Ứng dụng điện năng lượng mặt trời kết hợp sản xuất nông nghiệp

Các nhà khoa học trao đổi về điểm khác biệt của RSSCA với các hệ thống điện-nông khác. (Ảnh MINH TIẾN)

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng điện năng lượng mặt trời kết hợp sản xuất nông nghiệp (điện-nông) ở Việt Nam từng bước được triển khai. Điển hình như: Dự án tại Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận (nay là tỉnh Khánh Hòa) với diện tích 832ha, công suất 300MW điện mặt trời kết hợp trồng rau, cà chua, táo, tỏi. Dự án nhà máy điện Hồng Phong 1A tại tỉnh Bình Thuận (nay là tỉnh Lâm Đồng) với công suất 150MW. Mô hình thí điểm hệ thống điện mặt trời kết hợp nông nghiệp lần đầu triển khai tại tỉnh Lâm Đồng, công suất 32.4kW với diện tích 625m2 đất trồng ngô, khoai tây và cây atiso. Ngoài ra, còn nhiều dự án nhỏ của hộ gia đình sử dụng điện mặt trời để phục vụ các hoạt động chiếu sáng, tưới tiêu, duy trì hệ thống thiết bị giám sát thông số.

Tuy nhiên, để cây trồng đạt năng suất cao, cho sản phẩm chất lượng tốt thì khoảng cách giữa các tấm pin mặt trời phải đủ lớn để cung cấp đủ lượng ánh sáng cần thiết cho cây sinh trưởng và phát triển. Điều này đã khiến sản lượng điện tạo ra bị giảm, do mật độ các tấm pin giảm.

Để cải thiện hiệu suất phát điện mặt trời, nhiều nhóm nghiên cứu các nước đã chuyển sang ứng dụng công nghệ quang điện tập trung, bởi đây là giải pháp rất tiềm năng giúp giảm thiểu chiếm dụng đất. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ này mặc dù giúp cây trồng nhận được nhiều ánh sáng hơn, nhưng đối với những cây nhiệt đới đặc trưng ở Việt Nam như lúa, các vùng phổ quan trọng cho quang hợp, nhất là ánh sáng đỏ và xanh lam vẫn bị thiếu hụt. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, chất lượng cây trồng.

Thực tế này đã đặt ra động lực nghiên cứu cho Phó Giáo sư, Tiến sĩ Trần Quốc Tiến, Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và các đồng nghiệp khi hợp tác với các nhà khoa học Đại học Myongji, Hàn Quốc thực hiện nhiệm vụ: “Nghiên cứu phát triển mô hình điện mặt trời hội tụ cao tách phổ định hướng ứng dụng trong hệ thống điện-nông”. Mục đích nhiệm vụ khoa học nhằm đưa ra thiết kế tổng thể mô hình điện mặt trời hội tụ cao tách phổ cho nông nghiệp. Nội dung nghiên cứu gồm: Đo đạc, khảo sát các tính chất của các linh kiện quang học chính sử dụng cho mô đun tập trung năng lượng mặt trời công suất lớn ứng dụng trong điện-nông; thiết kế và tính toán cấu trúc bộ lọc ánh sáng nhằm tách phổ mặt trời để nâng cao lượng ánh sáng sử dụng cho cây trồng trong hệ thống điện-nông. Bên cạnh đó, nhiệm vụ cũng thúc đẩy các trao đổi học thuật về thiết kế mô phỏng sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng trong thiết kế quang như: Light Tool, Trace Pro...

Phó Giáo sư, Tiến sĩ Trần Quốc Tiến chia sẻ: Việt Nam có cường độ bức xạ mặt trời lớn và là quốc gia sản xuất nông nghiệp hàng đầu với cây lúa là cây trồng chủ lực, nếu giải quyết được vấn đề cân bằng giữa hiệu quả sản xuất lúa gạo và phát triển hạ tầng năng lượng mặt trời thì lợi ích kinh tế-xã hội mang lại rất lớn. Bài toán này thúc đẩy nhóm nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống điện-nông tập trung tách phổ ánh sáng đỏ (RSSCA) cung cấp thêm phổ bức xạ cần thiết giúp cây trồng quang hợp tốt. Phần phổ bức xạ còn lại của ánh sáng mặt trời được chuyển đến hệ thống pin để phát điện. Hệ thống được phát triển dựa trên nguyên lý hệ thống pin mặt trời hội tụ cao (HCPV), trong đó ánh sáng đỏ của quang phổ bức xạ mặt trời được tách ra nhưng vẫn bảo đảm hiệu suất phát điện của hệ pin mặt trời. Kết quả này mang lại giải pháp khả thi cho mô hình điện-nông phù hợp với đặc thù thời tiết, khí hậu của Việt Nam.

Nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng hệ thống RSSCA hiệu suất chuyển đổi quang-điện đạt 31,2%, cao hơn các hệ pin quang điện cũ (dưới 20%). Trường hợp ứng dụng RSSCA trong cùng điều kiện, sản lượng điện tạo ra cao gấp ba đến năm lần so với hệ thống pin mặt trời thông thường. Giá trị tổng tích phân bức xạ ban ngày dưới hệ thống RSSCA đều đáp ứng hoặc vượt ngưỡng tối ưu cho trồng lúa. Quá trình nghiên cứu, nhóm tác giả hai nước cũng chứng minh hệ thống hoạt động đạt hiệu quả cao nhất tại các khu vực có khí hậu nhiệt đới, cận nhiệt đới với bức xạ mặt trời cao. Tại những khu vực có bức xạ yếu, nhất là các nước ôn đới, sản lượng điện năng tạo ra thấp, đồng thời khiến sự phát triển của cây trồng cũng bị ảnh hưởng.

Điểm khác biệt rõ nhất của RSSCA so với nhiều hệ thống điện-nông khác là sự thiết kế chuyên biệt theo loại cây trồng. Cụ thể, trong nhiệm vụ này cây lúa (loại cây ưa sáng) được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu chính để phát triển, kiểm chứng mô hình. Trong khi đó, phần lớn các mô hình khác phù hợp với rau chịu bóng hoặc nhà kính chưa quan tâm đến yếu tố này. Ngoài ra, hệ thống RSSCA còn giúp tập trung tối ưu dải phổ phù hợp, góp phần nâng cao năng suất cây trồng, đồng thời giúp giảm chi phí sản xuất nông nghiệp và phân bổ hiệu quả hơn nguồn năng lượng mặt trời…

Hội đồng nghiệm thu của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đánh giá nhiệm vụ có tính mới và tiềm năng ứng dụng cao trong thực tiễn, nhất là những khu vực vùng sâu, vùng xa, hải đảo, nơi có diện tích nhỏ và điện lưới hạn chế. Nhiệm vụ đã góp phần vào đào tạo nguồn nhân lực và có công bố quốc tế, vượt chỉ tiêu đề ra. Mô hình điện-nông đạt được của nhiệm vụ có thể ứng dụng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam. Hội đồng thống nhất đánh giá nhiệm vụ đạt loại xuất sắc, đồng thời khẳng định đây là hướng nghiên cứu tiềm năng và có triển vọng phát triển trong tương lai.

Thành công của nhiệm vụ khoa học này không chỉ minh chứng vai trò quan trọng của hợp tác quốc tế mà còn thể hiện nỗ lực làm chủ công nghệ của các nhà khoa học trong nước; khẳng định hướng phát triển công nghệ điện-nông là một xu hướng tất yếu và bền vững ở Việt Nam.