Thiết kế năng lượng mặt trời trong kiến trúc đương đại là một bước ngoặt lớn trong lịch sử thiết kế kiến trúc. Mối quan hệ giữa kiến trúc và năng lượng gắn liền với chiến lược và hiệu suất thụ động thông qua những đổi mới gần đây trong công nghệ. Thiết kế năng lượng mặt trời đang định hình lại các thành phố và kiến trúc trên khắp thế giới, như là một cách để bắt đầu giải quyết cuộc khủng hoảng khí hậu toàn cầu và khí thải nhà kính.
Trong nhiều năm, các kiến trúc sư đã nhắm đến việc nạp năng lượng với trọng tâm là giảm năng lượng mà các tòa nhà cần để làm mát, sưởi ấm, thông gió và chiếu sáng. Thiết kế năng lượng mặt trời bao gồm các ý tưởng về chiếu sáng và tiếp cận thụ động, và gần đây nhất là năng lượng được áp dụng trong hoạt động và cấu trúc. Việc tạo ra các tòa nhà tiết kiệm năng lượng ngày càng trở nên khó khăn, khi mà việc thiết kế các tính năng làm giảm năng lượng lại có thể làm tăng việc sử dụng những vật liệu cần tiêu tốn nhiều năng lượng.
Ngày nay, các kiến trúc sư và nhà thiết kế trên khắp thế giới đã thực hiện các bước để giảm thiểu lượng năng lượng mà các tòa nhà mới sử dụng. Tuy nhiên, sự nhấn mạnh vào năng lượng mặt trời và thực hành bền vững đã làm gia tăng sự xuất hiện carbon. Viện Kiến trúc sư Hoa Kỳ (AIA) gần đây đã tuyên bố trong Nghị quyết về hành động khí hậu khẩn cấp và bền vững, “Cho đến khi việc sử dụng năng lượng mặt trời không làm phát sinh khí thải carbon thì kiến trúc đó mới đạt tiêu chuẩn. Hành động về khí hậu khẩn cấp được ưu tiên và hỗ trợ của Viện AIA là vấn đề về sức khỏe, an toàn và phúc lợi”. Xem xét mối liên hệ giữa kiến trúc và năng lượng, các dự án sau đây nói về thiết kế năng lượng mặt trời, công nghệ quang điện và những cải tiến gần đây đang định hình cách chúng ta nghĩ về tương lai của môi trường xây dựng.
Năng lượng quang điện hoạt động như thế nào?
Sau khi bị giới hạn ở các trạm vũ trụ và vệ tinh, hiện nay quang điện đang trở nên phổ biến và trở thành một lựa chọn ngày càng khả thi. Mỗi ngày, mặt trời giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, nhiều hơn rất nhiều lần so với tiêu thụ của toàn bộ dân số. Vì mặt trời là nguồn bền vững (có thể tái tạo và không thể cạn kiệt) để tạo ra điện, không sử dụng nó có vẻ gần như phản trực giác, đặc biệt là xem xét các tác động xã hội và môi trường của các dạng phát năng lượng khác. Nhưng công nghệ tạo ra điện từ mặt trời không có nghĩa là đơn giản và vẫn còn một số hạn chế, đáng kể nhất là giá cả.
Quá trình biến các tia mặt trời thành năng lượng điện bắt đầu trong tế bào quang điện. Các tế bào này được sản xuất với hai lớp silicon bị biến đổi hóa học, trong đó một lớp bị thiếu electron và lớp kia chứa các electron bị quá tải. Khi các photon từ ánh sáng mặt trời chạm tới bề mặt, các electron này có khả năng di chuyển, tạo ra dòng chảy tạo ra dòng điện. Mỗi tế bào tạo ra một lượng năng lượng nhỏ và một panel thường được tạo từ 36 đến 72 tế bào quang điện. Bằng cách kết nối nhiều panel với nhau, một hệ thống quang điện được tạo ra. Tám đến 10 panel là đủ để cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà nhỏ. Tuy nhiên, thống kê này bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, chẳng hạn như hiệu quả của các panel, lượng ánh nắng mặt trời trong khu vực và nhu cầu năng lượng của chính nơi cư trú.
Điều quan trọng là các panel pin mặt trời quang điện sản xuất điện dưới dạng dòng điện trực tiếp, nghĩa là điện phải đi qua một biến tần để biến đổi nó thành dòng điện xoay chiều – vốn thường được sử dụng trong các tòa nhà, thiết bị, ổ cắm và bóng đèn.
California yêu cầu lắp đặt panel pin mặt trời trên những ngôi nhà mới
Ủy ban Tiêu chuẩn Xây dựng California đã phê duyệt một luật bắt đầu có hiệu lực từ năm 2020, yêu cầu tất cả các ngôi nhà mới được xây dựng trong tiểu bang phải được lắp các panel pin mặt trời. Đây là một luật mới xuất hiện ở Hoa Kỳ, luật này khuyến khích chủ nhà thêm pin dung lượng cao vào hệ thống điện. Động thái này hy vọng sẽ giúp đáp ứng mục tiêu của nhà nước là giảm mạnh khí thải nhà kính trong khi rút toàn bộ điện từ các nguồn năng lượng tái tạo.
Những ngôi nhà dành cho một gia đình và các tòa nhà cao đến ba tầng dành cho nhiều gia đình phải phù hợp với tiêu chuẩn mới về năng lượng mặt trời. Tiểu bang này dự đoán rằng việc bắt buộc lắp đặt panel năng lượng mặt trời có thể thêm gần 10.000 USD vào chi phí trả trước của một ngôi nhà và chi phí này sẽ cân bằng theo thời gian với hóa đơn tiền điện thấp hơn.
Ủy ban Năng lượng California thông qua luật lắp đặt panel năng lượng mặt trời vào tháng 5 như một phần của Bộ luật Tiêu chuẩn Công trình Xanh của California. Trong tuần qua, Ủy ban Tiêu chuẩn Xây dựng đã thêm yêu cầu với một phiếu nhất trí. Chủ nhà sẽ có nhiều tùy chọn đối với panel pin mặt trời: mua hoàn toàn, cho thuê hoặc tham gia vào hợp đồng mua bán điện với người xây nhà.
Tesla tiết lộ hệ thống mái nhà tích hợp năng lượng mặt trời
Cách đây hơn ba năm, Elon Musk – Chủ tịch, CEO và Kiến trúc sư sản phẩm của Tesla Motors – đã tiết lộ cải tiến mới nhất của Tesla: một hệ thống mái năng lượng mặt trời được tích hợp hoàn toàn vào kiến trúc nhà mà hầu như không thể phân biệt được với mái nhà truyền thống. Được làm từ thủy tinh có họa tiết, các viên gạch lợp mái có những lỗ thông hơi siêu nhỏ cho phép ánh sáng xuyên qua trong khi không thể nhìn thấy tế bào quang điện bên trong. Tesla tuyên bố các tấm kính cường lực này sẽ “cứng như thép” với “tuổi thọ vô hạn”, và tính năng làm nóng có thể được thêm vào để làm tan tuyết ở vùng khí hậu lạnh.
Mái nhà năng lượng mặt trời có bốn kiểu kiến trúc khác nhau: phong cách Tuscan, dạng đá phiến, dạng mịn, có họa tiết; và sẽ được tích hợp vào pin mặt trời dành cho gia đình Tesla Powerwall 2, cho phép hầu hết các gia đình sản xuất đủ lượng năng lượng mà họ cần dùng trong ngày. Tesla cũng đang trong quá trình cải tiến hơn nữa công nghệ lỗ thông hơi để đưa ánh sáng phản xạ trở lại pin mặt trời, điều này có khả năng làm tăng hiệu quả của gạch lợp mái.
Các nhà nghiên cứu cải thiện panel pin mặt trời bằng cách sử dụng kỹ thuật Kirigami của Nhật Bản
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan đã tìm cách phát triển một hệ thống năng lượng mặt trời có thể hấp thụ ánh sáng ban ngày nhiều nhất có thể trong khi giảm lượng khí thải carbon từ việc sản xuất các panel pin. Kết quả thật đáng kinh ngạc: thông qua ứng dụng nghệ thuật cắt giấy truyền thống Kirigami của Nhật Bản, một biến thể của Origami, các nhà nghiên cứu đã có thể thu được nhiều hơn 40% ánh sáng mặt trời so với các panel truyền thống.
Việc thực hiện rất đơn giản: cắt những tấm phim mặt trời theo Kirigami và gắn chúng vào một hệ thống theo dõi đơn giản, sau đó các panel pin có thể thu được ánh sáng mặt trời suốt cả ngày. Việc cắt Kirigami được các nhà nghiên cứu lựa chọn vì nó tránh tạo bóng trên các panel và có thể di chuyển mà không làm hỏng những tấm phim mặt trời mỏng manh. Khi được kéo ở cả hai đầu, tấm phim sẽ dịch chuyển để tạo ra một bảng ba chiều độc đáo có khả năng điều chỉnh suốt cả ngày, phối hợp với chuyển động của mặt trời.
- Xem thêm: Ngôi nhà mát mẻ
Ứng dụng cắt Kirigami có thể tạo ra điện nhiều hơn từ 20 đến 40% so với sử dụng cùng một lượng nguyên liệu bán dẫn. Ý tưởng cải tiến được đưa ra bởi các nhà nghiên cứu của Đại học Michigan cho phép phim mặt trời di chuyển giữa hai tấm kính với sự hỗ trợ của một hệ thống chuyển động đơn giản, loại bỏ sự cần thiết phải xoay toàn bộ bảng điều khiển và giải quyết vấn đề thiết yếu cho 80% hệ thống panel năng lượng mặt trời được lắp đặt trên nóc nhà.
Hệ thống thu năng lượng mặt trời “vô hình” trở thành hiện thực
Các hệ thống thu năng lượng mặt trời không nhất thiết phải được nhìn thấy thật rõ ràng và nổi bật. Trên thực tế, giờ đây chúng thậm chí có thể “vô hình”, nhờ các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Michigan (MSU) đã phát triển một hệ thống tập trung năng lượng mặt trời phát quang trong suốt (LSC) có thể lắp đặt trên cửa sổ hoặc những chỗ có bề mặt rõ ràng.
Công nghệ LSC mới được làm trong suốt bằng cách tập trung vào các bước sóng ánh sáng mặt trời không nằm trong quang phổ có thể nhìn thấy được. Công nghệ LSC sử dụng các phân tử hữu cơ nhỏ để thu các bước sóng cực tím và gần hồng ngoại sau đó phát sáng ở bước sóng khác trong hồng ngoại. Ánh sáng hồng ngoại này hướng vào cạnh của miếng nhựa, nơi chuyển đổi các dải tế bào quang điện mỏng thành điện.
Công nghệ LSC trong suốt hiện chỉ đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời gần 1%, trong khi công nghệ LSC có màu tốt nhất có thể đạt được hiệu quả khoảng 7%. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tối ưu hóa hiệu quả sản xuất năng lượng của công nghệ này khoảng hơn 5% (so sánh với khoảng 15 – 20% cho một tế bào quang điện hiện bán trên thị trường).
