Các thành viên thuộc Trung tâm Khoa học Tiên tiến ARC Exciton tại Đại học Monash cùng với các cộng tác viên Đại học Lisbon đã thực hiện công trình nghiên cứu mô hình hóa khả năng hoạt động ổn định và tác động của các phần tử quang điện (PV) tích hợp với cửa sổ, cùng những công nghệ năng lượng mặt trời khác trên quy mô thành phố. Báo cáo của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Năng lượng Mặt trời.

Những kết quả thu được cho thấy, ứng dụng toàn diện công nghệ quang điện PV trên mái nhà hiện có trong toàn thành phố có thể thay đổi hoàn toàn lượng khí thải carbon của Melbourne, giảm đáng kể sự phụ thuộc vào điện lưới từ nhiên liệu hóa thạch.

 

Thành phố có thể thu được hiệu quả cao hơn nữa nếu triển khai rộng rãi “cửa sổ năng lượng mặt trời” và công nghệ quang điện mới, hiệu suất cao, tích hợp trên các bề mặt của các tòa nhà, đón ánh sáng mặt trời.

Các nhà khoa học hy vọng rằng, sử dụng mô hình điện năng này, các nhà hoạch định chính sách, nhà cung cấp năng lượng, công ty xây dựng và chủ sở hữu những tòa nhà có thể khai thác tối đa tiềm năng PV của những công trình mới và các tòa nhà đang khai thác sử dụng.

Nhóm nghiên cứu đã so sánh mức tiêu thụ điện năm 2018 của Melbourne với sản lượng điện có thể đạt được thông qua nguồn năng lượng mặt trời, được tích hợp đầy đủ và rộng rãi trong tòa nhà. Dữ liệu tiêu thụ năng lượng điện của Melbourne được lấy từ các công ty phân phối Jemena, CitiPower & Powercor và từ cơ quan nghiên cứu độc lập của bang Victoria, Trung tâm Công nghệ Năng lượng Mới (C4NET).

Theo nhóm nghiên cứu, trên mô hình quy mô cấp thành phố, quang điện PV có thể cung cấp 74% nhu cầu tiêu dùng cho các tòa nhà của Melbourne. Năng lượng pin điện mặt trời lắp đặt trên mái nhà chiếm 88% nguồn cung này, năng lượng mặt trời tích hợp trên tường và trên cửa sổ mang lại lần lượt 8% và 4%.

Công nghệ năng lượng mặt trời tích hợp trên tường và cửa sổ giảm hiệu quả ít hơn trong những tháng mùa đông so với năng lượng mặt trời trên mái nhà, có công suất và hiệu quả gần như nhất quán quanh năm.

Tỷ lệ đóng góp tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời, tích hợp trên cửa sổ tăng lên 18% ở quy mô khu phố, phụ thuộc vào chiều cao tòa nhà và tỷ lệ cửa sổ trên tường.

Trên cơ sở mô hình thành phố, các nhà khoa học tính toán được mức độ bức xạ mặt trời hàng năm trên các bức tường tòa nhà của Melbourne, xác định những khu vực phù hợp lắp đặt PV, những hạn chế kỹ thuật và chi phí đầu tư cũng như cảnh quan của tòa nhà.

Mô hình chi tiết cho phép mô phỏng bức xạ mặt trời tới và tiềm năng PV của các khu vực đô thị, tính đến cả những yếu tố như tác động của bóng đổ từ hệ thống che nắng và ban công, những đặc tính hoạt động của các công nghệ năng lượng mặt trời khác nhau.

Trong số các phương pháp khác nhau, nhóm nhiên cứu sử dụng phương pháp phân tích tương quan và hồi quy tuyến tính nhằm xác định sự phụ thuộc lẫn nhau của các chỉ số hình thái đô thị và tiềm năng PV hàng năm. Tổng diện tích được nghiên cứu là 37,4 km 2 khu vực trung tâm Melbourne, trong đó 35,1 km2 được xây dựng trên diện tích sàn năm 2019, chủ yếu là những tòa nhà dân cư và thương mại.

Kết quả cũng chứng minh được, tiềm năng quang điện của khu vực nghiên cứu chủ yếu được đảm bảo nhờ khả năng bổ sung bằng năng lượng mặt trời trên mái nhà. Các khu nhà có đều có tiềm năng phát triển nguồn năng lượng mặt trời trên mái và tường cao trên toàn thành phố. Trong những khu vực có mật độ dân cư cao, tiềm năng thu năng lượng mặt trời từ các cửa sổ tích hợp PV cao nhất là khu trung tâm thương mại.

GS Jacek Jasieniak, chủ nhiệm công trình cho biết, Bằng cách sử dụng công nghệ quang điện có sẵn trên thị trường hiện nay, kết hợp những tiến bộ dự kiến ​​trong lĩnh vực công nghệ năng lượng mặt trời, tích hợp trên tường và cửa sổ trong mười năm tới, khu trung tâm thành phố có thể tiến tới phát thải bằng 0 ròng trong những thập kỷ tới.

Thành phố Melbourne sử dụng nguồn nhiệt điện than từ Thung lũng LaTrobe vào những năm 1920 để cung cấp năng lượng cho các tòa nhà ở khu trung tâm, đến thời điểm này, các tòa nhà trong khu trung tâm ở Melbourne sẽ sản xuất điện tại chỗ, sử dụng các công nghệ sạch, thân thiện và an toàn với môi trường nhằm đạt được mục tiêu Net Zero 2050 của Úc.

 

Các thiết bị quang điện PV trên khuôn viên Clayton thuộc Đại học Monash. Ảnh: Trung tâm Khoa học ARC Exciton

Theo TS Jenny Zhou và TS Maria Panagiotidou, thành viên nhóm nghiên cứu, dù có rất nhiều chính sách hỗ trợ các tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng cho các tòa nhà mới, nhưng các công trình xây dựng vẫn có nhu cầu ngày càng tăng về điện năng, đối phó với những thách thức của biến đổi khí hậu. Nghiên cứu này cung cấp một căn cứ khoa học, giúp các nhà hoạch định chính sách và ra quyết định hướng tới việc triển khai những công nghệ quang điện, giảm sự phụ thuộc của thành phố vào nhiên liệu hóa thạch.

Trong tương lai gần, việc triển khai các cửa sổ năng lượng mặt trời trong các công trình xây dựng nhà cao tầng đóng góp đáng kể vào giảm thiểu lượng khí thải carbon. Khi thế giới hướng tới một tương lai không phát thải, những giải pháp năng lượng tái tạo địa phương có vai trò quan trọng trong việc tăng cường ứng dụng PV trong môi trường đô thị.