Không cần lưới điện – Nhật Bản phát triển nhà di động tự cung cấp điện sau thảm họa

1. Ý tưởng: Kết hợp tấm pin mặt trời với nhà di động sau thảm họa

Theo tác giả chính Sihwan Lee, điểm mới của nghiên cứu nằm ở việc ứng dụng hệ thống PV (quang điện) vào nhà tạm theo đúng đặc thù khí hậu và thiên tai tại Nhật Bản.

Trong bối cảnh nhiều khu vực bị mất điện nhiều ngày sau động đất, một căn nhà tạm có khả năng tạo và lưu trữ điện sẽ giúp người dân:

• Duy trì sưởi ấm và làm mát cơ bản

• Chiếu sáng, sạc thiết bị liên lạc

• Vận hành quạt, bơm nước hoặc các thiết bị thiết yếu

Từ đó nâng cao khả năng phục hồi sau thảm họa mà không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện bên ngoài.

Ý tưởng kết hợp pin mặt trời với nhà tạm giúp tạo và lưu trữ điện sau thảm họa, cho phép người dân duy trì sưởi ấm/làm mát, chiếu sáng, sạc thiết bị và vận hành các nhu cầu thiết yếu mà không phụ thuộc hoàn toàn vào lưới điện. (Ảnh minh họa)

2. Mô hình thử nghiệm: Nhà di động 1 phòng ngủ với 8 tấm pin mặt trời

Nhóm nghiên cứu đã phát triển mô hình dựa trên một nhà di động thương mại, gồm:

• 1 phòng ngủ

• Phòng khách tích hợp bếp

• Phòng tắm, vệ sinh và bồn rửa

• 1 máy điều hòa duy nhất phục vụ cả căn nhà

• Quạt thông gió tại các không gian sinh hoạt

Hệ thống năng lượng mặt trời được lắp đặt như sau:

Hệ thống được thử nghiệm thực tế vào ngày 19/1 tại Nagano – thời điểm mùa đông, nhiệt độ trung bình chỉ 3,8°C, giúp đánh giá chính xác hiệu quả vận hành trong điều kiện lạnh.

Mô hình được phát triển dựa trên một nhà di động thương mại, gồm đầy đủ phòng ngủ, phòng khách – bếp, phòng tắm – vệ sinh kèm bồn rửa, dùng chung một máy điều hòa và quạt thông gió cho toàn bộ không gian.

Kết quả thử nghiệm ban đầu

• Tổng điện tạo ra trong ngày: khoảng 4,2 kWh

• Điện tiêu thụ của điều hòa: khoảng 8,3 kWh

• Hiệu suất trung bình của tấm PV ~ 16%, thấp hơn mức công bố 19,3%

Năng lượng tạo ra chưa đủ để vận hành điều hòa liên tục trong điều kiện lạnh, nhưng hệ thống vẫn đáp ứng được nhu cầu cơ bản và duy trì tiện nghi tối thiểu.

>>> Xem thêm: 5 ngôi nhà thông minh kết hợp hoàn hảo giữa thiết kế và công nghệ hiện đại

3. Mô phỏng vận hành tại 6 thành phố Nhật Bản

Sau thử nghiệm thực tế, nhóm nghiên cứu tiếp tục mô phỏng vận hành ở nhiều vùng khí hậu: Sapporo, Tokyo, Niigata, Nagano và Takamatsu.

Mục tiêu mô phỏng bao gồm:

• Góc nghiêng tối ưu của tấm pin

• Diện tích lắp đặt

• Dung lượng lưu trữ pin

• Tỷ lệ tự cung cấp điện theo từng mùa

• Tổng chi phí vận hành

Kết luận quan trọng

1. 8 tấm PV thương mại có thể tạo hơn 3.000 kWh mỗi năm, bất kể vùng khí hậu.

2. Nhà di động có pin 3 kWh đạt tự cung cấp điện rất cao tại vùng ấm, nơi nhu cầu làm mát – sưởi ấm thấp.

3. Các vùng lạnh (Sapporo, Niigata, Nagano) gặp thách thức lớn do nhu cầu sưởi ấm lớn nhưng mặt trời yếu.

4. Để duy trì tự cung cấp năng lượng mùa đông, góc nghiêng của tấm PV nên từ 59–63° nhằm thu tối đa bức xạ mặt trời theo mùa.

5. Tăng số tấm PV và dung lượng pin có thể nâng tỷ lệ tự cung cấp lên hơn 80% đối với vùng khí hậu ấm áp, nhưng vùng lạnh chỉ cải thiện hạn chế.

Sau thử nghiệm thực tế, mô hình nhà di động dùng PV được tiếp tục mô phỏng tại nhiều vùng khí hậu khác nhau như Sapporo, Tokyo, Niigata, Nagano và Takamatsu. (Ảnh minh họa)

4. Ý nghĩa của nghiên cứu

Nhà di động chạy năng lượng mặt trời mở ra nhiều hướng ứng dụng:

• Cứu trợ sau thảm họa: cung cấp nơi ở tạm, không phụ thuộc vào hạ tầng điện bị tê liệt

• Nhà tạm cho vùng sâu vùng xa

• Nhà lưu trú tại các điểm khảo sát, công trường

• Hỗ trợ giảm tải năng lượng khu vực trong thời gian cao điểm

Quan trọng hơn, nghiên cứu đã chỉ ra rằng để vận hành hiệu quả, hệ thống cần điều chỉnh theo khí hậu địa phương, thay vì áp dụng một cấu hình cố định.

Nhà di động dùng năng lượng mặt trời có thể điều chỉnh theo khí hậu từng nơi thay vì dùng một cấu hình cố định. (Ảnh minh họa)

5. Tối ưu hóa theo từng vùng: Yếu tố quyết định

Để vận hành hoàn toàn độc lập lưới điện, nhà di động cần:

• Góc nghiêng tấm PV tối ưu theo mùa và vĩ độ

• Dung lượng pin phù hợp với nhu cầu sưởi/làm mát

• Số lượng tấm PV đủ lớn nếu ở vùng lạnh

• Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong nội thất: vật liệu cách nhiệt, cửa sổ, máy điều hòa hiệu suất cao

Những điều chỉnh kỹ thuật nhỏ này quyết định khả năng tự cung cấp điện và độ an toàn khi sử dụng lâu dài.

Các điều chỉnh kỹ thuật quyết định khả năng tự cung cấp điện và sự an toàn lâu dài. (Ảnh minh họa)

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Nhà di động chạy bằng năng lượng mặt trời có thể sử dụng quanh năm không?

Có. Tuy nhiên mức độ tự cung cấp điện sẽ thay đổi tùy khí hậu từng vùng. Ở khu vực ấm áp, nhu cầu sưởi thấp nên hệ thống dễ đạt mức tự chủ năng lượng trên 80%. Ở vùng lạnh, vào mùa đông nhà cần nhiều điện cho sưởi nên hiệu suất tự cung cấp thấp hơn.

2. Vì sao góc lắp đặt tấm pin mặt trời lại quan trọng?

Góc nghiêng quyết định lượng bức xạ mặt trời panel thu được trong năm. Ở vùng lạnh Nhật Bản, góc tối ưu từ 59–63 độ để tăng sản lượng mùa đông. Ngược lại, vùng nóng cần giảm góc để tối ưu cho mùa hè – thời điểm có cường độ bức xạ mạnh.

3. Tại sao phải có thêm pin lưu trữ cho nhà di động?

Pin lưu trữ (3 kWh hoặc lớn hơn) giúp dùng điện vào ban đêm và khi thời tiết xấu. Không có pin, nhà chỉ hoạt động được khi có nắng nên không thể tự chủ năng lượng.

4. Hệ thống nhà di động nhỏ như vậy có dùng điều hòa được không?

Có. Mô hình thử nghiệm cho thấy điều hòa là thiết bị tiêu thụ nhiều điện nhất nhưng vẫn có thể vận hành ổn định nếu hệ PV đủ công suất và có pin lưu trữ. Tuy nhiên những ngày lạnh sâu hệ thống có thể cần điện bổ sung từ ngoài.

5. Có thể lắp nhiều tấm pin hơn để đạt tự chủ điện hoàn toàn không?

Có thể tăng số tấm pin và dung lượng pin lưu trữ để nâng mức tự cung cấp. Tuy nhiên ở các vùng rất lạnh, mức cải thiện vẫn bị giới hạn vì nhu cầu sưởi ấm quá lớn trong khi thời điểm mùa đông lại ít nắng.

6. Nhà di động này có áp dụng được cho Việt Nam không?

Về nguyên tắc, có thể. Việt Nam có bức xạ mặt trời cao quanh năm nên hiệu suất PV thuận lợi hơn Nhật. Tuy nhiên thiết kế cần được điều chỉnh theo khí hậu nóng ẩm, yêu cầu cách nhiệt và nhu cầu làm mát nhiều hơn.

>>> Xem thêm: Thiết kế 10 ngôi nhà nhắc ta rằng hạnh phúc đến từ điều giản dị, không phải xa hoa

Nghiên cứu của Đại học Nagoya cho thấy nhà di động sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ là giải pháp mang tính tạm thời mà hoàn toàn có thể trở thành mô hình trú ngụ bền vững trong bối cảnh thiên tai ngày càng khó lường. Khả năng tự tạo – tự lưu trữ điện, vận hành linh hoạt theo từng vùng khí hậu và mở rộng công suất khi cần khiến mô hình này trở thành lựa chọn đáng chú ý cho những khu vực cần phục hồi nhanh sau thảm họa.

Dù vẫn còn thách thức, đặc biệt ở các vùng lạnh, nhưng bằng cách tối ưu góc lắp đặt tấm pin và dung lượng lưu trữ theo điều kiện địa phương, nhà di động chạy năng lượng mặt trời có thể tiến gần hơn mục tiêu tự cung cấp điện hoàn toàn. Đây cũng là hướng tiếp cận phù hợp với xu thế kiến trúc bền vững và nhu cầu an toàn năng lượng trong tương lai.

Bạn có thể tìm hiểu thêm nhiều kiến thức hữu ích về nhà ở, năng lượng và các giải pháp cải thiện không gian sống tại chuyên mục Xu hướng của Happynest.

Nguồn: Ashui

*Để lại thông tin trong box dưới đây, Happynest sẽ giúp bạn kết nối đơn vị thiết kế - thi công phù hợp và nhanh chóng nhất.