Hệ thống điện mặt trời độc lập là gì ?
Hệ thống điện mặt trời độc lập là hệ thống các thiết bị có chức năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng và lưu trữ điện năng đó để sử dụng. Khi hoạt động, hệ thống sẽ phát điện từ acquy cung cấp cho thết bị. Điện mặt trời độc lập là hệ thống lâu đời và được sử dụng nhiều nhất từ trước tới nay.
Trạm điện mặt trời độc lập là kiểu hệ thống điện năng lượng mặt trời thông dụng nhất. Mục đích là cung cấp điện năng ở nơi khó hoặc chưa có nguồn năng lượng khác.
Dù chỉ cấp điện cho chiếu sáng, máy tính, hay cho toàn bộ ngôi nhà. Về cơ bản, các hệ thống độc lập hoạt động theo cùng 1 nguyên lý. Panel mặt trời tạo ra điện, được lưu vào bình acquy và sử dụng khi có nhu cầu. Nói chung, hệ thống điện độc lập thường rất nhỏ, công suất đỉnh không quá một Kilowatt.
Mọi người đều có thể sử dụng hệ thống điện mặt trời độc lập, dù chỉ để chiếu sáng. Nếu bạn có kế hoạch về hệ thống điện lớn hơn. Ý tưởng tốt nhất vẫn nên bắt đầu từ một hệ thống điện độc lập nhỏ và đơn giản.
Thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập
Thiết kế Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập phức tạp hơn so với hệ thống hòa lưới. Không chỉ đảm bảo hệ thống độc lập vận hành ổn định còn phải đủ công suất cho tiêu thụ. Khác với điện mặt trời nối lưới, sẽ không có nguồn điện bổ sung từ điện lưới cho phần công suất thiếu hụt. Ngoài việc nghiên cứu lập kế hoạch, lắp panel, đi dây bạn còn phải xét đến các yêu cầu về điện áp vận hành và thiết kế hệ thống acquy để lưu trữ điện.
Chúng ta cần tiến hành qua từng bước như sau:
- Tính điện áp vận hành
- Tính cường độ dòng điện
- Chọn tiết diện dây dẫn
- Cách kết nối và phối hợp các tấm pin.
- Chọn lựa Acquy lưu trữ
- Chọn bộ điều khiển cho hệ thống.
Chúng ta cùng tìm hiểu từng bước trong bài hướng dẫn dưới đây.
Tính điện áp tối ưu
Các panel mặt trời và acquy thường có điện áp định mức chung là 12V, do đó bạn nên cân nhắc khả năng vận hành hệ thống với điện áp 12 V.
Đối với các hệ thống nhỏ, mức điện áp này là thích hợp. Tuy nhiên, hệ thống điện áp 12 V có một số hạn chế, do đó bạn cần xác định điện áp tối ưu cho hệ thống của mình.
Điện áp và dòng điện
Dòng điện được tính theo số watt chia cho số volt. Khi vận hành hệ thống điện áp thấp, cường độ dòng điện sẽ cao hơn nhiều so với hệ thống điện áp cao.
Chẳng hạn, chọn bóng đèn gia dụng công suất thấp làm ví dụ. Bóng đèn 12 W vận hành với mức điện áp lưới sẽ tiêu thụ 12W trong một giờ. Dòng điện cần thiết cho bóng đèn này với điện áp 230 V chỉ khoảng 0.05 A (12 W ÷ 230 V = 0.05 A), điện áp 110 V khoảng 0.1 A (12 W ÷ 110 V=0.1A).
Nếu bóng đèn này sử dụng điện từ acquy loại 12V, công suất tiêu thụ vẫn là 12 W, nhưng cường độ dòng điện lên đến 1A (12W ÷ 12V= 1A), và nếu dùng acquy 24 V, dòng điện sẽ là 0.5 A.
Điều gì sẽ xảy ra, dù trong các trường hợp nêu trên công suất tiêu thụ là như nhau? Vấn đề là điện trở. Điện trở chính là trở lực đối với dòng điện trong vật liệu dẫn điện, tựa như ma sát đối với chuyển động của các electron trong dây dẫn. Nếu điện trở cao, tổn thất công suất sẽ lớn. Bằng cách tăng điện áp, bạn có thể giảm ca ng độ dòng điện, do đó sẽ giảm điện trở.
Có thể giải quyết vấn để điện trở bằng cách dùng dây điện tiết diện lớn. Nhưng không thể tăng tiết diện dây dẫn đến vô hạn, do đó chọn giải pháp tăng điện áp.
Lựa chọn điện áp thích hợp
Đối với hệ thống điện mặt trời độc lập hoặc hệ thống điện dự phòng. Các giá trị điện áp thông dụng là 12V, 24V, và 48V.
Về nguyên tắc, cách thức vận hành mạch điện hiệu quả là duy trì mức điện áp cao và cường độ dòng điện thấp. Đó cũng là lý do hệ thống lưới truyền tải điện có điện áp cao, mục đích chính là giảm tổn thất truyền tải trên những khoảng cách lớn.
Tuy nhiên, trong tính toán bạn còn phải xét đến chi phí: các hệ thống 12V và 24V có chi phí thấp hơn nhiều so với hệ thống điện vận hành với điện áp cao, chủ yếu do hầu hết các linh kiện đều có sẵn và với giá thấp.Các trang thiết bị và linh kiện 12V và 24V rất phổ biến, nhưng loại vận hành với điện áp 48V tương đối hiếm.
Hầu hết các hệ thống điện mặt trời độc lập đều không vận hành với điện áp cao hơn 48V. Tuy về lý thuyết, vẫn có thể sử dụng điện áp cao, nhưng bộ biến tần và bộ điều khiển có thể làm việc với điện áp cao thường rất đắt tiền và chỉ thích hợp cho các ứng dụng chuyên biệt.
Đối với hệ thống điện mặt trời nối với điện lưới, bạn có tùy chọn vận hành mảng panel với điện áp cao bằng cách mắc nối tiếp nhiều panel với nhau. Bộ biến tần dùng cho hệ thống này có thể có giá trị điện áp trong khoảng 12V đến 1000V. Trong hệ thống nối với điện lưới, điện áp vận hành phụ thuộc vào số panel mặt trời.
Cách trọn điện áp vận hành
Giá trị điện áp này được chọn theo cường độ dòng điện (A) do mảng panel mặt trời tạo ra hoặc cường độ dòng điện (A) sử dụng cho phụ tải vào thời điểm bất kỳ.
Để làm việc với các dòng điện có cường độ cao, bạn cần dây cáp điện lớn và bộ điểu khiển hệ thống điện mặt trời mạnh. Bạn cũng sẽ có điện trở lớn do các đây điện dài, làm giảm hiệu suất của hệ thống điện, do đó cần có thêm công suất.
Cường độ dòng điện cao có thể làm giảm tuổi thọ acquy. Cần xem xét kỹ vấn đề này khi cường độ dòng điện lấy từ ac quy vượt quá 0.1 định mức Ah của acquy.
Bạn cần chú ý vào các tùy chọn điện áp 12V hay 24V, và quyết định chọn giá trị điện áp phù hợp nhất cho hệ thống của mình. Cuối cùng, nếu bạn dự định sử dụng bộ biến tần để chuyển đổi điện áp acquy DC thành điện áp lưới AC, bộ biến tần 12V thường có định mức công suất thấp hơn các bộ 24V và 48V. Điều này có thể giới hạn định mức tiêu thụ điện nếu sử dụng điện áp 12V.
Để giải quyết các vấn để này, bạn có thê tăng điện áp của hệ thống điện mặt trời: tăng gấp đôi giá trị điện áp, cường độ dòng điện sẽ giảm một nửa.
Không có nguyên tắc quy định về chọn điện áp theo cường độ dòng điện, nhưng nói chung, nếu cỡ đây điện cần thiết đê dẫn điện vượt quá 6 mm, bạn nên xét đến phương án tăng điện áp.
Tính cường độ dòng điện
Tính cường độ dòng điện tương đối đơn gian. Cường độ (A) bằng công suất (W) chia cho điện áp (V):
Công suất ÷ Điện áp = Dòng điện: P ÷ V = I
Bạn cần biết cường độ dòng điện do mảng panel mặt trời cung cấp cho hệ thống. Nhà sản xuất pin mặt trời thường có ghi rõ các thông số về công suất và điện áp nên có thể tính toán dễ dàng.
Tính tiết diện dây điện
Tiết diện dây dẫn được tính theo công thức: CT = (LxIx0.04) ÷ (V ÷ 20)
- CT là tiết diện dây dẫn điện (mm2)
- L là chiều dài dây cáp (m)
- I là cường độ dòng điện (A)
Chuyển đổi cỡ dây điện
Để chuyển đổi tiết diện dây dẫn sang cỡ dây Mỹ (AWG) hoặc đường kính dây theo mm hoặc in, bạn có thể sử dụng bảng bên dưới:
Bảng 1: Chuyển đổi tiết diện dây dẫn
| CT (mm2) | AWG | D (in) | D (mm) |
| 107.16 | 0000 | 0.46 | 11.68 |
| 84.97 | 000 | 0.4096 | 10.4 |
| 67.4 | 00 | 0.3648 | 9.27 |
| 53.46 | 0 | 0.3249 | 8.25 |
| 42.39 | 1 | 0.2893 | 7.35 |
| 33.61 | 2 | 0.2576 | 6.54 |
| 26.65 | 3 | 0.2294 | 5.83 |
| 21.14 | 4 | 0.2043 | 5.19 |
| 16.76 | 5 | 0.1819 | 4.62 |
| 13.29 | 6 | 0.162 | 4.11 |
| 10.55 | 7 | 0.1443 | 3.67 |
| 8.36 | 8 | 0.1285 | 3.26 |
| 6.63 | 9 | 0.1144 | 2.91 |
| 5.26 | 10 | 0.1019 | 2.59 |
| 4.17 | 11 | 0.0907 | 2.3 |
| 3.31 | 12 | 0.0808 | 2.05 |
| 2.63 | 13 | 0.072 | 1.83 |
| 2.08 | 14 | 0.0641 | 1.63 |
| 1.65 | 15 | 0.0571 | 1.45 |
| 1.31 | 16 | 0.0508 | 1.29 |
| 1.04 | 17 | 0.0453 | 1.15 |
| 0.82 | 18 | 0.0403 | 1.02 |
| 0.65 | 19 | 0.0359 | 0.91 |
| 0.52 | 20 | 0.032 | 0.81 |
| 0.41 | 21 | 0.0285 | 0.72 |
| 0.33 | 22 | 0.0254 | 0.65 |
| 0.26 | 23 | 0.0226 | 0.57 |
| 0.20 | 24 | 0.0201 | 0.51 |
| 0.16 | 25 | 0.0179 | 0.45 |
| 0.13 | 26 | 0.0159 | 0.40 |
Từ các số liệu trên Bảng 1, bạn có thể đễ dàng nhận được giá trị cần dùng. Với các chiều dài dây cáp điện quá lớn, việc sử dụng hệ thông điện với điện áp 12V sẽ không có tính thực tiễn. Giá trị tương hợp gần nhất với tiết điện đây cáp 20.65 mm”, tính cho điện áp 12 V, là 21.14 mm”; đây là cỡ dây AWG 4, đường kính dây 5.19 mm. Cỡ dây này quá lớn, nặng, khó kiếm, và đắt tiền.
Điều đó cũng có nghĩa là bạn phải đi dây AWG 4 từ mảng panel và đến ngôi nhà để giảm bớt điện trở. Thực hiện điều này tương đối khó và đòi hỏi chỉ phí cao. Do vấn đề kích cỡ dây cáp điện, sẽ thực tiễn hơn nếu bạn sử dụng điện áp 24 V hoặc 48 V cho hệ thống điện mặt trời của mình.
Phối hợp các tấm pin năng lượng mặt trời
Khi xác định mảng panel mặt trời, bạn chỉ nên sử dụng một loại panel thay vì phối hợp nhiều loại với nhau. Ví dụ, nếu muốn có mảng với công suất 100 W, bạn có thể chọn một panel 100W, hai panel 50W, hoặc năm panel 20W.
Nếu muốn sử dụng các panel khác nhau trong mảng panel, bạn có thể thực hiện bằng cách sử dụng hai bộ panel mắc song song với nhau và nối kết chúng vào bộ điều khiển có thể hoạt động với nhiều máng panel, hoặc sử dụng thêm một bộ điều khiển nữa. Đây có thể là phương pháp hữu dụng để tạo ra hệ thống có công suất (watt) phù hợp, thay vì tốn thêm tiền để mua các panel lớn hơn, tạo ra nhiều công suất hơn so với nhu cầu thực tế.
Kết quả là mạng dây điện sẽ hơi phức tạp hơn, nhưng thường là giải pháp tiết kiệm hơn so với mua máng panel mặt trời có công suất lớn hơn nhu cầu thực tế.
Các hình sau đây minh họa hai sơ đồ nối kết hai panel công suất khác nhau vào một hệ thống. Cả hai hệ thống này đều có điện áp 12V, sử dụng hai panel công suất khác nhau để tạo ra hệ thống 140W.
Hình 1: Hệ thống sử dụng 1 bộ điều khiển với 2 ngõ vào riêng biệt. 2 panel vận hành độc lập với nhau
Hình 2: Hệ thống sử dụng 2 bộ điều khiển. Bộ thứ 2 dùng để cấp điện cho dãy acquy từ panel công suất nhỏ.
Các giải pháp này sẽ hiệu quả trong trường hợp bạn dự định bắt đầu với hệ thống điện mặt trời công suất nhỏ, sau đó tăng dẫn công suất khi điều kiện tài chính cho phép. Điều này có nghĩa là bạn thu thập dần dần các panel mặt trời theo thời gian, và xếp chúng vào một hệ thông điện mặt trời.
Nếu có hai panel từ hai nhà chế tạo khác nhau nhưng có cùng giá trị công suất định mức. Bạn hãy đặt chúng trên hai mach riêng rẽ. Những panel mặt trời của các hãng khác nhau không hoàn toàn đồng nhất về điện áp vận hành và hiệu suất. Do đó nếu bố trí trong cùng một mạch điện, hiệu suất của cả hai panel đều bị giảm, dù các đặc tính kỹ thuật của chúng tương tự nhau.
Nếu mua nhiều bộ điều khiến cho hệ thống năng lượng mặt trời để xử lý, vận hành các panel có kích cỡ, model và/hoặc nhà chế tạo khác nhau, bạn chỉ cần một bộ điều khiến chính để điều khiển công suất ra từ các acquy. Các bộ điều khiển khác của bạn có thể là loại rẻ tiền hơn và đơn giản hơn do chỉ điều khiển công suất cung cấp cho các acquy. Nếu muốn, thậm chí bạn có thể sử dụng bộ điều chính điện áp đơn giản, ngắt điện khi các aquy được nập đây, dù thiết bị này không hiệu quả bảng bộ biến tần chuyên dùng cho hệ thống điện mặt trời.
Bạn cần nhớ, không phải mọi panel đều có định mức 12V. Hiện nay, nhiều panel được thiết kế chủ yếu cho hệ thống nối với điện lưới và có các cấu hình điện áp khác nhau. Trên thị trường đã xuất hiện các panel điện mặt trời với định mức điện áp đến 120 V, nhưng phổ biến vân là 12V, 24W, và 48V.
Các panel 12V vẫn là loại phổ biến nhất, và thông dụng trong các hệ thống điện mặt trời độc lập. Nếu hệ thống điện mặt trời độc lập của bạn vận hành với giá trị điện áp khác với 12 V, bạn có thể lắp nhiều panel để tăng điện áp hoặc chọn panel có định mức điện áp cao hơn. Ví dụ, nếu muốn có mảng panel 200 watt, 24 volt, bạn có thể đạt được điều này bằng một trong các lựa chọn dưới đây:
- Sử dụng hai panel 12 V, 100 W, mắc nối tiếp.
- Sử dụng một panel 24 V, 200 W.
Khi lựa chọn mảng panel, bạn cần xét:
- Kích thước chung: có phù hợp với không gian khả dụng không?
- Kết tấu khung giá đỡ: loại khung chế tạo sẵn thường chỉ khớp với một số tổ hợp panel xác định.
- Số dây điện cần dùng cho mảng panel.
- Điện áp hệ thống: nếu không sử dụng điện áp 12V, bạn sẽ cần nhiều panel mặt trời để tạo lập hệ thống theo mức điện áp (V) và công suất (W) yêu câu.
Acquy cho hệ thống điện mặt trời độc lập
Có nhiều tùy chọn về acquy, và nhiều nhà cung cấp acquy chuyên nghiệp. Họ có thể tư vấn về các tùy chọn phù hợp nhất cho thệ thống điện mặt trời độc lập của bạn.
Các acquy acid – chì thường có giá trị điện áp 6V hoặc 12V, nhưng cũng có các mức điện áp khác. Có thể mắc nối tiếp các acquy với nhau để tăng điện áp, hoặc mắc song song để duy trì mức điện áp và tăng điện lượng.
Điện lượng của acquy được đo theo ampere – giờ (Ah). Định mức ampere – giờ biểu thị số giờ acquy phóng điện đến mức cho trước. Ví dụ, acquy 100 Ah có giá trị điện lượng lý thuyết cấp điện cho thiết bị tiêu thụ 1A trong 100 giờ, hoặc thiết bị 100A trong một giờ.
Ở đây dùng thuật ngữ điện lượng lý thuyết, nghĩa là trong thực tế, acquy acid – chì cung cấp điện năng nhiều hơn khi phóng điện với chế độ chậm; chẳng hạn, acquy 100 Ah thường cung cấp điện năng thấp hơn khoảng 20-25% nếu phóng điện trong 5 giờ so với phóng điện trong 24 giờ.
Thứ hai, acquy acid – chì không được phép phóng điện quá mức. Trạng thái điện tích tối thiểu 20% (SOC) phải được đuy trì trong acquy acid-chì vào mọi thời điểm để tránh hư hại acquy. Để acquy đạt được tuổi thọ làm việc tối ưu, bạn nên thiết kế hệ thống điện sao cho điện tích acquy hầu như không xuống dưới 50%.
Các loại Acquy hiện nay
1. Acquy ướt
Yêu cầu thường xuyên kiểm tra và châm thêm nước cất. Hoạt động khá tốt và tuổi thọ làm việc dài hơn các loại acquy khác. Trong quá khứ, hầu hết các chuyên gia đều đề nghị sử dụng acquy “ướt” chất lượng công nghiệp cho các hệ thống điện mặt trời. Chúng hoạt động tốt trong thời gian dài và có giá thấp nhất. Thường được gọi là acquy kéo (do là acquy chịu tải nặng và được dùng trong các xe chạy điện). Khi sử dụng trong hệ thống điện mặt trời, chúng có tuổi thọ khoảng 8 -10 năm.
2. Acquy AGM
Acquy AGM còn gọi là acquy “giải trí”, thông dụng trong các du thuyền cỡ nhỏ và xe lữ hành. Acquy AGM có tuổi thọ làm việc ngắn hơn acquy kéo. Tuổi thọ acquy AGM khoảng 3 – 4 năm và sử dụng trong các hệ thống có công suất định mức thấp.
3. Acquy khô
Acquy “khô” hầu như hoàn toàn không cần bảo trì. Chúng được làm kín hoàn toàn và không xả khí hydro. Trong quá khứ, acquy “khô” có độ tin cậy không cao, ít dùng trong hệ thống điện mặt trời, do yêu cầu thay mới chỉ trong một đến hai năm. Tuy nhiên, gần đây, các acquy “khô” cỡ nhỏ đã được cải thiện rõ rệt về tuổi thọ làm việc, có thể sánh ngang với acquy AGM, đồng thời giá cũng giảm nhanh.
Acquy “khô” không thích hợp cho các hệ thống năng lượng mặt trời công suất lớn, 400 watt – giờ trở lên, nhưng thay thế rất tốt cho acquy ướt trong các ứng dụng công suất nhỏ. Nếu dự án năng lượng mặt trời của bạn yêu cầu acquy với điện lượng không quá 50 Ah, acquy khô sẽ là lựa chọn hợp lý.
Không phải chất lượng của tất các các acquy dều như nhau. Khi lựa chọn cần chú ý đến thương hiệu, dù giá hơi đắt nhưng chất lượng ổn định hơn.
Bộ điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập
Bộ điều khiển giám sát các acquy, ngắt điện khi acquy được nạp điện quá mức từ tấm pin mặt trời hoặc bị phóng điện quá mức do các thiết bị tiêu thụ điện nối vào acquy.
Nhiều bộ điều khiển có màn hình LCD, cho phép bạn kiểm tra dòng điện nạp vào acquy và mức công suất do mảng panel mặt trời tạo ra. Sự lựa chọn bộ điều khiển hệ thống điện mặt trời dựa trên bốn yếu tố:
- Điện áp của hệ thống điện mặt trời.
- Cường độ dòng điện của mảng panel (A).
- Cường độ dòng điện tải cực đại (A).
- Mức độ chỉ tiết bạn muốn quan sát trên màn hình LCD.
Một số chuyên gia năng lượng mặt trời còn bổ sung kiểu acquy vào bốn yếu tố trên. Đây vốn là vấn đề với một số bộ điều khiển kiểu cũ, chỉ làm việc với các kiểu acquy chuyên biệt. Các bộ điều khiển hệ thống điện mặt trời hiện đại đều làm việc tốt với tất cả các kiểu loại acquy acid-chì, nhưng có thể bạn phải báo cho bộ điều khiển biết kiểu acquy bạn đang sử dụng khi xác lập hệ thống.
Hầu hết các bộ điều khiển hệ thống điện mặt trời, trừ loại rẻ tiền nhất, đều cung cấp thông tin cơ bản trên màn hình LCD, cho phép bạn thấy mức năng lượng đã tạo ra so với phần điện năng đang sử dụng, và cũng có thể cho biết điện tích hiện được lưu trong các acquy. Một số bộ điều khiển có thông tin chỉ tiết hơn, cho phép bạn kiểm tra, trên cơ sở hàng ngày, về mức năng lượng được tạo ra và mức độ tiêu thụ.
