Nghĩ theo hình cầu: Pin mặt trời hình cầu của Nhật Bản thách thức 140 năm thiết kế tấm pin phẳng

Thiết kế hơn một thế kỷ tuổi được đổi mới triệt để

Trong hơn 140 năm, năng lượng mặt trời về cơ bản vẫn giữ nguyên hình thức. Kể từ khi Charles Fritts tạo ra một trong những tấm pin mặt trời đầu tiên vào năm 1883 dưới dạng một tấm cứng, công nghệ quang điện vẫn gắn liền với những hình chữ nhật màu xanh phẳng được lắp trên mái nhà hoặc sắp thành các cánh đồng rộng lớn. Thiết kế này phổ biến đến mức hầu hết mọi người chưa bao giờ tự hỏi liệu pin mặt trời có nhất thiết phải phẳng hay không. Tuy nhiên, tại Nhật Bản, các kỹ sư của Kyosemi Corporation đã quyết định thách thức giả định căn bản đó, phát triển một dòng pin mặt trời hình cầu siêu nhỏ mang tên Sphelar, có thể thay đổi cách chúng ta khai thác năng lượng mặt trời.

Thiết kế tấm pin phẳng thông thường hoạt động tốt trong điều kiện lý tưởng, khi ánh sáng mặt trời chiếu thẳng lên bề mặt ở góc đúng 90 độ. Tuy nhiên, trong thực tế, điều kiện hiếm khi lý tưởng. Mặt trời di chuyển trên bầu trời suốt ngày và đổi góc theo mùa. Mây làm ánh sáng tán xạ. Nhà cửa, cây cối và các vật cản khác tạo bóng râm. Tấm pin phẳng mất hiệu suất đáng kể khi ánh sáng chiếu xiên, và gần như vô dụng khi bị che bóng. Những hạn chế này đã thu hẹp phạm vi địa điểm và cách thức có thể triển khai hiệu quả năng lượng mặt trời.

Nhóm kỹ sư Nhật Bản đứng sau Sphelar nhận ra rằng trong tự nhiên, ánh sáng không chiếu đến theo cách đồng đều và trực tiếp. Ánh sáng đến từ nhiều góc độ khác nhau trong ngày và qua các mùa. Ánh sáng không chỉ đến dưới dạng tia trực tiếp mà còn là ánh sáng phản xạ từ nước, kính và các bề mặt khác, cũng như ánh sáng khuếch tán do mây và các hạt trong khí quyển tán xạ. Họ cho rằng pin mặt trời hình cầu sẽ thích ứng tốt hơn để thu nhận trường ánh sáng đa chiều này, nhờ đó có thể phát điện ổn định hơn trong ngày và cả khi thời tiết không lý tưởng.

Từ nhận định đó, Sphelar ra đời: nhãn hiệu đã đăng ký của loại pin mặt trời hình cầu đầu tiên trên thế giới được phát triển để thương mại hóa. Chỉ có đường kính 1 đến 2 milimét, những hạt silicon nhỏ bé này thể hiện một cách hình dung lại căn bản về công nghệ quang điện. Thay vì cố hướng ánh sáng vào một bề mặt phẳng ở góc thích hợp, pin Sphelar tiếp nhận ánh sáng từ mọi hướng, về cơ bản tạo nên một hệ thống thu sáng ba chiều hoạt động gần giống cách các sinh vật tự nhiên hấp thụ năng lượng từ môi trường.

Khoảnh khắc lóe sáng: Vì sao pin mặt trời phải phẳng?

Câu chuyện về Sphelar bắt đầu từ một câu hỏi đơn giản nhưng sâu sắc của Shuji Nakata, kỹ sư trưởng kiêm nhà sáng lập Kyosemi Corporation. Nhiều năm sau khi thành lập Kyosemi, Nakata trăn trở về cách nâng cao hiệu suất của pin quang điện. Dựa trên kinh nghiệm trước đây khi phát triển tấm pin mặt trời với tư cách thành viên dự án tại Mitsubishi Electric, ông tự hỏi vì sao tấm pin mặt trời phải phẳng trong khi mặt trời luôn di chuyển.

Trong môi trường phòng thí nghiệm, nguồn sáng thường cố định và có thể dự đoán. Nhưng trên thực tế, ánh sáng mặt trời chiếu đến từ những góc liên tục thay đổi. Nakata nhận thấy ngoài ánh sáng chiếu trực tiếp còn có ánh sáng phản xạ và ánh sáng môi trường khuếch tán mà các tấm pin phẳng thông thường phần lớn không thu được. Nhận thức đó dẫn đến câu hỏi cốt lõi của ông: nếu bề mặt pin quang điện có dạng hình cầu, liệu đó có phải cách thu nhận ánh sáng mặt trời hiệu quả nhất? Câu hỏi này trở thành nguồn cảm hứng ban đầu cho pin mặt trời vi mô hình cầu của Kyosemi.

Ông Josuke Nakata, nhà sáng lập kiêm chủ tịch Sphelar Power Corporation, chia sẻ về sứ mệnh của công ty trong một tuyên bố:

Sphelar, loại pin mặt trời hình cầu, ra đời từ những câu hỏi đơn giản như vậy. Trong thế giới tự nhiên, ánh sáng không chiếu đến một cách đồng đều. Vị trí mặt trời luôn thay đổi. Một phần ánh sáng mặt trời bị mây tán xạ, phần khác phản xạ từ kính và nước.

Thời điểm xuất hiện ý tưởng này rất thuận lợi. Cuối thập niên 1980, Kyosemi lên kế hoạch xây dựng nhà máy mới tại Hokkaido và mở rộng năng lực sản xuất. Kamisunagawa được chọn vào vòng cuối để đặt nhà máy. Thị trấn khai thác than trước đây này đã chứng kiến mỏ đóng cửa do lượng than nhập khẩu tăng, còn cộng đồng địa phương đang tích cực tìm kiếm các ngành công nghiệp mới thay thế việc làm đã mất. Một kết quả của quá trình chuyển đổi kinh tế này là sự ra đời của JAMIC, Trung tâm Vi trọng lực Nhật Bản, nơi cải tạo một đường hầm mỏ bỏ hoang thành cơ sở nghiên cứu khoa học. Năm 1988, cũng là năm Kyosemi bắt đầu hoạt động tại nhà máy mới ở Hokkaido, ông Nakata nảy ra ý tưởng mới về cách tận dụng năng lực đặc biệt của JAMIC để hiện thực hóa tầm nhìn về pin mặt trời hình cầu.

Sản xuất trong môi trường vi trọng lực

Việc tạo ra các tinh thể silicon hình cầu hoàn hảo đặt ra những thách thức kỹ thuật đáng kể. Trên Trái Đất, sức căng bề mặt và trọng lực khiến silicon nóng chảy tạo thành những hình dạng không đều khi nguội và đông đặc. Để tạo được các hình cầu gần như hoàn hảo cần thiết cho pin mặt trời hiệu suất cao, Kyosemi tìm đến JAMIC cùng cơ sở ống thả đặc biệt. Đường hầm thẳng đứng này ăn sâu 710 mét vào lòng đất, trong đó có một ống thả dài 490 mét cho phép tiến hành thí nghiệm trong điều kiện vi trọng lực.

Quy trình sản xuất bắt đầu bằng cách đặt silicon vào một khoang chân không rồi thả khoang xuống giếng. Trong lúc rơi tự do, bên trong khoang chuyển sang trạng thái vi trọng lực, cho phép silicon nóng chảy hình thành các khối cầu hoàn hảo chỉ nhờ sức căng bề mặt, không bị trọng lực làm biến dạng. Nhóm dự án Kyosemi tiến hành nhiều thí nghiệm, đặt các mẩu silicon vào khoang rồi thử nung chảy và kết tinh chúng trong khoảng thời gian rơi tự do ngắn ngủi. Qua nhiều lần thử nghiệm, cuối cùng họ đã tạo được các hạt hình cầu như mong muốn.

Theo Phys.org, phương pháp sản xuất sáng tạo này mang lại nhiều lợi ích đáng kể ngoài việc tạo được hình dạng phù hợp. Quy trình chế tạo pin Sphelar hầu như không tạo ra lượng silicon phế thải nào, trong khi đây là vật liệu có giá trị và tương đối khan hiếm trong ngành sản xuất bán dẫn. Sản xuất pin mặt trời phẳng thông thường thường đòi hỏi cắt các tấm silicon từ phôi, tạo ra lượng vật liệu thừa đáng kể khi phôi hình trụ được xẻ thành các tấm phẳng. Quy trình kết tinh hình cầu về cơ bản tạo ra sản phẩm cuối cùng trực tiếp từ vật liệu nóng chảy, loại bỏ công đoạn cắt và giảm lượng silicon tiêu thụ.

Phys.org cũng đưa tin Kyosemi Corp. ước tính chi phí sản xuất pin Sphelar có thể chỉ bằng một nửa so với sản xuất tấm pin mặt trời phẳng thông thường. Lợi thế chi phí này đến từ việc giảm lãng phí vật liệu và quy trình sản xuất có thể đơn giản hơn. Lợi ích môi trường không chỉ nằm ở việc sử dụng vật liệu hiệu quả, bởi bản thân quy trình sản xuất được mô tả là thân thiện với môi trường hơn so với cách chế tạo pin quang điện truyền thống.

Cách pin hình cầu thu nhận ánh sáng

Lợi thế căn bản của pin Sphelar nằm ở hình dạng của chúng. Khối cầu có cùng diện tích bề mặt tiếp xúc với ánh sáng từ mọi hướng. Không giống tấm pin phẳng cần hướng về phía mặt trời và giảm hiệu suất khi ánh sáng chiếu đến ở góc xiên, pin Sphelar duy trì khả năng thu sáng bất kể góc tới. Nhờ đó, chúng có thể thu nhận ánh nắng trực tiếp suốt ngày khi mặt trời di chuyển trên bầu trời mà không cần hệ thống định hướng cơ học.

Quan trọng hơn, thiết kế hình cầu giúp thu nhận hiệu quả các nguồn sáng gián tiếp. Ánh sáng phản xạ từ nhà cửa, mặt nước hoặc các bề mặt khác chiếu vào pin Sphelar ở nhiều góc độ nhưng vẫn gặp được bề mặt hấp thụ tối ưu. Ánh sáng khuếch tán trong những ngày nhiều mây, vốn thường khiến hiệu suất tấm pin phẳng giảm mạnh, cũng được thu nhận hiệu quả vì hình cầu tiếp nhận ánh sáng từ mọi hướng. Đặc tính này có thể giúp pin Sphelar hoạt động đáng tin cậy hơn khi thời tiết thất thường và tại những khu vực địa lý thường xuyên có mây che phủ.

Công nghệ này tạo một lớp tiếp giáp P-N bên trong mỗi khối cầu silicon, tương tự nguyên lý hoạt động của pin mặt trời truyền thống nhưng được áp dụng trên bề mặt cong. Nhóm Kyosemi tận dụng bí quyết sản xuất tích lũy từ việc chế tạo chip bán dẫn quang học để hình thành các lớp tiếp giáp trên bề mặt hình cầu, một thách thức kỹ thuật ban đầu đòi hỏi nhiều đổi mới. Khi được nối với nhau, những khối cầu siêu nhỏ này tạo ra dòng điện có thể được khai thác để cấp điện cho thiết bị hoặc đưa vào hệ thống điện.

Đối với người dùng, điều đó có nghĩa là thiết bị hoặc công trình tích hợp pin Sphelar không cần được đặt đúng hướng về phía mặt trời. Thiết bị chạy bằng Sphelar có thể đặt trên bề mặt nằm ngang, bề mặt nghiêng hoặc thậm chí được di chuyển mà vẫn tiếp tục thu nhận ánh sáng sẵn có một cách hiệu quả. Nhờ vậy, không cần hệ thống lắp đặt để hướng tấm pin về phía mặt trời, đồng thời xóa bỏ những hạn chế về địa điểm triển khai hoặc sử dụng thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời.

Từ ý tưởng đến sản phẩm thương mại

Hành trình từ ý tưởng đến sản phẩm thương mại kéo dài nhiều năm phát triển. Sau khi tạo thành công bốn pin đầu tiên mắc nối tiếp và phát điện khi tiếp xúc với ánh sáng, nhóm nghiên cứu đẩy mạnh nỗ lực. Năm 1998, Kyosemi thành lập Phòng thí nghiệm Vi trọng lực riêng để tiếp tục phát triển công nghệ. Đến năm 2004, công ty đã đạt đủ tiến bộ để nộp đơn đăng ký nhãn hiệu "Sphelar", viết tắt của "Spherical Solar" (năng lượng mặt trời hình cầu), đồng thời bắt đầu cung cấp mẫu cho các đối tác tiềm năng.

Trong giai đoạn đầu, ngay cả những người phát triển công nghệ cũng khó hình dung hết các ứng dụng tiềm năng của nó. Tuy nhiên, khi ý tưởng sáng tạo này được đưa ra thị trường, nó đã khơi gợi thêm nhiều ý tưởng mới từ các đối tác và khách hàng. Cách phát triển dựa trên hợp tác này giúp xác định những ứng dụng thực tế tận dụng được các đặc tính độc đáo của pin mặt trời hình cầu.

Năm 2012, Sphelar Power Corporation được thành lập dưới hình thức công ty tách ra từ Kyosemi Corporation, chuyên tập trung phát triển và thương mại hóa hoạt động kinh doanh pin mặt trời hình cầu. Ikuo Inagawa, giám đốc đại diện kiêm chủ tịch Sphelar Power Corporation, mô tả tầm nhìn của công ty:

Sphelar Power Corporation đã thương mại hóa Sphelar, loại pin mặt trời hình cầu đường kính nhỏ đầu tiên trên thế giới, và cung cấp các sản phẩm ứng dụng công nghệ này. Chúng tôi thúc đẩy việc sử dụng Sphelar như một loại pin mặt trời gần gũi, nhằm góp phần làm chậm những biến đổi lớn của môi trường toàn cầu và đóng góp vào các Mục tiêu Phát triển Bền vững (SDGs), đồng thời nỗ lực phổ biến các sản phẩm ứng dụng theo khẩu hiệu 'Sphelar luôn bên bạn!'

Ngày nay, công ty cung cấp một số dòng sản phẩm thể hiện tính linh hoạt của công nghệ pin mặt trời hình cầu. Các ứng dụng này cho thấy việc vượt ra ngoài thiết kế tấm pin phẳng cho phép áp dụng những cách hoàn toàn mới để tích hợp năng lượng mặt trời vào môi trường xây dựng và cuộc sống hằng ngày.

Tích hợp vào công trình và bề mặt trong suốt

Một trong những lĩnh vực ứng dụng hứa hẹn nhất của công nghệ Sphelar là điện mặt trời tích hợp vào công trình (BIPV). Tấm pin mặt trời truyền thống thường được lắp riêng trên mái nhà, dễ nhìn thấy và đôi khi bị xem là kém thẩm mỹ. Trong khi đó, pin Sphelar có thể được tích hợp trực tiếp vào vật liệu xây dựng, tạo ra các bề mặt vừa phát điện vừa duy trì những chức năng khác như độ trong suốt hoặc yêu cầu thiết kế kiến trúc.

Dòng sản phẩm BIPV của Sphelar gồm các khối kính bao bọc mô-đun Sphelar. Những cấu kiện xây dựng trong suốt này có thể được dùng cho tường, cửa sổ và các chi tiết kiến trúc khác, vừa cho ánh sáng đi qua vừa phát điện. Độ trong suốt của các cấu kiện Sphelar có thể đạt từ 50% đến 80%, tùy thuộc vào mật độ bố trí pin và yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Công nghệ này khắc phục một hạn chế lớn của tấm pin mặt trời thông thường trong môi trường đô thị. Tại các thành phố đông dân, diện tích mái thường hạn chế hoặc bị các tòa nhà xung quanh che bóng. Tấm pin truyền thống có thể chắn tầm nhìn hoặc không phù hợp với yêu cầu bảo tồn di tích lịch sử. Ngược lại, pin Sphelar có thể tích hợp vào mặt tiền, cửa sổ và các bề mặt thẳng đứng khác, nơi nhận ánh sáng gián tiếp suốt ngày. Chúng cũng có thể được đưa vào bề mặt cong và các hình thức kiến trúc phức tạp, vốn không thể hoặc khó ứng dụng với tấm pin phẳng cứng.

Công ty cũng phát triển Sphelar Glass Blocks, các mô-đun năng lượng mặt trời nhỏ gọn được bao bọc trong kính trong suốt. Chúng có thể vừa làm vật liệu xây dựng vừa phát điện, qua đó biến cửa sổ, giếng trời hoặc chi tiết trang trí thông thường thành bề mặt tạo ra năng lượng. Khả năng duy trì độ trong suốt trong khi phát điện mở ra triển vọng xây dựng những công trình có thể tự tạo ra lượng điện tương đương mức tiêu thụ mà không ảnh hưởng đến thẩm mỹ kiến trúc.

Thu hoạch năng lượng cho Internet vạn vật

Khi thế giới ngày càng kết nối thông qua Internet vạn vật (IoT), việc cấp điện cho mạng lưới cảm biến và thiết bị nhỏ rộng khắp đặt ra thách thức lớn. Thay pin cho mạng cảm biến phân tán là việc không thực tế, còn chi phí đi dây có thể rất cao. Pin Sphelar đưa ra giải pháp thông qua phương thức thu hoạch năng lượng, còn gọi là tận dụng năng lượng sẵn có trong môi trường, theo đó thiết bị thu gom lượng năng lượng môi trường nhỏ có sẵn xung quanh.

Dòng Sphelar EIPV gồm các mô-đun năng lượng mặt trời nhỏ gọn, được thiết kế dành riêng cho ứng dụng công suất thấp. Các mô-đun này có thể thu năng lượng từ ánh sáng sẵn có để cấp điện cho cảm biến, ứng dụng không dây thông minh và các thiết bị điện tử nhỏ khác. Vì pin Sphelar thu nhận ánh sáng từ mọi hướng và hoạt động tốt với ánh sáng khuếch tán, chúng đặc biệt phù hợp với môi trường trong nhà hoặc đô thị, nơi pin mặt trời truyền thống có thể gặp khó khăn.

Các ứng dụng của mô-đun thu hoạch năng lượng này gồm cảm biến môi trường, hệ thống tòa nhà thông minh, giám sát nông nghiệp và bất kỳ ứng dụng nào cần cấp điện cho thiết bị nhỏ phân tán mà không phải thay pin hoặc kết nối dây. Khả năng hoạt động mà không cần hướng chính xác về phía mặt trời khiến loại pin này phù hợp với các thiết bị có thể được đặt ở nhiều vị trí hoặc di chuyển trong quá trình sử dụng.

Kích thước nhỏ gọn, đường kính chỉ 1 đến 2 milimét, cho phép tích hợp pin Sphelar vào các thiết bị rất nhỏ mà pin mặt trời truyền thống không thể vừa. Khả năng thu nhỏ này có thể tạo điều kiện cho những dòng thiết bị thông minh tự cấp điện hoàn toàn mới, từ công nghệ đeo được đến các thiết bị giám sát môi trường tích hợp trong hạ tầng.

Công nghệ đeo được và vải dệt tạo năng lượng mặt trời

Có lẽ ứng dụng mang tính tương lai nhất của công nghệ Sphelar là trong lĩnh vực điện tử đeo được và vải dệt thông minh. Công ty đã phát triển loại sợi phát điện mặt trời dạng sợi filament, có thể tạo ra điện khi tiếp xúc với ánh nắng mà vẫn giữ được độ dẻo dai cao. Sợi quang điện này cho phép sản xuất vải dệt tạo ra điện, biến quần áo, túi xách hoặc các vật dụng bằng vải khác thành thiết bị phát điện mặt trời.

Việc phát triển sợi phát điện mặt trời được thực hiện trong một dự án nghiên cứu chung giữa doanh nghiệp, giới học thuật và chính phủ, với sự tham gia của Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp, Sphelar Power Co., Ltd. và Trung tâm Công nghệ Công nghiệp tỉnh Fukui. Sản phẩm Sphelar TEXTILE được mô tả là nhẹ, mỏng, linh hoạt và co giãn, phù hợp để cấp điện cho các ứng dụng điện tử dệt may đeo được.

Công nghệ này giải quyết một thách thức căn bản của thiết bị điện tử đeo được: nguồn điện. Pin làm thiết bị nặng và cồng kềnh, còn việc thường xuyên sạc lại làm giảm tính tiện dụng. Vải tích hợp pin mặt trời có thể thu năng lượng suốt ngày từ ánh sáng môi trường, liên tục cấp điện cho cảm biến tích hợp, thiết bị liên lạc hoặc thiết bị theo dõi sức khỏe mà không cần người dùng can thiệp hay phải mang thêm nhiều trọng lượng.

Tiềm năng ứng dụng không chỉ giới hạn ở quần áo mà còn gồm lều, mái hiên, vải buồm, bạt phủ xe và mọi bề mặt vải khác tiếp xúc với ánh sáng. Ứng dụng quân sự có thể gồm quân phục cấp điện cho thiết bị liên lạc hoặc thiết bị định vị. Trong đời sống dân sự, đồ dùng ngoài trời có thể tạo điện cho thiết bị GPS, đèn hiệu khẩn cấp hoặc điện thoại di động. Tính linh hoạt của vật liệu cho phép tích hợp vào trang phục mà không ảnh hưởng đến sự thoải mái hay khả năng vận động, khác với tấm pin mặt trời cứng vốn không phù hợp với ứng dụng đeo trên người.

Sản phẩm tiêu dùng và chiếu sáng

Ngoài các ứng dụng công nghiệp chuyên biệt, Sphelar Power Corporation đã phát triển sản phẩm hướng đến người tiêu dùng, thể hiện lợi ích thực tế của công nghệ pin mặt trời hình cầu trong đời sống hằng ngày. Những sản phẩm này cho thấy các đặc tính độc đáo của pin Sphelar cho phép tạo ra những thiết kế khó hoặc không thể thực hiện bằng tấm pin mặt trời phẳng truyền thống.

Đèn sân vườn Sphelar có thiết kế thời trang, với pin mặt trời hình cầu Sphelar đặt phía trên và bộ phận đèn LED. Ban ngày, điện được tạo ra từ ánh sáng mặt trời và lưu trữ; ban đêm, năng lượng dự trữ cấp điện cho đèn LED chiếu sáng vườn, công viên và lối đi. Thiết kế chú trọng tính thẩm mỹ, nhằm cung cấp ánh sáng mà không làm ảnh hưởng đến cảnh quan. Việc lắp đặt đơn giản, không phát sinh hóa đơn tiền điện hay cần đi dây, phù hợp với địa điểm xa xôi hoặc nơi chưa có hạ tầng điện.

Tương tự, sản phẩm Sphelar Illumination gồm các mô-đun Sphelar có thể treo trên cây. Các mô-đun này thu điện ban ngày rồi bật đèn LED vào ban đêm, đồng thời bản thân mô-đun Sphelar phát sáng dịu nhẹ. Sản phẩm được thiết kế để chiếu sáng an toàn, đẹp mắt mà không làm tổn hại cây khi lắp đặt hay phá vỡ vẻ tự nhiên của cây. Cũng như đèn sân vườn, các sản phẩm chiếu sáng này không cần kết nối điện và không phát sinh chi phí năng lượng liên tục.

Những sản phẩm tiêu dùng này thể hiện các lợi ích thực tiễn của công nghệ Sphelar nhờ khả năng thu nhận ánh sáng đa hướng. Đồ trang trí sân vườn và đèn treo cây có thể đặt theo nhiều hướng khác nhau mà không cần lo liệu có nhận đủ ánh nắng tối ưu hay không. Chúng có thể được đặt ở những nơi có bóng râm một phần, nơi tấm pin phẳng có thể không nhận đủ ánh sáng trực tiếp. Thiết kế nhỏ gọn, kín đáo của các pin hình cầu cũng làm tăng tính thẩm mỹ, cho phép tích hợp chúng vào các vật trang trí mà không tạo cảm giác như chi tiết kỹ thuật gắn thêm.

Hiệu suất và các yếu tố cần cân nhắc

Hiệu suất vẫn là tiêu chí quan trọng khi đánh giá bất kỳ công nghệ năng lượng mặt trời nào. Theo TheFutureOfThings, Kyosemi đã phát triển các tấm pin mặt trời linh hoạt có hiệu suất cao hơn gần 20% so với phần lớn pin quang điện thương mại hiện nay. Mức cải thiện đáng kể này đến từ khả năng thu nhận ánh sáng từ mọi góc độ và tận dụng cả nguồn sáng trực tiếp lẫn gián tiếp.

Tuy nhiên, cần cân nhắc kỹ các tiêu chí hiệu suất khác nhau khi so sánh trực tiếp pin Sphelar với tấm pin phẳng truyền thống. Tấm pin phẳng thường được đánh giá dựa trên hiệu suất đỉnh trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng, với ánh sáng trực tiếp chiếu vuông góc. Ngược lại, pin Sphelar duy trì hiệu suất ổn định hơn khi điều kiện ánh sáng và góc chiếu thay đổi. Dù có thể không vượt tấm pin phẳng trong các bài kiểm tra hiệu suất đỉnh ở điều kiện hoàn hảo, tổng lượng điện tạo ra trong cả ngày, với điều kiện thực tế, có thể cao hơn.

Không cần hệ thống định hướng là một lợi thế khác về hiệu suất. Các hệ thống điện mặt trời quy mô lớn thường dùng động cơ và cơ cấu định hướng để giữ tấm pin phẳng luôn hướng về phía mặt trời suốt ngày. Những hệ thống này tiêu thụ điện, cần bảo trì và làm việc lắp đặt phức tạp hơn. Nhờ hình dạng tự nhiên, pin Sphelar đạt lợi ích tương tự, thu nhận ánh sáng tối ưu từ bình minh đến hoàng hôn mà không cần hỗ trợ cơ học. Hoạt động thụ động này giúp hệ thống đáng tin cậy hơn và giảm nhu cầu bảo trì.

Hiệu suất trong điều kiện ánh sáng yếu là một điểm khác biệt nữa. Vào ngày nhiều mây hoặc sáng sớm, chiều muộn khi cường độ ánh sáng thấp, sản lượng của tấm pin phẳng giảm mạnh. Được thiết kế chuyên biệt để thu nhận ánh sáng khuếch tán và tán xạ, pin Sphelar duy trì hiệu suất tương đối tốt hơn trong những điều kiện khó khăn này. Đặc tính đó khiến chúng đặc biệt phù hợp với các khu vực thường xuyên có mây che phủ hoặc ứng dụng đòi hỏi hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện thời tiết.

Tác động môi trường và tính bền vững

Yếu tố môi trường ngày càng có vai trò quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ năng lượng, và pin Sphelar có một số lợi thế tiềm năng về tính bền vững. Lượng silicon phế thải giảm trong quá trình sản xuất mang lại lợi ích môi trường đáng kể. Sản xuất silicon tiêu tốn nhiều năng lượng và bao gồm các quy trình hóa học gây tác động đến môi trường. Sử dụng hiệu quả hơn vật liệu quý giá này giúp giảm tổng dấu chân môi trường của quá trình sản xuất pin mặt trời.

Chi phí sản xuất có thể giảm, theo ước tính của Phys.org còn một nửa so với tấm pin thông thường, giúp năng lượng mặt trời dễ tiếp cận hơn về mặt kinh tế. Chi phí thấp hơn thúc đẩy việc ứng dụng, qua đó thay thế thêm sản lượng điện từ nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính. Khả năng tích hợp pin mặt trời vào các công trình và sản phẩm hiện có mà không cần thêm vật liệu hoặc sửa đổi cũng giúp giảm tác động môi trường khi triển khai.

Độ bền và tuổi thọ của công nghệ Sphelar góp phần cải thiện hồ sơ môi trường. So với các tấm pin phẳng lớn, dễ vỡ, pin hình cầu có thể ít bị ảnh hưởng hơn bởi các yếu tố môi trường như gió, mưa đá hoặc mảnh vỡ. Kích thước nhỏ gọn và khả năng được đặt bên trong vật liệu bảo vệ có thể kéo dài thời gian hoạt động, giảm nhu cầu thay thế và các chi phí môi trường liên quan đến sản xuất, thải bỏ.

Sphelar Power Corporation công khai gắn công nghệ của mình với các mục tiêu môi trường rộng lớn hơn, trong đó có đóng góp vào các Mục tiêu Phát triển Bền vững (SDGs). Sứ mệnh của công ty bao gồm góp phần ngăn chặn sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và chống biến đổi khí hậu toàn cầu thông qua việc mở rộng sử dụng năng lượng mặt trời. Bằng cách giúp năng lượng mặt trời được ứng dụng tại những nơi và trong những tình huống trước đây khó thực hiện, công nghệ Sphelar có thể làm tăng đáng kể tỷ trọng năng lượng mặt trời trong cơ cấu năng lượng toàn cầu.

Tương lai của năng lượng mặt trời

Trong tương lai gần, tấm pin mặt trời phẳng có thể vẫn là công nghệ chủ đạo trong các dự án điện mặt trời quy mô lớn, nhưng pin Sphelar giúp đa dạng hóa quan trọng lĩnh vực này. Thay vì cạnh tranh trực tiếp với tấm pin truyền thống, pin hình cầu mở ra những lĩnh vực ứng dụng hoàn toàn mới mà tấm pin phẳng không thể đáp ứng. Mở rộng phạm vi địa điểm và cách thức khai thác năng lượng mặt trời có thể thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi hơn, đưa công nghệ này đến gần hơn với việc hiện diện khắp nơi trong môi trường sống hằng ngày.

Ý tưởng "năng lượng ở khắp mọi nơi" trở nên khả thi hơn nhờ những công nghệ như Sphelar. Thay vì xem năng lượng mặt trời chỉ được tạo ra tại các trang trại điện xa xôi rồi truyền đi trên quãng đường dài, chúng ta có thể hình dung một thế giới nơi mọi bề mặt tiếp xúc với ánh sáng đều có thể trở thành nguồn điện. Cửa sổ vừa để ánh sáng lọt vào vừa tạo ra điện. Quần áo cấp điện cho thiết bị đeo được. Tòa nhà tạo năng lượng từ tường cũng như từ mái. Mô hình phát điện phân tán này giảm tổn thất truyền tải và tăng khả năng chống chịu của hệ thống năng lượng.

Khi Internet vạn vật mở rộng và thành phố thông minh trở thành hiện thực, nhu cầu về các nguồn điện phân tán sẽ tăng lên. Với khả năng thu hoạch năng lượng và tích hợp vào nhiều loại vật liệu, hình dạng khác nhau, pin Sphelar có thể trở thành công nghệ nền tảng cho tương lai kết nối này. Khả năng cấp điện cho cảm biến và thiết bị bằng ánh sáng môi trường giúp loại bỏ chi phí hạ tầng và rào cản triển khai các ứng dụng thành phố thông minh.

Quá trình phát triển công nghệ Sphelar cũng cho thấy việc thách thức những giả định căn bản có thể dẫn đến các đổi mới đột phá. Trong hơn một thế kỷ, thiết kế tấm pin mặt trời phẳng hầu như không bị đặt câu hỏi. Bằng việc tự hỏi vì sao pin mặt trời phải phẳng, các kỹ sư Nhật Bản đã mở ra con đường cho những cách hoàn toàn mới để thu nhận ánh sáng và tạo ra năng lượng. Tinh thần chất vấn lối tư duy thông thường này có thể sẽ tiếp tục thúc đẩy đổi mới trong công nghệ năng lượng mặt trời và năng lượng tái tạo nói chung.

Khi Sphelar Power Corporation tiếp tục phát triển các sản phẩm và ứng dụng độc đáo cùng các đối tác trên toàn thế giới, ảnh hưởng của pin mặt trời hình cầu ngày càng lan rộng. Từ ứng dụng công nghiệp chuyên biệt đến sản phẩm tiêu dùng, từ vật liệu xây dựng đến công nghệ đeo được, những khối cầu nhỏ bé này cho thấy đôi khi cách tiến về phía trước tốt nhất là nghĩ theo hình tròn thay vì hình chữ nhật.

Tóm lại

• Pin mặt trời hình cầu Sphelar do Kyosemi Corporation tại Nhật Bản phát triển, có đường kính chỉ 1 đến 2 milimét và thu nhận ánh sáng từ mọi hướng.
• Công nghệ bắt nguồn từ câu hỏi của nhà sáng lập Shuji Nakata: vì sao tấm pin mặt trời phải phẳng trong khi mặt trời luôn di chuyển?
• Quy trình sản xuất sử dụng ống thả dài 710 mét tại Trung tâm Vi trọng lực Nhật Bản để tạo ra các khối cầu silicon hoàn hảo trong điều kiện vi trọng lực.
• Quá trình sản xuất tạo ra rất ít silicon phế thải và có chi phí khoảng bằng một nửa so với sản xuất tấm pin mặt trời phẳng thông thường.
• Pin hình cầu duy trì hiệu suất khi góc chiếu sáng thay đổi, thu nhận cả ánh sáng trực tiếp lẫn gián tiếp và hoạt động tốt hơn trong điều kiện nhiều mây.
• Các ứng dụng gồm vật liệu xây dựng trong suốt, thu hoạch năng lượng cho thiết bị IoT, vải dệt tạo điện mặt trời và sản phẩm chiếu sáng tiêu dùng.
• Sphelar Power Corporation tách ra từ Kyosemi năm 2012 để chuyên phát triển các ứng dụng pin mặt trời hình cầu.
• Công nghệ này cho phép tích hợp năng lượng mặt trời vào bề mặt cong, vật dụng đeo được và chi tiết kiến trúc, những nơi không thể sử dụng tấm pin phẳng truyền thống.