CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Năng lượng tái tạo - Điện Mặt trời Năng lượng luôn là yếu tố quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội của tất cả các nước trên thế giới. Các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con người. Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch có hạn, vì vậy việc nghiên cứu và sử dụng nguồn năng lượng xanh, năng lượng tái tạo (NLTT) như hạt nhân, điện gió, Mặt trời, địa nhiệt, năng lượng sinh khối, vv.
là một nhu cầu tất yếu. Phát triển năng lượng tái tạo ngày nay đang là xu hướng của thế giới, làm thay đổi nhanh chóng cơ cấu ngành năng lượng. Nhiều quốc gia đã khẩn trương xây dựng và thực thi các chiến lược, chính sách phát triển năng lượng tái tạo với tầm nhìn dài hạn, tập trung các nguồn lực con người, khoa học – công nghệ và tài chính – tín dụng… hướng tới việc phát triển nền kinh tế các-bon thấp, bền vững và thân thiện với môi trường. Nắm bắt được tầm quan trọng của vấn đề khi phải đối mặt với bài toán phức tạp và đa mục tiêu, chính phủ đã có những động thái hết sức kịp thời và tích cực, từ đó thiết lập khung hỗ trợ các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện Mặt trời và điện gió.
Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cho biết, sáu tháng đầu năm 2021, sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu toàn hệ thống đạt 128,51 tỷ kWh, tăng 7,4% so với cùng kỳ năm 2020. Trong đó, năng lượng tái tạo (điện gió, điện Mặt trời, điện sinh khối) huy động đạt 14,69 tỷ kWh, chiếm tỷ trọng 11,4%[1] Việt Nam hiện có công suất điện Mặt trời được lắp đặt toàn diện nhất ở Đông Nam Á, với 16. Việt Nam cũng nằm trong top 10 quốc gia có công suất lắp đặt năng lượng Mặt trời cao nhất trên toàn cầu vào năm 2020. Đây được cho là bước khởi đầu của quá trình chuyển đổi năng lượng của đất nước khỏi than đá.[2] Đến thời điểm hiện tại, tổng công suất lắp đặt về điện Mặt trời trên cả nước đã đạt tới khoảng 19.400 MWp, riêng điện Mặt trời áp mái, đến tháng 12 năm 2021 đã có 104.282 dự án được lắp đặt, tổng công suất 9.580 MWp, sản lượng phát lên lưới hơn 3,57 tỷ MWh tương ứng khoảng 16.500 MW - chiếm khoảng 25% tổng công suất lắp đặt nguồn điện của hệ thống điện Quốc gia.
Nếu giá lắp đặt điện Mặt trời áp mái trung bình 12 triệu đồng/kWp thì tổng số tiền đầu tư đã gần 115 nghìn tỷ (tương đương khoảng 5 tỷ USD). Như vậy tiềm năng của điện Mặt trời áp mái là rất lớn, chi phí đầu tư phù hợp với khả năng của nhiều gia đình tại Việt Nam. Thống kê riêng tại Tp. Hồ Chí Minh cho thấy, có tới gần 277.000 mái nhà tại đây đủ điều kiện để lắp đặt điện Mặt trời.
Nếu phát huy tối đa thị 13 trường điện Mặt trời áp mái, nước ta sẽ có một nguồn cung điện năng rất lớn và chủ động được nguồn điện, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Với chính sách của Nhà nước khuyến khích phát triển nguồn điện từ năng lượng Mặt trời, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg ngày 06/4/2020 về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện Mặt trời tại Việt Nam. Trong đó, điện Mặt trời áp mái là một hình thức mới, ưu việt và được trợ giá bán cao nhất trong 3 công nghệ điện Mặt trời tại Việt Nam hiện nay. Giá mua điện Mặt trời áp mái hiện nay của Tập đoàn điện lực Quốc gia EVN là 1943 VNĐ/kWh tương đương 8,38 UScent/kWh.
Công nghệ điện Mặt trời áp mái có nhiều ưu điểm có thể phát triển vượt bậc trong tương lai. Điện Mặt trời áp mái không tốn diện tích đất. Giúp tăng cường chống nóng hiệu quả cho các công trình. Có quy mô nhỏ, lắp đặt phân tán nên được đấu nối vào lưới điện hạ áp và trung áp hiện hữu, không cần đầu tư thêm hệ thống lưới điện truyền tải.
Được lắp đặt nhiều ở các mái nhà trong thành phố, khu công nghiệp nên có tác dụng làm giảm quá tải lưới điện từ các nguồn điện truyền thống.2 Bức xạ Mặt trời và phương pháp tận dụng bức xạ Mặt trời 1.1 Bức xạ Mặt trời Bức xạ Mặt trời là các dòng vật chất và năng lượng do Mặt trời phát ra. Đây chính là nguồn năng lượng chính cho những quá trình phong hoá, bóc mòn, vận chuyển và bồi tụ trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh có trong hệ Mặt trời. Bức xạ Mặt trời được hấp thụ và biến đổi thành nhiều dạng năng lượng hữu ích như nhiệt và điện sử dụng cho nhiều công nghệ. Chuyển đổi bức xạ của ánh sáng mặt trời thành nhiệt năng, phục vụ cho hệ thống sưởi ấm, làm mát, thông gió, làm nóng nước, đun nước để tạo hơi quay tubin điện, nấu ăn từ nhiệt mặt trời, xử lý nước bằng năng lượng mặt trời…Điện mặt trời là việc chuyển đổi bức xạ của ánh sáng mặt trời thành điện năng phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất.
Điện được phát dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện.1: Bức xạ Mặt trời Lượng bức xạ của Mặt trời sẽ thay đổi tùy theo: Vị trí địa lý, khoảng thời gian, thời điểm trong ngày, theo mùa và thời tiết. Vì Trái Đất hình cầu nên Mặt trời chiếu vào bề mặt ở các góc khác nhau từ 0° đến 90°. Khi các tia sáng Mặt trời thẳng đứng vuông góc thì bề mặt Trái đất sẽ nhận năng lượng nhiều nhất đồng nghĩa khu vực Xích Đạo sẽ nhận nhiều năng lượng nhất. Còn ở vùng cực Bắc và Nam sẽ không bao giờ nhận được bức xạ Mặt trời theo góc 90° trong suốt cả năm.
Lượng bức xạ Mặt trời được tính toán bằng cách đo lượng ánh sáng Mặt trời ở các vị trí cụ thể theo các thời điểm khác nhau trong năm và ước tính lượng ánh sáng Mặt trời tại các vùng có cùng vĩ độ và có khí hậu tương tự. Những phép đo năng lượng Mặt trời thường được biểu thị bằng tổng bức xạ trên một bề mặt ngang. Dữ liệu bức xạ cho các hệ thống điện năng lượng Mặt trời (hệ thống của pin quang điện) thường được biểu thị dưới đơn vị kilowatt-giờ trên mét vuông (kWh/m2). Ước tính trực tiếp về năng lượng Mặt trời cũng có thể được tính bằng watt trên một mét vuông (W/m2).
Cường độ bức xạ Mặt trời tại Việt Nam rất dồi dào, trung bình tổng bức xạ năng lượng Mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5kWh/m2/ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, và vào khoảng 4kWh/m2/ngày ở các tỉnh miền Bắc.2: Bản đồ bức xạ Mặt trời ở Việt Nam [5]. Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ Mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa. Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000-2600 giờ mỗi năm. Theo tài liệu khảo sát lượng bức xạ Mặt trời cả nước: – Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng 1800 – 2100 giờ nắng.
Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều. – Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2000 – 2600 giờ nắng, lượng bức xạ Mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc. Ở vùng này, Mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa. Do đó, đối với các địa phương 16 ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ Mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng.2 Phương pháp tận dụng bức xạ Mặt trời Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời đã được con người khai thác ngay từ thời cổ đại.
Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối tạo thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn trên trái đất. Tuy nhiên chỉ một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được con người khai thác đưa vào sử dụng.1 Thiết bị sấy dùng năng lượng Mặt trời Từ lâu, năng lượng Mặt trời đã được con người áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm… nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm. Ngày nay công nghệ sấy năng lượng mặt trời đang được phát triển và ứng dụng nhiều tại các đơn vị sản xuất chế biến đồ khô. Những thiết bị này được nhiều người quan tâm vì nó tiết kiệm chi phí so với các loại máy sấy chạy bằng điện thông thường và hiệu quả hơn nhiều so với cách phơi nắng thủ công.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị này là tạo một phòng sấy dạng mái vòm bằng những tấm thu nhiệt trong suốt. Khi ánh nắng mặt trời chiếu vào, nhiệt sẽ được giữ bên trong phòng sấy và ngày càng nóng lên theo dạng hiệu ứng nhà kính. Nhờ vậy mà nhiệt độ bên trong phòng sấy có thể cao hơn nhiệt độ môi trường 15 – 20 độ C giúp sấy sản phẩm nhanh khô hơn.2 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng Mặt trời Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của năng lượng Mặt trời là dùng để đun nước nóng và đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng Mặt trời đã và đang được ứng dụng rộng trên toàn quốc.
Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.3: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời 1.3 Bếp nấu năng lượng Mặt trời Bếp năng lượng Mặt trời được biết đến là một trong những thiết bị ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời. Chiếc bếp này có thể đạt được công suất vài trăm Watt và nhiệt độ lên tới 200 độ C, chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc: – Hội tụ ánh sáng: Sử dụng dụng cụ như gương hay kim loại có độ phản chiếu cao, điều này sẽ giúp ánh nắng tập trung vào một điểm. – Chuyển ánh sáng thành sức nóng: Những vật màu đen sẽ có tính hấp thụ ánh sáng, vì vậy người ta thường sử dụng vật màu đen trong thiết kế.