Năng lượng mặt trời đã được các nền văn minh cổ đại sử dụng từ thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên, khi người Hy Lạp sử dụng kính lúp để đốt lửa cho mục đích tôn giáo và đốt cháy tàu chiến của kẻ thù. Trong suốt nhiều nền văn hóa, các ngôi nhà và nhà tắm cổ được xây dựng quay mặt về hướng Nam, hướng về phía mặt trời, để thu được hơi ấm quanh năm.
Sự hiểu biết cơ bản về tiềm năng năng lượng của mặt trời đã khiến các thí nghiệm khác nhau cố gắng nắm bắt tiềm năng của nó. Ngày nay, sau nhiều năm nghiên cứu khoa học, các tấm pin mặt trời được sử dụng để sản xuất điện bằng cách khai thác năng lượng mặt trời.
Các tấm pin mà chúng ta sử dụng ngày nay được gọi là thiết bị quang điện mặt trời. Thuật ngữ “quang điện” đề cập đến hiệu ứng quang điện, là khi một vật liệu nhất định, như silicone, tạo ra điện thông qua các electron sau khi tiếp xúc với ánh sáng
Mặc dù tiềm năng và việc sử dụng năng lượng mặt trời đã có từ nhiều thế kỷ trước, nhưng việc hiểu được toàn bộ quy mô và tiềm năng của hiệu ứng quang điện là tương đối mới. Chúng tôi sẽ tìm hiểu thông qua dòng thời gian về cách công nghệ năng lượng mặt trời hình thành và khám phá tiềm năng tương lai của nó.
Danh mục
Quá trình phát triển của năng lượng mặt trời:
Quá trình này nêu ra những khám phá khoa học quan trọng dẫn đến việc xác định cách sử dụng năng lượng mặt trời, cách nó trở nên hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn trong những năm qua.
Lần đầu tiên năng lượng mặt trời được xem là “lựa chọn tốt hơn nhiên liệu hóa thạch” trong lệnh cấm vận dầu mỏ năm 1973 khi tình trạng thiếu khí đốt lan tràn ở Hoa Kỳ.
Nhiều năm sau, để giúp thúc đẩy nền kinh tế và nắm lấy nền độc lập của Mỹ, Tổng thống Jimmy Carter đã yêu cầu người Mỹ thực hành tiết kiệm năng lượng và bắt đầu khuyến khích đầu tư vào công nghệ PV. Ông thậm chí còn đi xa đến mức đưa các tấm pin vào Nhà Trắng.
Trong lịch sử, Hoa Kỳ tụt hậu so với các quốc gia khác trong việc sử dụng năng lượng mặt trời, nhưng điều này đang bắt đầu đảo ngược. Ngoài ra, hiện nay rẻ hơn than nên chuyển sang năng lượng tái tạo, như hệ thống năng lượng mặt trời, có ý nghĩa kinh tế hơn là tiếp tục đầu tư vào các nhà máy nhiên liệu hóa thạch.
Năng lượng mặt trời được sử dụng lần đầu tiên khi nào?
Về lý thuyết, năng lượng mặt trời đã được con người sử dụng từ thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên khi lịch sử cho chúng ta biết rằng con người đã sử dụng ánh sáng mặt trời để thắp sáng các đám cháy bằng vật liệu kính lúp. Sau đó, vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, người Hy Lạp và La Mã đã biết khai thác năng lượng mặt trời với gương để thắp đuốc cho các nghi lễ tôn giáo. Những tấm gương này đã trở thành một công cụ bình thường hóa được gọi là “những tấm gương đốt cháy”. Nền văn minh Trung Quốc đã ghi lại việc sử dụng gương với mục đích tương tự vào năm 20 sau Công nguyên
Một cách sử dụng khác cho năng lượng mặt trời vẫn còn phổ biến cho đến ngày nay là khái niệm “phòng tắm nắng” trong các tòa nhà. Những phòng tắm nắng này sử dụng các cửa sổ lớn để hướng ánh sáng mặt trời vào một khu vực tập trung. Một số nhà tắm La Mã mang tính biểu tượng, điển hình là những nhà tắm nằm ở phía nam của các tòa nhà, là phòng tắm nắng. Sau đó vào những năm 1200 sau Công nguyên, tổ tiên của người Mỹ bản địa Pueblo được biết đến với cái tên Anasazi đã định cư ở những nơi quay mặt về phía nam trên những vách đá để thu lấy hơi ấm của mặt trời trong những tháng mùa đông lạnh giá.
Vào cuối những năm 1700 và 1800, các nhà nghiên cứu và nhà khoa học đã thành công khi sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho lò nướng trong những chuyến đi dài. Họ cũng khai thác sức mạnh của mặt trời để sản xuất tàu hơi nước chạy bằng năng lượng mặt trời. Cuối cùng, rõ ràng là thậm chí hàng nghìn năm trước kỷ nguyên của các tấm pin mặt trời, khái niệm sử dụng sức mạnh của mặt trời là một thực tế phổ biến.
Các tấm pin mặt trời được phát minh khi nào?
Sự phát triển của công nghệ tấm năng lượng mặt trời là một quá trình lặp đi lặp lại với nhiều đóng góp của các nhà khoa học khác nhau. Đương nhiên, có một số cuộc tranh luận xung quanh thời điểm chính xác chúng được tạo ra và ai là người nên được vinh danh cho phát minh. Một số người cho rằng nhà khoa học người Pháp Edmond Becquerel đã phát minh ra solar cell, người đã xác định ánh sáng có thể làm tăng sản lượng điện khi đặt hai điện cực kim loại vào một dung dịch dẫn điện. Bước đột phá này, được định nghĩa là “hiệu ứng quang điện”, đã có ảnh hưởng đến sự phát triển PV sau này với nguyên tố selen.
Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện ra rằng selen có tiềm năng quang dẫn, dẫn đến khám phá của William Grylls Adams và Richard Evans Day năm 1876 rằng selen tạo ra điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Vài năm sau vào năm 1883, Charles Fritts thực sự sản xuất ra những tế bào năng lượng mặt trời đầu tiên được làm từ phiến selen – lý do mà một số nhà sử học ghi nhận Fritts với phát minh thực tế về solar cell
Tuy nhiên, solar cell như chúng ta biết ngày nay được làm bằng silicon, không phải selen. Do đó, một số người coi việc phát minh ra tấm pin mặt trời thực sự gắn liền với việc Daryl Chapin, Calvin Fuller và Gerald Pearson tạo ra tế bào quang điện silicon (PV) tại Bell Labs vào năm 1954 . Nhiều người cho rằng sự kiện này đánh dấu phát minh thực sự của công nghệ PV vì đây là ví dụ đầu tiên của công nghệ năng lượng mặt trời thực sự có thể cung cấp năng lượng cho một thiết bị điện trong vài giờ trong ngày. Tế bào silicon đầu tiên có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời với hiệu suất 4%, ít hơn 1/4 so với khả năng của các tế bào hiện đại.
Hãy nhìn lại lịch sử ngắn gọn của các sự kiện quan trọng dẫn đến việc năng lượng mặt trời trở thành thành công như ngày nay
- 1839 – Solar cell đầu tiên được tạo ra
Thử nghiệm với các điện cực kim loại và một dung dịch axit, nhà vật lý 19 tuổi người Pháp Alexandre Edmond Becquerel đã tạo ra solar cell đầu tiên, được gọi là tế bào quang điện, có thể mang dòng điện từ ánh sáng.
- 1883 – Tấm pin mặt trời đầu tiên hoạt động
Charles Fritts, một nhà phát minh người Mỹ, tạo ra những tấm pin đầu tiên hoạt động được với solar cell làm từ phiến selen. Selenium được Willoughby Smith phát hiện ra là chất quang điện. Các tấm pin đầu tiên được gắn trên một tầng thượng của thành phố New York, nhưng những tấm pin này rất kém hiệu quả với tỷ lệ chuyển đổi năng lượng chỉ 1%.
- 1888 – Bằng sáng chế đầu tiên của Hoa Kỳ cho solar cells
Edward Weston nhận được bằng sáng chế đầu tiên của Hoa Kỳ cho “solar cell”, giúp mang lại nhiều mối quan tâm nghiên cứu hơn và cuối cùng tạo ra các tấm pin mặt trời hiệu quả hơn.
- 1901 – Bằng sáng chế đầu tiên của Hoa Kỳ cho tấm pin mặt trời
Nikola Tesla nhận được bằng sáng chế của Hoa Kỳ về “phương pháp sử dụng và thiết bị sử dụng năng lượng bức xạ” – còn được gọi là tấm pin năng lượng mặt trời
- 1905 – Einstein giới thiệu hiệu ứng quang điện
Albert Einstein đã xuất bản một bài báo về lý thuyết đằng sau “hiệu ứng quang điện”, lý thuyết chính thức chứng minh quá trình mặt trời tạo ra năng lượng thông qua solar cells
- 1915 – Millikan chứng minh lý thuyết của Einstein
Robert Millikan thực hiện một thí nghiệm về lý thuyết của Einstein về hiệu ứng quang điện, chứng minh lý thuyết này.
- 1922 – Einstein đoạt giải Nobel
Einstein đoạt giải Nobel cho bài báo năm 1905 về hiệu ứng quang điện.
- 1954 – Tế bào quang điện silicon công suất cao đầu tiên được tạo ra
Gerald Pearson, Daryl Chapin và Calvin Fuller, các nhà vật lý tại Bell Labs, giới thiệu silicon công suất cao đầu tiên giúp tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng bằng cách sử dụng silicone thay vì phiến selen.
Điều thú vị Bell Labs là một nhánh của Exxon Mobile nhưng thay vì sử dụng năng lượng mặt trời, Exxon quay trở lại với nhiên liệu hóa thạch.
- 1963 – Sản xuất hàng loạt pin năng lượng mặt trời
Sharp Corporation sản xuất một mô-đun quang điện khả thi của cell silicon, sản xuất thành công tấm pin mặt trời hàng loạt. Nhật Bản lắp đặt mảng PV 242watt trên một ngọn hải đăng, mảng lớn nhất thế giới vào thời điểm đó.
- 1964 – NASA ra mắt mảng PV năng lượng mặt trời đầu tiên
NASA chịu trách nhiệm phóng tàu vũ trụ Nimbus đầu tiên, một vệ tinh có thể chạy hoàn toàn bằng một mảng năng lượng mặt trời 470 watt sau khi Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân phóng thành công Vanguard I năm 1958 và Vanguard II, Explorer III và Sputnik-3 đều được ra mắt với công nghệ PV trên tàu vào cuối năm 1958
- Năm 1966, NASA đưa vào hoạt động Đài quan sát Thiên văn quỹ đạo đầu tiên trên thế giới, được cung cấp năng lượng bởi một mảng một kilowatt.
Những năm 1970 – Nghiên cứu làm giảm chi phí năng lượng mặt trời
Nghiên cứu giúp cho chi phí hệ thống giảm 80%, cho phép thử nghiệm và áp dụng các cách sử dụng khác nhau của các tấm pin mặt trời, chủ yếu là sử dụng ngoài lưới điện.
- 1973 – Tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên được xây dựng
Năm 1973, Đại học Delaware chịu trách nhiệm xây dựng tòa nhà năng lượng mặt trời đầu tiên, được đặt tên là “Solar One”. Hệ thống chạy trên nguồn cung cấp hỗn hợp giữa nhiệt mặt trời và điện mặt trời. Đây cũng là trường hợp đầu tiên của việc xây dựng quang điện tích hợp (BIPV) – mảng này không sử dụng các tấm pin mặt trời mà thay vào đó là năng lượng mặt trời tích hợp trên mái nhà, tương tự như thiết kế cho sản phẩm mái nhà mới của Tesla .
- 1976 – Mô-đun silicon màng mỏng đầu tiên được sản xuất
Kyocera Corp bắt đầu sản xuất mô-đun năng lượng mặt trời tinh thể silicon màng mỏng, đơn giản hóa quy trình sản xuất.
- 1977 – NREL được tạo ra
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thành lập Viện Nghiên cứu Năng lượng Mặt trời Hoa Kỳ tại Golden, CO. Tổ chức này hiện là NREL, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia – họ phụ trách nghiên cứu năng lượng tái tạo để độc lập về năng lượng.
- Năm 1981 – Chế tạo máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên
Paul Mac đã chế tạo Solar Challenger, chiếc máy bay đầu tiên chạy bằng năng lượng mặt trời và đưa nó qua eo biển Manche từ Pháp đến Anh Năm 1998, chiếc máy bay năng lượng mặt trời điều khiển từ xa “Pathfinder” đã thiết lập độ cao kỷ lục sau khi đạt 80.000 feet. NASA đã phá kỷ lục đó vào năm 2001 khi họ đạt độ cao 96.000 feet với chiếc máy bay không tên lửa của mình. Năm 2016, Bertrand Piccard đã hoàn thành chuyến bay không phát thải đầu tiên trên khắp thế giới với Solar Impulse 2, chiếc máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời lớn nhất và mạnh nhất thế giới hiện nay.
- 1994 – Chương trình 70.000 mái nhà năng lượng mặt trời của Nhật Bản
Nhật Bản bắt đầu chương trình trợ cấp “70.000 Mái nhà năng lượng mặt trời”.
- 1999 – Chương trình 100.000 mái nhà năng lượng mặt trời của Đức
Đức khởi động chương trình “100.000 Mái nhà năng lượng Mặt trời” trị giá 500 triệu đô la. Chương trình trợ cấp này của Đức đóng vai trò then chốt trong việc phát triển ngành năng lượng mặt trời dân dụng khả thi. Chính phủ Đức đã chi tiền cho việc áp dụng tấm pin để mở rộng vào thời điểm mà chúng vẫn còn rất đắt.
- 2007 – Năng lượng mặt trời trở thành công nghệ sạch hàng đầu
Đầu tư toàn cầu vào năng lượng sạch vượt quá 100 tỷ đô la, đây là công nghệ năng lượng sạch hàng đầu cho đầu tư mạo hiểm và đầu tư.
- 2008 – 2012 – Chi phí của mô-đun PV giảm
Chi phí của mô-đun PV rơi vào khoảng từ 1-5 đô la cho mỗi watt, được thúc đẩy chủ yếu bằng cách tiếp tục trợ cấp mạnh mẽ ở Đức và các chương trình trợ cấp mới ở Tây Ban Nha, Ý và Úc.
- 2010 – 2018 – Sự khởi đầu của các nhà máy sản xuất năng lượng mặt trời lớn
Các công ty ở Trung Quốc bắt đầu xây dựng các nhà máy sản xuất cell và pin năng lượng mặt trời tự động hóa lớn để giảm chi phí của mô-đun xuống còn 0,70 đô la mỗi watt
- 2012 – 2015 – Chi phí của hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình trở nên tốt hơn
Việc lắp đặt hệ thống ở khu dân cư trở nên tiết kiệm chi phí đối với các hộ gia đình. Vào năm 2015, nhiều năng lượng mặt trời dân dụng được lắp đặt ở Hoa Kỳ trong hơn 18 tháng so với tất cả lịch sử lắp đặt trước đó.
- 2015 – Tesla công bố ra mắt Powerwall
Công ty Ô tô Tesla công bố ý định tung ra một sản phẩm lưu trữ pin lithium ion với mức giá phù hợp cho các hộ gia đình Mỹ bình thường trong việc lưu trữ năng lượng mặt trời được tạo ra vào ban ngày để sử dụng vào ban đêm.
Năng lượng mặt trời ngày nay
Ngay từ khi mới thành lập, việc sử dụng năng lượng mặt trời lúc đầu tăng chậm nhưng hiện nay nó đã vượt quá mong đợi vì chi phí xây dựng thấp và tính ưu việt hơn so với nhiên liệu hóa thạch. Nó trải dài trong nhiều ngành khác nhau và đóng góp năng lượng cho hàng trăm thiết bị và công nghệ khác nhau.
Vào năm 2019, Hoa Kỳ đã vượt qua 2 triệu lượt lắp đặt bảng điều khiển năng lượng mặt trời và dự kiến đến năm 2023, tổng số này sẽ tăng gấp đôi. Phải mất 40 năm Hoa Kỳ mới đạt được 1 triệu lượt lắp đặt nhưng sự tăng trưởng này đang được thúc đẩy bởi sự gia tăng của việc lắp đặt năng lượng mặt trời tại nhà và các mục tiêu năng lượng sạch của các bang và thành phố.
Xét ở nước ta thì phải kể đến năm 2020 vừa rồi là đỉnh điểm bùng nổ ngành năng lượng mặt trời với 9GW được lắp đặt, năm 2021 này hứa hẹn sẽ tiếp tục là một năm bùng nổ nữa.
Khi thế giới đón nhận nhiều năng lượng tái tạo hơn, các tấm pin mặt trời sẽ tiếp tục phát triển phổ biến và cần thiết trong quá trình chuyển đổi sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
