by Công nghệ hệ nguồn điện mặt trời nổi là một công nghệ mới xuất hiện gần đây nhưng đã thu hút được một sự quan tâm rất lớn của các nhà đầu tư, phát triển điện mặt trời trên toàn thế giới nhờ nó giải quyết được các vấn đề rất quan trọng hiện nay đối với công nghệ này là diện tích mặt bằng để lắp đặt dàn pin và làm tăng hiệu suất hệ nguồn điện đáng kể.
1. Nguồn điện mặt trời nổi là gì?
Như đã biết, các hệ nguồn điện sử dụng các module pin mặt trời (PMT) để biến đổi năng lượng mặt trời (NLMT) thành điện năng gọi là nguồn điện mặt trời (ĐMT). Thành phần chính của một hệ thống nguồn ĐMT là dàn PMT. Dàn PMT có thể gồm một vài hay rất nhiều module PMT nối ghép điện lại với nhau. Dàn PMT phải lắp đặt ở ngoài trời để hấp thụ NLMT và phát ra điện. Tùy vị trí lắp đặt dàn PMT mà hệ nguồn ĐMT có tên gọi khác nhau: (1) Nếu dàn PMT lắp trên mái nhà thì hệ nguồn gọi là hệ nguồn ĐMT mái nhà; (2) Dàn PMT lắp trên mặt đất thì gọi là hệ nguồn ĐMT mặt đất; (3) Còn nếu dàn PMT được lắp trên mặt nước hồ, mặt nước biển thì gọi là hệ nguồn ĐMT nổi (floating solar photovoltaic system hay flotovoltaics).
2. Tại sao lại nguồn ĐMT nổi ?
Phát triển ĐMT nói riêng và điện năng lượng tái tạo (NLTT) nói chung là xu thế tất yếu trên thế giới hiện nay và trong tương lai để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế xã hội của các quốc gia vì các lý do sau đây:
(i) Nhu cầu năng lượng của nhân loại tăng không ngừng;
(ii) Nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu, khí thiên nhiên) đã bị khai thác gần cạn kiệt;
(iii) Hiện tượng biến đổi khí hậu mà một trong các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này là do khai thác, sử dụng năng lượng hóa thạch;
(iv) Các nguồn NLTT và nói riêng nguồn NLMT là các nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính “tái tạo” của chúng;
(v) Đặc biệt, giá ĐMT hiện nay đã có thể cạnh tranh sòng phẳng với giá điện nhiên liệu hóa thạch. Trong tương lai, giá ĐMT sẽ còn tiếp tục giảm, trong khi đó giá điện hóa thạch sẽ ngày càng tăng cao do trữ lượng cạn kiệt và do gây ô nhiễm môi trường.
Tuy nhiên, một thách thức đối với sự phát triển nguồn ĐMT là dàn PMT cần một diện tích rất lớn để lắp đặt. Trung bình để lắp dàn PMT có công suất 1MWp cần 1,3ha (13.000m2). Trong tương lai gần, theo dự báo, tỷ phần của công suất ĐMT có thể lên đến khoảng (25 – 30)% trong tổng công suất các nguồn điện. Với tỷ phần đó, tổng công suất các hệ nguồn ĐMT sẽ rất lớn và do đó nhu cầu diện tích mặt bằng để lắp các dàn pin cũng sẽ là rất lớn. Ví dụ, đối với Việt Nam, theo Quy hoạch phát triển điện đến năm 2030, thì tổng công suất nguồn ĐMT đến các năm 2025 và 2030 lần lượt sẽ là 4.000MWp và 12.000MWp. Do vậy, nhu cầu diện tích mặt bằng tối thiểu để lắp các dàn PMT sẽ tương ứng bằng 5.200 ha và 15.600 ha! Nếu kể thêm các công trình phụ trợ khác như nhà lắp đặt thiết bị phụ trợ, các trạm biến thế, nhà quản lý vận hành, thì diện tích còn lớn hơn nữa.
Để giải quyết vấn đề thách thức này, nhiều quốc gia trên thế giới “đất chật người đông”, đã sử dụng giải pháp tận dụng các diện tích mái nhà như các mái nhà ở, nhà làm việc, khách sạn, siêu thị, trường học, bệnh viện, để lắp đặt dàn PMT. Tuy nhiên, diện tích các mái nhà nói chung không lớn và không phải mái nhà nào cũng lắp đặt dàn PMT được vì nó còn được sử dụng cho các mục đích khác. Hơn nữa, hướng mái nhà không phù hợp cũng không nên lắp đặt dàn PMT do hiệu quả sẽ rất thấp, Công suất các hệ nguồn ĐMT mái nhà khá nhỏ, chỉ từ vài kWp đến vài chục kWp. Và do phân tán, nhỏ lẻ nên chi phí lắp đặt các hệ ĐMT mái nhà cũng cao hơn so với các hệ quy mô lớn và tập trung.
Trước tình hình đó, gần đây một xu hướng mới đã xuất hiện và lập tức được các nhà đầu tư phát triển ĐMT trên toàn thế giới rất quan tâm. Đó là lắp đặt dàn pin mặt trời trên các mặt nước hồ hay thậm chí trên mặt biển. Nói riêng, khoảng 75% bề mặt trái đất được bao phủ bới các đại dương, nên nếu sử dụng được chỉ một phần rất nhỏ của diện tích mặt nước này thì vấn đề diện tích lắp đặt dàn PMT không còn phải quan tâm nữa.
3. ĐMT nổi hiện nay
Trong giai đoạn “bình minh” của “kỷ nguyên ĐMT nổi” một số hệ nguồn ĐMT đã được xây dựng trên các mặt hồ nước ngọt ở nhiều nước trên khắp thế giới.
Hệ ĐMT nổi đầu tiên được xây dựng ở California (Mỹ), công suất 447kWp đi vào vận hành từ năm 2007. Tuy nhiên phần lớn các hệ ĐMT nổi được xây dựng và đưa vào vận hành trong giai đoạn 2013-2016. Cụ thể là trong các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 tổng công suất lắp đặt lần lượt là 1.185kWp, 4.993kWp, 34.657 và 53.061kWp(2). Đến 2016, tổng công suất ĐMT nổi trên thế giới là hơn 94MWp, trong dó phần lớn là các hệ ở Nhật Bản. Trong tổng số 70 hệ ĐMT nổi lớn nhất thế giới hiện nay thì ở Nhật Bản có 45 hệ với tổng công suất chiếm 60% (hay 56,5MWp).
Ngoài Mỹ và Nhật, ĐMT nổi cũng đã được xây dựng ở Trung Quốc, Pháp, Ấn Độ, Indonesia, Israel, Ý, Malaysia, Hà Lan, Singapore, Hàn Quốc, Thụy Điển, Thái lan và Anh. Quy mô các hệ thống rất khác nhau, từ 4kWp đến 20MWp. Các mặt nước đã được sử dụng gồm các hồ đập nước thủy điện, các hồ tự nhiên và các hồ thủy lợi.
Một hệ nguồn ĐMT nổi bao gồm các thành phần chính sau:
1) Hệ thống các phao nổi: các phao làm bằng vật liệu nhẹ, xốp được liên kết với nhau và được neo cố định, trên đó lắp đặt các module PMT. Vật liệu làm phao thường là nhựa HDPE do vật liệu này ít độc hại, không ảnh hưởng đến môi trường và có khả năng tái chế.
2) Hệ thống neo để định vị dàn PMT, giữ cho nó không bị trôi dạt và chống chịu được đối với sóng và gió bão lớn.
3) Module PMT: được lắp đặt trên hệ thống phao. Cho đến nay người ta vẫn sử dụng các module PMT sản xuất theo các tiêu chuẩn kỹ thuật như các module thông thường khác. Tuy nhiên về lâu dài và nhất là khi xây dựng hệ ĐMT trên mặt biển thì cần phải có các loại module được sản xuất theo các tiêu chuẩn riêng, đặc trưng, để có thể làm việc được lâu dài trong điều kiện hơi nước, đặc biệt là hơi nước muối ở biển gây ra sự ăn mòn, han rỉ.
4) Dây, cáp điện: Do dàn PMT ở trên mặt nước nên cần hệ thống dây cáp điện dẫn điện từ dàn PMT lên bờ, đến các thiết bị như Inverter. Điện năng sau Inverter có thể được cấp trực tiếp cho các hộ tiêu thụ hay đưa vào các trạm biến thế để sau đo nối lên lưới điện phân phối hay truyền tải. Cho đến nay, với các dự án đã có, dàn PMT lắp đặt trên các hồ nước ngọt, các cáp điện được sử dụng loại bọc nhựa bảo vệ bên ngoài và được đặt trên các phao để đi vào bờ. Tuy nhiên, trong tương lai, khi sử dụng mặt nước biển để xây dựng hệ ĐMT thì các cáp cũng phải được thiết kế, chế tạo đặc biệt để chống chịu sự phá hoại của hơi muối mặn và chống tia tử ngoại cũng như có thể đi ngầm trong nước biển.
4. Thuận lợi và thách thức đối với công nghệ ĐMT nổi
Về tính ưu việt:
Mặc dù mới ở giai đoạn “bình minh” của quá trình phát triển, nhưng công nghệ ĐMT nổi đã chứng tỏ được các ưu việt nổi trội sau:
- Giải quyết được vấn đề diện tích lắp dàn PMT, dành các diện tích đất để phát triển các lĩnh vực mang lại hiệu quả kinh tế- xã hội cao hơn.
- Hiệu suất biến đổi quang điện của hệ thống tăng lên do các module được hơi nước làm mát. Theo kết quả nghiên cứu của Công Ty Korea Water Resources (Hàn Quốc) thì hiệu suất của các hệ ĐMT nổi cao hơn 11% so với hiệu suất các hệ ĐMT mặt đất.
- Hạn chế được sự phát triển của các loại tảo, trong đó có các loại có hại.
Về các thách thức:
Khi phát triển các hệ nguồn ĐMT nổi, đặc biệt là đối với các hệ xây dựng trên mặt biển, có nhiều vấn đề cần phải giải quyết. Đó là:
- Sự ăn mòn của hơi nước muối biển.
- Chống chịu gió bão và sóng lớn. Đối với sự ăn mòn do hơi nước muối, các nhà sản xuất module PMT phải ứng dụng các công nghệ phù hợp mới, module phải được kiểm tra theo các tiêu chuẩn kỹ thuật - công nghệ - môi trường mới. Hiện nay, Hội đồng kỹ thuật điện quốc tế (IEC) đã bước đầu đưa ra tiêu chuẩn IEC 61701 về chống hơi muối ăn mòn và đang tiếp tục xây dựng các tiêu chuẩn mới liên quan đến ĐMT nổi.
Ngoài ra, các vật liệu làm khung dàn PMT, dây cáp điện, công nghệ lắp đặt… cũng phải được sử dụng loại đặc biệt để chống được sự ăn mòn, han rỉ do nước muối. Về dàn nổi chống chịu gió bão lớn, đã có một số công ty trên thế giới đã bắt đầu thiết kế, sản xuất các hệ thống phao, neo thương mại như các hệ Hydrelio của Công ty Ciel & Terre’s (Israel), hệ thống Grid Based – Solaris Synergy của Công ty Solaris Synergy (Mỹ). Các hệ thống này có thể chống chịu được bão có tốc độ 160km/h và sóng cao trên 2m. Ngoài ra, đã và đang xuất hiện xu hướng mới, khá thời sự là nghiên cứu, thiết kế và sản xuất, kinh doanh các module PMT cũng như các thiết bị phụ trợ (phao, neo, dây cáp điện….) để phục vụ các dự án lớn, rất tiềm năng về nguồn ĐMT nổi lắp trên mặt biển gần bờ trong thời gian tới đây trên phạm vi toàn thế giới.
5. Tiềm năng ĐMT nổi ở Việt nam
Việt Nam là một nước có mật độ dân số khá cao, trung bình 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. Với tỷ lệ thủy điện hiện nay chiếm khoảng 40% tổng công suất phát điện, Việt Nam đang có một hệ thống hồ dập thủy điện rất lớn. Hơn nữa là một nước nông nghiệp chúng ta còn có hệ thống hồ đập thủy lợi phân bố khắp nơi trên lãnh thổ. Hệ thống hồ đập thủy điện và thủy lợi này cùng với tình trạng “đất chật, người đông” tạo cho Việt Nam một tiềm năng rất lớn về phát triển hệ nguồn ĐMT nổi.
Cũng cần nhấn mạnh rằng, việc lắp đặt dàn PMT trên mặt hồ chắc chắn có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường nước. Vì vậy, khi sử dụng các mặt hồ có kết hợp nuôi trồng thủy sản để lắp đặt dàn PMT thì cần phải đánh giá các tác động tiêu cực cũng như phải tính toán tỷ lệ che phủ mặt hồ thích hợp để không làm ảnh hưởng quá lớn đến môi trường thủy sinh và do đó ảnh hưởng đến năng suất nuôi trồng thủy sản.
Tác giả: PGS. TS. ĐẶNG ĐÌNH THỐNG
Hiệp hội Năng lượng Sạch Việt Nam
0 comments: