Bạn đã từng biết tới điện mặt trời và các hệ thống điện năng lượng mặt trời mái nhà nhưng chưa biết chính xác nó là gì ? Hoạt động như thế nào ? Hãy cùng MAG tìm hiểu về các loại hệ thống điện mặt trời qua bài viết dưới đây.

Hiện nay có 4 loai cấu hình hệ thống điện năng lượng mặt trời phổ biến có ứng dụng trong đời sống. Các hệ thống đó là:

• Hệ thống hòa lưới (còn gọi là nối lưới)
• Hệ thống điện mặt trời độc lập
• Hệ thống điện mặt trời tương tác lưới
• Hệ thống bổ sung từ điện lưới

Sau đây là đặc điểm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối với lưới điện – Hòa lưới

Hệ thống này rất phổ biến ở Châu Âu và Hoa Kỳ, do lợi ích về giảm chi phí lắp đặt đồng thời có thêm thu nhập bằng cách bán điện cho công ty điện lực theo bảng giá cung cấp điện.

Các hệ thống bảng giá cung cấp (điện) thay đổi theo từng quốc gia và một số nơi không có bảng giá này. Ở nơi áp dụng bảng giá mua bán điện, công ty điện lực địa phương mua điện từ nhà sản xuất điện mặt trời với giá thỏa thuận tính theo KWh. Ở một số nước, giá điện được quy định theo chỉ số lạm phát do chính phủ khuyến khích lắp đặt hệ thống điện mặt trời. Ở các nước và vùng lãnh thổ khác giá bán điện được thỏa thuận với công ty điện lực.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Trong hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện. Bạn có thể sử dụng điện mặt trời vào ban ngày. Điện dư được dẫn lên lưới điện. Buổi chiều hoặc buổi tối, khi hệ thống điện mặt tười ngưng hoạt động, bạn sử dụng điện năng mua từ công ty điện lực như thông thường.

Lợi ích của các trạm điện mặt trời nối với lưới điện là giảm phụ thuộc vào các công ty điện lực lớn, bảo đảm điện năng được sản xuất theo cách thức thân thiện với môi trường. Một nhược điểm của hầu hết các hệ thống điện mặt trời nối với điện lưới là nếu điện lưới bị cắt, điện năng từ panel mặt trời của bạn cũng bị cắt.

Trạm điện mặt trời hoạt động đặc biệt hiệu quả ở nơi khí hậu nóng, nhiều ánh nắng, nơi nhu cầu điện năng cao điểm trùng với những giờ nắng nóng, chẳng hạn do nhu cầu về điều hòa không khí. Trạm điện này cũng rất hiệu quả đối với những người chủ yếu sử dụng điện năng cho các hoạt động hàng ngày.

Ví dụ về hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Phụng Phương là hộ kinh doanh hoa tươi tại Thanh Trì, Hà Nội. Họ đã lắp đặt một hệ thống điện mặt trời để cung cấp điện cho kho làm mát bảo quản hoa và để sử dụng cho các thiết bị điện khác. 

Chị phương cho biết: “Chạy hệ thống kho lạnh rất tiêu tốn điện năng, thực tế chúng tôi không hy vọng đinẹ từ hệ thống điện mặt trời cung cấp đủ cho toàn bộ. Nhưng điều quan trọng là làm giảm chi phí tiêu thụ điện hàng ngày, đặc biệt là vào mùa hè nắng nóng.”

Các thiết bị làm lạnh tiêu thụ điện nhiều nhất vào ban ngày mùa hè. Khi công suất của panel mặt trời đạt đỉnh. Trong khoảng thời gian sử dụng, chị phương nhận thấy lượng điện tiêu thụ từ điện lưới đã giảm khoảng 40%.

Năng lượng mặt trời thực hiện 3 việc:

• Thứ nhất, đây là dấu hiệu của việc bảo vệ môi trường. Nhắc nhở nhân viên có ý thức tiết kiệm điện.
• Thứ 2, cho khách hàng và mọi người biết đến chính sách thân thiện môi trường của doanh nghiệp.
• Thứ 3 và quan trọng nhất , chúng tôi đã giảm được điện tiêu thụ đặc biệt là giờ cao điểm.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập – Ngoài lưới điện

Trạm điện mặt trời độc lập là kiểu hệ thống điện năng lượng mặt trời thông dụng nhất trên phạm vi toàn cầu. 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 thì 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. 

Hầu như mọi người đều được hưởng lợi từ hệ thống điện mặt trời độc lập, dù chỉ là 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. 

Ví dụ về hệ thống điện mặt trời độc lập

Sung quanh chúng ta có rất nhiều ứng dụng của điện mặt trời độc lập. Đơn giản và thường gặp hàng ngày là các đèn năng lượng mặt trời. Chúng có cấu tạo rất đơn giản, chỉ gồm một tấm pin năng lượng, pin lưu trữ và bóng đèn led. Đèn năng lượng mặt trời khá dễ sử dụng, tùy theo diện tích cần chiếu sáng mà ta lắp các bóng đèn có công suất từ 100kw – 500Kw.

Một ví dụ khác nữa là máy bán hàng tự động. Được cấu tạo với mái có gắn các panel mặt trời cung cấp điện cho 1 bộ acquy trong tủ. Khi không sử dụng , tủ ở trạng thái chờ tiêu thụ điện rất ít. Khi khách hàng muốn sử dụng, ấn nút START và sử dụng một cách bình thường. Khi đó máy sẽ sử dụng điện tích trữ từ acquy để vận hành.

Hệ thống nối với lưới điện và dự phòng – Tương tác lưới

Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện và dự phòng sự cố còn gọi là hệ thống tương tác lưới. Hệ thống này kết hợp hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện và dãy các acquy.

Bạn sử dụng điện năng từ các panel mặt trời khi trời nắng. Lượng dư có thể đẩy lên lưới và bán điện dư cho công ty điện lực. Điểm khác là dãy acquy sẽ cung cấp điện ngay khi điện lưới bị cắt đột ngột. Do đó hệ thống của bạn sẽ liên tục có điện. Nói chung, bạn sẽ thiết lập “các mạch bảo vệ” trong ngôi nhà của mình, liên tục nhận điện năng trong khi điện lưới bị sự cố. Điều này bảo đảm duy trì công suất điện cơ bản cung cấp cho đèn chiếu sáng, máy tính… Trong khi công suất dự phòng không bị lãng phí cho các nhu cầu không thiết yếu, chẳng hạn tivi, máy điều hòa không khí…

Nếu có nguy cơ điện lưới bị cắt trong vài ngày, có thể thiết kế hệ thống tích hợp với các máy phát điện khác vào hệ thống tương tác. Điều này cho phép hệ thống tương tác lưới hoạt động như nguồn điện liên tục (UPS) hiệu quả trong khoảng thời gian đủ lâu.

Chỉ phí của hệ thống nối với lưới điện và dự phòng cao hơn hệ thống nối với lưới điện tiêu chuẩn, do chỉ phí cho dãy acquy và các bộ điều khiển acquy, thường khoảng 12-20% so với hệ thống chỉ nối với lưới điện. Cũng như hệ thống nối với lưới điện, ở một số quốc gia, có thể bán phần điện năng dư cho công ty điện lực, cho phép tăng thêm thu nhập từ hệ thống điện mặt trời.

Ví dụ về hệ thống điện mặt trời tương tác lưới

Hệ thống tương tác điện lưới được sử dụng rộng rãi tại các trang trại ở nông thôn nước Anh. Tại đây sự gián đoạn cung cấp điện có thể dẫn đến các hậu quả không nhỏ. Trước đây, các trang trại thường trang bị máy phát điện để cung cấp điện năng và chiếu sáng. Tuy nhiên trong vài năm gần đây, khi chính phủ Vương Quốc Anh khuyến khích lắp đặt hệ thống điện mặt trời, nhiều trang trại đã trang bị hệ thống tương tác lưới. Điều này cho phép họ có nguồn điện dự phòng và tăng thêm thu nhập do bán điện mặt trời.

Giá trị tăng thêm do lắp hệ thống tương tác lưới so với hệ thống nối lưới tiêu chuẩn sẽ được bù đắp từ chi phí vận hành thấp và tính dễ sử dụng của hệ thống. Chủ trang trại không cần đầu tư và vận hành máy phát điện. Ưu điểm lớn nhất chi phi bảo trì hầu như không đáng kể. Hệ thống này đòi hỏi phải vận hành thử và hoạt động thường xuyên để đảm bảo không sảy ra sự cố.

Hệ thống bổ sung điện lưới

Bổ sung điện lưới được coi là hệ thống điện mặt trời gia dụng cỡ nhỏ. Đối với hầu hết các trạm điện mặt trời gia dụng. Hệ thống bổ sung điện lưới thường được đánh giá là giải pháp thích hợp. Hệ thống vận hành hiệu quả, chi phí hợp lý, và rất thân thiện với môi trường.

Với hệ thống bổ sung điện lưới, các panel mặt trời tạo ra điện năng và sạc cho acquy. Năng lượng được lấy từ acquy, đi qua bộ biến tần tới tủ điện rồi cấp cho tải sử dụng.

Khi điện lượng acquy xuống đến ngưỡng tới hạn, hệ thống tự động chuyển mạch sang nguồn điện lưới. Bộ panel điện mặt trời nạp điện lại cho các acquy và hệ thống chuyển sang nguồn điện mặt trời.

Với hệ thống bổ sung điện lưới, bạn không bán điện cho công ty điện lực. Thay vào đó, bạn sử dụng toàn bộ điện năng do hệ thống điện mặt trời tạo ra. Điều này có nghĩa là, ở một số nơi chưa có các chính sách trợ cấp hoặc ưu đãi dành cho trạm điện mặt trời, hầu như không có lợi khi bán điện cho công ty điện lực.

Vì lý do đó, hệ thống bổ sung điện lưới thường được sử dụng ở các nơi chưa có chính sách ưu đãi điện mặt trời và các quy định về bảng giá cung cấp điện, chẳng hạn Ấn Độ, hoặc các quốc gia có chính sách khuyến khích các hệ thống điện mặt trời độc lập và hệ thống nối với điện lưới, chẳng hạn Australia.

Hệ thống bổ sung điện lưới có hầu hết các ưu điểm của hệ thống tương tác lưới. Ngoài ra, bạn có thể sử dụng điện năng của mình khi cần thiết không chỉ ban ngày. Điều này giảm lệ thuộc vào nguồn điện bên ngoài trong các giờ cao điểm.

Ưu điểm quan trọng của hệ thống bổ sung điện lưới là chi phí. Bạn có thể xây dựng hệ thống bổ sung điện lưới để cấp điện cho một hoặc nhiều mạch trong ngôi nhà với vốn đầu tư nhỏ, và mở rộng dần khi điều kiện tài chính cho phép. Một hệ thống nhỏ như vậy, hiện nay có giá chỉ khoảng vài trăm USD. Tồn tại một giá trị giới hạn, trên giá trị này, hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện kinh tế hơn so với hệ thống điện mặt trời bổ sung điện lưới.

Hiện tại, giá trị đó là khoảng 1 kWh: nếu hệ thống của bạn có khả năng phát điện với công suất lớn hơn 1 kW điện trong một giờ, hệ thống nối với lưới điện sẽ kinh tế hơn. Nếu hệ thống chỉ phát điện với công suất dưới 1 kW trong một giờ, hệ thống bổ sung điện lưới sẽ rẻ hơn. Trừ khi bạn muốn đầu tư vào hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện có công suất trên 1 kWh, hoặc bạn muốn hưởng các ưu đãi của chính quyền về điện mặt trời, nếu có, thì sử dụng hệ thống bổ sung điện lưới có lẽ là giải pháp hấp dẫn và có tính kinh tế cao.

Ví dụ về hệ thống điện năng lượng mặt trời bổ sung điện lưới

Khoảng năm 2001, Colin Metcalfe lắp panel mặt trời trên mái gara để nạp điện cho bộ acquy xe hơi cũ. Bộ này cấp điện cho một bóng đèn và bộ biến tần nhỏ. Sau một lần bị cắt điện vào mùa đông, Colin quyết định mở rộng hệ thống này để cấp điện cho các nhu cầu cơ bản trong gia đình.

“Tôi muốn bảo đảm chúng tôi luôn luôn có đủ điện năng trong gia đình, cấp điện cho các bóng đèn và bảo đảm hệ thống sưởi ấm hoạt động”, Colin giải thích. “Tôi có gas để cấp nhiệt, nhưng các bộ điều khiển đều sử dụng điện, nghĩa là nếu bị cắt điện, hệ thống sưởi ấm sẽ không thể hoạt động. Ngoài ra, tôi thích ý tưởng sử dụng điện năng được tạo ra theo cách thức thân thiện với môi trường”.

Mỗi khi điều kiện tài chính cho phép, Colin từng bước nâng cấp hệ thống của mình. “Thợ điện lắp bảng phân phối điện cho các mạch điện cơ bản trong nhà của. tôi, và nối vào bảng điện chính thông quacông tắc chuyển đổi tự động. Sau đó, theo thời gian, tôi bổ sung thêm các panel điện mặt trời và các acquy”. Công tắc chuyển đổi tự động này là bộ chuyển đổi, cho phép các mạch cơ bản nhận điện năng từ các panel điện hoặc acquy khi có điện, và chuyển sang điện lưới khi điện lượng acquy giảm.

Ban đầu, hệ thống này cung cấp khoảng một nửa điện năng tiêu thụ trong gia đình, nhưng do được bổ sung dần dần theo thời gian, công suất của hệ thống ngày càng tăng. “Ngày nay, tôi có khoảng 1.4 kW panel điện mặt trời trên mái gara,” Colin cho biết. “Tuy chúng không được đẹp lắm, các panel này có hình dạng khác nhau, do tôi mua dần dần khi điều kiện tài chính cho phép, nhưng hiện nay chúng đã cung cấp toàn bộ điện năng cần thiết trong cả năm cho tất cả các mạch cơ bản trong gia đình”. 

Hệ thống dự phòng điện lưới

Nói chung, bạn còn có thể lập cấu hình hệ thống bổ sung điện lưới dưới dạng hệ thống dự phòng điện lưới. Hệ thống dự phòng điện lưới hoạt động khi có sự cố từ nguồn cung cấp chính. Trong thực tế, hệ thống này được coi là nguồn điện liên tục, phát điện từ năng lượng mặt trời. Cấu hình này có lợi ích là nếu bị cắt điện, bạn sẽ có nguồn điện dự phòng. Nhược điểm chính là bạn không sử dụng điện mặt trời cho các nhu cầu hàng ngày. Hệ thống này ít được dùng ở các nước công nghiệp, châu Âu, bắc Mỹ, Nhật.. nhưng tương đối phổ biến ở những nơi sự cố điện lưới là chuyện thường ngày.

Ở châu Phi và nhiều nước châu Á, hệ thống dự phòng điện lưới cho phép giảm sự lệ thuộc vào máy phát điện đối với các nhu cầu điện cơ bản và điện chiếu sáng. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, nhiều người nhận thấy hệ thống bổ sung điện lưới và hệ thống tương tác điện lưới đáp ứng tốt hơn cho các nhu cầu của họ. Nói chung, hệ thống dự phòng điện lưới thường được chuyển sang hệ thống bổ sung điện lưới. 

So sánh hệ thống điện mặt trời độc lập với các hệ thống nối lưới điện

Nói chung, hệ thống độc lập và hệ thống bổ sung điện lưới cỡ nhỏ đều hoạt động với điện áp tương đối thấp, trong khoảng 12-48 V. Điều này do acquy là các bộ điện áp thấp, và thiết lập hệ thống độc lập điện áp thấp là phương thức đơn giản, an toàn, linh hoạt, và hiệu quả.

Các hệ thống nối với điện lưới có xu hướng công suất lớn, thường khoảng vài kilowatt-giờ. Khi điện năng được yêu cầu với điện áp cao, sẽ hiệu quả hơn khi nối nhiều panel điện mặt trời với nhau để tạo ra mạch điện áp cao, thay vì sử dụng bộ biến tần để tăng điện áp. Điện DC (một chiều) điện áp cao này được chuyển sang điện AC thông qua bộ biến tần thích hợp nối với điện lưới.

Các hệ thống nối với điện lưới hoặc là nhiều penel mặt trời nối nhau để tạo ra điện áp đến vài trăm volt trước khi dẫn vào bộ biến tần, hoặc có bộ biến tần nhỏ nối với từng panel mặt trời để tạo ra nguồn AC điện áp cao từ từng panel. Ưu điểm của điện áp cao này là hiệu suất, do tốn thất điện năng cường độ dòng điện thấp, điện áp cao qua các dây dẫn từ dãy panel mặt trời là tương đối thấp. Đối với hệ thống độc lập dựa trên acquy, điện áp thấp là giải pháp tốt nhất, đo bộ acquy có xu hướng làm việc tốt hơn khi lưu giữ điện năng điện áp thấp.

Đối với các hệ thống nối với điện lưới, không cần trữ điện năng trong acquy. Hệ thống điện áp cao là giải pháp thích hợp nhất.

Tóm tắt nội dung – Kết luận

Năng lượng mặt trời có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Hệ thống độc lập là đơn giản và dễ hiểu nhất, thường có công suất tương đối nhỏ. Hệ thống sử dụng để cung cấp điện năng ở nơi không có hoặc khó tiếp cận các nguồn năng lượng khác.

Trong các hệ thống nối với điện lưới. Năng lượng mặt trời tạo ra điện năng được sử dụng theo cách thức thông thường. Điện năng dư được cấp lên lưới điện.

Hệ thống tương tác điện lưới có các ưu điểm của hệ thống nối với điện lưới. Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng cung cấp điện khi điện lưới bị cắt.

Hệ thống bổ sung điện lưới, cùng với hệ thống điện mặt trời độc lập, thông dụng hơn so với hệ thống nối với điện lưới. Về thiết kế, hệ thống bổ sung điện lưới tương tự hệ thống độc lập, nhưng có bộ biến tần nối với dãy acquy và công tắc chuyển mạch tự động, có thể chuyển đổi nối kết giữa hệ thống điện mặt trời và nguổn điện lưới.

Hiện nay, hệ thống dự phòng điện lưới ít đưọc sử dụng. Các hệ thống nối với điện lưới có thiết kế khác với hệ thống độc lập. Chúng có xu hướng điện áp cao, trong khi hệ thống điện mặt trời độc lập vận hành với điện áp thấp.