Điện mặt trời – Nguồn năng lượng sạch đóng góp vào cân bằng năng lượng quốc gia

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng của Việt Nam ngày một gia tang, khả năng cung cấp các nguồn năng lượng nội địa hạn chế (trữ lượng dầu/khí/than đang dần cạn kiệt) trong khi tiềm năng nguồn Năng lượng tái tạo của Việt Nam rất lớn kèm theo nhu cầu sử dụng điện cho sản xuất rất cao thì việc xem xét khai thác nguồn Năng lượng tái tạo (NLTT) sẵn có cho sản xuất điện là rất là khả thi cả về công nghệ lẫn hiệu quả kinh tế và môi trường

Trong các năm gần đây, các công nghệ NLTT, trong đó công nghệ Năng lượng mặt trời (NLMT) có tốc độ tang trưởng cao và liên tục dẫn đến chi phí lắp đặt hệ thống NLMT ngày càng giảm.

Hiện trang phát triển điện mặt trời nối lưới ở Việt Nam, theo số liệu cập nhật mới nhất đến 08/2017 cho biết, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời chỉ khoảng 28MW, chủ yếu là quy mô nhỏ cấp điện tại chỗ ( vùng ngoài lưới cho các hộ gia đình và một số dự án trình diễn nối lưới điện hạ áp – lắp đặt trên các tòa nhà, công sở). Tuy nhiên, trong vòng hai năm trở lại đây nhiều chủ đầu tư trong và ngoài nước đang xúc tiến và tìm kiếm cơ hội đầu tư vào dự án điện mặt trời nối lưới quy mô lớn trong phạm vi cả nước.

Theo Quyết định số 428/QĐ – TTg ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia gia đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030 (Tổng sơ đồ phát triển điện 7 hiệu chỉnh). Kế hoạch và mục mặt trời từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 850MW vào năm 2030; Điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng khoảng 0.5% năm 2020, khoản 1,6% vào namwm 2025 và khoảng 3,3% vào năm 2030

Việc phát triển Năng lượng tái tạo nói chung và Năng lượng mặt trời nói riêng là định hướng phát triển chung của Tập đoàn Điện lực Việt Nam và Tổng Công ty Phát điện 3 trong thời gian tới.

2. Các công nghệ Năng lượng mặt trời

Hiện nay, công nghệ NLMT phục vụ cho sản xuất điện được phận chia thành 2 loại: (1) Công nghệ quang điện (Solar Photovoltaic, PV); (2) Công nghệ NLMT hội tụ (Concentrating Solar Thermal Power, CSP) hay công nghệ nhiệt điện mặt trời.

Mô đun thu và chuyển đổi Năng lượng mặt trời

• Công nghệ quang điện

Thiết bị thu và chuyển đổi NLMT là các mô đun pin mặt trời (PMT), nó biến đổi trực tiếp NLMT thành điện năng (dòng một chiều, DC). Nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) dòng điện DC được chuyển thành dòng xoay chiều, AC. Dan PMT gồm nhiều mô đun PMT ghép lại, có thể có công suất từ vài chục W đến vài chục MW. Hệ nguồn này có cấu trúc đơn giản, hoạt động tin cậy và lâu dài, công việc vận hành và bảo trì bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí rất thấp.

Hiện tại, công nghệ tinh thể bán dẫn silicon – crystalline silicon (c-Si) và công nghệ màng mỏng thin-film (TF) chiếm đa số trên thị trường PV. Công nghệ c-Si PV sử dụng vật liệu silico  có độ tin khiết cao được dùng làm tế bào quang điện. Công nghệ TF gồm các màng mỏng bằng vật liệu bán dẫn phủ bên ngoài các chất nền rẻ tiền, kích thước lớn như thủy tinh, polymer hoặc kim loại. Trong đó, công nghệ c-Si lâu đời hơn và hiện là công nghệ chiếm 85-90% thị phần.

• Crystalline-Silicon Solar Panels

Tấm pin chất liệu Crystalline silicon (c-Si) là dạng sử dụng phổ biến nhất hiện nay do đặc tính ổn định của c- Si cho hiệu suất trong khoảng 15-25% tùy theo công nghệ lắp đặt, nhưng nhìn chung là đáng tin cậy. Tuy nhiên, c-Si là chất hấp thụ ánh sáng kém, khá dày và cứng – một yếu điểm trong thời đại khi mà công nghệ đều hướng tới sự siêu nhỏ như hiện nay.

Một tế bào c-Si đơn bao gồm 7 lớp chính. Một chất kết dính trong suốt giữ mặt kính bảo vệ quanh lớp phủ chống phản xạ để đảm bảo tất cả bộ lọc ánh sáng đều đi qua các lớp tinh thể Silicon. Tương tự như công nghệ bán dẫn, lớp N đặt trên lớp P và toàn bộ được giữ với nhau qua hai điểm điện: Điểm cực dương bên trên và điểm cực âm phía dưới.

Cấu tạo của một tế bào c-Si

Cấu tạo tấm PV

Hai dạng c-Si thường dùng là: Mono và Multi – Crystalline silicon. Từ một tinh thể đơn Si có độ tinh khiết cao, monocrystalline silicon có tấm kính 150 mm đường kính, dày 200mm. Mặc dù, Si đơn tinh thể được ưa chuộng nhưng Si đa tinh thể lịa được ứng dụng nhiều hơn. Một tế bào c-Si phát ra khoảng 0.5V và nhiều tế bào kết chuỗi để tăng điện áp đầu ra.

Công Nghệ:

• Loại PV Silic – đa tinh thể:

Tấm PV đầu tiên trên thế giới được tạo ra là tấm PV silic – đa tinh thể (còn được goi là polysilicon: p-Si hoặc multi-crystalline silicon: mc-Si). Nó được đưa vào thị trường thế giới chính thức vào năm 1981.

Không giống như PV đơn tinh thể, PV đa tinh thể không được tạo ra bằng quá trình Czochralski. Silic thô sẽ được nung chảy rồi đổ vào khuôn hình vương, sau đó được làm nguội và cắt ra thành các tấm vuông vắn.

• Ưu điểm:

Quá trình tạo ra tấm PV đa tinh thể đơn giản, ít tốn chi phí và ít hao phí nguyên liệu nhiều hơn so với PV đơn tinh thể

Hiệu suất hoạt động của tấm PV đa tinh thể trong khoảng 15-17%. Nó có thấp hơn so với PV đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất này cao hơn nhiều so với tấm PV dạng film mỏng

Cũng như PV đơn tinh thể, PV đa tinh thể có tuổi thọ cao. Điều này đã được chứng minh với các PV đa tinh thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

Trên thị trường, tấm PV p-Si có tỷ trọng tiêu thụ cao nhất. Điều này càng làm giá của PV p-Si giảm thêm.

• Nhược điểm :

So với loại mono-Si, loại PV p-Si có hiệu suất sử dụng không gian thấp hơn. Với cùng lượng điện năng đầu ra, so với mono- Si, nó cần diện tích lớn hơn. (Tuy nhiên, điều này không có nghĩa mọi loại PV mono-Si sẽ hoạt động tốt hơn các tấm PV dạng p-Si).

• Loại PV Silic – đơn tinh thể:

Tấm PV đơn tinh thể được tạo ra từ các khác khối tinh thể thạch anh hình trụ có độ tinh khiết cao. Để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và giảm chi phí của loại PV này, bốn mặt của khối thạch anh sẽ được cắt mỏng và ghép lại thành 1 tấm silic. Từ đó, loại PV đơn tinh thể sẽ có dạng mỏng.

• Ưu điểm:

Tấm PV – loại đơn tinh thể có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao nhất trong trong số các loại PV quang điện. Vì vậy, chung phải được làm ra từ thạch anh có độ tinh khiết cao nhất. Hiệu suất hoạt động của PV đơn tinh thể trong khoảng 15-20%.

PV silic đơn tinh thể có hiệu suất sử dụng không gian cao. Chúng đòi hỏi ít không gian hoạt động nhất trong các loiaj PV. Vì vậy, những tấm PV loại này sẽ mang lại công suất điện cao nhất.

• Nhược điểm:

PV silic –  đơn tnh thể là loại PV có chi phí cao nhất. Xét về mặt tài chính thì việc chọn PV loại đa tinh thể (hoặc một số loại PV film mỏng) sẽ tối ưu hơn là PV loại này.

Quá trình sản xuất PV đơn tinh thể ( quá trình Czochralski) tạo ra một khối thạch anh tinh khiết lớn. Việc cắt mỏng bốn mặt của khối thạch anh để tạo ra tấm Silic đơn tnh thể sẽ hao phí một khối lượng lớn thạch anh tinh khiết.

Hiệu suất sử dụng không gian thấp đồng nghĩa với việc tăng chi phí đầu tư các thiết bị đi kèm (ví dụ: giá đỡ giàn PV, cáp,…)

PV film mỏng có thời gian xuống cấp nhanh hơn các loại còn lại. Điều này đồng nghĩa với việc thời gian bảo hành ngắn hơn.

• Thin-Film Solar Panels

• Loại PV silic – film mỏng

PV dạng film mỏng được tạo ra bằng cách đổ một hoặc nhiều lớp vật liệu quang điện mỏng lên khuôn. Các loại PV film mỏng được phân ra nhiều loại dựa trên vật liệu quang điện tạo ra nó:

• Silic vô định hình (a-Si)
• Cadmium telluride (CdTe)
• Đồng indium gallium selenide ( CIS/CIGS)

Phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, PV film mỏng chuẩn có thể đạt hiệu suất 7-13%, PV film mỏng đại trà có hiệu suất hoạt động khoảng 9%.

• Ưu điểm:

Công nghệ sản suất đơn giản nhất là nguyên nhân khiến loại PV này có giá thành thấp hơn so với các loại PV khác.

Màu sắc và hình dạng đồng nhất của loại này khiến chúng đẹp mắt hơn.Có tiềm năng phát triển các ứng dụng mới nhờ tính linh hoạt.Nhiệt độ và sự che bóng ít tác động đến khả năng hoạt động của PV loại này.

Trong những trường hợp diện tích chiếm đất không quá khắc khe, PV dạng film mỏng có thể được sử dụng.

• Nhược điểm:

Mặc dù giá thành thấp nhưng PV film mỏng ít được sử dụng vì nó quá tốn diện tích.

Hiệu suất sử dụng không gian thấp đồng nghĩa với việc tăng chi phí đầu tư các thiết bị đi kèm ( ví dụ: giá đỡ giàn PV, cáp,…)

PV film mỏng có thời gian xuống cấp nhanh hơn các loại còn lại. Điều này đồng nghĩa với việc thời gian bảo hành ngắn hơn.

• So sánh giữa C-Silicon vs Thin Film

Tế bào c-Si là có hiệu suất cao vào khoảng 12 – 24.2%, độ ổn định cao, chế tạo dễ và độ tin cậy cao. Tuổi thọ kéo dài, có thể chịu được các điều kiện khác nghiệt, có khả năng chịu nhiệt và chi phí lắp đặt thấp. Hơn thế nữa, silicon thân thiện với môi trường và có thể tái chế. Tuy nhiên, tế bào quang điện c- Si có chi phí lắp đặt ban đầu cao. Bên cạnh đó, c- Si có hệ số hấp thụ thấp và cứng và khá dễ vỡ.

Trong khi đó, tế bào quang điện màng mỏng ít tốn kém hơn cả những tế bào c-Si đã cũ, cấu tạo mỏng, linh hoạt dễ dàng xử lí và ít hư hao hơn tế bào silicon. Yếu điểm chính của tế bào quang điện màng mỏng là hiệu quả thấp, cấu trúc phức tạp hơn. Đối với những phiên bản linh hoạt thì cần phải có kĩ năng lắp đặt đặc biệt.

• Công nghệ NLMT hội tụ (Concentrating Solar Thermal Power, CSP)

Các bộ thu NLMT là các bộ hội tụ (như máng gương parabon, bộ hội tụ Fresnel, tháp hội tụ sử dụng các gương phẳng…). Quá trình chuyển đổi NL thực hiện qua 2 bước. Đầu tiên, NLMT được hội tụ để tạo ra nguồn NL có mật độ và nhiệt độ rất cao. Sau đó nguồn NL này làm hóa hơi nước (hoặc dầu) ở áp suất và nhiệt độ cao để cấp cho tuốc bin của máy phát điện để sản xuất điện. Ở một số nhà máy CSP ở các nước Trung Đông và Tây Ban Nha còn kết hợp để sản xuất điện và nước sạch từ nước biển nhờ ngưng tụ hơi nước. Thực tế cho thấy công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi khá cao, khoảng 25%, nhưng nó chỉ có hiệu quả ở các khu vực có mật độ NLMT cao hơn 5,5 kWh/m2.ngày và công suất nhà máy không nhỏ hơn 5 MW. Ngoài ra, cần có thêm thiết bị điều khiển các bộ thu luôn dõi theo chuyển động của mặt trời. Chi phí lắp đặt ban đầu khá cao.

Mô hình hoạt động của công nghệ NLMT hội tụ

Nhà máy điện mặt trời sử dụng công nghệ hội tụ

3. Cung cấp, sản xuất Pin mặt trời .
   • Thị trường giá Pin mặt trời

Tính đến cuối tháng 12 năm 2016 giá PV module có chiều hướng giảm. Cụ thể, giá modules có nguồn gốc từ Đài Loan và Đông Nam Á giảm 2.4%, Châu Âu giảm 2%, Nhật và Hàn Quốc giảm 1.7% so với giá của tháng 11.Chỉ riêng Trung Quốc, do nhu cầu sử dụng năng lượng cao, giá module tăng 2% so với tháng trước.

Trung Quốc đang là thị trường năng lượng mặt trời lớn nhất trong năm 2016. Theo thống kê của Cơ quan năng lượng Quốc gia Trung Quốc công bố thì tính tới cuối năm 2016, tổng mức lắp đặt đã lên tới con số 77.42 GW. Tính riêng trong năm 2016 là 34.54 GW tăng gấp đôi so với 15.13 GW trong năm 2015.

Tại Mỹ, công suất lắp đặt tăng thêm trong 2016 là 14GW, năm 2015 là 7.3 GW. Nhật Bản xếp hạng 3 với tổng công suất lắp đặt thêm là 8.6 GW theo sau là Ấn độ với 4.5 GW.

Theo Hiệp hội năng lượng mặt trời Châu Âu, trong năm 2016 tổng công suất lắp đặt của các nước trong khu vực EU vào khoảng 6.9 GW – giảm 20% so với năm 2015 là 8.6 GW. Châu Âu đang mất dần vị trí đứng đầu cho Trung Quốc cả về sức sản xuất lẫn công suất lắp đặt.

Theo Cơ quan Năng lượng tái tạo Quốc tế, giá thành sản xuất tấm Pin mặt trời đã giảm sâu từ khoảng 250 USD/MWh năm 2010 xuống còn khoảng 50 USD/MWh năm 2016.

Thị trường giá Pin mặt trời một số nước trên thế giới từ năm 2010 đến 2016

Thi trường giá Pin mặt trời trên thế giới từ namwm 2010 đến 2016

 

 

• Các nhà sản xuất Pin mặt trời.

Hiện nay, với lợi thế về chi phí nhân công và nguyên vật liệu, Trung Quốc là quốc gia có nhiều nhà sản xuất, cung cấp Pin mặt trời thuộc Top 10 thế giới năm 2016. Theo đó, top 10 nhà cung cấp này nắm giữ 50% thị trường thế giới.

Xếp hạng	Nhà cung cấp	Quốc gia	Năm thành lập
1	Jinko Solar	Trung Quốc	2006
2	Trina Solar	Trung Quốc	1997
3	Canadian Solar	Trung Quốc	2001
4	Hanwha Q-CELLS	Hàn Quốc	2012
5	JA Solar	Trung Quốc	2005
6	GCL	Trung Quốc	1996
7	First Solar	Mỹ	1999
8	Yingli Green	Trung Quốc	1998
9	Talesun	Trung Quốc	2010
10	Risen	Trung Quốc	1986

 

• Một số nhà máy sản suất Pin mặt trời điển hình tại Việt Nam

Nhà máy Sản xuật Pin mặt trời đầu tiên được đầu tư ở Việt Nam xây dựng tại huyện Đức Hòa, tỉnh Long An, có thể cung cấp các tấm pin năng lượng mặt trời, mỗi tấm công suất 80-165 Wp điện với hiệu suất 16%. Nhà máy có thể cung cấp lượng sản phẩm 5 MWp/năm, khởi công vào tháng 3/2008 với kinh phí đầu tư 10 triệu USD do Công ty cổ phần năng lượng Mặt Trời Đỏ TP HCM với hai đối tác là Trung Tâm tiết kiệm năng lượng TP HCM (thuộc Sở Khoa học công nghệ TP HCM) và Công ty TNHH Tân Kỷ Nguyên, khánh thành ngày 27/4/2009.

Nhà máy sản xuất pin năng lượng mặt trời Trina Solar (Việt Nam): Tổng sản lượng thiết kế đạt 1GW, Chủ đầu tư là Công ty TNHH Trina Solar (VietNam) Science & Technology (công ty với 100% vốn đầu tư của tập đoàn Trinasolar Trung Quốc), tổng số vốn đầu tư 100 triệu USD, diện tích nhà xưởng 42.000 mét vuông, 14 dây chuyền sản xuất hiện đại, sản xuất nhiều loại pin đơn tinh thể và đa tinh thể, xuất khẩu đến khắp các châu lục trên thế giới. Khánh thành chính thức đi vào hoạt động ngày 06/01/2017. Hiện nay, trên địa bàn tỉnh Bắc Giang đang hình thành chuỗi sản xuất và lắp ráp tấm pin năng lượng mặt trời với 8 dự án đã được cấp phép.

Dự án Nhà máy sản xuất pin năng lượng mặt trời của Công ty TNHH JA Solar Việt Nam: với tổng vốn đầu tư hơn 1 tỷ USD, quy mô nhà xưởng 88ha khởi công ngày 27/11/2016 tại Khu Công nghiệp huyện Việt Yên, tỉnh Bắc Giang.

Dự án First Solar có vốn đầu tư đăng ký 1,2 tỷ USD tại KCN Đông Nam là nhà máy sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời theo công nghệ hiện đại màng mỏng đầu tiên được xây dựng tại Việt Nam. Dự án được cấp giấy chứng nhận đầu tư vào tháng 1/2011 và được khởi công vào tháng 3/2011. Tuy nhiên, sau khi khởi công được 8 tháng, chủ đầu tư đã công bố tạm dừng thực hiện Dự án, do sự mất cân bằng cung – cầu về sản phẩm pin năng lượng mặt trời trên thị trường toàn cầu. Hiện tại TP HCM đang kêu gọi các Nhà đầu tư khác tiếp tục đầu tư và dự án này.

Tổ hợp nhà máy sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo công nghệ cao IREX do công ty Cổ phần Năng lượng IREX (một thành viên của công ty Cổ phần phát triển Năng lượng mặt trời Bách Khoa – SolarBK) đầu tư, nhà máy sản xuất tấm pin quang điện công suất 300 MW/năm, nhà máy sản xuất tế bào quang điện công suất 500 MW/năm, được thực hiện theo 3 giai đoạn, dự kiến đến tháng 6-2017 giai đoạn 1 sẽ hoàn thiện và đi vào hoạt động. Dự án đánh dấu sự kiện một công ty Việt Nam do người Việt Nam sáng lập vẫn có đủ năng lực và tầm vóc để sánh vai với thế giới trong việc sản xuất pin năng lượng mặt trời và các giải pháp năng lượng sạch phục vụ đời sống.

4. Kết luận

Sự phát triển công nghệ NLMT đã tạo ra một ngành công nghiệp mới gọi là công nghiệp NLMT, tạo ra hàng triệu công ăn việc làm góp phần phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng ở nhiều quốc gia trên thế giới.

Một nguyên nhân quan trọng khác của sự phát triển mạnh mẽ của NLMT nói riêng và NLTT nói chung là sự quan tâm của các chính phủ trong việc xây dựng, ban hành và thực hiện các chính sách phù hợp. Xu thế của phát triển NLTT trên toàn cầu đang chuyển dần sang phát triển các công nghệ NLMT, trong đó công nghệ điện PMT có vai trò quan trọng nhất. Do có tính cạnh tranh cao nên đến nay mặc dù một số nước đã giảm hay thậm chí bỏ hẳn các chính sách hỗ trợ NLMT nhưng công nghệ này vẫn không ngừng phát triển.

Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại tốt trên thế giới. Nguồn NL sạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng NL quốc gia. Hiện tại Tông Công ty Phát điện 3 đang tích cực triển khai nghiên cứu phát triển các dự án điện mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận và trên các lòng hồ thủy điện khu vực Tây Nguyên để đóng góp một phần vào nguồn năng lượng sạch cho đất nước, giảm thiểu tác động môi trường so với các dự án nguồn điện sử dụng nhiên liệu không tái tạo trước đây.