Điện mặt trời
Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng. Việc chuyển đổi này do các tế bào quang điện (solar cell) thực hiện dựa trên hiệu ứng quang điện (là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất). Các tế bào quang điện được tích hợp thành module quang điện, các module quang điện được ghép lại với nhau tạo thành dãy các tấm năng lượng mặt trời. PV được đặt những nơi có thể đón ánh sáng nhiều nhất. Để thu được nhiều ánh sáng nhất, PV được lắp thêm bộ phận điều khiển tự động để xoay theo hướng ánh sáng. Một hệ thống điện mặt trời bao gồm hệ thống các tấm năng lượng mặt trời, thiết bị tích trữ năng lượng, bộ biến đổi điện, bộ điều phối năng lượng,…
Sơ đồ nguyên lý của tế bào quang điện
Hiệu ứng quang điện do Alexandre Edmond Becquerel phát hiện năm 1839, Russell Ohl được xem là người tạo ra pin mặt trời đầu tiên, với sáng chế có tên gọi: "Light sensitive electric device", (số sáng chế 2,402,662, công bố bảo hộ tại Mỹ vào năm 1946). Đến năm 1956, PV được thương mại hóa nhưng mức giá còn quá cao để sản xuất hàng loạt! Cuối những năm 1950, Mỹ và Liên Xô sử dụng PV để cung cấp năng lượng cho vệ tinh trong các chương trình trong không gian. Từ 1970 đến 1990, tiến bộ kỹ thuật giúp PV giảm giá thành và được sử dụng để cung cấp năng lượng sinh hoạt ở những nơi hẻo lánh, vùng xa xôi không có lưới điện, cũng như bắt đầu xuất hiện trên các ngã tư đường phố. Đến nay, sử dụng PV khá phổ biến nhờ giá thành ngày càng giảm do công nghệ phát triển và chính sách khuyến khích phát triển năng lượng sạch của nhiều quốc gia trên thế giới. H1 thể hiện các loại PV silic tinh thế (c-Si) và PV màng mỏng sử dụng phổ biến hiện nay.
H1: Tế bào quang điện phổ biến hiện nay
Ghi chú: CdTe (cadmium telluride), CIS (copper indium diselenide)/CIGS (Copper Indium Gallium Di-elenide), HIT (Heterojunction with intrinsic thin-film layer): tiếp xúc màng mỏng dị thể.
Nguồn: International Finance Corporation, Utility-Scale Solar Photovoltaic
Power Plants.
Thông số quan trọng nhất được các nhà khoa học quan tâm cải thiện khi nghiên cứu chế tạo PV là hiệu suất, tức khả năng chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng. Thông số này được tính dựa trên tỉ số giữa năng lượng điện tối đa tạo ra và năng lượng ánh sáng chiếu tới. PV có hiệu suất cao trên thị trường hiện nay là PV c-Si (BĐ1).
BĐ1: Hiệu suất của module PV c.Si trên thị trường
Nguồn: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Photovoltaics Report.
Các nhà khoa học trên thế giới đang trên đường đua nghiên cứu công nghệ để tăng hiệu suất PV lên cao nhất có thể. Đã có nhiều công bố về nghiên cứu tăng hiệu suất PV thành công được đăng tải (BĐ2).
BĐ2: Hiệu suất tế bào quang điện theo công nghệ đã được công bố
Nguồn: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Photovoltaics Report.
Thị trường điện mặt trời
Nhờ hiệu suất cải thiện, kể từ năm 2000, thị trường PV toàn cầu tăng nhanh chóng. Trong giai đoạn 2010-2017, tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR- Compound Annual Growth Rate) đạt 24%. PV c-Si hiện hoàn toàn chiếm lĩnh thị trường điện mặt trời, đạt 95% lượng PV bán ra trên toàn cầu năm 2017, xu hướng này còn tiếp tục trong thời gian tới (BĐ3).
BĐ3: Tỉ lệ PV được bán trên toàn cầu theo công nghệ
Nguồn: Dr. Nabih Cherradi, Solar PV technologies status and evolutions.
Công nghệ sản xuất PV ngày càng hoàn thiện, giúp giảm giá bán trên thị trường. Giai đoạn 2011-2012, PV c-Si có xu hướng giảm giá mạnh nhất và kéo dài cho đến nay (BĐ4).
BĐ4: Xu hướng giá thành PV c-Si
Ghi chú: Wp (Watts peak): công suất tối đa pin mặt trời có thể sản xuất được trong điều kiện tối ưu.
Nguồn:International Technology Roadmap for Photovoltaics report (ITRPV 2018).
Giá thành giảm là yếu tố quan trọng làm gia tăng đầu tư lắp đặt PV trên toàn cầu, năm 2017 vượt 160 tỉ USD (BĐ5), dự báo tăng lên 2 ngàn tỉ USD vào 2030.
BĐ5: Đầu tư điện mặt trời trên toàn cầu
Nguồn: Dr. Nabih Cherradi, Solar PV technologies status and evolutions.
Tổng công suất ắp đặt PV trên toàn cầu tính đến cuối năm 2018 đạt trên 500 GW, trong đó công suất lắp đặt mới trên 100 GW. Tính đến nay, phần lớn PV được lắp đặt tại Trung Quốc, Mỹ, Nhật và Đức (BĐ6 và BĐ7).
BĐ6: Tổng công suất PV được lắp đặt trên toàn cầu
Nguồn: Arnulf Jäger-Waldau, Snapshot of Photovoltaics.
BĐ7: Công suất PV được lắp đặt hàng năm trên toàn cầu
Nguồn: Arnulf Jäger-Waldau, Snapshot of Photovoltaics.
Năm 2018, ước tính sản xuất các tế bào/module PV khoảng trên 100 GW, tăng 7% so với năm 2017. Công nghiệp sản xuất PV ở Trung Quốc phát triển nhanh chóng sau năm 2010, hiện là nước có sản lượng PV cao nhất thế giới (BĐ8), chiếm vị trí hàng đầu về số lượng công ty sản xuất PV (381 công ty), kế đến là Mỹ và Đức (Bảng1).
BĐ8: Sản xuất tế bào/module quang điện trên toàn cầu
Nguồn: Arnulf Jäger-Waldau, Snapshot of Photovoltaics.
Bảng 1: Số lượng công ty sản xuất PV ở các nước
(Theo trụ sở chính, năm 2016)
|
STT
|
Quốc gia
|
Số lượng công ty
|
Tỉ lệ trên tổng số công ty (%)
|
|
1
|
Trung Quốc
|
381
|
41
|
|
2
|
Mỹ
|
152
|
16
|
|
3
|
Đức
|
125
|
13
|
|
4
|
Nhật
|
70
|
7
|
|
5
|
Hàn Quốc
|
53
|
6
|
|
6
|
Đài Loan
|
44
|
5
|
|
7
|
Ý
|
18
|
2
|
|
8
|
Thụy Sỹ
|
15
|
2
|
|
9
|
Khu vực còn lại
|
81
|
8
|
|
|
Tổng cộng
|
939
|
100
|
Nguồn: Carvalho và cộng sự, World Intellectual Property Report 2017, Innovation is transforming the photovoltaic industry; WIPO.
Xu hướng điện mặt trời qua thông tin sáng chế
Năm 2000, số lượng đơn đăng ký sáng chế (SC) liên quan đến PV trên toàn cầu chỉ trên 2.000 SC, từ sau năm 2005 số lượng sáng chế bắt đầu tăng mạnh, đến năm 2011 vượt 16.000 SC. Số lượng đơn sáng chế về PV ở Trung Quốc chiếm số lượng lớn trong những năm gần đây, tiếp theo là Nhật, Mỹ và Hàn Quốc (BĐ9).
BĐ9: Phát triển số lượng đơn đăng ký sáng chế về PV trên toàn cầu
(Giai đoạn 2000-2015)
Nguồn: WiPO; World Intellectual Property Report 2017, Innovation is transforming the photovoltaic industry.
Hầu hết các đăng ký sáng chế về PV thuộc các thành phần trong phân đoạn giữa của chuỗi giá trị PV trên toàn cầu (H2), chủ yếu về tế bào và module quang điện. Giai đoạn 2000-2015, hơn 1/2 đơn sáng chế về PV trên toàn cầu liên quan đến công nghệ về module, hơn 1/3 đơn sáng chế liên quan đến công nghệ về tế bào (BĐ10).
H2: Chuỗi giá trị toàn cầu của PV c-Si
Nguồn: WIPO; Carvalho, Dechezloprétre and Glachant.
BĐ10: Số lượng đơn đăng ký sáng chế về PV theo phân đoạn trong chuỗi giá trị
(Giai đoạn 2000-2015)
Nguồn: WIPO; World Intellectual Property Report 2017, Innovation is transforming the photovoltaic industry
Với hơn 46% đơn đăng ký sáng chế trong giai đoạn 2011-2015, Trung Quốc trở thành nước dẫn đầu về số lượng đơn đăng ký sáng chế liên quan đến PV trên thế giới, phần lớn về PV c-Si, đúc và sản xuất wafer và module; trong khi đó Mỹ chiếm ưu thế về các sáng chế liên quan đến hệ thống PV (BĐ11).
BĐ11: Đơn đăng ký sáng chế về PV nộp ở các nước theo phân đoạn trong chuỗi giá trị
(Giai đoạn 2011-2015)
Nguồn: WIPO; World Intellectual Property Report 2017, Innovation is transforming the photovoltaic industry.
Điện mặt trời ở Việt Nam
Việt Nam có tiềm năng rất lớn về điện mặt trời, là vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới với số giờ nắng dao động từ 1.600-3.000 giờ/năm, cao nhất là khu vực Trung và Nam bộ. Bên cạnh những dự án điện mặt trời độc lập cung cấp điện cho các khu vực không có lưới điện quốc gia và các vùng xa xôi, các hệ thống điện mặt trời nối lưới bắt đầu phát triển ở Việt Nam. Tính đến 30/6/2019, có 81 nhà máy được vận hành, với 4.464 MW điện mặt trời đã hòa lưới. Dự kiến, từ nay đến cuối năm 2019, sẽ tiếp tục đóng điện đưa vào vận hành thêm 13 nhà máy điện mặt trời có tổng công suất 630 MW.
Các số liệu liên quan đến điện mặt trời ở Việt Nam
(Nguồn: Anh Minh-Tạ Lư, Bùng nổ dự án điện mặt trời, vnexpress.net)
Vũ Trung (CESTI)