Từ các tấm quang điện đến bộ biến tần: Một lời giải thích chi tiết về thành phần của một hệ thống phát điện mặt trời hoàn chỉnh

Trong bối cảnh vận động toàn cầu về năng lượng bền vững, năng lượng mặt trời, như một nguồn năng lượng sạch và tái tạo, đang dần đi vào cuộc sống của chúng ta. Các hệ thống phát điện mặt trời đã thu hút ngày càng nhiều sự chú ý cho việc bảo vệ môi trường, tiết kiệm năng lượng và nhiều lợi thế khác. Vì vậy, làm thế nào một hệ thống phát điện mặt trời hoàn chỉnh được sáng tác? Hãy bắt đầu với các thành phần cơ bản nhất - các tấm quang điện.

Các tấm quang điện, còn được gọi là tấm pin mặt trời, là một trong những thành phần cốt lõi của các hệ thống phát điện mặt trời. Họ hoạt động như một "chụp" hiệu quả chịu trách nhiệm chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện. Nguyên tắc làm việc của nó dựa trên "hiệu ứng quang điện" nổi tiếng. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bảng quang điện, các photon tương tác với vật liệu bán dẫn trong bảng quang điện để kích thích các cặp lỗ điện tử. Các electron và lỗ hổng này di chuyển theo các hướng khác nhau dưới tác động của điện trường bên trong vật liệu bán dẫn, tạo thành một dòng điện.

Các tấm quang điện thường bao gồm nhiều đơn vị pin mặt trời. Hầu hết các đơn vị tế bào này được làm từ các vật liệu silicon, trong đó các tế bào silicon đơn tinh thể và các tế bào silicon đa tinh thể là phổ biến nhất. Các tế bào silicon đơn tinh thể có hiệu suất chuyển đổi cao, thường đạt 20% - 25%, điều đó có nghĩa là nó có thể chuyển đổi 20% - 25% năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Quá trình sản xuất của nó tương đối phức tạp và chi phí tương đối cao, nhưng nó có hiệu suất phát điện ổn định và tuổi thọ dịch vụ dài đến 25 - 30 năm. Hiệu quả chuyển đổi của các tế bào silicon đa tinh thể thấp hơn một chút, khoảng 15% - 20%, nhưng chi phí sản xuất của nó tương đối thấp và nó có lợi thế hiệu quả chi phí nhất định trong các ứng dụng quy mô lớn và tuổi thọ dịch vụ của nó cũng có thể đạt đến khoảng 20 - 25.

Ngoài các tế bào silicon đơn tinh thể và polycrystalline, còn có các loại bảng quang điện khác như silicon vô định hình, cadmium telluride và đồng indium gallium selenide. Các tấm quang điện silicon vô định hình có những ưu điểm của sự linh hoạt tốt và có thể được tạo thành các màng mỏng. Chúng thường được sử dụng trong một số cảnh có yêu cầu đặc biệt về ngoại hình hoặc không gian cài đặt, nhưng hiệu quả chuyển đổi của chúng tương đối thấp, thường là 6% - 12%. Cadmium Telluride và đồng indium gallium selenide selenide có khả năng nhất định về hiệu quả và chi phí chuyển đổi, và đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, nhưng thị phần của chúng vẫn thấp hơn so với các tấm quang điện silicon monocrystalline và polycrystalline.

Sức mạnh được tạo ra bởi các tấm quang điện là DC, trong khi hầu hết các thiết bị điện chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày yêu cầu AC hoạt động đúng. Tại thời điểm này, biến tần đóng một vai trò quan trọng. Nó giống như một "bộ chuyển đổi" ma thuật chịu trách nhiệm chuyển đổi đầu ra DC của các bảng quang điện thành AC để đáp ứng nhu cầu năng lượng của người dùng khác nhau như gia đình và doanh nghiệp.

Có nhiều loại biến tần, và các bộ biến tần phổ biến là bộ biến tần tập trung, bộ biến tần chuỗi và bộ biến tần vi mô. Bộ biến tần tập trung có công suất cao và thường phù hợp với các trạm năng lượng mặt trời lớn. Nó thu thập DC được tạo bởi nhiều nhóm bảng quang điện và chuyển đổi chúng. Ưu điểm là chi phí tương đối thấp và dễ dàng quản lý và bảo trì tập trung, nhưng một khi lỗi xảy ra, nó có thể ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ hệ thống phát điện. Biến tần chuỗi chuyển đổi DC thành AC riêng biệt cho các nhóm bảng quang điện khác nhau, và sau đó tổng hợp các AC này. Nó có tính linh hoạt cao hơn. Ngay cả khi một chuỗi nhất định có vấn đề, nó sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các chuỗi khác. Ngoài ra, nó có thể chơi tốt hơn các lợi thế về hiệu suất của mình trong các kịch bản cài đặt của các bảng quang điện với việc che chắn một phần hoặc các định hướng khác nhau. Nó hiện được sử dụng rộng rãi trong các dự án phát điện quang điện phân tán. Biến tần vi mô được cài đặt trực tiếp ở mặt sau của mỗi bảng quang điện để chuyển đổi công suất DC của mỗi bảng quang điện riêng biệt. Tính năng lớn nhất của nó là nó có thể nhận ra giám sát độc lập và theo dõi điểm công suất tối đa của từng bảng quang điện. Ngay cả khi một bảng quang điện bị chặn hoặc thất bại, các bảng quang điện khác vẫn có thể hoạt động bình thường, điều này giúp cải thiện đáng kể hiệu quả phát điện và tính ổn định của toàn bộ hệ thống phát điện. Tuy nhiên, vì mỗi biến tần vi mô chỉ tương ứng với một bảng quang điện, nên chi phí của nó tương đối cao.

Trong quá trình chuyển đổi năng lượng điện, biến tần cũng có một số chức năng quan trọng khác. Ví dụ, chức năng theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) có thể theo dõi công suất đầu ra của bảng quang điện trong thời gian thực và tự động điều chỉnh các tham số làm việc để bảng quang điện luôn hoạt động gần điểm công suất tối đa, do đó cải thiện hiệu quả phát điện. Ngoài ra, biến tần cũng có các chức năng bảo vệ an toàn như bảo vệ quá điện áp, bảo vệ quá dòng và bảo vệ rò rỉ để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống phát điện và sự an toàn của nhân sự và thiết bị.

Để các tấm quang điện để nhận ánh sáng mặt trời tốt hơn, cần có cấu trúc hỗ trợ ổn định, đó là hệ thống khung. Hệ thống khung giống như một "mặt sau rắn" cho các tấm quang điện. Nó không chỉ mang trọng lượng của các tấm quang điện, mà còn chống lại các yếu tố môi trường tự nhiên khác nhau, chẳng hạn như gió, mưa, tuyết, v.v.

Các hệ thống khung có thể được chia thành hai loại: cố định và theo dõi. Cố định dấu ngoặc đơn giản để cài đặt và chi phí thấp. Họ sửa chữa các tấm quang điện trên mặt đất, mái nhà hoặc các tòa nhà khác ở một góc và hướng nhất định. Góc lắp đặt của khung này thường được tối ưu hóa theo các điều kiện bức xạ mặt trời và vĩ độ cục bộ để đảm bảo rằng các tấm quang điện có thể nhận đủ ánh sáng mặt trời trong hầu hết các năm. Dấu ngoặc theo dõi thông minh hơn. Chúng có thể tự động điều chỉnh góc của các tấm quang điện theo những thay đổi về vị trí của mặt trời, để các tấm quang điện luôn vuông góc hoặc gần như vuông góc với ánh sáng mặt trời, do đó tối đa hóa hiệu quả của các tấm quang điện nhận được ánh sáng mặt trời. Dấu ngoặc theo dõi thường được chia thành hai loại: theo dõi trục đơn và theo dõi trục kép. Giá đỡ theo dõi trục đơn có thể xoay dọc theo một trục (thường là trục ngang theo hướng đông tây hoặc trục nghiêng theo hướng bắc-nam), trong khi ngoặc theo dõi trục kép có thể xoay đồng thời trong hai trục, với độ chính xác cao hơn, nhưng chi phí tương đối cao hơn.

Khi chọn một hệ thống khung, nhiều yếu tố cần được xem xét toàn diện. Ví dụ, địa hình của trang web cài đặt, khu vực có sẵn, điều kiện khí hậu địa phương và ngân sách. Đối với các dự án phát điện quang điện phân phối nhỏ, chẳng hạn như các hệ thống quang điện trên sân thượng, giá cố định thường được chọn do khu vực lắp đặt hạn chế và độ nhạy chi phí. Trong các trạm năng lượng quang điện mặt đất lớn, nếu điều kiện trang web cho phép và hiệu quả phát điện cao hơn, dấu ngoặc theo dõi có thể là một lựa chọn tốt hơn.

Trong các hệ thống phát điện mặt trời, các bộ pin đóng vai trò là "kho lưu trữ" của năng lượng điện. Khi có đủ ánh sáng mặt trời, điện được tạo ra bởi các tấm quang điện có thể được người dùng sử dụng ngay lập tức và điện dư có thể được lưu trữ trong bộ pin. Trong trường hợp không đủ ánh sáng mặt trời vào ban đêm hoặc vào những ngày nhiều mây, bộ pin sẽ giải phóng điện được lưu trữ để cung cấp cho người dùng nguồn điện liên tục và ổn định.

Các loại pin phổ biến bao gồm pin axit-chì, pin hydride kim loại niken và pin lithium-ion. Pin axit chì là một trong những pin lưu trữ năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất. Họ có những lợi thế của chi phí thấp, công nghệ trưởng thành và bảo trì dễ dàng. Tuy nhiên, mật độ năng lượng của chúng tương đối thấp, khối lượng và trọng lượng của chúng là lớn, và tuổi thọ điện tích và tốc độ phóng điện của chúng thường là khoảng 300-500 lần. Hiệu suất của pin hydride kim loại niken tốt hơn so với pin axit chì. Chúng có mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ điện tích dài hơn và xả (lên tới khoảng 1, 000 lần) và thân thiện với môi trường, nhưng chi phí của chúng cũng tương đối cao. Pin lithium-ion có những ưu điểm đáng kể như mật độ năng lượng cao, khối lượng nhỏ, trọng lượng nhẹ, hiệu suất điện tích cao và tiết kiệm và tuổi thọ dài (thường lên tới 1, 500-3, 000 lần), nhưng chi phí của chúng tương đối cao. Trong một số kịch bản ứng dụng nhạy cảm với chi phí, chương trình khuyến mãi của họ phải tuân theo các hạn chế nhất định.

Khi thiết kế và định cấu hình các bộ pin, cần phải xem xét toàn diện các yếu tố như nhu cầu năng lượng thực tế của hệ thống phát điện mặt trời, công suất phát điện của các tấm quang điện và điều kiện ánh sáng cục bộ. Ví dụ, cần phải xác định dung lượng pin thích hợp để đảm bảo rằng nhu cầu điện cơ bản của người dùng có thể được đáp ứng trong trường hợp ngày mây liên tục. Đồng thời, cũng cần phải chú ý đến việc quản lý pin và xả pin, áp dụng chiến lược phí và xả điện hợp lý, kéo dài tuổi thọ của pin và giảm chi phí lưu trữ năng lượng.

Bộ điều khiển là "quản gia thông minh" của hệ thống sản xuất năng lượng mặt trời. Nó chịu trách nhiệm giám sát và kiểm soát toàn bộ hệ thống phát điện để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của hệ thống. Bộ điều khiển chủ yếu có các chức năng quan trọng sau:

Đầu tiên là chức năng kiểm soát điện tích và phóng điện. Nó có thể theo dõi điện áp, dòng điện và các tham số khác của nhóm pin trong thời gian thực và tự động điều khiển quá trình sạc của bảng quang điện với pin theo trạng thái sạc của pin và điều kiện làm việc của hệ thống phát điện để ngăn pin bị sạc quá mức hoặc bị hỏng quá mức. Khi pin được sạc đầy, bộ điều khiển sẽ tự động cắt mạch sạc để tránh thiệt hại cho pin do sạc quá mức; Và khi nguồn pin quá thấp, bộ điều khiển sẽ điều khiển để ngừng xả để bảo vệ tuổi thọ của pin.

Thứ hai là chức năng điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa. Bộ điều khiển có thể điều chỉnh trạng thái làm việc của bảng quang điện trong thời gian thực bằng cách làm việc cùng với biến tần, do đó nó luôn chạy gần điểm năng lượng tối đa, do đó cải thiện hiệu quả phát điện của bảng quang điện.

Ngoài ra, bộ điều khiển cũng có các chức năng chẩn đoán và bảo vệ lỗi hệ thống. Nó có thể theo dõi từng thành phần trong hệ thống phát điện trong thời gian thực. Sau khi phát hiện ra lỗi, chẳng hạn như một đường ngắn trong bảng quang điện, quá nhiệt của biến tần, rò rỉ pin, v.v., bộ điều khiển sẽ ngay lập tức thực hiện các biện pháp bảo vệ tương ứng, chẳng hạn như cắt đứt mạch lỗi và đưa ra tín hiệu báo động.

Các bộ điều khiển được sử dụng trong các hệ thống sản xuất năng lượng mặt trời thuộc các loại và kích thước khác nhau cũng khác nhau. Trong các hệ thống phát điện mặt trời nhỏ, một bộ điều khiển tích hợp tương đối đơn giản thường được sử dụng. Nó tích hợp các chức năng cơ bản như điều khiển điện tích và phóng điện và điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa. Nó có kích thước nhỏ và chi phí thấp, và phù hợp cho các kịch bản ứng dụng nhỏ như hệ thống quang điện trên sân nhà. Trong các trạm năng lượng mặt trời lớn, cần có một bộ điều khiển tập trung mạnh mẽ và thông minh hơn. Nó có thể giám sát đồng đều và quản lý nhiều tấm quang điện, bộ biến tần, bộ pin và các thiết bị khác trong toàn bộ nhà máy điện để đạt được điều khiển hệ thống hiệu quả và chính xác hơn.

Một hệ thống phát điện mặt trời hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần như tấm quang điện, bộ biến tần, hệ thống khung, bộ pin và bộ điều khiển làm việc cùng nhau. Mỗi thành phần đóng một vai trò không thể thiếu. Họ làm việc cùng nhau để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện mà chúng ta có thể sử dụng, góp phần thực hiện phát triển năng lượng bền vững. Với sự tiến bộ liên tục của công nghệ và giảm dần chi phí, triển vọng ứng dụng của các hệ thống phát điện mặt trời sẽ rộng hơn và dự kiến ​​sẽ chiếm một vị trí quan trọng hơn trong lĩnh vực năng lượng trong tương lai.