Hệ thống pin mặt trời tập trung

Giới thiệu chung

Hệ thống pin mặt trời tập trung có nghĩa tiếng Anh là Concentrator Photovoltaics (CPV). Ý tưởng chung của pin mặt trời tập trung là sử dụng hệ thống quang học tập trung ánh sáng vào một tế bào quang điện nhỏ, nhờ đó diện tích trung tâm của tấm pin được giảm đi, đồng thời cường độ ánh sáng được khuyếch đại lên tương ứng với tỷ lệ tập trung của hệ thống. Nhờ giảm diện tích pin sử dụng và tăng hiệu suất mà có thể giảm được chi phí trên mỗi đơn vị Watt của tấm pin.

Nguyên lý cơ bản của pin mặt trời tập trung là sử dụng thấu kính phẳng, hội tụ ánh sáng vào tấm pin mặt trời nhỏ có hiệu suất cao (Ảnh: Fraunhofer ISE).

Đặc điểm của hệ pin mặt trời tập trung này là nó chỉ hấp thụ được các tia sáng trực tiếp, do đó, các hệ này thường đòi hỏi dàn xoay theo hướng mặt trời (solar tracker) để tận dụng tối đa nguồn sáng trực tiếp. Cùng với bộ phận quang học, dàn xoay làm tăng thêm chi phí và mức độ phức tạp của hệ thống, đồng thời đòi hỏi các công tác bảo trì thường xuyên hơn.

Sau 30 năm nghiên cứu và phát triển, ngày nay thị trường pin mặt trời tập trung dường như đã sẵn sàng “cất cánh”, với tốc độ phát triển nhanh chóng nhờ vào chính sách hỗ trợ giá FIT ở một số nước cũng như việc cải thiện hiệu suất tấm pin lên tới 40% cho loại tế bào quang điện đa kết nối.

Một dự án CPV của công ty Amonix tại Arizona, 20MW (Ảnh: Amonix).

Ưu điểm:
- Tiết kiệm nguyên liệu (do diện tích tế bào quang điện nhỏ)
- Hiệu suất cao (sử dụng vật liệu bán dẫn đa tầng, cường độ ánh sáng cực lớn)

Nhược điểm:
- Phải sử dụng dàn xoay (do tế bào quang điện chỉ hấp thụ ánh sáng trực tiếp)
- Chi phí dàn xoay, bộ phận quang học, vật liệu sản xuất pin đắt
- Chỉ thích hợp với một số vùng có cường độ bức xạ lớn

Các khu vực màu vàng có cường độ bức xạ phù hợp với công nghệ CPV.

(Ảnh: Concentrix Sola)

Bộ phận quang học

Có 2 loại phổ biến là dạng thấu kính khúc xạ và gương parabol dạng máng. Thấu kính khúc xạ thường được sử dụng là thấu kính Fresnel (là một loại thấu kính có bề mặt ghép lại từ các phần của mặt cầu, làm giảm độ dày của thấu kính và do đó giảm trọng lượng, và độ tiêu hao ánh sáng do sự hấp thụ của thủy tinh làm kính). Phương án thay thế cho thấu kính khúc xạ là sử dụng thấu kính hay gương phản xạ (gương parabole dạng máng).

Không giống Soitec, sử dụng công nghệ thấu kính Fresnel, SolFocus sử dụng hệ thống gương phản xạ (Ảnh: Solfocus).

Hệ số hội tụ

Có nhiều cách định nghĩa hệ số hội tụ. Thông thường, người ta sử dụng hệ số hội tụ hình học, tức là dựa trên tỷ lệ của diện tích thấu kính chia cho diện tích hoạt động của tế bào quang điện nằm dưới nó (diện tích này thường nhỏ hơn diện tích thực của tế bào quang điện). Một hệ số hội tụ khác được nhắc đến là hệ số hội tụ ánh sáng, đo bằng tỷ lệ giữa cường độ ánh sáng chiếu tới tế bào quang điện so với cường độ ánh sáng chiếu tới bề mặt của thấu kính. Các hệ thống pin mặt trời tập trung trên thị trường hiện nay có thể đạt tới 530 lần (công ty Soitec), 500 lần (công ty Emcore), thậm chí hệ số hội tụ có thể lên tới 1000 lần (công ty Solfocus).

Dàn xoay

Do hệ thống pin mặt trời tập trung chỉ có khả năng hấp thụ các tia sáng trực tiếp, nên đòi hỏi phải có bộ phận hướng nắng (solar tracker) đi kèm để tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời. Có 2 dạng dàn xoay chính là dàn xoay 1 trục và dàn xoay 2 trục. Với hệ thống quang học hội tụ theo điểm thường đòi hỏi dàn xoay 2 trục để tấm pin luôn hướng theo mặt trời và ánh sáng hội tụ được tập trung vào tế bào quang điện. Trong khi đó, hệ thống quang học hội tụ theo đường đòi hỏi dàn xoay 1 trục, nhờ đó ánh sáng được tập trung dọc theo dãy các tế bào quang điện. Về mặt cơ học, dàn xoay 2 trục phức tạp hơn dàn xoay 1 trục, tuy nhiên hội tụ điểm lại có hệ số hội tụ cao hơn, do đó chi phí cho tế bào quang điện thấp hơn.

Hệ thống dàn xoay 2 trục.

(Nguồn: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering)

Hệ thống dàn xoay 2 trục. (Ảnh:Soitec)

Hệ dàn xoay 1 trục . (Nguồn: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering)

Hệ thống dàn xoay 1 trục. (Ảnh: sustainabledesignupdate.com)

Tế bào quang điện

Do đặc điểm tận dụng nguồn sáng có cường độ lớn cũng như các vật liệu khác, các tế bào quang điện trong hệ thống pin mặt trời tập trung đòi hỏi phải có hiệu suất cao. Hiệu suất càng cao thì hiệu quả sử dụng của các vật liệu khác càng lớn. Vì thế, với cùng một mức công suất, giá thành của các hệ thống pin mặt trời tập trung rẻ hơn so với các công nghệ điện mặt trời truyền thống khác. Các tế bào quang điện được sử dụng phổ biến hiện nay là loại tế bào quang điện đa tầng (đa kết nối  – multijunctional solar cell), có hiệu suất lên tới 40%.

Lộ trình hiệu suất tế bào quang điện theo các năm.

Nguồn: Concentrator Photovoltaics

Thị trường và ứng dụng

Hiện nay, 3 công ty lớn nhất về công nghệ pin mặt trời tập trung chiếm tới 96% các dự án đã và đang triển khai trên thế giới là: Soitec, Amonix và Solfocus. Thị trường của các công ty này chủ yếu tập trung ở các quốc gia có cường độ bức xạ lớn như Mỹ, Trung Âu, Nam Phi, Úc.

Các công ty đứng đầu trong thị trường pin mặt trời tập trung. Ảnh: GTM Research

Tài liệu tham khảo:
[1] Luque, Antonio; Hegedus, Steven. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering.. John Wiley & Sons. 2003
[2] Luque, A.: Concentrator Photovoltaics; Springer, 2009, ISBN 978-3642088346

(Theo: devi-renewable.com)