1
CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NIỀM HY VỌNG LỚN CỦA NHÂN LOẠI
2
I. Năng lượng mặt trời đang thu hút sự quan tâm của thế giới
Những năng lực biến đổi để nhận được điện mặt trời giá rẻ vẫn tiếp tục
hướng chú trọng của nghiên cứu phát triển (R&D) ngành chế tạo trên khắp
thế giới:
Viện Hàn m Knghệ Mỹ (NAE), trong Báo cáo đưa ra đầu năm 2008 ,
xác định năng lượng mặt trời một trong 10 thách thức hội lớn đặt ra cho
kỹ nghệ trong 5 thập niên đầu thế kỷ 21.
Tại Hội nghị của Hiệp hội Hóa chất M gần đây, Giáo Viện Công nghệ
California đã nhận xét năng lượng do ánh sáng mặt trời cung cấp cho trái đất chỉ
cần 1 giờ đã lớn hơn năng lượng tiêu thụ của cả thế giới trong vòng 1 năm. Nhưng
thách thức lớn nhất để tận dụng năng lượng này giảm giá thành của điện mặt
trời để nó có khả năng cạnh tranh được với các dạng năng lượng truyền thống.
Nhiều lĩnh vực trong hội thể tận dụng được lợi ích của năng lượng mặt trời
giá rẻ, như được nêu trong Báo cáo của Tổ chức RAND-một tổ chức nghiên cứu
phi lợi nhuận của Mỹ “Cuộc Cách mạng công nghệ toàn cầu- GTR2020”: "Các hệ
thống năng lượng mặt trời sẽ giá rẻ để được phổ cập rộng rãi các nước đang
phát triển kém phát triển cũng như người dân sinh sống vùng sâu, sẽ giá
rẻ để được phổ cập rộng rãi các nước đang phát triển kém phát triển cũng
như người dân sinh sống vùng sâu, vùng xa". Năng lượng y có thể dùng để
bơm nước tưới tiêu hoặc thể được dùng cho các ngành nghề thủ công, cho học
tập từ xa, để làm đèn chiếu sáng cho những nơi không có mạng lưới điện, làm
đông lạnh thực phẩm và thuốc men nhằm cải thiện dinh dưỡng và y tế.
Điện mặt trời cũng được Công ty vấn tài chính Mỹ, Nerrill Lynch, coi công
nghệ đi đầu trong snhững công nghệ sẽ làm nên cuộc Cách mạng công nghệ lần
thứ sáu, bên cạnh những công nghệ khác như phong điện, năng lượng sinh học.
Do giá dầu thế giới tăng cao, sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng trở nên hấp
dẫn. Tại Hội nghị lần thứ 29 về pin mặt trời, được tổ chức vào tháng 10/2008 tại
Valencia, y Ban Nha, thu hút được 4.000 nhà nghiên cứu hàng nghìn người
trưng y triển lãm. Sự tập hợp đông đảo như vậy chứng minh cho một thị trường
bùng nổ từ nhiều năm nay - thị trường tiêu thụ điện năng được sản xuất bằng pin
mặt trời.
Theo Báo cáo của Viện Chính sách Địa cầu Mỹ, các nhà đầu đang ngày
càng quan tâm tới việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ. Nguồn tài
nguyên năng lượng mặt trời tận: "Nó thể cung cấp hơn 10.000 lần số
lượng điện tiêu thụ đang được sản xuất ra trên toàn thế giới". Ước tính đến m
2012, công suất một ny điện năng lượng mặt trời thể đạt 6.400 kW, gấp
14 lần công suất hiện nay. Các nhà y điện qui lớn cũng không dừng lại
việc sử dụng các loại pin quang điện sẽ sử dụng các tấm gương khổng lồ để
thu năng lượng mặt trời.
Hiện nay, các thiết bị thu năng lượng mặt trời được lắp đặt gia tăng 40%/năm trên
thế giới.Những nhà phân tích tài chính cho rằng, thị trường sẽ vượt quá 5.000 MW
trong m 2008, 7.000 trong năm 2010 đạt đến 20.000 trong năm 2012. Thị
3
trường pin mặt trời chỉ tập trung 5 quốc gia: Đức, Mỹ, y Ban Nha, Nhật Bản
và Italia.
Theo các chuyên gia, giá điện mặt trời vào khoảng từ 0,13 - 0,17 USD/kW,
đủ sức cạnh tranh với nhiệt điện sử dụng khí đốt.
Mỹ và y Ban Nha 2 ớc có tham vọng nhất trong việc phát triển năng lượng
mặt trời. Với dự án sản xuất khoảng 5.600 MW điện năng, hệ thống nhà máy điện
mặt trời tương lai miền y nước Mỹ khả năng cung cấp năng ợng cho
khoảng 1,7 triệu hộ gia đình. Tổ hợp điện mặt trời lớn nhất của Mtrên sa mạc
Mojave, bang California, từ năm 1980 đến nay đã đang cung cấp điện cho gần
100.000 hộ gia đình trong vùng. Tây Ban Nha hiện đã triển khai khoảng hơn 60 dự
án y dựng nhà y điện mặt trời mới đây đã khánh thành sản xuất quang
nhiệt điện đầu tiên ở Sanlucar, gần Seville.
Tính đến năm 2007, Đức đã vượt qua Nhật Bản để thống trị ngành sản xuất
năng lượng quang điện trên thế giới. Chỉ tính riêng năm 2007, Đức đã sản xuất
1063 MW năng lượng mặt trời. Đức vẫn nhà lắp đặt hệ thống năng ợng quang
điện hàng đầu thế giới, với bằng chứng sản lượng năng lượng của Đức chiếm
gần một nửa sản lượng toàn cầu. Năng lượng quang điện hiện nay đã đạt ngưỡng
1% nhu cầu tiêu thụ điện của nước Đức được các nhà phân tích dbáo rằng
thể đạt mức 25% vào năm 2050. Theo Hans-Josef Fell, Nghị Quốc hội Đức, thì
"nguồn năng lượng từ pin mặt trời khả năng thay thế năng lượng nguyên tử của
Đức trong vài thập kỷ tới".
Trong khi đó, Nhật Bản tiếp tục quốc gia sản xuất tấm hấp thụ năng
lượng mặt trời nhiều hơn bất kquốc gia nào khác với tổng công suất năng lượng
sản xuất đạt được trong năm 2007 là 920 MW.
Ở Pháp, trung bình một mét vuông đất có thể thu nhận mỗi năm 1 MWh điện năng
lượng mặt trời. Nếu thu được 10% số năng lượng y thì sẽ đảm bảo được toàn bộ
lượng điện tiêu thụ của cả ớc". EDF (Tổng Công ty Điện lực Pháp) đã đạt được
những thành công lớn: Mỗi tháng, EDF nối 800 điểm sản xuất điện tpin mặt trời
vào lưới điện.
Trung Quốc là nước có tiềm năng lớn nhất thể tiêu thụ các sản phẩm tấm
pin năng lượng mặt trời, trong vài m qua cũng trở thành một trong những nước
đi đầu trong lĩnh vực này nhưng lượng tiêu thụ rất nhỏ, khoảng 100MW trong năm
2007. Hội nghị Thượng đỉnh thành lập Liên minh Địa Trung Hải đầu tháng
7/2008 khẳng định, sẽ cho y dựng một nhà y điện mặt trời lớn trên sa mạc
Sahara, nhằm cung cấp điện cho châu Âu châu Phi. Dự kiến, năm 2050, nhà
máy này sẽ đạt công suất 100.000 MW.
Tuy nhiên, triển vọng sử dụng năng lượng mặt trời vẫn còn trong
ước: giá thành của sản phẩm điện sản xuất từ pin mặt trời vẫn còn tương đối cao.
Hơn nữa, ngành sản xuất điện năng này còn phải quan tâm đến vấn đề môi trường.
4
II. Công nghệ và thị trường pin mặt trời
Các hệ thống ng ợng mặt trời gồm 2 loại chính: (1) Các hệ thống nhiệt
mặt trời (2) các hệ thống điện mặt trời (hay còn gọi hệ thống quang điện-
PV). các hệ thống nhiệt mặt trời, năng lượng mặt trời được thu giữ dưới dạng
nhiệt, sau đó, nhờ vật liệu truyền nhiệt, dùng để sưởi ấm, làm mát hoặc đun nước,
hoặc có thể được tập trung lại để nấu nồi hơi tuabin chạy máy phát điện.
Công nghệ PV: Hiện trạng và triển vọng
Các hệ thống PV dựa vào các vật liệu để biến ánh sáng mặt trời thành
dòng điện. Công nghệ PV gồm 3 loại chủ yếu như sau:
- Thế hệ 1 dựa vào silic các phương pháp chế tạo của ngành công nghiệp
bán dẫn;
- Thế hệ 2 dựa vào những vật liệu màng mỏng những phương pháp được
phát triển trong các ngành chế tạo màng và chất phủ.
- Thế hệ 3 một loạt các công nghệ các cách tiếp cận chế tạo mới, hứa
hẹn nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng, giảm chi phí chế tạo.
Nhiều chuyên gia tin rằng chiến lược tốt nhất để tận dụng tiềm năng to lớn
của ánh sáng mặt trời là thông qua các công nghệ thế hệ 2 và 3.
Công nghệ
Việc phân định công nghệ PV thành 3 thế hệ dựa vào: (1) những vật
liệu quy trình chế tạo được sử dụng (2) hiệu năng biến đổi cực đại về
thuyết chúng có thể nhận được. Ranh giới giữa thế hệ 2 và 3 đôi khi không rõ rệt.
Ba thế hệ công nghệ và những công nghệ nằm trong đó cạnh tranh nhau để
tăng hiệu năng, giảm giá thành vật liệu chi phí chế tạo. Năm 2006, những công
nghệ thế hệ 1 chiếm 90% doanh số. Nhìn chung, chúng hiệu ng cao nhất,
nhưng giá thành vật liệu chi phí chế tạo cao. Giá những mođun PV dựa vào vật
liệu công nghthế hệ 1 ước tính khoảng 3-4 USD/W. Khi kể cả những thiết bị cân
bằng hệ thống khác, chẳng hạn như bộ biến đổi điện một chiều thành xoay chiều,
các bộ acquy, thì giá thành tăng lên 6-8 USD/W. Nghĩa giá điện của các hệ
thống PV sản xuất ra vào khoảng 0,25-0,65 USD/kWh, lớn hơn một bậc so với
giá điện sản xuất từ than đốt hiện nay.
Những công nghệ thế hệ 2 thường gọi PV màng mỏng, chúng được
chế tạo từ các vật liệu màng mỏng doanh số năm 2006 chiếm từ 7%, năm
2007 tăng lên 11%, một phần do giá silic tăng. Mặc vật liệu màng mỏng
thường hiệu năng biến đổi thấp, nhưng giá thành vật liệu lại thấp hơn vì: (1)
giảm hoặc loại bỏ được lượng silic hoặc vật liệu cần thiết khác, (2) sử dụng
những phương pháp chế tạo chi phí thấp. Vì vậy, những công nghệ màng mỏng
được hưởng lợi từ giá thành cao của silic.
Các công nghệ phạm vi rất đa dạng của thế hệ 3 chủ yếu đang pha
nghiên cứu nhưng hứa hẹn sẽ đem lại hiệu năng cao hơn, đồng thời chi phí cũng
thấp hơn. Những công nghệ đó m cách biến đổi một tlệ lớn của phổ ánh sáng
mặt trời thành điện thông qua một loạt các vật liệu, công nghệ và phương pháp chế
tạo mới.
5
Mặc giá thành của các công nghệ thế hệ 1 cao, song cả chi plẫn
hiệu năng của chúng đều được cải thiện rất nhiều vài thập kqua. Hiệu suất của
những pin PV thương mại đã ng từ 6% lên hơn 15%. Giá thành của chúng cũng
giảm từ 20 USD/W hồi thập kỷ 70 xuống 2,7 USD/W năm 2004, trước khi giá
silic tăng buộc giá PV phải tăng theo. ở phòng thí nghiệm những ứng dụng trên
vũ trụ, những vật liệu và kỹ thuật tiên tiến đã đạt tới hiệu năng là 35-45%.
Công nghệ thế hệ 1
Trong số hơn 90% pin PV sản xuất ra năm 2006 dựa vào công nghệ thế hệ
1, 52,3% từ silic đa tinh thể, còn 38,3% từ silic đơn tinh thể. Những vật
liệu y được sản xuất ra nhờ những phương pháp chế tạo rất tốn kém được phát
triển bởi ngành công nghiệp bán dẫn. Nhiều hãng hiện đang m cách cải tiến
những phương pháp này hoặc tìm kiếm những phương pháp mới.
Schott Solar, nhà chế tạo pin tấm đa tinh thể, tiếp tục đổi mới bằng
cách tinh chế các sản phẩm của mình. Tháng 12/2007, công ty thông báo đã phát
triển được một cấu trúc bề mặt mới, khả năng biến đổi nhiều ánh sáng chiếu
vào thành điện năng. Bởi vậy, những pin đó giảm được lượng silic cần thiết cho
1W điện.
Những công ty khác đang chú trọng vào cải tiến việc cung cấp silic
thượng nguồn. SunPower, một công ty phần lớn được sở hữu bởi Cypress
Semiconductor, đang tìm cách áp dụng những đổi mới gần đây nhất vào nghiệp
chế tạo pin PV 25 MW đầu tiên của mình tại Philippin. ơng tự, Solaicx đã phát
triển một quy trình liên tục để cấy các tấm silic đơn tinh thể, với năng suất cao hơn
5,5 lần những nhà sản xuất theo từng lô. Solaicx đã bắt đầu sản xuất vào tháng
11/2007, với nghiệp tổng công suất 40 MW, sau tăng lên 160 MW vào cuối
năm 2008.
Các công ty khác đang theo đuổi cách tiếp cận tầng sôi để tạo silic. AE
Polysilicon Mỹ đang sử dụng lò phản ứng tầng sôi chu trình khép kín, thân thiện
với môi trường để sản xuất silic hạt, tại nghiệp sản lượng 1800 tấn/năm, khai
trương vào m 2009. Nếu thành công, công ty sẽ tăng sản lượng lên 12.000
tấn/năm vào năm 2010. Wacker Chemie của Đức cũng phát triển một nghiệp
sản xuất polysilic mới (sản lượng 650 tấn/năm), sử dụng quy trình tầng sôi liên
tục, khai trương năm 2008.
Ngoài ra, một số công ty lớn nhất đang tích cực đổi mới hoặc tăng ờng
sản xuất hạ chi phí thông qua học hỏi tiết kiệm nhờ quy mô. Q-tells của Đức
Phòng R&D 300 nhân viên đang tích cực theo đuổi các công nghệ thế hệ 1 lẫn
thế hệ 2, tương tự như hơn 160 tổ chức khác ở Đức. Tháng 3/2007, hãng biện pháp
thông báo đã y dựng nghiệp 300 MW/năm tại y Ban Nha. Hãng cũng lập
liên doanh với Tata của ấn Độ để sản xuất điện mặt trời tổng công suất 300
MW/năm vào năm 2010.
Cuối cùng, một số doanh nghiệp nhỏ Mỹ (chẳng hạn như Blue Square
ênrgy CaliSolar) đang chú trọng phát triển những phương pháp để biến silic
chất lượng thấp thành nguyên liệu dùng cho pin PV có khả năng cạnh tranh.