ cho nó nóng đến khi mặt trời lặn thì lôi ra dùng để tạo ra dòng điện.

Tất nhiên, để thực hiện được ý tưởng này, chúng ta phải tìm được một chất nào đó, một loại nguyên liệu nào đó có khả năng giữ được nhiệt năng: nó phải ổn định ở nhiệt độ cao - vào khoảng 400 độ C - nếu không bạn sẽ phải giải quyết vấn đề về sự bay hơi và thay đổi áp suất. Và một điều kiện khác: chất này phải rẻ và dễ kiếm.

Và rồi, người ta đã tìm được một chất, là tinh thể màu trắng, có rất nhiều trong bếp nhà bạn: chính là muối ăn. Muối ăn nóng chảy ở nhiệt độ rất cao, và bay hơi ở nhiệt độ còn cao hơn nữa. Và rõ ràng, nguồn cung cấp muối ăn gần như là vô tận và rất dễ kiếm. Hơn nữa, mức độ hao hụt năng lượng chỉ vào khoảng 7%.

Trên thực tế, nhà máy điện năng lượng mặt trời đầu tiên sử dụng cách lưu trữ năng lượng này lại không dùng muối ăn. Thay vào đó, là một hỗn hợp nhiều loại muối, có cả natri và kali nitrat. Nhà máy điện Andasol 1 ở Grenada, Tây Ban Nha chứa khoảng 28.000 tấn hỗn hợp này.

Andasol 1

Nhà máy điện Andasol 1 ở Tây Ban Nha bắt đầu đi vào hoạt động tháng 11 năm 2008. Ban ngày, nó hoạt động như một nhà máy nhiệt điện bình thường. Ánh sáng mặt trời chiếu thẳng vào những tấm gương parabol để rồi làm nóng một ống chứa đầy dầu, lên đến nhiệt độ khoảng 400 độ C. Dầu nóng sẽ đc dùng để đun nước, tạo hơi nước và làm quay các tua-bin.

Và khi mặt trời lặn, hệ thống dự trữ bắt đầu hoạt động. Về cơ bản thì hệ thống vận hành như sau:

Hệ thống hấp thụ ánh sáng mặt trời ở Andasol 1 lớn đến mức nó có khả năng hấp thu lượng năng lượng gấp hai lần nhu cầu vào ban ngày. Lượng năng lượng dư thừa được chuyển đến bộ phận dự trữ bao gồm rất nhiều thùng to chứa muối nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 260 độ C. Lượng muối này được bơm vào hệ thống trao đổi nhiệt để hấp thụ một phần năng lượng nhiệt của dầu. Lượng muối này, sau khi trao đổi nhiệt với nhiệt độ khoảng 400 độ C, sẽ được chuyển đến thùng tiếp theo để dự trữ, cho đến khi trời tối.

Khi nhà máy điện cần năng lượng nhiệt dự trữ, muối dự trữ sẽ được đưa quay trở lại và làm nóng dầu, sau đó lượng muối nguội này sẽ quay trở lại bình đầu tiên. Và rồi cứ thế hệ thống hoạt động cả ngày.

Khi sử dụng muối để dự trữ năng lượng, nhà máy điện có thể hoạt động với thời gian dài gấp đôi so với những nhà máy điện mặt trời khác. Như trong trường hợp của nhà máy Andesol 1, năng lượng sinh ra gấp hơn 50% so với khi không dùng hệ thống lưu trữ. Với phương pháp này, người ta hy vọng sẽ có thể làm giảm giá thành của nhà máy điện mặt trời.

Ngoài ra, người ta đang có ý tưởng sẽ không sử dụng chất trung gian là dầu để làm nóng nữa, mà sẽ sử dụng trực tiếp muối luôn, tham gia trực tiếp hai quá trình trao đổi nhiệt. Cát cũng sẽ là một nguyên liệu được xem xét để dự trữ nhiệt.

Một nhóm khác đang phát triển hệ thống dự trữ năng lượng mặt trời, sử dụng hiệu ứng phân tử giống như hiện tượng quang hợp: nó dùng ánh sáng mặt trời để tách phân tử nước thành hydro và oxy, để rồi sử dụng chúng như một nguồn nhiên liệu.