Mặc dù tấm pin năng lượng mặt trời và bộ biến tần có thể ảnh hưởng lớn đến công suất của một dự án năng lượng mặt trời đã được thiết kế, nhưng điều quan trọng là không được bỏ qua cách chọn và thiết kế hệ thống cáp điện cho nhà máy năng lượng mặt trời của bạn – vì sự an toàn cũng như cân nhắc về nguồn điện. Ye Qilin, một kỹ sư hệ thống cấp cao tại doanh nghiệp lưu trữ năng lượng và quang điện thông minh FusionSolar của Huawei, hướng dẫn chúng tôi một số điều nên và không nên làm.
Khi các chủ sở hữu nhà máy điện năng lượng mặt trời nỗ lực hướng tới việc tăng cường hiệu suất và hiệu quả hoạt động của họ, không thể bỏ qua việc lựa chọn cáp điện năng lượng mặt trời. Dựa trên việc giải thích các tiêu chuẩn IEC và xem xét các yếu tố như an toàn, tấm pin mặt trời hai mặt kính, khả năng dẫn điện, suy hao cáp và sụt áp, chủ sở hữu nhà máy có thể xác định hệ thống cáp phù hợp để đảm bảo vận hành an toàn, ổn định trong suốt vòng đời của hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Hiệu suất mô-đun năng lượng mặt trời trong lĩnh vực này bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các điều kiện môi trường. Dòng điện ngắn mạch trên bảng dữ liệu mô-đun quang điện dựa trên các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn, bao gồm bức xạ 1 kW/m 2, khối lượng không khí là 1,5 và nhiệt độ tế bào là 250C. Dòng điện trong bảng thông số kỹ thuật không tính đến dòng điện bề mặt phía sau trong các mô-đun hai mặt kính, do đó, các yếu tố như tăng cường đám mây; nhiệt độ; gai bức xạ; và bức xạ quá mức do suất phản chiếu trên bề mặt phía sau có thể ảnh hưởng đáng kể đến dòng điện ngắn mạch thực tế đối với các mô-đun quang điện.
Chọn đúng dây cáp điện năng lượng mặt trời
Cáp DC là dây cứu sinh của hệ thống điện mặt trời khi chúng kết nối các mô-đun với hộp tổ hợp và bộ biến tần.
Chủ sở hữu nhà máy điện mặt trời phải đảm bảo kích thước của cáp được lựa chọn cẩn thận cho dòng điện và điện áp của hệ thống điện mặt trời. Cáp được sử dụng để nối dây phần DC của hệ thống quang điện nối lưới cũng cần chịu được các điều kiện môi trường, điện áp và dòng điện cực đoan. Điều này bao gồm các hiệu ứng nhiệt của cả dòng điện và mức tăng năng lượng mặt trời, đặc biệt nếu được lắp đặt gần các mô-đun.
Dưới đây là một số cân nhắc quan trọng.
Giải quyết thiết kế cáp
Trong thiết kế hệ thống quang điện, việc cân nhắc chi phí ngắn hạn có thể dẫn đến việc lựa chọn thiết bị kém và dẫn đến các vấn đề về an toàn và hiệu suất trong thời gian dài, bao gồm các hậu quả thảm khốc như hỏa hoạn. Các lĩnh vực sau đây cần được đánh giá cẩn thận để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng và an toàn quốc gia:
- Giới hạn sụt áp: Phải hạn chế tổn thất trong hệ thống cáp điện mặt trời, cả tổn thất DC trong chuỗi các tấm pin mặt trời và tổn thất AC ở đầu ra của bộ biến tần. Một cách để hạn chế những tổn thất này là giảm thiểu điện áp rơi trong cáp. Nói chung, mức giảm điện áp DC dưới 1% là mong muốn và con số này không được vượt quá 2%. Điện áp DC giảm cao cũng làm tăng sự phân tán điện áp của các chuỗi quang điện được kết nối với cùng một hệ thống theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT), dẫn đến tổn thất không phù hợp cao hơn.
- Suy hao cáp: Để đảm bảo hiệu suất năng lượng, tỷ lệ suy hao cáp của toàn bộ cáp LV (từ mô-đun đến máy biến áp) được khuyến nghị không được vượt quá 2%, lý tưởng nhất là 1,5%.
- Khả năng mang dòng điện: Cần xem xét các yếu tố giảm tải, chẳng hạn như phương pháp đặt cáp, độ tăng nhiệt độ, khoảng cách đặt và số lượng cáp song song, những yếu tố làm giảm khả năng mang dòng của cáp.
Tiêu chuẩn IEC cho tấm pin hai mặt kính
Các tiêu chuẩn rất cần thiết để đảm bảo độ tin cậy, an toàn và chất lượng của hệ thống quang điện, bao gồm cả hệ thống cáp. Trên toàn cầu, có một số tiêu chuẩn được công nhận cho việc sử dụng cáp DC. Một trong những bộ toàn diện nhất là các tiêu chuẩn IEC.
IEC 62548 đặt ra các yêu cầu thiết kế cho mảng quang điện, bao gồm hệ thống dây mảng DC, thiết bị bảo vệ điện, thiết bị chuyển mạch và nối đất. Dự thảo mới nhất của IEC 62548 chỉ định phương pháp tính toán dòng điện cho các mô-đun hai mặt kính. IEC 61215:2021 phác thảo định nghĩa và các yêu cầu thử nghiệm của mô-đun quang điện hai mặt kính. Nó giới thiệu các điều kiện kiểm tra bức xạ mặt trời của các mô-đun hai mặt kính. Cụ thể, BNPI (bức xạ bảng tên hai mặt): mặt trước của mô-đun PV nhận bức xạ mặt trời 1 kW/m 2 và mặt sau 135 W/m 2 ; và BSI (bức xạ ứng suất hai mặt), trong đó mô-đun quang điện nhận được bức xạ mặt trời 1 kW/m 2 ở phía trước và 300 W/m 2 ở phía sau.
Bảo vệ quá dòng
Một thiết bị bảo vệ quá dòng được sử dụng để bảo vệ chống lại các tác động nguy hiểm tiềm ẩn do quá tải, đoản mạch hoặc sự cố chạm đất. Các thiết bị bảo vệ quá dòng phổ biến nhất là cầu dao và cầu chì.
Thiết bị bảo vệ quá dòng sẽ cắt mạch khi dòng ngược vượt quá giá trị bảo vệ dòng, do đó dòng thuận và dòng ngược chạy qua cáp DC sẽ không bao giờ cao hơn dòng định mức của thiết bị. Trong trường hợp này, cáp DC phải có khả năng mang bằng với dòng định mức của thiết bị bảo vệ quá dòng.
Công thức:
Iz >=In. Trong đó Iz là khả năng mang dòng điện của cáp trong điều kiện hiện trường và In là dòng điện định mức của thiết bị bảo vệ quá dòng.
Định mức bảo vệ quá dòng In =1,1 ´NSA´ I STRING MAX. Trong đó NSA là số chuỗi song song, ISTRING MAX là dòng điện tối đa của chuỗi quang điện: ISTRING MAX = 1,25 * KCorr x ISC MOD, Trong đó K corr là vị trí và hệ số hiệu chỉnh thiết kế. Đối với các mô-đun hai mặt kính, nó thường là 1,1 (tuy nhiên nó có thể được xác định bằng các phương pháp khác được mô tả trong IEC62548). ISC MOD là dòng điện ngắn mạch của mô-đun.
Nếu không có thiết bị bảo vệ quá dòng trong mạch, chủ sở hữu nhà máy cần xem xét dòng điện thuận tối đa và dòng điện ngược tối đa có thể chạy qua cáp DC, sau đó lấy giá trị lớn hơn của cả hai khi chọn cáp.
Điều kiện lắp đặt
Khi thiết kế và lắp đặt cáp DC, điều cần thiết là phải tính toán khả năng mang dòng điện của cáp trong các điều kiện hiện trường nhất định, để đảm bảo cáp không bị quá tải. Có thể sử dụng một công thức thực nghiệm để xác định khả năng mang dòng điện của cáp sau khi giảm công suất (Iz): Công thức bao gồm các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến khả năng mang dòng điện danh nghĩa (I0) bao gồm nhiệt độ đất khác nhau (f1), nhiều loại cáp được đặt trong song song trực tiếp trong đất (f2), điện trở nhiệt của đất (f3) và độ sâu chôn vùi (f4).
Một nghiên cứu trường hợp Trung Đông
Một nhà máy điện điện mặt trời lớn, gắn trên mặt đất ở Trung Đông đã sử dụng quy trình sau đây để phân tích và xác định lựa chọn cáp DC, vì sự an toàn và hiệu suất.
Mảng quang điện bao gồm: Mô-đun hai chiều, tạo ra 540 W với mức phát điện tối đa; điện áp định mức 41,3 V, dòng điện điểm công suất tối đa 13,13 A, dòng điện ngắn mạch 13,89 A và 70% hai chiều của mô-đun; 28 mô-đun nối tiếp trong một chuỗi quang điện; hỗ trợ quang điện sử dụng hệ thống theo dõi trục đơn nằm ngang và chiều cao so với mặt đất là 1,5 m; một hộp kết hợp DC với 16 đầu vào và 1 đầu ra được sử dụng; Toàn bộ mảng quang điện có 30 hộp kết hợp DC được tích hợp vào bộ biến tần tập trung; K corr là 1.1, được mô phỏng bằng phần mềm PVsyst; khả năng mang dòng cáp mong muốn Iz =In =1,1 ´ NSA ´ ISTRING MAX =1,1*16*1,25*1,1*13,89=336,14A; Hệ số giảm tổng cộng: Ktot = 0,93´0,75´0,8´1=0,558; và khả năng mang dòng danh định của cáp: I0 =Iz /Ktot =336,14/0,558=602,4A.
Dựa trên cấu hình dãy quang điện, khả năng mang dòng danh định của cáp DC được sử dụng trong trường hợp này phải lớn hơn 602,4 A.
Khả năng mang dòng danh định của cáp được chọn dựa trên bảng dữ liệu của nhà sản xuất (hoặc theo tiêu chuẩn lựa chọn cáp IEC60364-5-52, nhưng hệ số suy giảm tương ứng cũng phải được chọn theo tiêu chuẩn đó).
Công thức dẫn đến khuyến nghị sử dụng hai cáp DC nhôm 2×300 mm2 song song từ hộp kết hợp chuỗi quang điện đến biến tần. Chiều dài cáp cũng được xem xét để đảm bảo rằng điện áp rơi của cáp DC và tổng tổn hao cáp đáp ứng các yêu cầu của dự án. Để đảm bảo điện áp DC giảm dưới 2%, nên tăng thông số kỹ thuật của một số cáp đường dài từ 2×300 mm2 lên 2×400 mm2 . Cũng cần lưu ý rằng hệ số đặt cáp sẽ giảm hơn nữa khi hai cáp được đặt song song.
Do bức xạ, nhiệt độ tăng, độ lợi ở mặt sau của mô-đun hai chiều và hệ số suy giảm của cáp, cáp DC có đường kính dày hơn sẽ được sử dụng, làm tăng chi phí. Với mục đích kiểm soát chi phí và đảm bảo an toàn cho nhà máy, nên rút ngắn chiều dài cáp DC hoặc hạn chế dòng điện DC bằng các thiết bị điện tử công suất như bộ biến tần chuỗi.
Lựa chọn thiết bị và biến tần
Trong cấu hình biến tần trung tâm, nhiều chuỗi quang điện được kết nối song song vào hộp kết hợp DC và nhiều hộp kết hợp được kết nối song song với biến tần.
Do đó, dòng điện đầu ra tối đa ở hộp kết hợp và dòng điện đầu vào ở biến tần liên tục thay đổi và có độ không đảm bảo đáng kể. Có những rủi ro về an toàn và giới hạn thiết kế bổ sung phải được xem xét trong quá trình lựa chọn thiết bị điện (của cầu chì, bộ cách ly và dây cáp trong mảng phụ quang điện và mảng quang điện), làm tăng đáng kể chi phí cân bằng cuối cùng của hệ thống.
Ngược lại, các giải pháp biến tần chuỗi chuyển đổi năng lượng dao động, không chắc chắn ở phía quang điện thành sản lượng điện có thể kiểm soát được. Biến tần giới hạn đầu ra dòng điện. Do đó, đường kính của cáp đầu ra biến tần không cần xem xét các thay đổi về ánh sáng và nhiệt độ hoặc tính hai chiều. Điều này cho phép các nhà thiết kế lựa chọn các loại cáp và thiết bị bảo vệ quá dòng hiệu quả nhất về chi phí. Hơn nữa, bộ biến tần chuỗi có cáp DC ngắn hơn và giảm điện áp DC thấp hơn, dẫn đến tổn thất không phù hợp ít hơn và phát điện nhiều hơn.
Không giống như các nhà máy điện thông thường, dòng điện hoạt động của các mô-đun quang điện bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các điều kiện môi trường và độ lợi hai chiều. Những yếu tố này cần được xem xét đầy đủ trong việc lựa chọn cáp trong giai đoạn thiết kế, cùng với các hạn chế về sụt áp và tổn thất trên cáp, để đảm bảo lợi tức đầu tư dài hạn của các nhà máy điện mặt trời.
