1. Năng lượng mặt trời là gì?
Năng lượng mặt trời (solar energy) là năng lượng bức xạ nhiệt từ Mặt Trời (xem thêm ba cách truyền năng lượng nhiệt: bức xạ), và biểu hiện rõ nhất chính là ánh sáng mặt trời mà chúng ta thấy hằng ngày. Mặc dù năng lượng Mặt Trời chiếu tới tầng khí quyển của Trái Đất chỉ chiếm khoảng 1/2,2 tỷ tổng năng lượng bức xạ của Mặt Trời, nhưng con số này vẫn đạt tới 173.000 terawatt (TW) – tương đương với 5 triệu tấn than mỗi giây hay 49.940.000.000 joule mỗi giây.
Năng lượng mặt trời có thể chuyển đổi trực tiếp thành điện năng hoặc nhiệt năng thông qua các thiết bị chuyên dụng. Đây là nguồn năng lượng tái tạo, vô tận và sạch, đóng vai trò quan trọng trong việc giảm phát thải khí nhà kính và hướng đến phát triển bền vững. Nếu được khai thác hiệu quả, đây chính là “chìa khóa vàng” giải quyết khủng hoảng năng lượng toàn cầu.
2. Lịch sử của năng lượng mặt trời
Lịch sử của năng lượng mặt trời có thể truy ngược về những nền văn minh cổ đại – khi con người đã biết dùng kính lúp để hội tụ ánh sáng mặt trời nhằm tạo lửa. Tuy nhiên, trong bối cảnh hiện đại, sự phát triển của năng lượng mặt trời thường được gắn liền với sự phát hiện hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect).
Vào năm 1839, nhà vật lý người Pháp Alexandre-Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiện tượng này. Ông phát hiện rằng, khi chiếu bức xạ mặt trời lên các vật liệu bán dẫn như bạch kim hoặc bạc, sẽ tạo ra dòng điện.
Đến những năm 1880, Charles Fritts đã mở rộng nghiên cứu của Becquerel bằng cách chế tạo tế bào năng lượng mặt trời đầu tiên. Trước khi phòng thí nghiệm Bell vào năm 1954 chế tạo thành công tấm pin quang điện bằng silicon đầu tiên – một cột mốc đột phá – đã có nhiều nhà khoa học khác cũng nỗ lực nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Ngày nay, quang điện (photovoltaic) đã trở thành phương pháp phổ biến nhất để khai thác năng lượng mặt trời, đóng vai trò then chốt trong ngành năng lượng tái tạo của thế giới.
3. Nguyên lý hoạt động
Năng lượng mặt trời được khai thác theo hai hình thức chính:
Điện mặt trời (Solar Photovoltaic – PV)
Điện mặt trời (Photovoltaics; bắt nguồn từ “photo-” nghĩa là ánh sáng và “voltaics” nghĩa là điện áp), là hệ thống sử dụng vật liệu bán dẫn quang điện để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều (DC) thông qua hiệu ứng quang điện. Cụ thể, hiệu ứng quang điện là hiện tượng ánh sáng chiếu vào vật liệu bán dẫn không đồng nhất hoặc vùng tiếp xúc giữa bán dẫn và kim loại, tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa các vị trí khác nhau, từ đó sinh ra dòng điện.
Các tế bào quang điện mặt trời (solar cell) được chia thành hai loại chính là loại nền (substrate type) và loại màng mỏng (thin-film type). Trong đó, loại nền lại được phân chia thành đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) – được tạo thành bằng cách nung chảy và làm nguội vật liệu. Loại màng mỏng thường phù hợp hơn trong việc tích hợp với kiến trúc xây dựng, vì có độ cong, dễ uốn, gập hoặc gắn vào bề mặt công trình, và thường sử dụng silic vô định hình (amorphous silicon) làm vật liệu chính. Ngoài hai loại này, còn có các tế bào năng lượng mặt trời được làm từ vật liệu hữu cơ hoặc công nghệ nano, tuy nhiên các loại này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Dựa trên vật liệu chế tạo, pin năng lượng mặt trời được chia thành: pin bán dẫn nền silic, pin màng mỏng CdTe, pin màng mỏng CIGS, pin màng mỏng nhạy cảm thuốc nhuộm, và pin vật liệu hữu cơ. Trong đó, pin silic lại bao gồm pin đơn tinh thể, pin đa tinh thể và pin màng mỏng silic vô định hình. Thông số quan trọng nhất của pin mặt trời là hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Theo kết quả thí nghiệm, pin đơn tinh thể silic đạt hiệu suất 25.0%, pin đa tinh thể silic đạt 20.4%, pin CIGS đạt 19.8%, pin CdTe đạt 19.6%, và pin màng mỏng silic vô định hình đạt 10.1% (theo tài liệu Solar Cell Efficiency Tables, version 43).
Điều đáng chú ý là một công nghệ chế tạo pin không chỉ giới hạn ở một loại pin duy nhất. Ví dụ, trong công nghệ đa tinh thể silic, có thể sản xuất cả loại tinh thể silic truyền thống lẫn loại màng mỏng. Các thiết kế hiện đại tập trung vào việc mở rộng vùng hấp thụ quang phổ bằng những quy trình và kỹ thuật khác nhau, giúp hấp thụ hiệu quả cả tia sáng ngắn lẫn dài, từ đó giảm chi phí vật liệu và nâng cao hiệu suất sản xuất điện.
Vì điện được tạo ra từ pin mặt trời là điện một chiều (DC), nên để cung cấp điện cho các thiết bị gia dụng hoặc công nghiệp, cần phải lắp thêm bộ chuyển đổi điện DC/AC để biến đổi thành điện xoay chiều (AC).
Các nhà máy điện mặt trời được chia thành hai loại theo cách kết nối hệ thống: hệ thống độc lập (off-grid) và hệ thống hòa lưới (on-grid). Ngoài ra, hệ thống phát điện quang điện còn được phân loại thành hệ thống tập trung quy mô lớn, như các trang trại năng lượng mặt trời ở khu vực Tây Bắc, và hệ thống phân tán (dưới 6MW), ví dụ như hệ thống quang điện trên mái nhà của nhà xưởng, doanh nghiệp, hoặc hộ gia đình.
Nhiệt điện mặt trời (Solar Thermal)
Nhiệt điện mặt trời là công nghệ sử dụng năng lượng Mặt Trời dưới dạng nhiệt, tức là thu nhận hoặc tập trung bức xạ mặt trời để chuyển hóa thành nhiệt năng phục vụ cho đời sống và sản xuất. Nhờ những tiến bộ trong công nghệ hiện đại, con người ngày nay có thể tập trung ánh sáng mặt trời và chuyển hóa năng lượng đó thành nước nóng, hơi nước hoặc điện năng.
Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA), bộ thu nhiệt mặt trời được chia thành ba loại: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao.
- Bộ thu nhiệt độ thấp thường là dạng tấm phẳng, được sử dụng chủ yếu để làm nóng nước trong hồ bơi.
- Bộ thu nhiệt độ trung bình cũng là tấm phẳng, nhưng dùng để sản xuất nước nóng sinh hoạt hoặc sưởi ấm không gian, phục vụ các công trình dân dụng và thương mại.
- Bộ thu nhiệt độ cao sử dụng gương phản xạ hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng mặt trời, thường được ứng dụng trong phát điện, gọi là hệ thống điện nhiệt năng lượng mặt trời tập trung (Concentrated Solar Power – CSP).
Hệ thống nhiệt điện mặt trời tập trung (CSP) là một công nghệ phát điện dựa trên nguyên lý quang – nhiệt. Hệ thống này sử dụng gương hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng mặt trời từ một vùng rộng lớn vào một điểm nhỏ, khiến nhiệt độ tại vùng tập trung tăng cao. Nhiệt lượng này được chuyển hóa thành cơ năng thông qua các động cơ nhiệt (thường là tuabin hơi nước) và vận hành máy phát điện để tạo ra điện năng.
Hiện nay, có ba loại chính của hệ thống phát điện nhiệt mặt trời tập trung (CSP):
Hệ thống đĩa tập trung năng lượng mặt trời (Dish Stirling System): Hệ thống này gồm bộ phản xạ hình đĩa và bộ chuyển đổi năng lượng. Bộ phản xạ có thể theo dõi chuyển động của Mặt Trời và tập trung ánh sáng vào một vùng nhỏ. Để giảm chi phí, người ta thường ghép nhiều gương phẳng nhỏ thành cấu trúc đĩa lớn. Bộ chuyển đổi năng lượng gồm bộ thu nhiệt và động cơ phát điện (thường là động cơ Stirling). Bộ thu nhiệt hấp thụ năng lượng mặt trời, chuyển hóa thành nhiệt, lưu trữ trong không khí hoặc nước nóng, rồi truyền đến động cơ để biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, từ đó phát điện.
Hệ thống tháp năng lượng mặt trời (Solar Power Tower System): Hệ thống này sử dụng một mạng lưới gương định nhật (heliostat) – những gương có khả năng tự động điều chỉnh hướng theo Mặt Trời – để tập trung ánh sáng lên bộ thu trung tâm đặt trên đỉnh tháp cao. Bên trong bộ thu có chất dẫn nhiệt (trước đây là hơi nước, ngày nay thường là muối nitrat nóng chảy) giúp truyền và lưu trữ nhiệt năng. Nhiệt lượng này được dùng để tạo hơi nước quay tuabin, sinh ra điện năng. So với các công nghệ trước đây, hệ thống tháp có hiệu suất cao hơn và khả năng tích trữ nhiệt lâu hơn.
Hệ thống máng parabol (Parabolic Trough System): Hệ thống này sử dụng gương phản xạ hình chữ U hoặc parabol để tập trung ánh sáng mặt trời vào ống thu nhiệt chạy song song theo chiều dài máng. Trong ống có chất dẫn nhiệt (thường là dầu hoặc muối nóng chảy) được đun nóng để tạo hơi nước, làm quay tuabin phát điện. Có hai biến thể chính của hệ thống này:
- Máng parabol truyền thống, trong đó ống thu đặt tại tiêu điểm của gương phản xạ.
- Hệ thống gương Fresnel, sử dụng nhiều gương phẳng nhỏ điều chỉnh linh hoạt, giúp tăng khả năng bám theo Mặt Trời và giảm chi phí xây dựng.
4. Các ứng dụng phổ biến của năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời, với tư cách là một nguồn năng lượng xanh và tái tạo, có rất nhiều cách ứng dụng cùng các sản phẩm mở rộng. Gần như trong mọi lĩnh vực cần sử dụng điện, năng lượng mặt trời đều có thể phát huy tác dụng. Sau khi hiểu về nguyên lý và các loại pin mặt trời, chúng ta có thể thấy năng lượng mặt trời được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Các sản phẩm điện tử sử dụng năng lượng mặt trời rất quen thuộc trong đời sống hằng ngày, chẳng hạn như máy tính bỏ túi, đồng hồ hay đèn pin chạy bằng năng lượng mặt trời. Những thiết bị này đều dùng các tấm pin nhỏ để thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời, cung cấp điện cho hoạt động của chúng. Trong lĩnh vực kiến trúc, nhiều công trình hiện đại đã tích hợp các thiết bị năng lượng mặt trời vào thiết kế, như trên cửa sổ hoặc tường ngoài. Các tấm pin mặt trời này giúp tạo ra điện cung cấp cho nhu cầu sử dụng bên trong tòa nhà, trở thành một phần quan trọng trong xu hướng “kiến trúc xanh”.
Việc lắp đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà cũng là một ứng dụng phổ biến, giúp chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Nguồn điện này không chỉ đáp ứng nhu cầu sử dụng trong gia đình mà còn có thể được bán lại cho công ty điện lực. Ngoài ra, đèn đường năng lượng mặt trời là một giải pháp chiếu sáng thân thiện và tiện lợi, hoạt động độc lập mà không cần kết nối với lưới điện. Nhờ công nghệ phát điện và lưu trữ năng lượng, đèn có thể chiếu sáng vào ban đêm, đặc biệt hữu ích ở những vùng xa xôi khó tiếp cận điện lưới.
Bên cạnh đó, tấm pin mặt trời còn được ứng dụng trên các phương tiện di chuyển như ô tô hay tàu thuyền, giúp cung cấp năng lượng hoặc hỗ trợ hệ thống điện, từ đó giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống và góp phần bảo vệ môi trường. Trong không gian vũ trụ, các vệ tinh nhân tạo cũng lấy năng lượng chủ yếu từ mặt trời, giúp chúng duy trì hoạt động và thực hiện các nhiệm vụ khoa học như thông tin liên lạc, định vị và giám sát môi trường, góp phần làm cho cuộc sống con người ngày càng tiện nghi hơn.
5. Ưu điểm của năng lượng mặt trời
- Sạch và thân thiện với môi trường: Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng xanh, trong quá trình vận hành không thải ra khí CO₂ hay các chất ô nhiễm khác vào bầu khí quyển, rất thân thiện với môi trường và góp phần cải thiện chất lượng không khí.
- Tái tạo và bền vững: Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có thể tái tạo và vô tận. So với các nhiên liệu hóa thạch có giới hạn, năng lượng mặt trời cung cấp cho chúng ta nguồn năng lượng liên tục, giống như một “kho năng lượng” luôn được tự động bổ sung.
- Hiệu quả kinh tế: Về lâu dài, đầu tư vào hệ thống điện mặt trời là một lựa chọn rất kinh tế. Nó giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu hóa thạch, đồng thời hệ thống pin mặt trời có độ bền cao và tuổi thọ dài.
- Tính linh hoạt và khả năng lắp đặt rộng rãi: Hệ thống năng lượng mặt trời có thể được ứng dụng ở nhiều nơi khác nhau — từ các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn cho đến mái nhà, mặt đất hoặc tường của các tòa nhà. Chỉ cần có ánh sáng mặt trời là hệ thống có thể hoạt động.
- Lợi ích xã hội và sức khỏe: Năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào tài nguyên hữu hạn mà còn vận hành êm ái, không tạo tiếng ồn hay thải ra chất độc hại, góp phần xây dựng một môi trường sống lành mạnh và thoải mái hơn cho con người.
6. Những hạn chế hiện nay
- Bị ảnh hưởng bởi thời tiết và điều kiện địa lý: Hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời dễ bị tác động bởi các yếu tố thời tiết và vị trí địa lý. Ví dụ, vào những ngày nhiều mây, ban đêm hoặc ở các khu vực có ánh sáng mặt trời yếu, hiệu quả thu năng lượng sẽ giảm đáng kể, khiến việc sử dụng năng lượng mặt trời bị hạn chế.
- Cần diện tích lắp đặt nhất định: So với các dạng năng lượng khác như nhiên liệu hóa thạch, mật độ năng lượng của năng lượng mặt trời tương đối thấp. Nói cách khác, để thu được cùng một lượng năng lượng, chúng ta cần diện tích lớn hơn để lắp đặt các tấm pin mặt trời — nghĩa là phải có không gian đủ rộng để hệ thống hoạt động hiệu quả.
- Chi phí lắp đặt và bảo trì cao: Việc lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời đòi hỏi một khoản đầu tư ban đầu đáng kể, bao gồm chi phí cho các tấm pin, hệ thống lưu trữ và các thiết bị liên quan khác. Ngoài ra, hệ thống cũng cần được bảo dưỡng và vệ sinh định kỳ, tốn thêm thời gian và chi phí vận hành.
- Yêu cầu kỹ thuật chuyên môn: Việc lắp đặt và vận hành hệ thống năng lượng mặt trời cần có kiến thức kỹ thuật và kỹ năng chuyên môn nhất định. Đối với người dùng phổ thông hoặc những ai không có chuyên môn, thường phải nhờ đến sự hỗ trợ của các chuyên gia.
- Chi phí lưu trữ năng lượng cao: Năng lượng mặt trời bị phụ thuộc vào thời tiết và số giờ nắng, nên không thể đảm bảo nguồn điện ổn định mọi lúc. Vì vậy, cần có hệ thống lưu trữ năng lượng để điều tiết. Tuy nhiên, các công nghệ lưu trữ hiện nay vẫn còn hạn chế về dung lượng và có chi phí cao, do đó vẫn cần được cải tiến để đạt hiệu quả tốt hơn trong tương lai.
7. Tình hình phát triển tại Việt Nam
Năng lượng mặt trời đang trở thành một trong những lĩnh vực mũi nhọn trong chiến lược phát triển năng lượng xanh của Việt Nam. Với vị trí địa lý nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, Việt Nam có tiềm năng dồi dào về bức xạ mặt trời, trung bình từ 4 đến 5 kWh/m²/ngày và khoảng 2.000 đến 2.500 giờ nắng mỗi năm, đặc biệt tập trung ở các tỉnh miền Trung và miền Nam như Ninh Thuận, Bình Thuận, Khánh Hòa, Gia Lai hay Tây Ninh. Đây là những khu vực lý tưởng cho việc phát triển các dự án điện mặt trời quy mô lớn, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết hợp với nông nghiệp hoặc sản xuất công nghiệp.
Trong giai đoạn 2017–2022, Việt Nam đã chứng kiến sự bùng nổ của các dự án điện mặt trời nhờ vào chính sách giá mua điện ưu đãi (Feed-in Tariff – FiT) của Chính phủ. Hàng loạt dự án điện mặt trời mặt đất và điện mặt trời mái nhà được triển khai nhanh chóng trên khắp cả nước, đưa tổng công suất điện mặt trời lắp đặt đạt khoảng 18,6 GW vào năm 2023, trong đó điện mặt trời mái nhà chiếm hơn 9 GW. Sự phát triển này đã giúp Việt Nam trở thành quốc gia có tốc độ tăng trưởng năng lượng mặt trời nhanh nhất Đông Nam Á, đồng thời góp phần đa dạng hóa nguồn cung điện năng, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hướng tới mục tiêu giảm phát thải carbon.
Bên cạnh những thành tựu nổi bật, ngành năng lượng mặt trời tại Việt Nam vẫn đang đối mặt với nhiều thách thức. Hệ thống truyền tải điện ở một số khu vực phát triển mạnh năng lượng tái tạo chưa được đầu tư đồng bộ, dẫn đến tình trạng quá tải lưới điện, khiến nhiều dự án phải cắt giảm công suất. Ngoài ra, chi phí lưu trữ điện năng bằng pin vẫn còn cao, trong khi công nghệ lưu trữ trong nước chưa thực sự phát triển. Tính phụ thuộc vào điều kiện thời tiết cũng là một yếu tố khiến nguồn điện mặt trời chưa thể ổn định hoàn toàn trong việc cung cấp năng lượng cho lưới điện quốc gia.
Theo Quy hoạch điện VIII được phê duyệt năm 2023, Việt Nam đặt mục tiêu đến năm 2030 sẽ đạt tổng công suất điện mặt trời khoảng 20.591 MW, và đến năm 2050 có thể đạt 189.000 MW, chiếm tỷ trọng lớn trong cơ cấu năng lượng quốc gia. Bên cạnh đó, Việt Nam cũng định hướng phát triển mạnh điện mặt trời mái nhà, đặc biệt là tại khu vực dân cư, khu công nghiệp và cơ sở sản xuất, nhằm tận dụng hiệu quả không gian sẵn có và giảm áp lực cho lưới điện quốc gia.
Tổng thể, năng lượng mặt trời đang đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi cơ cấu năng lượng của Việt Nam theo hướng xanh – sạch – bền vững. Việc đẩy mạnh đầu tư, nghiên cứu công nghệ mới, phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng và cải thiện hạ tầng truyền tải sẽ giúp Việt Nam không chỉ đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, mà còn tiến gần hơn đến mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050, góp phần xây dựng một nền kinh tế xanh và thân thiện với môi trường.
Về IFK Solartech
IFK Solartech mang đến cho bạn không gian xanh hiện đại, nơi công nghệ và thiên nhiên hòa quyện hoàn hảo. Với các giải pháp năng lượng mặt trời tiên tiến, hệ thống vận hành thông minh và nhiều ứng dụng thân thiện với môi trường – đây chính là điểm đến lý tưởng cho một cuộc sống bền vững, tiết kiệm và xanh hơn mỗi ngày.
Trụ sở chính: 41 Đường 13 Quốc Lộ 13, Khu đô Thị Vạn Phúc, Thủ Đức, Tp. HCM
Văn phòng Di Linh: Số 8, Đường 3 Cây Thông, Tân Thượng, Di Linh, Lâm Đồng
Số điện thoại:(+84)282.247.7755
Email: info@soltech.ifkgroup.net
Website: https://soltech.ifkgroup.net/
Facebook: https://www.facebook.com/ifksolartech
Vietnamese