TRIỂN VỌNG CỦA
CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
I. Thế giới đang quan tâm ngày càng nhiều tới năng lượng Mặt trời (NLMT)
Mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được. Đó là
một nguồn năng lượng sạch, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận và có ở khắp nơi với
mức độ mạnh yếu khác nhau. Việc thu giữ tận dụng NLMT gần như không gây ảnh
hưởng tiêu cực gì đến môi trường, không thải ra chất độc hại và khí nhà kính, do đó vừa
đáp ứng được nhu cầu năng lượng của con người, vừa là một công nghệ sạch, không góp
phần làm cho Trái đất ấm lên.
Hai phương pháp phổ biến dùng để thu nhận và tích trữ năng lượng Mặt trời là
phương pháp thụ động và phương pháp chủ động. Phương pháp thụ động sử dụng các
nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng. Phương
pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu bức xạ nhiệt và sử dụng các hệ thống
quạt và máy bơm để phân phối nhiệt. Phương pháp thụ động có lịch sử phát triển từ lâu,
trong khi phương pháp chủ động chỉ mới được phát triển chủ yếu trong thế kỷ 20.
Hai ứng dụng chính của NLMT là:
Nhiệt Mặt trời: chuyển bức xạ Mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống
sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay tuabin máy phát điện.
Điện Mặt trời (ĐMT): chuyển bức xạ Mặt trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp
thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện (Photovoltaics-PV).
Hai dạng hệ thống dân dụng sử dụng NLMT phổ biến nhất hiện nay là hệ thống
sưởi nhờ nhiệt Mặt trời và hệ thống quang điện. Tuy công suất lắp đặt ĐMT vẫn tương
đối thấp so với một số dạng năng lượng mới khác như thủy điện và gió, nhưng nhu cầu
ĐMT tăng rất nhanh trong vòng 15 năm qua, với tốc độ trung bình là 25% mỗi năm.
Riêng năm 2004, tổng công suất lắp đặt ĐMT toàn cầu đạt 927 MW, tăng gần gấp đôi so
với năm 2003 (574MW) và gấp hơn 40 lần so với 20 năm trước. Các quốc gia phát triển
trên thế giới đang thúc đẩy mạnh mẽ các kế hoạch phát triển ĐMT thông qua cải thiện kỹ
thuật cũng như hỗ trợ vốn. Khả năng biến đổi để sản xuất được điện Mặt trời giá rẻ vẫn
tiếp tục là hướng chú trọng của nghiên cứu và phát triển (R&D) và ngành chế tạo trên
khắp thế giới.
Một số nhận định và sự kiện đáng chú ý về tầm quan trọng gia tăng của NLMT:
• Viện Hàn lâm Kỹ nghệ Mỹ (NAE), trong Báo cáo đưa ra đầu năm 2008, xác
định NLMT là một trong 10 thách thức và cơ hội lớn đặt ra cho kỹ nghệ trong
5 thập niên đầu thế kỷ 21.
• Tại Hội nghị của Hiệp hội Hóa chất Mỹ gần đây, Giáo sư 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 là giảm giá thành của
ĐMT để nó có khả năng cạnh tranh được với các dạng năng lượng truyền
thống.
• Nhiều lĩnh vực trong xã hội có thể tận dụng được lợi ích của NLMT giá rẻ, như
được nêu trong Báo cáo của RAND-một tổ chức nghiên cứu phi lợi nhuận của
Mỹ “Cuộc Cách mạng công nghệ toàn cầu- GTR2020”: "Các hệ thống NLMT
sẽ có giá rẻ để được phổ cập rộng rãi ở các nước đang phát triển và kém phát
triển cũng như người dân sinh sống ở vùng sâu, vùng xa". Năng lượng này có
thể dùng để bơm nước tưới tiêu hoặc có thể được dùng cho các ngành nghề thủ
công, học tập từ xa, 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.
• ĐMT cũng được Công ty Tư vấn tài chính Mỹ, Nerrill Lynch, coi là công nghệ
đi đầu trong số những 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, việc sử dụng NLMT ngày càng trở nên hấp dẫn.
Hội nghị lần thứ 29 về pin Mặt trời (PMT), tổ chức vào tháng 10/2008 ở
Valencia, Tây Ban Nha, đã thu hút được 4.000 nhà nghiên cứu và hàng nghìn
người đến trưng bày triển lãm công nghệ/trang thiết bị. Sự tập hợp đông đảo
như vậy là một chứng minh hùng hồn về một thị trường bùng nổ từ nhiều năm
nay - thị trường tiêu thụ điện năng được sản xuất bằng PMT.
• Theo Báo cáo của Viện Chính sách Địa cầu Mỹ, các nhà đầu tư đang ngày
càng quan tâm tới việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ.
Nguồn tài nguyên NLMT là vô tận: "Nó có thể cung cấp hơn 10.000 lần số
lượng điện tiêu thụ đang được sản xuất ra trên toàn thế giới", bản Báo cáo nhận
xét. Ước tính đến năm 2012, công suất một nhà máy ĐMT có thể đạt 6.400
kW, gấp 14 lần công suất hiện nay. Các nhà máy điện qui mô lớn cũng không
dừng lại ở việc sử dụng các loại PMT mà sẽ sử dụng các tấm gương khổng lồ
để thu NLMT.
• Cuốn sách nổi tiếng The Sun, the Genome, and the Internet (1999) (Mặt trời,
Hệ gen và Internet) của nhà tương lai học người Mỹ, Freeman J. Dyson, đưa ra
tầm nhìn, trong đó 3 bộ phận sẽ đóng vai trò hết sức quan trọng trong tương
lai: Mặt trời dùng để cung cấp năng lượng cho những nơi cần thiết, hệ gen giúp
cung cấp những thực vật để biến ánh sáng thành năng lượng rẻ và hiệu quả,
Internet giúp phá bỏ sự ngăn cách về trí tuệ và kinh tế của các cộng đồng nông
dân. Khi cả 3 bộ phận đó đều được phát triển đầy đủ, thì các vùng nông thôn,
kể cả ở châu Phi nghèo đói, sẽ được hưởng mọi thành quả của nền văn minh.
• Theo ước tính của một số nhà khoa học, công nghệ năng lượng Mặt trời sẽ đạt
được hiệu quả kinh tế để có thể cạnh tranh với các loại năng lượng khác về giá
thành vào năm 2012 hoặc 2013. Điều lạc quan này khiến cho Ira Ehrenpreis,
Tổng Giám đốc Technology Parners, một công ty sản xuất tế bào photovoltaic
hàng đầu, nhận định: “Năng lượng Mặt trời là một lĩnh vực đầy hứa hẹn hiện
tại và sẽ là một yếu tố quan trọng để đẩy mạnh nền kinh tế quốc gia trong
tương lai”.
• 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 này sẽ vượt
quá 5.000 MW trong năm 2008, 7.000 trong năm 2010 và đạt đến 20.000 trong
năm 2012. Thị trường PMT tập trung phần lớn ở 5 quốc gia: Đức, Mỹ, Tây
Ban Nha, Nhật Bản và Italia.
• Mỹ và Tây Ban Nha là 2 nước có tham vọng nhất trong việc phát triển NLMT.
Với dự án sản xuất khoảng 5.600 MW điện, hệ thống nhà máy ĐMT tương lai
ở miền Tây nước Mỹ có khả năng cung cấp năng lượng cho khoảng 1,7 triệu
hộ gia đình. Tổ hợp ĐMT lớn nhất của Mỹ trên sa mạc Mojave, bang
California, từ năm 1980 đến nay đã và 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 xây
dựng nhà máy ĐMT và mới đây đã khánh thành sản xuất quang nhiệt điện đầu
tiên ở Sanlucar, gần Seville.
• Sự phát triển năng lượng Mặt trời cũng kéo theo mức phát triển của kỹ nghệ
sản xuất hoá chất dự phần vào việc thiết lập tế bào quang điện. Đức là quốc gia
hàng đầu trong việc đầu tư vào công nghệ này cũng như cải tiến kỹ thuật sản
xuất ra những lớp silic đa tinh thể có hiệu năng hấp thụ ánh sáng Mặt trời cao
hơn công nghệ lớp màng mỏng (Thin Film) hiện tại 14%.
• 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
1.063 MW ĐMT. Đức vẫn là nhà lắp đặt hệ thống năng lượng quang điện hàng
đầu thế giới, với bằng chứng là 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 Đức và được các nhà phân tích dự báo rằng có thể sẽ
đạt mức 25% vào năm 2050. Theo Hans-Josef Fell, Nghị sĩ Quốc hội Đức, thì
"nguồn năng lượng từ PMT có khả năng sẽ thay thế năng lượng nguyên tử của
Đức trong vài thập kỷ tới".
• Trong khi đó, Nhật Bản tiếp tục là quốc gia sản xuất tấm hấp thụ năng lượng
Mặt trời nhiều hơn bất kỳ quốc 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 ĐMT.
Nếu thu được 10% số năng lượng ấy thì sẽ đảm bảo được toàn bộ lượng điện
tiêu thụ của cả nước". EDF (Tổng Công ty Điện lực Pháp) đã đạt được những
thành công lớn: Mỗi tháng, EDF nối 800 điểm sản xuất điện từ PMT vào lưới
điện.
• Trung Quốc là nước có tiềm năng lớn nhất có thể tiêu thụ các sản phẩm tấm
PMT, trong vài năm 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 xây dựng một nhà máy điện mặt trời lớn trên sa mạc
Sahara, nhằm cung cấp điện cho châu Âu và châu Phi. Dự kiến, năm 2050, nhà
máy này sẽ đạt công suất 100.000 MW.
II. Công nghệ và thị trường pin Mặt trời
Các PMT sử dụng hệ thống quang điện (PV) là các vật liệu để biến ánh sáng mặt
trời thành dòng điện. Các tấm PMT chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, như
thường được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay. Chúng được làm từ
các vật liệu bán dẫn tương tự như trong các con chip máy tính. Một khi ánh sáng Mặt trời
được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng Mặt trời sẽ đánh bật các hạt điện tö
(electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích
điện này di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện. Quá trình chuyển đổi photon thành
điện này gọi là hiệu ứng quang điện. Cho dù được phát hiện từ hơn 200 năm trước, kỹ
thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ cuộc khủng hoảng
dầu mỏ năm 1973.
Các PMT thông thường được lắp thành một mođun khoảng 40 phiến pin, và 10
mođun được lắp gộp lại thành chuỗi dài vài mét. Các chuỗi PMT dạng phẳng này được
lắp ở một góc cố định hướng về phía Nam, hoặc được lắp trên một hệ thống hiệu chỉnh
hướng nắng để luôn bắt được nắng theo sự thay đổi quĩ đạo của Mặt trời. Qui mô hệ
thống quang điện có thể từ mức 10-20 chuỗi quang điện cho các ứng dụng dân sự, cho
đến hệ thống lớn bao gồm hàng trăm chuỗi quang điện kết nối với nhau để cung cấp cho
các cơ sở sản xuất điện hay trong các ứng dụng công nghiệp...
Một số dạng PMT được thiết kế để vận hành trong điều kiện ánh sáng Mặt trời hội
tụ nhờ các lăng kính. Phương pháp này có mặt ưu điểm và nhược điểm so với mạng PMT
dạng phẳng (Flat-plate PV). Mặt ưu điểm là nó sử dụng rất ít các vật liệu bán dẫn đắt tiền
trong khi đó lại hấp thu tối đa ánh sáng Mặt trời. Mặt nhược điểm là các lăng kính hội tụ
phải được hướng thẳng đến Mặt trời, do đó việc sử dụng các hệ hấp thu tập trung chỉ khai
triển ở những khu vực có nắng nhiều nhất, đa số đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị hiệu
chỉnh hướng nắng kỹ thuật cao, phức tạp.
Hiệu quả của PMT phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành
điện năng của phiến quang điện. Chỉ có ánh sáng Mặt trời với mức năng lượng nhất định
mới có thể chuyển đổi một cách hiệu quả thành điện năng, chưa kể đến một phần lớn
lượng ánh sáng bị phản chiếu lại hoặc hấp thu bởi vật liệu cấu thành phiến. Do đó, hiệu
suất tiêu biểu cho các loại PMT thương mại hiện nay vẫn tương đối thấp, khoảng 15%
(tương đương với 1/6 bức xạ Mặt trời chiếu đến pin được chuyển thành điện). Hiệu suất
thấp dẫn đến việc đòi hỏi tăng diện tích lắp đặt để đạt được công suất đưa ra, tức là tăng
giá thành sản xuất. Do đó, mục tiêu hành đầu hiện nay của ngành công nghiệp ĐMT là
tăng hiệu quả pin và giảm giá thành trên đơn vị phiến pin.
Công nghệ PV cho đến nay gồm 3 loại chủ yếu như sau:
- Thế hệ 1 dựa vào silic và các phương pháp chế tạo của ngành công nghiệp bán
dẫn;
- Thế hệ 2 dựa vào những vật liệu màng mỏng và những phương pháp được phát
triển trong các ngành chế tạo màng và chất phủ.