Điện năng lượng mặt trời là gì? Các bài nghiên cứu khoa học

Giới thiệu chung về điện năng lượng mặt trời

Điện năng lượng mặt trời là quá trình chuyển đổi bức xạ điện từ từ Mặt Trời thành điện năng sử dụng, được xem là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong chiến lược giảm phát thải khí nhà kính và chuyển dịch năng lượng toàn cầu. Nguồn bức xạ mặt trời trên Trái Đất đạt trung bình khoảng 1.000 W/m² vào giờ nắng, mang lại tiềm năng phát điện khổng lồ nếu được khai thác hiệu quả. Việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời ở quy mô gia đình, thương mại và công nghiệp đã tăng trưởng mạnh trong thập kỷ qua nhờ chi phí công nghệ giảm nhanh và chính sách khuyến khích đầu tư từ nhiều quốc gia.

Các hình thức khai thác chính gồm công nghệ quang điện (Photovoltaic – PV) chuyển trực tiếp photon thành electron trong bán dẫn, và nhiệt điện tập trung (Concentrated Solar Power – CSP) sử dụng gương hoặc thấu kính hội tụ để đun nóng chất tải nhiệt tạo hơi nước vận hành tua-bin. Năng lượng mặt trời không phát thải trong quá trình vận hành, độ bền hệ thống thường vượt 25 năm, đồng thời tạo ra khả năng phân tán điện nhiều điểm và tăng tính ổn định lưới điện khi kết hợp lưu trữ.

Theo báo cáo IEA năm 2023, công suất lắp đặt PV toàn cầu đã vượt 850 GW, chiếm gần 4% tổng công suất điện, với dự báo đạt hơn 3 TW vào năm 2030. CSP tuy chiếm tỷ trọng nhỏ hơn (~6 GW) nhưng nổi bật với khả năng lưu trữ nhiệt lâu (đến 10 giờ), giúp cung cấp điện ổn định vào ban đêm. Điện mặt trời ngày càng được tích hợp trong mô hình “smart grid”, “microgrid” và “agrivoltaics” – kết hợp canh tác cùng điện mặt trời trên cùng diện tích đất, mang lại hiệu suất kinh tế – sinh thái cao hơn.

Định nghĩa và nguyên lý chuyển đổi quang điện

Công nghệ PV vận hành trên nguyên lý hiệu ứng quang điện trong bán dẫn: khi photon từ ánh sáng mặt trời có năng lượng lớn hơn vùng cấm (bandgap) của vật liệu, chúng kích thích electron từ dải liên kết (valence band) lên dải dẫn (conduction band), tạo ra cặp electron–lỗ trống, dẫn đến dòng điện khi nối hai lớp bán dẫn p và n.

Hiệu suất chuyển đổi quang điện (η) được tính theo công thức:

$\eta = \frac{P_\text{out}}{E_\text{sun} \times A}$

trong đó $P_\text{out}$ là công suất đầu ra thực tế (W), $E_\text{sun}$ bức xạ mặt trời trung bình (W/m²) và $A$ diện tích tấm (m²). Các yếu tố quyết định η bao gồm tính chất quang – điện của vật liệu, tổn thất phản xạ, độ cản trở nội bộ và hiệu suất biến tần (inverter).

Hệ PV điển hình bao gồm:

• Tế bào quang điện (cell): thành phần cơ bản, thường kết hợp nhiều cell để tạo module.
• Module PV: gộp cell, bảo vệ bằng kính cường lực, khung nhôm, chống tia UV và ẩm.
• Bộ biến tần (inverter): chuyển dòng điện một chiều (DC) từ module thành xoay chiều (AC) cho lưới.
• Giá đỡ và hệ thống giám sát: điều chỉnh góc nghiêng, theo dõi hiệu năng và bảo trì từ xa.

Lịch sử phát triển và xu hướng công nghệ

Công nghệ PV ra đời năm 1954 tại Bell Labs với tế bào silicon đạt hiệu suất ~6%. Đến những năm 1970, cuộc khủng hoảng dầu mỏ thúc đẩy nghiên cứu, đưa hiệu suất silicon đơn tinh thể (monocrystalline) lên gần 14% vào thập niên 1980. Đầu thế kỷ 21, chi phí sản xuất silicon giảm mạnh, module thương mại đạt hiệu suất 15–18%, kích thích đầu tư diện rộng.

Gần đây, nhiều kỷ lục mới về hiệu suất được công bố:

• Silicon đơn tinh thể đạt >26% (NREL, 2022).
• Tế bào perovskite nghiên cứu vượt 25%, có tiềm năng sản xuất chi phí thấp và linh hoạt.
• Công nghệ HJT (Heterojunction) kết hợp silicon–thin film chạm mốc ~25% trong phòng thí nghiệm.

CSP phát triển sau PV nhưng nổi bật với công nghệ lưu trữ nhiệt tích hợp (molten salt), cho phép phát điện liên tục. Dự án Ivanpah (392 MW, Mỹ) và Noor Ouarzazate (Morocco, 580 MW) minh chứng khả năng thương mại hóa CSP kết hợp lưu trữ. Xu hướng hiện nay tập trung cải thiện tấm phản xạ, chất tải nhiệt mới (muối cacbonat hỗn hợp) và tích hợp hybrid PV–CSP để tận dụng ưu điểm cả hai công nghệ.

Công nghệ quang điện (PV) và phân loại

PV thương mại hiện có nhiều loại, phân thành hai nhóm chính:

• Silicon tinh thể (c-Si): gồm đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline). Ưu điểm độ bền cao, hiệu suất 18–23%, tuổi thọ >25 năm; nhược điểm chi phí năng lượng ban đầu cao và tiêu thụ silicon nhiều.
• Thin-film: bao gồm CdTe, CIGS và amorphous silicon (a-Si). Ưu điểm linh hoạt, trọng lượng nhẹ, giá thành thấp; nhược điểm hiệu suất thấp hơn (~12–17%) và tuổi thọ ngắn hơn.

Các công nghệ mới nổi:

• Perovskite: xấp xỉ 20–25% hiệu suất nghiên cứu, chi phí sản xuất thấp, dễ chế tạo qua in phun hoặc cuộn liên tục.
• Tấm hai mặt (bifacial): thu nhận ánh sáng phản xạ từ mặt đất, nâng hiệu suất hệ thống ~5–15% tuỳ điều kiện mặt nền.
• Tế bào hữu cơ (organic PV): linh hoạt, có thể in trên bề mặt cong, nhưng hiện chỉ đạt ~12% hiệu suất và tuổi thọ ngắn.

Bảng so sánh cơ bản:

Công nghệ	Hiệu suất (%)	Chi phí (USD/W)	Ưu/Nhược điểm
Mono-Si	18–23	0.20–0.30	Bền, hiệu suất cao / Chi phí silicon cao
Poly-Si	15–19	0.15–0.25	Giá thấp hơn / Hiệu suất kém hơn
CdTe	14–18	0.11–0.20	Giá rẻ, linh hoạt / Chứa cadmium độc hại
Perovskite	20–25	0.10–0.15	Chi phí thấp, dễ chế tạo / Tuổi thọ cần cải thiện

Công nghệ nhiệt điện tập trung (CSP)

CSP (Concentrated Solar Power) sử dụng gương parabol, gương phẳng hoặc tháp thấu kính để hội tụ bức xạ mặt trời vào chất tải nhiệt, thường là muối nóng chảy (molten salt) hoặc dầu nhiệt chuyên dụng. Chất tải nhiệt được làm nóng lên đến 500–600 °C, lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt và sinh hơi nước điều khiển tua-bin phát điện, cho phép cung cấp điện liên tục ngay cả khi tắt nắng.

Các dạng CSP phổ biến:

• Parabolic trough: Gương parabol dài hội tụ ánh sáng lên ống nhiệt nằm ở tiêu điểm, chiếm ưu thế công suất thương mại (50–150 MW).
• Solar tower: Hàng trăm gương heliostat chiếu ánh sáng vào tháp trung tâm, đạt nhiệt độ cao hơn (≤1000 °C) và hiệu suất nhiệt tốt hơn.
• Linear Fresnel: Dãy gương phẳng hoặc lồi khúc xạ hội tụ ánh sáng lên ống nhiệt, chi phí xây dựng thấp nhưng hiệu suất thấp hơn so với parabolic trough.

Thành phần hệ thống và vận hành

Hệ PV và CSP đều gồm nhiều thành phần chính:

• Module PV / Gương CSP: Thu bức xạ.
• Bộ biến tần (Inverter): Đối với PV, chuyển DC→AC, tối ưu hóa công suất cực đại (MPPT).
• Hệ thống lưu trữ: Pin lithium-ion cho PV; bể muối nóng chảy cho CSP.
• Giá đỡ và tracking: Cố định hoặc hệ theo dõi mặt trời (single-axis, dual-axis) tăng thu nhận 10–30%.
• SCADA & EMS: Giám sát và quản lý năng lượng, đảm bảo an toàn và tối ưu vận hành.

Bảng tham số điển hình hệ PV và CSP:

Thành phần	PV	CSP
Thu bức xạ	Module silicon	Gương parabol / heliostat
Biến tần	96–99% hiệu suất	N/A
Lưu trữ	Pin Li-ion, 2–6 h	Muối nóng chảy, 6–10 h
Theo dõi	Có/Không	Single-axis phổ biến

Hiệu suất và yếu tố ảnh hưởng

Hiệu suất hệ thống (η_sys) được xác định bằng tích hiệu suất tấm (η_PV hoặc η_opt cho CSP), hiệu suất lưu trữ (η_storage) và tổn thất hệ thống (losses): $\eta_\text{sys} = \eta_\text{collector} \times \eta_\text{storage} \times (1 - \text{losses})$

Các yếu tố chính ảnh hưởng:

• Bức xạ và khí hậu: Cường độ, thời gian nắng và nhiệt độ môi trường.
• Góc nghiêng & hướng đặt: Tối ưu hóa để đón bức xạ trực tiếp.
• Đổ bóng & bụi bẩn: Giảm công suất 5–20% nếu không được vệ sinh thường xuyên.
• Nhiệt độ tấm: Với PV, nhiệt độ cao làm giảm η_PV ~0.4%/°C; CSP ít nhạy cảm hơn nhờ lưu trữ nhiệt.

Lưu trữ năng lượng và tích hợp lưới

Lưu trữ năng lượng giúp cân bằng cung – cầu và duy trì điện áp tần số ổn định. Với PV, pin lithium-ion phổ biến nhờ mật độ năng lượng cao và tuổi thọ >10 000 chu kỳ. CSP ưu thế với lưu trữ nhiệt muối (molten salt) cho thời gian phát điện liên tục suốt đêm.

Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) và SCADA:

• Giám sát từ xa: thu thập dữ liệu công suất, nhiệt độ, lưu lượng nhiệt.
• Điều khiển MPPT: tối đa hóa công suất đầu ra từng tấm hoặc chuỗi.
• Hỗ trợ lưới: chức năng điều chỉnh công suất, hỗ trợ VAr để giữ ổn định điện áp.

Ứng dụng và lợi ích kinh tế – môi trường

Điện mặt trời áp mái cho hộ gia đình, các dự án utility-scale và công nghiệp; CSP chủ yếu utility-scale kết hợp lưu trữ. Theo IRENA, chi phí trung bình toàn cầu của PV giảm 85% trong thập kỷ qua, xuống còn 0.03–0.06 USD/kWh năm 2023.

Lợi ích:

• Giảm phát thải CO₂: PV trung bình tránh 600 g CO₂/kWh so với than đá.
• Tạo việc làm: ngành PV và CSP toàn cầu thu hút >4 triệu lao động (IRENA, 2022).
• Ổn định giá điện: chi phí vận hành thấp và ổn định lâu dài.

Thách thức và xu hướng phát triển

Thách thức:

• Biến đổi thời tiết: phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ, cần lưu trữ và quản lý lưới.
• Chu kỳ sống pin: giảm dung lượng sau 10–15 năm, cần tái chế và xử lý.
• Tác động môi trường CSP: sử dụng nước làm mát và chất tải nhiệt có thể gây ô nhiễm nếu rò rỉ.

Xu hướng:

• Module perovskite tandem: tiềm năng >30% hiệu suất với chi phí sản xuất thấp.
• AI-driven O&M: sử dụng thị giác máy và học sâu để phát hiện lỗi và tối ưu vệ sinh.
• Agrivoltaics: kết hợp nông nghiệp và PV trên cùng diện tích, tăng tổng giá trị năng lượng – lương thực.
• CSP hybrid: kết hợp cùng tuabin khí hoặc PV, tăng hiệu quả vận hành.

Tài liệu tham khảo

1. International Energy Agency (IEA). “Solar PV Report”. Retrieved from https://www.iea.org/reports/solar-pv
2. National Renewable Energy Laboratory (NREL). “Best Research-Cell Efficiency Chart”. Retrieved from https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
3. International Renewable Energy Agency (IRENA). “Renewable Capacity Statistics 2023”. Retrieved from https://www.irena.org/Statistics
4. U.S. Department of Energy. “CSP Industry Update”. Retrieved from https://www.energy.gov/eere/solar
5. Higham, N. J. (2002). Accuracy and Stability of Numerical Algorithms. SIAM.