Nghiên cứu mô phỏng cho thấy tấm pin mặt trời trên mái nhà tác động đến nhiệt độ vào ban ngày và ban đêm ở các thành phố
Ben Knight, Đại học New South Wales
Nguồn: Pixabay/CC0 Public Domain
Mô hình mới cho biết, việc lắp đặt rộng rãi các tấm pin mặt trời quang điện thông thường trên mái nhà có thể làm tăng nhiệt độ vào những ngày nóng và làm giảm nhiệt độ vào ban đêm.
Nghiên cứu do Tiến sĩ Ansar Khan từ Đại học Calcutta dẫn đầu và Giáo sư Mattheos (Mat) Santamouris của UNSW Sydney Scientia đồng sáng tác đã sử dụng mô phỏng quy mô trung bình (hệ thống thời tiết) do không có dữ liệu quan sát có sẵn cho tấm pin mặt trời quang điện trên mái nhà (RPVSP) để mô hình hóa tác động của chúng đối với điều kiện khí hậu địa phương ở quy mô thành phố.
Họ phát hiện ra rằng trong một kịch bản có phạm vi phủ sóng RPVSP hoàn chỉnh trong một thành phố, nhiệt độ đô thị có thể tăng vào ban ngày lên tới 1,5°C trong thời gian cao điểm của mùa hè và giảm vào ban đêm xuống tới 0,6°C.
Những phát hiện được công bố trên tạp chí Nature Cities không cho thấy rằng PV không phải là giải pháp năng lượng tái tạo quan trọng trong quá trình chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu cho biết nó làm nổi bật cơ hội phát triển các giải pháp tích hợp cho RPVSP, chẳng hạn như vật liệu phản quang cho mái nhà và các tổ hợp cây xanh, để cân bằng nhiều lợi ích của chúng với những nhược điểm tiềm ẩn của chúng trong môi trường đô thị.
"Tấm pin mặt trời quang điện là công nghệ năng lượng tái tạo quan trọng, nhưng chúng có thể thay đổi điều kiện cục bộ của các thành phố khi được lắp đặt trên mái nhà ở quy mô lớn", Giáo sư Santamouris, Chủ tịch Anita Lawrence về Kiến trúc hiệu suất cao tại UNSW Arts, Design & Architecture cho biết. "Hiểu được những thay đổi này là rất quan trọng đối với những người ra quyết định khi cân nhắc sử dụng RPVSP trên toàn thành phố và các chiến lược cần thiết để triển khai chúng một cách hiệu quả".
Hiệu ứng sưởi ấm ban ngày và làm mát ban đêm
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã phân tích tác động của RPVSP theo các kịch bản phủ sóng khác nhau tại Kolkata, Ấn Độ. Họ cũng tiến hành các nghiên cứu về độ nhạy RPVSP theo thành phố cụ thể cho bốn thành phố khác—Sydney, Austin, Athens và Brussels—để so sánh các phát hiện của họ với các phát hiện từ Kolkata.
"Chúng tôi phát hiện ra có mối liên hệ tuyến tính giữa nhiệt độ tăng và tỷ lệ mái nhà được phủ PV", Giáo sư Santamouris cho biết. "Theo kịch bản tối đa là phủ 100% trong thời gian cao điểm của mùa hè, dữ liệu của chúng tôi cho thấy RPVSP dẫn đến nhiệt độ tăng đáng kể trong ngày".
Giáo sư Santamouris cho biết hiệu ứng nhiệt của PV ở mức phủ 100% mái nhà sẽ hạn chế phần lớn lợi ích của năng lượng tái tạo. Các ước tính cho thấy rằng tại Sydney, gần 40% điện mà PV tạo ra được sử dụng để bù đắp cho tác động quá nhiệt trong tải làm mát bổ sung—chủ yếu là điều hòa không khí.
Giáo sư Santamouris cho biết "Khi RPVSP được lắp đặt trên mái nhà, chúng hấp thụ một lượng lớn năng lượng mặt trời, chuyển đổi một phần thành điện và tạo ra nhiệt trong quá trình này". "Điều này chủ yếu là do suất phản xạ (phản xạ) thấp hơn của các tấm pin, nhưng cũng do luồng không khí ở phía trên và phía dưới các tấm PV, khuếch đại hiệu ứng làm nóng.
"Điều này có nghĩa là, trong thời kỳ cao điểm của mùa hè, bề mặt có thể nóng tới 70°C, khiến không thể có tác dụng làm mát đối với nhiệt độ đô thị".
Ngược lại, việc truyền nhiệt qua bức xạ vào ban đêm khiến nhiệt độ bề mặt của các tấm PV thấp hơn nhiệt độ đô thị vào ban đêm, do đó làm giảm nhiệt độ không khí xung quanh. Đây là một lợi ích quan trọng vì tác động của sự nóng lên do khí hậu dự kiến sẽ được cảm nhận rõ rệt nhất vào ban đêm, có thể tăng trung bình khoảng 4°C trong thế kỷ tới, Giáo sư Santamouris cho biết.
Nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng RPVSP có thể có thêm các tác động phức tạp khác đối với các điều kiện cục bộ khác. Đặc biệt, chúng có thể làm giảm nồng độ chất ô nhiễm bằng cách tăng lớp ranh giới hành tinh - phần thấp nhất của khí quyển chịu ảnh hưởng của các điều kiện bề mặt Trái đất - dẫn đến tốc độ gió cao hơn và pha loãng chất ô nhiễm.
"RPVSP cũng tăng cường sự thâm nhập của gió biển ven bờ vào sâu hơn trong đất liền ở các thành phố ven biển, đồng thời giảm nồng độ chất ô nhiễm ở mặt đất", Giáo sư Santamouris cho biết. "Điều này phần nào bù đắp cho tác động tăng nhiệt độ vào ban ngày và rất quan trọng đối với các thành phố như Kolkata, nơi vấn đề chất ô nhiễm rất cấp bách".
Lời hứa về các giải pháp tích hợp
Giáo sư Santamouris cho biết có thể tạo ra RPVSP giúp giảm thiểu tác động của nhiệt độ ban ngày trong khi vẫn duy trì được lợi ích của chúng bằng cách sử dụng các chiến lược làm mát tiên tiến. Ngoài ra, những cải tiến trong khoa học vật liệu tiên tiến kết hợp với RPVSP có tiềm năng đáng kể trong việc tạo ra các hệ thống PV mát hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và giảm tác động của nhiệt.
Đặc biệt, Giáo sư Santamouris ủng hộ việc sử dụng các hệ thống PV lai tích hợp các tấm pin với hệ thống thu nhiệt dựa trên nước để hấp thụ nhiệt dư thừa để sản xuất nước nóng.
"Hiện tại, có thể làm mát bề mặt của quang điện bằng cách tuần hoàn nước",
Giáo sư Santamouris cho biết. "Các thiết kế chạy nước phía sau tấm pin hấp thụ nhiệt dư thừa và cải thiện hiệu suất PV bằng cách hạ thấp nhiệt độ hoạt động, trong khi năng lượng mặt trời dư thừa có thể được dẫn hướng để cung cấp nước nóng tiết kiệm chi phí".
Các vật liệu mái mát có độ phản xạ cao phản xạ nhiệt thay vì hấp thụ nhiệt cũng có thể được sử dụng để tăng sản lượng năng lượng của RPVSP gần đó đồng thời giảm thiểu tình trạng nóng lên cục bộ của đô thị vào ban ngày. Việc bổ sung các bộ tản nhiệt khác như cây xanh trên mái nhà cũng có thể cải thiện hiệu suất PV.
"Kết hợp PV với mái nhà xanh hoặc mái nhà mát có thể tăng công suất của PV lên tới 6–7% và giảm đáng kể nhiệt độ bề mặt", Giáo sư Santamouris cho biết.
"Nếu chúng ta muốn tiếp tục triển khai PV trên mái nhà, các giải pháp tích hợp này là điều chúng ta phải nghiêm túc cân nhắc để tối đa hóa hiệu suất RPVSP và cũng giải quyết những thách thức về nhiệt độ đô thị".
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
