by Trên cơ sở phân tích các đặc trưng kỹ thuật, kinh tế và xã hội của công nghệ nhiệt điện mặt trời (CSP) và đối chiếu với các đặc thù về điều kiện tự nhiên, kinh tế và xã hội của Việt Nam, có thể kết luận rằng, công nghệ phát điện năng lượng tái tạo này không thích hợp để đầu tư phát triển và ứng dụng ở Việt Nam trong giai đoạn hiện nay.
1. Các công nghệ năng lượng mặt trời và công nghệ nhiệt điện mặt trời (CSP)
Năng lượng mặt trời (NLMT) là một nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) tự nhiên, rất sạch và có tiềm năng vô cùng lớn. NLMT đang và sẽ là một trong các nguồn NL chính của nhân loại hiện nay và trong tương lai để sản xuất điện và nhiệt. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng NLMT cần phải có các công nghệ phù hợp khác nhau. Hiện nay, có 3 công nghệ đã được phát triển và thương mại hóa. Đó là: (1) Công nghệ nhiệt mặt trời (CN NMT); (2) Công nghệ điện mặt trời (CN ĐMT) hay công nghệ quang điện (PV) và (3) Công nghệ nhiệt điện mặt trời (CN NĐMT, CSP). Hình 1 mô tả nguyên lý tổng quát của các công nghệ NLMT.
Hình 1. Các công nghệ NLMT
Dưới đây sẽ trình bày tóm tắt nguyên lý các CN NLMT nói trên.
(1) Công nghệ nhiệt mặt trời
CN NMT hay còn gọi là CN NMT nhiệt độ thấp là công nghệ biến đổi NLMT thành nguồn nhiệt năng có nhiệt độ không cao, thường < 2000C (CN số (1) trên hình 1). Thành phần chính trong CN NMT là Bộ thu và chuyển đổi NLMT (Solar Thermal Collector) hoạt động dựa trên hiệu ứng nhà kính. Khi có các tia sáng mặt trời chiếu tới bộ thu thì NLMT bị bộ thu hấp thụ và chuyển đổi thành năng lượng nhiệt.
Do nhiệt độ không cao nên nguồn nhiệt này thường được sử dụng cho các mục đích như sản xuất nước nóng sinh hoạt; sấy nông lâm sản, dược liệu; sưởi; gia nhiệt cho một số quá trình sản xuất tiểu, thủ công nghiệp... trong đó ứng dụng phổ biến và hiệu quả nhất là đun nước nóng cho sinh hoạt trong các gia đình, khách sạn, bệnh viện nhờ các thiết bị gọi là bộ đun nước nóng mặt trời (xem hình 2) được lắp trên các mái nhà của các hộ hay các tòa nhà. CN NMT hiện nay đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Ở Việt Nam cũng đã lắp đặt, sử dụng hàng chục vạn thiết bị này với tổng diện thu NLMT hàng vài chục vạn mét vuông, hàng năm sản xuất một lượng nước nóng rất lớn phục vụ nhu cầu nước nóng sinh hoạt.
Hình 2. Các Bộ thu NLMT trong các CN NLMT:
(2) Công nghệ điện mặt trời (PV)
Trong CN ĐMT, Bộ thu và chuyển đổi NLMT là các tấm (module) pin mặt trời được chế tạo chủ yếu từ vật liệu bán dẫn Silicon (Si). Quá trình chuyển đổi NLMT dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang-điện. Hình 2 cho hình ảnh một bộ thu là dàn pin mặt trời gồm nhiều tấm pin ghép nối lại.
Khi có các tia sáng mặt trời chiếu tới, các tấm pin mặt trời sẽ hấp thụ NLMT và chuyển đổi trực tiếp thành điện năng của dòng điện một chiều (công nghệ số (2) trên hình 1). Dòng điện một chiều này có thể sử dụng trực tiếp hoặc biến đổi thành dòng điện xoay chiều có tần số thông dụng để cung cấp cho các hộ tiêu thụ.
CN ĐMT là một trong các công nghệ công nghệ phát điện NLTT quan trọng nhất trên thế giới hiện nay với tốc độ tăng trưởng hàng năm rất cao (trung bình khoảng 36%/năm). Tỷ phần của nguồn điện này trong cơ cấu nguồn điện của nhân loại ngày càng lớn hơn.
(3) Công nghệ nhiệt điện mặt trời (CSP)
CN NĐMT hay còn gọi là CN NĐMT hội tụ (Concentrating Solar Thermal Power, CSP) cũng là một CN biến đổi NLMT thành điện năng thông qua 2 bước: trước hết NLMT được biến đổi thành nhiệt có nhiệt độ cao, sau đó nhiệt này được sử dụng như nguồn nhiệt để phát điên (xem hình 1). Trong công nghệ này, bộ thu NLMT là các gương phản xạ có dạng phẳng, mặt cầu lõm hay máng parabon, Các bộ thu gương phản xạ này hoạt động dựa trên hiệu ứng hội tụ các tia sáng mặt trời.
Hình 2 cho ảnh các bộ thu NLMT máng gương parabon. Trên mỗi máng ta thấy có một đường ống kim loại thẳng được đặt trùng với đường hội tụ hay còn gọi là đường tiêu của máng. Khi có các tia mặt trời tới máng theo phương vuông góc với tiết diện hứng nắng của máng thì chúng sẽ bị gương phản xạ và hội tụ vào đường tiêu. Do toàn bộ NLMT tới trên diện tích khá lớn của máng được hội tụ vào đường tiêu có thể tích rất nhỏ nên mật độ NLMT trên đường này rất cao, có thể cao hơn hàng trăm lần mật độ NLMT tự nhiên. Kết quả là nhiệt độ trên đường tiêu và do đó nhiệt độ của ống kim loại, đạt rất cao, thông thường từ 500 0C đến hơn 700 0C. Nếu cho một chất lỏng tải nhiệt, ví dụ như nước, chảy qua ống kim loại thì nước sẽ lập tức bốc hơi ở áp suất cao. Hơi này sau đó được dẫn tới tuabin để phát điện như ta thấy trên sơ đồ hình 3.
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện mặt trời (CSP) dùng bộ thu là các máng gương parabon (https://www.bls.gov/green/solar_power)
Các tia sáng mặt trời tới các máng gương parabon, bị phản xạ và hội tụ vào các các ống kim loại đặt trên Đường Tiêu của máng, nhiệt độ của các ống lên đến hàng trăm độ. Nước trong ống bị bốc hơi dưới áp suất cao. Hơi này được dẫn tới tuabin (đường màu đỏ) làm quay rotor của máy phát điện để sản xuất điện đưa lên lưới truyền tải. Hơi nước sau khi qua tuabin bị nguội đi (đường màu xanh) được đưa về các bể ngưng tụ và lại được bơm trở lại các ống đặt trên đường hội tụ của gương. Trong hình còn cho thấy các thiết bị tích trữ nhiệt năng.
CN NĐMT (CSP) cũng là một công nghệ sản xuất điện từ NLMT. Tuy nhiên, so với CN ĐMT (PV) thì nó không phát triển bằng. Ví dụ, đến năm 2016, tổng công suất ĐMT trên toàn thế giới lên đến 303GW, trong lúc đó đối với công nghệ NĐMT thì con số này chỉ là 4,8GW. Các lý do giải thích tại sao CN NĐMT (CSP) hiện nay chưa phát triển được cho trên bảng 1.
Bảng 1- So sánh các đặc trưng chính của các CN ĐMT và CN NĐMT
Ghi chú: Các giá trị trong bảng 1 là các giá trị trung bình trên phạm vi toàn thế giới năm 2016 từ nguồn tài liệu: REN21, Global Renewable Energy Report 2017.
Từ bảng 1 trên ta thấy rằng:
1. CN NĐMT chỉ thu và biến đổi thành phần trực xạ trong NLMT (là thành phần gồm các tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới mặt đất). Thành phần này chỉ chiếm trung bình từ 25% đến 50% trong tổng NLMT. Vì vậy, công nghệ này đã bỏ phí mất một phần khá lớn trong NLMT là thành phần gồm các tia tán xạ. Trong lúc đó, CN ĐMT có bộ thu là các tấm pin mặt trời, thu và chuyển đổi tất cả các thành phần của NLMT. Ngoài ra, do bộ thu trong CN NĐMT chỉ làm việc với thành phần trực xạ nên để có hiệu suất tốt, các bộ thu luôn phải định hướng hay quay theo mặt trời nhờ một thiết bị gọi là “bộ định hướng theo mặt trời” (Sun-Tracker). Còn trong CN ĐMT, bộ thu là các tấm pin mặt trời có thể định hướng cố định vẫn cho hiệu quả cao.
Các dự án NĐMT chỉ có hiệu quả cao khi xây dựng ở những khu vực có thành phần trực xạ và số giờ nắng trung bình hàng năm cao như các khu vực sa mạc ở châu Phi, Trung Đông, một số Bang ở Mỹ và Úc (Tổng xạ > 6kWh/m2.ngày và số giờ nắng > 2400 giờ/năm).
2. Về mặt bằng lắp đặt các bộ thu: cả hai CN đều cần diện tích lắp đặt rất lớn: CN ĐMT cần 1,0 – 1,3 ha/MW; CN NĐMT cần 1,2 – 1,5 ha/MW.
Đối với CN NĐMT, do các Bộ thu rất lớn, lại luôn phải quay theo mặt trời, nên phải lắp chúng trên một diện tích tương đối bằng phẳng. Vì vậy, các hoang mạc khô cằn, mênh mông ở các khu vực châu Phi, Trung Đông, Bắc Mỹ là các mặt bằng thích hợp nhất để xây dựng các dự án NĐMT. Trong lúc đó, do các Bộ thu trong CN ĐMT là các tấm pin mặt trời có thể lắp cố định nên có thể tận dụng diện tích bất kỳ, như trên các mái nhà, mặt hồ nước, các hành lang
3. Về Hệ số công suất, nhờ có hệ thống tích trữ năng lượng mà Hệ số công suất của nhà máy NĐMT (giá trị trung bình là 29,4%) cao hơn so với nhà máy ĐMT (trung bình bằng 17,9%).
4. Về suất đầu tư thì CN NĐMT cao hơn khoảng 3 lần so với CN ĐMT (5.785USD/kW so với 1.916USD/kW). Ngoài ra, chi phí vận hành, bảo trì bảo dưỡng đối với CN NĐMT cao hơn 4 lần so với CN ĐMT. Tuy nhiên, nhờ có hệ số công suất cao hơn nên kết quả cuối cùng là giá điện trung bình của CN NĐMT cao hơn giá điện CN ĐMT 1,8 lần.
2. Tại sao CN NĐMT không thích hợp với Việt Nam?
Như ta biết, điều kiện tự nhiên, xã hội Việt Nam có các đặc điểm sau:
- “Đất chật, người đông”, “tấc đất, tấc vàng”, ít có các diện tích sa mạc hóa. Mật độ dân số trung bình của Việt Nam là 274 người/km2, gấp 5,2 lần mật độ dân số trung bình của thế giới và cao thứ ba trong khu vực Đông Nam Á.
- NLMT không cao. Tổng xạ hay tổng NLMT chỉ vào loại trung bình, đạt khoảng (4,5 – 5) kWh/m2.ngày; số giờ nắng trung bình cũng chỉ khoảng (1800 – 2200) giờ/năm. Đặc biệt, thành phần tán xạ trong NLMT ở Việt Nam khá lớn, chiếm từ 35% đến gần 50% tổng xạ.
- Suất đầu tư và giá điện CN NĐMT còn rất cao so với hiện trạng kinh tế ở Việt Nam (xem bảng 1). Từ các phân tích các đặc điểm của CN NĐMT và điều kiện tự nhiên, xã hội của nước ta, có thể kết luận rằng, CN NĐMT không thích hợp với Việt Nam, ít nhất là trong giai đoạn hiện nay. Điều này cũng đã được thể hiện qua các Văn kiện pháp lý của Chính phủ về Chính sách năng lượng đã ban hành trong thời gian qua như Chiến lược phát triển NLTT ở Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050; Qui hoạch phát triển điện đến 2020, tầm nhìn đến 2030, trong đó chỉ đề cập đến CN ĐMT (PV) mà không đề cập đến CN NĐMT (CSP).
0 comments: