Lịch sử năng lượng mặt trời và triển vọng trong tương lai

1954 – Sáng chế pin mặt trời đầu tiên

“Tiến trình Czochralski " lấy cảm hứng từ Gerald Pearson và Calvin Fuller của phòng thí nghiệm Bell nổi tiếng, để tạo ra các thiết bị đầu tiên có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện vào năm 1954

Giới khoa học gia Hoa Kỳ nhận định rằng năng lượng mặt trời là ngành công nghiệp có tương lai tươi sáng ở trên toàn thế giới, trong lúc vấn đề bảo vệ môi trường ngày càng cấp thiết đồng thời với việc giảm sử dụng năng lượng hoá thạch. Nhưng thực ra, trước khi chúng ta nghĩ làm thế nào để bảo vệ môi trường bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời, con người, trong suốt nhiều thế kỷ, đã tận dụng sức mạnh của mặt trời theo những cách khác.

Tấm pin năng lượng mặt trời của một nhà máy điện

Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đang bùng nổ với tỉ lệ tăng trưởng trung bình hằng năm là 58%, kể từ năm 2010. Đây là một tin tuyệt vời, nếu nhìn nhận đến nồng độ khí carbon dioxide (CO2) trong không khí trung bình toàn cầu đạt mức cao kỷ lục vào tháng 3/2015, theo các nhà nghiên cứu từ cơ quan National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA của Hoa Kỳ.

Sơ đồ mô tả một hệ thống điện mặt trời dùng cho gia đình làm việc thế nào

Các tấm panel thu năng lượng mặt trời lắp trên mái ngói đảm bảo cấp đủ năng lượng cho các thiết bị điện trong hộ gia đình đã tương đối phổ biến hiện nay

Các nhà khoa học cảnh báo rằng lượng khí thải hiện hành sẽ cần phải được giảm khoảng 80%, nếu không muốn nồng độ CO2 trong không khí tiếp tục tăng. Chính phủ các nước, cũng như các doanh nghiệp phải bắt đầu dựa vào các nguồn nhiên liệu thay thế như thủy điện, điện gió, và năng lượng mặt trời, nếu họ muốn ngăn chặn sự phát thải các loại khí gây hiệu ứng nhà kính.

214 -212 BC: Các ví dụ được biết đến sớm nhất của năng lượng mặt trời

Con người đã học các sử dụng năng lượng mặt trời, bắt đầu từ việc sử dụng kính lúp để tập trung ánh sáng mặt trời chiếu vào một vài thứ làm chúng bùng cháy trong khoảng thế kỷ 7 trước công nguyên.

Tranh vẽ thời cổ mô tả thiết bị của Archimedes

Những ghi nhận đầu tiên về sử dụng năng lượng mặt trời có vào khoảng bốn thế kỷ sau đó. Các nhà sử học Hy Lạp và La Mã cổ đại ghi nhận rằng nhà toán học nổi tiếng - kỹ sư - nhà phát minh Archimedes đã chế tạo "tia nhiệt" từ các tháp chiến đấu của thành Syracuse. Thiết bị đó được cho là sử dụng một tập hợp các gương đồng được đánh bóng để tập trung ánh sáng đốt cháy các cánh buồm của tàu chiến địch. Câu chuyện đã được tranh luận hàng thế kỷ qua. Trong năm 2004, chương trình khoa học MythBusters đã thử nghiệm dựng lại thiết bị này của Archimedes nhưng không thành công. Tuy nhiên, chỉ một năm sau đó, một nhóm các nhà khoa học thuộc MIT đã thử nghiệm tái tạo thành công thiết bị dạng này, chế tạo một mô hình “tàu phóng lửa” sử dụng 127 tấm gương phản xạ ánh nắng mặt trời.

1767: Chiếc hộp của Horace De Saussure

Horace Benedict de Saussure là một nhà vật lý và tự nhiên học, chủ yếu được biết đến với những đóng góp cho ngành địa chất (với tác phẩm "Những chuyến du lịch ở dãy Alps"). Ông cũng là người phát minh ra ẩm kế. Tuy nhiên, De Saussure đã đóng góp vào sự phát triển của công nghệ năng lượng mặt trời bằng cách tạo ra thiết bị thu năng lượng mặt trời đầu tiên vào năm 1767 - một cái hộp bao phủ bởi 3 lớp thủy tinh hấp thụ năng lượng nhiệt, đạt nhiệt độ 230°F (nguồn: Văn phòng Tiết kiệm năng lượng và năng lượng tái tạo).

1839: Hiệu ứng quang điện

Một hệ thống ứng dụng hiệu ứng quang điện trên diện tích lớn

Edmond Becquerel - nhà vật lý người Pháp, phát hiện ra rằng một số vật chất nhất định khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra điện áp. Điều này đánh dấu một mốc quan trọng trong lịch sử của công nghiệp năng lượng mặt trời.

Becquerel chỉ mới 19 tuổi khi ông tạo ra tế bào quang điện đầu tiên trên thế giới trong phòng thí nghiệm của cha mình. Năm đó, ông trình bày chi tiết các thí nghiệm trong tạp chí khoa học Les Comptes Rendus de l'Academie des Sciences - Becquerel đặt một clorua bạc trong axit và chiếu sáng nó trong khi nó được kết nối với điện cực bạch kim và, kết quả là, nó tạo ra điện áp và dòng điện.

1873 – 1876: Hiện tượng quang dẫn của Selenium và sự tạo ra điện

Hơn 40 năm sau khi thí nghiệm của Becquerel, thì Willoughby Smith - một kỹ sư điện người Anh quan sát hiện tượng quang dẫn của nguyên tố hóa học selen. Ba năm sau khám phá đó, William Grylls Adams - giáo sư Khoa Triết học tự nhiên (Đại học King), làm việc cùng với sinh viên Richard Evans Day, phát hiện ra rằng selen sản xuất điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Hai năm sau nữa, Adams đã viết “Solar Heat: A Substitute for Fuel in Tropical Countries” (Năng lượng mặt trời: Một thay thế cho nhiên liệu ở các nước nhiệt đới) - cuốn sách đầu tiên về năng lượng mặt trời.

1905 - Nghiên cứu của Einstein

Albert Einstein thì không cần giới thiệu. Nhà vật lý học gốc Do Thái được biết đến với một loạt các sự kiện khoa học quan trọng. Tuy nhiên, có vẻ như hầu hết mọi người không để ý đến nghiên cứu về hiệu ứng quang điện của Einstein. Einstein xây dựng lý thuyết photon của ánh sáng - mô tả rằng ánh sáng mặt trời có thể "giải phóng" các electron trên bề mặt kim loại. 16 năm sau khi công bố bài báo, Einstein được trao giải Nobel cho "khám phá quy luật hiệu ứng quang điện" của mình.

1954 – Sáng chế pin mặt trời đầu tiên

Trong khi nguyên mẫu của mô-đun quang điện được tạo ra trong những năm cuối thế kỷ 19 bởi Charles Fritts, hơn 50 năm sau, cộng đồng khoa học mới thiết kế được một tế bào năng lượng mặt trời thực tế.

Các bước đột phá đầu tiên đến vào năm 1918, khi nhà khoa học Ba Lan Jan Czochralski phát minh ra một phương pháp nuôi cấy silicon đơn tinh thể. “Tiến trình Czochralski " lấy cảm hứng từ Gerald Pearson và Calvin Fuller của phòng thí nghiệm Bell nổi tiếng, để tạo ra các thiết bị đầu tiên có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện vào năm 1954. Hai nhà khoa học sau đó đã tăng hiệu suất chuyển đổi từ 4% lên 11%.

1977 – Thiết lập Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng mặt trời

Việc kiểm soát giá dầu của chính phủ Hoa Kỳ trong những năm 1970, tiếp theo là các lệnh cấm vận dầu mỏ Ả-rập và việc đưa ra Đạo luật Giao khẩn cấp Dầu khí năm 1973 tạo ra một cuộc khủng hoảng năng lượng ở Hoa Kỳ. Tất cả điều này dẫn đến việc đón nhận năng lượng mặt trời và các nguồn tài trợ của Viện Nghiên cứu Năng lượng mặt trời (ngày nay được gọi là Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia). Trong vài năm sau đó, chính phủ các nước khác trên toàn cầu cũng làm như vậy.

1999 - Bước đột phá trong hiệu quả quang điện

Hai mốc quan trọng xảy ra trong 1999; đầu tiên, Chủ tịch EUROSOLAR - Hermann Scheer khởi xướng chương trình "100.000 mái nhà năng lượng mặt trời", với mục tiêu tạo ra một công suất điện là 300 MW vào năm 2005. Thứ hai, quan trọng hơn, là các công ty sản xuất Spectrolab phát triển một tế bào chuyển đổi được… 32% của ánh sáng nhận được thành điện năng - hơn gấp đôi mức hiệu quả tại thời điểm đó.

Các tấm thu năng lượng mặt trời của một nhà máy điện. (Ảnh: Huffington Post)

Một loại tấm thu năng lượng mặt trời có thể tự di chuyển được theo hướng nắng

Tấm thu năng lượng mặt trời được thiết kế để có thể dùng xe kéo đi

Năng lượng mặt trời trong thế kỷ 21

Kể từ khi bắt đầu thiên niên kỷ thứ ba,đây là thời gian mà ngành công nghiệp năng lượng mặt trời nhìn thấy nhiều cơ hội hơn bao giờ hết. Tấm pin mặt trời dùng cho nhà ở đã trở thành phổ biến rộng rãi vào năm 2001, khi Home Depot bắt đầu bán ra trong 3 cửa hàng ở California, Hoa Kỳ (một năm sau đó, tại hơn 60 cửa hàng trên toàn quốc). Hôm nay, tình hình thậm chí còn tốt hơn, Greentech Media cho biết thị trường năng lượng mặt trời dân cư đã tăng 66% kể từ năm 2009. Hơn nữa, máy phát điện không còn là thứ bắt buộc phải có trong nhà; các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng và máy tính xách tay hiện nay có thể được trang bị bộ dụng cụ bảng điều khiển năng lượng mặt trời nhỏ.

Đèn năng lượng mặt trời

Một loại đèn năng lượng mặt trời dùng cho chiếu sáng ngoài trời, có thể tự thu năng lượng mặt trời rồi nạp vào pin phía trong dùng để thắp sáng bóng đèn led của nó

Tương lai tươi sáng nhờ vào sự mở rộng của các khoản tín dụng thuế liên bang, chính sách nhà nước và đặc biệt là cắt giảm chi phí, Hiệp hội Năng lượng mặt trời công nghiệp Hoa Kỳ dự đoán rằng năm 2016 sẽ là một năm kỷ lục cho ngành công nghiệp này . Mặc dù công nghệ tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu MIT tin rằng công nghệ tinh thể silicon hiện nay có khả năng tạo ra điện quy mô hàng terawatt vào năm 2050. Ngay khi những thứ rào chắn như chính sách dựa vào nhiên liệu hóa thạch bị huỷ bỏ, năng lượng mặt trời sẽ thế chỗ.

Một dự án nhà thấp tầng hiện đại với hệ thống năng lượng mặt trời đồng bộ