Các tòa nhà tiêu thụ khoảng 1/3 năng lượng của thế giới và là nguyên nhân gây ra 40% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Giảm phát thải carbon và sử dụng năng lượng sạch tái tạo trong các tòa nhà là vấn đề cấp thiết để đạt được các mục tiêu trung hòa carbon cho toàn xã hội.
Tích hợp các tấm pin mặt trời vào những tòa nhà là một trong những giải pháp hứa hẹn nhất nhằm giảm lượng khí thải carbon và phát triển một tương lai bền vững.
Theo các nhà khoa học năng lượng, mặt tiền của các tòa nhà (Façades) nên được sử dụng để tích hợp các tấm pin năng lượng mặt trời.
Trước đây, hầu hết các tấm pin mặt trời (quang điện) cho các tòa nhà đều được lắp đặt trên mái nhà, nhưng diện tích mái thường hạn chế. Mặt tiền của tòa nhà cung cấp nhiều diện tích bề mặt hơn và có thể được sử dụng cho ứng dụng này.
Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, quang điện tích hợp mặt tiền (FIPV) là một giải pháp tiên tiến mới nổi và rất cần thiết để hấp thu nhiều hơn năng lượng mặt trời . Ở Na Uy, nơi mặt trời thường thấp, mặt tiền của các tòa nhà có tiềm năng đặc biệt để lắp đặt các tấm pin mặt trời.
Những thách thức trong thẩm mỹ
Nhưng khía cạnh thẩm mỹ của các tấm pin mặt trời hiện đang là một thách thức. Màu đen hoặc xanh đậm của các tấm pin năng lượng mặt trời thông thường không lý tưởng để lắp đặt cho mặt tiền, các kiến trúc sư kiên quyết chống lại việc sử dụng những màu sắc nhàm chán cho thiết kế các công trình.
Ngoài ra, Na Uy có rất nhiều ngôi nhà đầy màu sắc, nhiều ngôi nhà đã hàng trăm năm tuổi. Màu sắc của các tòa nhà truyền thống hấp dẫn khách du lịch và thể hiện một “cảm giác về nơi ở” tuyệt đẹp của cư dân địa phương.
Thật khó để tưởng tượng rằng các kiến trúc sư hoặc chủ sở hữu những ngôi nhà sẽ chấp nhận các tấm pin mặt trời nếu ứng dụng đó có khiến tất cả các ngôi nhà phải có màu đen hoặc màu tối.
 |
Khái niệm về phương pháp pixelization có thể được sử dụng với các tấm pin mặt trời có màu sắc khác nhau trên mặt tiền tòa nhà. Ảnh: Tạp chí Năng lượng mặt trời (2021). |
Phương pháp điểm ảnh (pixel) hóa thiết kế
Để giải quyết vấn đề này, một nhóm nghiên cứu do TS Changying Xiang và GS Barbara Szybinska Matusiak dẫn đầu tại Trung tâm Ánh sáng và Màu sắc của Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) đề xuất một phương pháp mới, trang bị mặt tiền của tòa nhà bằng những tấm pin mặt trời đầy màu sắc để sản xuất năng lượng với hiệu quả cao.
Tương tự như các bức tranh khảm hoặc tác phẩm nghệ thuật "Tân ấn tượng", phương pháp pixel hóa có thể kết hợp các tấm pin mặt trời có màu khác nhau trên cùng một mặt tiền với sự chuyển đổi màu mượt mà theo thứ tự. Bằng cách này, cả hai tấm pin mặt trời màu sáng (thường có năng suất năng lượng thấp hơn) và tấm pin mặt trời màu tối (thường có năng suất năng lượng cao) có cùng màu sắc hoặc tương tự có thể được tích hợp, tạo ra năng suất năng lượng chấp nhận được cho tổng thể mặt tiền.
Nghiên cứu mô phỏng trên máy tính cho thấy, mặt tiền năng lượng mặt trời đầy màu sắc được pixel hóa có thể tạo ra 85% –93% năng lượng so với mặt tiền mặt trời hoàn toàn đen.
Quan trọng hơn, phương pháp pixel hóa có thể sử dụng bảng màu cục bộ, một tập hợp các màu điển hình trong bối cảnh địa phương.
 |
Chung cư cao tầng. Ảnh: Changying Xiang |
 |
Đề xuất cải tạo chung cư cao tầng với các tấm quang điện màu ở mặt tiền. Ảnh: Changying Xiang |
Hình ảnh dưới đây cho thấy các màu đặc trưng của thành phố Trondheim. Các kiến trúc sư có thể yêu cầu các công ty PV sản xuất màu sắc chính xác cho những tấm pin mặt trời để phù hợp với mặt tiền của tòa nhà hiện có. Bằng phương pháp này, việc sử dụng pixelization có thể tôn trọng các thiết kế truyền thống đồng thời góp phần tạo nên “cảm giác không gian” đầy màu sắc cho các khu đô thị có giá trị thẩm mỹ cao, cuốn hút du lịch.
Đáp ứng hiệu quả thẩm mỹ
Hiệu suất thẩm mỹ của những thiết kế pixelization được đề xuất đã được kiểm tra thông qua một cuộc khảo sát trực tuyến quốc tế với hơn 300 người tham gia đến từ Na Uy, Đan Mạch, Trung Quốc, Ba Lan, Hà Lan, Italy, Australia, Mỹ, Nhật Bản và Brazil.
Cuộc khảo sát ý kiến và nhận xét đánh giá cho thấy, những thiết kế với phương pháp pixel hóa được đại đa số ưa thích, sự hòa trộn các màu khác nhau cho cảm giác dễ chịu hơn so với các thiết kế tông màu thông thường không pixel. Hầu hết những người tham gia đều tin rằng, những thiết kế sử dụng màu sắc địa phương phù hợp với bối cảnh khu đô thị.
Có hiệu quả sản xuất điện năng cao
Các nhà khoa học cũng tiến hành một nghiên cứu điển hình khác ở Trondheim, phương pháp pixel hóa được sử dụng ở quy mô nhỏ với ba căn hộ chung cư cao tầng.
Một thiết kế cải tạo đầy màu sắc cho căn hộ cao tầng được chế tạo, pin mặt trời thiết kế bằng phương pháp pixel cho năng suất năng lượng mặt tiền của pin mặt trời đầy màu sắc bằng khoảng 80% so với mặt tiền mặt trời màu đen. Điện năng được sản xuất từ mặt tiền năng lượng mặt trời đầy màu sắc có thể đáp ứng khoảng 26% tổng mức tiêu thụ năng lượng của hộ gia đình những khu dân cư này.
Nghiên cứu này cung cấp các giải pháp mới và tài liệu tham khảo thiết kế để áp dụng quang điện màu sắc trong bối cảnh đô thị trên quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu tin rằng, quang điện tích hợp mặt tiền tòa nhà cung cấp một phương pháp tiếp cận hiệu quả, giải quyết những biến đổi khí hậu và đạt được một xã hội không có carbon.
Theo Tech Xplore
