“Nếu thế kỷ XIX là thời đại của than, thế kỷ XX là của dầu mỏ, thì thế kỷ XXI là thời đại của mặt trời” Tuyên bố trên cho thấy tầm quan trọng của năng lượng mặt trời trong kỷ nguyên mới. Các hệ thống pin năng lượng sản xuất điện trực tiếp từ bức xạ mặt trời đang phát triển rộng rãi – lợi ích của nó trở nên rõ ràng hơn, chi phí giảm hơn trước đây rất nhiều. Pin năng lượng là công nghệ vật liệu tiên tiến sẽ giúp chúng ta thiết kế các công trình thân thiện với môi trường. Đây là một giải pháp quan trọng và khả thi nhất trong việc tiết kiệm năng lượng sử dụng trong các tòa nhà, cả trong các công trình dân dụng và công cộng.
Năng lượng mặt trời có thể chia làm hai loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng. Các tế bào quang điện (Photovoltaic cells) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng sau đó. Pin năng lượng mặt trời được ghép nối từ nhiều tế bào quang điện, các pin mặt trời hiện đang được sử dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác. Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thông thường.
Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng ba dạng pin mặt trời là tấm pin mặt trời tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng vô định hình. Tuỳ loại, các tấm pin có thể có hiệu suất từ 15% đến 18%, công suất từ 25Wp đến 200Wp và có tuổi thọ trung bình khoảng 25-30 năm. Có nhiều hệ thống pin năng lượng:
– Loại có khả năng cung cấp điện không có hệ ắc quy lưu trữ, chỉ dùng khi có năng lượng mặt trời.
– Loại có khả năng cung cấp điện với hệ ắc quy lưu trữ để dùng khi không đủ năng lượng mặt trời.
– Loại có thể hòa lưới điện quốc gia, cung cấp điện lên lưới như máy phát điện.
– Loại hoạt động độc lập như hệ thống điện dự phòng.
Pin năng lượng mặt trời còn có những ưu điểm khác khiến nó trở nên “sạch” – đó là: không gây tác hại tới môi trường, không xả chất thải nguy hiểm, không gây ô nhiễm nguồn nước và không khí. Vật liệu chế tạo pin năng lượng mặt trời cũng phổ biến, đó là chất silicon vốn rất sẵn trong cát biển.
Ưu và nhược điểm của hệ thống pin năng lượng:
Hệ thống pin năng lượng tích hợp trong tòa nhà và có kết nối với hệ thống điện lưới có những ưu điểm sau:
– Chi phí của pin năng lượng trên mái hoặc tường sẽ bù đắp lại chi phí của những thành phần công trình mà chúng thay thế.
– Năng lượng được tạo thành tại chỗ và làm giảm chi phí cho điện lưới.
– Khi kết nối với điện lưới, giá thành sẽ giảm do tránh việc tích điện của hệ thống độc lập và đảm bảo việc cung cấp điện tốt hơn.
– Không cần thêm đất cho việc lắp đặt.
Nhược điểm chính của pin năng lượng hiện nay nằm ở giá thành cao và giá điện sản xuất từ hệ thống này lớn hơn giá điện lưới. Do đây là công nghệ tiên tiến nên chưa thể áp dụng ở những khu vực có thu nhập thấp và dân trí chưa cao.
Công suất của pin năng lượng phụ thuộc vào những yếu tố sau đây:
– Sự thay đổi hàng ngày, liên quan tới vòng quay trái đất và mùa (liên quan tới hướng của trục trái đất và chuyển động của trái đất quanh mặt trời).
– Vị trí khu đất, ví dụ như bức xạ mặt trời tại đó.
– Độ nghiêng của thiết bị.
– Góc phương vị.
– Bóng đổ.
– Nhiệt độ.
Các vấn đề lưu ý trong thiết kế pin năng lượng tích hợp trong công trình:
Pin năng lượng tạo ra tiềm năng lớn nhưng đòi hỏi phải có tính toán ngay từ ban đầu, do nó chịu ảnh hưởng bởi hướng, hình khối và tổ chức mặt bằng của công trình. Nó cũng sẽ tác động tới cơ cấu của công trình và là yếu tố quan trọng trong mối liên hệ giữa hệ thống công trình và môi trường. Kết hợp pin năng lượng với các thành phần kiến trúc khác là điều quan trọng và đương nhiên, luôn phải chú ý tới hình dáng và thẩm mỹ của chúng. Hiện nay pin năng lượng vẫn là một công nghệ đắt tiền nên việc sử dụng chúng một cách hiệu quả là điều quan trọng (có thể so sánh với việc sử dụng kính trong những thế kỷ trước).
Việc sử dụng pin năng lượng nên là một phần chiến lược năng lượng tổng thể của công trình. Mỗi dự án cần được tính toán tới các diện tích pin năng lượng cần thiết tùy theo mục đích sử dụng. Sự vận hành của pin năng lượng chịu sự tác động của nhiều yếu tố trong đó quan trọng nhất là vị trí xây dựng, hướng và hình khối của công trình. Khi xác định vị trí xây dựng: cần thiết kế để có càng nhiều bức xạ mặt trời và sự đồng nhất của bức xạ; vị trí càng về phía Bắc thì sẽ càng ít năng lượng mặt trời hơn; hình thế của khu đất và chế độ gió (để tạo ra chiến lược thông gió cho công trình); vị trí công trình cần được xác định để không bị che chắn do bóng mát sẽ tạo ra những tác động bất lợi; bóng của các vật dụng như cột ăng ten, ống khói, cây, các tòa nhà khác cũng nên hạn chế, nếu không thể tránh được, cần lựa chọn các thành phần và kiểu dáng của các vật kiến trúc đó để làm giảm thiểu tác động xấu… Hướng rất quan trọng nhưng cũng có sự linh hoạt trong thiết kế, lý tưởng nhất là hướng nằm trong khoảng 200 Nam, cho phép thu được hơn 95% năng lượng trong khoảng góc đó, trong khoảng 300 Nam, hiệu quả giảm đi chút ít.
Các loại công trình:
Hiện nay, do giá thành điện từ pin năng lượng đắt hơn giá điện lưới, việc sử dụng điện tại công trình sẽ kinh tế hơn là xuất điện từ pin năng lượng ngược lại lưới điện. Có nhiều loại công trình ứng dụng pin năng lượng, trong đó văn phòng có vẻ tiềm năng nhất do nhu cầu sử dụng điện quanh năm và cao nhất từ 9h sáng – 5h chiều. Do đó rất phù hợp với nhu cầu và nguồn cung của pin năng lượng. Nhà ở thì lại có xu hướng sử dụng năng lượng nhiều vào buổi tối. Các công trình công nghiệp và thương mại với diện tích mái lớn cũng đang chú ý tới pin năng lượng.
Thiết kế tích hợp pin năng lượng vào công trình:
Các KTS trên thế giới đã nghiên cứu việc tích hợp pin năng lượng vào thiết kế, biến chúng thành những thành phần kiến trúc, góp phần tạo nên sự độc đáo của các công trình. Các hệ thống pin năng lượng tích hợp trong tòa nhà đóng vai trò như tường và mái, do đó, KTS phải giải quyết mọi vấn đề về kiểu dáng, bảo vệ các thành phần nhà dưới tác động của điều kiện khí hậu, áp lực gió, tuổi thọ vật liệu, an toàn và giá thành. Ngoài ra, còn có các yếu tố khác liên quan tới khả năng sử dụng điện được sản xuất như: bóng đổ của tòa nhà ảnh hưởng tới hiệu năng của pin, thông gió (do nhiệt độ cao trên hệ thống pin, cần có thông gió sau), cung cấp các tuyến tiếp cận cho đầu nối, dây dẫn, và bảo dưỡng…
Có hai giải pháp cơ bản tích hợp pin năng lượng vào công trình:
a. Tích hợp vào mái.
b. Tích hợp vào tường và các tấm chắn nắng.
Ngoài ra còn có các giải pháp độc lập như các hệ thống pin năng lượng trên các hệ khung trên mái và trên lối đi và các kiến trúc nhỏ khác.
1. Các hệ thống trên mái.
Mái có nhiều lợi điểm cho việc lắp đặt các hệ thống pin năng lượng như:
– Không bị che chắn: đặc biệt trong công trình cao tầng hoặc công trình công cộng lớn.
– Độ dốc mái dễ chọn phù hợp với việc vận hành cao, do không bị che chắn và không ảnh hưởng lớn tới thẩm mỹ công trình.
– Tích hợp vào mái dễ hơn tích hợp vào tường cả về mặt thẩm mỹ và hiệu năng.
Tuy nhiên, cần phải lưu ý tới việc thông gió cho hệ thống pin, cần có khung phụ gắn vào mái để cách tấm pin khỏi bề mặt khoảng từ 100mm để có thể thông gió và tản nhiệt tốt cho bản thân hệ thống. Nói chung thông gió cho mái không phức tạp như cho tường. Nhiều hệ thống pin với độ phủ lớn trên mái giúp cải thiện chế độ nhiệt cho công trình, đặc biệt ở những công trình có diện tích mái lớn.
2. Các hệ thống trên tường:
Lắp đặt pin năng lượng trên tường có ưu điểm đáng kể: Các tấm pin có thể được sử dụng như các tấm kính lắp đặt trực tiếp lên tường hoặc trong các vách dựng (curtain wall). Chúng cũng có thể được lắp đặt như các tấm chắn nắng ngang, dọc hoặc thậm chí trực tiếp ngay ngoài cửa sổ hoặc trên các giếng trời do hiệu quả xuyên sáng thấp của các tấm pin. Các tấm pin cũng có thể được lắp đặt trong các tấm chắn nắng cố định hoặc di động.
Sử dụng pin năng lượng ở Việt Nam:
Việt Nam là nước nhiệt đới nóng ẩm nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trên thế giới. Với địa hình nhiều đồi núi và hải đảo, Việt Nam cũng có nhiều khu vực dân cư nằm phân tán. Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư là một chính sách có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển, còn nhỏ lẻ, mới chỉ khoảng chục năm trở lại đây và chỉ dừng lại ở một số ứng dụng như đun nước nóng hay tích điện chiếu sáng ngoài trời.
Trong kiến trúc, pin năng lượng được tích hợp trong công trình chủ yếu là dạng tấm nằm trên mái dốc của các biệt thự hay dạng ống nước tích hợp tế bào quang nhiệt bên trong nằm trên mái phẳng của công trình. Pin năng lượng mặt trời chưa được ứng dụng một cách hợp lý trong các công trình cao tầng có quy mô lớn. Vì vậy, việc sử dụng pin năng lượng như là một thành phần kiến trúc sẽ là điều mà các KTS phải suy nghĩ, tiếp cận khi thiết kế công trình trong tương lai.
Trong khi việc xử lý mặt đứng công trình thích ứng với điều kiện thời tiết vùng hàn đới cố gắng thu càng nhiều nhiệt càng tốt thì giải pháp chắn nắng giảm bức xạ nhiệt trực tiếp lên lớp vỏ công trình là điểm mấu chốt trong kiến trúc vùng nhiệt đới. Chính vì vậy, các giải pháp sử dụng pin năng lượng mặt trời mang nhiều chức năng rất phù hợp với Việt Nam.
Ts.KTS. Lê Chiến Thắng
Phó Viện trưởng – Viện Kiến Trúc Nhiệt Đới – Trường ĐH Kiến Trúc Hà Nội
(ST – Theo tapchikientruc)
