Tích hợp pin năng lượng mặt trời trong thiết kế kiến trúc

“Nếu thế kỷ 19 là thời đại của than thì thế kỷ 20 là của dầu mỏ còn thế kỷ 21 là 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 mặt trời sản xuất điện trực tiếp từ bức xạ mặt trời đang phát triển rộng rãi khi mà lợi ích của nó trở nên rõ ràng hơn và chi phí lại giảm hơn trước đây rất nhiều.

  1. Tổng quan:

Trong bối cảnh thế giới đang rơi vào cuộc suy thoái kinh tế tồi tệ nhất trong nhiều thập kỷ qua, các cuộc khủng hoảng năng lượng tiềm tàng do tình hình chính trị trên thế giới cũng như hiện tượng biến đổi khí hậu đang gây ra các hậu quả khó lường cho nhân loại, việc giảm tiêu thụ năng lượng (đặc biệt là năng lượng không tái tạo được) trong các tòa nhà là những vấn đề không chỉ của bản thân các chủ công trình mà còn là vấn đề chung của cả các quốc gia và quốc tế. Nhiều loại năng lượng tái tạo và vô tận đã và đang được nghiên cứu trên toàn thế giới nhằm đưa ra những giải pháp thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Lĩnh vực xây dựng là đối tượng chịu trách nhiệm chính cho việc sự cạn kiệt này. Theo thống kê trên thế giới, lĩnh vực xây dựng sử dụng tới 30-40% tổng số năng lượng (bằng tổng năng lượng sử dụng trong lĩnh vực giao thông và công nghiệp), sử dụng 17% nước sạch, 25% lượng gỗ khai thác, và 40-50% nguyên liệu thô. Các công trình xây dựng tiêu thụ năng lượng cũng như phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính (chiếm tới 33% tổng lượng phát thải trong mọi lĩnh vực) trong mọi quy trình, từ sản xuất các loại vật liệu, xây dựng công trình, vận hành công trình, phá bỏ và tái sử dụng (theo VGBC).

“Nếu thế kỷ 19 là thời đại của than thì thế kỷ 20 là của dầu mỏ còn thế kỷ 21 là 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 mặt trời sản xuất điện trực tiếp từ bức xạ mặt trời đang phát triển rộng rãi khi mà lợi ích của nó trở nên rõ ràng hơn và chi phí lại giảm hơn trước đây rất nhiều. Pin năng lượng là một công nghệ vật liệu tiên tiến sẽ giúp chúng ta thiết kế các công trình thân thiện với môi trường hơn. Trong lĩnh vực xây dựng, pin năng lượng mặt trời 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.

Hình 1. Các kiến trúc sư luôn tìm kiếm khả năng tích hợp pin năng lượng trong các công trình đương đại

 

Năng lượng mặt trời có thể chia làm 2 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. Nhiều tấm pin mặt trời được ghép nối với nhau để thành hệ thống pin mặt trời. 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 3 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 nó không gây tác hại gì tới môi trường, không xả chất thải nguy hiểm, không gây ô nhiếm 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.

 

Hình 2. Sơ đồ hệ thống pin năng lượng trong nhà ở thấp tầng (nguồn: internet).

 

  1. Ưu điểm 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 chưa thấp 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 liênquan tới vòng quay trái đất và mùa (thiên quan tới hướng của trục trái đất và chuyển động của trái đất quanh mặt trời).
  • Vị trí khu đất, ví dự như bức xạ mặt trời tại đó.
  • Độ nghiêng của thiết bị.
  • Góc phương vị.
  • Bóng đổ.
  • Nhiệt độ của bản thân thiết bị.

 

  1. Các vấn đề lưu ý trong thiết kế pin năng lượng tích hợp trong công trình:

Pin năng lượng tạo ra tiềm năng lớn cho công trình nhưng đòi hỏi phải có tính toán ngay từ ban đầu do nó sẽ ảnh hưởng tới hướng, hình khối và tổ chức mặt bằng của công trình. Nó cũng sẽ ảnh hưởng tới cơ cấu của công trình và là yếu tố quan trọng trong hệ thống công trình và môi trường. Chúng ta cần phải xem nó như là một phần không thể thiếu trong chiến lược năng lượng của công trình và cân nhắc tới chức năng của nó. 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 tối ưu 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 mong muốn. Những yếu tố ảnh hưởng tới sự vận hành của pin năng lượng bao gồm nhiều yếu tố trong đó yếu tố quan trọng nhất là vị trí xây dựng, hướng và hình khối của bản thân công trình. Các lưu ý khi xác định vị trí xây dựng bao gồm: 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 tên, ống khói, cây hay của 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, không đòi hỏi phải tuân thủ tuyệt đối.

  1. 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 đáng chú ý tới pin năng lượng.

Tiêu thụ năng lượng giao động trong hai loại công trình công nghiệp và thương mại cũng như tòa nhà riêng lẻ, do đó một đội thiết kế cần phân tích cụ thể tòa nhà.

Hình 3. Hiệu quả hình ảnh của pin năng lượng tích hợp trong công trình Solarark của hãng Sanyo

  1. Thiết kế tích hợp pin năng lượng vào công trình:

Các kiến trúc sư trên thế giới đã có những tìm tòi trong việc tích hợp pin năng lượng vào trong các công trình của mình và 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 mà chúng thay thế. Do đó, chúng 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 khía cạnh khác liên quan tới khả năng sử dụng điện được sản xuất như bóng đổ của bản thân 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 và dây dẫn, và bảo dưỡng.

Có 3 giải pháp cơ bản tích hợp pin năng lượng vào công trình:

  1. Tích hợp vào mái.
  2. Tích hợp vào tường và các tấm chắn nắng.

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. Các tòa nhà thực tế có hình dáng và góc cần thiết cho nhiều mục đích khác hơn là chỉ để dành cho hệ thống pin năng lượng và những nhu cầu này cần được nhận biết trong quá trình thiết kế.

Hình 4. Một số giải pháp tích hợp pin năng lượng vào mái công trình

  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.

  1. Các hệ thống trên tường:

Lắp đặt pin năng lượng trên tường có tiềm năng đáng kể. Các tấm pin năng lượng 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 và dọc hoặc thậm trí trực tiếp ngay ngoài của 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.

Hình 5. Một số giải pháp tích hợp pin năng lượng vào mặt đứng công trình.

  1. Sử dụng pin năng lượng ở Việt Nam:

Việt Nam là nước nhiệt đới 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 này 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. Việc sử dụng pin năng lượng của chúng hiện nay nhỏ lẻ, mới chỉ được ứng dụng trong 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. Chúng ta chưa tích hợp pin năng lượng trong các công trình cao tầng và có quy mô lớn. Vì vậy, việc sử dụng pin năng lượng như là một thành phần kiến trúc sẽ là điều mà các kiến trúc sư phải cân nhắc tới khi thiết kế công trình trong tương lai.

Điểm khác biệt trong việc xử lý mặt đứng công trình thích ứng với điều kiện thời tiết vùng hàn đới và nhiệt đới là việc cố gắng thu càng nhiều nhiệt càng tốt đóng vai trò quan trọng với kiến trúc vùng hàn đới trong khi 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.

Hình 6. Khả năng tích hợp đa dạng của pin năng lượng sẽ giúp các kiến trúc sư chủ động trong thiết kế

Ts.Kts. Lê Chiến Thắng

Viện Kiến Trúc Nhiệt Đới – Trường ĐH Kiến Trúc Hà Nội