Chùm sáng là gì? Bản chất, phân loại & ứng dụng thực tế

Chùm sáng là tập hợp của vô số tia sáng phát ra từ một nguồn sáng và lan truyền trong môi trường trong suốt đồng tính, mang theo quang năng chuyển động với vận tốc xấp xỉ 300,000 km/s.

Đội ngũ chuyên gia kỹ thuật DAT Group biên soạn bài phân tích này nhằm cung cấp định nghĩa quang học chuẩn xác, phân loại chi tiết ba dạng chùm sáng và giải thích cơ chế bẫy chùm sáng hạt photon để tối ưu hóa hiệu suất phát điện cho hệ thống điện mặt trời hộ gia đình.

Chùm sáng là gì?

Chùm sáng là tập hợp gồm rất nhiều tia sáng hợp thành, phát ra từ các nguồn sáng truyền trong không gian. Khi vẽ hoặc biểu diễn chùm sáng trên giấy, người ta thường chỉ cần vẽ hai tia sáng ở ngoài cùng của chùm sáng đó.

3 dạng chùm sáng cơ bản và đặc điểm đường truyền

1. Chùm sáng song song

Chùm sáng song song là chùm sáng gồm các tia sáng thành phần song song với nhau và không bao giờ giao cắt trên đường truyền. Độ rộng mặt cắt ngang của chùm sáng song song được bảo toàn gần như nguyên vẹn khi truyền qua môi trường trong suốt không có lực cản quang sai.

Trên thực tế, Mặt Trời là một khối cầu nhiệt hạch khổng lồ phát chùm sáng phân kỳ đa hướng vào vũ trụ. Tuy nhiên, do khoảng cách trung bình từ Mặt Trời đến Trái Đất lên tới 149.6 triệu km (khoảng 1 đơn vị thiên văn AU), góc mở giữa các tia sáng chiếu tới bề mặt Trái Đất cực kỳ nhỏ (chưa tới 0.53 độ).

Do đó, trong kỹ thuật thiết kế điện mặt trời áp mái, các kỹ sư luôn xem chùm sáng mặt trời chiếu trực tiếp xuống mái nhà là một chùm sáng song song chuẩn mực.

2. Chùm sáng hội tụ

Chùm sáng hội tụ là chùm sáng gồm các tia sáng tiến lại gần nhau và cắt nhau tại một điểm duy nhất trên đường truyền, gọi là tiêu điểm quang học. Sau khi đi qua tiêu điểm giao nhau, chùm sáng hội tụ sẽ tự động chuyển hóa thành chùm sáng phân kỳ loe rộng ra.

Hiện tượng hội tụ xuất hiện khi chùm sáng song song đi qua thấu kính hội tụ, gương cầu lõm hoặc gương phản xạ parabol.

Trong lĩnh vực năng lượng mặt trời chuyên sâu, công nghệ quang điện tập trung (CPV - Concentrator Photovoltaics) sử dụng các thấu kính Fresnel để gom chùm sáng song song trên diện tích lớn thành chùm sáng hội tụ chiếu thẳng vào tế bào quang điện nhỏ.

3. Chùm sáng phân kỳ

Chùm sáng phân kỳ là chùm sáng gồm các tia sáng loe rộng ra và tách xa nhau dần trên đường truyền từ nguồn phát. Càng đi xa khỏi nguồn, tiết diện của chùm sáng càng mở rộng trong khi mật độ năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích bị suy giảm theo định luật nghịch đảo bình phương khoảng cách.

Nguồn sáng phân kỳ xuất hiện phổ biến từ các nguồn sáng nhân tạo như ngọn nến, bóng đèn dây tóc, đèn pha ô tô hoặc đèn flash điện thoại thoại.

Khi ánh sáng mặt trời đi xuyên qua tầng mây dày, các giọt nước li ti và hạt sol khí sẽ tán xạ chùm sáng trực tiếp thành chùm sáng phân kỳ đa hướng, tạo nên thành phần bức xạ khuếch tán chiếu đều lên bề mặt các tấm pin năng lượng mặt trời.

So sánh đặc tính quang học và ứng dụng của ba loại chùm sáng

Cơ chế tế bào quang điện hấp thụ chùm sáng mặt trời sinh dòng điện

Tương tác giữa hạt photon và electron vùng hóa trị của Silicon

Tế bào quang điện Silic được tạo thành từ mối nối bán dẫn P-N. Khi chùm sáng mặt trời chiếu vào bề mặt cell pin, hàng tỷ hạt photon mang năng lượng xuyên qua lớp kính bảo vệ đi vào cấu trúc tinh thể Silic.

Vật liệu Silic có năng lượng vùng cấm (Bandgap) là Eg = 1.12eV. Những photon trong chùm sáng có mức năng lượng lớn hơn hoặc bằng 1.12eV (tương ứng bước sóng dưới 1,107nm thuộc dải ánh sáng nhìn thấy và cận hồng ngoại) sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho các electron ở dải hóa trị.

Electron hấp thụ đủ năng lượng sẽ bứt khỏi liên kết nguyên tử, nhảy lên dải dẫn tự do và để lại một lỗ trống mang điện tích dương.

Tổn thất phản xạ bề mặt và nguyên lý bẫy chùm sáng

Khi một chùm sáng chiếu từ không khí vào bề mặt kính và tinh thể Silic, hiện tượng phản xạ quang học tự nhiên tại mặt phân cách sẽ xuất hiện theo định luật Fresnel.

Silic thô chưa qua xử lý có hệ số phản xạ quang học lên tới 35%, nghĩa là hơn một phần ba chùm sáng chiếu tới sẽ bị dội ngược lại môi trường mà không sinh ra điện năng.

Để khắc phục hiện tượng này, các nhà sản xuất áp dụng nguyên lý bẫy chùm sáng thông qua cấu trúc vi mô kim tự tháp (Texturing) trên bề mặt tấm wafer Silic.

3 ứng dụng thực tế từ chùm sáng trong đời sống

1. Ứng dụng của chùm sáng song song

Chùm sáng song song gồm các tia sáng không giao nhau. Loại chùm sáng này giúp ánh sáng truyền đi xa mà không bị phân tán quá nhiều, giữ được cường độ chiếu sáng tốt.

• Đèn pha ô tô, xe máy: Giúp tập trung ánh sáng về phía trước để người lái xe quan sát rõ đường đi ở khoảng cách xa khi di chuyển ban đêm

• Đèn pin: Khi điều chỉnh chóa đèn về chế độ chiếu xa, đèn sẽ tạo ra chùm sáng song song để soi rõ các vật thể ở xa.

• Công nghệ Laser: Ứng dụng trong các bút trình chiếu, máy cắt công nghiệp, và thiết bị đo đạc khoảng cách nhờ chùm laser song song có độ định hướng cực kỳ cao.

• Thiết bị y tế: Đèn chiếu phẫu thuật trong bệnh viện sử dụng chùm sáng song song để tập trung ánh sáng vào vùng phẫu thuật mà không tạo ra bóng mờ che khuất tầm nhìn của bác sĩ.

2. Ứng dụng của chùm sáng hội tụ

Chùm sáng hội tụ gồm các tia sáng giao nhau tại một điểm. Ứng dụng lớn nhất của nó là tập trung năng lượng hoặc ánh sáng vào một mục tiêu cụ thể.

• Kính lúp và kính hiển vi: Sử dụng các thấu kính hội tụ để gom chùm sáng lại, giúp phóng to hình ảnh của các vật thể nhỏ hoặc vi sinh vật.

• Kính thiên văn: Hội tụ ánh sáng từ các ngôi sao, thiên thạch ở rất xa ngoài vũ trụ về thấu kính để mắt người hoặc máy ảnh có thể ghi lại được.

• Bếp mặt trời / Kính đốt: Sử dụng các gương cầu lõm hoặc thấu kính lớn để hội tụ ánh sáng mặt trời vào một điểm, tạo ra nhiệt lượng cao để đun nấu hoặc nhóm lửa.

• Thiết bị quang học camera: Hội tụ ánh sáng đi qua ống kính lên cảm biến ảnh để tạo ra bức ảnh sắc nét.

3. Ứng dụng của chùm sáng phân kì

Chùm sáng phân kì gồm các tia sáng loe rộng ra. Loại chùm sáng này có ưu điểm lớn là mở rộng vùng không gian được chiếu sáng.

• Đèn chiếu sáng khu vực (Đèn đường, đèn bàn): Giúp ánh sáng tỏa rộng ra xung quanh, bao phủ toàn bộ căn phòng hoặc một đoạn đường lớn.

• Đèn pin ở chế độ gần: Khi cần quan sát không gian rộng ngay trước mắt, chóa đèn pin sẽ tạo ra chùm sáng phân kì.

• Đèn hải đăng: Phát ra chùm sáng phân kì mạnh để các tàu thuyền từ nhiều hướng khác nhau trên biển đều có thể dễ dàng nhìn thấy tín hiệu cảnh báo.

Câu hỏi thường gặp về chùm sáng trong hệ thống điện mặt trời

Tại sao nguồn sáng Mặt Trời phân kỳ nhưng chiếu tới Trái Đất lại là chùm sáng song song?

Mặt Trời là một nguồn sáng điểm khổng lồ phát các tia sáng phân kỳ theo mọi hướng trong không gian vũ trụ. Tuy nhiên, khoảng cách từ Mặt Trời tới Trái Đất xấp xỉ 150 triệu km, một cự ly vô cùng lớn so với kích thước vài mét vuông của mái nhà lắp pin mặt trời.

Trên khoảng cách bao la đó, góc mở giữa các tia sáng tới mặt đất nhỏ tới mức xấp xỉ bằng 0 độ, khiến các tia sáng trở nên hoàn toàn song song với nhau trong mọi phép đo đạc kỹ thuật quang học thực tế.

Tấm pin mặt trời có tạo ra điện từ chùm sáng của bóng đèn nhân tạo trong nhà không?

Tấm pin mặt trời có thể tạo ra dòng điện từ chùm sáng của bóng đèn nhân tạo như đèn sợi đốt hoặc đèn huỳnh quang vì chúng cũng phát ra các hạt photon trong dải phổ ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, mật độ năng lượng của đèn thắp sáng trong nhà cực kỳ nhỏ (chỉ khoảng 5 đến 10 W/m2 so với mức 1,000 W/m2 của chùm sáng mặt trời tự nhiên).

Vào những ngày nhiều mây chùm sáng khuếch tán có đủ giúp hệ thống phát điện không?

Vào những ngày nhiều mây, các hạt nước trong tầng khí quyển hấp thụ và tán xạ chùm sáng trực tiếp thành chùm sáng phân kỳ khuếch tán chiếu đều từ vòm trời. Mặc dù cường độ quang năng giảm mạnh, tế bào quang điện vẫn hấp thụ tốt dải ánh sáng khả kiến tán xạ này để sản xuất điện.

Hiện tượng phản xạ chùm sáng (Albedo) có ích lợi gì không?

Có. Khi chùm sáng Mặt Trời chiếu xuống mặt đất, mái tôn hoặc mặt nước, một phần chùm sáng sẽ bị phản xạ ngược lại. Hiện nay, công nghệ tấm pin hai mặt (Bifacial) có thể tận dụng chính chùm sáng phản xạ từ mặt nền này để hấp thụ ở mặt sau, giúp tăng thêm từ 5% – 25% tổng sản lượng điện cho hệ thống.