Điện năng lương mặt trời nổi trên nước: Xu hướng thời đại mới

Ứng dụng năng lượng mặt trời ở quy mô lớn nhất bây giờ và có thể cả trong tương lai vẫn là sản xuất điện năng.

Về mặt công nghệ, hiện nay chỉ phát triển rộng rãi hai loại: Công nghệ quang điện SPV (Solar Photovoltaic) và Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP (concentrated solar power).

Riêng trong công nghệ SPV, năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển thành điện năng bởi các tế bào quang điện (hay các pin mặt trời nhỏ bé). Các pin nhỏ này ghép lại thành tấm pin mặt trời lớn và các tấm pin này lại ghép với nhau thành mô-đun hay dãy trước khi đưa lên lưới điện và chuyển đến người sử dụng.

Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận và “không mất tiền mua”, vậy mà từ bao nhiêu năm nay ngành công nghiệp điện mặt trời chỉ được phát triển một cách chậm chạp và dè dặt, đặc biệt trong lĩnh vực sử dụng công nghệ quang điện SPV.

Chỉ trong những năm gần đây nền điện năng mặt trời loại này như được khởi sắc bởi sự chắp cánh của xu hướng sản xuất ngay trên mặt nước của sông hồ và cả trên mặt biển.

Sáng kiến mở đầu từ Israel

Sự hạn chế lớn của việc khai thác năng lượng ánh sáng mặt trời để biến thành điện năng dùng công nghệ SPV gây ra bởi hai khó khăn chính. Trước hết, chất bán dẫn Silicon là vật liệu tốt nhất nhưng cũng khá đắt đỏ trong công nghệ CSP. Thứ hai là yêu cầu lớn về diện tích đất để đặt các tấm thu ánh sáng mặt trời trong lúc việc mua hay thuê đất bằng phẳng cũng là khó khăn lớn khiến giá thành của điện mặt trời bị đẩy lên khá cao.

Trong những nước đi tiên phong trong việc xây dựng và thí điểm công nghệ nhằm khắc phục các khó khăn trên phải kể đến Israel, cụ thể là hãng Solaris Synergy. Chính hãng Solaris Synergy đã giải quyết cả 2 vấn đề khó khăn nói trên, đạt được những hiệu quả đáng ngạc nhiên và, nhờ vậy, đã đạt được vị trí thứ nhất trong cuộc thi ý tưởng tại Đại học Tel Aviv vào tháng 11 năm 2011.

Cụ thể, các kết quả nghiên cứu đạt được của Solaris Synergy như sau. Để giảm chi phí sử dụng các tấm silicon lớn, cần chia nhỏ chúng rồi cho “nổi trên mặt nước như đồ chơi Lego” và “được bao phủ bởi một tấm phim tráng gương có hình cong, có thể thu ánh sáng thành một đường mỏng… “ và, như vậy, “bề mặt của thiết bị giảm chỉ cần 5% lượng silicon, do đó giảm được chi phí đắt đỏ của loại vật liệu này”.

Để giảm tốn kém diện tích đất, hãng Solaris Synergy đã đưa thiết bị thu và biến đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện cho nổi trên mặt nước sạch, nước mặn hoặc nước thải. Và hệ thiết bị này được nâng bởi một mạng lưới được kết nối từ các phần nhỏ chế biến từ sợi thủy tinh và chất dẻo siêu nhẹ có thể nổi được trên mặt nước. Ngoài ra, có thể kể thêm một lợi ích kèm theo: tấm pin mặt trời trên mặt nước này còn đưa lại lợi ích khác vì nó giảm đáng kể sự bay hơi, ngăn chặn sự phát triển của tảo và các sinh vật hữu cơ trong môi trường nước.

Và để cho tia sáng mặt trời luôn hội tụ trong các tấm silicon, tấm lưới nâng được xoay dần dần theo sự di chuyển của mặt trời trong ngày nhờ một động cơ nhỏ điều khiển từ xa qua ăng-ten…

Phát minh trên của hãng Solaris Synergy có ý nghĩa lớn và được ứng dụng ngày càng rộng rãi trên thế giới, trước hết phải kể đến các quốc gia Anh, Úc, Ấn Độ và Ý. Và tiêu biểu là hai nhà máy điện mặt trời ở hai nước Australia và Nhật Bản.

Australia: Nhà máy điện SPV nổi đầu tiên

Nhà máy điện mặt trời sử dụng công nghệ quang điện SPV nổi trên nước đầu tiên với những tính năng ưu việt của nó đã được xây dựng và sắp hoàn thành, dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động ngay đầu tháng 4/2015 sắp tới.

Nhà máy này nổi trên một mặt hồ của cơ sở xử lý nước thải ở thị trấn Jamestown thuộc bang Nam Australia. Nhà máy được thiết kế để phần lớn công trình được thực hiện ở bên ngoài, rồi lắp ráp lại với nhau bên trên cơ sở xử lý nước thải.

Các tấm thu năng lượng mặt trời nổi sẽ được làm mát bởi phần nước phía dưới, do đó làm tăng hiệu quả hoạt động lên 57% so với các tấm thu năng lượng mặt trời trên cạn. Đồng thời các tấm này “cũng giúp ngăn chặn 90% nước bốc hơi từ bề mặt được che phủ phía dưới. Đối với những tiểu bang khô hạn hay những vùng có khí hậu khô, đây là một giải pháp tiết kiệm nước tuyệt vời…Nó cũng ngăn chặn tảo xanh phát triển bằng cách giữ mát cho bề mặt nước, cải thiện chất lượng nước qua xử lý” (theo lời bà Felicia Whiting thuộc Công ty Infratech Industries).

Nhà máy điện mặt trời nổi đầu tiên của Australia được xây dựng bên trên một hồ nước của cơ sở xử lý nước thải. Ảnh: ABC.

Công ty Infratech Infratech đã phát triển các nhà máy điện mặt trời nổi ở nhiều quốc gia như Pháp và Hàn Quốc, nhưng đó cũng chỉ là những điểm thử nghiệm. Chính nhà máy sắp đưa vào hoạt động ở Nam Australia mới là nhà máy được áp dụng mô hình mới được cải tiến, dự kiến sẽ sản xuất năng lượng không chỉ đủ cho cơ sở xử lý nước thải hoạt động, mà còn cung cấp điện cho thị trấn Jamestown.

Có thể xem nhà máy ở Nam Australia này thực sự là nhà máy điện mặt trời nổi đầu tiên trên thế giới. Với nhà máy này, các nhà chuyên môn khẳng định đây là mô hình nhà máy điện mặt trời bền vững, không tốn diện tích đất và là hình mẫu cho nhiều nước trên thế giới.

Nhật: Dự án điện mặt trời nổi lớn nhất

Ngoài Australia, gần đây, công nghệ pin năng lượng mặt trời lắp đặt trên mặt nước đã được quan tâm phát triển tại Anh, Úc, Ấn Độ và Ý.

Và đặc biệt ở Nhật Bản, một đất nước khá hẹp về diện tích đất đai bằng phẳng và không đủ diện tích để xây dựng các nhà máy điện mặt trời cỡ lớn. Nhưng bù lại, nước Nhật có tiềm năng về các hồ tích nước trong nông nghiệp, hồ kiểm soát lũ và, ngoài ra, toàn bộ đất nước Phù Tang bao quanh bởi đại dương bao la. Đó là tài sản quý giá để đặt các tấm panô pin cho các nhà máy điện mặt trời kích cỡ khác nhau.

Nhìn lại quá trình phát triển ở Nhật Bản, ông Nobuo Kitamura, giám đốc điều hành cấp cao của Kyocera, cho biết: từ năm 1970 nước này đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển năng lượng Mặt Trời, nhưng chủ yếu là ứng dụng với phạm vi nhỏ hẹp như trong sản xuất điện cho đèn đường, biển báo giao thông và trạm viễn thông ở khu vực miền núi. Bước tiếp theo là xây dựng một số nhà máy lớn hơn trên các dải đất ven biển như Kagoshima Nanatsujima.

Ảnh nhà máy điện mặt trời Kagoshima Nanatsujima hiện có của Nhật. Ảnh: Kyocera.

Đặc biệt, kể từ năm 2011 khi xảy ra thảm họa động đất sóng thần với nhà máy điện hạt nhân ở Fukushima, Nhật Bản chú trọng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có điện mặt trời với xu hướng thiên về các nhà máy sử dụng công nghệ quang điện SPV và lắp đặt trên mặt nước.

Và vào tháng 9 năm qua, tập đoàn Kyocera đưa ra kế hoạch khởi công xây dựng nhà máy điện mặt trời nổi trên nước lớn nhất thế giới: phủ 11.000 tấm panô pin mặt trời lên hai khu vực mặt nước rộng ở tỉnh Hyogo. Hai trạm quang điện nổi này có công suất 2,9 MW, đủ để cung cấp điện sinh hoạt cho 920 hộ dân.

Đồng thời Kyocera cho xây dựng 30 nhà máy quang điện nổi trên biển vào năm 2015 để sản xuất ra 60 MW điện. Theo Kyocera, các panô nổi trên biển hoạt động tốt hơn trên đất liền vì nước biển làm mát các tấm pin mặt trời khiến tế bào quang điện hoạt động hiệu quả hơn.

Hệ thống năng lượng mặt trời trên mặt nước lớn nhất sẽ được xây dựng trên đập Yamakura. Dự kiến dự án sẽ hoàn thành vào tháng 3 năm 2016, khi đó hệ thống sẽ bao phủ 180.000 m2 nước, với 50.000 tấm pin năng lượng mặt trời và cung cấp điện cho khoảng 5.000 hộ tiêu thụ.

Với nhà máy điện mặt trời nổi đầu tiên sắp khánh thành trong tháng sau của Australia và hệ thống nhà máy quy mô hàng đầu thế giới của Nhật bản dự kiến khai trương vào đầu năm tới, ngành điện mặt trời theo công nghệ SPV trên thế giới sẽ vươn lên một vị thế mới sánh vai với ngành này theo công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP sẽ trình bày trong phần giới thiệu kế tiếp Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP (concentrated solar power).

Trần Minh – Vietnamnet