IV. Vận dụng cuộc cách mạng toàn cầu 2020 vào hoàn cảnh thực tiễn: Kinh nghiệm của Trung Quốc
4.2.1.ứng dụng và phát triển công nghệ năng lƣợng mặt trờ
4.2.1.1. Hiện trạng và triển vọng
Các hệ thống năng lƣợng mặt trời gồm 2 loại chính: (1) Các hệ thống nhiệt mặt trời và (2) các hệ thống điện mặt trời (hay còn gọi là hệ thống quang điện-PV). ở các hệ thống nhiệt mặt trời, năng lƣợng mặt trời đƣợc thu giữ dƣới dạng nhiệt, sau đó, nhờ vật liệu truyền nhiệt, dùng để sƣởi ấm, làm mát hoặc đun nƣớc, hoặc có thể đƣợc tập trung lại để nấu nồi hơi tuabin chạy máy phát điện.
Dƣới đây chỉ đề cập tới công nghệ PV, đƣợc coi là thích hợp để ứng dụng tại TBNA vad TEDA.
Các hệ thống PV là dựa vào các vật liệu để biến ánh sáng mặt trời thành dòng điện. Công nghệ PV gồm 3 loại chủ yếu nhƣ sau:
- Thế hệ 1 dựa vào silic và các phƣơng pháp chế tạo của ngành công nghiệp bán dẫn;
- Thế hệ 2 dựa vào những vật liệu màng mỏng và những phƣơng pháp đƣợc phát triển trong các ngành chế tạo màng và chất phủ.
- Thế hệ 3 là một loạt các công nghệ và các cách tiếp cận chế tạo mới, hứa hẹn nâng cao hiệu suất biến đổi năng lƣợng, giảm chi phí chế tạo.
Nhiều chuyên gia tin rằng chiến lƣợc tốt nhất để tận dụng tiềm năng to lớn của ánh sáng mặt trời là thông qua các công nghệ thế hệ 2 và 3.
Công nghệ
Việc phân định công nghệ PV thành 3 thế hệ là dựa vào: (1) những vật liệu và quy trình chế tạo đƣợc sử dụng và (2) hiệu năng biến đổi cực đại mà về lý thuyết chúng có thể nhận đƣợc. Ranh giới giữa thế hệ 2 và 3 đôi khi không rõ rệt.
Ba thế hệ công nghệ và những công nghệ nằm trong đó cạnh tranh nhau để tăng hiệu năng, giảm giá thành vật liệu và chi phí chế tạo. Năm 2006, những công nghệ thế hệ 1 chiếm 90% doanh số. Nhìn chung, chúng có hiệu năng cao nhất, nhƣng giá thành vật liệu và chi phí chế tạo cao. Giá những mođun PV dựa vào vật liệu công nghệ thế hệ 1 ƣớc tính khoảng 3-4 USD/W. Khi kể cả những thiết bị cân bằng hệ thống khác, chẳng hạn nhƣ bộ biến đổi điện một chiều thành xoay chiều, các bộ acquy, thì giá thành tăng lên 6-8 USD/W. Nghĩa là giá điện của các hệ thống PV sản xuất ra là vào khoảng 0,25-0,65 USD/kWh, lớn hơn một bậc so với giá điện sản xuất từ than đốt hiện nay.
Những công nghệ thế hệ 2 – thƣờng gọi là PV màng mỏng, vì chúng đƣợc chế tạo từ các vật liệu màng mỏng – có doanh số năm 2006 chiếm từ 7%, năm 2007 tăng lên 11%, một phần do giá silic tăng. Mặc dù vật liệu màng mỏng thƣờng có hiệu năng biến đổi thấp, nhƣng giá thành vật liệu lại thấp hơn vì: (1) giảm hoặc loại bỏ đƣợc lƣợng silic hoặc vật liệu cần thiết khác, và (2) sử dụng những phƣơng pháp chế tạo có chi phí thấp. Vì vậy, những công nghệ màng mỏng đƣợc hƣởng lợi từ giá thành cao của silic.
Các công nghệ có phạm vi rất đa dạng của thế hệ 3 chủ yếu đang ở pha nghiên cứu nhƣng hứa hẹn sẽ đem lại hiệu năng cao hơn, đồng thời chi phí cũng thấp hơn. Những công nghệ đó tìm cách biến đổi một tỷ lệ lớn của phổ ánh sáng mặt trời thành điện thông qua một loạt các vật liệu, công nghệ và phƣơng pháp chế tạo mới.
Mặc dù giá thành của các công nghệ thế hệ 1 là cao, song cả chi phí lẫn hiệu năng của chúng đều đƣợc cải thiện rất nhiều ở vài thập kỷ qua. Hiệu suất của những pin PV thƣơng mại đã tăng từ 6% lên hơn 15%. Giá thành của chúng cũng giảm từ 20 USD/W hồi thập kỷ 70 xuống 2,7 USD/W năm 2004, trƣớc khi giá silic tăng buộc giá PV phải tăng theo. ở phòng thí nghiệm và những ứng dụng trên vũ trụ, những vật liệu và kỹ thuật tiên tiến đã đạt tới hiệu năng là 35-45%.
Công nghệ thế hệ 1
Trong số hơn 90% pin PV sản xuất ra năm 2006 dựa vào công nghệ thế hệ 1, có 52,3% là từ silic đa tinh thể, còn 38,3% là từ silic đơn tinh thể. Những vật liệu này đƣợc sản xuất ra nhờ những phƣơng pháp chế tạo rất tốn kém đƣợc phát triển bởi ngành công nghiệp bán dẫn. Nhiều hãng hiện đang tìm cách cải tiến những phƣơng pháp này hoặc tìm kiếm những phƣơng pháp mới.
Schott Solar, nhà chế tạo pin và tấm đa tinh thể, tiếp tục đổi mới bằng cách tinh chế các sản phẩm của mình. Tháng 12/2007, công ty thông báo đã phát triển đƣợc một cấu trúc bề mặt mới, có khả năng biến đổi nhiều ánh sáng chiếu vào thành điện năng. Bởi vậy, những pin đó giảm đƣợc lƣợng silic cần thiết cho 1W điện.
Những công ty khác đang chú trọng vào cải tiến việc cung cấp silic ở thƣợng nguồn. SunPower, một công ty phần lớn đƣợc sở hữu bởi Cypress Semiconductor, đang tìm cách áp dụng những đổi mới gần đây nhất vào xí nghiệp chế tạo pin PV 25 MW đầu tiên của mình tại Philippin. Tƣơng tự, Solaicx đã phát triển một quy trình liên tục để cấy các tấm silic đơn tinh thể, với năng suất cao hơn 5,5 lần những nhà sản xuất theo từng lô. Solaicx đã bắt đầu sản xuất vào tháng 11/2007, với xí nghiệp có tổng công suất 40 MW, sau tăng lên 160 MW vào cuối năm 2008.
Các công ty khác đang theo đuổi cách tiếp cận tầng sôi để tạo silic. AE Polysilicon ở Mỹ đang sử dụng lò phản ứng tầng sôi chu trình khép kín, thân thiện với môi trƣờng để sản xuất silic hạt, tại xí nghiệp sản lƣợng 1800 tấn/năm, khai trƣơng vào năm 2009. Nếu thành công, công ty sẽ tăng sản lƣợng lên 12.000 tấn/năm vào năm 2010. Wacker Chemie của Đức cũng phát triển một xí nghiệp sản xuất polysilic mới (sản lƣợng 650 tấn/năm), sử dụng quy trình tầng sôi liên tục, khai trƣơng năm 2008.
Ngoài ra, một số công ty lớn nhất đang tích cực đổi mới hoặc tăng cƣờng sản xuất và hạ chi phí thông qua học hỏi và tiết kiệm nhờ quy mô. Q-tells của Đức có Phòng R&D 300 nhân viên đang tích cực theo đuổi các công nghệ thế hệ 1 lẫn thế hệ 2, tƣơng tự nhƣ hơn 160 tổ chức khác ở Đức. Tháng 3/2007, hãng biện pháp thông báo đã xây dựng xí nghiệp 300 MW/năm tại Tây Ban Nha. Hãng cũng lập liên doanh với Tata của ấn Độ để sản xuất điện mặt trời tổng công suất 300 MW/năm vào năm 2010.
Cuối cùng, một số doanh nghiệp nhỏ ở Mỹ (chẳng hạn nhƣ Blue Square Energy và CaliSolar) đang chú trọng phát triển những phƣơng pháp để biến silic chất lƣợng thấp thành nguyên liệu dùng cho pin PV có khả năng cạnh tranh.
Công nghệ thế hệ 2
Các công nghệ pin màng mỏng phổ biến nhất là đƣợc chế tạo từ silic vô định hình. Những hãng nhƣ Sharp, United Solar Ovonic và Mitsubishi sử dụng công nghệ này. Vì công nghệ dựa vào silic nên nó cũng bị tác động bởi sự tăng giá của silic, nhƣng dẫu sao nó vẫn sử dụng silic ít hơn nhiều so với công nghệ thế hệ 1.
Theo Manufacturing and Technology News 2008, First Solar là hãng PV đang tăng trƣởng nhanh nhất thế giới. Sự tăng trƣởng của hãng đƣợc tạo động lực một phần là bởi hãng dựa vào vật liệu cadmium telluride (CdFe), và sự cạnh tranh từ phía các hãng khác đang gia tăng. Ví dụ, tháng 9/2007, AVA Solar thông báo sẽ xây dựng một xí nghiệp sản lƣợng 200 MW cho các môđun màng mỏng CdFe, dự kiến sẽ đi vào sản xuất vào cuối năm 2008. Những công ty nhỏ khác đang tiến hành nghiên cứu trong lĩnh vực này gồm PrimeStar Solar.
SoloPower, Miasole, Narosolar, Heliovolt và Ascent Solar đang phát triển những tấm mảng mỏng từ đồng indium gallicum selenide (CIGS). Hãng đặt kế hoạch sẽ có năng lực chế tạo là 20 MW (sử dụng phƣơng pháp kết tủa điện hóa) vào năm 2008 và hy vọng nâng lên 120 MW vào cuối năm 2010. Miasole cũng đang dự định bắt đầu chế tạo, trên cơ sở sử dụng cách tiếp cận khuếch tán kết tủa chân không. Tuy nhiên, ngay từ tháng 12/2007, báo cáo của hãng cho biết đã thất bại trong bƣớc đầu sản xuất thƣơng mại tại xí nghiệp 50 MW của mình, do hiệu suất quá thấp. Cũng vào tháng 12/2007, Nanosolar chuẩn bị thƣơng mại hóa PV màng mỏng CIGS, với hiệu suất của mođun đạt hơn 10%. Cách tiếp cận của hãng là dựa vào kỹ thuật in mực hạt nano năng suất cao lên dải kim loại. Hãng dự kiến sẽ bắt đầu và sản xuất hết công suất xí nghiệp chế tạo, với sản lƣợng 430 MW vào năm 2008.
Heliovolt sử dụng kỹ thuật in nhanh để phủ vật liệu CIGS lên nền kính. Các tấm PV của hãng đạt hiệu suất 10-12% tại nhà máy chế thử đƣợc khai trƣơng vào năm 2006. Tháng 10/2008, hãng khai trƣơng thêm 1 xí nghiệp rộng 122.400 ft2 tại Austin, Texas.
Ascent Solar đang phát triển công nghệ màng mỏng CIGS với chất nền là chất dẻo. Sản phẩm đƣa ra có trọng lƣợng nhẹ, mềm dẻo và có thể kết hợp với vật liệu xây dựng. Gần đây, Ascent đã đạt đƣợc thỏa thuận với Gisosa Sociedad của Tây Ban Nha để kết hợp công nghệ này với các sản phẩm mái cao su, đƣợc phân phối rộng khắp trên toàn châu Âu.
Công nghệ thế hệ 3
Một số cách tiếp cận đƣợc dùng ở các công nghệ nhƣ sau: - Pin PV nhạy cảm với chất nhuộm;
- Chấm và giếng lƣợng tử; - Pin PV hữu cơ
- Các công nghệ dựa vào kỹ thuật nano khác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Các pin PV tập trung (sử dụng những vật liệu của cả 3 thế hệ).
Nhiều công nghệ kết hợp 2 hoặc nhiều hơn các cách tiếp cận này cùng một lúc, cho thấy sự tinh xảo của ngành chế tạo PV.
Pin PV nhạy cảm với chất nhuộm
Đây là một trong những công nghệ thế hệ 3 đƣợc bàn đến nhiều nhất, do Michael Gratzen và các cộng sự phát triển năm 1991 và những pin này đƣợc gọi là pin Gratzen. Pin đƣợc chế tạo từ những hạt nano titanium dioxide đƣợc phủ chất nhuộm hữu cơ. Ƣu điểm chính của pin là dễ chế tạo, chi phí thấp, thời gian thu hồi vốn năng lƣợng ngắn (lƣợng năng lƣợng cần thiết để sản xuất pin đƣợc hoàn trả dƣới 1 năm, trong khi của pin PV silic là 3-4 năm). chúng có thể đƣợc in lên thủy tinh, dải kim loại và chất dẻo, tạo khả năng sản xuất từ cuộn này sang cuộn khác. Chúng cũng có thể đƣợc chế tạo ở dạng trong suốt hoặc với màu sắc khác nhau, có thể kết hợp với các vật liệu xây dựng. Nhƣợc điểm chính là có hiệu suất thấp hơn 2 lần so với pin silic ở điều kiện tiêu chuẩn là 25oC và mật độ ánh sáng 1000 W/m2. Tuy nhiên, khoảng cách hiệu suất này đƣợc thu hẹp nhiều khi xét ở các điều kiện thực tế ngoài trời.
Những lợi ích bổ sung bao gồm quy trình sản xuất nhanh, tƣơng tự nhƣ kỹ thuật in phun. Và mặc dù chúng sử dụng những vật liệu tiên tiến, nhƣng công nghệ chế tạo lại tƣơng đối rẻ và ít tiêu tốn năng lƣợng hơn nhiều so với các quy trình chế tạo PV khác. Bởi vậy, tác động môi trƣờng của các pin PV Gratzen thấp hơn rất nhiều.
Một số hãng của Nhật, Ôxtrâylia, Mỹ và Châu Âu đã phát triển những ứng dụng của pin Gratzen. Ví dụ, G24 Innovations (G24) đã xây dựng một xí nghiệp sản lƣợng 30 MW/năm tại Cardiff, Wales, đƣợc mở rộng lên 200 MW vào cuối năm 2008.
Pin PV sử dụng chấm và giếng lượng tử
Sử dụng chấm và giếng lƣợng tử trong pin PV là lĩnh vực nghiên cứu tƣơng đối mới. Những công nghệ này có thể nâng hiệu suất biến đổi năng lƣợng và hạ chi phí chế tạo xuống rất nhiều. Quatasol – một hãng PV của Anh sử dụng những giếng lƣợng tử cực nhỏ phân bố xen kẽ giữa các lớp gallium arsenide (GaAs) giúp tăng gấp đôi hiệu năng của pin so với các pin silic. Phƣơng pháp này và các cải tiến khác có thể nâng hiệu năng của PV lên 30%.
Pin PV hữu cơ
Konarka và Air Products and Chemicals đang liên kết đẩy nhanh tốc độ tiến bộ của các PV hữu cơ. Họ nhận đƣợc tài trợ từ Chính phủ Mỹ để phát triển những polyme tiên tiến PV cho các pin PV hữu cơ. Tháng 3/2008, Konarka thông báo đã thành công trong sử dụng kỹ thuật in phun để chế tạo pin PV. Alan Heeger, nhà khoa học trƣởng và đồng sáng lập hãng Konarka cho biết hãng đang R&D về các polyme tự lắp ráp để chế tạo các pin PV mềm bằng kỹ thuật in, có hiệu suất biến đổi năng lƣợng là 10-15%.
Những công nghệ sử dụng vật liệu nano khác
Những vật liệu nano này gồm mực tinh thể nano, dây nano và anten nano. Innovalight đang sử dụng các tinh thể nano silic ở dạng mực silic, có thể dùng để in. Hãng dự định sẽ đƣa ra những mođun màng mỏng đầu tiên vào năm 2009. GE Global Research đã trình diễn các pin PV làm từ dây nano có hiệu năng đạt 18% và có thể đƣợc chế tạo với chi phí thấp hơn nhiều lần so với những pin PV hiện nay. Các nhà nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho và Micro Continium đã phát triển phƣơng pháp in các mạng anten nano lên tấm chất dẻo. Nhờ kích thƣớc nhỏ, những anten nano hấp thụ cả năng lƣợng hồng ngoại, nghĩa là chúng có thể hấp thụ năng
lƣợng của cả ánh sáng mựt trời lẫn nhiệt của trái đất, không nhƣ những pin PV khác chỉ hoạt động với ánh sáng.
Pin PV tập trung (CPV)
Cuối cùng, một loạt những pin PV sử dụng ánh sáng tập trung cũng đang trên đà phát triển. Những hệ thống này quy tụ ánh sáng mặt trời lên từ 2 đến hơn 1000 lần rồi chiếu vào những pin PV hiệu năng cao. Một số hệ thống này cũng sử dụng các hệ thống bám kiểm 1 trục và 2 trục để thu đƣợc lƣợng tia sáng nhiều nhất. Những nhà chế tạo CPV gồm EnFocus, SolFocus và Solaria.
Hệ thống đƣợc thiết kế đầu tiên của SolFocus sử dụng những mođun 2 gƣơng hình lục lăng để khuếch đại ánh sáng mặt trời lên 500 lần rồi chiếu vào các pin GaAs hiệu năng cao do Spectrolab chế tạo. Hiệu năng dự tính của hệ thống là 17%, tuy nhiên phiên bản cải tiến có thể đạt tới 26%. Hãng đang vận hành một nhà máy thử nghiệm 2 MW ở Mỹ và bƣớc vào sản xuất lô lớn ở nhà máy 100 MW/năm đặt tại ấn Độ vào năm 2008 với đối tác là Moser Baer. Hai hãng này hy vọng sẽ mở rộng công suất nhà máy lên 400 MW/năm vào năm 2010.
Solaria đã phát triển quy trình cắt những pin đơn hoặc đa tinh thể thành những dải hẹp, sau đó nhồi vào những khối chất dẻo giá rẻ, đúc bằng kỹ thuật ép đùn. Nhờ thay thế silic đắt tiền bằng chất dẻo, những mođun của Solaria rẻ hơn 15-30% các môđun tấm phẳng thông thƣờng. Solaria có nhà máy thử nghiệm 2,5 MW/năm tại California. Tháng 7/2007, hãng ký thỏa thuận với Q-cells của Đức để nâng sản lƣợng lên 1,35 Gigawat/năm.
Những nhà phát triển CPV khác, với sự chú trọng vào các loại pin hiệu năng cao gồm Amonix, Boeing (Spectrolab), Soliant (hay Practical Instruments), GreenVolt, Emcore, Prison Solar, Energy Innovations, Cool Earth Solar, MicroLink Devices và Wakonda. Cool Earth Solar đã xây dựng nhà máy sản lƣợng 2 MW vào cuối năm 2008. MicroLink tìm cách sử dụng loại pin GaAs liên kết kép giá rẻ để sử dụng cho bộ hội tụ ánh sáng 500 x. Wakonda tìm cách thay thế chất nền german đơn tinh thể ở trong các bộ pin đa liên kết lắng dải kim loại giá rẻ.
Thị trƣờng
Ngành công nghiệp pin PV đã tăng trƣởng 55% vào năm 2007 và có tốc độ tăng trƣởng trung bình trong 5 năm qua là 44%. Hãng nghiên cứu thị trƣờng BCC Research, đã ƣớc tính giá trị thị trƣờng của các hệ thống PV năm 2007 là gần 13 tỷ USD, và có thể tiếp tục tăng trƣởng 15% mỗi năm, đến năm 1012 sẽ đạt 32 tỷ USD. Tốc độ tăng trƣởng ngoạn mục này đã đƣợc tạo động lực bởi những khuyến khích và trợ cấp của Chính phủ để phát triển năng lƣợng tái tạo. mặc dù Nhật Bản đã ngừng ƣu