CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời 1.1 Lịch sử phát triển của năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời được sử dụng lần đầu tiên khi nào? Về lý thuyết, năng lượng mặt trời được con người sử dụng từ đầu thế kỷ thứ VII trước Công nguyên khi lịch sử cho chúng ta biết rằng con người đã sử dụng ánh sáng mặt trời để đốt lửa bằng vật liệu thủy tinh phóng đại. Sau đó, vào thế kỷ thứ III trước Công nguyên, người Hy Lạp và La Mã đã biết khai thác năng lượng mặt trời bằng gương để đốt đuốc cho các nghi lễ tôn giáo. Những chiếc gương này đã trở thành một công cụ được chuẩn hóa được gọi là gương đốt cháy. Nền văn minh Trung Quốc đã ghi nhận việc sử dụng gương cho cùng một mục đích vào cuối năm 20 sau Công nguyên.
Một cách sử dụng sớm khác cho năng lượng mặt trời vẫn còn phổ biến ngày nay là khái niệm về “Sunroom” phòng tắm nắng trong các tòa nhà. Những phòng tắm nắng này đã sử dụng các cửa sổ lớn để hướng ánh sáng mặt trời vào một khu vực tập trung. Một số nhà tắm La Mã mang tính biểu tượng, điển hình là những nhà nằm ở phía nam của các tòa nhà, là phòng tắm nắng. Sau đó vào những năm 1200 sau Công nguyên, tổ tiên của người Thổ Nhĩ Kỳ được gọi là Anasazi nằm ở phía nam trên vách đá để đón sự ấm áp của mặt trời trong những tháng mùa đông lạnh giá.
Vào cuối những thế kỷ XVI, XVII các nhà nghiên cứu và nhà khoa học đã thành công khi sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho lò nướng cho những chuyến đi dài. Cuối cùng, rõ ràng rằng thậm chí hàng ngàn năm trước kỷ nguyên của các tấm pin mặt trời, khái niệm thao túng sức mạnh của mặt trời là một thực tế phổ biến. Tấm pin mặt trời được phát minh khi nào? Vào năm 1839, nhà vật lý Edmond Becquerel (19 tuổi), trong khi ông đang nghiên cứu lớp phủ của các điện cực bạch kim bằng bạc clorua, đã phát hiện ra sự tăng điện áp khi tiếp xúc với ánh sáng. Hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng quang điện.
Vào thời điểm đó, không ai có thể dự đoán rằng nó sẽ trở thành nền tảng cho phương pháp sản xuất năng lượng lớn nhất được dự đoán trong 200 năm tới. Sau gần hai thập kỷ, Augustin Mouchot (1825-1912) là một nhà phát minh người Pháp đã nhận ra rằng than đá cuối cùng sẽ cạn kiệt. Mặc dù phát minh của ông là một động cơ hơi nước mặt trời chứ không phải là một tấm pin mặt trời, nhưng đó là một điều quan trọng trong lịch sử của các thiết bị năng lượng mặt trời. Hai thập kỷ nữa trôi qua, và vào năm 1883, tế bào quang điện đầu tiên đã được Charles Fritts nghĩ ra, được chế tạo từ Selenium và có hiệu suất chỉ 1%.
Vài năm sau, nhà khoa học người Nga Alexander Stoletov, được coi là người sáng lập kỹ thuật điện, ông đã bắt đầu nghiên cứu hiệu ứng quang điện. Khi mở rộng nghiên cứu, ông cũng đã chế tạo một tế bào quang điện theo nguyên tắc tương tự, và ông còn phát hiện ra sự giảm độ nhạy (mỏi) của của chúng theo thời gian. Cùng lúc đó, Edward Weston đã nộp bằng sáng chế cho các loại pin nhiệt điện hiện tại sử dụng ống kính phóng đại để tập trung ánh sáng mặt trời. Trong vòng sáu năm, Melvin Severy, tác giả, nhạc sĩ, kỹ sư và nhà phát minh, cũng đã nộp bằng sáng chế liên quan đến nhiệt điện.
Đầu thế kỷ XX chứng kiến Albert Einstein xuất bản một bài báo về hiệu ứng quang điện (1905AD). Nó thậm chí còn giành cho anh một giải thưởng Nobel. Giữa thế kỷ XX đánh dấu một kỷ nguyên phát triển rất quan trọng trong các tấm pin mặt trời. Kỹ sư người Mỹ Russell Ohl đã thực hiện khám phá đột phá về P-N.
Các mối nối P-N được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử phức tạp hiện nay. Ông cũng đã phát minh ra tế bào hiện đại đầu tiên hoạt động bằng cách sử dụng đường giao nhau P-N. Daryl Chapin, Gerald Pearson và Calvin Fuller của Phòng thí nghiệm Bell, đã công khai các tế bào quang điện đầu tiên. Nó cung cấp điện cho đồ chơi Ferris và một máy phát radio.2 Các giai đoạn phát triển của pin năng lượng mặt trời Để xác định rõ về dòng thời gian phát triển của các tấm pin mặt trời, chúng ta sẽ chia thành ba phần chính.
Đó là sự phát triển của tấm pin trong thế kỷ XIX, XX và thế kỷ XXI: Thế kỷ XIX Ở thế kỷ XIX, khi mà các nhà khoa học vấp phải khi nghiêm cứu khả năng của ánh sáng/nhiệt mặt trời để tạo ra các loại năng lượng khác. Nhưng vào cuối thế kỷ, các nhà vật lý cũng đã chế tạo các thiết bị đơn giản khai thác năng lượng mặt trời để tạo ra năng lượng, mặc dù hiệu quả còn kém. Mặc dù chưa đạt được thành công như mong muốn nhưng điều này cũng đã mở đường cho các công nghệ tiên tiến hơn trong các thế kỷ sau. Ví dụ điển hình là động cơ năng lượng mặt trời Augustin Mouchot, 1860.
Cùng với đó thì hệ thống điện mặt trời đầu tiên có nhiều tế bào của Fritts vào năm 1884 đã đánh dấu nhiều sự khởi đầu khác. Một số thiết bị cơ bản đã tạo ra điện, nhưng bằng cách khai thác nhiệt thay vì ánh sáng, không giống như các tế bào hiện đại. Tuy nhiên, đó là những tiến bộ quan trọng trong sự hiểu biết về các thiết bị năng lượng mặt trời, chẳng hạn như nhiệt điện của Weston và Severy (lần lượt là 1888 và 1894). Thế kỷ XX Bài báo của Einstein và bằng chứng thực nghiệm về hiệu ứng quang điện của Robert Millikan đã cung cấp một cơ sở cho các phát minh.
Cùng với ý tưởng của Bell Labs vào năm 1954, Western Electric đã bắt đầu bán bản quyền thương mại cho các công nghệ năng lượng mặt trời PV. Từ năm 1957 đến 1960, Hoffman Electronics đã đạt được hiệu suất kỷ lục 8 đến 10%. Năm 1963, tập đoàn Sharp đã chế tạo mô-đun đầu tiên. Đến cuối thế kỷ này, một số dự án thí điểm trên toàn thế giới đã được lắp đặt.
Thế kỷ XXI Vào cuối thế kỷ trước, sự phát triển đáng kể đã được thực hiện trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, sự phát triển lớn đã được cho thấy ở việc cải thiện được hiệu quả và chi phí. Đồng thời, đã giảm xuống chưa đến một phần mười, nhờ các quy trình sản xuất tự động và số lượng lớn.3 Hiện trạng năng lượng mặt trời trên thế giới và Việt Nam Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới (WB): NLMT là nguồn năng lượng sạch, xanh, rẻ và có thể ngăn ngừa các tác động tiêu cực của nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn như phát thải khí nhà kính từ việc sử dụng than. Việc sản xuất và sử dụng NLMT đang gia tăng trên quy mô toàn thế giới.
Đến cuối năm 2021, các tấm năng lượng mặt trời quang điện ước tính cung cấp khoảng 5% thị phần điện năng của thế giới - một tỷ lệ nhỏ, nhưng đang tăng nhanh chóng. Các chuyên gia ước tính, các quốc gia trên thế giới đã lắp đặt từ 133 đến 175 gigawatt (GW) NLMT vào năm 2021 và tăng thêm 200 GW vào cuối năm 2022. NLMT cũng có tiềm năng lớn để mở rộng hơn nữa. Theo WB, 10 quốc gia hàng đầu có công suất đặt NLMT nhiều nhất tính đến năm 2021 (Megawatt-MW) có: Trung Quốc 306.660, Tây Ban Nha 15.
Riêng Liên minh châu Âu (EU), nếu tính theo đơn vị quốc gia sẽ là nơi có công suất đặt NLMT cao thứ hai thế giới (với 178. Tại Mỹ, với 95.209 MW năng lượng mặt trời đang khai thác và nhiều hơn nữa đang được triển khai, quốc gia này hiện có đủ công suất điện mặt trời để cung cấp điện cho 18 triệu hộ gia đình. Một báo cáo từ NREL đã xác định: Các tấm pin mặt trời có diện tích tổng thể 22.000 dặm vuông, tương đương diện tích của Hồ Michigan, hoặc 0,6% tổng diện tích đất của cả nước, có thể cung cấp đủ điện để cung cấp năng lượng cho toàn nước Mỹ. NLMT thường được khai thác bằng hệ thống quang điện (PV), hoặc năng lượng mặt trời tập trung (CSP).
Các nhà máy CSP sản xuất điện gián tiếp bằng cách sử dụng các tấm gương thu nhiệt mặt trời, tập trung NLMT để đun nóng nước, sau đó hơi nước và làm quay tua bin tạo ra điện. Trên toàn cầu, các cài đặt CSP hiện tại chỉ tạo ra một phần nhỏ năng lượng (6.387 MW) so với các hệ thống quang điện (843. Việc sử dụng NLMT trên toàn thế giới cũng khác nhau tùy theo quốc gia, với 10 quốc gia hàng đầu chiếm khoảng 74% thị trường quang điện. Tính đến năm 2021, Trung Quốc có công suất NLMT lớn nhất thế giới với 306.973 MW, sản xuất khoảng 4,8% - 6% tổng mức tiêu thụ năng lượng quốc gia.
Tiếp theo là Hoa Kỳ với 95.209 MW và Nhật Bản với 74. Tuy nhiên, tổng công suất chỉ là một cách để đánh giá sản xuất NLMT. Phương pháp khác hiệu quả hơn là kiểm tra mức độ thâm nhập của NLMT - tức là tỷ lệ phần trăm tổng mức tiêu thụ năng lượng đến từ NLMT của mỗi quốc gia. Theo dữ liệu mới nhất từ IRENA và Ember: Tính đến năm 2023, thế giới hiện có công suất NLMT tích lũy là 850,2 GW.
Năm quốc gia NLMT hàng đầu thế giới (dựa trên công suất lắp đặt): Trung Quốc 392 GW, Hoa Kỳ 135,7 GW, Nhật Bản 84,9 GW, Đức 66,5 GW và Ấn Độ 63,3 GW. Con số này đã tăng hàng năm trong thập kỷ qua và cao hơn gấp 10 lần so với năm 2011. Tuy nhiên, giới chuyên gia năng lượng ước tính rằng có tới 173.000 TW NLMT chiếu vào trái đất vào mọi thời điểm, nhưng con người mới khai thác được một phần nhỏ trong số này. Tại Việt Nam, theo thống kê gần đây, đến cuối năm 2020, đã có 8.736 MW điện mặt trời quy mô tập trung, bao gồm cả điện mặt trời nổi trên mặt nước và 7.755 MW điện mặt trời mái nhà được đấu nối vào lưới điện, sản xuất gần 13 tỷ kWh điện năm đó.
Quy mô công suất điện mặt trời ở Việt Nam tăng vọt chỉ sau 2 năm đã trở thành kỷ lục trong các quốc gia Đông Nam Á. Theo Quyết định số 500/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch điện VIII vừa được Thủ tướng Chính phủ ký, ban hành ngày 15/5/2023, dự kiến quy mô điện mặt trời ở Việt Nam sẽ khoảng 12.