Đây mới là bước đột phá về pin mặt trời mà thế giới đang chờ đợi

Đó là tấm pin mặt trời hình khối ba chiều với khả năng sản xuất năng lượng gấp 20 lần so với các tấm pin phẳng thông thường khi tính trên mỗi mét vuông. Đặc biệt, những tấm pin này còn có tiềm năng hiệu quả hơn so với các tấm pin tiêu chuẩn hiện nay.

Diện tích lắp đặt pin mặt trời là hạn chế lớn nhất của các tòa nhà cao tầng trên khu đất hạn hẹp.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều cấu hình pin quang điện xếp chồng và quyết định chọn thiết kế 3D nhằm tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng trong suốt thời gian sử dụng. Thay vì lắp đặt các tấm pin mặt trời phẳng trên mái nhà hoặc bề mặt khác, nhóm đã phát triển phương pháp xây dựng các khối lập phương hoặc tháp, giúp kéo dài các tấm pin lên cao theo cấu hình ba chiều.

Mặc dù việc sản xuất khối lập phương lõm có thể gặp khó khăn, nhưng thiết kế dạng accordion lại dễ thực hiện hơn. Chúng ta có thể hình dung về những tòa nhà chọc trời với tường rèm được bao phủ bởi các tấm pin này, hoặc các tháp độc lập trên bãi đậu xe, điều đó cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của tấm pin mặt trời mới trong ngành kiến trúc. Kết hợp với các công cụ mô hình hóa có thể được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc tòa nhà nhằm thu được năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.

Kết quả thử nghiệm cho thấy công suất đầu ra từ các cấu trúc 3D này cao hơn từ gấp đôi đến hơn 20 lần so với các tấm phẳng cố định có cùng diện tích. Sự gia tăng công suất lớn nhất được ghi nhận ở những địa điểm xa đường xích đạo, trong mùa đông và những ngày nhiều mây. Dựa trên mô hình máy tính và thử nghiệm thực tế, những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Energy and Environmental Science.

Để khám phá các cấu hình tiềm năng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một thuật toán máy tính và phát triển phần mềm phân tích có thể kiểm tra bất kỳ cấu hình nào trong các điều kiện khác nhau về vĩ độ, mùa và thời tiết. Sau đó, họ đã xây dựng và thử nghiệm ba cách bố trí pin mặt trời khác nhau trên mái một tòa nhà phòng thí nghiệm của MIT trong vài tuần.

Tuy nhiên, tấm pin 3D sẽ không chỉ giải quyết bài toán diện tích mà còn cả hiệu suất từ các tấm pin.

Mặc dù chi phí sản xuất năng lượng từ các tấm pin 3D này cao hơn so với các tấm pin phẳng thông thường, nhưng sản lượng điện cao hơn nhiều trên cùng diện tích, cùng khả năng cung cấp điện đồng đều hơn trong suốt cả ngày và các mùa sẽ giúp bù đắp chi phí.

Theo Marco Bernardi, đồng tác giả nghiên cứu và là sinh viên tốt nghiệp tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (DMSE) của MIT, lý do chính cho sự cải thiện này là các bề mặt thẳng đứng của cấu trúc 3D có khả năng thu thập nhiều ánh sáng mặt trời hơn vào buổi sáng, buổi tối và trong mùa đông.

Mô hình năng lượng của MIT phân tích các hình dạng 3D phức tạp, cho thấy rằng một khối lập phương có vết lõm hướng vào trong có thể cải thiện hiệu suất từ 10-15% so với khối lập phương phẳng. Các tấm pin sẽ đạt hiệu quả cao nhất khi sử dụng công nghệ màng mỏng, vốn rẻ hơn và có khả năng sản xuất năng lượng tốt hơn trong điều kiện thiếu sáng và bóng râm.

Kết quả nghiên cứu này mở ra một phương pháp hứa hẹn cho việc lắp đặt tấm pin mặt trời trên các tòa nhà cao tầng mà không cần hy sinh không gian - vốn là một trong những hạn chế lớn nhất khi muốn lắp đặt điện mặt trời cho các tòa nhà ở khu vực hạn chế diện tích đất.