Xe năng lượng mặt trời của học sinh: tấm pin, động cơ mini và cuộc đua

Xe năng lượng mặt trời là xe chạy bằng điện do tấm pin mặt trời gắn trên xe tạo ra từ ánh nắng. Với học sinh, đây thường là một mô hình nhỏ cỡ hộp bút: một tấm pin, một động cơ điện mini, vài bánh xe. Ở cấp đại học, sinh viên nhiều nước đóng cả những chiếc xe thật chở được người, chạy hàng nghìn ki-lô-mét qua sa mạc. Dù to hay nhỏ, bài toán giống nhau: ánh nắng cho rất ít năng lượng, nên mọi thứ trên xe phải nhẹ, trơn và tiết kiệm đến từng chút.

Tấm pin biến ánh nắng thành điện thế nào

Phần lớn tấm pin mặt trời làm từ silic — nguyên tố có nhiều trong cát. Silic được làm thật tinh khiết rồi "pha" thêm một lượng rất nhỏ nguyên tố khác để tạo hai lớp khác nhau áp vào nhau. Khi ánh sáng chiếu vào, năng lượng của ánh sáng đánh bật các electron ra khỏi chỗ của chúng. Hai lớp silic được sắp xếp sao cho electron chỉ chạy được theo một chiều. Nối dây từ mặt trước ra mặt sau, các electron chạy qua dây — đó là dòng điện.

Hiện tượng ánh sáng tạo ra điện này gọi là hiệu ứng quang điện. Nó không cần bộ phận nào chuyển động, không đốt gì, không ồn. Nhưng nó có một giới hạn: tấm pin chỉ biến được một phần ánh sáng thành điện. Các tấm pin silic phổ biến hiện nay trên mái nhà có hiệu suất khoảng 20%, nghĩa là cứ 100 phần năng lượng ánh nắng chiếu vào thì khoảng 20 phần thành điện, phần còn lại phần lớn thành nhiệt hoặc bị phản xạ.

Ánh nắng cho bao nhiêu năng lượng

Vào buổi trưa nắng gắt, trời trong, ánh nắng chiếu vuông góc lên mặt đất mang khoảng 1.000 oát trên mỗi mét vuông. Đây là con số chuẩn mà các nhà sản xuất dùng khi thử tấm pin. Với hiệu suất 20%, một mét vuông tấm pin cho khoảng 200 oát — vừa đủ thắp vài bóng đèn hoặc chạy một chiếc quạt cây.

So với xe thật thì đó là rất ít. Một chiếc ô tô con chạy trên đường cao tốc cần công suất gấp nhiều chục lần. Ngay cả khi phủ kín nóc và nắp ca-pô bằng tấm pin, ánh nắng cũng không đủ để chạy một chiếc ô tô gia đình nặng hơn một tấn với tốc độ thường. Đó là lý do xe năng lượng mặt trời dự thi trông rất lạ: dẹt như tấm ván, rộng, nhẹ, và người lái nằm gần như ngửa ra.

Con số 1.000 oát cũng thay đổi theo thời tiết và giờ trong ngày. Trời nhiều mây, buổi sáng sớm hay chiều muộn, hoặc tấm pin đặt nghiêng không hướng về mặt trời, năng lượng thu được giảm đi đáng kể. Bóng của một cành cây hay một ngón tay che lên một phần tấm pin cũng có thể làm công suất cả tấm tụt mạnh, vì các ô pin thường được nối nối tiếp nhau như một chuỗi đèn.

Cuộc đua xuyên sa mạc của sinh viên

Cuộc đua xe năng lượng mặt trời nổi tiếng nhất là World Solar Challenge ở Úc, tổ chức lần đầu năm 1987. Các đội chạy từ thành phố Darwin ở phía bắc xuống Adelaide ở phía nam, khoảng 3.000 ki-lô-mét xuyên qua vùng sa mạc giữa nước Úc. Phần lớn đội là sinh viên các trường đại học từ nhiều nước.

Luật đua buộc xe chủ yếu dùng năng lượng mặt trời, chỉ được mang một bộ pin tích điện có dung lượng giới hạn. Các đội chạy ban ngày, chiều tối dừng ở nơi cắm trại dọc đường, và tranh thủ nắng sáng sớm, nắng chiều để sạc. Cuộc đua đòi hỏi tính toán liên tục: chạy nhanh hơn thì tốn điện nhiều hơn rất nhiều vì sức cản không khí tăng theo bình phương tốc độ, mà nếu hết điện giữa đường khi trời có mây thì xe chỉ bò được.

Những chiếc xe này là phòng thí nghiệm chạy trên đường. Nhiều ý tưởng về động cơ gắn ngay trong bánh xe, lốp ít ma sát và thân xe khí động học đã được thử ở đây trước khi xuất hiện ở nơi khác.

Thiết kế một chiếc xe mặt trời mini

Bộ dụng cụ xe năng lượng mặt trời mini cho học sinh thường gồm một tấm pin nhỏ (cỡ 5 cm × 10 cm), một động cơ điện một chiều nhỏ, bánh răng hoặc puli và dây đai, trục và bánh xe. Nhiều bộ được bán ở các cửa hàng đồ dùng học tập khoa học. Tấm pin cỡ này cho điện áp thấp, chỉ vài vôn, nên an toàn để học sinh cầm nắm.

Bốn điều quyết định chiếc xe mini chạy tốt hay không:

1. Nhẹ. Năng lượng ít, mỗi gam thừa đều làm xe chậm. Thân xe bằng xốp hoặc bìa mỏng thay vì gỗ dày.
2. Bánh quay trơn. Kiểm tra bằng cách búng bánh: quay càng lâu càng tốt.
3. Tỉ số truyền phù hợp. Động cơ nhỏ quay rất nhanh nhưng yếu. Bánh răng nhỏ trên trục động cơ ăn khớp với bánh răng to trên trục bánh xe sẽ làm bánh xe quay chậm hơn nhưng mạnh hơn. Bánh răng quá to thì xe chậm như rùa, quá nhỏ thì động cơ không đủ sức kéo xe khởi động.
4. Tấm pin hướng về mặt trời. Góc nghiêng của tấm pin quan trọng hơn nhiều người nghĩ, nhất là vào buổi sáng và buổi chiều.

Thử làm: đo xem ánh nắng mạnh yếu ra sao

Nếu có xe mini hoặc chỉ cần một tấm pin nhỏ nối với một động cơ gắn cánh quạt giấy, em có thể làm loạt thử sau vào một ngày nắng, trên sân trường hoặc sân thượng có người lớn đi cùng.

1. Đường đua 2 mét: kẻ vạch xuất phát và đích cách nhau 2 m trên nền phẳng. Bấm giờ xe chạy hết quãng.
2. Đổi giờ: chạy lúc 8 giờ sáng, 11 giờ trưa và 3 giờ chiều. Ghi thời gian.
3. Đổi góc: kê tấm pin nghiêng các góc khác nhau bằng que kem và đất nặn, xem góc nào xe chạy nhanh nhất ở từng thời điểm.
4. Che bóng: dùng một tấm bìa che một phần tư tấm pin, rồi một nửa. Ghi lại xem xe chậm đi bao nhiêu.
5. Trời mây: nếu có ngày trời âm u, chạy lại để so.

Lưu ý: không nhìn thẳng vào mặt trời khi chỉnh tấm pin, đội mũ, uống đủ nước và tránh làm việc lâu dưới nắng gắt buổi trưa. Không dùng kính lúp hội tụ ánh nắng lên tấm pin hay lên giấy.

Đọc kết quả

Ở Việt Nam, đặc biệt là các tỉnh phía Nam và miền Trung, mặt trời buổi trưa lên rất cao, gần đỉnh đầu, nên tấm pin đặt gần nằm ngang đã nhận nắng khá tốt. Buổi sáng và chiều, mặt trời thấp, tấm pin cần nghiêng về phía mặt trời nhiều hơn. Kết quả che bóng thường gây ngạc nhiên nhất: che một phần nhỏ mà xe có khi gần như dừng hẳn.

So sánh các nguồn năng lượng cho xe mô hình

Nguồn	Ưu điểm	Hạn chế
Dây chun	Rẻ, dễ làm, không cần điện	Chạy ngắn, phải lên dây lại
Bóng bay	Bứt tốc mạnh, dễ thấy định luật III Newton	Hết hơi nhanh, khó điều khiển hướng
Pin tiểu và động cơ	Chạy đều, lâu	Pin phải thay hoặc sạc, pin cũ phải bỏ đúng chỗ
Tấm pin mặt trời	Không cần nhiên liệu, không phải thay pin	Chỉ chạy khi có nắng, yếu, phụ thuộc thời tiết và góc chiếu

Vì sao kỹ sư thích làm xe mặt trời dù nó không thực tế

Chẳng ai mong chạy ô tô gia đình chỉ bằng tấm pin trên nóc. Nhưng chính vì năng lượng quá ít, xe mặt trời buộc người thiết kế phải giỏi mọi thứ cùng lúc: khí động học, vật liệu nhẹ, động cơ hiệu suất cao, quản lý pin, dự báo thời tiết. Một chi tiết thừa là thua. Học sinh làm xe mini cũng học đúng tinh thần đó: không có "bộ phận không quan trọng".

Câu hỏi thường gặp

Xe năng lượng mặt trời chạy thế nào?

Tấm pin mặt trời trên xe biến ánh nắng thành điện nhờ hiệu ứng quang điện. Dòng điện đó làm quay động cơ điện, động cơ quay bánh xe qua bánh răng hoặc dây đai. Xe thi thường có thêm một bộ pin tích điện nhỏ để dùng khi trời có mây.

Vì sao ô tô bình thường không chạy bằng năng lượng mặt trời?

Ánh nắng buổi trưa chỉ mang khoảng 1.000 oát trên mỗi mét vuông, và tấm pin phổ biến chỉ biến khoảng 20% trong số đó thành điện. Diện tích nóc một chiếc ô tô không đủ để tạo ra công suất cần cho một chiếc xe nặng hơn một tấn chạy ở tốc độ thường.

World Solar Challenge là gì?

Đó là cuộc đua xe năng lượng mặt trời tổ chức ở Úc từ năm 1987, các đội chạy khoảng 3.000 km từ Darwin xuống Adelaide qua vùng sa mạc. Phần lớn đội tham gia là sinh viên đại học, tự thiết kế và đóng xe.

Học sinh có thể tự làm xe năng lượng mặt trời không?

Có, với bộ dụng cụ mini gồm tấm pin nhỏ, động cơ điện và bánh xe. Điện áp của tấm pin nhỏ chỉ vài vôn nên an toàn. Điều quan trọng là làm xe thật nhẹ, bánh quay trơn và chỉnh tấm pin hướng về phía mặt trời.

Che bóng một phần tấm pin thì xe có chạy không?

Xe có thể chậm đi rất nhiều, thậm chí gần như dừng, dù chỉ che một phần nhỏ. Lý do là các ô pin thường nối nối tiếp nhau, một ô bị che làm giảm dòng điện của cả chuỗi. Đây là điều đáng thử tận mắt trong giờ khoa học.