Điện mặt trời (tiếng Anh: solar power), cũng được gọi là quang điện hay quang năng (tiếng Anh: photovoltaics – PV) là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời. Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng.

Sản lượng điện mặt trời tăng 48% mỗi năm kể từ 2002, nghĩa là cứ hai năm lại tăng gấp đôi và đã giúp ngành năng lượng này đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất thế giới. Dữ liệu đến hết năm 2007 cho biết toàn thế giới đạt 12400 MW công suất quang điện trong đó khoảng 90% hòa vào mạng lưới điện chung, còn lại được lắp trên tường hay mái của nhiều tòa nhà gọi là Điện mặt trời áp mái hoặc Hệ thống tích hơp điện mặt trời cho tòa nhà.

Nhiều ưu đãi tài chính như chính sách trợ thuế đã giúp ngành điện mặt trời ở một số nước như Đức, Nhật, Israel, Hoa Kỳ, và Úc đã thúc đẩy ngành sản xuất phát triển nhanh chóng.

Điện mặt trời ở Việt Nam hiện đang được ưu đãi phát triển và có tăng trưởng nhanh.

Tổng quan

Tấm năng lượng mặt trời chuyển ánh sáng trực tiếp thành điện năng

Năng lượng bức xạ mặt trời bình quân, đơn vị watt/m². Các dấu chấm nhỏ thể hiện diện tích cần lắp pin mặt trời hiệu suất 8% để đủ năng lượng dùng cho toàn thế giới.

Bản đồ về tiềm năng năng lượng mặt trời ở châu Âu

Kỹ thuật điện mặt trời đơn giản là cách chuyển quang năng thành điện năng trực tiếp nhờ các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành mô đun. Photon đập vào electron làm năng lượng của electron tăng lên và di chuyển tạo thành dòng điện.

Điện năng do pin mặt trời tạo để sử dụng hay để sạc pin. Thời kỳ đầu diện mặt trời chỉ được dùng cho vệ tinh nhân tạo hay phi thuyền nhưng ngày nay công dụng chính của nó là để cấp điện vào lưới điện chung nhờ bộ chuyển đổi từ dòng điện một chiều trong pin sang điện xoay chiều. Còn một phần nhỏ dùng cấp điện cho các ngôi nhà, trạm điện thoại, bộ điều khiển từ xa…

Tấm pin được đặt dưới một lớp gương nhằm ngăn những tác động từ môi trường. Để có lượng điện lớn hơn một mảnh pin riêng lẻ có thể tạo ra người ta gắn kết nhiều mảnh lại thành một tấm lớn là pin mặt trời. Một tấm pin riêng lẻ đủ cấp điện cho một trạm điện thoại công cộng, còn để đủ cấp cho một căn nhà hay một nhà máy điện thì phải cần nhiều tấm ghép lại thành dãy. Dù hiện giờ giá thành điện mặt trời hầu như vẫn cao hơn rất nhiều so với giá điện lưới nhưng ở một số nước như Nhật Bản hay Đức nhờ có ưu đãi về tài chính, thuế khóa mà sản lượng của ngành này đã có bước tiến vượt bậc do lượng cầu tăng.

The EPIA/Greenpeace Advanced Scenario dự báo đến năm 2030 ngành điện mặt trời toàn thế giới sẽ đạt công suất xấp xỉ 2600 TWh, nghĩa là đủ cung cấp cho 14% dân số địa cầu.

Các ứng dụng khác từ năng lượng mặt trời

Tạo ra các máy nước nóng sử dụng nguồn nhiệt từ mặt trời để sử dụng trong sinh hoạt, bể bơi,…

Các máy nước nóng năng lượng mặt trời

Hệ thống sưởi ấm từ năng lượng mặt trời áp dụng trong xây dựng, sử dụng các vật liệu nhiệt khối như đá, xi màng, nước,..

Hệ thống xử lý nước sử dụng nhiệt mặt trời và điện năng lượng mặt trời để khử mặn hoặc khử khuẩn

Bếp năng lượng mặt trời, người ta cũng sử dụng kỹ thuật hội tụ ánh sáng mặt trời để tạo nhiệt phục vụ nấu ăn, điển hình là các bếp công nghiệp ở Ấn Độ đang phục vụ tới 35.000 suất ăn mỗi ngày.

Bát năng lượng mặt trời dùng để hội tụ nhiệt cho bếp

Xe điện năng lượng mặt trời

Các nước trên thế giới đã phát triển các loại Phương tiện sử dụng điện năng lượng mặt trời như xe hơi, máy bay, tàu thủy, khí cầu. Tại Úc, họ tổ chức cuộc đua thường niên tên là “Thách thức mặt trời thế giới” cho các trường đại học và các doanh nghiệp so tài trên quãng đường có độ dài 3.021km, tốc độ của người chiến thắng gần đây nhất lên tới 90,87km/h.

Xe điện năng lượng mặt trời trong một cuộc thi

Lưu trữ điện năng lượng mặt trời

Vì các hệ thống tạo ra điện năng lượng mặt trời chỉ trực tiếp tạo ra điện ở điều kiện ban ngày có ánh sáng tốt, nên việc lưu trữ điện hoặc duy trì sản xuất điện năng lượng mặt trời để phục vụ vào ban đêm là vấn đề quan trọng cần xử lý.

Để điều tiết nhiệt độ trong nhà, các kỹ sư xây dựng đã thiết kế thệ thống nhiệt khối để tích trữ năng lượng nhiệt của mặt trời để làm ấm hoặc làm mát ngôi nhà.

Đối với hoạt động của các nhà máy CSP (nhà máy điện năng lượng mặt trời tập trung), sử dụng muối nóng chảy  lưu trong các bể chứa để duy trì hoạt động cho nhà máy

Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời tập trung dùng muối nóng chảy

Với hệ thống pin quang điện để tạo ra điện năng lượng mặt trời, hình thức phổ biến nhất là sử dụng các hệ thống pin sạc để tích trữ hoàn toàn (đối với hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập) hoặc điện dư thừa (đối với hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới).

Hệ thống ắc qui để lưu trữ điện năng lượng mặt trời

Sự phát triển của điện năng lượng mặt trời

Với lịch sử phát triển của pin quang điện qua hơn nửa thế kỷ, công nghệ và hiệu quả của hệ thống điện năng lượng mặt trời đã tăng lên rất đáng kể, các nhà sản xuất lớn trên thế giới vẫn đang không ngừng nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của pin năng lượng mặt trời. Các tiêu chuẩn trong sản xuất và nguyên phụ liệu sản xuất cũng ngày được nâng cao nhằm đáp ứng yêu cầu về sức khỏe và môi trường

Biểu đồ thể hiện sự phát triển của điện năng lượng mặt trời (đơn vị Gigawatt: GW)

Hình trên: Tổng sản lượng điện năng lượng mặt trời dự kiến từ 2017 đến 2022 là 572.9GW

                 Tăng trưởng trung bình hằng năm (CAGR) là 5.2%

Lợi ích to lớn từ điện năng lượng mặt trời

Điện năng lượng mặt trời là nguồn điện được chuyển đổi từ năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng, nên đầu tiên chúng ta có một nguồn tài nguyên có thể xem là vô tận để khai thác

Ý nghĩa kinh tế của điện năng lượng mặt trời

Nguồn cung cấp vô tận, chi phí sản xuất pin năng lượng mặt trời đang ngày càng giảm, sản lượng điện cung cấp đang tăng dần theo thời gian góp phần giảm giá thành tiêu thụ điện.

An ninh năng lượng

Điện năng lượng 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

Lợi ích môi trường của điện năng lượng mặt trời

Điện năng lượng mặt trời được công nhận là nguồn năng lượng xanh, sạch và thân thiện với môi trường, công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời cũng dần hoàn thiện, theo thống kê năm 2014, lượng phát thải khí CO2 trung bình của điện năng lượng mặt trời là 41g/kWh so với điện than là 820g/kWh và dầu khí là 490g/kWh

Ngoài ra, điện năng lượng mặt trời được ứng dụng sâu rộng trong đời sống của con người từ sinh hoạt đến sản xuất, có khả năng triển khai với quy mô rất đa dạng và phù hợp với mọi đối tượng.