Năng lượng mặt trời đang trở thành xu hướng dẫn đầu trong ngành năng lượng tái tạo, nhất là khi chi phí công nghệ giảm mạnh và việc chuyển hướng sang sử dụng năng lượng tái tạo đang lan tỏa khắp thế giới. Một cách phổ biến nhất để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng phục vụ nhu cầu của con người đó là sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời.
Tuy nhiên, theo các chuyên gia, việc phát triển nhà máy năng lượng mặt trời trên thế giới đang bộc lộ những hạn chế đáng kể về môi trường và tài nguyên đất. Quá trình sản xuất quang điện sử dụng các hóa chất độc hại như: axit hydrochloric, axit sulfuric, axit nitric, hydro florua có thể gây ra rủi ro cho sức khỏe, nhất là cho công nhân sản xuất. Báo cáo của Viện nghiên cứu năng lượng Hoa Kỳ (IER) chỉ ra rằng các tấm pin năng lượng mặt trời sản sinh ra lượng rác thải nguy hại gấp 300 lần các nhà máy điện hạt nhân tính trên cùng một đơn vị năng lượng cung cấp. Các tấm năng lượng mặt trời sử dụng kim loại nặng như: chì, crom, cadimi có thể gây hại tới môi trường đất nếu xử lý nghiền nhỏ và chôn lấp.
Bên cạnh đó, các tấm pin mặt trời quy mô tiện ích lớn chiếm nhiều không gian, làm ức chế sự phát triển của thảm thực vật bên dưới và biến các khu vực này thành vùng đất chết.
Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, điện mặt trời phát triển nhanh, nhất là tại Ninh Thuận - nơi được coi là “thủ phủ năng lượng mặt trời” của cả nước. Việc bùng nổ này diễn ra trong bối cảnh kinh tế tăng trưởng nhanh, nhu cầu năng lượng tăng cao và chi phí công nghệ giảm mạnh. Tuy nhiên, các dự án điện mặt trời quy mô lớn đang chiếm dụng nhiều đất đai, tạo sức ép lên môi trường. Hầu hết các dự án chưa có phương án xử lý tấm pin khi hết vòng đời, trong khi đây là loại thiết bị chứa các vật liệu và kim loại nặng có thể gây ô nhiễm nếu chôn lấp thông thường.
Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu đã tìm cách khắc phục hạn chế của điện mặt trời tấm phẳng bằng cách sử dụng công nghệ điện mặt trời hội tụ. Công nghệ này gom ánh sáng mặt trời lại vào một vùng nhỏ để giảm đáng kể lượng pin quang điện phải sử dụng. Nhóm các nhà khoa học tại Trung Quốc là một trong những nhóm đầu tiên đề xuất mô hình tách thành phần ánh sáng mặt trời, trong đó ánh sáng đỏ và xanh được dành cho nông nghiệp, phần còn lại chuyển thành điện năng. Tuy nhiên, mô hình này đòi hỏi chi phí rất cao vì phải sử dụng lớp màng quang học nano đắt đỏ để tách ánh sáng, độ bền lại thấp và hệ số hội tụ chỉ đạt vài chục lần, khiến công nghệ chỉ phù hợp trong phòng thí nghiệm.
Vừa qua, nhóm tác giả của Đại học Phenikaa đã phát triển một hướng tiếp cận mới, khắc phục được những nhược điểm kể trên và phù hợp với điều kiện thực tế sau khi triển khai đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống Quang điện-nông nghiệp thân thiện môi trường dựa trên công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời” do Quỹ Phát triển khoa học, công nghệ Quốc gia (Nafosted) tài trợ.
Phó Giáo sư Vũ Ngọc Hải, chủ nhiệm đề tài cho biết, thay vì dùng máng parabol tạo hội tụ theo dạng đường thẳng, nhóm nghiên cứu chuyển sang sử dụng thấu kính Fresnelmột linh kiện quang học không ảnh có ưu điểm mỏng, nhẹ, rẻ và có khả năng gom ánh sáng thành một điểm nhỏ với hệ số hội tụ lên tới hàng trăm lần. Khi ánh sáng được nén mạnh như vậy, diện tích pin quang điện cần dùng giảm đi hàng trăm lần, đồng nghĩa với việc giảm vật liệu, hóa chất độc hại, giảm rác thải và giảm giá thành. Thấu kính Fresnel này cũng là phát minh của nhóm thông qua đề tài.
Phó Giáo sư Vũ Ngọc Hải cho biết thêm, tại vị trí hội tụ, nhóm nghiên cứu đặt một gương bán mạ để tách thành phần ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng đỏ và xanh (hai vùng ánh sáng cây trồng hấp thụ mạnh) được truyền qua gương để dẫn tới khu vực trồng trọt. Phần ánh sáng còn lại, nhất là vùng hồng ngoại mang nhiều năng lượng nhiệt, được phản xạ ngược lại và dồn vào tấm pin mặt trời hiệu suất cao. Việc tách thành phần ánh sáng ngay tại một điểm nhỏ khiến diện tích bề mặt cần phủ màng lọc giảm đi từ 25-30 lần, cho phép sử dụng các kỹ thuật phủ màng bền hơn, rẻ hơn và có thể sản xuất công nghiệp. Đây chính là điểm cải tiến quan trọng so với công nghệ trên thế giới đã biết.
Nguồn sáng đỏ và xanh sau khi tách ra được dẫn vào sợi quang và phân bố lại bằng các cấu trúc quang học không ảnh. Nhờ vậy, ánh sáng đến với cây trồng đồng đều, không tạo bóng và không làm giảm năng suất như các mô hình đặt tấm pin thưa hoặc gắn panel trên mái nhà kính. Phần ánh sáng giàu năng lượng đã bị phản xạ được chuyển hóa thành điện năng với hiệu suất cao hơn so với công nghệ tấm phẳng truyền thống.
Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ này mở ra khả năng ứng dụng trong các mô hình nông nghiệp-quang điện tại Việt Nam, nhất là ở những vùng có cường độ bức xạ cao và nhu cầu kết hợp sản xuất điện với trồng trọt. Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu định hướng phát triển hệ thống ở mức độ hoàn thiện hơn để có thể đánh giá khả năng ứng dụng ngoài thực tế, hướng tới chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp và các mô hình nông nghiệp-quang điện trong nước.
Nhằm bảo đảm tính khả thi khi mở rộng quy mô, nhóm đã hợp tác với Đại học Myongji (Hàn Quốc) - một đơn vị có thế mạnh về quang học, vật liệu và năng lượng tái tạo-để đồng phát triển hệ thống nguyên mẫu hoàn chỉnh ở quy mô thử nghiệm. Sự phối hợp này giúp nhóm triển khai các phép đo hiệu suất trong điều kiện môi trường khác nhau bao gồm khí hậu nhiệt đới ở Hà Nội và khí hậu ôn đới ở Seoul, Hàn Quốc, đánh giá độ bền của thấu kính Fresnel, màng lọc quang học, cũng như kiểm chứng mức độ ổn định của phân bố ánh sáng trên cây trồng. Các kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy hệ thống cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với mô hình tấm phẳng truyền thống trong cùng điều kiện bức xạ, đồng thời cung cấp đủ phổ đỏ-xanh cho cây sinh trưởng, không gây che bóng cục bộ và không làm giảm năng suất. Những thành công bước đầu của chương trình hợp tác đã được công bố trên tạp chí quốc tế Plos One xếp hạng Q1.
Theo đại diện Quỹ Phát triển khoa học, công nghệ Quốc gia, công trình nghiên cứu không chỉ chứng minh tính khả thi của công nghệ quang điện-nông nghiệp thế hệ mới mà còn mở ra cơ hội lớn để Việt Nam tiến vào nhóm quốc gia sở hữu công nghệ điện mặt trời hội tụ phục vụ nông nghiệp bền vững. Với định hướng tiếp tục tối ưu vật liệu quang học, giảm giá thành và xây dựng các nguyên mẫu diện tích lớn hơn trong giai đoạn 2025-2027, kỳ vọng hệ thống có thể tiến tới thử nghiệm ngoài đồng ruộng, chuyển giao cho doanh nghiệp và đóng góp trực tiếp vào mục tiêu phát triển nông nghiệp xanh, kinh tế tuần hoàn và năng lượng tái tạo của Việt Nam.
