Nghiên cứu khả năng phát sinh và giải pháp quản lý tấm pin Điện mặt trời thải bỏ tại việt nam

Nghiên cứu khả năng phát sinh và giải pháp quản lý tấm pin Điện mặt trời thải bỏ tại việt nam Nghiên cứu khả năng phát sinh và giải pháp quản lý tấm pin Điện mặt trời thải bỏ tại việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Hoàng Anh Lê

TS Dư Văn Toán

Hà Nội – Năm 2022

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, theo đuổi chương trình đào tạo thạc sĩ chuyên ngành Khoa học Môi trường, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Các thầy cô không chỉ chia sẻ những kinh nghiệm, kiến thức quý báu về chuyên môn mà còn là nguồn động lực to lớn để tôi kiên trì theo đuổi hết chương trình học và giữ vững tình yêu với môi trường Với tình cảm chân thành, tôi bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám hiệu, phòng Sau Đại học, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học

Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy giáo, cô giáo đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến PGS.TS Hoàng Anh Lê và TS Dư Văn Toán – hai thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về khoa học để tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có thể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và bạn bè

Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận văn

Trịnh Minh Quang

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1 Cấu trúc của mặt trời 3

1.2 Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời 5

1.3 Phản ứng hạt nhân trong mặt trời 5

1.3.1 Phản ứng tổng hợp hạt nhân 5

1.3.2 Phản ứng tổng hợp Cacbon và các nguyên tố khác 6

1.3.3 Bức xạ mặt trời 6

1.4 Tổng quan về pin mặt trời 11

1.4.1 Cấu tạo của pin mặt trời 11

1.4.2 Hoạt động của pin mặt trời 13

1.4.3 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 16

1.5 Hiện trạng sử dụng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam 17

1.5.1 Hiện trạng sử dụng điện mặt trời trên thế giới: 17

1.5.2 Hiện trạng sử dụng điện mặt trời tại Việt Nam: 22

1.6 Ảnh hưởng của tấm thải pin mặt trời tới môi trường 26

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1 Mục tiêu đề tài 31

2.2 Đối tượng nghiên cứu 31

2.3 Phạm vi nghiên cứu: 31

2.4 Phương pháp nghiên cứu: 31

2.4.1 Phương pháp kế thừa tài liệu: 31

2.4.2 Áp dụng công cụ DPSIR phân tích tiếp cận hệ thống 31

2.4.3 Phương pháp ước tính khối lượng pin mặt trời thải bỏ từ các cơ sở điện

mặt trời tại Việt Nam trong tương lai: 33

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Hiện trạng và khả năng phát sinh tấm pin điện mặt trời thải bỏ tại Việt Nam 35

3.1.1 Hiện trạng phát sinh tấm pin điện mặt trời thải bỏ tại Việt Nam 35

3.1.2 Khả năng phát sinh tấm pin điện mặt trời thải bỏ tại Việt Nam 39

3.2 Kết quả phân tích công cụ DPSIR trong đánh giá khả năng phát sinh tấm pin năng lượng thải bỏ tại Việt Nam 43

3.2.1 Động lực (D) 43

3.2.2 Áp lực – Pressure (P) 43

3.2.3 Hiện trạng (S) 44

3.2.4 Tác động-Impact (I) 45

3.2.5 Ứng xử – Response (R): 45

3.3 Hiện trạng các quy định quản lý tấm pin điện mặt trời thải bỏ tại Việt Nam 46 3.3.1 Đánh giá chung về hiện trạng quản lý tấm pin điện mặt trời tại Việt Nam 46

3.3.2 Công ước Basel 47

3.3.3 Hiệp định của Đông Nam Á về cơ chế quản lý thiết bị điện và điện tử 47

3.3.4 Quy chuẩn quốc gia về quản lý chất thải và chất thải nguy hại 48

3.3.5 Phân loại chất thải từ các mô-đun quang điện cuối vòng đời 50

3.3.6 Tập trung vào dòng chất thải cụ thể từ các tấm quang điện: vấn đề của xử lý Antimon trong thủy tinh 52

3.4 Cơ sở hạ tầng quản lý chất thải hiện có ở Việt Nam cho dự án điện mặt trời cuối vòng đời 55

3.4.1 Thu gom và lưu trữ 55

3.4.2 Vận chuyển 56

3.5 Đề xuất các giải pháp quản lý tấm pin điện mặt trời thải bỏ ở Việt Nam 57

3.5.1 Phân loại và quản lý chất thải 57

3.5.2 Công nghệ tái chế chất thải bằng cách phân loại chất thải 61

3.5.3 Khía cạnh tài chính và Bổ sung Trách nhiệm của nhà sản xuất (EPR) 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Cấu tạo của một hệ thống pin mặt trời 12

Bảng 1.2 Cấu tạo của một tấm pin tinh thể Silic 12

Bảng 1.3 Danh sách một số nhà máy điện mặt trời tính tới tháng 6/2019 23

Bảng 1.4 Một số nghiên cứu sự phát tán và độc tính của kim loại từ pin Si 29

Bảng 2.1 Xác suất lỗi, hỏng của cả vòng đời pin mặt trời 33

Bảng 3.1 Khối lượng tấm quang điện dự kiến lắp đặt tại Việt Nam 39

Bảng 3.2 Lượng pin thải ước tính trong giai đoạn 2030-2050 39

Bảng 3.3 Dự báo dòng nguyên liệu cho các nhà máy cuối vòng đời ở Việt Nam 41

Bảng 3.4 Lượng pin lưu trữ thải ra theo ước tính số lượng lắp đặt cho các dự án điện mặt trời ở Việt Nam đến năm 2050 43

Bảng 3.5 Phân loại chất thải nguy hại dựa trên hàm lượng hóa chất nguy hại theo quy định của EU và VN 53

Bảng 3.6 Phân loại chất thải nguy hại dựa trên hàm lượng hóa chất nguy hại theo quy định của EU và VN 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của mặt trời [17] 3

Hình 1.2 Dải bức xạ điện từ [20] 7

Hình 1.3 Góc nhìn mặt trời [20] 8

Hình 1.4 Quá trình truyền năng lượng của mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất [23] 10

Hình 1.5 Pin năng lượng mặt trời [19] 11

Hình 1.6 Các thành phần của một hệ thống pin mặt trời: (A) tấm pin, (B) Bộ điều khiển, (C) ắc qui, (D) Inverter [23] 13

Hình 1.7 Hệ 2 mức năng lượng 14

Hình 1.8 Các vùng năng lượng 15

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 16

Hình 1.10 Quan hệ η(Eg) 17

Hình 1 11 Công suất lắp đặt điện mặt trời áp mái theo đối tượng tới tháng 12/2019 (kWp) [21] 25

Hình 1.12 Công suất điện mặt trời áp mái tính đến tháng 12/2019 theo vùng (kWp) [14] 26

Hình 3.1 Công suất ích điện mặt trời hiện có của các tỉnh ở Việt Nam chồng lớp trên Bản đồ tiềm năng điện mặt trời do Ngân hàng Thế giới công bố 36

Hình 3.2 Nhà máy điện mặt trời Xuân Thiện - Ea Súp 38

Hình 3.3 Dự báo về chất thải điện mặt trời trong giai đoạn 2020-2050 40

Hình 3.4 Công ty TNHH Sản xuất - Thương mại - Dịch vụ Việt Xanh thu gom và vận chuyển chất thải nguy hại cho UBND xã Đăk Lăk (Nguồn: EVNCPC ĐăkLăk) 57

EREA: Cục Điện lực và Năng lượng tái tạo

FiT: Biểu giá điện hỗ trợ

GW: Giga Watt (= 1x109 Watt)

IPP: Các cở sở phát điện độc lập

LVTN: Luận văn tốt nghiệp

NDC: Đóng góp quốc gia tự quyết định

PDP 8: Quy hoạch Điện VIII

PPA: Hợp đồng mua bán điện

PPP: Hình thức đối tác công tư

VAT: Thuế giá trị gia tăng

MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang ngày càng cạn kiệt, làm ảnh hưởng đến việc sản xuất năng lượng cung cấp cho hoạt động sản xuất, sinh hoạt và các hoạt động khác của xã hội Trong khí đó nhu cầu

sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao Do vậy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới là xu hướng tất yếu trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Ngày nay, con người đã tiếp cận và sản xuất được điện năng từ các nguồn năng lượng mới, có khả năng thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống Hằng năm, điện năng từ năng lượng mặt trời cung cấp gần một nghìn tỷ kWh Ở Việt Nam, số liệu từ

Bộ Công thương cho thấy, đầu tư xây dựng mới các cơ sở sản xuất điện mặt trời đã bùng nổ trong vài năm trở lại đây Đến giữa năm 2020, tổng công suất điện mặt trời được quy hoạch ở nước ta đã lên đến 10.300 MW Trong đó, có 90 dự án đã vận hành với tổng công suất vào khoảng 5.000 MW, chiếm 8.5% công suất lắp đặt hệ thống điện

Có thể thấy, so chỉ tiêu Quy hoạch điện VII điều chỉnh năm 2016, công suất điện mặt trời đang vận hành đã vượt chỉ tiêu năm 2020 (850MW) gấp nhiều lần Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo mở ra cho con người nhiều sự lựa chọn thay thế cho nguồn nhiên liệu truyền thống, phải kể đến pin năng lượng mặt trời (solar panel) là sự lựa chọn của hàng đầu của nhiều quốc gia

Tuy nhiên, bên cạnh đó, chúng ta phải đối mặt với vấn đề những tấm pin mặt trời đã hết hạn sẽ đi về đâu, giải quyết như thế nào Tuổi thọ trung bình của những tấm pin mặt trời từ 20 - 25 năm, vậy là rất nhiều tấm pin năng lượng mặt trời sắp hết hạn sử dụng Chưa kể hàng chục dự án điện mặt trời lớn nhỏ đang ồ ạt lắp đặt hiện tại thì không lâu sau lượng rác thải này vô cùng lớn

Trước yêu cầu của thực tiễn đã gợi mở cho tác giả tìm hiểu hướng nghiên cứu

mới là “Nghiên cứu khả năng phát sinh và giải pháp quản lý tấm pin điện mặt trời thải bỏ tại Việt Nam”

Trên cơ sở kết quả điều tra hiện trạng sử dụng pin điện mặt trời, đề tài muốn ước tính lượng pin thải ra sau khi hết thời gian sử dụng, tìm hiểu những ảnh hưởng

của pin thải cũng như tiềm ẩn rủi ro về ô nhiễm môi trường trong tương lai Từ đó có cái nhìn toàn cảnh và đề xuất giải pháp quản lý, khắc phục kịp thời nhằm sử dụng

triệt để nguồn tài nguyên năng lượng quý giá này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Cấu trúc của mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1.390,106km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất) [18] Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2.1030kg Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những

vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra

ở trong lòng Mặt trời Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ (Hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của mặt trời [17]

Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20

triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 60000K, dày 1000km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 45000K và các tai lửa có nhiệt độ từ 70000K -100000K.Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời [23] Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử [20] Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất hiđrô Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73.46% là hiđrô và gần 24,85% là Hêli còn lại là các nguyên tố và các chất khác như ôxy 0,77%, cacbon 0,29%, sắt 0,16%, neon 0,12%, nitơ 0,09%, silic 0,07%, magiê 0,05% và lưu huỳnh 0,04% Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là

do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Heli Hạt nhân của Hiđro có một hạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng

sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo

ra một hạt nhân Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ γ [21]:

4H11 → He24 + 2Neutrino +γ Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các “biến cố” sau đó Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị mất đi Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong

thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.10 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời

đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất

trong một năm trên Trái đất)

1.2 Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệ mặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác Mặt trời luôn phát

ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức

xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng

ta

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận và nó

là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quý giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm

1.3 Phản ứng hạt nhân trong mặt trời

1.3.1 Phản ứng tổng hợp hạt nhân

Trong quá trình hình thành, nhiệt độ bên trong Mặt trời sẽ tăng dần Khi vùng tâm mặt trời đạt nhiệt độ T≥ 107 độ K, thì có đủ điều kiện để xảy ra phản ứng tổng hợp Heli từ Hydro, theo phương trình [22]:

4H1 → He4 + q

Đây là phản ứng sinh nhiệt q = ∆m.c, trong đó c = 3.10m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không, ∆m = (4mH - mHe) là khối lượng bị hụt, được biến thành 4 năng lượng theo phương trình Einstein Mỗi 1kg hạt nhân H chuyển thành He thì bị hụt một khối lượng ∆m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lượng: q = ∆m.c2 = 0,01.(3.108)2

= 9.1014J Lượng nhiệt sinh ra sẽ làm tăng áp suất khối khí, khiến mặt trời phát ra ánh sáng và bức xạ, và nở ra cho đến khi cân bằng với lực hấp dẫn Mỗi giây Mặt trời

tiêu hủy hơn 420 triệu tấn hyđrô, giảm khối lượng ∆m = 4,2 triệu tấn và phát ra năng lượng Q = 3,8.10 W Giai đoạn đốt Hyđrô của Mặt trời đã được khởi động cách đây 4,5 tỷ năm, và còn tiếp tục trong khoảng 5,5 tỷ năm nữa [18]

1.3.2 Phản ứng tổng hợp Cacbon và các nguyên tố khác

Khi nhiên liệu H2 dùng sắp hết, phản ứng tổng hợp He sẽ yếu dần, áp lực bức

xạ bên trong không đủ mạnh để cân bằng lực nén do hấp dẫn, khiến thể tích co lại Khi co lại, khí He bên trong bị nén nên nhiệt độ tăng dần, cho đến khi đạt tới nhiệt

độ 108 độ K, sẽ xảy ra phản ứng tổng hợp nhân Cacbon từ He

3He4 → C12 + q Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao, tốc độ lớn, nên thời gian cháy He chỉ bằng 1/30 thời gian cháy H2 khoảng 300 triệu năm Nhiệt sinh ra trong phản ứng làm tăng

áp suất bức xạ, khiến ngôi sao nở ra hàng trăm lần so với trước Lúc này mặt ngoài sao nhiệt độ khoảng 4000 độ K, có màu đỏ, nên gọi là sao đỏ khổng lồ Vào thời điểm

là sao đỏ khổng lồ, Mặt trời sẽ nuốt chửng sao Thủy và sao Kim, nung Trái đất đến

1500 độ K thành một hành tinh nóng chảy, kết thúc sự sống tại đây Kết thúc quá trình cháy He, áp lực trong sao giảm, lực hấp dẫn ép sao co lại, làm mật độ và nhiệt

độ tăng lên, đến T= 5.10K sẽ xảy ra phản ứng tạo Oxy: 4C12 → 3O16 + q

Quá trình cháy xảy ra như trên, với tốc độ tăng dần và thời gian ngắn dần Chu trình cháy - tắt - nén - cháy được tăng tốc, liên tiếp thực hiện các phản ứng tạo nguyên

tố mới O16 → Ne20 → Na22 → Mg24 →Al26 → Si28 → P30 → S32 → → Cr52 →

Mn54→ Fe56 Các phản ứng trên đã tạo ra hơn 20 nguyên tố, tận cùng là Fe (gồm 26 proton và 30 netron), toàn bộ quá trình được tăng tốc, xảy ra chỉ trong vài triệu năm [19] Sau khi tạo ra Fe56 , chuỗi phản ứng hạt nhân trong ngôi sao kết thúc, vì việc tổng hợp sắt thành nguyên tố nặng hơn không có độ hụt khối lượng, không phát sinh năng lượng, mà cần phải cấp thêm năng lượng

1.3.3 Bức xạ mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng

của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ

là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (Hình 1.2), từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Hình 1.2 Dải bức xạ điện từ [20]

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là

một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 - 10 µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 -

0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực

xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính

đối với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức (1)

C0 = 5,67W/m 2 .K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

T ≈ 57620K là nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối)

Hình 1.3 Góc nhìn mặt trời [20]

Vậy 𝑞 = (

2.3,14.32 360.60 )2

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2 phân

ly thành oxi nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18µm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon)

có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử oxi kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử oxy khác để tạo thành phân tử ozon O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với oxi, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32µm, sự

phân tách O3 thành O2 và O xảy ra Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ

tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là một quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán

xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nưóc, khí cácbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2 (Hình 1.4)

Hình 1.4 Quá trình truyền năng lượng của mặt trời qua lớp khí quyển của

Trái đất [23]

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,5o và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm

1.4 Tổng quan về pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Hình 1.5 Pin năng lượng mặt trời [19]

1.4.1 Cấu tạo của pin mặt trời

Một hệ thống pin mặt trời đơn giản gồm tấm pin, bộ điều khiển và ắc qui Nếu dòng điện đầu ra có điện áp 220 V (AC) hoặc 110 V, việc trang bị thêm Inverter là cần thiết Tấm pin mặt trời cấu tạo từ tinh thể Silic rất phổ biến trên thị trường bởi giá thành rẻ và ưu điểm trong việc tái chế Công nghệ pin mặt trời được phân ra thành

3 loại chính:

Công nghệ tinh thể Silic, công nghệ màng mỏng vô định hình và công nghệ nhiệt mặt trời Do hiệu quả biến đổi năng lượng của công nghệ pin Silic (đơn và đa tinh thể) lớn hơn công nghệ màng mỏng nên mức độ thương mại hóa của nó lớn hơn Năm 2012, hệ thống pin mặt trời sử dụng tinh thể Silic chiếm tới 90% thị trường tiêu thụ thế giới.Cấu tạo của một tấm pin mặt trời bao gồm: khung hợp kim nhôm, kính cường lực, tấm ắc quy mỏng, EVA (ethylene/vinyl acetate copolymer) và khung đỡ

sau (TPT, Topotecan Hydrochloride) [23] Hình 1.6 chỉ ra các thành phần của một hệ thống pin mặt trời

Bảng 1.1 và 1.2 mô tả chi tiết các thành phần của một tấm pin mặt trời và các vật liệu có thể tái chế được Theo lý thuyết, sau khi được tách rời và tinh chế, khối lượng của các vật liệu trong tấm pin như sau: thủy tinh 54,7%, Al 12,7%, chất kết dính 10%, Si 3,1%, vật liệu khác 19,5% Ở đây, có thể thấy rằng thành phần của nhôm

và thủy tinh chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tấm pin mặt trời bên cạnh đó là số lượng nhỏ các kim loại hiếm khác như Se, Te, Ga và Mo Việc phát triển công nghệ tái chế hợp

lý với giá thành rẻ sẽ thu lại được những kim loại quý này để phục vụ cho việc tiếp tục sản xuất các tấm pin mặt trời hoặc ứng dụng cho các ngành công nghiệp khác

Bảng 1.1 Cấu tạo của một hệ thống pin mặt trời [24]

Tấm ắc qui Si, Cd, Se, Te, Ga, Mo, …

Hộp đựng mối nối mạch điện Lid, Diode, cáp nối, dây nối,

Bảng 1.2 Cấu tạo của một tấm pin tinh thể Silic [24]

Vật liệu (có thể tái chế) Thành phần chính (kg/kWp)

Dây tráng thiếc Cu 0,451

Hình 1.6 Các thành phần của một hệ thống pin mặt trời: (A) tấm pin, (B) Bộ

điều khiển, (C) ắc qui, (D) Inverter [23]

1.4.2 Hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng

để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình 1.7) E1 < E2, bình thường điện

tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng h (trong đó h là hằng số Planck, f là tần số ánh sáng) bị điện tử

hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

hf = E2 - E1

Hình 1.7 Hệ 2 mức năng lượng

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (Hình 1.8) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg , trong đó không

có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng h tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do

e-, để lại ở vùng hoá trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là

h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình [23]:

Ev + H → e- + H+Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là h = hc/λ ≥ Eg = Ec - Ev Từ đó đó

có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - H+

Hình 1.8 Các vùng năng lượng

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của

Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây và gây ra dao động mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là

Eph= h - Eg.Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống

e- - H+ , tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong [17]

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 1.4.3 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết η của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống 2 mức như sau:

Trong đó:

𝐽0(𝜆): là mật độ photon có bước sóng 𝜆

𝐽0(𝜆)𝑑𝜆 là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng 𝜆 ÷ 𝜆 + 𝑑𝜆

ℎ𝑐

𝜆 là năng lượng của photon

là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện

(4)

là tổng năng lượng của các photon tới hệ

Như vậy hiệu suất λ là một hàm của Eg (hình 1.10) Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất η ≤ 0,44

Hình 1.10 Quan hệ η(Eg) 1.5 Hiện trạng sử dụng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam

1.5.1 Hiện trạng sử dụng điện mặt trời trên thế giới:

Trung Quốc: Hiện được xem là quốc gia có khả năng sản xuất điện năng lượng

mặt trời (điện mặt trời) lớn nhất trên thế giới với khả năng sản xuất lên đến 1330 Gigawatts (GW) mỗi năm Đây cũng là nước sở hữu dự án Điện mặt trời lớn nhất thế giới với công suất lên đến 1,547-MW ở sa mạc Tengger Cơ quan Năng lượng Quốc

tế cho biết, vào năm 2018, Trung Quốc lắp đặt một nửa tổng công suất lượng năng lượng mặt trời mới trên toàn thế giới Đây cũng là đất nước đầu tiên lắp đặt hơn 100 Gigawatt công suất năng lượng mặt trời, tương đương với lượng điện được sản xuất

từ 75 nhà máy năng lượng hạt nhân Tính đến đầu năm 2021, Trung Quốc sở hữu 6 trong 10 công ty sản xuất mô-đun năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới Việc phát triển thành công những dự án điện mặt trời này một phần là nhờ Trung Quốc là nhà sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới Mức sản xuất pin mặt trời tại quốc gia này hiện đã vượt qua mục tiêu của chính phủ về lắp đặt năng lượng mặt trời [21]

Các chuyên gia cho rằng, có được sự phát triển vượt bậc trong sản xuất điện mặt trời là do ngay từ năm 2006, Trung Quốc đã ban hành Luật Năng lượng tái tạo, đặt nền móng cho cuộc cách mạng phát triển năng lượng sạch Tiếp đó, tại Kế hoạch 5 năm lần thứ XII (2011-2015) và lần thứ XIII (2016-2020), Trung quốc đã chỉ ra phải

ưu tiên phát triển năng lượng xanh và bảo vệ môi trường, bảo đảm thực hiện các cam kết quốc tế về giảm phát thải carbon và thay đổi cấu trúc thị trường than Cụ thể, Trung Quốc đã điều chỉnh giá điện từ nguồn tái tạo và hủy bỏ các kế hoạch triển khai các dự án nhà máy nhiệt điện chạy than; khuyến khích các nhà đầu tư nước ngoài đầu

tư sản xuất nguồn năng lượng sạch tại nước này

Nhật Bản: Với lợi thế là một cường quốc về khoa học - công nghệ phát triển

bậc nhất trên thế giới, Nhật Bản cũng đã sớm nhận thức vai trò và tầm quan trọng của nguồn năng lượng sạch đối với phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Ngay từ năm

2008, Chính phủ Nhật Bản đã thực hiện chính sách hỗ trợ cho vay mua nhà sử dụng năng lượng tái tạo với thời gian trả nợ tối đa là 10 năm Trong đó, đối với những gia đình cải tạo nhà, chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời được vay số tiền tối đa lên đến 5 triệu yen, tương đương gần 5.000 USD [12] Ngoài ra, Chính phủ Nhật Bản còn mua điện sản xuất từ năng lượng mặt trời với giá cao hơn giá thị trường và giảm giá bán các tấm pin năng lượng mặt trời

Để tiếp tục thúc đẩy phát triển điện mặt trời, tháng 8/2011, Nhật Bản đã ban hành Luật Trợ giá (FiT) mua năng lượng tái tạo, khuyến khích người dân tự sản xuất điện mặt trời tại nhà và từ đó xây dựng các trung tâm điện mặt trời lớn và tập trung Luật FiT cho phép hỗ trợ giá điện sản xuất từ năng lượng mặt trời khi các doanh nghiệp tư nhân muốn đầu tư Giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2014, công suất lắp đặt điện mặt trời tại Nhật Bản tăng mạnh từ 5.000 MW lên 25.000 MW Đến nay, đã có khoảng 2,4 triệu khách hàng (bao gồm hộ gia đình, doanh nghiệp…) lắp đặt điện mặt trời áp mái ở Nhật Bản [11]

Đặc biệt, nhằm tạo động lực và gia tăng lợi ích cho người dân và doanh nghiệp khi đầu tư vào điện mặt trời, tháng 4/2017, Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản (METI) đã ban hành luật FiT mới (sửa đổi) Theo đó, giảm thuế từ 21 đến

30 yen/kWp điện tái tạo, tùy thuộc vào quy mô hệ thống

Tháng 7/2018, Nhật Bản thông qua kế hoạch chiến lược phát triển năng lượng lần thứ 5 tầm nhìn 2030 và đến 2050 Theo đó, đã định hướng phát triển năng lượng dựa trên nguyên lí 3 E+S, (Safety-An toàn; Energy Sercurity-An ninh năng lượng; Enviroment-Môi trường và Economic Effeciency-Hiệu quả kinh tế)

Theo kế hoạch, Nhật Bản tiếp tục duy trì mục tiêu sử dụng đa dạng các nguồn năng lượng Cụ thể, đến năm 2030, trong cơ cấu nguồn điện, năng lượng tái tạo chiếm

từ 22-24%, nhiên liệu hóa thạch 56% và năng lượng hạt nhân từ 20-22% [12] Đặc biệt, trong những năm gần đây, Nhật Bản đã và đang phát triển các nhà máy năng lượng mặt trời nổi hàng đầu thế giới

Mỹ: Là quốc gia dẫn đầu thế về phát triển năng lượng tái tạo, trong đó năng

lượng mặt trời cũng đã được quốc gia này quan tâm đầu tư phát triển từ khá sớm Năm 1982, tại bang California đã xây dựng nhà máy quang điện công suất 1 MW đầu tiên trên thế giới, nhờ việc tận dụng điều kiện lý tưởng về tự nhiên khi tại đây có khoảng 102,7 nghìn km2 là sa mạc nắng nóng - điều kiện lý tưởng để phát triển điện mặt trời

Đến giai đoạn 2011-2014, cũng tại California đã xây dựng 2 nhà máy điện mặt trời lớn Đó là Trang trại quang điện Topaz (công suất 550 MW), với tổng mức đầu

tư khoảng 2,5 tỷ USD Topaz được hoàn thành và đi vào hoạt động tháng 11/2014 Tại đây có khoảng 9 triệu tấm pin mặt trời được lắp đặt trên diện tích gần 25 km2 Cùng với đó là Nhà máy điện mặt trời Ivanpah (công suất 392 MW) có tổng vốn đầu

tư khoảng 2,2 tỷ USD, được xây dựng trên diện tích khoảng 13 km2, tại sa mạc Mojave, bang California Nhà máy được khởi công xây dựng từ tháng 10/2010, đi vào vận hành từ tháng 2/2014 Khi vận hành hết công suất, hệ thống Ivanpah sẽ cấp điện đủ cho 140 nghìn hộ gia đình

Đặc biệt, mới đây (tháng 5/2021) Bộ Nội vụ Mỹ đã thông qua lần cuối dự án năng lượng mặt trời lớn nhất ở Mỹ, trị giá lên tới 1 tỷ USD ở tại tiểu bang Nevada

Dự án này có thể cung cấp điện cho khoảng 260 nghìn hộ gia đình, đủ để đáp ứng

nhu cầu của dân cư tại Las Vegas Theo tính toán, dự án sẽ đem lại nhiều lợi ích cho nền kinh tế cũng như môi trường, tạo ra hàng nghìn việc làm trong lĩnh vực xây dựng

và sản xuất ra nguồn năng lượng sạch có thể bù đắp lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính của khoảng 83 nghìn chiếc xe hơi Dự kiến giai đoạn đầu xây dựng sẽ hoàn thành vào năm 2022 và hoạt động hết công suất vào năm 2023

Để đẩy mạnh triển khai thực hiện các dự án về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng điện mặt trời nói riêng, Mỹ đã đề ra chính sách năng lượng sạch lâu dài nhằm tạo ra một thị trường bền vững cho năng lượng tái tạo, khuyến khích và hỗ trợ việc tích hợp năng lượng tái tạo, tăng cường đầu tư cho nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này Đồng thời, Mỹ cũng đưa ra nhiều biện pháp kịp thời nhằm cải thiện lưới điện bằng cách tăng cường hạ tầng cơ sở truyền dẫn để tích hợp được một lượng lớn năng lượng tái tạo, kết hợp với kế hoạch hóa phát triển lưới điện tiên tiến hơn để duy trì tính tin cậy và bền vững của loại năng lượng này

Thái Lan: Tại khu vực ASEAN, hiện nay Thái Lan được đánh giá là quốc gia

dẫn đầu khu vực trong sử dụng điện mặt trời Theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc

tế, Thái Lan xếp thứ 15 trong Top toàn cầu năm 2016, với công suất hơn 3.000 MW, cao hơn tất cả các nước ASEAN khác cộng lại Dự kiến, công suất lắp đặt điện mặt trời tại Thái Lan đến năm 2036 là 6.000 MW

Năm 2016, Thái Lan là nước đầu tiên áp dụng biểu giá FiT (trợ giá) cho năng lượng tái tạo; trong đó các dự án năng lượng mặt trời nhận được FiT cao nhất, với mức 23 cent/kWh cho 10 năm Sau đó, chương trình này được thay thế bằng chương trình FiT 25 năm với giá 17 đến 20 cent/kWh tùy thuộc vào loại máy phát điện

Để khuyến khích phát triển điện mặt trời ở các dự án nhỏ, Thái Lan cũng đã đưa

ra các mức hỗ trợ FiT cao nhất cho các nhà sản xuất nhỏ như các dự án quy mô nhỏ trên mái nhà Cụ thể, Thái Lan đưa ra mức giá FiT ưu đãi 21 cent/kWh cho các dự án năng lượng mặt trời trên mái nhà, đồng thời khởi xướng chương trình “Mái nhà quang điện” Đây chính là lý do khiến Thái Lan trở thành người dẫn đầu trong thị trường điện mặt trời ở Đông Nam Á

Singapore: Là một quốc gia điển hình trong phát triển năng lượng sạch, trong

đó điện mặt trời và điện gió là những ưu tiên hàng đầu

Năm 2016, Singapore đã công bố tài trợ hơn 700 triệu USD cho các hoạt động Nghiên cứu và Phát triển ở khu vực công trong 5 năm nhằm tìm ra giải pháp cho phát triển bền vững đô thị Hiện Singapore đang thử nghiệm xây dựng các nhà máy năng lượng mặt trời trong đô thị và các trạm điện mặt trời nổi trên các hồ chứa

Để thúc đẩy các dự án điện mặt trời, Singapore cung cấp các mức thuế cạnh tranh và ưu tiên phát triển thị trường buôn bán điện cạnh tranh Theo đó, tất cả người tiêu dùng, trong đó có các hộ gia đình sẽ có quyền lựa chọn nhà cung cấp điện cho mình

Indonesia: Đầu năm 2017 quốc gia này đã thông qua luật về năng lượng tái tạo,

trong đó thay đổi mức thuế suất đối với các dự án năng lượng tái tạo Theo luật mới, mức hỗ trợ FiT sẽ dựa trên chi phí cung cấp điện trung bình của khu vực, nơi dự án điện năng lượng mới được xây dựng Mức hỗ trợ theo chương trình mới là từ 6,5 đến 11,6 cent/kWh Luật mới của Indonesia cũng cho phép điện mặt trời cạnh tranh trực tiếp với các nhà máy nhiệt điện đốt than - hình thức sản xuất điện năng phổ biến ở Indonesia

Malaysia: Chính sách về năng lượng mặt trời đã được quy định trong Đạo luật

Năng lượng tái tạo năm 2011 và được sửa đổi năm 2014 nhằm phù hợp với sự thay đổi của thị trường cũng như việc giảm giá các tấm pin năng lượng Ngoài ra, cơ chế thanh toán bù trừ cũng được quốc gia này áp dụng vào năm 2016 với mục tiêu đạt

500 MW điện mặt trời vào năm 2020 tại bán đảo Malaysia và Sabah Theo đó, người tiêu dùng chỉ tốn 1m2 lắp đặt là có thể tạo ra điện năng cho gia đình và bán năng lượng dư thừa cho điện lưới quốc gia Nhờ các chính sách hỗ trợ về giá, công suất lắp đặt pin mặt trời tại Malaysia năm 2019 đạt 338 MW trình nghiên cứu phát triển và tiêu thụ năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời là rất cần thiết bởi việc sử dụng năng lượng hóa thạch đang gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng như biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí

1.5.2 Hiện trạng sử dụng điện mặt trời tại Việt Nam:

Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời Tiềm năng về sử dụng năng lượng mặt trời lý thuyết được đánh giá khoảng 6,78 triệu kWh/năm (43,9 tỷ TOE/năm) [22] Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này hiện nay vẫn còn hạn chế Các hoạt động nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam trước đây tập trung vào một số lĩnh vực như cung cấp nước nóng dùng trong sinh hoạt và phát điện ở quy mô nhỏ: sấy, nấu ăn, chưng cất nước ở quy mô thử nghiệm nhỏ, chưa đáng kể Năm 2016, Thủ tướng Chính phủ

đã phê duyệt Đề án Điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030 (còn được gọi là Quy hoạch điện VII), điều chỉnh công suất lắp đặt điện mặt trời sẽ lên khoảng 850 MW đến năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW đến năm 2030 Điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng khoảng 0,5% năm 2020, khoảng 1,6% vào năm 2025 và khoảng 3,3% vào năm 2030

Để tiếp tục tạo điều kiện cho sự phát triển năng lượng tái tạo trong tương lai, ngày 11/04/2017, Thủ tướng Chính phủ đã ký ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam, trong đó quy định hai cơ chế rất quan trọng là “Net-metering” và giá mua đối với toàn bộ sản lượng điện từ các nhà máy điện mặt trời nối lưới là 9,35 Uscent/kWh (chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng) Tiếp theo, Bộ trưởng Bộ Công thương ký ban hành Thông tư

16 ngày 12/9/2017 về hướng dẫn thực hiện Quyết định số 11 và ban hành mẫu hợp đồng mua bán điện Đây được coi là chìa khóa quan trọng mở cửa cho sự phát triển mạnh mẽ điện mặt trời trong thời gian tới tại Việt Nam Ngay sau khi Chính phủ ban hành Quyết định 11/2017/QĐ – TTg thì đã có một số vướng mắc và đến 08/01/2019 Thủ tướng chính phủ đã ký ban hành Quyết định số 02/2019/QĐ – TTg sửa đổi và

bổ xung một số vướng mắc của Quyết định 11/2017/QĐ – TTg với nội dung chính là khuyến khích các nhà đầu tư sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thay vì

từ điện lưới quốc gia Tính tới tháng 6/2019, Việt Nam đã có 85 nhà máy điện mặt

trời đang vận hành với tổng công suất dự kiến là 5384,6 MWp, công suất thực tế là 4458,5 MW

Bảng 1.3 Danh sách một số nhà máy điện mặt trời tính tới tháng 6/2019 [24]

thuận đấu nối

Văn bản COD

1 Mặt trời Bình Hòa 10,0 12,0 4/09/2015 28/06/2019

2 Mặt trời Cư Jút 50,0 62,0 28/09/2019 8/05/2019

3 Mặt trời Thuận Nam 19 49,0 61,1 10/01/2018 20/06/2019

4 Trang trại điện mặt trời

Renewable Việt Nam 131,3 168,0 26/12/2017 21/06/2019

10 Mặt trời Hoàng Thái

STT Tên nhà máy

thuận đấu nối

Văn bản COD

21 tỉnh thành phía Nam là 161,908 kWp, đạt 169% kế hoạch của Tập đoàn Điện lực Việt Nam giao cho Theo nghiên cứu của Ngân hàng thế giới về năng suất phát điện mặt trời, ở khu vực miền Nam (TP.HCM và các tỉnh miền Nam), điện năng phát của

1 kWp đạt khoảng 1.350-1.450 kWh/năm; riêng khu vực Ninh Thuận, Bình Thuận

có thể đạt 1.550 kWh/năm Còn các tỉnh miền Trung đạt khoảng 1.300 kWh/năm Giá trị làm lợi (tính theo giá mua điện của văn phòng đơn vị Điện lực) điện mặt trời mang lại đạt từ 3,6-3,9 triệu đồng/năm/kWp [21] Hiện nay, Bộ Công Thương đang xem xét trình Chính phủ sửa đổi cơ chế giá FIT - cơ chế giá áp dụng cho điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo, đối với dự án điện mặt trời áp dụng sau tháng 6/2019; cơ chế đấu thầu riêng, hợp đồng mua bán điện cho các dự án điện mặt trời Đồng thời, trình Chính phủ xem xét điều chỉnh Quyết định số 11 để giải quyết những vấn đề liên quan đến thuế cho các dự án điện mặt trời lắp mái Theo báo cáo tổng hợp của EVN, tính đến ngày 31/12/2019, cả nước đã có 377,943 MW điện mặt trời

áp mái được lắp đặt Trong đó, tính theo lĩnh vực công nghiệp (bao gồm nông lâm ngư nghiệp, xây dựng và công nghiệp) đạt công suất 190,933MW chiếm 51%, lĩnh vực dân dụng đạt 123,91 MW chiếm 33%, lĩnh vực thương mại kinh doanh đạt 46,09

MW chiếm 12%, và lĩnh vực hành chính sự nghiệp đạt 17MW chiếm 4% Phân chia theo các Công ty phân phối điện, EVNSPC đạt công suất 189,345 MW chiếm 50%, EVNCPC đạt công suất 99,795 MW chiếm 26%, EVHCMC đạt 67,621 MW chiếm 18%, còn lại là EVNNPC đạt 17,763 MW chiếm 5%, và EVNHANOI đạt 3,416 MW chiếm 1% (Báo cáo tổng hợp EVN về điện mặt trời áp mái tính đến 31/12/2019)

Hình 1 11 Công suất lắp đặt điện mặt trời áp mái theo đối tượng tới tháng

12/2019 (kWp) [21]

Phân chia theo khu vực, miền Nam đạt 189,346 MW, miền Trung đạt 929,56

MW, và miền Bắc đạt 17,763 MW (chưa bao gồm 3 thành phố lớn, Hà Nội, Đà Nẵng

và TPHCM)

Hình 1.12 Công suất điện mặt trời áp mái tính đến tháng 12/2019 theo vùng

(kWp) [14]

1.6 Ảnh hưởng của tấm thải pin mặt trời tới môi trường

Tuổi thọ của pin mặt trời từ 20-30 năm tùy thuộc vào đặc tính và cách thức sử dụng chúng Sau khoảng thời gian trên, nó cần phải được thải bỏ và thay thế Hiệp hội Năng lượng tái tạo quốc tế ước tính cuối năm 2016 có 250.000 tấn pin mặt trời sẽ trở thành rác thải Những tấm pin này chứa Chì, Cadmium và rất nhiều chất độc hại khác có thể đã không được xử lý Tháng 11/2016, Bộ Môi trường Nhật Bản đưa ra

dự đoán tới năm 2040, lượng pin mặt trời bị thải bỏ lên tới 800.000 tấn và chính phủ vẫn chưa có kế hoạch cụ thể nào trong việc xử lý an toàn và hiệu quả Lượng rác thải này của năm 2034 có thể gấp từ 70-80 lần toàn bộ rác thải của năm 2020 trở về trước Tại Trung Quốc, theo thống kê của Hiệp hội Năng lượng tái tạo, năm 2015 nước này bắt đầu xuất hiện chất thải từ nhà máy điện mặt trời do kết thúc vòng đời sản phẩm Lượng chất thải này bắt đầu ra tăng vào năm 2020 và đạt tới mức cao nhất vào năm

2030 Do đó, việc xử lý chất thải từ năng lượng mặt trời sẽ trở thành vấn đề rất cấp bách ở nước này trong thập kỷ tới Tuy nhiên, chưa có bất kỳ kế hoạch hay đề xuất nào được đưa ra [23]

Tương tư như ở Trung Quốc, tại Califolia, bang dẫn đầu nước Mỹ và thế giới

về tiêu thụ pin mặt trời, cũng chưa có kế hoạch xử lý mặc dù đã có những cảnh báo của những nhà hoạt động môi trường Ở Châu Âu, khi kết thúc vòng đời pin mặt trời, chính phủ các nước đã đưa ra yêu cầu với các nhà sản xuất và cung cấp sản phẩm

phải thu gom và thải bỏ hợp lý Mặc dù việc thải bỏ đã được thực hiện đúng pháp luật nhưng rủi ro về môi trường và sức khỏe cộng đồng vẫn rất lớn bởi hóa chất độc hại như Chì, Cadmium từ những tấm pin này sẽ theo thời gian rò rỉ nhiễm bẩn nước ngầm Đặc biệt, trong quá trình sản xuất pin mặt trời, nhà sản xuất sử dụng axit HF

để làm sạch tấm nền, xử lý bề mặt, người lao động không được trang bị bảo hộ đạt chuẩn sẽ khiến các mô bị phá hủy, giảm Canxi trong xương Ngoài ra, việc thải bỏ hoặc chôn lấp cũng khiến mất đi nguồn nguyên liệu rất lớn có thể tái sử dụng được, ước tính khoảng 1 triệu tấn Al, 0,3 triệu tấn Si và 7,4 triệu tấn thủy tinh Các nhà khoa học ước tính rằng, nếu cùng một lượng Al được tái chế từ các tấm pin mặt trời, lượng khí CO2 thải ra chỉ 4,16% so với sản xuất mới Tương tự với các kim loại khác trong pin mặt trời như Ga, Te và Mo, việc thu gom, vận chuyển và tái chế sẽ làm giảm đáng

kế lượng khí nhà kính phát thải vào khí quyền nhằm bảo vệ môi trường Tất nhiên, việc tái chế các kim loại này có thể gặp không ít khó khăn bởi hàm lượng của chúng thường chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong tấm pin mặt trời (khối lượng thường nhỏ hơn 1%) [12]

Mặc dù pin mặt trời đã được thương mại hóa từ 15 năm trước nhưng vấn đề môi trường do nó gây ra vẫn chưa được quan tâm đúng mức của chính phủ các nước Điều này dẫn tới thông tin và số liệu về tác động và rủi ro môi trường những tấm pin này gây ra rất hạn chế Để cung cấp thông tin nhằm cảnh báo sớm những nguy cơ môi trường này, các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành các thí nghiệm chứng minh

sự tồn tại và độc tính của pin mặt trời trong trường hợp chúng bị phát tán ra môi trường sinh thái Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 4 Nghiên cứu của Nover

và cộng sự về sự phát tán của các kim loại như Al, Cu, Ni, Pb từ tấm pin Si tinh thể (c-Si) và Si vô định hình (a-Si) trong điều kiện pH thay đổi được thực hiện năm 2017 Kết quả cho thấy Al, Cu, Pb bị giải phóng khỏi c-Si và Ni giải phóng khỏi a-Si, phát tán ra môi trường khi pH <3; ở pH >11 Al và Pb giải phóng khỏi a-Si Nghiên cứu khác của Tammaro thực hiện năm 2004 trên 26 tấm pin c-Si và 8 tấm pin a-Si cũng phát hiện được sự phát tán của các kim loại nặng ra môi trường với nồng độ khác nhau Năm 2016, ông tiếp tục thực hiện thí nghiệm phát tán kim loại trong pin a-Si ở

3 nhóm mẫu thử trong thời gian khác nhau Kết quả lần lượt 50%, 16,7% và 8,3% mẫu thử có thể gây độc tới môi trường sinh thái Năm 2018, Zhi và cộng sự tiến hành nghiên cứu độc tính của pin tinh thể Si-P và Si-B tới môi trường sinh thái, kết quả chỉ

ra rằng vi khuẩn có thể bị tiêu diệt trong vòng 2h phơi nhiễm, có sự tồn tại của tinh thể và Si-B trên tế bào của vi khuẩn [2]

Bảng 1.4 Một số nghiên cứu sự phát tán và độc tính của kim loại từ pin Si [2]

Chuẩn

bị mẫu

Loại mẫu thử nghiệm

Phương pháp thử nghiệm

- Cr (0,059 mg/L) và Pb (0,133 mg/L được phát hiện trong giới hạn cho phép

- Thử nghiệm với 26 tấm pin tinh thể Si (c-Si) và 8 tấm pin Si vô định hình (a-Si)

- Nồng độ kim loại phát tán khác nhau

- Với c-Si: chỉ Pb được phát hiện ở mức cao

- Với a-Si: phát hiện Al, Pb và Cr ở mức cao

Tammaro và cộng sự,

2017

- Cu giải phóng từ c-Si, Ni giải phóng từ a-Si ở pH<7

(c-Si) và 8 tấm pin Si vô định hình (a-Si)

- 50%, 16,7% và 8,3% mẫu pin màng mỏng có độc tính tương ứng với 3 mẫu thử nghiệm

Tammaro và cộng sự,

LB 0,5h

2h

c-Si (0,5

và 5 mg/mL)

Shewanella oneidensis MR-1

(Feng, 2015)

- Giải phóng tác nhân oxy hóa trên c-Si

- Tiêu diệt vi khuẩn sau 2h phơi nhiễm Zhi và cộng

sự, 2018

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chính của LVTN nhằm đánh giá được hiện trạng, khả năng phát sinh lượng thải pin mặt trời đã qua sử dụng ở các nhà máy điện mặt trời tại Việt Nam và

đề xuất các giải pháp quản lý, xử lý một cách phù hợp

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Dòng vật liệu và pin thải phát sinh trong quá trình vận hành và giai đoạn cuối vòng đời của các cơ sở sản xuất điện mặt trời ở Việt Nam

- Các quy định pháp luật của nhà nước về tái sử dụng, tái chế các vật liệu và chất thải đó, kinh nghiệm của Quốc tế và tuổi thọ dự kiến của các nhà máy năng lượng tái tạo cụ thể của Việt Nam, và hiện trạng cũng như nhu cầu về điện mặt, xu hướng sản xuất cơ sở hạ tầng ở Việt Nam để tái chế và xử lý vật liệu, chất thải phát sinh

2.3 Phạm vi nghiên cứu:

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là các cơ sở sản xuất điện mặt trời trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam

2.4 Phương pháp nghiên cứu:

2.4.1 Phương pháp kế thừa tài liệu:

Các dữ liệu liên quan được thu thập trong thời gian nghiên cứu bao gồm tổng hợp các tài liệu từ kinh nghiệm quốc tế, các bài báo học thuật, tài liệu tham khảo từ các tổ chức quốc tế khác như Chương trình Phát triển của Liên hợp quốc (UNDP), Ngân hàng Thế giới (WB), Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA), v.v và các tài liệu hiện có ở Việt Nam Nghiên cứu cũng

sử dụng dữ liệu cập nhật về các dự án điện và năng lượng tái tạo từ các nguồn đáng tin cậy như Bộ Công Thương (MOIT), Sở Công Thương các tỉnh, Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh, các Công ty Điện lực và Viện Năng lượng (IE)

2.4.2 Áp dụng công cụ DPSIR phân tích tiếp cận hệ thống

Mô hình DPSIR là mô hình mô tả mối quan hệ tương hỗ giữa: