Tiểu luận Năng lượng xanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 
KHOA VẬT LÝ 
 
TIỂU LUẬN MÔN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 
ĐỀ TÀI 
 GVHD:Thầy Lê Văn Hoàng 
 SVTH: Lương Tuấn Anh 
 Trương Văn Hên 
 Phan Anh Huy 
 Nguyễn Cao Khả 
Lớp Lý 3A 
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5/2009 
 1 
Mục lục 
Lời nói đầu ..................................................................................................................3 
A.Phần mở đầu............................................................................................................4 
A.I. Định nghĩa ....................................................................................................4 
A.II. Lý do chọn đề tài: .........................................................................................4 
A.II.1. Năng lượng hóa thạch không phải là vô hạn ........................................4 
A.II.2. Năng lượng hóa thạch gây ô nhiễm môi trường ...................................6 
A.II.3. Năng lượng hóa thạch là nguyên nhân dẫn đến các tranh chấp trên thế 
giới 8 
B. Nội dung chính: các dạng năng lượng xanh ........................................................8 
B.I. Năng lượng mặt trời .....................................................................................8 
B.I.1. Năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng của tương lai.......................8 
B.I.2. Biến năng lượng mặt trời thành điện năng..........................................10 
B.I.3. Sử dụng nhiệt năng của ánh sáng mặt trời. .........................................24 
B.II. Năng lượng gió...........................................................................................25 
B.II.1. Lịch sử hình thành...............................................................................25 
B.II.2. Nguyên lý làm việc của tuabin gió .....................................................26 
B.III. Năng lượng Hydro ..................................................................................32 
B.III.1. Đặc tính của Hydro .............................................................................32 
B.III.2. Sản xuất Hydro: ..................................................................................32 
B.III.3. Cất trữ hydro: ......................................................................................36 
B.III.4. Sản xuất điện năng từ hydro ...............................................................39 
B.IV. Năng lượng thủy triều.............................................................................42 
B.IV.1. Nguồn gốc của năng lượng thuỷ triều.................................................42 
B.IV.2. Các loại năng lượng thủy triều:...........................................................43 
B.IV.3. Nguyên tắc hoạt động: ........................................................................43 
B.IV.4. Một số dự án khai thác năng lượng thủy triều ....................................44 
C. Phần kết : Năng lượng xanh tại Việt Nam – thực trạng và tiềm năng phát triển.
 45 
 2 
C.I. Năng lượng mặt trời: ..................................................................................45 
C.I.1. Vấn đề sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam:............................45 
C.I.2. Tiềm năng phát triển: ..........................................................................49 
C.II. Năng lượng gió:..........................................................................................53 
C.II.1. Tiềm năng điện gió của Việt Nam ......................................................53 
C.II.2. Các dự án phong điện ở Việt Nam......................................................54 
C.III. Năng lượng Hydro ..................................................................................55 
D. Tài liệu tham khảo .............................................................................................59 
 3 
Lời nói đầu 
Năng lượng xanh là khái niệm không còn xa lạ đối với chúng ta, đó là khái niệm để 
chỉ những nguồn năng lượng có trữ lượng gần như vô tận và thân thiện với môi 
trường. Trong hoàn cảnh năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt dần, chất thải từ việc 
sử dụng năng lượng hóa thạch gây ô nhiễm môi trường, làm thay đổi khí hậu, đe 
dọa cuộc sống của chúng ta thì vấn đề thay thế dần năng lượng hóa thạch bằng năng 
lượng xanh là vấn đề rất cấp bách! Năng lượng xanh hiện như một viên ngọc thô 
đang trong tiến trình mài giũa, vấn đề là liệu chúng ta có còn đủ thời gian để đối 
mặt với bao thách thức mà năng lượng hóa thạch đặt ra để chờ cho viên ngọc kia 
sáng hay không mà thôi! 
Việt Nam chúng ta đang trong tiến trình hội nhập, nền kinh tế còn non trẻ, khoa học 
kĩ thuật còn chậm phát triển, đời sống người dân còn nhiều khó khăn nhưng cũng đã 
và đang có những con người tham gia vào tiến trình mài giũa kia với chỉ một mong 
muốn rằng năng lượng xanh sẽ tỏa sáng! Đề tài nghiên cứu này ra đời cũng nhằm 
mục đích góp một phần nhỏ cho mong muốn kia dần trở thành hiện thực. Đề tài 
được tổng hợp từ nhiều nguồn tư liệu khác nhau và tính khái quát hóa, đề tài chỉ đề 
cập đến những gì cơ bản nhất về năng lượng xanh chứ không đi vào tìm hiểu một 
cách đầy đủ và chi tiết vì vấn đề mà đề tài nghiên cứu là rất rộng. Mong rằng sau 
khi đọc xong đề tài này, người đọc sẽ có những khái niệm cơ bản nhất về năng 
lượng xanh cùng chung tay thực hiện mong muốn khai sáng năng lượng xanh!! 
 Ngày15 tháng 5 năm 2009 
 Nhóm nghiên cứu 
 4 
A.Phần mở đầu 
A.I.Định nghĩa 
Năng lượng xanh là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả các nguồn năng lượng 
được coi là thân thiện với môi trường và ít gây ô nhiễm. 
Các dạng năng lượng xanh phổ biến 
 Năng lượng mặt trời 
 Năng lượng gió 
 Năng lượng nước (thủy điện) 
 Năng lượng địa nhiệt 
 Năng lượng thuỷ triều và Nhiệt năng biển 
 Năng lượng sinh học 
 Năng lượng hydro 
Dựa trên tiêu chí của nhóm là những nguồn năng lượng ít tác động nhất đến môi 
trường, có tính phổ biến, được nghiên cứu rộng rãi trên khắp thế giới và nhất là có 
khả năng áp dụng vào điều kiện của Việt Nam. Do đó nhóm chúng tôi sẽ tập trung 
vào các nguồn năng lượng xanh sau: Năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng 
lượng hydro 
A.II. Lý do chọn đề tài: 
A.II.1.Năng lượng hóa thạch không phải là vô hạn 
Sơ lược về quá trình sử dụng năng lượng của con người 
Tổ tiên chúng ta đã biết sử dụng lửa từ hàng trăm nghìn năm trước. Khi con người 
còn sinh hoạt trong hang động, thì lửa được sử dụng để chiếu sáng, sưởi ấm và nấu 
nướng. Nguồn năng lượng động lực trong thời kỳ đó là sức người và gia súc. 
Sau đó, nhờ sử dụng lửa, tổ tiên chúng ta đã làm ra được đồ gốm và các công cụ 
bằng kim loại. Với những công cụ đó, con người đã thực hiện được các hoạt động 
sản xuất như canh tác, trồng trọt và chăn nuôi, qua đó các cộng đồng xã hội được 
hình thành. Có thể nói rằng, lửa chính là xuất phát điểm của nền văn minh nhân 
loại. 
 5 
Vào cuối thế kỷ 18, ở Anh đã phát minh ra máy hơi nước dùng nhiên liệu than đá. 
Từ đó, cuộc cách mạng về động lực bùng nổ và dẫn đến cuộc cách mạng công 
nghiệp. 
Hơn nữa, với kỹ thuật của động cơ đốt trong và sử dụng điện ở thế kỷ 19, nhiều 
phát minh có tính bước ngoặt đã ra đời, đẩy mạnh sự phát triển của khoa học kỹ 
thuật, tạo ra một xã hội thịnh vượng và tiện nghi như ngày nay. 
Hiện tại, ở các nước phát triển tiên tiến, tiêu thụ năng lượng bình quân trên đầu 
người cao hơn 50 lần so với xã hội cổ đại và cao hơn 10 lần so với thời điểm trước 
cuộc cách mạng công nghiệp. 
Các nguồn mà con người có thể thu năng lượng: 
- Gỗ 
- Sức nước 
- Sức gió 
- Địa nhiệt 
- Ánh sáng mặt trời 
- Than đá, dầu, khí tự nhiên (nhiên liệu hóa thạch) 
- Uranium (nhiên liệu hạt nhân). 
Và trong số đó nhiên liệu hóa thạch được sử dụng phổ biến và nhiều nhất hiện nay 
Tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu, khí có được do thực vật và vi sinh vật sinh 
trưởng từ xa xưa, trải qua những biến động của vỏ Trái Đất trong một thời gian dài, 
thì được gọi là nhiên liệu hóa thạch. 
Nhiên liệu hóa thạch cung cấp năng lượng cho những phương tiện giao thông, các 
nhà máy công nghiệp, sưởi ấm các toà nhà và sản sinh ra điện năng phục vụ đời 
sống con người. Cho đến nay, con người đã sử dụng một lượng rất lớn nhiên liệu 
hóa thạch như than đá và dầu để đẩy mạnh quá trình phát triển kinh tế và hiện đang 
phải phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, chiếm khoảng 80% nguồn cung cấp 
năng lượng sơ cấp. 
Tuy nhiên nhiên liệu hóa thạch không phải là vô hạn 
 6 
-Người ta cho rằng còn có thể khai thác dầu trong 40 năm nữa. Số năm có thể khai 
thác này được tính bằng cách chia trữ lượng đã biết cho sản lượng khai thác hàng 
năm hiện nay. 
-Số năm có thể khai thác của khí tự nhiên dự đoán là khoảng 60 năm. Tài nguyên 
khí tự nhiên, so với tài nguyên dầu có ưu điểm là có thể đảm bảo được một lượng 
nhất định trong khu vực Đông Nam Á và thời gian khai thác cũng lâu hơn. Thực tế 
là gần 70% trữ lượng được đảm bảo phụ thuộc vào khu vực Trung Đông và Liên Xô 
cũ 
- Số năm còn có thể khai thác than là khoảng 230 năm. A.
II.2.Năng lượng hóa thạch gây ô nhiễm môi trường 
Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra CO2, ôxít 
sunphua (SOx), ôxít nitơ (NO2), Methane (CH4), nitơ oxit (N2O). Những khí 
này là nguyên nhân dẫn đến một số hậu quả to lớn đối với môi trường sống và ảnh 
hưởng trực tiếp đến chính con người 
+Mưa axit 
SOx, NOx trong khí thải từ các nhà máy và ôtô của lục địa đã tạo ra các phản ứng 
hóa học trong không khí, sau đó di chuyển, rồi tạo ra mưa axít làm tiêu trụi các cánh 
rừng, tiêu diệt các sinh vật trong ao hồ, gây tác hại to lớn cho sản xuất nông nghiệp. 
Hiện tượng này lúc đầu xuất hiện ở Bắc Âu, sau đó, liên tiếp xuất hiện ở khu vực 
Trung Âu cho đến tận khu vực Bắc Mỹ và gần đây đã xuất hiện ở cả những khu vực 
công nghiệp tập trung của Trung Quốc. Tác hại do ô nhiễm không khí đã vượt ra 
khỏi biên giới quốc gia và lan ra một khu vực rộng lớn.
Đối sách phòng chống hiện
tượng này là cần phải có sự hợp tác của cộng
đồng quốc tế.
+Sự nóng lên toàn cầu 
Những loại khí như CO2,CH4, N2O thải ra trong quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch 
là nguyên nhân lớn nhất cho vấn đề ấm lên của Trái Đẩt. 
Hậu quả do “sự nóng lên toàn cầu” gây ra. 
 7 
 Thay đổi thời tiết có khả năng đưa tới bất ổn chính trị. Hạn hán và hồng thủy liên 
tục xảy ra khiến cho dân chúng tại nhiều địa phương phải bỏ nơi chôn rau cắt rốn di 
chuyển đi nơi khác. 
 Băng đá tan, tăng mức độ nước biển, gây ra lụt lội, lở đất dọc theo đại dương 
và giảm nước ngọt cần thiết cho mọi sinh vật. 
 Giông tố bão lụt tăng độ ẩm trên mặt đất. 
 Hạn hán gây thiệt hại canh tác, chăn nuôi 
 Nhiều sinh vật quý hiếm sẽ bị tiêu diệt dần dần vì chúng không tồn tại được 
trong thời tiết quá nóng cũng như tăng độ acid trong nước biển. 
 Trong tương lai, sức nóng có thể tăng khí thải nhà kính bằng cách làm cho các 
khí này thoát ra khỏi nơi tích tụ dưới biển. 
 Ảnh hưởng của hâm nóng toàn cầu đối với sức khỏe con người là điều rất rõ. 
 Theo WHO, các bệnh gây ra do thay đổi khí hậu sẽ tăng lên gấp 
đôi vào thập niên 2030. Các sinh vật mang mầm bệnh như sốt rét, 
viêm não, sốt vàng da sẽ gia tăng vì chúng hợp với khí hậu nóng 
 Khí hậu nóng lên tạo điều kiện tốt cho muỗi và vi khuẩn, những 
tác nhân gây bệnh sốt xuất huyết và viêm não ở người. 
 Thời gian lạnh sẽ thu ngắn nhưng thời gian nóng tăng, đưa tới nhiều tử vong vì say nóng (heat 
stroke). Mùa hè năm 2003 tại Pháp với 
14,842 tử vong vì nóng tới 40°C là một thí dụ. Những người đang có 
bệnh tim mạch mà gặp thời tiết nóng bức thì bệnh tình gia tăng vì tim 
phải làm việc nhiều hơn để giữ cơ thể mát 
 Ung thư ngoài da tăng vì tiếp cận quá nhiều với tia nắng mặt trời. 
 Một số nhà khoa học cho rằng, thời tiết nóng giúp cho sự tăng sinh 
của các loại tảo ở dưới nước, đặc biệt là khi nước bị ô nhiễm. Từ đó 
một số bệnh truyền nhiễm như tiêu chảy sẽ xảy ra nhiều hơn. 
+Đối với con người 
 8 
Đioxit Sunfua (SO2): rất độc hại đối với sức khoẻ của người và sinh vật, gây ra các 
bệnh về phổi khí phế quản. SO2 trong không khí khi gặp oxy và nước tạo thành axit, 
tập trung trong nước mưa gây ra hiện tượng mưa axit. 
Cacbon monoxit (CO): CO không độc với thực vật vì cây xanh có thể chuyển hoá 
CO => CO2 và sử dụng nó trong quá trình quang hợp. Vì vậy, thảm thực vật được 
xem là tác nhân tự nhiên có tác dụng làm giảm ô nhiễm CO. Khi con người ở trong 
không khí có nồng độ CO khoảng 250 ppm sẽ bị tử vong. 
A.II.3.Năng lượng hóa thạch là nguyên nhân dẫn đến các tranh chấp trên thế 
giới 
 Tranh chấp khí đốt - “tam quốc diễn nghĩa” giữa Nga – Ukraine – EU 
 Tranh chấp những giếng dầu và khí đốt trên vùng Trung Á giữa Mỹ, Tây Âu và 
Nga 
 Tranh chấp những giếng dầu ở Trung Đông 
 Tranh chấp khí tự nhiên và dầu giữa các quốc gia Mỹ, Canada, các nước Bắc Âu 
và Nga ở Bắc Cực 
Chính những tranh chấp này dẫn đến bất ổn trên toàn thế giới và ảnh hưởng lớn 
đến hòa bình thế giới 
Do đó, chính những lý do trên dẫn đến cần phải tìm những nguồn năng lượng khác 
thay thế nguồn năng lượng hóa thạch này và các nguồn năng lượng xanh là một lựa 
chon hợp lý nhất 
B. Nội dung chính: các dạng năng lượng xanh 
B.I.Năng lượng mặt trời 
B.I.1.Năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng của tương lai. 
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú nhất, dồi dào nhất trong tất cả 
các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên. Năng lượng mặt trời sẽ không bao giờ 
cạn kiệt vì theo những nghiên cứu của thiên văn học thì mặt trời của chúng ta chỉ 
mới sống được một nửa tuổi thọ của nó, tức là nó còn có thể sống thêm khoảng 7.8 
tỷ năm nữa trước khi chuyển sang giai đoạn già và nuốt chửng tất cả các hành tinh 
 8 
Đioxit Sunfua (SO2): rất độc hại đối với sức khoẻ của người và sinh vật, gây ra các 
bệnh về phổi khí phế quản. SO2 trong không khí khi gặp oxy và nước tạo thành axit, 
tập trung trong nước mưa gây ra hiện tượng mưa axit. 
Cacbon monoxit (CO): CO không độc với thực vật vì cây xanh có thể chuyển hoá 
CO => CO2 và sử dụng nó trong quá trình quang hợp. Vì vậy, thảm thực vật được 
xem là tác nhân tự nhiên có tác dụng làm giảm ô nhiễm CO. Khi con người ở trong 
không khí có nồng độ CO khoảng 250 ppm sẽ bị tử vong. 
A.II.3.Năng lượng hóa thạch là nguyên nhân dẫn đến các tranh chấp trên thế 
giới 
 Tranh chấp khí đốt - “tam quốc diễn nghĩa” giữa Nga – Ukraine – EU 
 Tranh chấp những giếng dầu và khí đốt trên vùng Trung Á giữa Mỹ, Tây Âu và 
Nga 
 Tranh chấp những giếng dầu ở Trung Đông 
 Tranh chấp khí tự nhiên và dầu giữa các quốc gia Mỹ, Canada, các nước Bắc Âu 
và Nga ở Bắc Cực 
Chính những tranh chấp này dẫn đến bất ổn trên toàn thế giới và ảnh hưởng lớn 
đến hòa bình thế giới 
Do đó, chính những lý do trên dẫn đến cần phải tìm những nguồn năng lượng khác 
thay thế nguồn năng lượng hóa thạch này và các nguồn năng lượng xanh là một lựa 
chon hợp lý nhất 
B. Nội dung chính: các dạng năng lượng xanh 
B.I.Năng lượng mặt trời 
B.I.1.Năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng của tương lai. 
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú nhất, dồi dào nhất trong tất cả 
các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên. Năng lượng mặt trời sẽ không bao giờ 
cạn kiệt vì theo những nghiên cứu của thiên văn học thì mặt trời của chúng ta chỉ 
mới sống được một nửa tuổi thọ của nó, tức là nó còn có thể sống thêm khoảng 7.8 
tỷ năm nữa trước khi chuyển sang giai đoạn già và nuốt chửng tất cả các hành tinh 
 9 
khác trong hệ mặt trời. Loài người có thể sẽ không tồn tại đến lúc ấy hoặc có lẽ 
đến lúc ấy con người đã tìm ra những giải pháp cho sự tồn vong của mình! 
Cảm giác cháy da trong những ngày hè nóng bỏng hay cái ấm áp của những ngày 
mùa đông nắng tốt như là một lời nhắc nhở đến sự hiện hữu của mặt trời mà lắm lúc 
ta xem như một tồn tại đương nhiên. Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng 
dồi dào, nhưng khi tính ra con số rất ít người biết đến là mặt trời truyền đến cho ta 
một năng lượng khổng lồ vượt ra ngoài sự tưởng tượng của mọi người. Trong 10 
phút truyền xạ, quả đất nhận một năng lượng khoảng 5 x 1020 J (500 tỷ tỷ Joule), 
tương
đương với lượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm. Trong 
36 giờ truyền xạ, mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng 
dầu
của quả đất. Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận. Hơn nữa, nó không 
phát
sinh các loại khí nhà kính (greenhouse gas) và khí gây ô nhiễm. Nếu con người 
biết
cách thu hoạch nguồn năng lượng sạch và vô tận nầy thì có lẽ loài người sẽ mãi 
mãi sống hạnh phúc trong một thế giới hòa bình không còn chiến tranh vì những 
cuộc
tranh giành quyền lợi trên các giếng dầu.
Mười vấn đề lớn của nhân loại trong vòng 50 năm tới đã được ghi nhận theo thứ tự 
nghiêm trọng là (1) năng lượng, (2) nước, (3) thực phẩm, (4) môi trường, (5) nghèo 
đói, (6) khủng bố và chiến tranh, (7) bệnh tật, (8) giáo dục, (9) thực hiện dân chủ và 
(10) bùng nổ dân số. Năng lượng quả thật là mối quan tâm hàng đầu của nhiều 
chính phủ trên thế giới. Nguồn năng lượng chính của nhân loại hiện nay là dầu hỏa. 
Nó quí
 đến nỗi được người ta cho một biệt hiệu là "vàng đen". Một vài giờ cúp điện 
hay không có khí đốt cũng đủ làm tê liệt và gây hỗn loạn cho một thành phố. Cuộc 
sống văn minh của nhân loại không thể tồn tại khi thiếu vắng năng lượng. Theo 
thống kê, hiện nay hơn 85 % năng lượng
được cung cấp từ dầu hỏa và khí
đốt.
Nhưng việc thu hoạch từ các giếng dầu sẽ đạt
đến mức tối
đa trong khoảng năm
2010 - 2015, sau
đó sẽ đi xuống vì nguồn nhiên liệu sẽ cạn kiệt cùng năm tháng.
Người ta cũng tiên
đoán nếu dầu hỏa
được tiếp tục khai thác với tốc
độ hiện nay, kể 
từ năm 2050 lượng dầu
được sản xuất sẽ vô cùng nhỏ và không
đủ cung cấp cho 
nhu cầu toàn thế giới. Như vậy, nguồn năng lượng nào sẽ thay thế cho "vàng đen"? 
10 
Các nhà khoa học đã và đang tìm kiếm những nguồn năng lượng vô tận, sạch và 
tái sinh (renewable energy) như: năng lượng từ mặt trời, gió, thủy triều, nước (thủy 
điện), lòng đất (địa nhiệt) v.v... 
Trong những nguồn năng lượng nầy có lẽ năng lượng mặt trời đang được lưu tâm 
nhiều nhất. Những bộ phim tài liệu gần đây cho thấy ở các vùng hẻo lánh, nghèo 
khổ tại Ấn Độ hay châu Phi, cư dân tràn ngập hạnh phúc khi có điện mặt trời thắp 
sáng màn đêm hay được sử dụng các loại nồi năng lượng mặt trời để nấu thức ăn. 
Dù vậy, cho đến nay con người vẫn chưa đạt được nhiều thành công trong việc 
chuyển hoán năng lượng mặt trời thành điện năng vì một phần mật độ năng lượng 
mặt trời quá loãng, một phần phí tổn cho việc tích tụ năng lượng mặt trời còn quá 
cao. Nếu tính theo mỗi kilowatt-giờ (năng lượng 1 kilowatt được tiêu thụ trong 1
giờ) thì phí tổn thu hoạch năng lượng mặt trời là $0,30 USD. Trong khi đó năng
lượng từ gió là $0,05 và từ khí
đốt thiên nhiên là $0,03. Một hệ thống chuyển hoán
năng lượng mặt trời cung cấp
đủ điện năng cho một căn nhà
ở bình thường tốn ít 
nhất $18000 USD (giá 2005). Chỉ cần yếu tố tài chính không thôi cũng
đủ để làm
người tiêu thụ tránh xa việc sử dụng năng lượng mặt trời. Hệ quả là tại những nước
tiên tiến như Mỹ điện lực
được tạo từ năng lượng mặt trời từ các tế bào quang điện
(photovoltaic cell; photo = quang, voltaic = điện) chỉ chiếm 0,02 % Tuy nhiên, 
điều
đáng mừng là thị trường năng lượng mặt trời toàn cầu trị giá 10 tỷ USD/năm 
và
tăng 30 % hằng năm nhờ vào các kết quả nghiên cứu làm giảm giá tế bào quang 
điện
B.I.2.Biến năng lượng mặt trời thành điện năng
. B.I.2.a. Silicon và các chất bán dẫn vô cơ. 
 Silicon nguyên chất 
Vật liệu chính cho tế bào quang điện được dùng để chuyển hoán năng lượng mặt 
trời thành điện năng là silicon (Si). Silicon là một nguyên tố nhiều thứ hai sau 
oxygen trên quả địa cầu. Đây là cũng là một nguồn thiên nhiên phong phú gần như 
vô tận. Nó chiếm gần 30 % của vỏ quả đất dưới dạng silica (SiO2), và là một hợp 
chất chính trong cát. Nhìn xung quanh, ta thấy tính hữu dụng của silica hiện hữu 
từ
11 
công nghệ "thấp" như bê tông, thủy tinh đến công nghệ cao như transistor, chip vi 
tính và các linh kiện điện tử khác. Có thể nói rằng silicon, hay đi từ nguyên thủy - 
cát, là xương sống của nền văn minh hiện đại. Nói khác hơn, ngoài đá cát của thiên 
nhiên ta thấy sự hiện diện của nguyên tố silicon hầu hết ở tất cả mọi nơi từ những 
tòa nhà chọc trời đến những linh kiện điện tử thu nhỏ cho máy vi tính ở thang 
nanomét (nhỏ hơn sợi tóc 100.000 lần). 
Silicon có một số tính chất hóa học đặc biệt, trong đó đặc biệt nhất là có cấu trúc 
dạng tinh thể. Một nguyên tử silicon có 14 electron, sắp xếp trên 3 lớp khác nhau. 
Hai lớp nằm trong cùng (nằm gần hạt nhân) thì được lấp đầy hoàn toàn, tuy nhiên 
lớp ngoài cùng thì chỉ được lấp đầy một nửa và chỉ có 4 electron. Một nguyên tử 
silicon luôn có xu hướng lấp đầy hoàn toàn lớp ngoài cùng của nó (cần phải có 8 
electron), để làm được việc đó nó phải chia sẻ các electron ở lớp ngòai cùng của 
mình với 4 nguyên tử silicon lân cận. Điều này cũng giống như mỗi nguyên tử 
silicon “bắt tay” với các “hàng xóm” của mình, trong trường hợp này thì mỗi
nguyên tử silicon có 4 cánh tay bắt với 4 “hàng xóm”. Đó chính là cấu trúc dạng
tinh thể và cấu trúc này rất quan trọng
đối với các tấm panel.
Năm mươi năm trước, cùng một lúc với sự phát minh của silicon transistor, pin mặt 
trời (hay là pin quang điện) silicon được chế tạo tại Bell Labs (Mỹ). Pin này có khả 
năng chuyển hoán năng lượng mặt trời sang điện năng với hiệu suất là 6 %. Một con 
số tương đối nhỏ so với hiệu suất lý thuyết tối đa cho silicon là 31 %, nhưng đây là 
một thành quả rất ấn tượng cho bước đầu nghiên cứu của pin mặt trời. Nhóm 
nghiên cứu của giáo sư Martin Green (University of New South Wales, Úc) hiện 
nay
 đã đạt kỷ lục 24,7 %. 
Cho đến ngày hôm nay những đặc tính cơ bản của pin quang điện mặt trời nầy 
vẫn không có nhiều thay đổi; 95 % các hệ thống, dụng cụ dùng tế bào quang điện 
chế
tạo từ silicon với hiệu suất trung bình 15 %. Có ba loại silicon được làm pin 
mặt trời: đơn tinh thể (monocrystalline), đa tinh thể (polycrystalline) và vô định 
hình (amorphous). Phần lớn các pin mặt trời hiện nay xuất hiện trên thương trường 
vẫn là pin của thế hệ thứ nhất (first-generation cell) dùng silicon đơn tinh thể 
12 
có hiệu suất chuyển hoán 18 %. Sản phẩm đòi hỏi silicon đơn tinh thể phải có độ 
nguyên chất đạt đến 99,9999 % (6 con số 9) thậm chí 99,999999999 % (11 con số 9
), và quá trình chế tạo cần nhiệt độ cao để làm tan chảy silicon. Độ nguyên chất 
phải ở mực gần như tuyệt đối để bảo đảm sự di động dễ dàng của điện tử tạo ra 
dòng
 điện. Hai yêu cầu khó khăn này đẩy giá thành lên cao và vì vậy không được 
áp
dụng rộng khắp. 
Pin dùng silicon đa tinh thể và vô định hình thuộc thế hệ thứ hai. Silicon đa tinh thể 
được chế tạo ít tốn kém hơn vì không cần đạt đến độ nguyên chất như đơn tinh thể. 
Nhưng đa tinh thể có nhiều đường biên tinh thể (crystalline boundary) cản trở sự di 
động của điện tử làm giảm hiệu suất của pin (12 – 15 %). Ngoài ra, silicon vô định 
hình có thể được xem là vật liệu trong việc sản xuất pin mặt trời giá rẻ. Một trong 
những ưu điểm là khác với silicon tinh thể, silicon vô định hình có thể làm thành 
phim mỏng vừa ít tốn kém nguyên liệu vừa có khả năng hấp thụ năng lượng mặt 
trời cao hơn 40 lần silicon đơn tinh thể; phim silicon dày 1
m có thể hấp thụ gần 
90 % bức xạ mặt trời. Tuy nhiên, vì bản chất vô
định hình hiệu suất chuyển
hoán 
thành điện chỉ bằng phân nửa hiệu suất của silicon đơn tinh thể.
Điều nầy cũng
dễ 
hiểu. Vô
định hình như một nắm tóc rối nùi, trong khi tinh thể như một mái tóc 
được chải mượt mà. Hiệu suất tùy vào sự di
động của
điện tử và sự di
động này tạo
ra dòng điện.
Đương nhiên
độ đi dộng của
điện tử trong một môi trường có một trật
tự cao hơn trong một không gian vô định hình ngoằn ngoèo như một mê cung. Dù 
vậy, silicon vô
định hình vẫn là loại vật liệu
được
ưa chuộng nhờ vào giá rẻ để chế 
tạo mái ngói hoặc các panô (panel) quang điện cho nhà
ở hoặc các cao
ốc, công thự.
Ngoài silicon vô
định hình với lợi
điểm tạo thành phim mỏng, pin mặt trời thuộc thế 
hệ thứ hai bao gồm các loại hợp chất bán dẫn như indium dislenide
đồng và 
cadmium telluride được phủ lên thủy tinh. Các loại bán dẫn nầy có giá rẻ hơn rất
nhiều so với silicon đơn phân tử nhưng có khuyết tật cấu trúc nên hiệu suất không 
cao.
Việc phát triển mọi ngành công nghệ đều tập trung vào việc giảm giá thành. Công 
nghệ pin mặt trời cũng không phải là ngoại lệ. Ngoài việc phổ cập hóa silicon vô 
13 
định hình, cải thiện quá trình sản xuất silicon đơn tinh thể đã làm giảm giá vật liệu 
nầy. Nhờ vậy, giá điện mặt trời đã giảm 20 lần trong 30 năm qua. Nếu chiều hướng 
nầy tiếp tục thì trong vòng 25 năm tới giá sẽ giảm đến 0,02 $ /kWh. Với sự trợ giúp 
của công nghệ nano người ta dự đoán rằng đến năm 2050 thì năng lượng mặt trời sẽ 
cung
 ứng 25 % nhu cầu năng lượng của nhân loại. 
 Silicon có pha tạp chất 
Silicon nguyên chất là một chất dẫn điện kém vì nó không có các electron chuyển 
động tự do giống như trong những chất dẫn điện tốt như đồng chẳng hạn. Thay vào 
đó, các electron của silicon nguyên chất bị giữ chặt bên trong các mạng tinh thể. Vì 
thế các tấm panel mặt trời không làm từ silicon nguyên chất mà làm từ silicon có 
pha thêm tạp chất, trong đó những nguyên tử khác sẽ trộn lẫn với các nguyên tử 
silicon và làm thay đổi tính chất của silicon. Chúng ta thường nghĩ rằng tạp chất là 
những chất gây ra những tác dụng không như mong muốn, thậm chí là những rắc 
rối, nhưng trong trường hợp này, các tấm panel của chúng ta không thể làm việc 
nếu
không có chúng. Hàm lượng của tạp chất bên trong silicon là rất ít, ví dụ tạp 
chất là
photpho thì tỉ lệ về số lượng nguyên tử photpho so với số lượng nguyên tử 
silicon
có thể là một phần triệu. Nguyên tử photpho có 5 electron ở lớp ngoài cùng 
chứ
không phải 4 electron như nguyên tử silicon. Các nguyên tử photpho vẫn liên 
kết
với các nguyên tử silicon
ở lân cận, nhưng trong trường hợp này, nguyên tử 
photpho vẫn còn thừa ra một electron chưa liên kết với nguyên tử khác. Electron 
này sẽ không high thành liên kết nhưng vẫn có một hạt proton mang
điện tích 
dương nằm
ở bên trong hạt nhân nguyên tử photpho giữ nó lại mà không cho nó 
chuyển
động tự do. 
Khi ta cung cấp năng lượng cho silicon nguyên chất ví dụ như nhiệt lượng chẳng 
hạn, năng lượng này sẽ làm cho một số electron bẻ gãy liên kết với nguyên tử của 
chúng, rời khỏi nguyên tử và trở thành các electron chuyển động tự do. Khi mỗi 
electron bức khỏi nguyên tử là một lỗ trống được high thành. Các electron sau khi 
bức khỏi nguyên tử sẽ chuyển động một cách hỗn loạn xung quanh các nút mạng 
tinh thể và tìm kiếm một lỗ trống khác để lấp vào. Những electron này được gọi là 
14 
các electron dẫn tự do và có thể mang dòng điện tích đi. Có rất ít những electron 
như thế bên trong silicon nguyên chất, tuy nhiên những elctron này lại không thực 
sự hữu dụng. Đối với silicon có pha tạp chất với các nguyên tử photpho trộn lẫn bên 
trong thì câu chuyện lại khác. Nó tốn ít năng lượng hơn trường hợp trên rất nhiều 
để
bức các electron “thừa” ra khỏi các nguyên tử photpho bởi vì những ectron này 
không bị giữ chặt trong các liên kết (các nguyên tử lân cận không liên kết với nó). 
Kết quả là hầu hết các electron này sẽ được “giải phóng” ra khỏi nguyên tử, vì thế 
chúng ta sẽ có nhiều electron dẫn tự do hơn so với trường hợp siliocn nguyên 
nguyên chất. Quá trình thêm tạp chất với mục
đích như trên gọi là quá trình kích 
thích, và khi tạp chất mà chúng ta thêm vào là photpho thì silicon được gọi là là loại
N (N là viết tắt của negative) do trong silicon lúc này có nhiều ectron tự do. Silicon 
loại N dẫn
điện tốt hơn silicon nguyên chất rất nhiều.
Chỉ một phần của tấm panel 
làm bằng chất bán dẫn loại 
N, phần khác được làm bằng 
chất bán dẫn loại P, đó chính 
là silicon nguyên chất được 
pha thêm boron, trong đó 
boron là chất mà nguyên tử 
chỉ có 3 electron ở lớp ngoài 
cùng. Thay vì có những 
electron tự do như silcon 
loại N, silicon loại P (P viết tắt cho chữ positive) có những lỗ trống tự do, những lỗ 
trống này thực chất ra chỉ là các nút mạng bị mất electron, vì thế các lỗ trống sẽ 
mang điện tích trái với điện tích của electron, tức là mang điện dương. Các lỗ trống 
này cũng di chuyển tự do như các electron tự do. 
15 
Điều kì thú sẽ xảy ra khi ta 
đặt silicon loại N và loại P 
tiếp xúc với nhau, một điện 
trường sẽ xuất hiện bên 
trong các tấm panel. Các 
electron tự do ở phía bên 
silicon loại N luôn có xu 
hướng tìm các lỗ trống mang 
điện dương để lấp vào, trong 
khi đó ở phía bên silicon loại 
P lại có rất nhiều lỗ trống, vì 
thế các electron ở phía N sẽ tràn sang lấp đầy các lỗ trống ở phía bên loại P. 
Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu 
trả lời là không. Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất 
điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm. Ở bề mặt tiếp xúc của 
2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán 
dẫn N sang P ngăn cản dòng điện 
tử chạy từ bán dẫn N sang P. Và 
trong khoảng tạo bởi điện trường 
này hầu như không có e hay lỗ 
trống tự do . 
B.I.2.b. Nguyên lý làm việc của pin năng lương mặt trời. 
Nguyên lý của pin mặt trời là hiệu ứng quang điện (photoelectric effect). Hiệu ứng 
quang điện được xem là một trong những phát hiện to lớn của Einstein. Hiệu ứng 
nầy mô tả khả năng của ánh sáng (quang) khi được chiếu trên bề mặt vật liệu có thể 
16 
đánh bật điện tử (điện) ra khỏi bề mặt nầy. Để giải thích hiệu ứng quang điện 
Einstein đưa ra khái niệm quang tử (photon). Ánh sáng là những quang tử được 
bắn lên vật liệu để tống điện tử của vật liệu thành điện tử tự do. Sự di động của các 
điện tử nầy sẽ cho ta dòng điện. 
Vật liệu silicon nguyên chất là một mạng nối kết các nguyên tố silicon và mạng 
nầy trung tính về điện nên không hữu dụng. Khi silicon được kết hợp một lượng 
nhỏ
(vài phần triệu) "chất tạp", mạng sinh ra điện tích. Silicon mang điện tích là vật 
liệu cho nhiều áp dụng cực kỳ quan trọng. Khi silicon kết hợp với chất tạp (dopant) 
có khả năng lấy điện tử (electron acceptor) từ mạng silicon, mạng silicon sẽ có 
những lỗ trống mang điện tích dương (+). Đây là p-silicon (p = positive, dương). 
Lỗ trống (+) vốn dĩ là "nhà" của điện tử, cho nên khi điều kiện cho phép điện tử sẽ 
chiếm
đóng trở lại. Mặt khác, khi silicon được kết hợp với chất tạp có khả năng cho 
điện
tử, mạng silicon sẽ dư điện tử.
Đây là n-silicon (n = negative, âm). Silicon 
dùng trong mọi linh kiện
điện tử (thí dụ: transistor, đèn diode) là một vật liệu hỗn
hợp liên kết giữa p-silicon và n-silicon. Có thể nói rằng p- và n-silicon đã tạo ra một 
cuộc cách mạng khoa học ở thế kỷ 20 và đã cho nhân loại nền văn minh silicon. 
Như một quy luật thiêng liêng trong vạn vật, sự tiếp cận âm dương lúc nào cũng 
cho ta nhiều điều thú vị. Khi p-silicon tiếp cận với n-silicon, vùng chuyển tiếp (
junction) giữa hai vật liệu nầy sẽ sinh ra một điện áp tự nhiên (0,7 V). Khi quang tử 
của ánh sáng mặt trời chạm vào mạng silicon, nó sẽ đánh bật điện tử ra khỏi mạng 
thành điện tử "vô gia cư" và để lại lỗ trống (+) trên mạng. Tuy nhiên, sau khi bị 
quang tử
tấn công cặp điện tử và lỗ trống (+) vẫn còn quyến luyến vì lực hút 
Coulomb nên
không chịu rời nhau! Cặp
điện tử và lỗ trống (+) còn gọi là exciton. 
Chỉ có những
cặp gần vùng chuyển tiếp mới bị điện áp vùng biên kéo cả hai ra xa 
để lỗ trống (+)
đi về phía p-silicon và điện tử đi về phía n-silicon. Bây giờ,
điện tử 
mới thật sự tự
do di
động
để cho ra dòng
điện. Hình 1 cho thấy cấu trúc của pin mặt 
trời
silicon. Vùng chuyển tiếp hay là mặt tiếp xúc giữa p-silicon và n-silicon rất rộng
để
tạo ra nhiều khả năng
để cặp
điện tử và lỗ trống (+) có nhiều cơ hội chia ly. Điện
trường xuất niện giữa mặt tiếp giáp 2 chất bán dẫn loại P và loại N có tác dụng
17 
giống như một điốt, điốt này cho phép (thậm chí là đẩy các electron) di chuyển từ 
phía P sang phía N. Nó giống như một quả đồi, các electron dễ dàng trượt xuống 
đồi (dịch chuyển về phía N) nhưng lại không thể leo lên đồi (đi về phía P). Vì thế 
chúng ta có một điện trường làm việc như một điốt, trong đó các ectron chỉ có thể 
dịch chuyển theo một chiều. 
Thật ra, đây chỉ là cuộc chia ly tạm thời vì điện tử đi đường vòng ra ngoài tạo nên 
dòng điện, "bọc hậu" trở lại p-silicon tìm lại bạn xưa! Cứ như thế, khi ánh 
sáng chiếu liên tục ta sẽ có dòng điện liên tục để sử dụng. 
Hình 1: Cấu trúc của 
pin mặt trời silicon và 
cơ chế tạo ra dòng 
điện. 
Chấm đen là điện tử e-; 
chấm trắng là lỗ trống 
h+. 
Thất thoát năng lượng trên pin năng lượng mặt trời và cách giải quyết. 
 Thất thoát năng lượng: 
Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 ( Chính xác là 1,34 
KW/m2 :Đây chính là hằng số mặt trời) , tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện 
năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12%. Tại sao lại ít vậy. Câu trả lời 
là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng. Không phải tần số nào cũng có đủ năng 
lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Chỉ có những photon năng 
lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này. Đối với bán dẫn Si khe 
vùng vào khoảng 1.1eV. Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được. 
Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng 
không có đóng góp gì thêm. Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe 
18 
vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp. Vấn đề là khe vùng cũng xác định 
hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc. Khe vùng càng bé thì hiệu điện 
thế này càng bé. Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với 
dòng. Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công 
suất dòng điện thu được tối đa. 
Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là 
cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện. Ở mặt dưới của tấm 
pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc 
với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt 
trên nó cần trong suốt để ánh 
sáng có thể đi qua. Nếu chỉ bố trí 
các tiếp xúc ở mép tấm pin thì 
các điện tử phải di chuyển quá 
xa trong tinh thể Si mới vào 
được mạch điện (chú ý là bán 
dẫn Si dẫn điện kém, tức điện trở của nó lớn). Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới 
kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời. Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm 
vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành 
năng lượng điện. 
 Cách giải quyết: 
Nếu ta dùng những vật liệu bán dẫn với những khe dải khác nhau và liên kết những 
vật liệu nầy thành một cấu trúc chuyển tiếp đa tầng (multi-junction) để hấp thụ 
quang tử mặt trời ở các mực năng lượng khác nhau, hiệu suất chuyển hoán sẽ phải 
gia tăng. 
Năm 2002, các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Quốc gia, Lawrence Berkeley 
National Laboratory (Mỹ), thiết kế các hợp chất bán dẫn chứa indium (In), gallium 
(Ga) và nitrogen (N) cho đèn phát quang diode. Trong cơ chế phát quang của đèn 
19 
diode ta cho dòng điện tạo ra sự kết hợp giữa điện tử và lỗ trống (+) trong chất bán 
dẫn để tạo ra ánh sáng . Cơ chế của pin mặt trời có thể xem là một hiện tượng 
nghịch lại vì ánh sáng làm phân ly điện tử và lỗ trống (+) để cho ra dòng điện. Khi 
hợp chất bán dẫn InGaN được chế tạo, các nhà khoa học Mỹ khám phá ra là bằng 
sự
điều chỉnh tỉ lệ của In và Ga, khe dải của hợp chất InGaN có thể biến thiên liên 
tục từ 0,2 đến 3,4 eV bao gồm toàn thể quang phổ mặt trời. Các nhà khoa học ở 
Lawrence Barkerley vừa làm vật liệu cho đèn diode vừa cho pin mặt trời. Một công 
hai việc. Trở ngại chính là sự tốn kém trong việc sản xuất, cấu trúc nầy vì vậy
không thể trở thành một sản phẩm phổ cập. Nhưng nếu tiền bạc không phải là vấn
đề quan trọng như trong một số áp dụng
đặc biệt chẳng hạn như cho vệ tinh, các 
loại pin nầy là nguồn
điện hữu hiệu
để vận hành vệ tinh. Chỉ cần kết hợp hai
tầng InGaN được thiết kế có khe dải 1,1 eV và 1,7 eV, hiệu suất dễ dàng đạt đến 50 
%. Mười hai tầng InGaN có khe dải bao gồm toàn thể quang phổ mặt trời sẽ cho 
hiệu suất 70 %. 
Gần đây (năm 2006), một số chất bán dẫn đã được thiết kế để tối ưu hóa trị số khe 
dải, gia tăng hiệu suất và đồng thời giảm giá thành sản xuất. Trong một cuộc triển 
lãm quốc tế về năng lượng mặt trời (2006), công ty Sharp Solar (Nhật Bản), một 
trong những công ty lớn và uy tín trên thế giới sản xuất pin mặt trời, đã ra mắt một 
panel pin mặt trời có hiệu suất đột phá 36 % mà vật liệu là hợp chất bán dẫn của 
các
nguyên tố ở cột III (aluminium, gallium, indium) và cột V (nitrogen, arsenic) 
trong bảng phân loại tuần hoàn. Không chịu thua, cũng vào năm 2006 công ty 
Boeing - Spectrolab (Mỹ) dùng chất bán dẫn với một công thức
được giữ bí mật có 
thể
chuyển hoán 41% năng lượng mặt trời. Mười tháng sau đó, viện nghiên cứu 
quốc
gia Lawrence Berkeley National Laboratory (Mỹ) lại chế tạo một loại pin mặt 
trời
dùng chất bán dẫn zinc-manganese-tellium với hiệu suất 45 %. Những con số 
nầy
rất
ấn tượng, nhưng phải nói rằng panel của Sharp Solar dù ở 36 % nhưng
đã
đạt tới
trình độ hữu dụng của một thương phẩm về giá trị thực tiễn cũng như giá cả.
Hiện nay, việc nghiên cứu các chất bán dẫn vô cơ mà
điển hình là silicon được phát 
triển mạnh trên mặt sản xuất làm giảm giá thành, tối
ưu hóa những vật liệu hiện
20 
có để nâng cao hiệu suất và tìm kiếm những hợp chất bán dẫn mới với các trị số khe 
dải thích hợp. Nền công nghệ nano đang là chủ lực để đạt những mục tiêu nhiều 
tham vọng nầy. Một trong những ý tưởng nano là chế tạo hằng tỷ tế bào pin mặt trời 
ở kích thước nanomét gọi là điểm lượng tử (quantum dot), thay vì dùng từng mảng 
vật liệu như hiện nay. Nhóm của giáo sư Martin Green (University of New South 
Wales, Úc) lần đầu tiên chế biến thành công trong phòng thí nghiệm pin mặt trời 
silicon mang cấu trúc điểm lượng tử với hiệu suất đạt đến gần con số lý thuyết 31 %
.
Điểm lượng tử silicon thật ra là tinh thể nano silicon. Tiến sĩ Arthur Nozik thuộc
Viện Nghiên cứu Năng lượng Tái sinh (Mỹ) (National Renewable Energy 
Laboratory) cũng
đã chế tạo thành công tập hợp
điểm lượng tử silicon (Hình 3). 
Mỗi
điểm có bán kính khoảng 7 nm, chứa 50 - 70 nguyên tử silicon. Thông thường
một quang tử đánh bật một
điện tử, nhưng
ở thứ nguyên nano cực nhỏ nầy một
quang tử khi va chạm vào điểm lượng tử có thể sinh ra hai, ba điện tử tự do. Kết 
quả
là ta sẽ có nhiều
điện tử tạo ra dòng điện. Theo
Nozik, nhờ vào hiệu ứng đa điện tử của điểm 
lượng tử 
silicon, hiệu suất chuyển hoán có thể đạt hơn 60 
%, gấp đôi con số lý thuyết 31 % của trường 
hợp một quang tử cho một điện tử. Tuy nhiên, 
để trở thành một sản phẩm thông dụng, người ta 
dự đoán phải cần một thời gian từ 10 đến 15 
năm. Chúng ta hãy kiên nhẫn chờ 
xem. 
B.I.2.c.Một số phát minh. 
Tàu chạy bằng năng lượng mặt trời: 
Nó chạy chậm và chỉ đi được một đoạn ngắn, nhưng tàu Serpentine Solar Shuttle 
là tàu chở khách chạy bằng năng lượng mặt trời tiên tiến nhất hiện nay. 
3: Tập hợp điểm lượng tử (tinh thể nano) 
silicon. 
Mỗi điểm có đường kính 7 nm và chứa 50 - 70 
nguyên tử silicon 
(Nguồn: Tiến sĩ Arthur Nozik). 
21 
Chiếc tàu chạy bằng năng lượng mặt trời của Anh ra mắt ngày 18/7 tại Hyde Park, 
London. Các nhà phát triển con tàu hi vọng nó sẽ mở cửa tương lai cho việc vận 
chuyển bằng năng lượng mặt trời. 
Tàu Serpentine Solar Shuttle - chạy hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời - có tốc độ 
8km/giờ, và chở được 42 hành khách. 
“Đây là con tàu có công nghệ tiên tiến nhất trên thế giới vào thời điểm này” – nhà 
thiết kế Christoph Behling, người thiết kế con tàu chạy bằng năng lượng mặt trời 
lớn nhất thế giới tại Hamburg, Đức, nói. 
“Được làm hoàn toàn từ thép không rỉ, điều này có nghĩa, con tàu sẽ không bao giờ 
bị cũ. Nó mở đường cho tàu thuỷ, tàu hoả và các phương tiện giao thông khác trong 
tương lai” – ông Behling nói. 
Con tàu dài 14,6m, có 27 tấm bảng thu nhiệt 
nằm ở phần mái. Hành trình dài nhất mà nó có 
thể đi là 131 km. 
Con tàu hầu như không thải ra khí ô nhiễm nào 
trong suốt hành trình bởi nó có hai động cơ tĩnh 
- điều này có nghĩa nó không phát thải khí 
carbon. 
 Thậm chí trong đêm tối, những ngày mưa, vẫn 
đủ năng lượng mặt trời giúp tàu chạy. 
Khi con tàu không hoạt động, điện năng thừa 
sinh ra bởi các tấm bảng hấp thu ánh nắng mặt trời sẽ được cung cấp trở lại mạng 
truyền dẫn quốc gia. 
Chi phí xây dựng tàu Serpentine Solar Shuttle lên tới 421.000 USD – hơn 20% so 
với chi phí xây dựng một con tàu chạy bằng diesel cùng kích cỡ. 
Máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời 
22 
Zephyr -chiếc máy bay nhẹ chạy bằng năng lượng mặt trời - đã phá kỷ lục thế giới 
về hành trình bay không người lái dài nhất khi vận hành 54 giờ không nghỉ, kéo dài 
qua hai đêm. 
Công ty quốc phòng Anh Qinetiq, đơn vị sản xuất chiếc Zephyr, tin rằng đây là lần 
đầu tiên một chiếc máy bay chạy năng lượng 
mặt trời có thể bay bằng năng lượng tự sinh lâu 
như vậy. 
Kỷ lục không người lái trước kia được lập năm 
2001, khi một chiếc phản lực của không quân 
Mỹ bay hơn 30 giờ. 
Hành trình 54 giờ của Zephyr sẽ không được 
ghi vào sách kỷ lục Guiness vì đại diện của Hiệp hội thể thao hàng không thế giới - 
cơ quan chứng nhận trong những trường hợp như thế này - không được thông báo 
về cuộc thử nghiệm bí mật. Tuy nhiên, họ được biết về thử nghiệm thứ hai, kéo dài 
33 giờ, và có thể vẫn là một kỷ lục chính thức. 
Zephyr ban đầu được chế tạo với nhiệm vụ chụp ảnh một khinh khí cầu khổng lồ 
(có tên Qinetiq 1), được xây dựng để phá kỷ lục thế giới về độ cao của khinh khí 
cầu có người lái vào năm 2003. Nỗ lực trên bị hoãn lại sau khi chiếc khí cầu bị rò rỉ. 
Tuy nhiên, công ty quốc phòng trên vẫn tiếp tục chế tạo chiếc máy bay "chụp ảnh" 
này cho các mục đích quân sự, quan sát trái đất và thông tin. 
Zephyr không phải là chiếc máy bay năng lượng mặt trời đầu tiên chạy xuyên đêm. 
Một chiếc khác, có tên là SoLong do công ty AC propulsion của Mỹ chế tạo đã bay 
48 giờ liền năm 2005. Tuy nhiên khác với Zephyr, chiếc SoLong không bay liên 
tục, mà thường xuyên lượn hoặc chao. 
Cơ quan vũ trụ Mỹ NASA cũng đã chế tạo chiếc Pathfinder và Helios với mục đích 
thay thế các vệ tinh hoặc các phương tiện không người lái khác để khám phá các vật 
thể ngoài trái đất. Helios (chiếc thành công hơn Pathfinder) đã vỡ tan trong một 
chuyến bay năm 2003 
Ô tô năng lượng mặt trời đi vòng quanh thế giới 
Zephyr có thể đạt được độ 
cao 18.000 m 
23 
Sau khi dừng ở 38 nước trên thế giới, chiếc xe ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời 
của một giáo viên người Thụy Sĩ đã có mặt tại Hội nghị về biến đổi khí hậu của 
Liên hợp quốc tổ chức ở Poznan, Ba Lan. 
Anh Louis Palmer đã vượt hành trình dài 52.086km, qua 38 nước, trước khi tới 
Ba Lan. Đây cũng là lần đầu tiên một chiếc ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời 
thực hiện hành trình vòng quanh thế giới. 
Ông Yvo de Boer, Tổng thư ký Ban công ước khung Liên hợp quốc về biến đổi khí 
hậu (UNFCCC), là hành khách đầu tiên của anh Palmer. Các vị khách danh dự khác 
gồm: Tổng thư ký LHQ Ban Ki-moon, Giám đốc sản xuất phim nổi tiếng thế giới 
James Cameron, Hoàng tử Albert của công quốc Monaco, Thủ tướng Thụy Điển 
Fredrik Reinfeldt, và Thị trưởng thành phố New York Michael Bloomberg. 
Palmer tạo ra chiếc xe năng lượng mặt trời này nhằm chứng minh rằng hiện đã 
có những công nghệ tối tân phục vụ mục đích giảm khí thải nhà kính, bảo vệ 
môi trường. Ngoài ý nghĩa bảo vệ môi trường và đảm bảo sự phát triển bền vững, 
anh Palmer tin rằng nếu 
được đầu tư đầy đủ, 
việc khai thác năng 
lượng không có nguồn 
gốc hóa thạch sẽ giúp 
tạo nhiều việc làm mới 
- điều có thể mang tầm 
quan trọng hơn trong 
bối cảnh kinh tế thế 
giới hiện nay. 
Về cấu tạo, chiếc ô tô 
chạy bằng năng lượng 
mặt trời của anh kéo 
 Louis Palmer cùng chiếc xe chạy bằng năng lượng 
mặt trời của mình trên đường đua Taupo ở Niu Dilân
24 
theo một xe moóc có nóc rộng 6 mét vuông, là các tấm hấp thụ năng lượng mặt trời 
ghép lại với nhau. Bản thân xe moóc đã chứa bộ pin cho ô tô, có khả năng cung cấp 
điện để xe chạy 15.000km/năm. 
Chiếc xe có tốc độ tối đa 90 km/h và có thể chạy 400 km khi pin đầy. Anh Palmer 
cho biết ô tô của anh có mức tiêu thụ năng lượng tương đương chưa đến 1 lít xăng 
cho 100km. Tổng trọng lượng của cả ô tô và rơ-moóc là 750 kg. 
Mặc dù chi phí phát triển chiếc xe này khá cao, nhưng anh Palmer khẳng định rằng 
nếu sản xuất với số lượng lớn, chi phí chỉ khoảng 10.000 euro , và thêm 4.000 
USD cho các tấm hấp thụ năng lượng mặt trời. Palmer cũng cho biết chiếc xe hoạt 
động khá ổn định, chỉ trục trặc 2 lần trong suốt hành trình vòng quanh thế giới của 
anh. 
B.I.3. Sử dụng nhiệt năng của ánh sáng mặt trời.
Sử dụng nhiệt năng của mặt trời
đã
được con người biết
đến từ rất lâu nhằm phục
vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày. Hiện nay có 2 cách cơ bản
để thu và sử dụng
nhiệt năng của mặt trời
đó là sử dụng hệ thống các dụng cụ quang học
để hội tụ 
ánh
sáng và sử dụng các tấm panel mặt trời có hệ thống các ống nhỏ bên trong. 
Sử dụng hệ thống các dụng cụ quang học:
Sử dụng các dụng cụ quang học như hệ thống các chảo parabol hội tụ ánh sáng, các 
thấu kính hội tụ, các tấm phản chiếu
Nhiệt thu được từ các hệ thống quang học sẽ
được truyền dẫn
đến nơi sử dụng bằng
một hệ thống các sợi 
cáp dẫn nhiệt và giữ 
nhiệt tốt, thông thường 
là các sợi cáp thủy tinh. 
25 
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các 
tấm panel, nhiệt nặng của mặt trời sẽ 
được truyền cho hệ thống các ống 
nhỏ nằng bên trong các tấm panel, 
nước sẽ được nung nóng khi chảy qua 
các ống nhỏ này. Nước được nung 
nóng bởi nhiệt mặt trời có thể dùng 
để tắm rửa, giặt giũ hay sưởi ấm 
trong nhà của chúng ta. Khi chúng ta không có nhu cầu sử dụng nhiệt năng thì phần 
nhiệt năng mặt trời thu được vẫn được trữ bên trong các tấm panel vì các tấm panel 
dược thiết kế với mặt trên là chất liệu hấp thu áng sáng mặt trời tốt, mặt dưới và 
xung quanh được làm từ các vật liệu cách nhiệt cực tốt nên nhiệt thu được vẫn được 
trữ bên trong. 
Chúng ta có thể sử dụng được nhiệt năng của mặt trời thông qua các thiết kế được 
giữ cố định. Cửa sổ ở các tầng trên trần nhà có thể tận dụng để thiết kế sao cho 
thường xuyên tiếp xúc với ánh sáng mặt trời để dẫn nhiệt vào nhà chúng ta, sưởi ấm 
vào mùa đông. 
B.II. Năng lượng gió 
B.II.1.Lịch sử hình thành 
Sức gió đã được con người khai thác, sử dụng từ rất lâu. 
Tuy nhiên, tuabin gió đầu tiên được xây dựng ở Sistan, 
Iran, vào thế kỷ 7. Đó là những chiếc tuabin gió thẳng 
đứng với bộ cánh quạt dài hình chữ nhật (6 đến 12 
cánh), được làm bằng vải phủ lên các bộ khung bằng 
sậy. Những chiếc tuabin gió này được dùng để xay ngô, 
bơm nước,. 
Đến thế kỷ 14, những tuabin gió ở Hà Lan, được sử 
dụng để tháo nước trong khu vực đồng bằng sông Rhine. 
Ở Đan Mạch, đến năm 1900 đã có 2500 tuabin gió được 
Tuabin gió tự vận hành đầu 
tiên của thế giới được xây 
dựng ở Cleverland vào năm 
1888, bởi Charles F. Brush. 
Nó cao 60 feet, nặng 4 tấn 
và có công suất 12kW 
Sử dụng các tấm panel mặt 
trời có hệ thống ống nhỏ 
26 
sử dụng với công suất cực đại 30 MW. Tuabin gió sản xuất ra điện đầu tiên được 
biết đến, là một máy sạc pin, xây dựng vào năm 1887 bởi James Blyth ở Scotland, 
Anh. Tuabin gió đầu tiên sản xuất ra điện tại Mỹ được xây dựng tại Cleveland, 
Ohio bởi Charles F Brush vào năm 1888, và vào năm 1908 đã có 72 máy phát điện 
bằng sức gió từ 5kW đến 25kW. Đến năm 1930, tuabin gió sản xuất điện, được phổ 
biến đến các trang trại, chủ yếu là ở Mỹ. 
Một tiền thân của mẫu tuabin gió trục ngang hiện đại ngày nay, được xây dựng tại 
Liên xô vào năm 1931. Đó là một máy phát điện 100kW, đặt trên tháp cao 30m. Nó 
được ghi nhận là có hiệu suất 32%, không khác nhiều so với các máy điện gió ngày 
nay. 
B.II.2. Nguyên lý làm việc của tuabin gió 
Các tuabin hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng lượng của gió làm cho 
2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh một roto. Roto được nối với trục chính và trục chính 
sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện. 
Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió. Ở độ cao 30 mét 
trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất 
thường. 
B.II.2.a. Cấu tạo của tuabin 
gió Bao gồm các phần chính sau đây
: 
27 
Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ 
liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển. 
- Cảm biến của hệ thống đo tốc độ gió được phân loại 
theo nguyên tắc hoạt động của chúng 
+ Anemometer xoay: dạng tách (cups), chân vịt 
+ Anemometer áp suất: dạng ống, dạng tấm và dạng cầu 
+ Anemometer nhiệt: dây nhiệt (hot wire) và tấm nhiệt 
(hot films) 
+ Dùng sự thay đổi pha: anemometer siêu âm, laser doppler 
anemometer 
Anemometer dạng tách (cups anemometer): sử dụng chuyển 
động quay, thay đổi tùy theo tốc độ gió, để biến thành tín hiệu. 
Anemometer chân vịt (propeller anemometers): khi gió 
thổi vào chân vịt làm xoay trục của một mát phát điện 
(thường là một chiều), hoặc máy ngắt quãng ánh sáng 
(light chopper) để tạo ra một tín hiệu xung. 
Tấm áp lực: đây là kiểu anemometer đầu tiên. Áp lực 
của gió tác động lên tấm phẳng, làm tấm phẳng lệch 
vào trong. Khoảng cách lệnh vào phụ thuộc vào vận 
tốc của gió, từ đó ta có thể xác định được vận tốc gió. 
Anemometer dạng này thường được dùng để đo gió 
bão. 
Anemometer âm thanh: anemometer âm thanh đó 
vận tốc gió thông qua sự thay đổi của vận tốc âm thanh. Bằng cách đo vận tốc âm 
thanh giữa các đầu cảm biến, ta có thể suy ra được vận tốc của gió 
28 
Blades (cánh quạt): Gió thổi qua các cánh quạt, làm cho các cánh quạt chuyển 
động và quay. 
Brake (bộ hãm): dùng để dừng roto trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng