Tấm pin quang điện không chỉ có vật liệu cấu thành nên chúng: Bản thân thiết kế cũng có thể thúc đẩy hoặc có khả năng làm giảm việc áp dụng rộng rãi công nghệ năng lượng mặt trời.
HelioSkin là một loại vải kiến trúc nhẹ, co giãn, có tính thẩm mỹ cao và có thể quấn quanh các hình dạng phức tạp. Tín dụng: Ryan Young/Đại học Cornell
Nói thẳng ra: Hầu hết các tấm pin mặt trời không có gì đáng chú ý. Và thành phần phẳng, không linh hoạt của chúng có nghĩa là chúng chỉ có thể được gắn vào các cấu trúc phẳng tương tự. Nhưng nếu thay vào đó, các tấm pin quang điện là một loại vải nhẹ, có bản lề, hấp dẫn về mặt thẩm mỹ và có thể quấn quanh các hình dạng phức tạp, thậm chí có thể biến dạng để hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt hơn thì sao?
Ý tưởng về HelioSkin, một dự án liên ngành do Jenny Sabin, Giáo sư Kiến trúc Arthur L. và Isabel B. Weisenberger tại Khoa Kiến trúc, Nghệ thuật và Quy hoạch của Đại học Cornell, đứng đầu, hợp tác với Itai Cohen, giáo sư vật lý tại Khoa Nghệ thuật và Khoa học, và Adrienne Roeder, giáo sư tại Khoa Sinh học Thực vật thuộc Khoa Khoa học Thực vật Tích hợp, thuộc Khoa Nông nghiệp và Khoa học Sự sống và Viện Weill về Sinh học Tế bào và Phân tử.
"Điều chúng tôi thực sự đam mê là hệ thống này không chỉ có thể sản xuất năng lượng theo cách thụ động mà còn tạo ra môi trường chuyển đổi trong bối cảnh đô thị hoặc nông thôn", Sabin cho biết. "Tính bền vững liên quan đến hiệu suất và chức năng, nhưng cũng liên quan đến vẻ đẹp và khiến mọi người hào hứng với nó, để họ muốn tham gia. Mục tiêu lớn là truyền cảm hứng cho việc áp dụng rộng rãi năng lượng mặt trời để tác động đến xã hội".
Sabin, chủ tịch đầu tiên của Khoa Công nghệ Thiết kế liên trường mới, đã xây dựng sự nghiệp bằng cách hợp tác với nhiều ngành khác nhau và lấy tín hiệu không chỉ từ kiến trúc mà còn từ kỹ thuật. Và vật lý. Và toán học. Và có lẽ quan trọng nhất là sinh học. Tất cả các dự án của cô đều được thống nhất bởi cùng một câu hỏi: Làm thế nào các tòa nhà và hệ thống vật liệu tích hợp của chúng có thể hoạt động giống như các sinh vật, phản ứng và thích nghi với môi trường địa phương của chúng?
"Thiên nhiên không hiệu quả", Sabin nói. "Nó có khả năng phục hồi, và sinh học tham gia vào trò chơi lâu dài, trong khoảng thời gian dài hơn nhiều. Ngoài ra, người ta đã chứng minh rằng thực vật theo dõi mặt trời thể hiện lợi thế quang hợp. Và chúng tôi nghĩ rằng đó là một cách khá mạnh mẽ để suy nghĩ về tính bền vững và khả năng phục hồi trong kiến trúc".
Sở thích thiết kế của Sabin giải quyết một nhu cầu rất thực tế. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, vấn đề hội tụ chính là 40% tổng lượng khí thải nhà kính ở Hoa Kỳ đến từ các tòa nhà.
Sabin cho biết: "Bằng cách phát triển sản phẩm da năng lượng mặt trời mới có thể mở rộng quy mô, chúng tôi muốn tạo ra bước đột phá bằng cách khuyến khích chủ nhà và doanh nghiệp áp dụng năng lượng mặt trời để giảm 28% lượng CO2 phát sinh từ quá trình sưởi ấm, chiếu sáng và làm mát các tòa nhà".
HelioSkin ra đời từ sự hợp tác giữa Sabin và Mariana Bertoni, một kỹ sư năng lượng tại Đại học bang Arizona, đồng thời là thành viên của nhóm HelioSkin.
Họ cùng nhau kết hợp thiết kế tính toán, chế tạo kỹ thuật số và in 3D để tạo ra các bộ lọc tùy chỉnh và cụm tấm pin quang điện—những gì Sabin gọi là "góc không chuẩn"—có thể đồng thời tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và vẻ đẹp kiến trúc. Chìa khóa cho nỗ lực đó là xem xét cơ chế của heliotropism—cách hoa hướng dương theo dõi ánh sáng mặt trời.
Đối với HelioSkin, nền tảng nghiên cứu đó đã mở rộng để bao gồm chuyên môn của Roeder về tính hướng nắng và hình thái tế bào - tức là cách tế bào thực vật phát triển để uốn cong cây về phía mặt trời - và chuyên môn của Cohen trong việc sử dụng các phương pháp hình học như origami và kirigami để cải thiện hiệu suất cơ học của siêu vật liệu, tăng tính linh hoạt của chúng trong khi tiêu tốn rất ít năng lượng.
Cây Arabidopsis ra hoa là mô hình lý tưởng cho HelioSkin vì, theo Roeder, là "ruồi giấm của thế giới thực vật", rất dễ nghiên cứu ở cấp độ tế bào. Những tế bào đó đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi độ cong của thân cây khi nó hướng về phía ánh sáng mặt trời, với các hormone của Arabidopsis khiến các tế bào ở phía không có ánh sáng mặt trời giãn nở thêm 25%, uốn cong thân cây 90 độ.
"Chúng tôi đã tìm ra cách chuyển đổi cơ chế theo dõi tế bào thực vật của chúng tôi thành phần mềm kiến trúc của Jenny", Roeder cho biết. "Bây giờ chúng tôi phải bắt đầu tìm ra cách thực hiện quá trình chuyển đổi đó trong HelioSkin".
'Quy trình thiết kế lấy con người làm trung tâm'
Mục tiêu cuối cùng là tạo ra lớp vỏ thu nhiệt mặt trời theo dõi cơ học cho mái nhà có thể thu vào, sân vận động và tòa nhà chọc trời, nhưng để đạt được mục tiêu đó, nhóm đang triển khai một dự án thí điểm kéo dài ba năm, trong đó họ tạo ra các mái che năng lượng mặt trời nhỏ cho sân sau, sau đó có thể mở rộng quy mô cho các công viên thành phố.
Việc đưa tầm nhìn đó ra thị trường không chỉ đòi hỏi sự đổi mới khoa học và thiết kế thông minh mà còn đòi hỏi sự hợp tác trong ngành, vốn và kế hoạch tiếp thị.
Dự án được triển khai thông qua chương trình Convergence Accelerator của National Science Foundation. Các đối tác trong ngành bao gồm E Ink và Rainier Industries, những công ty đang giúp tích hợp quang điện và ePaper vào vải kiến trúc nhẹ, co giãn. SunFlex, một công ty sử dụng công nghệ mô-đun tiếp xúc mặt sau hàn bằng laser để sản xuất quang điện, đang tham gia để giúp tinh chỉnh các nguyên mẫu HelioSkin trong giai đoạn 2—cảm biến, hệ thống dây điện, cách sắp xếp các tấm pin, cùng với hình học và chất nền.
Đến năm thứ hai của dự án thí điểm, nhóm dự định sẽ có một nguyên mẫu mái che sân sau quy mô đầy đủ có khả năng cung cấp ánh sáng và điện cho các thiết bị ngoài trời; đến năm thứ ba, họ đặt mục tiêu sẽ bước vào giai đoạn đầu của quá trình thương mại hóa.
Là một phần trong kế hoạch thương mại hóa, nhóm đã tiến hành phân tích tiếp thị và phỏng vấn sâu rộng cho thấy tổng chi phí, chi phí cho mỗi watt và công suất hệ thống của HelioSkin có khả năng cạnh tranh với các sản phẩm PV hiện có.
"Đây thực sự là một quá trình đáng khích lệ và thú vị để trải qua, để xem chúng tôi so sánh với các sản phẩm hiện có như thế nào và tiềm năng mà chúng tôi có để mở rộng quy mô", Sabin cho biết. "Quy trình thiết kế lấy con người làm trung tâm, bao gồm việc thu hút mọi người trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ người dùng cuối đến các bên liên quan tiềm năng đến những người làm việc cho lưới điện và tiểu bang hoặc khu vực—đó là một phần lớn trong quy trình của chúng tôi và thực sự hữu ích".
Phân tích cho thấy các ứng dụng ngách mà nhóm ban đầu không cân nhắc, chẳng hạn như các doanh nghiệp thương mại "big box" muốn theo đuổi năng lượng mặt trời để đạt được mức phát thải ròng bằng 0 nhưng cũng quan tâm đến quảng cáo hiển thị hoặc thay đổi mẫu nhiều màu sắc cho các ứng dụng thẩm mỹ. Để đạt được mục đích đó, nhóm đang làm việc với E Ink để tạo ra HelioSkin với các tính năng hiển thị phản hồi chạy bằng điện, do đó, lớp phủ năng lượng mặt trời có thể được đặt trên các cấu trúc bán lẻ và sân vận động và hoạt động như các biển quảng cáo luôn thay đổi.
"Đây là điều xuất phát từ các cuộc phỏng vấn", Sabin nói. "Chúng tôi chưa bao giờ nghĩ đến những loại đơn xin việc này".
Một trong những ưu điểm khi làm việc với E Ink là công ty sử dụng công nghệ in cuộn để sản xuất hàng loạt tấm quang điện - phương pháp tương tự giúp sản xuất tấm quang điện perovskite với chi phí thấp.
Cohen cho biết: "Ý tưởng cơ bản là cố gắng in mọi thứ ở dạng 2D, vốn rẻ hơn, sau đó biến đổi chúng thành dạng 3D, cho phép chúng uốn cong quanh các cấu trúc".
"Bạn không thể chỉ lấy một tờ giấy bình thường và gói một thứ gì đó. Nó sẽ có đủ loại nếp nhăn. Giống như khi bạn cố gói một quả cam, bạn sẽ thấy rất nhiều nếp nhăn.
"Một trong những sáng kiến mà chúng tôi đưa ra là cắt giấy thành một mẫu các tấm và bản lề cho phép nó kéo dài cục bộ xung quanh các vật thể tròn này. Một chiến lược thứ hai mà chúng tôi đưa ra là sử dụng vải để làm bản lề. Vải đủ mềm để tạo cho bạn hành vi giống như bản lề."
Trong quá trình thực hành kiến trúc thử nghiệm của mình, Sabin đã dành hơn 15 năm để phát triển các mái che đô thị lớn và các công trình kiến trúc, kinh nghiệm này đã giúp ích cho cô khi ra mắt sản phẩm.
"Có một sự tập trung mạnh mẽ vào thương mại hóa và phát triển các kế hoạch quản lý IP. Là một nhà thiết kế, tôi có một thực hành, và vì vậy tôi thấy điều này thực sự thú vị", Sabin nói. "Nhưng nó cũng hoàn toàn mới đối với hầu hết các cộng sự của tôi. Họ không nhất thiết phải nghĩ về mức độ ứng dụng này và tạo ra một sản phẩm. Vì vậy, đường cong học tập xung quanh đó khá dốc đối với tất cả chúng tôi."
Khả năng hợp tác giữa các ngành là điều ban đầu thu hút Sabin đến Cornell vào năm 2011. Cô cho biết đây là nơi "mọi người đều có cánh cửa mở". Sự phấn khích và cơ hội tạo ra tác động là rất rõ ràng.
"Nói tóm lại, chúng tôi đang ở thánh địa năng lượng mặt trời của New York", bà nói. "Vì vậy, có rất nhiều thứ đang diễn ra, cả về nghiên cứu sáng tạo, cũng như trong các hệ thống ứng dụng, trong nông nghiệp và nông điện, trang trại năng lượng mặt trời, v.v. Vì vậy, cộng đồng năng động của những người đang tích cực làm việc trên một tập hợp các mục tiêu, câu hỏi và vấn đề chung cũng rất thú vị đối với chúng tôi".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
