Năng lượng mặt trời: Tầm quan trọng và tiềm năng phát triển

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào nhất mà con người đang có. Chỉ cần khai thác được hết tiềm năng của nguồn năng lượng này, vấn đề cạn kiệt tài nguyên hóa thạch trên Trái đất sẽ được giải quyết. Để tìm hiểu về tầm quan trọng cũng như ứng dụng của năng lượng mặt trời, bạn có thể theo dõi bài viết sau đây. 

Năng lượng mặt trời là gì?

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng nguyên thủy nhất trên Trái Đất và đã được con người tận dụng cho mục đích sưởi ấm, chế biến/ bảo quản thực phẩm trước cả khi học cách tạo ra lửa. Ở khía cạnh khoa học, năng lượng mặt trời (tên tiếng Anh là Solar Energy) chính là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Mặt trời đã tồn tại khoảng 4,6 tỷ năm và sẽ tiếp tục cung cấp năng lượng cho con người trong khoảng 5 tỷ năm nữa, cho đến khi phản ứng hạt nhân trong Mặt trời hết nhiên liệu. 

Năng lượng mặt trời có khả năng tái sinh vô hạn nên sẽ không bao giờ cạn kiệt. Hơn nữa, năng lượng này cùng các tài nguyên thứ cấp như gió, sóng, nước, sinh khối… đang tạo thành hệ thống năng lượng tái tạo hoàn chỉnh có sẵn trên Trái đất với tiềm năng khai thác là vô tận, trong khi con người mới chỉ khai thác được một phần nhỏ. 

Để sử dụng năng lượng mặt trời, công nghệ năng lượng mặt trời được áp dụng với 2 cách phổ biến gồm:

• Sử dụng các tấm gương, thấu kính, tấm thu nhiệt nhằm tận dụng nhiệt từ mặt trời cho mục đích sưởi ấm/ làm mát, đun nấu…
• Công nghệ quang điện mặt trời cho phép sản xuất điện từ năng lượng mặt trời, phục vụ cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất. 

Tiềm năng khai thác của năng lượng mặt trời

Trung bình, Trái đất nhận được 174 petawatts (PW) bức xạ mặt trời mỗi năm, có khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian, phần còn lại - 122 PW (tương đương 3.850.000 EJ) sẽ được khí quyển, đại, dương và khối đất liền hấp thụ. Vào năm 2002, các nhà khoa học chứng minh được, năng lượng mặt trời chiếu xuống Trái đất trong 1 giờ còn nhiều hơn năng lượng mà toàn bộ thế giới sử dụng trong 1 năm. 

Năm 2000, Bộ Kinh tế và Xã hội Liên Hợp Quốc cùng Hội đồng Năng lượng thế giới đã công bố ước tính về tiềm năng năng lượng mặt trời mà con người có thể sử dụng mỗi năm, dao động từ 1.600 đến 49.800 EJ. Trữ lượng này có sự khác biệt lớn ở nhiều quốc gia, tùy thuộc vào vị trí địa lý, trong đó càng gần đường xích đạo, tiềm năng năng lượng mặt trời có sẵn càng lớn. 

Tiềm năng năng lượng mặt trời hàng năm theo khu vực (Exajoules)

Khu vực	Giá trị tối thiểu	Giá trị tối đa
Bắc Mỹ	181,1	7.410
Mỹ Latinh và Caribe	112,6	3.385
Tây Âu	25,1	914
Trung và Đông Âu	4,5	154
Trung Đông và Bắc Phi	412,4	11.060
Châu Phi cận Sahara	371,9	9.528
Châu Á Thái Bình Dương	41	994
Nam Á	38,8	1.339
Châu Á	115,5	4.135
Thái Bình Dương	72,6	2.263

Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời

Ưu điểm

• Sạch và bền vững: Năng lượng mặt trời có tính vô hạn, không gây ô nhiễm môi trường, không phát thải khí nhà kính nên có thể khai thác lâu dài. 
• Tiết kiệm chi phí: Hệ thống điện mặt trời giúp tiết kiệm được tiền điện, tiền gas hàng tháng. Hơn nữa, chi phí vận hành và bảo trì cũng rất thấp.
• Đảm bảo an ninh năng lượng: Khai thác năng lượng mặt trời giúp giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, hạn chế sự ảnh hưởng từ các cuộc khủng hoảng địa chính trị tại quốc gia tập trung nhiều tài nguyên thiên nhiên. 
• Phân bổ ở mọi nơi: Không giống than đá, dầu mỏ - thường chỉ tập trung ở một số khu vực nhất định, năng lượng mặt trời xuất hiện ở khắp nơi trên hành tinh, tạo điều kiện thuận lợi để sản xuất điện cho vùng sâu, vùng xa, vùng hải đảo. 
• Đơn giản và dễ lắp đặt: Hệ thống năng lượng mặt trời không yêu cầu quá cao về kỹ thuật, công nghệ lắp đặt, vận hành. 

Nhược điểm

• Chi phí đầu tư cao: Dù có chi phí vận hành thấp nhưng chi phí đầu tư cho hệ thống điện mặt trời không hề rẻ, đặc biệt là hệ thống quy mô lớn. 
• Phụ thuộc vào thời tiết: Hiệu suất năng lượng mặt trời có thể thay đổi theo ngày, thậm chí việc sản xuất điện chỉ có thể thực hiện khi có ánh sáng, trong điều kiện lý tưởng là trời không mây. 
• Yêu cầu diện tích lớn: Hệ thống pin mặt trời cần được đặt trên mái nhà đủ rộng hoặc đất trống đủ lớn mới đảm bảo được hiệu suất ổn định. 
• Công nghệ còn nhiều hạn chế: Các nhà khoa học nhận định, năng lượng mặt trời còn nhiều tiềm năng mà con người chưa khai thác hết. Điều này cũng do công nghệ hiện tại còn hạn chế khiến hiệu suất chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng chưa đạt mức tối ưu. 

Vai trò và ứng dụng của năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên giàu có nhất và cũng rẻ nhất trên thế giới. 

Năng lượng mặt trời đóng vai trò tối quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của hệ sinh vật trên Trái đất, đặc biệt là quá trình quang hợp và sinh trưởng của thực vật, tảo và vi khuẩn lam. Nếu quang hợp ngừng lại, hầu hết các sinh vật sẽ dần biến mất, bầu khí quyền sẽ cạn kiệt oxy. Năng lượng mặt trời cũng cần thiết cho quá trình bốc hơi trong chu trình nước, nhiệt độ đất và nước, sự hình thành gió - những thành tố chính tạo nên sự sống ở hành tinh. 

Đối với con người, năng lượng mặt trời không chỉ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt hàng ngày như chiếu sáng, sưởi ấm mà còn là nguồn năng lượng thiết yếu để sản xuất điện phục vụ cho mọi lĩnh vực của đời sống. 

Đặc biệt, năng lượng mặt trời còn là nguồn tài nguyên sạch với tiềm năng khai thác vô hạn, có thể thay thế các nguồn hóa thạch nhằm giảm sự phụ thuộc vào tài nguyên thiên nhiên, khai thác hiệu quả hơn các nguồn năng lượng có tính tái sinh và chống biến đổi khí hậu toàn cầu. 

Với những vai trò quan trọng như vậy, năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng trong nhiều khía cạnh như: 

Kiến trúc và quy hoạch đô thị

Kiến trúc năng lượng mặt trời lần đầu tiên được áp dụng trên thế giới bởi người Hy Lạp và Trung Quốc với quan niệm, xây nhà theo hướng nam để nhận ánh sáng nhiều nhất.

Giai đoạn sau đó, kiến trúc năng lượng mặt trời thụ động được điều chỉnh phù hợp hơn với đặc trưng khí hậu và môi trường tại địa phương, đảm bảo các ngôi nhà có thể duy trì không gian đủ ánh sáng cùng nhiệt độ thích hợp. Ngôi nhà Megaron của Socrates là một ví dụ điển hình. 

Ngày nay, kiến trúc năng lượng mặt trời được tính toán và thiết kế kỹ lưỡng, nhằm tận dụng tối đa nguồn năng lượng này cho hệ thống chiếu sáng, sưởi ấm và thông gió, nhất là đón được ánh sáng tự nhiên trong các biệt thự, tòa nhà cao cấp.

Ngoài ra, dựa vào việc đánh giá tác động tiêu cực của năng lượng mặt trời tại các khu vực đô thị, các chuyên gia đã nghiên cứu ra phương pháp để chống lại hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI - do các vật liệu đô thị như nhựa đường và bê tông hấp thụ mạnh năng lượng mặt trời làm tăng nhiệt độ trung bình trong khu vực) bằng cách sơn trắng các tòa nhà và đường sá, đồng thời trồng nhiều cây xanh trong khu vực. Qua đó có thể làm giảm nhiệt độ đô thị xuống khoảng 3 độ C, tương ứng có thể tiết kiệm khoảng 530 triệu USD hàng năm cho chi phí sử dụng điều hòa và chăm sóc sức khỏe. 

Nông nghiệp

Dựa vào việc tối ưu cách phân bổ năng lượng mặt trời trên cùng một diện tích trồng trọt, người nông dân có thể tối ưu năng suất của cây trồng thông qua một số kỹ thuật như trồng trọt theo chu kỳ thời gian, định hướng hàng, chiều cao so le giữa các hàng và trồng xen canh các giống cây khác nhau. 

Năng lượng mặt trời cũng là điều kiện tiên quyết để thực hiện thành công phương pháp trồng trọt trong nhà kính, cho phép nông dân canh tác các loại cây trồng đặc sản hoặc một số loại không phù hợp với khí hậu tự nhiên tại địa phương. 

Ngoài trồng trọt, ứng dụng của năng lượng mặt trời trong nông nghiệp còn được thể hiện ở các công đoạn sấy khô, ấp nở gà vịt hay tạo ra điện để bơm nước tưới tiêu. Gần đây, điện mặt trời còn được những người làm rượu vang sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy ép nho.

Giao thông vận tải

Xe sử dụng hoàn toàn năng lượng mặt trời thực tế đã được nghiên cứu và phát triển từ những năm 1980. Giai đoạn này thậm chí còn tổ chức các cuộc đua xe năng lượng mặt trời định kỳ 6 tháng 1 lần nhằm phản ánh sự quan tâm của thế giới về kỹ thuật và sự phát triển của dòng xe sử dụng năng lượng mới. 

Đến năm 1975, chiếc thuyền năng lượng mặt trời đầu tiên đã được phát minh tại Anh. Năm 1996, chiếc bè “Sun 21” do Kenichi Horie cầm lái thực hiện chuyến vượt biển đầu tiên qua Đại Tây Dương hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời. 

Bắt đầu từ năm 1974, máy bay không người lái chạy bằng năng lượng mặt trời đã thực hiện được chuyến bay đầu tiên. Cho đến năm 2015, Solar Impulse - một máy bay điện được cung cấp năng lượng bởi các tấm pin mặt trời đã thành công bay vòng quanh thế giới. 

Đặc biệt nhất trong số phương tiện năng lượng mặt trời phải kể đến khí cầu HHA sử dụng khí helium để nâng và tế bào năng lượng mặt trời làm động lực. Loại khí cầu này đã được Cục phòng chống tên lửa của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đưa vào ứng dụng để tăng cường cho Hệ thống phòng chống tên lửa đạn đạo (BMDS). 

Công nghệ nhiệt mặt trời

Từ thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên, con người đã biết dùng ánh sáng mặt trời để nhóm lửa. Vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, người Hy Lạp và La Mã còn biết dùng gương phản chiếu tia nắng để thắp đuốc cho các nghi lễ tôn giáo. 

Ngày nay, công nghệ nhiệt mặt trời được ứng dụng đa dạng để xử lý nước, sưởi ấm/ làm mát không gian và tạo ra nhiệt quy trình. 

Xử lý nước

Chưng cất năng lượng mặt trời có thể khiến nước mặn hoặc nước lợ biến đổi tính chất như nước ngọt nên uống được. Nhà máy chưng cất năng lượng mặt trời quy mô lớn đầu tiên từng được xây dựng tại thị trấn khai thác mỏ Las Salinas (Chile) vào năm 1872, với công suất lên đến 22.700l nước mỗi ngày. 

Tổ chức Y tế Thế giới WHO khuyến cáo, chưng cất nước là phương pháp xử lý nước khả thi tại khu vực thiếu hụt nước ngọt trầm trọng. Thời gian phơi nước có thể kéo dài từ sáu giờ đến 2 ngày tùy thuộc vào tình hình thời tiết và khí hậu. 

Năng lượng mặt trời cũng có thể được sử dụng như một phương pháp khử trùng ao nước mà không cần đến hóa chất hoặc làm nóng nước thông qua hệ thống sưởi. 

Sưởi ấm, làm mát, thông gió

Ở các vùng khô hạn và ôn đới ấm tại Hoa Kỳ, các vật liệu nhiệt khối như đá, xi măng và nước thường được sử dụng trong xây dựng công trình để làm mát cho các tòa nhà bằng cách hấp thụ năng lượng mặt trời vào ban ngày và bức xạ nhiệt đã lưu trữ để duy trì không khí mát mẻ vào ban đêm. Ngược lại ở vùng ôn đới lạnh, cách này được áp dụng để đảm bảo sự ấm áp cả ngày cho ngôi nhà. 

Bên cạnh đó, một ống khói nhiệt cũng được trang bị để điều hòa không khí. Khi ống khói nóng lên, không khí bên trong cũng được làm nóng, tạo ra luồng gió kéo không khí đi qua tòa nhà. 

Nhiệt quy trình

Công nghệ tập trung năng lượng mặt trời dùng chảo parabol, máng và gương phản xạ Scheffler có thể cung cấp nhiệt quy trình cho nhiều ứng dụng công nghiệp, thương mại. Điển hình như dự án Năng lượng mặt trời toàn phần (STEP) tại Georgia (Hoa Kỳ). Tại đây, một cánh đồng gồm 114 chảo parabol đã được lắp đặt, cho khả năng cung cấp 50% nhu cầu sưởi ấm, điều hòa không khí và cấp điện cho một nhà máy may mặc với tổng công suất gồm 400kW điện, 401kW nhiệt dưới dạng hơi nước và 468kW nước lạnh. 

Nhiệt quy trình cũng được ứng dụng trong chu trình làm muối tại các ao bốc hơi hoặc làm khô quần áo tự nhiên mà không dùng đến điện hoặc khí đốt. 

Công nghệ điện mặt trời

Điện mặt trời là nguồn điện được tạo ra từ bức xạ mặt trời, có khả năng thay thế điện từ các nguồn năng lượng không tái tạo để ứng dụng trong sinh hoạt, sản xuất, giao thông vận tải, đồng thời chống lại quá trình biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe của con người. 

Tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời để tạo ra điện gần như là vô tận bởi mỗi ngày, Trái đất được tiếp nhận nguồn năng lượng gấp khoảng 200.000 lần tổng công suất tiêu thụ điện thực tế của con người trên khắp thế giới. Đáng tiếc, mặc dù năng lượng mặt trời là miễn phí nhưng để tạo ra điện từ năng lượng này, chi phí cho việc đầu tư trang thiết bị, chuyển đổi và lưu trữ năng lượng không hề rẻ. 

Ngày nay, công nghệ điện mặt trời chủ yếu được tạo ra bằng 2 cách như sau: 

• Trực tiếp: Bức xạ mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng thông qua pin mặt trời hoặc tế bào quang điện. Điện thu được từ hiệu ứng quang điện thường là điện một chiều DC và phải được chuyển đổi thành điện xoay chiều AC bằng bộ biến tần mới có thể sử dụng. Ở quy mô nhỏ, các tế bào quang điện có thể cung cấp nguồn điện cho máy tính hoặc đồng hồ. Ở quy mô trung bình, pin mặt trời được dùng để cấp điện cho hộ gia đình, xưởng sản xuất nhỏ, trạm sạc xe điện, điện cho vùng sâu, vùng xa. Với quy mô lớn tập hợp đến hàng trăm, hàng ngàn tấm pin PV, hàng triệu kW điện có thể được tạo ra tại các nhà máy điện mặt trời. Sarnia (Canada) hiện là nhà máy quang điện (PV) lớn nhất thế giới với công suất 97MW. 

• Gián tiếp: Phương pháp này sử dụng thấu kính hoặc gương và hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời để tập trung khu vực lớn ánh sáng mặt trời vào một điểm nóng, thường để điều khiển tuabin hơi nước tạo ra điện. Nhà máy điện mặt trời tập trung (CSP) lớn nhất hiện nằm ở sa mạc Mojave của California có công suất lên đến 354MW. 

Thực trạng phát triển điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với tổng số giờ nắng hàng năm lên đến 2.500 giờ, tổng lượng bức xạ đạt 230-250 kcal/cm2/năm, rất thuận lợi để khai thác điện mặt trời. Ngoài ra, Chính phủ Việt Nam đã và đang ban hành nhiều chính sách ưu đãi, hỗ trợ đầu tư vào các dự án điện từ năng lượng tái tạo, đi kèm là cơ chế mua giá điện cạnh tranh để thúc đẩy doanh nghiệp trong và ngoài nước tham gia vào sản xuất điện. 

Trong đó phải kể đến tầm quan trọng của Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính Phủ về việc tạo điều kiện cho điện mái nhà phát triển với hơn 100.000 công trình được hòa lưới, đóng góp tổng công suất 9.000 MW vào lưới điện quốc gia.  

3 điểm chính trong Quyết định số 13 liên quan đến điện mặt trời mái nhà gồm: 

• Điện mái nhà cần có các tấm quang điện được lắp đặt trên mái nhà của công trình. 
• Công suất điện mái nhà không được quá 1 MW. 
• Điện mái nhà được đấu nối trực tiếp hoặc gián tiếp vào lưới điện quốc gia có cấp điện áp nhỏ hơn 35kV.

Gần đây nhất, Bộ Công thương đã ra thông báo: việc lắp đặt điện mặt trời mái nhà tự sản, tự tiêu, có thể bán một phần nhỏ cho lưới điện quốc gia nhưng mục tiêu chính là tự sử dụng chỉ cần có cơ chế thông báo cho đơn vị điện lực hoặc sở công thương địa phương mà không cần đăng ký hay xin giấy phép. Bộ Công thương cũng đang xây dựng quyết định mới để tạo hành lang pháp lý rõ ràng hơn cho điện mái nhà, nhằm khuyến khích người dân sử dụng điện sạch, qua đó giảm áp lực lên lưới điện quốc gia và tiến tới mục tiêu giảm phát thải ròng về 0 vào năm 2050 (cam kết của Việt Nam tại COP26). 

Câu hỏi thường gặp về năng lượng mặt trời

Câu hỏi 1: Năng lượng mặt trời có phải năng lượng sạch không?

Trả lời: Có. Năng lượng mặt trời thuộc nguồn năng lượng tái tạo nên không tạo ra khí nhà kính. Hơn nữa, vật liệu chế tạo pin mặt trời ngày càng được tái chế và tuổi thọ của các tấm này cũng rất lớn, trung bình đến 25 năm nên khi công nghệ khai thác năng lượng mặt trời càng phát triển, lượng khí thải carbon sẽ tiếp tục giảm. 

Câu hỏi 2: Sự khác biệt giữa tấm pin quang điện với tấm pin nhiệt mặt trời là gì?

Trả lời: Các tấm pin mặt trời được dùng để tạo ra điện, trong khi các tấm pin nhiệt thường được dùng để lấy nhiệt. Mặc dù sử dụng chung nguồn năng lượng là mặt trời nhưng công nghệ khai thác của 2 tấm pin này là hoàn toàn khác nhau. 

• Điện mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện để tạo ra dòng điện một chiều, sau đó lại được biến đổi thành dòng điện xoay chiều để sử dụng cho các thiết bị dân dụng hoặc công nghiệp. 
• Nhiệt mặt trời được thu trực tiếp từ bức xạ mặt trời để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như sưởi ấm/ làm mát, điều hòa không khí, cung cấp nước nóng, thậm chí là sản xuất điện ở quy mô lớn. 

Câu hỏi 3: Điện mặt trời ở Việt Nam chủ yếu là loại nào?

Trả lời: Việt Nam hiện chưa phát triển công nghệ sản xuất điện tập trung mà chủ yếu sản xuất điện mặt trời từ các tấm pin quang điện (PV).