Thu năng lượng mặt trời nhờ tiết diện mặt tiền

Pin mặt trời thường được lắp đặt nhiều nhất trên mái nhà do đây là tiết diện nhận nhiều ánh sáng mặt trời nhất.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứ tại Trung tâm CPS Fraunhofer (Quang điện silicon), Đức đã phát hiện rằng pin mặt trời, nếu được lắp tại bề mặt tiền của một cấu trúc nào đó, có thể tạo ra sản lượng điện lớn hơn. Độ hiệu quả có thể lên tới 50% nếu pin được đính vào mặt tiền thay vì chỉ gắn ở những thiết diện xung quanh.

Một mô hình mẫu thiết kế mặt tiền giúp tăng sản lượng điện khi có gắn pin mặt trời trên đó. (Nguồn: A. Heller, Architektur-Institut Leipzig)

Mái nhà quả đúng là nơi tiếp nhận nhiều ánh sáng mặt trời nhất. Tuy nhiên, thông tin này chỉ đúng một phần. Mặt tiền tòa nhà hay bất kỳ thiết kế nào cũng là nơi đón nhận vô cùng nhiều ánh sáng. Đây là một ý tưởng hay vì chúng ta tận dụng được một bề mặt tưởng chừng như chẳng thể làm gì hơn và việc áp dụng này giúp thu thêm nguồn điện năng sạch để từ đó bổ sung cho lượng điện tiêu thụ. Tuy nhiên, hiện tại, ý tưởng này còn hai vấn đề đó là việc mặt trời thường chiếu vào các mặt tiền theo một góc "kém lý tưởng" và mối lo ngại về mặt thẩm mỹ khi pin gắn trên thiết kế, tạo ra "dấu ấn" của một công trình.

Mặt tiền đẹp mắt đi kèm tinh tế

Trong dự án SOLAR.shell của mình, các nhà nghiên cứu tới từ Trung tâm CPS Fraunhofer đã kết hợp cùng các nhà thiết kế tới từ Đại học Khoa học Ứng dụng Leipzig (Trung tâm CPS Fraunhofer) chứng minh ý tưởng của họ.

Đội ngũ đã cho ra mắt một mặt tiền, giải quyết được những lo ngại nói trên. “Những tấm pin mặt trời đính trên bề mặt chúng tôi thiết kế tạo ra lượng điện mặt trời cao hơn 50% so với pin gắn vuông góc trên các mặt tường của các toàn nhà”, ông Sebastian Schindler, quản lý dự án cho biết.

“Bên cạnh đó, mặt tiền chúng tôi thiết kế còn sở hữu sức hấp dẫn trực quan.” Đội ngũ kiến trúc sư HTWK đã xây dựng ý tưởng và thiết kế. Các tấm pin nên gắn với độ nghiêng như thế nào để thu được nhiều ánh sáng nhất có thể? Tấm pin nên có kích thước ra sao? Và trên mỗi tấm pin nên gồm bao nhiêu tế bào quang điện? Trả lời các câu hỏi trên, đội ngũ nghiên cứu đưa ra kích thước 2x3, chất liệu chế tạo là nhôm và 9 tế bào quang điện.

Phối hợp với HTWK Leipzig và TU Dresden, các nhà nghiên cứu CSP Fraunhofer cũng đã nghiên cứu phát triển các tùy chọn phù hợp để gắn các pin mặt trời lên mặt tiền bê tông, đặc biệt hơn là ở mặt tiền làm bằng bê tông carbon. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã đưa ra ba lựa chọn và phương pháp khác nhau để gắn pin mặt trời vào các phần mặt trước của thiết kế kiến trúc. Các tấm pin năng lượng mặt trời có thể đặt lên trực tiếp khi đúc các phần bê tông hoặc được dán lên trên hoặc liên kết với các tấm bê tông. Ngoài ra có thể sử dụng ốc vít stud hoặc các phương tiện khác để "kết nối" và cũng là để dễ dàng tháo lắp trước khi bảo trì hoặc sửa chữa. "Chúng tôi đã chứng minh được rằng cả ba lựa chọn lắp đặt đều khả thi về mặt kỹ thuật," ông Schindler nói.

Vấn đề ở đây chính là đảm bảo rằng phương pháp sản xuất phần bê tông có thể đáp ứng được yêu cầu về kích thước để đặt pin mặt trời. Điều này được thực hiện bằng cách đúc các phần bê tông với một chỗ lõm có kích thước theo yêu cầu vừa đủ để đặt một tấm pin mặt trời. Ngoài ra, cũng cần đảm bảo rằng các tấm pin mặt trời không được gắn quá chặt ở nơi bê tông đặc biệt mỏng hoặc nơi đặt các sợi carbon. Dự án đã được hoàn thành thành công.

SOLARcon: mặt tiền bê tông 2.0

Trong dự án tiếp theo của SOLARcon, cộng tác với HTWK Leipzig và TU Dresden, cũng như hai doanh nghiệp đối tác khác ký kêt vào tháng 11 năm 2019, các chuyên gia Fraunhofer sẽ thiết lập các giải pháp mang tính thị trường để gắn các tấm pin mặt trời vào các tấm bê tông đúc sẵn. Liệu các tế bào pin quang điện nhô lên có bị tuột ra không?

Để trả lời câu hỏi này, các nhà nghiên cứu Fraunhofer đang tiến hành các thử nghiệm để tìm ra độ bền lý tưởng đối với cả các tấm pin mặt trời và giao diện bề mặt tiếp xúc với bê tông. Giao diện hoạt động như thế nào trong các điều kiện thời tiết khác nhau? Những thử nghiệm các yếu tố gia tăng độ lão hóa của thiết kế cho thấy điều gì? Ngoài cách tiếp cận dựa trên thử nghiệm, các mô hình mô phỏng cũng nằm trong chương trình của dự án, cụ thể hơn là các phương pháp phần tử hữu hạn. Điều này cho phép các chuyên gia "giải quyết vấn đề" khi bê tông và giao diện tiếp xúc với pin nóng lên ở nhiệt độ cao hay tìm hiểu xem pin sẽ chịu đựng được loại gió và áp lực nén như thế nào.

Minh Thúy (Theo Techxplore)