Hệ thống năng lượng mặt trời có hoạt động được trong thời gian mất điện không?

Tại Sao Hầu Hết Các Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Lại Ngừng Hoạt Động Trong Khi Mất Điện

Cách Các Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Nối Lưới Phụ Thuộc Vào Lưới Điện Công Cộng

Các tấm pin mặt trời được nối với lưới điện cần phải phù hợp với tần số và mức điện áp của lưới để hoạt động đúng cách. Những hệ thống này không có pin tích hợp như các hệ thống độc lập, do đó chúng hoàn toàn phụ thuộc vào việc lưới điện duy trì hoạt động. Nếu xảy ra sự cố mất điện ở đâu đó, các hệ thống điện mặt trời nối lưới sẽ tự động tắt. Điều này không phải do sự cố kỹ thuật, mà thực ra là một biện pháp an toàn rất quan trọng. Hệ thống ngừng truyền điện trở lại các đường dây điện đã ngưng hoạt động, nhằm ngăn ngừa nguy cơ gây hại cho công nhân kỹ thuật và những người khác có thể đang sửa chữa trên lưới điện trong lúc mất điện.

Cơ Chế An Toàn: Vì Sao Bộ Biến Tần Tự Động Tắt Trong Khi Mất Điện

Khi xảy ra mất điện, các bộ biến tần năng lượng mặt trời tự động tắt nhờ vào một cơ chế được gọi là bảo vệ chống đảo ngược. Biện pháp an toàn quan trọng này ngăn dòng điện chảy vào các đường dây đang được sửa chữa. NEC yêu cầu hệ thống này phải kích hoạt gần như ngay lập tức khi phát hiện bất kỳ sự cố nào liên quan đến độ ổn định của lưới điện. Nghiên cứu từ nhiều lĩnh vực năng lượng cho thấy các quy trình này ngăn chặn khoảng 90 phần trăm các tình huống nguy hiểm, nơi điện có thể vô tình truyền ngược trở lại hệ thống trong khi thợ điện đang thực hiện sửa chữa. Hầu hết các bộ biến tần hiện đại thực tế phụ thuộc vào việc nhận tín hiệu điện áp từ lưới điện chính để vận hành. Điều đó có nghĩa là các mẫu thông thường sẽ không hoạt động khi mất điện, trừ khi có người lắp đặt thiết bị đặc biệt để hỗ trợ khả năng vận hành độc lập (islanding).

Tác động thực tế: Nghiên cứu điển hình về hệ thống điện mặt trời dân dụng trong các đợt mất điện khu vực

Khi các vụ cháy rừng lan rộng khắp California vào năm 2020, gây ra tình trạng mất điện trên diện rộng, gần như tất cả các ngôi nhà kết nối với lưới điện thông qua tấm pin mặt trời đều rơi vào cảnh mất điện, ngay cả khi bầu trời hoàn toàn trong xanh. Theo báo cáo từ các công ty cung cấp điện, hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời này sẽ không tự khởi động lại trừ khi điện áp lưới ổn định liên tục trong ít nhất năm phút trọn vẹn. Điều đó có nghĩa là người dân bị mắc kẹt mà không có tủ lạnh hoạt động để bảo quản thực phẩm khỏi hư hỏng, và nghiêm trọng hơn, những người phụ thuộc vào các thiết bị y tế như máy tạo oxy thì cũng không có nguồn điện dự phòng nào cả. Điều này cho thấy một điều khá rõ ràng – các hệ thống điện mặt trời thông thường được thiết kế trước hết nhằm bảo vệ toàn bộ hệ thống điện lưới, chứ không phải để đảm bảo cá nhân có nguồn điện đáng tin cậy trong các tình huống khẩn cấp.

Lưu trữ Pin: Cho Phép Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Vận Hành Trong Suốt Thời Gian Mất Điện

Hạn Chế Của Các Hệ Thống Chỉ Dùng Năng Lượng Mặt Trời Khi Không Có Lưu Trữ Năng Lượng

Hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới tự động ngừng hoạt động trong các sự cố mất điện do các quy trình an toàn nhằm bảo vệ nhân viên kỹ thuật điện lực. Một nghiên cứu năm 2023 của NREL cho thấy 94% các hệ thống điện mặt trời dân dụng không có pin đã ngắt kết nối trong vòng 2 giây khi lưới điện gặp sự cố. Tính năng "ngăn chặn hiện tượng đảo" này khiến chủ nhà bất ngờ bị mất điện mặc dù các tấm pin mặt trời vẫn hoạt động bình thường.

Pin Mặt Trời Cung Cấp Nguồn Dự Phòng Như Thế Nào Khi Lưới Điện Bị Sự Cố

Ắc quy lithium ion dùng cho năng lượng mặt trời giải quyết vấn đề này khá hiệu quả vì chúng lưu trữ lượng điện dư thừa được tạo ra trong ngày để sử dụng vào ban đêm hoặc khi mất điện. Khi nguồn điện chính bị ngắt, các hệ thống ắc quy này sẽ tự động kích hoạt để duy trì hoạt động của những thiết bị quan trọng trước tiên. Hãy nghĩ đến các thiết bị như tủ lạnh cần khoảng 1,5 kilowatt giờ mỗi ngày, thiết bị y tế yêu cầu khoảng 0,3 kWh mỗi ngày, và bộ định tuyến internet tiêu thụ liên tục khoảng 10 watt. Hệ thống chuyển sang nguồn điện dự phòng gần như ngay lập tức, thường trong vòng một phần nhỏ giây. Nghiên cứu về độ bền năng lượng cho thấy rằng khi dung lượng ắc quy được tính toán phù hợp, hầu hết các hộ gia đình với hệ thống pin mặt trời tiêu chuẩn 5 kW có thể duy trì các chức năng cơ bản trong ba ngày hoặc hơn mà không cần kết nối với lưới điện.

Các Giải Pháp Hàng Đầu: Tesla Powerwall và Các Hệ Thống Kết Hợp Năng Lượng Mặt Trời - Lưu Trữ Khác

Powerwall của Tesla vẫn đang thống trị thị trường với dung lượng lưu trữ 13,5 kWh và công suất liên tục 5 kW, mặc dù hiện nay đã có các lựa chọn mới hơn như LG RESU Prime (cung cấp 16 kWh) sau khi vượt qua các tiêu chuẩn chứng nhận UL-9540. Nhìn vào các con số trong ngành, các hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời ngày nay có thể tự động chuyển đổi nguồn điện thành công khoảng 98% thời gian, tốt hơn nhiều so với các loại pin axit-chì cũ chỉ đạt khoảng 72%. Các bài kiểm tra gần đây cho thấy phần lớn hệ thống có thể khôi phục lại khoảng 90% nhu cầu điện thiết yếu trong vòng chưa đầy 15 giây khi lưới điện chính bị mất. Độ tin cậy này tạo nên sự khác biệt lớn đối với các chủ nhà lo lắng về tình trạng mất điện.

Công nghệ Bộ biến tần Tiên tiến cho Hiệu suất Hệ thống Năng lượng Mặt trời Liên tục

Bộ biến tần Tiêu chuẩn so với Bộ biến tần Tạo lưới trong Các Hệ thống Năng lượng Mặt trời

Các bộ biến tần thông thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới phụ thuộc nhiều vào lưới điện chính để duy trì hoạt động ổn định với mức điện áp và tần số phù hợp. Khi xảy ra sự cố mất điện ở đâu đó, các thiết bị tiêu chuẩn này sẽ tự động tắt để đảm bảo an toàn, tránh gây nguy hiểm cho nhân viên sửa chữa đang làm việc trên cơ sở hạ tầng bị hư hỏng. Chúng phải tuân thủ một số quy định an toàn nhất định, chẳng hạn như những yêu cầu nêu trong tiêu chuẩn UL 1741, theo đó yêu cầu cắt mọi kết nối nếu lưới điện chính ngừng hoạt động. Ngược lại, những gì chúng ta gọi là bộ biến tần tạo lưới (grid-forming inverters) hoạt động hoàn toàn khác biệt. Những thiết bị này về cơ bản trở thành các máy phát điện nhỏ riêng biệt, thiết lập nên một vi lưới (microgrid) thông qua các kỹ thuật phần mềm thông minh, cho phép chúng điều khiển độc lập cả điện áp và tần số mà không cần bất kỳ tín hiệu bên ngoài nào. Theo các nghiên cứu gần đây được công bố trên nhiều tạp chí công nghệ năng lượng mặt trời, các phiên bản mới hơn của hệ thống tạo lưới này thực sự có khả năng tự khởi động ngay sau khi xảy ra mất điện và sau đó kết nối trơn tru với các hệ thống lưu trữ pin hiện có. Mặc dù điều này chắc chắn giúp các hộ gia đình tăng khả năng chống chịu trước các đợt mất điện, nhưng nó cũng đi kèm với chi phí cao hơn do phần lớn các tấm pin mặt trời dân dụng hiện nay chưa tích hợp chức năng này. Số liệu thống kê từ Bộ Năng lượng công bố năm ngoái cho thấy khoảng 85 phần trăm các hộ gia đình sử dụng điện mặt trời vẫn chưa có tính năng thiết yếu này để đạt được sự độc lập năng lượng thực sự.

Hệ Thống Độc Lập: Cách Năng Lượng Mặt Trời Có Thể Hoạt Động Độc Lập Trong Suốt Thời Gian Mất Điện

Các hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động độc lập với lưới điện chính kết hợp các bộ biến tần đặc biệt cùng với lưu trữ pin, cho phép chúng ngắt kết nối khi xảy ra mất điện nhưng vẫn duy trì cung cấp điện cho các thiết bị quan trọng. Khi những hệ thống này phát hiện sự cố với kết nối lưới, các rơ-le sẽ kích hoạt gần như ngay lập tức để tách biệt ngôi nhà khỏi đường dây điện lực. Sau đó, hệ thống truyền điện được tạo ra từ các tấm pin mặt trời thông qua những bộ biến tần lai hiện đại này để sạc đầy pin và vận hành các thiết bị cần thiết. Để đạt được hiệu quả tốt, cần phải cân đối lượng điện mà mặt trời tạo ra với lượng điện được lưu trữ. Hầu hết mọi người nhận thấy rằng một viên pin 10kWh hoạt động hiệu quả với khoảng 5kW tấm pin mặt trời, thường đủ duy trì các nhu cầu cơ bản trong khoảng thời gian từ 12 đến 24 giờ, ngay cả trong những ngày nhiều mây. Với tình trạng cháy rừng và bão lũ ngày càng phổ biến hơn, chúng ta đang chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ về mức độ áp dụng tính năng này. Theo số liệu từ Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo năm ngoái, khoảng 42% tất cả các hệ thống năng lượng mặt trời mới được lắp đặt tại các khu vực dễ xảy ra mất điện hiện nay đã được tích hợp sẵn tính năng vận hành độc lập (islanding), so với chỉ 18% vào năm 2020.

Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Lai: Thiết Kế Vì Độ Tin Cậy Và Độc Lập Với Lưới Điện

Kết Hợp Kết Nối Lưới Với Kiến Trúc Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Sẵn Sàng Cho Tình Trạng Mất Điện

Các hệ thống năng lượng mặt trời lai kết hợp kết nối lưới điện thông thường với lưu trữ pin và các bộ điều khiển thông minh, giúp chúng tiếp tục hoạt động khi xảy ra sự cố mất điện. Những hệ thống này không giống như các hệ thống nối lưới tiêu chuẩn mà chúng ta thường thấy ở những nơi khác. Chúng thực sự có một thứ gọi là Hệ thống Quản lý Năng lượng (EMS) – thiết bị này tự động chuyển đổi linh hoạt giữa điện lưới thông thường, nguồn điện mặt trời đang được tạo ra tại thời điểm hiện tại và năng lượng đã được tích trữ trong các viên pin. Ví dụ, hãy xét đến một hệ thống mà người dùng lắp đặt các tấm pin năng lượng mặt trời cùng với pin lithium-ion và sử dụng một bộ biến tần đặc biệt được chứng nhận theo tiêu chuẩn UL 1741. Hệ thống như vậy có thể tự ngắt kết nối khỏi lưới điện chính trong các trường hợp mất điện nhưng vẫn duy trì vận hành các thiết bị thiết yếu. Một báo cáo gần đây về xu hướng năng lượng tái tạo từ năm ngoái cho thấy, nếu được lắp đặt đúng cách, các hệ thống lai này làm giảm khoảng 92 phần trăm khả năng mất điện hoàn toàn so với việc chỉ lắp mỗi tấm pin năng lượng mặt trời mà không có hệ thống dự phòng. Các thành phần chính cần thiết cho loại lắp đặt này thường bao gồm:

• Bộ nghịch lưu hai chiều cho phép chuyển đổi liền mạch giữa các nguồn năng lượng
• Quản lý Pin Thông minh ưu tiên các mạch thiết yếu trong thời gian mất điện kéo dài
• Khả năng hình thành lưới điện ổn định điện áp mà không cần hỗ trợ từ lưới điện

Nghiên cứu điển hình: Lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời lai tại các khu vực ở California dễ xảy ra cháy rừng

Hạt Sonoma đã trở thành một trường hợp điển hình để kiểm tra khả năng phục hồi năng lượng sau khi các vụ cháy rừng gây mất điện hơn 14.000 giờ trên toàn hạt trong riêng năm ngoái. Theo số liệu từ Ủy ban Năng lượng California công bố đầu năm nay, các hộ gia đình lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời lai đã giảm thời gian mất điện khoảng 83% mỗi năm so với những hộ vẫn chỉ phụ thuộc hoàn toàn vào lưới điện. Lấy một ngôi nhà cụ thể làm ví dụ mà họ nghiên cứu – nơi này có pin 15 kWh kết hợp với tấm pin mặt trời công suất 10 kW. Khi xảy ra tình trạng cắt điện vì lý do an toàn cộng đồng, hệ thống này đã duy trì hoạt động của tủ lạnh, cung cấp điện cho thiết bị y tế thiết yếu và thậm chí duy trì khả năng liên lạc cơ bản liên tục trong ba ngày liền. Các con số cũng cho thấy một câu chuyện thú vị: hiện nay, các hệ thống lai loại này chiếm gần một nửa (khoảng 41%) trong tổng số các công trình năng lượng mặt trời mới được lắp đặt tại những khu vực có nguy cơ cháy cao. Chính quyền địa phương đã thúc đẩy các tiêu chuẩn xây dựng được cập nhật, trong khi các công ty bảo hiểm cung cấp mức phí tốt hơn cho các bất động sản có phương án dự phòng nguồn điện, tạo nên tình thế đôi bên cùng có lợi mà nhiều người nhận thấy vừa tăng độ an toàn vừa tiết kiệm dài hạn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao các hệ thống năng lượng mặt trời ngừng hoạt động trong thời gian mất điện?

Các hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới sẽ ngừng hoạt động trong thời gian mất điện để ngăn dòng điện chảy ngược vào các đường dây không hoạt động, đảm bảo an toàn cho công nhân kỹ thuật. Điều này được thực hiện thông qua một cơ chế an toàn gọi là bảo vệ chống đảo chiều (anti-islanding protection).

Các hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động độc lập trong thời gian mất điện không?

Có, các hệ thống năng lượng mặt trời có bộ biến tần tạo lưới (grid-forming inverter) và lưu trữ pin có thể hoạt động độc lập trong thời gian mất điện. Những hệ thống này có thể tạo ra một mạng lưới vi mô (microgrid), cho phép cung cấp điện cho các thiết bị thiết yếu ngay cả khi lưới điện chính ngừng hoạt động.

Lợi thế của hệ thống năng lượng mặt trời lai (hybrid solar systems) là gì?

Hệ thống năng lượng mặt trời lai kết hợp việc nối lưới với khả năng lưu trữ pin và các bộ điều khiển thông minh, cho phép duy trì nguồn điện trong thời gian mất điện. Những hệ thống này mang lại độ tin cậy và tính độc lập cao hơn so với các hệ thống nối lưới tiêu chuẩn.

Pin năng lượng mặt trời cung cấp nguồn điện dự phòng như thế nào?

Ắc quy năng lượng mặt trời lưu trữ lượng điện dư thừa được tạo ra trong ngày để sử dụng vào ban đêm hoặc khi mất điện. Chúng tự động hoạt động khi nguồn điện chính bị ngắt, cung cấp năng lượng cho các thiết bị thiết yếu như tủ lạnh và thiết bị y tế.