Phát triển năng lượng mặt trời một cách kinh tế hơn

Năng lượng mặt trời có thể cung cấp đủ điện để đáp ứng nhu cầu của toàn thế giới, nhưng ngày nay mới sản xuất có 1,2% năng lượng trên toàn thế giới mà thôi.

Không có tài nguyên thiên nhiên nào khác dồi dào như ánh sáng mặt trời, năng lượng từ mặt trời trên toàn trái đất hơn gấp 5.000 lần hơn so với tổng tiêu thụ năng lượng của con người. Sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời thương mại, với một khu vực có kích thước như Texas về mặt lý thuyết có thể cung cấp đủ điện để đáp ứng nhu cầu trên toàn thế giới. Vậy tại sao chỉ có khoảng 1.2% năng lượng thế giới được tạo ra bởi năng lượng mặt trời? Giải quyết các thách thức lớn về mặt kỹ thuật đã được xác định bởi Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia (NAE) là một trong những 14 mục đích kỹ thuật quan trọng nhất của ngày hôm nay. Với nhiệm vụ chính là tạo nguồn năng lượng sạch và tái tạo được nên năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng chính. Đạt được mục tiêu đó đòi hỏi phải có những đổi mới trong hai lĩnh vực chính: giảm chi phí cho mỗi kilowatt cho đến khi nó thấp hơn so với các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống, và kết nối lưới điện thông minh để quản lý sự trao đổi với dòng điện hai chiều với tất cả các nguồn năng lượng tái tạo phân tán khắp nơi.

Giảm giá thành trên mỗi Kilowatt

Cựu Bộ trưởng Năng lượng Steven Chu ước tính giá cho năng lượng mặt trời để đạt được cân bằng chi phí không được hỗ trợ với nguồn thông thường là khoảng $ 0,50 USD trên mỗi watt, giả sử giảm tương ứng bao gồm tất cả các chi phí khác liên quan đến việc cài đặt một hệ thống. Những chi phí của “sự cân bằng của hệ thống” này bao gồm chi phí của biến tần và hệ thống điện, giàn khung cơ khí, phí lắp đặt, và cho phép vận hành. Trong ba năm qua, mức giá thương mại trung bình cho các mô-đun năng lượng mặt trời đã giảm xuống còn $ 0,80 USD trên mỗi watt, đặt mục tiêu $ 0,50 USD cho mỗi watt. Bởi vì điều này, số dư chi phí hệ thống hiện nay là yếu tố hạn chế. Nó có thể là đắt hơn 2 đến 3 lần so với chi phí tấm pin.

Hình ảnh: Giá cho các mô-đun năng lượng mặt trời liên quan đến số lượng sản xuất. Ngày nay giá đã giảm xuống dưới 1 USD mỗi watt.

Xem xét tổng chi phí hoạt động trong vòng đời của một hệ thống năng lượng mặt trời cũng quan trọng. Trong suốt quãng đời của hệ thống, việc bảo trì, sửa chữa, và chi phí thời gian chết là quan trọng. Chi phí điện (LCOE) là một cách tính toán các yếu tố trong tất cả các chi phí vòng đời. May mắn thay, các mô-đun năng lượng mặt trời chất lượng cao, rất bền và thường kéo dài trong 20 năm hoặc hơn mà chỉ giảm 20% trong sản xuất. Tuy nhiên, độ tin cậy của biến tần khi kết nối lên lưới điện là một thách thức đối với ngành công nghiệp năng lượng mặt trời. Kéo dài tuổi thọ biến tần đến 20 năm để có thể giảm chi phí thực sự của hệ thống bằng 40%.

Để thuận lợi cho việc mở rộng tuổi thọ của các biến tần, National Instruments sử dụng một phương pháp thiết kế hệ thống đồ họa toàn diện và làm cho nó có thể giúp cho các nhà thiết kế đánh giá những khó khăn tác động đến cả chi phí và thời gian vòng đời.

Kết nối vào lưới điện

Truyền tải điện được xem xét bởi NAE là thành tựu kỹ thuật quan trọng nhất của thế kỷ 20. Lưới điện của thế giới có lẽ là hệ thống phức tạp nhất được xây dựng bởi con người, họ thiết kế một hệ thống trong đó dòng chảy năng lượng chỉ đổ về từ vài nguồn lớn, từ các nhà máy điện tập trung đến người tiêu dùng. Các máy phát điện tập trung lớn nằm xa đáp ứng nhu cầu tương đối chậm. Sản xuất năng lượng mặt trời được phân phối trên toàn lưới điện, và lượng điện sản xuất ra dao động phụ thuộc vào các đám mây che phủ và điều kiện thời tiết.

Hình ảnh: khách hàng NI như Siliken sử dụng một phương pháp thiết kế hệ thống bằng đồ họa để đạt được 2 mục tiêu quan trọng là giảm chi phí cho mỗi kilowatt và kết nối lưới điện.

May mắn thay, ngành cảm biến kỹ thuật số và công nghệ kiểm soát cho lưới điện đang nhanh chóng giảm chi phí và tăng hiệu suất. Các hệ thống giám sát và kiểm soát thông minh sẽ giúp nguồn chính là từ năng lượng mặt trời và điện gió trong khi ngày càng nâng cao chất lượng, tính ổn định và khả năng phục hồi của lưới điện. Một yếu tố quan trọng là sự phát triển của công nghệ lưu trữ năng lượng có hiệu quả và có khả năng mở rộng lên tới mức terawatt.

Làm việc trên nhiều vectơ, các khách hàng của NI như Elcom, Prolucid, và Siliken đang sử dụng một phương pháp thiết kế hệ thống với đồ họa để đạt được 2 mục tiêu quan trọng trong việc giảm chi phí cho mỗi kilowatt và kết nối lưới điện đạt hiệu quả thực sự và tính sẵn sàng của năng lượng mặt trời. Khi dân số toàn cầu tăng và nhu cầu tiêu thụ năng lượng mở rộng, việc đó trở nên ngày càng quan trọng để thúc đẩy sự đổi mới để làm cho năng lượng mặt trời kinh tế, không phụ thuộc vào các nguồn không thể tái tạo và đạt được một giải pháp cho thách thức lớn này.