Cách phối hợp biến tần năng lượng mặt trời với các tấm pin năng lượng mặt trời?

Chọn kích cỡ biến tần năng lượng mặt trời là gì và tại sao nó quan trọng

Khi nói đến việc chọn kích cỡ bộ biến tần năng lượng mặt trời, ý tưởng cơ bản là ghép công suất định mức của bộ biến tần được đo bằng kilowatt với khả năng thực tế mà các tấm pin năng lượng mặt trời có thể sản xuất. Việc lựa chọn chính xác sẽ giúp hệ thống hoạt động hiệu quả nhất khi chuyển dòng điện một chiều từ các tấm pin thành dòng điện xoay chiều mà chúng ta có thể sử dụng trong gia đình. Nếu bộ biến tần quá nhỏ, hiện tượng gọi là cắt giảm (clipping) sẽ xảy ra vào những ngày nắng mạnh khi sản lượng đạt đỉnh, và chủ nhà có thể mất đi từ 3 đến 8 phần trăm sản lượng năng lượng hàng năm theo nghiên cứu của Aforenergy năm ngoái. Ngược lại, nếu chọn bộ biến tần quá lớn sẽ làm tăng chi phí ban đầu không cần thiết và khiến bộ biến tần hoạt động kém hiệu quả hơn khi không được tải đầy đủ. Hầu hết các đơn vị lắp đặt đều tuân theo các hướng dẫn tương tự tiêu chuẩn NEC 705.12(D)(2), khuyến nghị chọn bộ biến tần có thể xử lý khoảng 120% công suất định mức của các tấm pin. Cách tiếp cận này tạo ra sự cân bằng tốt giữa đảm bảo an toàn, duy trì hiệu suất hoạt động tốt hiện tại, đồng thời để lại dư địa mở rộng hệ thống trong tương lai nếu người dùng có nhu cầu.

Phù hợp điện áp và dòng điện của tấm pin mặt trời với yêu cầu đầu vào của bộ biến tần

Hầu hết các bộ biến tần đi kèm với dải đầu vào xác định cho cả điện áp (V) và dòng điện (A) để chúng có thể hoạt động an toàn và hiệu quả. Khi hệ thống vượt quá các giới hạn đó, bộ biến tần sẽ tự động tắt hoàn toàn. Nếu đầu vào quá thấp, hệ thống có thể không hoạt động gì cả hoặc sản sinh ra công suất thấp hơn nhiều so với mong đợi. Lấy một bộ biến tần tiêu chuẩn 400V làm ví dụ, nó thường cần các cụm tấm pin cung cấp điện áp trong khoảng từ 330 đến 480 volt. Điều kiện thời tiết cũng ảnh hưởng, vì các tấm pin mặt trời thường giảm sản lượng khoảng 0,3 đến 0,5 phần trăm cho mỗi độ C tăng nhiệt độ. Điều đó có nghĩa là các kỹ sư lắp đặt thường cần nối thêm các tấm pin nối tiếp trong quá trình lắp đặt tại các khu vực lạnh hơn, nơi nhiệt độ mùa đông có thể ngăn hệ thống khởi động đúng cách.

Vai trò của tỷ lệ DC sang AC trong thiết kế hệ thống

Khi xem xét các hệ thống năng lượng mặt trời, tỷ lệ DC sang AC về cơ bản cho thấy lượng điện được tạo ra từ các tấm pin so với khả năng xử lý của bộ biến tần. Hầu hết các hệ thống sử dụng tỷ lệ khoảng 1,2 trên 1, giúp giảm thiểu tình trạng cắt giảm sản lượng từ tấm pin (khoảng 2-5% hao hụt mỗi năm) đồng thời vẫn khai thác gần như toàn bộ năng lượng ánh sáng mặt trời có sẵn. Một số người tăng tỷ lệ này cao hơn, đôi khi lên tới 1,4 trên 1, đặc biệt ở những khu vực có thời gian nắng yếu kéo dài. Những thiết lập như vậy thực tế mang lại hiệu quả tài chính tốt hơn ở một số vùng nhất định vì chúng tạo ra nhiều điện hơn vào buổi sáng sớm và chiều muộn, dù có thể bị cắt bớt một phần sản lượng đỉnh vào giữa trưa. Tuy nhiên, cần cẩn trọng khi tỷ lệ vượt quá 1,55 trên 1. Nghiên cứu từ NREL năm 2023 cho thấy các tỷ lệ quá cao này bắt đầu gây ra vấn đề do hiện tượng cắt liên tục, làm giảm lợi nhuận thay vì gia tăng chúng.

Tối ưu hóa tỷ lệ mảng pin với bộ biến tần để đạt hiệu suất tối đa

Tỷ lệ lý tưởng giữa mảng pin và bộ biến tần là bao nhiêu?

Hầu hết các hệ thống hoạt động tốt nhất khi tỷ lệ DC sang AC nằm trong khoảng từ 1,15 đến 1,25. Điều này tạo ra sự cân bằng tốt giữa việc thu thập đủ năng lượng và duy trì hiệu suất hoạt động của bộ biến tần. Phần công suất dư thêm giúp bù đắp cho những yếu tố nhỏ phát sinh trong các hệ thống thực tế như tấm pin bị hao mòn theo thời gian, bụi bẩn tích tụ, hoặc những ngày ánh sáng mặt trời không lý tưởng. Khi các thợ lắp đặt đề cập đến điều này, họ đang đảm bảo rằng bộ biến tần luôn hoạt động gần như liên tục thay vì để không. Ví dụ một hệ thống phổ biến khi ai đó lắp đặt mảng pin mặt trời 6 kW nhưng chỉ sử dụng bộ biến tần 5 kW. Điều này tạo ra tỷ lệ 1,2, thường mang lại kết quả tốt hơn trong suốt cả năm so với việc chọn công suất khớp chính xác. Chắc chắn sẽ có hiện tượng cắt đỉnh (clipping), nhưng đổi lại hiệu suất tổng thể được cải thiện là đáng giá.

Hiện tượng cắt đỉnh của bộ biến tần ảnh hưởng đến sản lượng năng lượng như thế nào

Khi đầu vào DC vượt quá mức bộ nghịch lưu có thể chuyển đổi thành điện xoay chiều, chúng ta sẽ gặp hiện tượng gọi là cắt nghịch lưu. Đúng là điều này đôi khi giới hạn công suất tối đa, nhưng nhiều thợ lắp đặt thực tế lại lên kế hoạch cho điều này như một phần trong chiến lược thiết kế hệ thống. Ví dụ, các hệ thống có tỷ lệ DC trên AC là 1,3 thường sản xuất thêm khoảng 4 đến 7 phần trăm năng lượng trong năm so với các cấu hình chuẩn 1:1. Chúng duy trì hiệu suất tốt hơn vào các thời điểm buổi sáng sớm và chiều muộn khi ánh sáng mặt trời không mạnh, dù có thể bị hao hụt chút đỉnh vào giữa trưa. Đối với những người sống ở khu vực giá điện thay đổi theo giờ trong ngày hoặc nơi không nhận được ánh nắng mạnh suốt buổi chiều, việc tăng kích cỡ hệ thống theo kế hoạch như vậy thực sự mang lại lợi ích lâu dài.

Cân bằng giữa sản xuất dư thừa và giới hạn của bộ nghịch lưu

Tỷ lệ trên 1,4 làm tăng tần suất cắt xén nhưng vẫn khả thi trong một số tình huống nhất định—đặc biệt khi giá điện thay đổi theo thời gian trong ngày hoặc hệ thống lưu trữ pin hấp thụ lượng sản xuất dư thừa. Các yếu tố chính bao gồm:

• Hướng lắp đặt tấm pin (ví dụ: các dãy pin hướng đông-tây tạo ra đường cong hàng ngày phẳng hơn)
• Khí hậu địa phương (mây che phủ, biến động nhiệt độ)
• Cấu trúc giá điện của đơn vị cung cấp

Các khu vực có nhiều nắng có thể hỗ trợ tỷ lệ lên tới 1,35, trong khi các khu vực bị bóng râm hoặc ở phía bắc hoạt động tốt nhất ở mức 1,1–1,2.

Tận dụng Công nghệ MPPT để Phối hợp Tối ưu giữa Tấm pin và Biến tần

Công nghệ Theo dõi Điểm Công suất Cực đại (MPPT) Cải thiện Hiệu suất như thế nào

Công nghệ MPPT hoạt động bằng cách liên tục điều chỉnh mức điện áp và dòng điện để thu thập tối đa công suất từ các tấm pin mặt trời, bất kể điều kiện xung quanh thay đổi thế nào. Hệ thống luôn tìm kiếm điểm tối ưu nơi hiệu suất đạt đỉnh, có nghĩa là những người lắp đặt hệ thống MPPT thường thu được lượng năng lượng nhiều hơn khoảng 30 phần trăm so với các hệ thống thông thường, đặc biệt khi ánh sáng mặt trời thay đổi trong ngày hoặc nhiệt độ dao động. Một lợi ích lớn khác? Khi một phần của dàn pin bị che bóng, MPPT giúp giảm thiểu sự sụt giảm công suất bằng cách loại bỏ các mắt xích yếu trong chuỗi, giữ cho phần lớn hệ thống vẫn hoạt động ở công suất tối đa ngay cả khi một số tấm pin không hoạt động tốt.

Đánh giá Cửa sổ Điện áp MPPT và Tác động của chúng đến Cấu hình Tấm pin

Các đầu vào MPPT thường hoạt động tốt nhất khi được cung cấp trong một dải điện áp nhất định, thông thường nằm trong khoảng từ 150 đến 850 volt DC đối với hầu hết các hệ thống dân dụng. Khi lắp đặt các giàn pin mặt trời, kỹ sư cần đảm bảo rằng các chuỗi pin không vượt ra ngoài giới hạn này bất kể thời tiết thay đổi như thế nào. Ví dụ, xét một tấm pin tiêu chuẩn 72 cell. Ở nhiệt độ phòng khoảng 25 độ C, nó tạo ra khoảng 40 volt, nhưng con số này có thể giảm xuống còn khoảng 36 volt khi trời trở nên rất lạnh. Nếu nối quá ít tấm pin với nhau theo cấu hình nối tiếp trong quá trình lắp đặt, hệ thống có nguy cơ không khởi động đúng cách vào những buổi sáng giá buốt vì điện áp đơn giản là không đủ để inverter khởi động.

Đảm bảo sự tương thích giữa cấu hình chuỗi và đầu vào MPPT

Các bộ biến tần MPPT đa kênh cho phép các dãy pin mặt trời khác nhau hoạt động ở hiệu suất tối ưu riêng biệt, rất phù hợp khi các tấm pin hướng theo các chiều khác nhau hoặc khi kết hợp các tấm pin cũ và mới. Ví dụ, một hệ thống công suất 10 kW thường được chia thành hai mạch MPPT, mỗi mạch xử lý khoảng 5 kW. Cấu hình này hoạt động hiệu quả trên những mái nhà mà các tấm pin được lắp đặt ở hai góc độ khác nhau. Tuy nhiên, cần lưu ý nếu dòng điện vượt quá giới hạn mà MPPT có thể chịu đựng — thường nằm trong khoảng từ 15 đến 25 ampe — hệ thống sẽ kích hoạt các tính năng an toàn và tắt hoàn toàn. Việc xác định đúng kích thước dãy pin là rất quan trọng vì điều này giúp giữ điện áp và dòng điện không vượt ra ngoài phạm vi hoạt động an toàn do nhà sản xuất quy định. Hầu hết các thợ lắp đặt đều biết rõ điều này qua kinh nghiệm cay đắng khi chứng kiến các hệ thống ngừng hoạt động vào giờ cao điểm sản xuất điện.

Phân tích tranh luận: Lắp đặt quá tải mảng pin mặt trời trên đầu vào MPPT — Rủi ro hay Cơ hội?

Cuộc tranh luận về kích thước của các mảng DC lớn hơn các biến tần có thể xử lý (khoảng 1,2 đến 1,4 lần lớn hơn) vẫn tiếp tục giữa các chuyên gia năng lượng mặt trời. Những người ủng hộ cách tiếp cận này chỉ ra rằng nó giúp hệ thống hoạt động tốt hơn trong những ngày mây và giảm tần suất các biến tần cần phải bật và tắt, điều này thực sự làm cho chúng hoạt động lâu hơn theo thời gian. Mặt khác, có những lo ngại về việc quá nhiều điện bị cắt, đặc biệt là ở những khu vực có ánh sáng mặt trời rất mạnh quanh năm. Một số thiết bị có thể mất hiệu quả hơn 5% mỗi năm vì vấn đề này. Nhưng nhìn vào con số thì lại có một câu chuyện khác. Khi kết hợp với giá điện thông minh thay đổi dựa trên thời gian sử dụng điện, hoặc khi chủ nhà nhận được tín dụng cho điện bổ sung họ gửi trở lại lưới điện, đi một chút quá lớn có xu hướng làm việc ra về mặt tài chính. Vì vậy, trong khi một số người coi đó là một doanh nghiệp có rủi ro, những người khác coi đó là một động thái chiến lược đáng xem xét tùy thuộc vào điều kiện và quy định địa phương.

Cấu hình Dây điện: Nối Tiếp so với Song Song để Tương thích với Bộ biến tần Mặt trời

Cách thức mắc nối tiếp và song song ảnh hưởng đến điện áp và dòng điện đầu ra

Cấu hình dây điện ảnh hưởng trực tiếp đến sự tương thích với yêu cầu đầu vào của bộ biến tần. Mắc nối tiếp sẽ cộng điện áp của các tấm pin lại trong khi giữ nguyên dòng điện, phù hợp với các bộ biến tần cần điện áp một chiều cao hơn. Mắc song song sẽ cộng dòng điện lại trong khi giữ nguyên điện áp, phù hợp với các bộ biến tần có khả năng chịu dòng lớn.

Ví dụ, ba tấm pin 20V/5A mắc nối tiếp sẽ cho kết quả 60V/5A; khi mắc song song, chúng tạo ra 20V/15A.

Cân bằng kết nối để đạt hiệu suất tối ưu cho bộ biến tần

Các cấu hình lai—kết hợp nối dây nối tiếp và song song—giúp đáp ứng cả các giới hạn điện áp và dòng điện của bộ biến tần hiện đại. Một phân tích ngành năm 2023 cho thấy các thiết lập như vậy đạt được hiệu suất cao hơn 6–8% khi được căn chỉnh đúng với thông số kỹ thuật của bộ biến tần, cho phép mở rộng quy mô mảng pin mà không vi phạm các giới hạn đầu vào. Tính linh hoạt này hỗ trợ các bố trí mái phức tạp và tối đa hóa không gian sử dụng.

Tuân thủ các giới hạn điện áp đầu vào Tối đa và Tối thiểu

Tất cả các bộ biến tần đều có giới hạn điện áp cụ thể mà không bao giờ được bỏ qua. Nếu đầu vào vượt quá mức cho phép, điều này có thể gây hư hại nghiêm trọng cho hệ thống. Ngược lại, nếu điện áp giảm quá thấp, bộ biến tần sẽ đơn giản là không khởi động hoạt động. Lấy ví dụ tình huống sau: khi sử dụng một bộ biến tần có định mức từ 150 đến 500 volt DC, người ta cần ít nhất bốn tấm pin 40 volt mắc nối tiếp (tạo ra khoảng 160 volt) chỉ để bắt đầu vận hành. Tuy nhiên, việc quá tải ở đây cũng tiềm ẩn rủi ro. Việc nối mười hai tấm pin hoặc nhiều hơn có thể vượt quá ngưỡng 480 volt, đặc biệt trong thời tiết lạnh khi điện áp có xu hướng tăng vọt bất ngờ. Không ai muốn thiết bị của mình bị hỏng hóc hoặc tệ hơn là tạo ra các điều kiện nguy hiểm. Vì vậy, việc tuân thủ sát sao các thông số do nhà sản xuất cung cấp luôn cực kỳ quan trọng đối với hiệu suất lâu dài và các vấn đề an toàn tổng thể.

Các câu hỏi thường gặp về chọn kích cỡ bộ biến tần năng lượng mặt trời và khả năng tương thích hệ thống

Điều gì xảy ra nếu bộ biến tần mặt trời của tôi không được chọn đúng kích cỡ?

Nếu bộ biến tần quá nhỏ, hiện tượng cắt giảm có thể xảy ra trong thời gian sản xuất điện cao điểm, dẫn đến mất mát lên tới 8% sản lượng năng lượng hàng năm. Ngược lại, nếu quá lớn, sẽ gây ra chi phí không cần thiết và hiệu suất hoạt động kém hiệu quả.

Tại sao tỷ lệ DC sang AC lại quan trọng?

Tỷ lệ DC sang AC giúp xác định lượng công suất tấm pin mà bộ biến tần có thể xử lý hiệu quả. Các tỷ lệ từ 1,15 đến 1,25 là lý tưởng để duy trì hiệu suất cao đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Cấu hình nối dây nối tiếp và song song ảnh hưởng thế nào đến hệ thống của tôi?

Nối dây nối tiếp làm tăng đầu ra điện áp trong khi giữ dòng điện không đổi, phù hợp với các bộ biến tần cần điện áp cao hơn. Nối dây song song làm tăng đầu ra dòng điện trong khi giữ nguyên điện áp, thích hợp hơn cho các bộ biến tần chịu được dòng điện cao.

Công nghệ MPPT là gì và nó mang lại lợi ích gì cho hệ thống điện mặt trời của tôi?

Công nghệ MPPT tối ưu hóa hiệu suất của tấm pin bằng cách liên tục điều chỉnh mức điện áp và dòng điện. Nó cải thiện việc thu thập năng lượng lên đến 30% và giảm thiểu tổn thất do che khuất.