Tổng quan nghiên cứu

Thị trường năng lượng tái tạo toàn cầu đã chứng kiến sự bứt phá mạnh mẽ của công nghệ điện quang điện mặt trời nổi với tổng công suất tích lũy vượt mốc 1.314 MW vào cuối năm 2018, trong đó riêng Trung Quốc chiếm hơn 75% thị phần với hơn 950 MW. Tại Việt Nam, khu vực Nam Trung Bộ và miền Nam sở hữu nguồn bức xạ nhiệt dồi dào với cường độ trung bình trên 5 kWh/m2/ngày và hơn 90% số ngày trong năm có nắng phục vụ sản xuất điện. Tuy nhiên, việc phát triển các trang trại điện mặt trời trên đất liền đang đối mặt với thách thức lớn về quỹ đất nông nghiệp và chi phí giải phóng mặt bằng gia tăng.

Trước thực tế đó, nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa không gian mặt nước thông qua đánh giá toàn diện hệ thống điện mặt trời nổi Đa Mi tại tỉnh Bình Thuận có công suất thiết kế 47,5 MWp. Mục tiêu cụ thể của đề tài là phân tích sâu các thông số kỹ thuật then chốt, bao gồm: mức độ suy giảm bốc hơi nước lòng hồ, đặc tính suy giảm nhiệt độ bề mặt tấm pin, và sự gia tăng hiệu suất phát điện trong điều kiện vận hành thực tế giai đoạn 2019-2020.

Phạm vi nghiên cứu bao quát diện tích mặt hồ chứa thủy điện Đa Mi với quy mô lắp đặt 279.294 m2 bề mặt pin quang điện. Ý nghĩa thực tiễn của công trình được lượng hóa qua hệ số hiệu quả vận hành thực tế đạt 81,43%, tiết kiệm hàng chục hecta đất canh tác nông nghiệp, đồng thời tận dụng triệt để hạ tầng trạm biến áp và đường dây truyền tải sẵn có của nhà máy thủy điện để cung cấp sản lượng điện sạch ổn định cho lưới điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết chuyển đổi quang điện bán dẫn p-n trên vật liệu Silic đa tinh thể và mô hình truyền nhiệt nhiệt động lực học giữa tấm pin và môi trường nước. Theo lý thuyết quang điện, công suất cực đại của tấm pin silic phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ vận hành với hệ số nhiệt độ công suất là -0,40%/°C, nghĩa là khi nhiệt độ pin tăng cao hơn điều kiện tiêu chuẩn 25°C, hiệu suất chuyển đổi sẽ suy giảm tuyến tính.

Đồng thời, đề tài áp dụng mô hình cân bằng năng lượng mặt nước nhằm xác định mức độ cản bức xạ trực tiếp xuống lòng hồ, từ đó giải thích cơ chế giảm bay hơi nước và hiệu ứng làm mát tự nhiên qua đối lưu không khí - hơi nước. Bốn khái niệm trọng tâm được chuẩn hóa gồm: quang điện mặt trời nổi, hệ số hiệu quả vận hành, hệ số suy giảm do ánh sáng trong năm đầu tiên dao động từ 0,5% đến 2%, và tỷ lệ che phủ mặt bằng đạt mức 67%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đo đạc thực tế liên tục từ 143.940 tấm pin quang điện 330 Wp, 17 bộ nghịch lưu công suất 2.500 kW và hệ thống trạm nâng áp 22/110 kV tại nhà máy Đa Mi, kết hợp dữ liệu đối chứng đồng thời từ nhà máy điện mặt trời trên cạn CMX Renewable Energy Việt Nam.

Phương pháp chọn mẫu là thu thập toàn bộ dữ liệu chuỗi thời gian thực theo phương thức quan trắc tự động liên tục qua giao thức IEC-61850 và IEC-60870-5-101 trong suốt chu kỳ vận hành từ tháng 6 năm 2019 đến giữa năm 2020. Phương pháp phân tích định lượng kết hợp mô phỏng chuyên sâu trên phần mềm PVsyst được lựa chọn vì tính chính xác cao trong việc tách biệt tác động của nhiệt độ môi trường, bức xạ nghiêng 1.818 kWh/m2/năm và góc nghiêng 12° hướng chính Nam. Sự kết hợp này cho phép kiểm chứng độc lập độ lệch hiệu suất giữa hệ thống trên mặt hồ và trên mặt đất dưới cùng dải bức xạ tự nhiên.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hiệu ứng làm mát tự nhiên từ bề mặt nước giúp nhiệt độ tấm pin nổi tại Đa Mi luôn thấp hơn đáng kể so với hệ thống lắp đặt trên cạn từ 3°C đến 7°C vào những khung giờ bức xạ đỉnh điểm trong ngày. Nhờ hệ số suy giảm công suất theo nhiệt độ là -0,40%/°C, sự hạ nhiệt này trực tiếp làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hệ thống từ 5% đến 11% so với các trang trại điện mặt trời trên đất liền.

Thứ hai, việc che phủ 279.294 m2 diện tích mặt nước bằng các module quang điện và hệ thống phao nhựa chuyên dụng HDPE có độ dày trên 3 mm đã hạn chế trực tiếp lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống nước, qua đó giảm thiểu từ 15% đến 25% lượng nước bốc hơi tự nhiên tại khu vực hồ chứa.

Thứ ba, góc nghiêng lắp đặt 12° kết hợp hướng chính Nam tối ưu hóa tổng lượng bức xạ thu được đạt 1.818 kWh/m2/năm, đồng thời giữ tổn thất do bóng che nội bộ giữa các hàng pin ở mức dưới 1% với khoảng cách tim hàng 1,5 m.

Thứ tư, phương án đấu nối tối ưu thông qua máy biến áp 63 MVA và đường dây 110 kV mạch kép dài 3,331 km giúp hòa trực tiếp vào lưới điện Hàm Thuận - Đức Linh, giảm hơn 30% chi phí đầu tư hạ tầng truyền tải so với việc xây dựng trạm biến áp độc lập trên đất liền.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm được minh chứng rõ ràng khi phân tích đối chiếu dữ liệu vận hành. Trong báo cáo kỹ thuật chuyên sâu, tương quan này được thể hiện trực quan qua đồ thị phân tán biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bề mặt module quang điện, cùng biểu đồ đường so sánh sản lượng điện theo giờ giữa nhà máy nổi Đa Mi và nhà máy mặt đất CMX. Khi nhiệt độ không khí chạm ngưỡng 38°C, tấm pin trên cạn có thể nóng tới 65°C, trong khi pin nổi trên hồ Đa Mi chỉ dao động quanh mức 58°C nhờ quá trình bay hơi nước thu nhiệt liên tục từ bên dưới giàn phao.

Kết quả này hoàn toàn nhất quán với công bố của Tổng công ty Tài nguyên nước Hàn Quốc khi ghi nhận hệ thống nổi hoạt động hiệu quả hơn 11% so với hệ thống trên bộ. Về mặt kinh tế, dù chi phí trang bị hệ phao đỡ đúc sẵn và neo cố định cao hơn giá đỡ móng bê tông trên cạn khoảng 15% đến 20%, dự án vẫn đạt chỉ số tài chính vượt trội nhờ tiết kiệm 100% chi phí bồi thường giải phóng mặt bằng và được hưởng mức giá mua điện ưu đãi theo Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, Bộ Công Thương và Tập đoàn Điện lực Việt Nam cần khẩn trương rà soát, đưa vào quy hoạch phát triển nguồn điện thêm 500 MW đến 1.000 MW điện mặt trời nổi trên các hồ thủy điện và hồ thủy lợi lớn tại khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ trong giai đoạn 2026-2030, nhằm tận dụng hạ tầng lưới điện sẵn có và nâng cao độ ổn định cung ứng.

Thứ hai, Bộ Công Thương phối hợp với Bộ Tài chính ban hành cơ chế biểu giá mua điện hoặc khung giá đấu thầu riêng biệt cho các dự án điện mặt trời nổi, duy trì mức khuyến khích cao hơn từ 5% đến 8% so với điện mặt trời mặt đất để bù đắp chi phí giàn phao và bảo dưỡng dưới nước, hoàn thành trong quý IV năm 2026.

Thứ ba, Bộ Xây dựng và Bộ Khoa học và Công nghệ cần sớm ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về vật liệu phao nổi HDPE kháng tia cực tím có tuổi thọ trên 25 năm, cùng quy chuẩn tính toán tải trọng gió bão và hệ thống neo giằng chuyên dụng cho lòng hồ biến đổi mực nước trước năm 2027.

Thứ tư, các doanh nghiệp vận hành nhà máy điện mặt trời nổi cần triển khai nâng cấp hệ thống điều khiển phân tán DCS kết hợp cảm biến đo lường bức xạ và nhiệt độ tự động chuẩn IEC-61850, nhằm dự báo chính xác sản lượng phát điện và tối ưu hóa 15% chi phí bảo trì định kỳ trong vòng 12 tháng vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các chủ đầu tư và doanh nghiệp phát triển năng lượng tái tạo. Luận văn cung cấp toàn bộ bảng thông số tài chính, tổng mức đầu tư và phân tích hiệu quả kinh tế thực tế của dự án 47,5 MWp, hỗ trợ xây dựng báo cáo nghiên cứu khả thi chính xác.

Nhóm thứ hai là kỹ sư thiết kế và chuyên gia kỹ thuật hệ thống điện. Tài liệu mang lại dữ liệu thực nghiệm về cấu hình chuỗi 30 tấm pin, sơ đồ nối điện trạm 22/110 kV, tính toán góc nghiêng 12° và cấu trúc bảo vệ rơle so lệch 87T, quá dòng 50/51.

Nhóm thứ ba là các nhà hoạch định chính sách tại các cơ quan quản lý nhà nước. Công trình cung cấp luận cứ khoa học thực tế về lợi ích giữ nước hồ chứa và giải phóng áp lực đất đai, giúp hoàn thiện các văn bản quy phạm pháp luật và quy hoạch năng lượng quốc gia.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật điện. Luận văn đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp so sánh thực nghiệm giữa hệ thống nổi và hệ thống trên cạn trong điều kiện nhiệt đới.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống điện mặt trời nổi tạo ra sản lượng điện cao hơn hệ thống trên cạn bao nhiêu phần trăm? Nhờ tác dụng làm mát liên tục của hơi nước bên dưới bề mặt module, nhiệt độ tấm pin nổi thấp hơn từ 3°C đến 7°C, giúp nâng cao hiệu suất phát điện tổng thể thêm khoảng 5% đến 11% so với hệ thống lắp trên mặt đất.

Chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống điện mặt trời nổi có đắt hơn điện mặt trời mặt đất không? Chi phí lắp đặt hệ thống phao đỡ chuyên dụng và dây neo lòng hồ cao hơn giá đỡ cơ khí trên cạn khoảng 15% đến 20%, nhưng tổng mức đầu tư được bù đắp hoàn toàn nhờ không tốn chi phí giải phóng mặt bằng đất đai.

Tại sao dự án Đa Mi lại lựa chọn góc nghiêng tấm pin là 12 độ thay vì góc lớn hơn? Góc nghiêng 12° hướng chính Nam tại vĩ độ 11,3° Bắc giúp tối đa hóa bức xạ 1.818 kWh/m2/năm, đồng thời giảm thiểu áp lực gió bão lên mặt hồ và hạn chế tổn thất bóng che nội bộ xuống dưới 1%.

Việc lắp đặt các tấm pin nổi trên mặt hồ có ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nguồn nước không? Phao đỡ được sản xuất từ vật liệu nhựa HDPE nguyên sinh chuyên dụng chống tia UV, không thôi nhiễm hóa chất độc hại vào nguồn nước, đồng thời việc che bóng còn ức chế sự phát triển bùng phát của tảo có hại trong hồ.

Mô hình kết hợp giữa nhà máy thủy điện và điện mặt trời nổi mang lại lợi ích gì cho lưới điện? Mô hình lai này tận dụng triệt để hạ tầng trạm biến áp 110 kV và đường dây truyền tải sẵn có của nhà máy thủy điện, đồng thời cho phép điều tiết linh hoạt nguồn nước phát điện vào ban đêm khi điện mặt trời ngừng hoạt động.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện các đặc tính kỹ thuật, cơ cấu tổ chức vận hành và hiệu quả kinh tế của nhà máy điện mặt trời nổi Đa Mi 47,5 MWp đầu tiên tại Việt Nam.
  • Xác nhận thực nghiệm cơ chế làm mát giúp hạ nhiệt độ bề mặt tấm pin từ 3°C đến 7°C, gia tăng sản lượng điện thực tế từ 5% đến 11% so với pin trên cạn.
  • Chứng minh tính khả thi vượt trội của công nghệ phao nổi HDPE trong việc bảo toàn quỹ đất nông nghiệp và giảm thất thoát bốc hơi nước trên 279.294 m2 diện tích lòng hồ.
  • Thiết lập mô hình đấu nối tối ưu vào trạm nâng áp 63 MVA và hệ thống điều khiển phân tán 5 cấp đạt độ tin cậy vận hành với hệ số PR đạt 81,43%.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung đánh giá tác động sinh thái thủy sinh dài hạn trên 5 năm và phát triển thuật toán điều độ tự động kết hợp thủy điện - mặt trời theo thời gian thực.

Công trình khẳng định điện mặt trời nổi là giải pháp công nghệ then chốt cho quá trình chuyển dịch năng lượng xanh, mở ra không gian phát triển bền vững cho hệ thống năng lượng tái tạo Việt Nam trong tương lai.