Đúng vậy, bạn có thể sử dụng các mức điện áp chuỗi khác nhau cho hộp ghép, nhưng bạn phải hiểu rõ những hệ quả đi kèm.
Những điểm chính
Bạn có thể kết nối các chuỗi có điện áp khác nhau vào cùng một hộp ghép, nhưng hệ thống sẽ hoạt động ở mức điện áp thấp nhất.
Quy tắc 33% giúp bạn xác định xem sự chênh lệch điện áp có thể chấp nhận được hay không.
Sự chênh lệch điện áp nhỏ chỉ gây ra tổn thất công suất rất nhỏ, nhưng sự chênh lệch lớn lại gây lãng phí năng lượng.
Sự chênh lệch điện áp có thể gây ra dòng điện ngược, từ đó có thể làm hỏng các tấm pin mặt trời.
Sử dụng các đầu vào MPPT riêng biệt để tránh các vấn đề về sự không khớp điện áp.
Bộ tối ưu hóa DC-DC khắc phục sự chênh lệch điện áp và tăng công suất đầu ra.
Luôn lắp cầu chì đúng cách cho từng dây để phòng ngừa dòng điện ngược.
Hãy tham khảo ý kiến của chuyên gia trước khi kết hợp các mức điện áp khác nhau trong hệ thống năng lượng mặt trời.
Câu trả lời ngắn gọn về các mức điện áp dây khác nhau
Một lời “Có” đơn giản nhưng kèm theo những lưu ý quan trọng
Bạn có thể kết nối các chuỗi tấm pin mặt trời có điện áp khác nhau vào cùng một hộp ghép nối năng lượng mặt trời. Cấu hình này về mặt kỹ thuật là khả thi và hệ thống của bạn sẽ tạo ra điện năng. Tuy nhiên, bạn cần hiểu rõ những gì xảy ra bên trong hộp ghép nối đó khi các điện áp không khớp nhau. Trong kết nối song song, mỗi chuỗi đều chia sẻ cùng một điện áp đường dây chung. Điện áp tổng của hệ thống không được vượt quá điện áp của chuỗi có điện áp thấp nhất.
Nếu một chuỗi tạo ra 350 volt và một chuỗi khác tạo ra 300 volt, toàn bộ hệ thống của bạn sẽ hoạt động ở mức 300 volt. Chuỗi có điện áp cao hơn sẽ bị kéo xuống để phù hợp với chuỗi có điện áp thấp hơn. Hạn chế này không làm hệ thống ngừng hoạt động, nhưng nó ảnh hưởng đến mức độ hiệu quả mà mỗi chuỗi đóng góp vào tổng công suất đầu ra của hệ thống.
Quy tắc 33% đóng vai trò như một hướng dẫn thực tiễn để đánh giá xem cấu hình đề xuất của bạn có hợp lý hay không. Quy tắc này khuyến nghị rằng chênh lệch điện áp giữa các chuỗi song song nên nằm trong khoảng 33% so với nhau để tránh làm giảm hiệu suất nghiêm trọng. Sự chênh lệch nhỏ hơn, chẳng hạn trong khoảng 5-10%, thường chỉ gây ra tổn thất không đáng kể. Ngược lại, sự chênh lệch lớn hơn, tiệm cận hoặc vượt quá ngưỡng 33%, sẽ dẫn đến các vấn đề ngày càng nghiêm trọng.
Bạn nên đo điện áp của các chuỗi trong điều kiện vận hành thực tế, chứ không nên chỉ dựa vào các thông số kỹ thuật ghi trên nhãn mác. Nhiệt độ, sự suy giảm hiệu suất của tấm pin và các kiểu che bóng đều ảnh hưởng đến điện áp vận hành thực tế. Một chuỗi có vẻ tương thích tốt trên giấy tờ có thể hoạt động khác đi khi lắp đặt thực tế.
Hai rủi ro chính: Hiệu quả và thiệt hại
Rủi ro đầu tiên liên quan đến việc giảm hiệu suất trên toàn bộ hệ thống. Khi bạn ép một chuỗi có điện áp cao hơn phải hạ xuống để phù hợp với một chuỗi lân cận có điện áp thấp hơn, bạn sẽ lãng phí năng lượng tiềm năng mà chuỗi đó có thể tạo ra. Theo tài liệu của PVsyst, sự không khớp về điện áp giữa các chuỗi được kết nối song song gây ra tác động thấp hơn nhiều so với sự không khớp về dòng điện trong một chuỗi duy nhất. Mất mát công suất phát sinh từ đó thường ở mức rất thấp.
Các giá trị mặc định của PVsyst đối với tổn thất do chênh lệch điện áp chuỗi là khá nhỏ: 0% cho một chuỗi trên mỗi MPPT, 0,05% cho hai chuỗi, 0,1% cho từ ba đến mười chuỗi, và 0,15% cho hơn mười chuỗi. Các con số này cho thấy rằng sự chênh lệch điện áp ở mức vừa phải chỉ gây ra tác động tối thiểu đến hiệu suất trong hầu hết các cấu hình. Mức tổn thất tăng theo số lượng chuỗi song song được kết hợp, nhưng ngay cả với các hệ thống quy mô lớn, tổn thất do sự không đồng nhất điện áp gây ra vẫn tương đối nhỏ.
Rủi ro thứ hai liên quan đến khả năng hư hỏng do dòng điện ngược. Tình trạng này xảy ra khi điện áp của một chuỗi giảm xuống dưới mức điện áp của thanh cái chung. Các nguyên nhân điển hình bao gồm thiếu mô-đun, đi-ốt bypass bị ngắn mạch hoặc các chuỗi con bị hở mạch. Khi đó, chuỗi bị lỗi sẽ hoạt động trong góc phần tư thứ tư, tiêu tán năng lượng thay vì tạo ra năng lượng. Dòng điện ngược tối đa xấp xỉ (N-1) × 1,25 × Isc, trong đó N là số chuỗi song song.
Dòng điện này có thể vượt xa mức chịu dòng điện ngược định mức của mô-đun. Ví dụ, một chuỗi bị sự cố có thể truyền dòng điện 122 ampe vào một mô-đun chỉ có định mức 25 ampe. Mức dòng điện đó gây ra hư hỏng do nhiệt, suy giảm chất lượng mối hàn, hư hỏng lớp bao bọc và tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ. Một mô-đun đã từng chịu dòng điện ngược phải được thay thế vì các hư hỏng sẽ tích tụ dần theo thời gian mà không thể nhận thấy bằng mắt thường.
Khi nào sự chênh lệch điện áp có thể được chấp nhận
Sự chênh lệch điện áp được coi là chấp nhận được khi mức chênh lệch này ở mức nhỏ và thiết kế hệ thống đã tính đến yếu tố này. Các hệ thống nhiều chuỗi có độ dao động điện áp dưới 5% thường hoạt động mà không gây suy giảm hiệu suất đáng kể. Dữ liệu từ PVsyst xác nhận thực tế này: ngay cả khi có nhiều chuỗi trên mỗi đầu vào MPPT, các giả định tổn thất mặc định vẫn duy trì dưới 0,15%.
Những con số này cho thấy rằng các dung sai sản xuất thông thường và những biến động nhiệt độ nhỏ trên mảng của bạn hiếm khi là lý do để lo ngại. Bạn nên tập trung vào việc ngăn chặn sự chênh lệch điện áp lớn thay vì cố gắng đạt được sự khớp hoàn hảo.
Việc cấu hình sẽ gặp vấn đề khi bạn kết hợp các chuỗi có các đặc tính cơ bản khác nhau. Việc kết hợp các chuỗi có số lượng tấm pin khác nhau, các mẫu tấm pin khác nhau hoặc góc nghiêng chênh lệch đáng kể sẽ tạo ra sự chênh lệch điện áp vượt quá giới hạn thực tế. Một chuỗi gồm mười tấm pin được kết nối song song với một chuỗi gồm tám tấm pin sẽ tạo ra sự chênh lệch điện áp khoảng 20%, gần chạm ngưỡng 33%.
Sự không phù hợp như thế này đòi hỏi phải được đánh giá kỹ lưỡng trước khi bạn tiến hành. Bạn Hộp kết hợp PV Các thành phần, bao gồm cầu chì và công tắc ngắt mạch, phải đảm bảo xử lý các dòng điện phát sinh một cách an toàn. Các hộp ghép chuỗi được trang bị cầu chì có định mức phù hợp cho từng đầu vào sẽ cung cấp khả năng bảo vệ thiết yếu trước các tình huống dòng điện ngược.
Bạn cũng nên xem xét cách các bộ theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) của bộ biến tần phản ứng với các mức điện áp không đồng nhất. Mỗi đầu vào MPPT hoạt động độc lập, tự tìm kiếm điểm công suất tối đa riêng của mình. Nếu bạn có thể dẫn các chuỗi không đồng nhất vào các đầu vào MPPT riêng biệt thay vì gộp chúng vào một đường dẫn chung, bạn sẽ loại bỏ hoàn toàn vấn đề không đồng nhất về điện áp.
Cách tiếp cận này giúp duy trì hiệu suất của từng chuỗi mà không cần thêm phần cứng. Khi không có các đầu vào riêng biệt, các bộ tối ưu hóa DC-DC mang đến một giải pháp thay thế bằng cách điều chỉnh điện áp của từng chuỗi trước khi chúng đến bộ ghép. Các thiết bị này làm tăng chi phí và độ phức tạp, nhưng chúng giúp ngăn ngừa sự sụt giảm hiệu suất và các rủi ro an toàn liên quan đến các kết nối song song không phù hợp.
Kiến thức cơ bản về điện áp dây và hộp kết hợp năng lượng mặt trời
Điện áp dây là gì?
Bạn xác định điện áp chuỗi là tích của điện áp định mức của mô-đun và tổng số mô-đun được nối tiếp. Các chuỗi tấm pin mặt trời kết nối các mô-đun PV nối tiếp để tăng điện áp nhằm đáp ứng yêu cầu đầu vào của bộ biến tần. Cách bố trí nối tiếp làm tăng điện áp trong khi giữ dòng điện không đổi. Khi kết nối mười mô-đun pin mặt trời, mỗi mô-đun có điện áp định mức 35 volt, sẽ tạo ra điện áp chuỗi là 350 volt.
Giá trị này quyết định cách thức hoạt động của hệ thống của bạn. Việc tính toán chính xác điện áp chuỗi sẽ đảm bảo bộ ghép hoạt động đúng cách.
Cách thức hoạt động của hộp kết hợp năng lượng mặt trời
Hộp ghép nối năng lượng mặt trời đóng vai trò là điểm nối trung tâm cho các chuỗi được kết nối song song của bạn. Hộp ghép nối này không làm thay đổi điện áp. Nó hỗ trợ việc kết nối song song, cho phép các dòng điện từ mỗi chuỗi cộng dồn lại tại đầu ra. Điện áp của mỗi chuỗi vẫn giữ nguyên như điện áp của thanh dẫn chung bên trong hộp ghép nối.
Hai chuỗi có cùng kích thước sẽ tạo ra dòng điện gấp đôi so với một chuỗi duy nhất trong khi vẫn duy trì cùng mức điện áp. Các hộp kết hợp tích hợp hiện đại được trang bị tính năng giám sát ở cấp độ chuỗi. Các tính năng giám sát này giúp bạn theo dõi hiệu suất của từng chuỗi từ một vị trí trung tâm.
Vai trò của cầu chì và công tắc ngắt mạch
Bộ ghép nối của bạn có các thành phần bảo vệ cho từng chuỗi. Cầu chì bảo vệ chống lại tình trạng quá dòng khi dòng điện ngược chảy từ các chuỗi hoạt động bình thường vào một chuỗi bị lỗi. Điốt chặn cũng góp phần bảo vệ. Trong một cấu hình gồm hai cặp tấm pin mặt trời nối tiếp, mỗi cặp tạo ra 24 volt và 8 ampe, một tấm pin mặt trời bị che bóng có thể khiến điện áp đầu ra của một cặp giảm xuống còn 12 volt.
Nếu không có đi-ốt chặn trên cặp pin được tô bóng, dòng điện 24 volt từ cặp pin còn hoạt động sẽ đẩy dòng điện chảy ngược qua chuỗi pin được tô bóng. Đi-ốt chặn chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng, từ đó ngăn chặn hiện tượng dòng điện chảy ngược này. Bạn cần cả cầu chì và đi-ốt để đảm bảo bảo vệ toàn diện.
Giới hạn điện áp trong kết nối song song
Kết nối song song bên trong bộ ghép của bạn đặt ra một giới hạn điện áp nghiêm ngặt. Khi bạn kết nối nhiều chuỗi song song với nhau, toàn bộ hệ thống sẽ hoạt động ở mức điện áp thấp nhất trong số các chuỗi đó. Hạn chế này xuất phát từ bản chất của mạch song song. Bộ ghép của bạn phải xử lý tình huống này một cách an toàn.
Dòng điện từ từng chuỗi sẽ cộng dồn lại với nhau, nhưng điện áp của hệ thống không thể vượt quá mức điện áp của chuỗi yếu nhất. Bạn phải tính đến đặc tính này trong quá trình thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời. Những chênh lệch nhỏ chỉ gây ra tổn thất tối thiểu, nhưng những chênh lệch lớn sẽ buộc các chuỗi có điện áp cao hơn phải hoạt động dưới mức tiềm năng của chúng.
Mục tiêu lý tưởng: Điện áp chuỗi cân bằng
Việc cân bằng điện áp các chuỗi mang lại nhiều lợi ích. Bạn sẽ ngăn chặn được hiện tượng phân phối dòng điện không đồng đều giữa các chuỗi song song. Bạn sẽ có được một hệ thống cân bằng, trong đó tất cả các mô-đun năng lượng mặt trời đều có thông số kỹ thuật tương tự nhau. Bạn sẽ tránh được tổn thất do sự không đồng bộ bằng cách duy trì hướng lắp đặt và mức độ che bóng nhất quán cho từng tấm pin mặt trời. Ngay cả những sự chênh lệch nhỏ về công suất đầu ra cũng gây ra tổn thất hiệu suất.
Hộp ghép PV của bạn sẽ hoạt động hiệu quả nhất khi tất cả các chuỗi đều có điện áp tương đương nhau. Các hộp ghép chuỗi được trang bị các linh kiện có thông số kỹ thuật phù hợp sẽ hỗ trợ cấu hình cân bằng này.
Ảnh hưởng của sự không khớp giữa các điện áp chuỗi
Hiệu suất và công suất đầu ra giảm
Sự không phù hợp về điện áp làm giảm trực tiếp lượng năng lượng thu được từ hệ thống pin mặt trời của bạn. Khi bạn kết nối các chuỗi song song có điện áp khác nhau, chuỗi có điện áp cao hơn sẽ phải hoạt động ở mức điện áp chung thấp hơn của thanh dẫn. Việc giảm công suất bắt buộc này làm lãng phí năng lượng tiềm năng mà chuỗi mạnh hơn có thể tạo ra. Bạn sẽ mất vĩnh viễn lượng công suất đó — không có cài đặt biến tần hay điều chỉnh hệ thống điều khiển nào có thể phục hồi được nó.
Mức độ tổn thất phụ thuộc vào độ lớn của chênh lệch điện áp. Những chênh lệch nhỏ trong khoảng 5-% tạo ra những ảnh hưởng có thể bỏ qua. Hệ thống của bạn có thể chỉ mất dưới một phần trăm tổng công suất đầu ra. Những chênh lệch lớn hơn sẽ gây ra tổn thất đáng kể hơn. Một chuỗi gồm mười tấm pin được nối song song với một chuỗi gồm tám tấm pin sẽ tạo ra chênh lệch điện áp khoảng 2TP3T.
Cấu hình đó khiến chuỗi gồm mười tấm pin phải hoạt động ở mức công suất thấp hơn đáng kể so với điểm công suất tối đa, dẫn đến việc mất đi một phần đáng kể tiềm năng phát điện của nó.
Số lượng chuỗi song song cũng rất quan trọng. Mỗi chuỗi bổ sung được kết nối với cùng một đường dây sẽ làm gia tăng hiệu ứng mất cân bằng. Với hai chuỗi, chuỗi có điện áp thấp hơn chỉ kéo tụt điện áp của một chuỗi còn lại. Với năm chuỗi, bốn chuỗi hoạt động bình thường đều phải hoạt động ở mức điện áp thấp hơn. Mức tổn thất sẽ tăng theo tỷ lệ tương ứng, biến một chuỗi gặp sự cố thành vấn đề hiệu suất trên toàn hệ thống.
Cách các bộ theo dõi MPPT xử lý các mức điện áp hỗn hợp
Các bộ theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) của bộ biến tần sẽ quyết định mức độ ảnh hưởng của sự chênh lệch điện áp đối với hệ thống của bạn. Các bộ biến tần có nhiều đầu vào MPPT được trang bị một số mô-đun chuyển đổi DC-DC độc lập. Mỗi mô-đun sẽ tự động theo dõi điểm công suất tối đa của riêng mình một cách độc lập. Kiến trúc này cho phép một bộ biến tần xử lý đồng thời các cấu hình chuỗi hoàn toàn khác nhau mà không làm giảm hiệu suất.
Sự khác biệt quan trọng nằm ở cách bạn nhóm các chuỗi. Các chuỗi được kết nối song song với cùng một đầu vào MPPT phải có điện áp tương ứng. Chúng cần có cùng số lượng tấm pin và cùng mẫu tấm pin. Các chuỗi song song không tương thích trên cùng một bộ theo dõi sẽ gây ra sự mất cân bằng dòng điện và tổn thất năng lượng.
Tuy nhiên, các chuỗi được kết nối với các đầu vào MPPT khác nhau có thể có độ dài và điện áp hoàn toàn khác nhau. Bạn có thể kết nối tám tấm pin vào MPPT1 và sáu tấm pin vào MPPT2 mà không gặp bất kỳ vấn đề nào.
Thiết kế này tỏ ra lý tưởng cho các mái nhà chia đôi theo hướng đông-tây. Một bên mái đón nắng buổi sáng trong khi bên kia đón nắng buổi chiều. Đặc tính điện áp của chúng thay đổi trong suốt cả ngày do góc chiếu của mặt trời và sự biến đổi nhiệt độ. Các đầu vào MPPT riêng biệt cho phép mỗi bộ theo dõi tối ưu hóa độc lập. Không có nhóm nào làm giảm hiệu suất của nhóm kia. Nếu bộ kết hợp của bạn cấp nguồn cho nhiều đầu vào MPPT, bạn có thể nhóm các chuỗi không đồng nhất theo từng bộ theo dõi thay vì buộc chúng phải đi vào một đường dẫn chung.
Bóng râm một phần và sự không khớp điện áp
Hiện tượng che bóng một phần tạo ra các điều kiện chênh lệch điện áp động, thay đổi theo từng thời điểm trong ngày. Khi một chuỗi trong mạch song song bị che bóng, dòng điện đầu ra của chuỗi đó sẽ giảm. Lúc này, chuỗi bị che bóng phải điều chỉnh điện áp của mình để phù hợp với các chuỗi khác trên đường dây chung. Sự điều chỉnh này buộc chuỗi bị che bóng phải hoạt động ở điểm công suất thấp hơn, dẫn đến giảm sản lượng điện tổng thể.
Hiệu ứng che bóng cũng có thể khiến một chuỗi bị ngắt hoàn toàn. Trong điều kiện che bóng nghiêm trọng, một chuỗi có thể không tạo ra bất kỳ công suất nào. Điện áp trên chuỗi bị che bóng đó vẫn duy trì ở mức cao ngay cả khi bị che bóng nặng. Hiện tượng này ngăn không cho chuỗi bị che bóng lấy đi công suất từ các chuỗi song song còn hoạt động bình thường. Tuy nhiên, bạn vẫn mất đi toàn bộ đóng góp của chuỗi đó vào tổng công suất của hệ thống pin mặt trời.
Hộp kết hợp PV của bạn không thể phân biệt được giữa một chuỗi bị che bóng và một chuỗi bị hỏng. Cả hai tình huống này đều cho thấy các đặc điểm điện tương tự nhau. Sự mơ hồ này khiến việc giám sát và khắc phục sự cố trở nên phức tạp. Bạn có thể phải mất hàng giờ để kiểm tra một chuỗi “bị lỗi” mà thực ra chỉ cần cắt tỉa cây cối là được. Chức năng giám sát ở cấp độ chuỗi trong các bộ kết hợp hiện đại giúp xác định chuỗi nào hoạt động kém hiệu quả, nhưng bạn vẫn phải xác định xem nguyên nhân gây ra sự cố là do bóng râm hay do hỏng hóc thiết bị.
Sự tương tác giữa hiện tượng bị che bóng và sự không phù hợp về điện áp tạo ra hiệu ứng cộng hưởng. Một chuỗi bị che bóng vốn đã tạo ra dòng điện thấp hơn. Khi bạn còn buộc chuỗi đó phải phù hợp với điện áp đường dây thấp hơn, hiệu suất của nó lại giảm thêm. Mức sụt giảm tổng hợp do cả hai yếu tố này gây ra vượt quá mức sụt giảm mà mỗi yếu tố gây ra khi xét riêng lẻ. Sự tương tác này giải thích lý do tại sao các hệ thống pin mặt trời bị che bóng một phần và có các chuỗi không phù hợp lại hoạt động kém hiệu quả đến vậy so với các hệ thống được điều chỉnh phù hợp.
Sự biến đổi nhiệt độ gây ra những tác động tương tự như hiện tượng che bóng, dù không rõ rệt bằng. Một chuỗi tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời sẽ nóng lên nhiều hơn so với chuỗi được che bóng. Nhiệt độ cao hơn làm giảm điện áp đầu ra của tấm pin. Sự biến động tự nhiên này có nghĩa là ngay cả các chuỗi giống hệt nhau cũng có thể cho điện áp hơi khác nhau trong quá trình hoạt động. Những khác biệt nhỏ này hiếm khi gây ra các vấn đề đáng chú ý. Bạn nên tập trung vào việc ngăn chặn sự chênh lệch lớn và kéo dài thay vì cố gắng đạt được sự cân bằng điện áp hoàn hảo theo thời gian thực.
Hộp kết hợp năng lượng mặt trời của bạn xử lý các điều kiện biến đổi này thông qua các thành phần bảo vệ của nó. Cầu chì của mỗi chuỗi phải chịu được dòng điện xuất hiện trong các sự cố che bóng. Các cầu chì có định mức phù hợp sẽ ngăn ngừa hư hỏng do dòng điện ngược khi điện áp của một chuỗi sụt giảm. Nếu không có biện pháp bảo vệ thích hợp, một chuỗi bị che bóng có thể hút dòng điện quá mức từ các chuỗi còn hoạt động bình thường, dẫn đến hư hỏng do quá nhiệt theo thời gian. Tình huống này nhấn mạnh tầm quan trọng của thiết kế chuyên nghiệp khi bạn có kế hoạch kết nối các chuỗi có đặc tính khác nhau vào một bộ kết hợp duy nhất.
Các lưu ý về an toàn khi sử dụng điện áp hỗn hợp
Rủi ro do quá áp đối với các linh kiện trong hộp ghép
Mỗi linh kiện trong hộp kết hợp đều có mức điện áp định mức tối đa mà bạn phải tuân thủ. Khi kết nối các chuỗi có điện áp khác nhau, bạn có nguy cơ khiến các linh kiện hoạt động vượt quá giới hạn thiết kế của chúng. Một hộp kết hợp năng lượng mặt trời có định mức 600 VDC không thể xử lý an toàn một mảng chuỗi hoạt động ở mức gần 1000 VDC. Sự không tương thích này gây áp lực lên các cầu chì, thiết bị ngắt kết nối và thanh dẫn bên trong hộp kết hợp.
Điện áp định mức | Ứng dụng điển hình | Độ dài tối đa của chuỗi | Tiêu chuẩn |
|---|---|---|---|
600 V DC | Hệ thống dân dụng | 8–10 mô-đun | UL 1741, UL 1077 |
1000 V DC | Mái nhà thương mại | 18–22 mô-đun | UL 489, IEC 60947-2 |
1500 VDC | Hệ thống quy mô công nghiệp | 28–35 mô-đun | Tiêu chuẩn IEC 60947-2 |
Bạn phải đảm bảo rằng mọi linh kiện trong hộp ghép PV của bạn đều tương thích với mức điện áp tối đa mà hệ thống của bạn có thể tạo ra. Một chuỗi có nhiều tấm pin hơn sẽ tạo ra điện áp cao hơn so với chuỗi ngắn hơn. Mức điện áp cao hơn này gây áp lực lên lớp cách điện và khoảng cách cách điện bên trong hộp ghép. Theo thời gian, áp lực này sẽ làm suy giảm chất lượng vật liệu của các linh kiện và tăng nguy cơ hỏng hóc. Thiết kế hệ thống của bạn cần tính đến các tình huống điện áp xấu nhất, bao gồm cả hiện tượng tăng điện áp do nhiệt độ thấp làm tăng công suất đầu ra của tấm pin.
Một bộ ghép có công suất định mức dành cho dịch vụ dân dụng không thể bảo vệ một hệ thống pin mặt trời thương mại. Bạn cần chọn loại bộ ghép phù hợp với quy mô lắp đặt cụ thể của mình.
Dòng điện ngược và điện áp phân cực ngược
Hiện tượng dòng điện ngược xảy ra khi điện áp của một chuỗi giảm xuống dưới mức điện áp của thanh cái chung. Khi đó, các chuỗi có điện áp cao hơn sẽ đẩy dòng điện ngược trở lại qua chuỗi có điện áp thấp hơn. Dòng điện ngược này có thể vượt quá mức mà các tấm pin mặt trời của bạn có thể chịu đựng một cách an toàn.
Các hệ thống năng lượng mặt trời hiện đại hiếm khi gặp phải hiện tượng dòng điện ngược nghiêm trọng vì các tấm pin vẫn tạo ra điện áp gần như đầy đủ ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu. Tuy nhiên, một chuỗi bị lỗi hoàn toàn — tức là chuỗi có đi-ốt bypass hỏng hoặc các kết nối bị đứt — lại dẫn đến một tình huống khác. Chuỗi đó có thể hút dòng điện quá mức từ các chuỗi song song còn hoạt động bình thường. Các cầu chì của bộ ghép chuỗi phải ngắt dòng điện sự cố này trước khi xảy ra hư hỏng.
Dung lượng định mức của mỗi cầu chì phải phù hợp với đặc tính dòng điện ngắn mạch cụ thể của từng chuỗi. Một bộ ghép nối được trang bị các cầu chì có kích thước phù hợp sẽ bảo vệ toàn bộ hệ thống pin mặt trời của bạn khỏi các sự cố dây chuyền.
Nguy cơ hỏa hoạn và việc tuân thủ quy định
Sự chênh lệch điện áp gây ra các nguy cơ nhiệt có thể dẫn đến hỏa hoạn. Khi dòng điện ngược chạy qua một chuỗi bị sự cố, nhiệt sẽ tích tụ bên trong các mô-đun năng lượng mặt trời và hệ thống dây dẫn. Nhiệt này làm suy giảm chất lượng các mối hàn và lớp cách điện. Theo thời gian, hư hỏng tích tụ một cách âm thầm cho đến khi xảy ra sự cố nghiêm trọng. Bộ Quy chuẩn Điện Quốc gia (NEC) yêu cầu phải có biện pháp bảo vệ quá dòng phù hợp cho mọi hệ thống năng lượng mặt trời.
Bộ ghép nối của bạn phải tuân thủ các tiêu chuẩn này để vượt qua kiểm tra và duy trì hiệu lực bảo hiểm. Việc tuân thủ quy định có nghĩa là mỗi chuỗi phải có cầu chì có định mức phù hợp, và chính bộ ghép nối phải có định mức điện áp phù hợp với hệ thống của bạn. Một thợ điện có giấy phép nên kiểm tra xem cấu hình của bạn có đáp ứng tất cả các yêu cầu áp dụng hay không trước khi bạn cấp điện cho hệ thống. Việc kiểm tra này giúp bảo vệ tài sản và khoản đầu tư của bạn vào công nghệ năng lượng mặt trời.
Các phương pháp hay nhất cho hộp ghép tấm pin mặt trời
Bạn có thể tránh được hầu hết các vấn đề về sự không khớp điện áp thông qua việc thiết kế hệ thống một cách chu đáo. Các biện pháp dưới đây giúp bảo vệ thiết bị năng lượng mặt trời của bạn, duy trì hiệu suất thu năng lượng và đơn giản hóa công tác bảo trì. Mỗi phương pháp đều giải quyết một tình huống hỏng hóc cụ thể mà bạn có thể gặp phải khi đặt câu hỏi: “Liệu tôi có thể để các chuỗi có điện áp khác nhau khi kết nối vào hộp ghép không?” Câu trả lời phụ thuộc vào mức độ hiệu quả khi bạn triển khai các chiến lược này.
Sử dụng các đầu vào MPPT riêng biệt
Các cổng đầu vào MPPT đa năng của bộ biến tần mang đến giải pháp tối ưu nhất cho các chuỗi không đồng nhất. Mỗi bộ theo dõi hoạt động độc lập, tự tìm kiếm điểm công suất tối đa của riêng mình mà không bị ảnh hưởng bởi các kênh khác. Kiến trúc này giúp loại bỏ hoàn toàn vấn đề không đồng nhất về điện áp. Bộ ghép chuỗi của bạn chỉ cần chuyển từng nhóm chuỗi đến bộ theo dõi chuyên dụng tương ứng.
Hãy xem xét hai chuỗi pin mặt trời hướng về phía đông và phía tây. Khi kết nối cả hai vào một đầu vào MPPT duy nhất, chuỗi có điện áp thấp hơn sẽ kéo điểm hoạt động của chuỗi còn lại xuống. Bộ theo dõi không thể tối ưu hóa cả hai cùng lúc. Một trong hai chuỗi luôn phải hy sinh công suất đầu ra. Bảng dưới đây minh họa sự khác biệt này:
Cấu hình | Tác động |
|---|---|
7S E song song với 7S W trên MPPT1 | Những tổn thất nhỏ do các lần quét MPPT bổ sung được kích hoạt bởi bóng râm |
7S E trên MPPT1 và 7S W trên MPPT2 | Không có sự tác động lẫn nhau giữa các chuỗi |
Các đầu vào MPPT riêng biệt cũng giúp cách ly sự cố. Nếu một chuỗi bị hư hỏng hoặc bám bẩn nặng, kênh còn lại vẫn tiếp tục cung cấp công suất tối đa. Bạn sẽ không phải chấp nhận sự thỏa hiệp bắt buộc giữa các mảng pin hoạt động bình thường và các mảng bị hư hỏng. Thiết kế này giúp lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời nhanh hơn, vì một bộ biến tần duy nhất có thể xử lý các bề mặt mái có góc phương vị khác nhau mà không cần nhiều thiết bị. Hệ thống pin mặt trời của bạn sẽ được hưởng lợi từ việc giảm độ phức tạp về phần cứng.
Các kênh MPPT kép độc lập cho phép giám sát ở cấp độ kênh. Bạn sẽ có được mức độ chi tiết cao hơn về trạng thái hệ thống, sản lượng năng lượng và dữ liệu khắc phục sự cố. Khả năng theo dõi này giúp bạn nhanh chóng xác định các chuỗi có hiệu suất thấp. Khả năng giám sát của bộ ghép chuỗi sẽ bổ sung cho dữ liệu này.
Lắp đặt bộ tối ưu hóa DC-DC hoặc bộ biến tần vi mô
Khi không có sẵn các đầu vào MPPT riêng biệt, bộ tối ưu hóa DC-DC là một giải pháp thay thế hiệu quả. Các thiết bị này điều chỉnh điện áp và dòng điện của từng tấm pin trước khi tín hiệu truyền đến bộ ghép nối. Chúng giúp tách biệt hiệu quả từng mô-đun khỏi các hạn chế ở cấp chuỗi. Phương pháp này rất phù hợp với các hệ thống năng lượng mặt trời có các mẫu che bóng phức tạp.
Hãy xem xét một tấm pin bị che bóng trong một chuỗi gồm 20 tấm. Thông thường, mỗi tấm pin tạo ra 50V ở cường độ dòng điện 8,4A. Khi bóng râm làm giảm cường độ dòng điện của một tấm pin xuống còn 3,2A, toàn bộ chuỗi (nếu không có bộ tối ưu hóa) sẽ bị giới hạn ở mức 3,2A. Bạn sẽ mất 62% công suất tiềm năng — chỉ còn 3.200W thay vì 8.400W. Bộ tối ưu hóa sẽ thay đổi kết quả này. Mạch DC-DC sẽ tăng cường dòng điện của tấm pin bị che bóng trở lại mức 8,4A đồng thời giảm điện áp của nó xuống còn 15V.
Bộ tối ưu hóa tạo ra 126W từ tấm pin đó. 19 tấm pin còn lại tiếp tục hoạt động ở công suất tối đa, tạo ra 7.980W. Tổng công suất đạt 8.106W, giúp giảm tổn thất xuống chỉ còn 3,5%.
Ví dụ này minh họa tầm quan trọng của các bộ tối ưu hóa. Chúng giúp mỗi tấm pin mặt trời có thể phát ra công suất tối đa bất chấp hiện tượng che bóng hay sự chênh lệch điện áp. Hộp kết hợp PV của bạn sẽ nhận được nguồn đầu vào đồng đều hơn, từ đó giảm tải cho các bộ phận bảo vệ. Hộp kết hợp sẽ hoạt động trong phạm vi các thông số thiết kế của nó.
Dán nhãn và lắp cầu chì đúng cách cho từng sợi dây
Việc lắp đặt cầu chì phù hợp sẽ bảo vệ hệ thống của bạn khỏi hư hỏng do dòng điện ngược. Mỗi chuỗi cần có mức định mức cầu chì riêng được tính toán độc lập. Bạn không thể dựa vào một mức định mức duy nhất cho tất cả các đầu vào khi điện áp khác nhau. Sự an toàn của bộ ghép nối phụ thuộc vào độ chính xác này.
Theo tiêu chuẩn NEC 690.9, mỗi cầu chì chuỗi phải có định mức tương ứng với 156% của dòng điện ngắn mạch (Isc) của chuỗi đó. Đối với một chuỗi có Isc là 10A, bạn tính được 15,6A. Sau đó, bạn làm tròn lên kích cỡ cầu chì tiêu chuẩn gần nhất, thường là 16A hoặc 20A. Một chuỗi khác có Isc là 13A sẽ yêu cầu cách tính khác: 1,56 × 13A = 20,28A. Bạn chọn kích thước tiêu chuẩn tiếp theo cao hơn giá trị này, tức là 25A (cầu chì gPV), miễn là định mức cầu chì nối tiếp tối đa của mô-đun cho phép.
Bảo vệ quá dòng chỉ trở nên cần thiết khi tổng dòng điện khả dụng từ các chuỗi song song vượt quá định mức của một chuỗi đơn lẻ. Tình trạng này thường xảy ra khi có ba chuỗi trở lên. Theo quy định, tất cả các dây dẫn không nối đất của mạch quang điện phải được ngắt kết nối đồng thời. Một bộ ngắt mạch hai cực trong bộ ghép chuỗi của bạn vừa đóng vai trò bảo vệ quá dòng, vừa là thiết bị ngắt kết nối tuân thủ quy định.
Việc dán nhãn rõ ràng giúp tránh nhầm lẫn trong quá trình bảo trì. Mỗi cầu chì phải được ghi rõ chuỗi tương ứng và mức định mức. Hộp kết hợp năng lượng mặt trời của bạn cần có chức năng giám sát ở cấp độ chuỗi để theo dõi hiệu suất của từng chuỗi. Chức năng giám sát này giúp bạn phát hiện các sự cố trước khi chúng trở nên nghiêm trọng hơn.
Sự chênh lệch điện áp nhỏ trong phạm vi 5-10% vẫn được cho phép. Những chênh lệch lớn, gần ngưỡng quy định của quy tắc 33%, cần phải được điều chỉnh. Hiệu suất của hộp ghép nối phụ thuộc vào những chi tiết này. Một hộp ghép nối năng lượng mặt trời được thiết kế tốt sẽ tối đa hóa độ tin cậy lâu dài của hệ thống.
Kết luận
Không nên kết nối các chuỗi có điện áp khác nhau vào cùng một hộp ghép PV mà không xác nhận trước rằng các chuỗi đó tương thích về mặt điện và hộp ghép có thông số kỹ thuật phù hợp với hệ thống. Sự khác biệt về điện áp, dòng điện, cấu hình mô-đun và yêu cầu MPPT có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn của hệ thống. Trong hầu hết các hệ thống PV, các chuỗi được kết nối với cùng một MPPT nên có các đặc tính điện tương tự nhau để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.
LSP cung cấp các giải pháp hộp ghép nối PV đáng tin cậy, được thiết kế để đơn giản hóa việc kết nối, bảo vệ và phân phối điện từ nhiều chuỗi PV.
Nếu quý vị đang tìm kiếm một nhà sản xuất hoặc nhà cung cấp hộp kết hợp PV đáng tin cậy, LSP có thể cung cấp các giải pháp được thiết kế chuyên nghiệp cho các ứng dụng năng lượng mặt trời trong các công trình dân dụng, thương mại và quy mô công nghiệp. Với kinh nghiệm thực tiễn trong lĩnh vực thiết bị bảo vệ điện, LSP hỗ trợ khách hàng lựa chọn các hộp kết hợp PV phù hợp dựa trên điện áp, cường độ dòng điện, số lượng chuỗi và các yêu cầu bảo vệ của hệ thống.
Câu hỏi thường gặp
Tôi có thể chịu được chênh lệch điện áp bao nhiêu?
Những chênh lệch nhỏ trong khoảng 5-10% gây ra tổn thất không đáng kể. Quy tắc 33% đánh dấu ngưỡng giới hạn thực tế của bạn. Vượt quá ngưỡng đó, tổn thất hiệu suất sẽ trở nên đáng kể. Dữ liệu từ PVsyst cho thấy ngay cả khi có nhiều chuỗi song song, tổn thất do sự không khớp điện áp cũng chỉ dưới 0,15%. Hãy tập trung vào việc ngăn chặn sự chênh lệch lớn thay vì theo đuổi sự bằng nhau hoàn hảo.
Tại sao chuỗi có điện áp thấp nhất lại giới hạn toàn bộ hệ thống pin mặt trời của tôi?
Các mạch song song chia sẻ một điện áp đường dây chung. Theo quy luật vật lý, điện áp sẽ cân bằng trên tất cả các nhánh song song. Các chuỗi có điện áp cao hơn phải giảm xuống để phù hợp với đầu vào yếu nhất. Hạn chế này xuất phát từ định luật điện áp của Kirchhoff. Không có cài đặt bộ biến tần hay điều chỉnh bộ ghép nào có thể vượt qua hành vi cơ bản này.
Các cài đặt của bộ biến tần có thể khắc phục được các vấn đề về sự không khớp điện áp không?
Không. Bộ theo dõi MPPT của bộ biến tần sẽ tìm kiếm điểm công suất tối đa tổng hợp của toàn bộ mảng pin. Nó không thể tối ưu hóa từng chuỗi riêng lẻ khi chúng chia sẻ chung một đầu vào. Các đầu vào MPPT riêng biệt sẽ giải quyết triệt để vấn đề này. Hãy kết nối các chuỗi không tương thích với các bộ theo dõi khác nhau. Khi đó, mỗi kênh sẽ tối ưu hóa độc lập mà không phải chấp nhận sự thỏa hiệp nào.
Làm thế nào để phát hiện sự không khớp về điện áp trong hệ thống pin mặt trời của tôi?
Đo điện áp hoạt động của từng chuỗi trong điều kiện ánh sáng mặt trời thực tế. Nhiệt độ, sự suy giảm hiệu suất của tấm pin và hiện tượng che bóng đều ảnh hưởng đến các giá trị thực tế. Các tính năng giám sát cấp chuỗi trong các bộ ghép hiện đại theo dõi liên tục từng đầu vào riêng lẻ. Hãy thường xuyên so sánh các chỉ số giữa các chuỗi của bạn. Nếu chênh lệch liên tục vượt quá 10%, cần tiến hành kiểm tra và khắc phục.
