Điện mặt trời áp mái: Nhìn ra thế giới

Tìm hiểu về điện mặt trời áp mái

Một hệ thống điện mặt trời áp mái (rooftop photovoltaic system) là một hệ thống các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái của một tòa nhà, công trình thương mại, khu công nghiệp hay nhà ở. Các hệ thống pin mặt trời này thường có công suất nhỏ hơn nhiều so với các nhà máy điện mặt trời trên mặt đất. Các hệ thống trên mái các tòa nhà dân cư thường có công suất khoảng từ 5-20KW, trong khi các hệ thống trên các tòa nhà thương mại thường đạt tới 100KW hoặc lớn hơn.

Minh họa nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời áp mái có lưu trữ. Ảnh: GP Solar.

Về cơ chế hoạt động, dòng điện một chiều DC được tạo do ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấn pin chạy vào bộ nghịch lưu để biến thành dòng điện xoay chiều AC (với tần số của lưới điện hiện hành do điều khiển góc mở các van thiristors của bộ nghịch lưu, trường hợp của Việt Nam là 50 herz) rồi chạy vào công tơ hai chiều để được ghi và lưu trị số cho thanh toán sau này, sau đó chạy vào các thiết bị sử dụng điện của hộ tiêu thụ.

Trong trường hợp hộ tiêu thụ không dùng hết điện năng của pin mặt trời, lượng điện dư thừa sẽ chuyển vào lưới điện phân phối khu vực. Ngược lại, nếu thiếu điện (hoặc khi không có ánh nắng mặt trời) thì hộ tiêu thụ phải nhận thêm từ lưới điện. Quá trình phát điện vào lưới điện, hoặc ngược lại đều được ghi lại tại công tơ hai chiều để thanh toán sau này.

Ưu- nhược điểm của điện mặt trời áp mái

So với hệ thống trên mặt đất, hệ thống điện mặt trời áp mái có một số ưu điểm quan trọng, bao gồm: Tăng cường khả năng độc lập về điện, không sử dụng diện tích đất, chỉ đấu nối vào hệ thống lưới điện phân phối (chủ yếu là lưới điện hạ áp) đã có sẵn của ngành điện mà không phải xây dựng thêm lưới điên cao áp từ 110 kV trở lên, không gây ảnh hưởng tới độ tin cậy của hệ thống điện và không phải tăng cường nguồn dự phòng cho hệ thống điện, và có thể huy động dễ dàng nguồn vốn đầu tư từ nhiều đối tượng khác nhau (chủ doanh nghiệp, chung cư, công sở, cá nhân) trong xã hội...

Nếu xét góc độ tổng thể quốc gia, điện mặt trời áp mái thực sự ý nghĩa về việc giảm tổn thất lưới điện, tăng nguồn cung cấp điện, và có đóng góp trong việc tiết giảm tiêu thụ điện tại chỗ.

Điện mặt trời áp mái có thể tận dụng được diện tích mái nhà “nhàn rỗi”. Ảnh: Living on Earth.

Nhược điểm lớn nhất của giải pháp phát triển điện mặt trời áp mái là ngành điện bị giảm doanh thu, trong khi phải có trách nhiệm kiểm tra, xem xét và thanh toán tiền điện phát vào lưới cho chủ hộ. Tuy nhiên, xét trên cơ sở lợi ích quốc gia thì điện mặt trời sẽ góp phần bảo đảm an ninh năng lượng (giảm sử dụng than nhập), bảo vệ môi trường (giảm phát thải khí nhà kính) và không ảnh hưởng đến quy hoạch sử dụng đất tại các địa phương…

Thế giới khuyến khích điện mặt trời áp mái

Theo dự báo, điện mặt trời trong tương lai có thể thay thế các hình thức sản xuất điện khác từ việc đốt nguyên liệu hóa thạch cũng như hạn chế thủy điện làm thay đổi hệ sinh thái… Với nhiều lợi ích mang lại, hiện nay nhiều quốc gia trên thế giới đã ngày càng quan tâm và đẩy mạnh phát triển nguồn năng lượng này.

Trước tiên, chúng ta có thể nhìn vào kinh nghiệm phát triển năng lượng sạch của một số nền kinh tế đã phát triển điện mặt trời, trong đó có mô hình điện mặt trời áp mái. Có một thực tế rằng, nhiều quốc gia đã tận dụng các mái nhà bỏ không ở những vùng đất rộng lớn nằm cách xa thành phố hoặc thủ đô, để lắp đặt điện mặt trời áp mái, tạo ra lượng điện sạch lớn.

Nhiều ngôi nhà ở vùng nông thôn Trung Quốc được lắp hệ thống điện mặt trời áp mái. Ảnh: SCMP.

Từ chỗ phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ, khí đốt…, đến nay Trung Quốc, nền kinh tế lớn đứng thứ hai trên thế giới (sau Mỹ), đã từng bước đa dạng hóa nguồn cung cấp điện năng thông qua việc phát triển năng lượng sạch, năng lượng tái tạo.

Ngay từ năm 2006, Trung Quốc đã ban hành Luật Năng lượng tái tạo, đặt nền móng cho cuộc cách mạng phát triển năng lượng sạch. Kế hoạch 5 năm lần thứ XII (2011-2015) và lần thứ XIII (2016-2020) của Trung Quốc đã chỉ ra phải ưu tiên phát triển năng lượng xanh và bảo vệ môi trường, bảo đảm thực hiện các cam kết quốc tế về giảm phát thải carbon và thay đổi cấu trúc thị trường than. Riêng điện mặt trời áp mái của Trung Quốc tăng trưởng theo cấp số nhân.

Việc phát triển điện mặt trời áp mái đã được hỗ trợ mạnh mẽ bởi việc hoạch định chính sách của Trung Quốc vì nó mang lại những tác dụng phụ tích cực như đảm bảo quá trình chuyển đổi sang xã hội các-bon thấp, cung cấp điện cho người dân, tạo việc làm và giá trị gia tăng. Vào cuối năm 2017, Trung Quốc có công suất điện mặt trời áp mái là 129.000MW so với chỉ 100 MW vào năm 2007, trong đó 60% được lắp đặt tại các trang trại điện mặt trời áp mái tập trung quy mô lớn và 40% còn lại được phân phối trên các mái nhà và khu đất ở các thành phố và làng mạc của nước này.

Theo Cơ quan Quản lý Năng lượng Quốc gia Trung Quốc (NEA), hiện cung cấp sản lượng 108GW, nhiều hơn bất kỳ nơi nào khác trên thế giới, sau khi tăng thêm 29GW vào năm 2021. Hầu hết công suất bổ sung đã được lắp đặt trong quý 4-2021 do các nhà phát triển gấp rút đáp ứng thời hạn trợ cấp của chính phủ.

Bên cạnh việc khuyến khích áp dụng mô hình cho khu dân cư, Trung Quốc cũng triển khai một số dự án tại mái của các tòa nhà công cộng và chính phủ. Đơn cử, các tấm pin mặt trời đặt trên mái của Đại lễ đường Nhân dân ở thủ đô Bắc Kinh tạo ra 98.000kWh mỗi năm để vận hành tòa nhà bên dưới.

Công nhân đang lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái tại thành phố Park Ridge, bang Illinois, Mỹ. Ảnh: Getty Images

Theo Bộ Năng lượng Mỹ, điện mặt trời có giá cả phải chăng, dễ tiếp cận và đang phổ biến ở nước này hơn bao giờ hết. Từ chỉ 0,34GW vào năm 2008, công suất điện mặt trời của Mỹ đã tăng lên ước tính 97,2GW, đáp ứng nhu cầu điện cho 18 triệu ngôi nhà trung bình. Kể từ năm 2014, chi phí trung bình của các tấm pin mặt trời đã giảm gần 70%.

Thị trường năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng trên khắp đất nước vì điện mặt trời hiện có khả năng cạnh tranh kinh tế với các nguồn năng lượng thông thường ở hầu hết các bang. Bộ Năng lượng Mỹ ước tính chỉ cần các tấm pin có diện tích 57.000km2 (tương đương với diện tích hồ Michigan) có thể cung cấp đủ điện cho toàn nước Mỹ.

Theo một thống kê của Cơ quan nghiên cứu năng lượng tái tạo Mỹ (NREL), nước này có khoảng 8 tỷ m2 mái nhà có thể lắp được hệ thống điện mặt trời áp mái, với công suất điện tương đương 1TW. Cơ quan này còn cho biết trung bình mỗi năm có khoảng 3,3 triệu ngôi nhà ở Mỹ sẽ được xây dựng hoặc phải thay mái và nếu đều lắp hệ thống điện mặt trời áp mái thì có tổng công suất khoảng 30GW. Nếu ngay cả một phần nhỏ trong số những mái nhà mới này có lắp đặt hệ thống pin mặt trời, nó có thể có tác động đáng kể đến việc sản xuất điện mặt trời của toàn nước Mỹ.

NREL cũng cho biết điện mặt trời áp mái có tiềm năng rất lớn, đơn cử như tại bang California (nơi có mật độ cao các tòa nhà nhỏ nhiều hơn hầu hết các bang khác) có thể tạo ra 3/4 lượng điện và tại vùng New England hoặc bang Florida đạt gần một nửa tổng nhu cầu điện của người dân. Các tấm pin mặt trời cũng có thể được lắp đặt trên các mái nhà mà về cơ bản không ảnh hưởng đến việc sử dụng đất và dự kiến ​​hơn một trong bảy ngôi nhà ở Mỹ sẽ có hệ thống điện mặt trời áp mái vào năm 2030.

Tiếp đến, phải nói tới một cường quốc về khoa học-công nghệ phát triển là Nhật Bản. Ngay từ năm 2008, Chính phủ Nhật Bản đã thực hiện chính sách hỗ trợ cho vay mua nhà sử dụng năng lượng tái tạo với thời gian trả nợ tối đa là 10 năm, trong đó, cho những gia đình cải tạo nhà, chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời được vay số tiền tối đa lên đến gần 5.000USD. Ngoài ra, chính quyền Tokyo còn mua điện sản xuất từ năng lượng mặt trời với giá cao hơn giá thị trường và giảm giá bán các tấm pin năng lượng mặt trời. Để thúc đẩy điện mặt trời phát triển hơn nữa, tháng 8-2011, Nhật Bản đã ban hành Luật Trợ giá (FiT) mua năng lượng tái tạo, khuyến khích người dân tự sản xuất điện mặt trời tại nhà. Cụ thể, chính phủ mua điện sản xuất từ năng lượng mặt trời với giá cao hơn giá thị trường, khoảng 0,5USD/kWh cho các dự án có công suất 10kW trở lên. Tiếp đến, tháng 7-2018, Nhật Bản thông qua kế hoạch chiến lược phát triển năng lượng lần thứ 5 tầm nhìn 2030 và đến 2050. Đến nay, đã có khoảng 3 triệu khách hàng (bao gồm hộ gia đình, doanh nghiệp…) lắp đặt điện mặt trời áp mái ở Nhật Bản.

Năm 2004, Đức là một trong những quốc gia đầu tiên đạt công suất 1GW điện mặt trời tích lũy được lắp đặt. Các công ty năng lượng mặt trời của Đức có hơn 40 trạm, trong đó có 27 trạm sản xuất hơn 20MW điện, trang trại năng lượng mặt trời áp mái lớn nhất có khả năng tạo ra trên 100MW. Đức đặt mục tiêu đến năm 2050, điện mặt trời sẽ đáp ứng 80% nhu cầu điện, trong đó mũi nhọn là điện mặt trời áp mái. Hiện có hơn 120.000 hộ gia đình Đức đã lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái kết hợp với bộ lưu trữ pin, đồng thời họ còn được hưởng lợi từ việc giảm tiền điện và đủ điều kiện bán lại cho lưới điện quốc gia.

Điện mặt trời áp mái giúp các hộ gia đình tiết kiệm được một khoản trong hóa đơn tiền điện trong bối cảnh giá năng lượng ngày càng tăng. Ảnh: Dreams Time

Với việc các hóa đơn năng lượng ngày càng tăng hướng tăng, các gia đình Anh bắt đầu chú ý hơn đến việc lắp đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà. Các hệ thống này thường được tạo thành từ 10 đến 15 tấm pin, mỗi tấm tạo ra năng lượng từ 200 đến 350W. Các hộ gia đình còn được thanh toán cho lượng điện mà họ không sử dụng được xuất ngược trở lại lưới điện, với mức giá từ 0,08 đến 0,12GBP/kWh.

Energy Saving Trust, một tổ chức từ thiện thúc đẩy sử dụng năng lượng hiệu quả ở Anh, cho biết, một hộ gia đình ở London lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái có thể tiết kiệm 385GBP mỗi năm tiền điện còn ở Stirling (Scotland) là 340GBP. Thậm chí, theo một phân tích về doanh số bán bất động sản, những ngôi nhà có lắp hệ thống điện mặt trời áp mái ở Anh còn có giá cao hơn 1.800GBP so với ngôi nhà tương đương mà không có hệ thống này. Bên cạnh đó, xứ sở sương mù cũng khuyến khích các dự án điện mặt trời áp mái quy mô lớn. Có thể kể đến một trang trại năng lượng mặt trời rộng hơn 180.000m2 đã được xây dựng gần đây ở Anh và nó có thể cung cấp năng lượng cho 2.500 hộ gia đình.

Thái Lan là một trong những quốc gia đi đầu tại khu vực về thúc đẩy phát triển điện mặt trời áp mái. Ảnh: Greenpace

Trong khối ASEAN, Thái Lan là nước đầu tiên áp dụng biểu giá FiT năm 2016 (feed-in-tariff - các mức giá áp dụng cho điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo để bán lên lưới điện hoặc sử dụng tại chỗ nhằm giảm tải cho lưới điện) cho năng lượng tái tạo; trong đó các dự án năng lượng mặt trời nhận được FiT cao nhất, với mức 0,23USD/kWh cho 10 năm. Sau đó, chương trình này được thay thế bằng chương trình FiT 25 năm với giá 0,17 đến 0,2USD/kWh tùy thuộc vào loại máy phát điện.

Để khuyến khích cho các dự án nhỏ, Thái Lan cũng đã đưa ra các mức hỗ trợ FiT cao nhất cho các nhà sản xuất nhỏ như các dự án quy mô nhỏ trên mái nhà. Theo đó, chính quyền Bangkok đưa ra mức giá FiT ưu đãi 0,21USD/kWh cho các dự án điện mặt trời áp mái, đồng thời khởi xướng chương trình “Mái nhà quang điện”. Đây chính là lý do khiến đất nước Triệu Voi dẫn đầu trong thị trường điện mặt trời ở khu vực.

Tại Indonesia đầu năm 2017 đã thông qua luật về năng lượng tái tạo, trong đó thay đổi mức thuế suất đối với các dự án năng lượng tái tạo. Theo luật mới, mức hỗ trợ FiT sẽ dựa trên chi phí cung cấp điện trung bình của khu vực, nơi dự án điện năng lượng mới được xây dựng, vào khoảng từ 0,07 đến 0,12USD/kWh. Luật mới của Indonesia cũng cho phép điện mặt trời cạnh tranh trực tiếp với các nhà máy nhiệt điện đốt than - hình thức sản xuất điện năng phổ biến ở Indonesia. Cơ chế thanh toán bù trừ dành cho hộ gia đình, thương mại sử dụng điện mặt trời áp nhà cũng được thông qua vào năm 2013, bắt buộc Tập đoàn Điện lực Quốc gia Indonesia phải trả khoản năng lượng dư thừa được sản xuất bởi năng lượng mặt trời vào tài khoản của khách hàng.