Hướng dẫn định cỡ chuỗi tấm pin năng lượng mặt trời

Việc thiết kế một hệ thống điện năng lượng mặt trời là một quá trình tương đối phức tạp. Ở các bài viết trước, chúng tôi đã hướng dẫn các bạn về cách định cỡ hệ thống hoà lưới, cũng như định cỡ ắc quy cho hệ thống ngoài lưới phần nào hỗ trợ cho các bạn có ý tưởng tốt để lắp đặt một hệ thống năng lượng mặt trời phù hợp với nhu cầu sử dụng điện của mình.

Nhưng vẫn chưa đi sâu vào các khái niệm định cỡ phức tạp hơn như là chọn các phụ kiện tương thích với hệ thống của bạn và kết nối chúng như thế nào thì đúng cách.

Một vấn đề mà khá nhiều người quan tâm, thắc mắc và vẫn chưa thực sự hiểu rõ là “Có thể kết nối được bao nhiêu tấm pin mặt trời vào một bộ biến tần của bạn?”.

Tôi muốn viết bài viết này để giải thích khái niệm của việc định cỡ kích thước chuỗi và vào chi tiết cách tính toán kích thước chuỗi để giúp bạn đảm bảo được chuỗi tấm pin năng lượng của bạn có kích thước phù hợp và đạt được hiệu quả tối đa.

1. Thế nào là định cỡ chuỗi?

Một chuỗi là tập hợp nhiều tấm pin mặt trời được nối vào chung 1 bộ biến tần (inverter). Do đó, định cỡ chuỗi nghĩa là chúng ta phải tính toán xem nên kết nối bao nhiêu tấm pin vào một bộ biến tần của bạn để có được hiệu quả tối ưu nhất.

2. Tải sao phải quan tâm đến việc định cỡ chuỗi?

Những bộ biến tần hoạt động tốt trong một khoảng điện áp đầu vào cụ thể, được gọi là phạm vi hoạt động giới hạn. Điều này có nghĩa là chuỗi tấm pin của bạn phải xuất ra một điện áp nằm trong phạm vi đó.

• Nếu những tấm pin không cung cấp đủ mức điện áp, biến tần sẽ không có đủ năng lượng để bật.
• Nếu cung cấp quá nhiều điện áp sẽ có thể làm hỏng biến tần của mình và làm mất hiệu lực bảo hành từ nhà sản xuất.

Nếu các chuỗi tấm pin cung cấp điện áp phù hợp nằm trong phạm vi này thì biến tần sẽ được bật lên hoạt động và cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện của bạn.

Tuy nhiên, việc điện áp nằm trong phạm vi này bạn chỉ hiểu đơn giản là nó sẽ hoạt động nhưng chưa hẳn đã là tối ưu nhất.

Vậy để thực sự có thể tối ưu lượng điện đầu ra của inverter, đòi hỏi bạn phải cấu hình điện áp để làm sao gần sát với điểm công suất tối đa nhất. Thông số này thường sẽ được nhà sản xuất nêu ra trong tờ mô tả bộ biến tần mà bạn mua.

Nhưng điều bạn cần quan tâm nhất chính là định cỡ các chuỗi tấm pin mặt trời như thế nào để cung cấp điện áp phù hợp với phạm vi tối ưu của Inverter đó. Hãy cùng tôi tiếp tục đi vào phần sau để xem cách tính toán như thế nào nhé!

3. Cách tính kích thước chuỗi

Để bắt đầu tính kích thước chuỗi tấm pin trước tiên bạn cần biết điện áp đầu vào tối ưu của bộ biến tần bạn đang sử dụng là bao nhiêu.

Mỗi tấm pin mặt trời sẽ có mức điện áp đầu ra nhất định, đây chính là mức điện áp đưa vào inverter. Ngoài ra. chúng ta cũng cần xem xét một vài con số như sau:

• Điện áp mạch mở (V-oc): Điện áp được cung cấp khi mạch đang mở (khi dòng điện không chạy qua mạch). Trạng thái này xảy ra khi bộ biến tần đang tắt nguồn.
• Điện áp tối đa (Vmp): Điện áp của tấm pin sau khi được bật và hoạt động bình thường (có dòng điện chạy qua mạch).

Mỗi loại tấm pin sẽ có những thông số khác nhau, vì vậy bạn hãy xem các con số này trên các tấm pin của bạn để có thông tin chính xác.

Tiếp theo là xem xét những thông số của bộ biến tần (Inverter):

• Hãy tìm dải điện áp tối ưu (Maximum Power Point – MPP) được ghi trong bảng thông số kỹ thuật của biến tần. Đây là khoảng điện áp lý tưởng để inverter có thể hoạt động tốt nhất mà tôi đã có nêu ở phần trên.
• Bạn cũng cần phải đặc biệt lưu ý đến điện áp đầu vào DC tối đa (DC là dòng điện 1 chiều) bởi vì nếu vượt quá điện áp hoạt động tối đa sẽ làm quá tải biến tần dẫn đến cháy thiết bị và dĩ nhiên lỗi này thuộc về bạn nên nhà cung cấp sẽ không bảo hành.
• Mặc khác, cũng có mức điện áp đầu vào DC tối thiểu bởi vì nếu không đạt được mức điện áp này thì inverter sẽ không thể khởi động.

Được rồi, như vậy là chúng ta đã có được những con số cần thiết cho việc tính toán. Giờ chúng ta đi vào các bước tính toán cho ví dụ ngay dưới đây nhé!

Ví dụ: Lắp đặt một hệ thống điện năng lượng mặt trời hoà lưới 8.64 kW. Dưới đây là các thông số kỹ thuật

• Tấm pin mặt trời GivaSolar 330W có điện áp mạch hở Voc là 43.2V và điện áp tối đa Vmp là 36V.
• Biến tần 7700W có dải điện áp MPP định mức là 270 – 480V và phạm vi hoạt động là 100 – 600V (điện áp tối thiểu và tối đa của dòng điện DC).

Bước 1: Tính kích thước chuỗi tối thiểu cho hệ thống của bạn

Đầu tiên, chúng ta cần tính toán số lượng bảng tối thiểu nên đặt trong một chuỗi. Bằng cách, lấy điện áp thấp nhất của dải điện áp MPP (trong trường hợp này là 270V) chia cho Vmp của tấm pin mặt trời (36V).

270V ÷ 36V = 7,5

Kết quả là 7,5, cần được làm tròn đến số nguyên tiếp theo (vì bạn không thể nào lắp 7,5 tấm pin được). Vì vậy, kích thước chuỗi tối thiểu của bạn là 8 tấm pin (lý thuyết và chưa cân bằng nhiệt độ nơi thiết lập hệ thống).

Bước 2: Tính kích thước chuỗi tối đa để không bị vượt quá điện áp

Để có kích thước chuỗi tối đa, chúng ta cần tính toán với điện áp đầu vào DC tối đa để đảm bảo rằng chúng ta không làm quá tải biến tần.

Đối với ví dụ này, ta lấy đầu vào DC tối đa (600V) chia cho Voc của tấm pin (43,2).

600V ÷ 43,2 = 13,89

Lần này khác ở trên, chúng ta sẽ làm tròn xuống đến số nguyên kế nó, tức là kích thước chuỗi tối đa ở ví dụ này sẽ là 13 tấm pin năng lượng (lý thuyết và chưa cân bằng nhiệt độ nơi thiết lập hệ thống).

Bước 3: Kiểm tra kích thước chuỗi tối đa trong phạm vi điện áp tối ưu (MPP)

Ở bước 2, chúng ta đã tính toán kích thước chuỗi tối đa để giữ cho biến tần hoạt động bình thường. Thì bây giờ chúng ta phải kiểm tra kỹ xem nó có nằm trong phạm vi điện áp hiệu quả cao nhất hay không.

Để tính được, hãy lấy kích thước chuỗi tối đa được tính trong bước 2 (13 bảng) và nhân với Vmp của bảng (36V).

13 x 36V = 468V

Và như vậy là con số này đã nằm trong phạm vi MPP (270 – 480V) rồi.

Nhưng nếu trường hợp con số này vượt qua phạm vi MPP, thì chúng ta sẽ giảm số lượng tấm pin lần lượt xuống một để tính toán cho đến khi nào con số tính ra thuộc phạm vi MPP.

Như vậy, sau 3 bước này chúng ta đã xác định được kích cỡ chuỗi phù hợp cho hệ thống là khoảng từ 8 – 13 tấm pin. Nhưng đây là trên lý thuyết và chưa tính toán bao gồm yếu tố nhiệt độ tại nơi lắp đặt hệ thống. (khi nhiệt độ giảm thì sẽ làm tăng điện áp và ngược lại khi nhiệt độ tăng thì sẽ làm giảm điện áp).

Bước 4: Tính toán nhiệt độ cho vị trí đặt hệ thống của bạn

Hiện tại, có rất nhiều website và ứng dụng giúp bạn có thể đo nhiệt độ thấp nhất hoặc cao nhất có thể xảy ra ở khu vực bạn sinh sống. Giả sử nơi bạn lắp đặt hệ thống, có nhiệt độ thấp nhất thế giới là khoản –33,3oC và áp dụng để tính toán trong trường hợp này.

Tấm pin trên ví dụ có nhiệt độ thích hợp để các tế bào hoạt động bình thường (Normal Operating Cell Temperature – NOCT) là 44oC. Ta thấy chênh lệch nhiệt độ giữa NOCT với nhiệt độ thấp nhất tại khu vực của bạn là 77,3oC.

Tiếp theo, ta có hệ số nhiệt độ của tấm pin này là 0.28%/oC. Thông số mà nhà sản xuất tấm pin cung cấp này có nghĩa là với mỗi một oC thì điện áp của tấm pin tạo ra sẽ tăng lên 0.28%.

Để tính toán, trước tiên chúng ta cần nhân điện áp mạch hở Voc (43,2V) của tấm pin với hệ số nhiệt độ NOCT (0,28%).

43,2 x 0,0028 = 0,121

Tiếp tục nhân con số vừa tính được (0,121) với mức chênh lệch nhiệt độ đã tính ở trên (77,3oC):

0,121 x 77,3 = 9,3533

Như vậy, vào những ngày lạnh nhất ở khu vực bạn, mỗi tấm pin sẽ tạo ra điện áp cao hơn mức Voc khoảng 9,3533V. Tức điện áp của tấm pin tạo ra lúc này là:

43,2V + 9,3533V = 52,5533V

Sau đó tiếp tục nhân với số tấm pin tối đa của chuỗi mà chúng ta đã tính được ở trên:

52,5533V x 13 = 683.1929V

Từ đây, chúng ta có thể thấy được mức điện áp cực đại mà các tấm pin tạo ra trong những ngày lạnh nhất là ≈ 684V. Rõ ràng có thể thấy được con số này đã vượt mức điện áp hoạt động tối đa của biến tần (600V), điều này có thể làm cháy bộ inverter.

Vậy nên chúng ta cần điều chỉnh giảm số lượng tấm pin mặt trời xuống để có tổng điện áp cực đại phù hợp, bằng cách cứ giảm 1 tấm pin thì trừ đi 52,5533V (điệp áp cực đại mỗi tấm pin).

683,1929V – 52,5533V = 630,6396V (giảm tấm thứ nhất)

Tiếp tục giảm cho đến khi đạt mức điện áp phù hợp:

630,6396V – 52,5533V = 578,0863V (giảm tấm thứ hai)

Được rồi, sau khi giảm bớt đi 2 tấm pin lúc này chúng ta thấy được mức điện áp cực đại mà các tấm pin tạo ra là 578,0863V hoàn toàn thích hợp với điện áp cực đại của biến tần. Như vậy đối với ví dụ này, việc lắp đặt chuỗi với tối 11 tấm pin sẽ vĩnh viễn không làm hư hỏng bộ biến tần của bạn được.

Trên đây là mức nhiệt độ thấp nhất có thể xảy ra, vậy những ngày có nhiệt độ cao nhất ta cần điều chỉnh như thế nào?

Có thể nhận thấy được nhiệt độ các tế bào quang điện hoạt động bình thường (NOCT) là 44oC và hầu hết những nơi trên trái đất đều có nhiệt độ thấp hơn mức này. Tuy nhiên, ở những nơi gần Xích Đạo điều này hoàn toàn có thể xảy ra nên để đảm bảo biến tần hoạt động tốt trên mọi điều kiện thì chúng ta vẫn phải quan tâm đến vấn đề này.

Tiếp tục giả sử tại nơi bạn lắp hệ thống là Death Valley (còn gọi là Thung lũng chết nằm ở Mỹ) có nhiệt độ cao kỷ lục là 56,7oC. Theo nguyên tắc khi nhiệt độ tăng lên điện áp tạo ra của các tế bào quang điện tấm pin sẽ giảm, cụ thể chênh lệch giữa NOCT với nhiệt độ môi trường tăng lên 1oC sẽ làm điện áp giảm đi 0.377%. Ở trường hợp này nhiệt độ chênh lệch là 12,7oC, như vậy điện áp cực tiểu của mỗi tấm pin tạo ra ở nhiệt độ cao nhất là: (làm tương tự như ở trên nhưng thay Voc bằng Vmp)

36V – 36V x 0,00377 x 12,7 = 34,276356V

Suy ra, với chuỗi tối thiểu 8 tấm pin sẽ có tổng điện áp cực tiểu là:

34,276356V x 8 = 274.210848V

Ở bước 1 ta đã có mức thấp nhất của dải điện áp MPP là 270V, do đó con số điện áp cực tiểu (274,210848V) của chuỗi tấm pin vừa tính được hoàn toàn phù hợp để có thể kích hoạt bộ biến tần.

Kết hợp lại ta rút ra được ở ví dụ này chuỗi từ 8 – 11 tấm pin GivaSolar 330W sẽ phù hợp với bộ biến tần 7700W và hoạt động tốt kể cả những nơi có điều kiện khí hậu khắc nghiệt nhất trên thế giới.

4. Tổng kết

Trên đây là toàn bộ hướng dẫn chi tiết cách để bạn có thể tính toán, định cỡ chuỗi tấm pin cho hệ thống năng lượng mặt trời của bạn.

Bạn có thể không phải là người có chuyên môn cao trong lĩnh vực này. Do đó, để tránh gặp phải những sai số trong cách tính toán dẫn đến thiết lập sai kích cỡ hệ thống và không đạt được hiệu quả sản xuất điện cần thiết thì cách tốt nhất là nên tìm đến những nhà cung cấp uy tín, có đội ngũ chuyên viên có kinh nghiệm cao để tư vấn lắp đặt phù hợp nhất cho bạn.

Theo givasolar.