I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT
Khai thác năng lượng mặt trờ
(Nguồn: Trang tin điện tử Công nghiệp Việt Nam)
Theo quan niệm lâu nay của giới chuyên môn chính thống ngành phát điện thì pin mặt trời vẫn chỉ là thứ đồ trang sức. Tuy nhiên gần đây, công nghệ "thời trang" này đã thu hút sự quan tâm của nhiều bang nước Mỹ, với việc quy định chỉ tiêu bắt buộc về tỷ lệ năng lượng tái tạo. Kết quả là đã có một số công trình đạt tới quy mô mêgaoat được kết nối với lưới điện. Các dự án pin mặt trời chưa thể trong một sớm một chiều cạnh tranh với các nhà máy điện, tuy nhiên dường như đất dụng võ cho công nghệ này đang ngày một mở rộng.
Kể từ khi Willoughby Smith phát hiện hiệu ứng quang điện và chế tạo pin mặt trời đầu tiên dùng selen vào năm 1877 đến nay đã gần 130 năm. Albert Einstein đoạt giải Nobel năm 1904 vì đã giải thích được hiện tượng này. Nhưng phải đến năm 1955 thì công ty Hoffman Electronics mới đưa vào sản xuất thương mại pin mặt trời. Giá thành của pin lúc đó là 25 USD, và công suất đỉnh chỉ đạt 14 milioat.
Trong vòng 40 năm sau, viễn cảnh khai thác nguồn điện năng sạch và dồi dào từ ánh sáng mặt trời không hề tàn lụi mà vẫn luôn sống động. Năm 1999, tổng công suất điện năng mặt trời trên toàn thế giới đã là 200 MW; để rồi ba năm sau, theo số liệu của Cơ quan năng
lượng quốc tế, con số này tăng lên gấp đôi và đạt 427 MW. Các dự án pin mặt trời là khu vực có tỷ lệ tăng trưởng cao nhất trong thị trường nguồn điện, tuy nhiên pin mặt trời chỉ chiếm khoảng 0,1% sản lượng điện trên toàn thế giới, tức là còn nhỏ hơn sai số trong tính toán của bất kỳ nhà lập kế hoạch nguồn điện nào. Thậm chí nếu như chỉ xét trong phạm vi các nguồn năng lượng tái tạo thôi thì năng lượng mặt trời cũng chỉ cỡ hơn 1%. Như vậy là không nhiều, nếu lưu ý rằng toàn bộ thị trường pin mặt trời ở Mỹ không đầy 60 MW, bằng công suất một tuabin khí cỡ trung bình.
Theo ước tính của đa số các nhà quan sát, mức tăng trưởng hàng năm của thị trường pin mặt trời ở Mỹ là khoảng 60% và có đến 2/3 công suất lắp đặt hiện nay được kết nối vào lưới điện, và một nửa số công trình là do các doanh nghiệp thương mại công nghiệp lắp đặt. California vượt xa các bang khác ở Mỹ về số lượng các hệ thống và chắc rằng chẳng bao lâu nữa sẽ vượt Đức và Nhật Bản để trở thành thị trường lớn nhất thế giới về các hệ thống được kết nối với lưới điện. Có nhiều lý do để California tiên phong trong lĩnh vực pin mặt trời, trong đố phải kể đến giá điện ngất ngưởng ở bang này, do vậy việc tìm đến pin mặt trời mang tính kinh tế hơn là đơn thuần vì ý thức hệ.
Tất nhiên được chính quyền bang California và chính quyền liên bang giảm thuế, cấp tín dụng cùng những khuyến khích khác về kinh tế thì lại càng thuận lợi hơn. Thực vậy, nếu không có những cơ chế chính sách này, công nghiệp pin mặt trời chắc sẽ phải chật vật để tồn tại. Có thể có người không nhất trí với chương trình đề ra trong chính sách quốc gia về pin mặt trời, nhưng cách tiếp cận xem ra là có lý: Kích thích nhu cầu, sau đó chờ cho quy mô sản xuất mở rộng và tiến bộ kỹ thuật dần dà sẽ phát huy hiệu quả đẩy giá xuống thấp. Các chương trình cắt giảm thuế của bang California hiện đã được duyệt vốn đến năm 2006. Thống đốc bang, ông Schwarzenegger khi vận động tranh cử đã từng hứa lắp đặt các hệ thống điện mặt trời trên 50% số ngôi nhà mới xây vào năm 2005, tuy nhiên việc này vẫn nằm ở cuối bảng danh mục "các công việc cần làm".
Ưu, nhược điểm của pin mặt trời
Phần lớn các nhà lập kế hoạch các hệ thống pin mặt trời có quan điểm thực tiễn đều thống nhất ở hai điểm: Pin mặt trời trước mắt chỉ đóng vai trò hạn chế trong cân bằng năng lượng của nước Mỹ và pin mặt trời không phải là thần dược có thế hoá giải mọi vấn đề về sản xuất, truyền tải và phân phối điện của đất nước, như một số vị học giả khẳng định. Dẫu vậy, vai trò hạn chế đó có thể là khá lớn khi xét tới quy mô phát điện của nước Mỹ. Ví dụ như pin mặt trời có thể là cần thiết đối với nhiều ứng dụng rất quan trọng, cụ thể như những nơi cần có điện ngay, không chấp nhận tiếng ồn của máy móc thiết bị, và hoặc đất đai rẻ. Những đặc điểm riêng biệt này có nhiều khả năng sẽ đem lại cho pin mặt trời ưu thế quyết định trong một số ứng dụng chuyên biệt.
Tuy nhiên, ngoài vốn đầu tư ban đầu cao, tốn nhiều diện tích và phải có đủ nắng, công nghệ pin mặt trời còn có những nhược điểm về vận hành khiến cho việc ứng dụng rộng rãi hơn gặp nhiều trở ngại. Cụ thể như pin mặt trời thích hợp với chức năng phủ đỉnh chứ không phải để thay thế các tổ máy phát điện lớn. Vấn đề cần tính đến để trạm pin mặt trời phát huy hiệu quả kinh tế là phải xác định liệu kết cấu biểu giá điện của công ty điện lực phục vụ có khớp với sản lượng của pin mặt trời theo thời gian hay không. Nói cách khác, nếu như nhu cầu đỉnh của cơ sở là vào lúc sáng sớm và chiều tối (điển hình đối với nhu cầu điện sinh hoạt) thì chắc chắn pin mặt trời là không thích hợp.
Cũng cần nhớ rằng pin mặt trời sử dụng một loại "nhiên liệu" mà cứ tối đến là biến mất và cũng không thể gửi từ nơi khác đến được. Bù lại, các hệ thống pin mặt trời có độ tin cậy rất cao, hầu như không phải bảo trì và nói chung, có thể triển khai ở dạng môđun, đặt ngay tại nơi có phụ tải. Một lợi thế khác của hệ thống pin mặt trời là có thể vận hành độc lập và có thể sử dụng acquy để bổ sung.
Dự án luật số 1078 của Thượng Viện California (thông qua vào mùa thu năm 2002) yêu cầu ba công ty điện lực thuộc sở hữu của nhà đầu tư (investor-owned utility - IOU) trong bang mỗi năm phải tăng lượng điện mua từ nguồn năng lượng tái tạo bằng 1% lượng điện bán lẻ để đến năm 2017 đạt mục tiêu 20%. Ba công ty này hằng năm mua khoảng 23.000 GWh năng lượng tái tạo, trong đó riêng Southern California Edison (SCE) mua khoảng 13.000 GWh, tức là nhiều hơn bất kỳ bang nào khác, ngoại trừ California.
Hè năm ngoái, SCE củng cố vị trí dẫn đầu về mua năng lượng tái tạo với việc mua lượng năng lượng tái tạo bằng 22% (tháng 5) và 23% (tháng 6) tổng sản lượng điện của công ty, tức là vượt trước 14 năm so với quy định tiêu chuẩn 20% năng lượng tái tạo của bang.
Tỷ lệ mua năng lượng tái tạo của SCE thay đổi tuỳ thuộc vào một số yếu tố như nhu cầu của khách hàng và khả năng cung cấp của các nguồn không liên tục như năng lượng mặt trời, gió và thuỷ điện. SCE đã có hợp đồng mua 379 MW năng lượng mặt trời, trong đó có hợp đồng 150 MW với Kramer Junction là đơn vị sản xuất lớn nhất. Số công suất còn lại phân tán thành những khối nhỏ nằm rải rác khắp phạm vi phục vụ của SCE. Tháng 12/2003. SCE đã ký hợp đồng mua 5 MW công suất điện của TrueSolar Solutions. Dự án được xây dựng trên diện tích 40 acre (khoảng 16 hecta), do Global Solar Energy thực hiện, khởi công vào đầu năm và dự kiến sẽ vận hành thương mại vào cuối năm nay (2004).
Một công ty điện lực khác cũng ở vị trí hàng đầu về pin mặt trời là Sacramento Municipal Utility District (SMUD) mới đây đã đạt mốc 10 MW công suất lắp đặt. SMUD có 1000 công trình lắp đặt pin mặt trời, chiếm tới hơn một nửa số các hệ thống pin mặt trời được kết nối với lưới điện ở Mỹ, trong đó có nhà máy điện năng lượng mặt trời (tại một địa điểm duy nhất) được coi là lớn nhất thế giới: Dàn pin mặt trời Rancho Seco 3,9 MW.
Tuy nhiên, Solarpark Hemau tại Bavaria (Đức) cũng muốn giành danh hiệu dàn pin mặt trời lớn nhất thế giới bởi lẽ dàn pin được kết nối với lưới điện này có công suất phát là 3,965 MW hồi cuối năm 2002. Kỷ lục trước đây thuộc về nhà máy pin mặt trời 3,3 MW ở Serre, Italia.
SMUD có thể đã được hưởng những ưu đãi đáng kể của chính quyền bang California, tuy nhiên nếu so sánh với những gì mà Solar Park Hemau nhận được từ chính phủ Đức thì chưa ăn nhằm gì. Những người sở hữu dàn pin mặt trời trị giá 18,3 triệu USD này sẽ thu hồi được vốn đầu tư từ việc bán điện với giá 0,48 USD/kWh trong vòng 20 năm, như đã ghi trong Luật của nước Đức vê năng lượng tái tạo.
Mỗi bang có quy định riêng về năng lượng mặt trời
Trở lại bàn về nước Mỹ, có nhiều khả năng là các khuyến khích đầu tư vào pin mặt trời đến từ chính quyền bang hơn là từ Chính phủ liên bang. theo Cơ sở dữ liệu về chính sách khuyến khích năng lượng tái tạo của các bang thì có 14 bang hiện đã có luật quy định tỷ lệ nhất định của sản lượng điện trong bang phải là từ nguồn năng lượng tái tạo. Các quy định này còn được gọi là cơ cấu năng lượng tái tạo tiêu chuẩn (renewable portfolio standard - RPS). Hai bang là Ilinois và Hawable đề ra chỉ tiêu về sản lượng năng lượng tái tạo. Duy nhất có bang Minesota quy định đồng thời cả về cơ cấu và chỉ tiêu sản lượng năng lượng tái tạo.
Arizona là bang có quy định về RPS. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên cả, có điều là mặc dầu nắng ở Arizona thực sự gay gắt nhưng pin mặt trời tiến triển ở đây chậm hơn nhiều so với California. Vì sao? Mặc dầu cả hai bang đều có quy định về RPS nhưng Arizona không phạt những công ty điện lực không thực hiện các quy định này. Dẫu vậy, để phù hợp với tinh thần của cơ cấu tiêu chuẩn do bang đề ra, hai công ty điện lực có điều tiết của Arizona là Tucson Electric Power Co. (TEP) và Arizona Public Services Co. (APS) năm ngoái cũng đã cố gắng phát ít nhất là 0,6% sản lượng điện của họ từ năng lượng mặt trời, và họ hy vọng sẽ tăng tỷ lệ này lên 1,1% vào năm 2007. TEP hiện nay đã đạt khoảng 80% yêu cầu về cơ cấu tiêu chuẩn với khoảng 10,5 MW từ năng lượng tái tạo, trong đó 4 MW là từ năng lượng mặt trời.
Trạm Springerville của TEP thuộc số trạm điện mặt trời lớn nhất thế giới với công suất 3,78 MW, và đồng thời cũng là nơi thử nghiệm dài hạn các công nghệ pin mặt trời khác nhau. Công suất của trạm hiện nay bao bồm 3,5 MW (DC) các môđun silicon tinh thể và màng mỏng và trên 1 MW môđun màng mỏng (xem chi tiết trong bảng).
Ban đầu Sringerville được thiết kế như một trạm nguồn công suất 1,4 MW bao gồm các khối ghép lại với nhau, công suất đơn vị (danh định) 125 kW và 12 bộ nghịch lưu công suất đơn vị 150 kW, được thiết kế phù hợp với các tiêu chuẩn UL và IEEE. Đầu ra xoay chiều ba pha 480 V của từng bộ nghịch lưu được dẫn đến máy biến áp tăng áp đấu nối với lưới điện phân phối 34,5 kV do TEP vận hành.
Công việc thiết kế và xây dựng trạm Springerville do TEP và Global Solar Energy Inc. (Trụ sở tại Tucson) phối hợp thực hiện. Điều này cũng dễ hiểu bởi lẽ hai công ty này đều có chung công ty mẹ là Unisource Energy Corp. cũng đóng trụ sở tại Tucson. Global Solar tập trung vào hai lĩnh vực kinh doanh: chế tạo các dàn pin mặt trời màng mỏng dùng trong hàng không vũ trụ, quân sự và thương mại và thiết kế, lắp đặt, bàn giao và dịch vụ các trạm phát điện mặt trời theo dạng chìa khoá trao tay. Công ty này hiện đang giám sát hoạt động hằng ngày trạm Springrville.
Không chịu kém cạnh người hàng xóm của mình, Arizona Public Service Co. (APS, trụ sở tại Phoenix) cũng rất "máu" với năng lượng mặt trời. APS hiện có 7,5 MW công suất năng lượng tái tạo, trong đó có 4,5 MW pin mặt trời. Tháng 4/2001, APS đã đưa vào hoạt động dàn pin mặt trời đầu tiên cấp công ty trên một mặt bằng diện tích 50 acre (khoảng 20 ha) gần sân bay thành phố Rrescott (trước đây là thủ phủ bang). Người ta chọn Rrescott vởi lẽ nó nằm ở trên cao (1620m), trời trong xanh, nhiệt độ thấp, là những yếu tố làm tăng hiệu suất biến đổi của dàn pin.
Cách đây ba năm, Trạm năng lượng mặt trời Rrescott khởi sự với quy mô khá khiêm tốn, 190 kW với hệ thống dõi theo mặt trời đơn trục, nhưng rồi tăng lên thành 450 kW và tháng 3/2003 đã tăng lên thành 1,5 MW. APS có kế hoạch nâng công suất lên 5 MW và khi đó sẽ trở thành dàn pin mặt trời lớn nhất thế giới.
Năng lượng mặt trời giúp ngành khai thác dầu
Tháng 6/2003 Chevron Energy Solotions Co. (trụ sở ở San Francisco) đã hoàn thành xây dựng công trình pin mặt trời đầu tiên của họ tại California, để cung cấp năng lượng cho các hoạt động tại mỏ dầu thuộc bang này.
Dự án thí điểm Solarmine công suất 500 kW trên diện tích mặt bằng 6 acre (2,4 hecta) có dàn pin mặt trời lớn nhất thế giới sử dụng loại pin silic vô định hình. Trạm cung cấp điện năng địa phương và cho các trạm bơm và nhà máy chế biến của mỏ dầu Midway Sunset thuộc ChevronTexaco.
Solarmine có 4800 tấm pin mặt trời, kích thước mỗi tấm là 1,3 foot (39 cm) x 18 foot (5,4 m). Các tấm này được lắp trên khung kim loại, trông tựa như khu để xe ô tô. Khác với các dàn pin mặt trời gốc thuỷ tinh, pin silic vô định hình dẻo, có nghĩa là chúng chịu được va đập và chọc thủng (ví dụ do đóng đinh mái) mà không gây phương hại tới khả năng biến ánh sáng mặt trời thành điện năng. Dự án nhằm chứng mình khả năng tự lập về kinh tế của công nghệ pin mặt trời trong một số ứng dụng thương mại và công nghiệp cụ thể, rút kinh nghiệm thiết kế và triển khai các hệ thống pin mặt trời cho các doanh nghiệp và cơ quan.
Chevron Energy Solutions theo dõi chặt chẽ tính năng của trạm Solarmine để tìm hiểu về tác động của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, bụi bặm đối với pin silic vô định hình. Cho đến nay, trạm vẫn hoạt động tốt, công suất đỉnh vượt quá 500 kW trong thời gian từ tháng 4 đến tháng 9 năm 2003.
Năng lượng mặt trời phục vụ hải quân
Không phải chỉ có khu vực tư nhân quan tâm đến năng lượng mặt trời. Năm 2003, Hải quân Mỹ đã lắp đặt tại căn cứ hải quân North Island ở San Diego trạm pin mặt trời công suất 750 kW, gồm hai dàn pin dài 0,5 dặm (khoảng 800m) đặt kề nhau. Cấu hình này tạo bóng râm
cho khu để xe đồng thời hàng năm phát ra 1.250 MWh, nhờ đó tiết kiệm cho hải quân 228.000 USD chi phí vận hành, tức khoảng 3% chi phí điện hàng năm.
Hệ thống của trạm North Island bao gồm 3.078 tấm, công suất ra tối đa của mỗi tấm là 300 W, và các bộ nghịch lưu biến dòng điện một chiều thành dòng điện ba pha điện áp 12 kV, phù hợp với hệ thống phân phối của căn cứ hải quân. Theo dự kiến, trạm điện mặt trời sẽ cho phép giảm 3% nhu cầu điện từ các nguồn bên ngoài.
Đây là công trình đầu tư lớn nhất cho đến nay của Chính phủ liên bang trong lĩnh vực pin mặt trời. Chi phí vốn lên tới 7,7 triệu USD, trong đó 2,2 triệu USD do Hải quân đóng góp, 3,6 triệu USD là phần chiết khấu của các bên thứ ba cộng lại, số 1,7 triệu USD còn lại là khoảng ngân sách đặc biệt hỗ trợ chương trình của tổng thống Mỹ về giảm nhu cầu điện năng tại các bang miền Tây.
Một số dự án đáng chú ý khác