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

1. Một đất nước nắng nhiều, lúa nhiều - và bài toán chưa có lời giải

Việt Nam sở hữu hai thứ hiếm có cùng một lúc: cường độ bức xạ mặt trời thuộc hàng cao nhất khu vực và vị thế là một trong những nền nông nghiệp lúa gạo lớn nhất thế giới. Tưởng như đây là lợi thế kép, nhưng trên thực tế, hai thế mạnh ấy lại thường xuyên mâu thuẫn nhau khi người ta cố gắng đặt tấm pin mặt trời lên cùng mảnh đất đang nuôi lúa. Câu hỏi không mới, nhưng lời giải thì mãi chưa thỏa đáng: làm thế nào để một tia nắng vừa phát điện vừa nuôi cây?

2. Những cánh đồng pin - thành tích đáng kể nhưng vẫn còn khập khiễng

Không phải Việt Nam chưa thử. Tại Ninh Thuận, một dự án quy mô 300MW trải rộng trên 832 héc-ta, dưới tán pin là những luống rau, cà chua, táo và tỏi. Tại Bình Thuận, nhà máy Hồng Phong 1A vận hành với công suất 150MW. Ở Lâm Đồng, mô hình thí điểm khiêm tốn hơn - chỉ 32,4kW trên 625m² - đã thử nghiệm trồng ngô, khoai tây và atiso dưới hệ thống pin. Ngoài ra, hàng nghìn hộ gia đình nhỏ lẻ cũng dùng điện mặt trời để tưới tiêu, chiếu sáng và giám sát đồng ruộng.

Nhưng tất cả những mô hình này đều vấp phải cùng một giới hạn vật lý: muốn cây nhận đủ ánh sáng, phải nới rộng khoảng cách giữa các tấm pin — và khi đó, mật độ pin giảm, sản lượng điện tụt theo. Cứ tối ưu cho cây thì thiệt cho điện, và ngược lại. Không có điểm cân bằng thực sự.

3. Tách ánh sáng ra - và trả đúng phần cho từng phía

Phó Giáo sư, Tiến sĩ Trần Quốc Tiến (Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), cùng cộng sự tại Đại học Myongji, Hàn Quốc, đã tiếp cận bài toán từ một hướng khác hoàn toàn. Thay vì buộc cây và pin cùng chia sẻ một tia nắng nguyên vẹn - điều vốn dĩ bất khả thi - họ đặt câu hỏi: điều gì xảy ra nếu ta tách ánh sáng mặt trời thành hai phần, rồi trả mỗi phần về đúng chỗ nó cần?

Đó là nguyên lý cốt lõi của hệ thống RSSCA (hệ thống điện mặt trời hội tụ cao tách phổ ánh sáng đỏ). Ánh sáng đỏ - dải phổ mà cây lúa phụ thuộc nhiều nhất trong quá trình quang hợp - được lọc tách và chiếu thẳng xuống ruộng. Phần quang phổ còn lại được hội tụ qua thấu kính chuyên dụng rồi dẫn đến các tế bào quang điện hiệu suất cao. Hai bên cùng nhận đúng thứ mình cần, từ cùng một nguồn sáng.

Nghiên cứu sử dụng các phần mềm mô phỏng quang học chuyên nghiệp như Light Tool và Trace Pro để tính toán và thiết kế cấu trúc bộ lọc ánh sáng, đảm bảo việc tách phổ đạt độ chính xác cao và phù hợp với điều kiện bức xạ thực tế của Việt Nam.

4. 31,2% hiệu suất và lúa vẫn xanh tốt - hai con số không tưởng giờ song hành

Kết quả thực nghiệm phá vỡ kỳ vọng thông thường. Hiệu suất chuyển đổi quang-điện của RSSCA đạt 31,2% - gần gấp đôi so với các hệ pin mặt trời thông thường vốn chỉ dừng ở dưới 20%. Trong cùng điều kiện diện tích và bức xạ, sản lượng điện tạo ra cao gấp ba đến năm lần hệ thống thông thường.

Trong khi đó, dưới tán hệ thống, ruộng lúa không bị bỏ rơi. Giá trị bức xạ tích phân ban ngày liên tục đáp ứng hoặc vượt ngưỡng tối ưu cho cây lúa sinh trưởng - điều mà phần lớn các mô hình điện-nông hiện nay không làm được, vì họ thiết kế cho rau chịu bóng hoặc nhà kính, chứ không phải cho cây ưa sáng như lúa. RSSCA được xây dựng với lúa là đối tượng trung tâm - và đây chính là điểm khác biệt mang tính quyết định.

Nhóm nghiên cứu cũng xác định rõ điều kiện vận hành tốt nhất: hệ thống đạt hiệu quả cao nhất tại các vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới có bức xạ mạnh - đúng với phần lớn lãnh thổ Việt Nam. Tại các vùng ôn đới, hiệu quả giảm đáng kể.

5. Từ phòng thí nghiệm đến vùng sâu vùng xa - một công nghệ đúng thời điểm

Hội đồng nghiệm thu của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam xếp loại nhiệm vụ đạt xuất sắc, ghi nhận tính mới và tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao. Đặc biệt, hệ thống được đánh giá là phù hợp với các vùng sâu, vùng xa, hải đảo - những nơi diện tích đất hạn chế và điện lưới quốc gia chưa vươn tới đầy đủ. Ở những nơi đó, mỗi mét vuông đất phải gánh được nhiều vai trò hơn, và RSSCA làm được điều đó.

Hơn một thành tựu kỹ thuật, nghiên cứu còn góp phần đào tạo nhân lực và có công bố quốc tế vượt chỉ tiêu - minh chứng cho sức mạnh của hợp tác khoa học xuyên biên giới. Câu chuyện của RSSCA, suy cho cùng, là câu chuyện của một mâu thuẫn lâu năm cuối cùng tìm được lối thoát: không phải bằng cách chọn điện hay chọn lúa, mà bằng cách để cả hai cùng lớn lên dưới một mái trời.