Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Hiệu suất chuyển hóa năng lượng - Thách thức của ngành cảm biến bán dẫn trong thế kỉ XXI (phần I)

Hiệu suất chuyển hóa năng lượng - Thách thức của ngành cảm biến bán dẫn trong thế kỉ XXI (phần I)

Tùy phong

Hiện nay việc sử dụng năng lượng toàn cầu đang vượt quá khả năng cung cấp từ các nguồn năng lượng sẵn có. Nhiều biện pháp được đưa ra nhằm tháo gỡ vẫn đề này, trong đó ngành công nghiệp bán dẫn được coi là một giải pháp hữu hiệu hỗ trợ việc sản xuất, phân phối và tiêu thụ năng lượng một cách có hiệu quả. Trong khuôn khổ 02 số xuất bản chúng tôi xin được trình bày những ảnh hưởng to lớn của ngành công nghệ cảm biến bán dẫn khi tiết kiệm năng lượng ở những ngành có liên quan. 

Thực trạng sử dụng nguồn nhiên liệu thô như dầu phục vụ cho vận tải và than đá cho điện lực vẫn còn kéo dài. Cụ thể, hiện nay hơn 90% năng lượng được dùng ở Mỹ vẫn được lấy từ những nguồn tài nguyên không thể tái tạo được mặc dù tâm điểm của toàn cầu hiện nay là tập trung phục hồi nguồn tài nguyên. Vì vậy, đầu tư cho việc nghiên cứu và phát triển tìm ra những giải pháp hữu hiệu cho việc sử dụng nguồn năng lượng thay thế cần trở thành xu hướng chủ đạo. Ứng dụng công nghệ sẽ giữ vai trò chính trong cả việc cải thiện có hiệu quả năng lượng hệ thống sinh thái lẫn việc đưa những ý tưởng sáng tạo từ nghiên cứu đến thực thi phổ biến.
Thách thức đối với nguồn năng lượng toàn cầu
Tiêu thụ năng lượng toàn cầu đang vượt quá khả năng cung cấp từ các nguồn năng lượng sẵn có (phần lớn là nguồn nhiên liệu thô). Bộ Năng lượng Mỹ cho biết tình hình sử dụng năng lượng toàn cầu sẽ tăng tới 40% tương đương với 7.000 tỷ BTUs vào năm 2030 [1]. Con số này cũng đồng thời phản ánh sự thịnh vượng của nhiều quốc gia phát triển điển hình là Trung Quốc khi họ bổ sung thêm 50 - 80 GW vào tổng lượng điện năng hàng năm.
Trong nhiều năm qua, Việt Nam cũng đã ý thức rất rõ tầm quan trọng của năng lượng. Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đã và đang trở thành mục tiêu, xu hướng trong tất cả mọi hoạt động kinh tế - xã hội. Hiện tại, phần lớn nguồn năng lượng của cả nước được sử dụng dựa trên các nguồn năng lượng hóa thạch có thể dẫn tới các thảm họa môi trường như ô nhiễm không khí, hiện tượng sương mù, mưa axít, lượng khí thải nhà kính, biến đổi khí hậu…. Theo đánh giá của các chuyên gia, nếu kéo dài tình trạng này thì đến 10 năm nữa Việt Nam vẫn sẽ là một nước khủng hoảng về năng lượng.
Mất cân bằng năng lượng chính là rào cản lớn nhất cho việc phát triển kinh tế, làm giảm sức hút đầu tư, triệt tiêu mọi khả năng cạnh tranh của nhiều loại sản phẩm, làm mất cơ hội tăng GDP của Việt Nam trong tương lai.
Gia tăng về nhu cầu năng lượng cũng tạo ra những thách thức đối với chính sách về kinh tế, môi trường và quốc tế thậm chí dẫn tới những xung đột vì các nguồn lực về năng lượng ở nhiều quốc gia trên thế giới.
Cung ứng năng lượng là vấn đề mang tính toàn cầu, đòi hỏi phải có giải pháp và chiến lược toàn diện. Để có thể mang lại kết quả cần phải có cả sự tiên phong của Chính phủ lẫn sự hợp tác giữa các ngành công nghiệp với nhau. Bên cạnh đó trường đại học và các viện nghiên cứu cũng giữ một vai trò chủ chốt. Những thách thức được đưa ra đều có tính tầm cỡ và cấp thiết, quan trọng là thu được kết quả nhằm tiết kiệm tối đa nguồn năng lượng.
Chiến lược cho ngành năng lượng là
- Cải thiện tình hình sản xuất điện năng bằng cách sử dụng ngày càng nhiều nguồn năng lượng mới
- Cải thiện cách phân phối năng lượng theo hướng sử dụng hệ thống điện lưới ưu việt
- Giảm thiểu tiêu thụ năng lượng theo hướng sử dụng ngày càng hiệu quả nhà máy, cao ốc, thiết bị, máy tính, xe hơi và các sản phẩm khác.
Ứng dụng công nghệ đóng vai trò chủ đạo ở những lĩnh vực này, cho phép chúng ta “làm nhiều hơn, sử dụng ít hơn”. Như vậy, loài người không bị thúc ép giảm các tiện ích cho cuộc sống vì lý do sử dụng năng lượng. Vài chục năm trở lại đây, công nghệ bán dẫn được coi là động lực đằng sau hầu hết những công nghệ tiên tiến, và ngay từ những năm 1978, IC đã giúp cải tiến 40% hiệu quả cho xe hơi, 121% cho máy bay chở khách, 339% cho chiếu sáng và gần 3,000,000 % cho hệ thống máy tính [2]. Hợp sức với các nhà cung cấp, công nghệ bán dẫn đã có tác động tích cực trước thách thức năng lượng toàn cầu.

Sản xuất: Khả năng từ việc khai thác năng lượng tái tạo
Vấn đề tái tạo các nguồn năng lượng như mặt trời, gió, sinh học đã và đang gây được nhiều sự quan tâm của giới khoa học, công nghiệp và chính phủ trên toàn cầu. Công nghệ bán dẫn sẽ đóng vai trò chủ chốt trong việc biến những nguồn năng lượng thay thế, tái tạo này cho những nguồn năng lượng truyền thống một cách khả thi hơn trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Mọi nguồn năng lượng cần được chuyển thành năng lượng điện. Ví dụ như sự chuyển hóa các lượng tử ánh sáng thành dòng điện. Dĩ nhiên, tỷ lệ chuyển hóa năng lượng càng cao chúng ta có thể sử dụng chúng nhiều hơn. Chip bán dẫn giúp quá trình chuyển đổi một cách thuận tiện, những nghiên cứu về công nghệ Chip giúp tăng hiệu suất chuyển đổi đó. Người ta đã chứng minh được rằng, bằng việc sử dụng công nghệ chip tiên tiến, tỷ lệ chuyển hóa của lượng mặt trời có thể đạt từ 20 đến 40%. Theo so sánh thì việc sử dụng một số công nghệ chế tạo hiện nay chỉ đem lại kết quả thấp hơn 5%.
Một thách thức lớn với hầu hết các nguồn năng lượng mới là mức giá cạnh tranh với nguồn nhiên liệu thô. Hiện tại, năng lượng mặt trời - được coi là nguồn năng lượng tối ưu, cũng có giá thành đắt hơn so với dùng than đá tới 3 lần. Sản xuất bán dẫn có vai trò to lớn trong giảm giá thành sản xuất - hiện thực hóa những bí quyết công nghệ giúp công nghiệp bán dẫn theo kịp dự đoán của định luật Moore trong nhiều thập kỉ qua. Ngành sản xuất năng lượng thay thế cũng chính là một trong những động lực cho các nghiên cứu vật liệu nano, thiết bị có kích thước nano và kĩ thuật sản xuất trong công nghiệp bán dẫn. Phần lớn thị trường năng lượng mặt trời hiện nay sử dụng các tấm pin mặt trời được làm trên cùng loại đế silicon như trong sản xuất bán dẫn. Và loại pin mặt trời có hiệu số chuyển đổi cao nhất hiện nay cũng đang sử dụng một quy trình công nghệ giản đơn của công nghệ bán dẫn.
Một số nguồn năng lượng thay thế phổ biến như năng lượng mặt trời và năng lượng gió là dạng năng lượng có mức độ thay đổi lớn, khó dự đoán bởi nó phụ thuộc nhiều vào vị trí và thời điểm. Các Chip bán dẫn thông minh và những kỹ thuật thiết kế hệ thống có thể mô phỏng, dự đoán trước được điều này một cách tốt hơn, giảm thiểu thăng giáng trong dự báo cho nhà sản xuất, làm lợi cho khách hàng.
Phân phối : Giảm thiểu thiệt hại
Theo thống kê sơ bộ, gần 2/3 năng lượng điện sản xuất bị tổn hao ở trong quá trình truyền tải và phân phối, một con số thống kê thật khó tin [3]. Tuy nhiên đó được xem là một cơ hội để chúng ta có thể cung cấp hai lần năng lượng hiện có mà không cần thêm bất kỳ nguồn bổ sung nào. Hệ thống lưới điện ở hầu hết các nơi trên thế giới thường đã hàng chục năm thậm chí có độ tuổi cả thế kỷ. Việc chuyển từ hệ thống cũ sang hệ thống lưới điện thông minh được ưu tiên ở hầu hết các quốc gia, và công nghệ bán dẫn là công nghệ then chốt để giải quyết vấn đề này.
Một thách thức lớn đặt ra là phải đảm bảo cung cấp được nguồn điện năng tin cậy và hiệu quả. Chỉ tính riêng ở thị trường Mỹ, chi phí đảm bảo tính tin cậy và ổn định cho nguồn năng lượng 200 tỷ USD mỗi năm.
Vấn đề chủ yếu là ở chỗ tầm nhìn đối với hệ thống lưới điện của các kỹ sư điện hạn hẹp nhất là khi xảy ra sự cố. Chúng ta cần làm tốt hai điểm chính để giải quyết vấn đề vừa nêu: thứ nhất, khả năng xác định lỗi một cách nhanh chóng và chính xác của các kỹ sư điện; thứ hai là những kỹ thuật điện toán và phân tích kịp thời để đưa ra những giải pháp phù hợp. Những khả năng này có thể được thực hiện nhờ hệ thống cảm biến sơ cấp và các chip vi xử lý cộng với việc tối ưu hóa hệ thống cũng như phần mềm đi kèm.
Thêm vào đó, việc tối ưu ở mức độ chip bán dẫn hay mức độ hệ thống là cần thiết để xác định được giải pháp về khả năng xử lý điện toán giữa các cảm biến và bộ phận điều khiển trung tâm. Theo ước tính, tới năm 2010, mới chỉ một nửa mạng lưới điện của Mỹ được số hóa, nghĩa là phần việc còn phải thực hiện trong công cuộc tiết kiệm điện còn rất to lớn. Mục tiêu tối thượng là “mạng lưới điện tự vận hành” có khả năng chẩn đoán và sửa lỗi, hiện thực hóa bằng hệ thống trên chip phức tạp với sự hợp lực của tính năng xử lý, bộ nhớ, giao tiếp và cảm biến. Thị trường tiềm năng tiết kiệm chi phí thông qua việc đóng/ngắt hệ thống lưới điện thông minh dự tính hơn 100 tỷ USD/năm, và phần năng lượng dự trữ có thể đạt tới 100GW.
Mức độ ảnh hưởng của lưới điện thông minh có sự trợ giúp của hệ thống cảm biến thậm chí còn lớn hơn nhiều khi (hệ thống cảm biến và chip bán dẫn) kết hợp những cải tiến ở cả ba công đoạn Sản xuất; Truyền tải và Tiêu thụ. Ví dụ, pin mặt trời hoạt động có hiệu quả trong những ngày nắng còn động cơ gió vận hành tốt trong những ngày có gió. Vì những nguồn năng lượng này ngày càng được tạo ra nhiều hơn trong tổng năng lượng mà chúng ta đang sử dụng, thế nên việc tích trữ năng lượng vào ban đêm, ngày râm mát, ngày không gió sẽ trở nên quan trọng hơn.
Xe hơi sử dụng động cơ lai và động cơ điện cũng được coi là một giải pháp cho vấn đề này. Bình điện của xe hơi hoặc thậm chí là những bình nhiên liệu hydro có thể được nạp đầy nhờ các nguồn năng lượng thay thế khi chúng ta đỗ xe trong bãi, và sau đó những chiếc xe hơi có thể cấp năng lượng vào mạng lưới khi các nguồn năng lượng thay thế không thực hiện được (ngày không nắng, cũng không gió…). Mạng lưới thông minh cho phép người dùng, doanh nghiệp, nhà máy hoặc hộ gia đình điều chỉnh mức tiêu thụ năng lượng một cách hài hòa giữa nhu cầu sử dụng và khả năng cung cấp. Mạng lưới thông minh cho phép thông tin hai chiều, tức thời giữa nhà sản xuất năng lượng và người dùng, và có thể sử dụng những lời nhắc về giá cả ở những thang tiêu thụ khác nhau làm thay đổi thái độ và thói quen sử dụng.
SMT Việt Nam
(Phần II: Đóng góp của các ngành công nghiệp trong vấn đề tiết kiệm năng lượng thông qua việc sử dụng cảm biến bán dẫn và IC thông minh. Nỗ lực của Việt Nam)
Tài liệu tham khảo
1. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2008, September 2008.
2. Tech CEO Council, "A Smarter Shade of Green," Feb. 6, 2008.
3. President's Council of Advisors on Science and Technology, Energy Imperative, November 2006, Fig. I-1.

Số 105 (6/2009)♦Tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 

logost new




 


 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết