DSC là một loại pin mặt trời mới, giá rẻ, dễ làm. Loại pin này do Michael Gratzel ở trường Bách khoa Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên còn có tên là pin Gratzel.
20
Hình 2.11 Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC
Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính như trong hình 2.6. Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxyt thiếc pha tạp fluo (SnO2: F). Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt. Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt rất lớn. Lớp dẫn điện SnO2: F và lớp hạt bột oxyt titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium-polypyridin và dung môi. Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hoá trị. Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin. Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị rò chảy ra.
21
Hình 2.12 Cấu tạo của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC
Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện cực trong suốt SnO2:F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạt TiO2. Photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở đó bị bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO2 rồi từ đó dễ dàng chuyển động chạy về điện cực trong suốt ở phía trên. Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ. Phân tử chất màu nhạy quang bèn lấy electron của iôt ở dung dịch điện phân, biến anion iôt một I- thành anion iôt ba I3- . Các anion iôt này khi tiếp xúc với điện cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại. Như vậy đã thực hiện cơ chế photon kích thích làm cho electron nhảy lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại tạo ra dòng điện.
22
Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC
Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin Mặt trời silic (12 - 15%). Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này là:
Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm. Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm sơn trắng rất phổ biến.
Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở trường hợp pin Mặt trời silic. Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ công.
Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2 có diện tích mặt ngoài cực lớn. Nhược điểm của loại pin này là có chứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu. (Loại pin này tuổi thọ là 10 năm, bằng một nửa tuổi thọ của pin Mặt trời silic).
23
Hiện nay đã có nhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng Mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích thích làm thoát điện tử tạo ra dòng điện. Nhờ đó, khác với pin Mặt trời silic, loại pin Mặt trời mới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc biệt là hoạt động với ánh sáng trong nhà. 2.2.4.2 Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)
Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo. Đây là loại Pin mặt trời có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì. Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản sinh ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh trưởng của phân tử thực vật.
Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp.
Hình 2.14 Hình ảnh mô phỏng cấu tạo lá nhân tạo
24
Pin năng lượng mặt trời đóng vai trò là một máy phát điện có nhiên liệu đầu vào là năng lượng mặt trời và đầu ra là một nguồn dòng DC. Để có thể sử dụng được nguồn điện năng này thì cần phải có sự trợ giúp của các thiết bị chuyển đổi nguồn điện thích hợp nhằm cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ nguồn điện phù hợp với chúng. Dựa vào đặt tính tải là AC hay DC sẽ có các bộ chuyển đổi điện tương ứng. Các tấm pin năng lượng mặt trời kết hợp với các thiết bị chuyển đổi năng lượng và các phụ tải tiêu thụ sẽ tạo thành một hệ thống điện năng lượng mặt trời như được mô tả trong Hình 2.15.
Hình 2.15 Tổng quan một hệ thống năng lượng mặt trời.
Do có khả năng thích ứng cao với môi trường làm việc nên có nhiều cấu hình hoạt động được đề xuất cho một hệ thống năng lượng mặt trời cụ thể. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu hình một hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể kể đến là chế độ vận hành nối lưới hay độc lập, có yêu cầu dự trữ năng lượng hay không, có cấp nguồn cho các thiết bị DC hay không…Một số các thành phần cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời như được trình bày dưới đây.
25 2.3.1 Bộ pin năng lượng mặt trời.
Các tấm pin có điện áp thấp tương tự điện áp phân cực thuận của một diot (vào khoảng 0.6-0.8 Vdc) nên không thể sử dụng được ngay. Các tấm pin này thường được mắc chung lại với nhau theo kiểu nối tiếp hoặc song song hoặc vừa nối tiếp vừa song song để có thể dùng được. Các tấm pin sau khi ghép chung lại với nhau được gọi là một panel.
Trong thực tế, các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời chỉ bán các panel với các công suất khác nhau cho khách hàng sử dụng cuối. Dựa vào nhu cầu công suất cụ thể mà các khách hàng mua một hay nhiều tấm panel về ghép lại với nhau thành một bộ pin năng lượng mặt trời để dùng. Hình 2.16 miêu tả một bộ pin năng lượng mặt trời sau lắp đặt hoàn chỉnh.
Hình 2.16 Hình ảnh một bộ pin năng lượng mặt trời.
2.3.2 Hệ thống lưu trữ năng lượng.
Đối với các hệ thống điện nhỏ, sự thay đổi liên tục của nguồn bức xạ mặt trời làm công suất điện ngõ ra các tấm PV cũng thay đổi theo liên tục. Để ổn định công suất ngõ ra, một hệ thống lưu trữ điện được sử dụng. Thường các bình ác quy được sử dụng cho chức năng này bởi giá thành rẻ hơn các phương pháp khác. Hệ thống bình ác quy thường được đấu nối theo đề xuất trong Hình 2.15.
26
Tuy nhiên, việc xuất hiện hệ thống lưu trữ sẽ làm tăng chi phí hệ thống điện năng lượng mặt trời. Để giảm bớt chi phí lưu trữ, các hệ thống pin năng lượng mặt trời thường được nối lưới trực tiếp hoặc sử dụng các dạng lưu trữ không điện khác như thế năng của nước.
2.3.3 Bộ chuyển đổi năng lượng điện
Điện áp hoạt động của thiết bị và điện áp hoạt động của bộ pin năng lượng mặt trời là khác nhau nên để có thể phối hợp hoạt động thì chúng phải có các bộ chuyển đổi năng lượng phù hợp. Nếu tải AC thì bộ chuyển đổi là bộ DC/AC, còn ngược lại, nếu tải là tải DC thì bộ chuyển đổi sẽ là bộ chuyển đổi DC/DC.
Hình 2.17 Bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời
Hiện nay, với yêu cầu chất lượng cao nên các bộ chuyển đổi cũng được thiết kế ngày càng hiện đại và tích hợp thêm nhiều tính năng mới vào bên trong nó như khả năng xác định được điểm công suất cực đại, khả năng nhận biết lỗi pin năng lượng mặt trời…. Các tính năng này làm cho bộ chuyển đổi thêm dễ sử dụng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.
27
Pin năng lượng mặt trời với ưu điểm là thân thiện môi trường, dễ dàng lắp đặt và vận hành, có khả năng hoạt động linh hoạt trong nhiều chế độ vận hành khác nhau nên chúng luôn được ưu tiên phát triển trong những năm gần đây. Đã có nhiều nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời đi vào hoạt động để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường thế giới. Bên cạnh các nhà máy thì nhiều dự án điện mặt trời được xây dựng và đi vào hoạt động cả trong và ngoài nước.
2.4.1 Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời ngoài nước.
Trên thế giới hiện đã xây dựng được các nhà máy năng lượng mặt trời công suất lớn. Tiêu biểu có thể kể đến các dự án năng lượng mặt trời như sau:
2.4.1.1 Dự án Solar Star 579MW, California
Hình 2.18 Dự án Solar Star 579MW, California
Đây là nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới thời điểm hiện nay, nhà máy tọa lạc tại Kern và Los Angeles ở California. Với công suất 579MW, nhà máy Solar Star có khả năng phục vụ nhu cầu cho 255.000 hộ dân xung quanh. Công việc xây dựng nhà máy được bắt đầu năm 2013 và hoàn thành đưa vào sử dụng tháng 6 năm 2015. Nhà máy được xây dựng trên diện tích 13 km vuông gần Rosamond, California. Để có được công suất lớn như vậy, nhà máy đã sử dụng hết 1.7 triệu module pin năng lượng mặt trời được làm từ bán dẫn đơn tinh thể.
28
Với công nghệ pin mặt trời, Solar Star ước tính đã tiết giảm được 570,000 tấn khí thải CO2 ra môi trường mỗi năng, lượng khí thải này tương đương với việc vận hành 108.000 chiếc xe hơi trên các đường phố mỗi năm. Nhà máy đã sử dụng công nghệ Oasis Power Plant được phát triển bởi Sun Power cho phép các tấm pin năng lượng mặt trời bám theo ánh sáng mặt trời trong suốt một ngày làm việc. Điều này cho phép nhà máy nâng hiệu suất thu năng lượng mặt trời đạt đến 25%. Công ty BHE là chủ sở hữu nhà máy điện mặt trời này và bán lượng điện năng thu được cho Southern California Edison với một hợp đồng dài hạn.
2.4.1.2 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California
Hình 2.19 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California
Trang trại Desert Sunlight Solar được đặt tại Riverside County và Carrizo Plain ở California. Nhà máy là sản phẩm hợp tác giữa tập đoàn GE và tập đoàn Sumitomo. Với công suất 550 MW, nhà máy có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng của 160.000 hộ dân quanh vùng. Việc xây dựng nhà máy đã giúp tiết giảm gần 300.000 tấn khí CO2 thải ra môi trường mỗi năm, nó tương đương với khí thải của 60.000 xe hơi hằng năm.
Dự án được xây dựng và vận hành bởi First Solar. Đây cũng là nhà cung cấp 8 triệu module pin năng lượng mặt trời có công nghệ cadmium telluride. Nhà máy được xây
29
dựng trên diện tích 15.4 km vuông. Giai đoạn 1 được khởi công vào tháng 9 năm 2011 có công suất 300 MW. Giai đoạn 2 hoàn thành năm 2015 với công suất 250 MW. 2.4.1.3 Topaz Solar Farms 550 MW, California.
Hình 2.20 Topaz Solar Farms 550 MW, California.
Topaz Solar Farms là nhà máy điện năng lượng mặt trời có công suất 550 MW đặt tại vùng San Luis Obispo County, California. Nhà máy có khả năng cung cấp năng lượng cho 160.000 căn hộ trong vùng. Dự án trị giá 2.5 tỉ USD được sở hữu bởi công ty BHE Renewables. Năng lượng thu được của dự án có thể giảm thiểu 377.000 tấn CO2 mỗi năm. Nó tương đương với khí thải của 73.000 chiếc xe hơi. Dự án tiêu tốn 9 triệu panel pin mặt trời, chúng được đặt nghiên 250 để tối ưu năng lượng mặt trời.
Nhà máy được bắt đầu xây dựng năm 2011 và hoàn thành năm 2014 trên diện tích 24.6 km vuông. Điện năng được bán cho công ty Pacific Gas and Electric bằng một hợp đồng có thời hạn 25 năm.
30
Hình 2.21 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Longyangxia Dam Solar Park được đặt gần nhà máy thủy điện Longyangxia Dam trên lưu vực sông Hoàng Hà của Trung Quốc. Con đập được hoàn thành năm 1992. Dự án pin năng lượng mặt trời trãi rộng trên diện tích 9.6 km vuông và là một phần của nhà máy hỗn hợp thủy điện-pin mặt trời lớn nhất thế giới. Công ty China Power Investment bắt đầu xây dựng vào tháng 3 năm 2013 và hoàn thành trong 9 tháng với công suất thiết kế là 320 MW.
Giai đoạn 2 của dự khởi công vào tháng 8 năm 2015 và hoàn thành vào năm 2015 với công suất thiết kế 530 MW. Với kết quả này, dự án đã giảm thiểu được 795.000 tấn khí CO2 phát thải ra môi trường mỗi năm.
2.4.1.5 Nhận xét chung
Qua các dự án năng lượng mặt trời tiêu biểu được đầu tư xây dựng trên thế giới đã được khảo sát, có thể rút ra một số nhận xét như sau:
− Đã có nhiều dự án năng lượng mặt trời công suất lớn được xây dựng và đưa vào vận hành đạt hiệu quả cao.
− Quy mô các nhà máy năng lượng mặt trời ngày càng lớn cùng với sự phát triển nhanh chóng các phương pháp điều khiển tối ưu được nghiên cứu áp dụng.
31
− Nhà máy năng lượng mặt trời có khả năng thay thế một phần nguồn điện truyền thống chứng tỏ tỉ lệ thâm nhập của năng lượng mặt trời ngày càng tăng cao. 2.4.2 Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời ở trong nước.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới, tại nước ta hiện nay việc sử dụng điện năng lượng mặt trời cũng được phát triển nhanh dưới sự hỗ trợ về giá cũng như cơ chế của nhà nước về phát triển năng lượng tái tạo. Nhiều hệ thống năng lượng mặt trời được thi công và vận hành trong thời gian qua cũng như các hệ thống năng lượng mặt trời cho các hộ dân cũng được phát triển rộng khắp cả nước. Một số các công trình tiêu biểu được đưa ra như bên dưới.
2.4.2.1 Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân
Ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân do Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân làm chủ đầu tư đã chính thức được khởi công xây dựng, nhà máy có công suất 19,2 MW với tổng mức đầu tư 800 tỉ đồng, được xây dựng trên diện tích 24 ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi bằng nguồn vốn vay trong nước và nước ngoài. Dự án do Công ty TNHH Full Advantage làm tư vấn.
Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân được sử dụng công nghệ và thiết bị hiện đại, hiệu suất cao, tuổi thọ dự kiến kéo dài hơn 25 năm. Với công suất lắp đặt 19,2 MW, khi đi vào vận hành, Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân cung cấp cho hệ thống điện quốc gia hơn 28 triệu kWh điện mỗi năm. Đồng thời, tạo ra hàng chục công việc làm cho người dân ở địa phương, đặt biệt người dân ở huyện Mộ Đức.
2.4.2.2 Nhà máy quang năng An Hội
Dự án thí điểm điện mặt trời tại Côn Đảo được bắt đầu từ giữa tháng 3/2014 và hoàn thành việc xây dựng, lắp đặt và đầu nối vào lưới điện của điện lực Côn Đảo vào đầu tháng 12/2014, với tổng mức đầu tư khoảng 140 nghìn Euro do Chính phủ Tây Ban Nha viện trợ không hoàn lại. Trên cơ sở thiết kế, từ ngày 24/11-04/12/2014 Công ty Trama TecnoAmbienta SL của Tây Ban Nha cùng với Công ty Điện lực Bà Rịa - Vũng
32
Tàu thực hiện lắp đặt Nhà máy điện mặt trời Côn Đảo tại khuôn viên Nhà máy điện An Hội và kết nối thành công vào lưới điện hạ thế của nhà máy. Dự án chính thức đưa vào vận hành từ ngày 5/12/2014.