Trong những năm gần đây, việc ứng dụng điện năng lượng mặt trời kết hợp sản xuất nông nghiệp (mô hình điện-nông) tại Việt Nam đã từng bước được triển khai. Các dự án tiêu biểu có thể kể đến như: Dự án tại Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận (nay thuộc tỉnh Khánh Hòa) với diện tích 832 ha, công suất 300 MW điện mặt trời kết hợp trồng rau, cà chua, táo, tỏi; Nhà máy điện Hồng Phong 1A tại tỉnh Bình Thuận (nay thuộc tỉnh Lâm Đồng) với công suất 150 MW; và mô hình thí điểm hệ thống điện mặt trời kết hợp nông nghiệp lần đầu tiên triển khai tại tỉnh Lâm Đồng, công suất 32,4 kW trên diện tích 625 m2 đất trồng ngô, khoai tây và cây atiso. Ngoài ra, nhiều hộ gia đình cũng sử dụng điện mặt trời để chiếu sáng, tưới tiêu và duy trì hệ thống thiết bị giám sát thông số.
Thách thức trong mô hình điện-nông hiện tại
Tuy nhiên, để cây trồng đạt năng suất cao và chất lượng tốt, khoảng cách giữa các tấm pin mặt trời phải đủ lớn nhằm cung cấp đủ ánh sáng cần thiết cho cây sinh trưởng và phát triển. Điều này khiến mật độ tấm pin giảm, kéo theo sản lượng điện tạo ra bị suy giảm. Để cải thiện hiệu suất phát điện mặt trời, nhiều nhóm nghiên cứu quốc tế đã chuyển sang ứng dụng công nghệ quang điện tập trung, một giải pháp tiềm năng giúp giảm thiểu diện tích đất sử dụng. Song, việc áp dụng công nghệ này dù giúp cây trồng nhận được nhiều ánh sáng hơn, nhưng đối với các loại cây nhiệt đới đặc trưng ở Việt Nam như lúa, các vùng phổ quan trọng cho quang hợp, đặc biệt là ánh sáng đỏ và xanh lam, vẫn bị thiếu hụt. Thực tế này ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng cây trồng.
Giải pháp RSSCA từ hợp tác quốc tế
Trước thách thức đó, Phó Giáo sư, Tiến sĩ Trần Quốc Tiến (Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) cùng các đồng nghiệp đã hợp tác với các nhà khoa học đến từ 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 tiêu của nhiệm vụ là đưa ra thiết kế tổng thể mô hình điện mặt trời hội tụ cao tách phổ phục vụ nông nghiệp. Nội dung nghiên cứu bao gồm: đo đạc, khảo sát tính chất của các linh kiện quang học chính sử dụng cho mô đun tập trung năng lượng mặt trời công suất lớn; thiết kế và tính toán cấu trúc bộ lọc ánh sáng nhằm tách phổ mặt trời, nâng cao lượng ánh sáng sử dụng cho cây trồng trong hệ thống điện-nông. Nhiệm vụ cũng thúc đẩy trao đổi học thuật về thiết kế mô phỏng sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Light Tool, Trace Pro.
Nguyên lý hoạt động của RSSCA
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, lợi ích kinh tế-xã hội mang lại sẽ rất lớn. Điều này thúc đẩy nhóm nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống điện-nông tập trung tách phổ ánh sáng đỏ (RSSCA). Hệ thống cung cấp thêm phổ bức xạ cần thiết giúp cây trồng quang hợp tốt, trong khi phần phổ bức xạ còn lại của ánh sáng mặt trời được chuyển đến hệ thống pin để phát điện. RSSCA hoạt động dựa trên nguyên lý của 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 đảm bảo 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.
Hiệu quả vượt trội của RSSCA
Nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng hệ thống RSSCA, hiệu suất chuyển đổi quang-điện đạt 31,2%, cao hơn nhiều so với các hệ pin quang điện cũ (dưới 20%). Trong cùng điều kiện, sản lượng điện tạo ra từ RSSCA 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 cũng chứng minh hệ thống hoạt động hiệu quả nhất tại các khu vực có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới với bức xạ mặt trời cao. Tại những khu vực có bức xạ yếu, như các nước ôn đới, sản lượng điện năng tạo ra thấp và sự phát triển của cây trồng cũng bị ảnh hưởng.
Tính chuyên biệt và ứng dụng thực tiễn
Điểm khác biệt rõ nhất của RSSCA so với nhiều hệ thống điện-nông khác là thiết kế chuyên biệt theo loại cây trồng. Trong nhiệm vụ này, cây lúa (loại cây ưa sáng) được chọn làm đối tượng nghiên cứu chính để phát triển và kiểm chứng mô hình. Trong khi đó, phần lớn các mô hình khác chỉ 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, giảm chi phí sản xuất nông nghiệp và phân bổ hiệu quả hơn nguồn năng lượng mặt trời.
Đánh giá và triển vọng
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, đặc biệt tại các khu vực vùng sâu, vùng xa, hải đảo, nơi có diện tích nhỏ và điện lưới hạn chế. Nhiệm vụ đã góp phần đào tạo nguồn nhân lực và có công bố quốc tế, vượt chỉ tiêu đề ra. Mô hình điện-nông đạt được 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.
