Các tấm pin mặt trời có tạo ra dòng điện AC hoặc DC không?

Hệ thống pin mặt trời (Photovoltaic – PV) phát ra dòng điện từ bức xạ mặt trời. Khi các photon di chuyển đến trái đất thông qua năng lượng mặt trời phát ra, lúc này các tấm PV sẽ hấp thụ photon và chuyển hóa thành điện năng…

Dòng điện xoay chiều (AC) được tạo ra từ hiện tượng trường điện từ do các cuộn dây đối xứng quay ở tần số nhất định ( 50Hz-60Hz ), hiện tượng này không xảy ra ở các tấm PV. Các tấm pin tạo ra dòng điện một chiều (DC) bằng cách sử dụng hiện tượng vật lý được gọi là hiệu ứng quang điện trong đó các photon dịch chuyển các electron từ cấu trúc bán dẫn silicon và do đó tạo ra dòng điện một chiều

Bài viết này nhằm hướng dẫn người đọc phân tích so sánh giữa nguồn điện xoay chiều và điện một chiều và mối quan hệ của nó với quang năng mặt trời, xét trên cơ sở lý thuyết và lịch sử.

Cùng tìm hiểu dòng điện DC và AC. Có gì khác biệt?

Trong cuối những năm cuối năm 1870 và đầu 1880, đã xảy ra cuộc tranh luận lớn trong giới khoa học, sự kiện này được gọi là “Cuộc chiến dòng điện”, trong đó Thomas Edison một doanh nhân và nhà phát minh người Mỹ, và Nikolai Tesla là kỹ sư và nhà phát minh người Mỹ gốc Serbia, đã tiến hành một cuộc tranh luận để chọn ra hệ thống truyền tải điện tối ưu nhất.

Về vấn đề này, trong khi Edison ủng hộ mạnh mẽ hệ thống điện một chiều (DC), thì Tesla lại tin rằng hệ thống điện xoay chiều (AC) là giải pháp tốt nhất.

Như đã thấy trên hình, sự khác biệt giữa giữa 2 dòng điện là cơ bản: dòng điện một chiều dòng điện chạy theo một hướng cố định. Cường độ của nó có thể tăng hoặc giảm nhưng không hề thay đổi chiều. Mặt khác, dòng điện xoay chiều như bạn có thể mong đợi vì tên gọi, thay đổi hoặc đảo chiều theo chu kỳ (một số lần nhất định mỗi giây), liên tục thay đổi cường độ của nó theo thời gian.

Trong những năm đầu, dòng điện một chiều là tiêu chuẩn ở Mỹ, tuy nhiên có một số vấn đề trong hoạt động của nó. Thứ nhất, nó không dễ dàng chuyển đổi sang điện áp cao hơn hoặc thấp hơn, trong khi đó tính năng này có thể đạt được với dòng điện xoay chiều khi sử dụng máy biến áp. Ngoài ra, việc truyền tải nguồn điện một chiều trên một quãng đường dài gây ra tổn thất điện năng cao và làm tăng chi phí.

Dựa trên những điều trên, từ đó dòng điện xoay chiều đã được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng cung cấp điện trên toàn cầu, chẳng hạn như phát điện, truyền tải và phân phối, và loại bỏ dần nguồn điện một chiều chỉ sử dụng hạn chế các ứng dụng điện áp thấp.

Ngày nay, điện của chúng ta đang sử dụng chủ yếu được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều. Mặc dù, nhiều dự án đang thực hiện một lần nữa áp dụng các ứng dụng điện một chiều, chẳng hạn như năng lượng điện mặt trời và những dự án khác sẽ được đề cập sau trong bài viết này, vậy bạn có tin rằng “Cuộc Chiến Dòng Điện” đã kết thúc?

Tại sao điện mặt trời chỉ tạo ra dòng điện DC ?

Việc phát điện thông thường dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Loại máy phát điện được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu tận dụng hiện tượng này. Chúng chuyển đổi năng lượng điện từ đó có thể được sử dụng làm điện xoay chiều, có thể được sử dụng làm điện xoay chiều, chẳng hạn như các nhà máy thủy điện và nhiệt điện, tuabin gió, v.v.

Không giống như ở trên, các tấm pin mặt trời không được điều khiển bởi chuyển động cơ học, mà phản ứng với loại chuyển đổi năng lượng khác. Chúng trực tiếp biến đổi năng lượng của bức xạ điện từ (biểu thị bằng các photon truyền từ mặt trời) thành điện một chiều bằng cách dịch chuyển các electron từ cấu trúc nguyên tử của vật liệu bán dẫn như silicon chuyển trạng thái thụ động của chúng sang dẫn động chủ động. Quá trình này nổi tiếng là các hiệu ứng (PV) quang điện.

Làm cách nào biến đổi dòng điện AC từ hệ thống điện mặt trời?

Để có được nguồn điện AC từ hệ thống điện mặt trời, việc sử dụng một biến tần là điều cần thiết. Ngày nay, hầu hết các thiết bị được thiết kế để chạy bằng điện xoay chiều, ví dụ như động cơ, thiết bị gia dụng, thiết bị điện tử, v.v. Đó là lý do tại sao rất có thể muốn có một nguồn điện AC có sẵn từ các tế bào quang điện của chúng ta, cuối cùng cần phải có thiết bị phù hợp để có được nó

Khi nói đến lắp điện mặt trời, có nhiều cách lắp đặt hệ thống và đưa vào vận hành. Tuy nhiên, một sơ đồ cơ bản nhất thường được sử dụng ở hình trên, được tạo thành từ:

• Tấm năng lượng mặt trời
• Phụ tải tiêu thụ (Thường là điện xoay chiều)
• Biến tần chuyển đổi từ DC sang AC
• Đồng hồ đo công suất phụ tải tiêu thụ
• Thiết bị lưu trữ năng lượng cho nguồn điện dự phòng (tùy chọn cho các hệ thống nối lưới)

Tuy nhiên, phạm vi trong phần này tập trung vào cơ chế chuyển đổi DC-sang-AC

Biến tần Chuyển đổi DC sang AC

Như đã đề cập, biến tần là một thiết bị quan trọng trong sản xuất điện mặt trời, nó thuộc nhóm thiết bị quan trọng thường xuyên được sử dụng trong các lưới điện ngày nay để điều khiển và điều chỉnh dòng điện, được gọi là điện tử công suất.

Chức năng chính của bộ biến tần là chuyển đổi dòng điện một chiều thu được từ các tấm pin thành nguồn điện xoay chiều có thể sử dụng để cung cấp năng lượng cho thiết bị điện, quá trình có thể đạt được bằng cách sử dụng các “công tắc đóng mở” để đảo chiều tín hiệu đầu vào DC qua lại với nhau để thu được tín hiệu đầu ra AC phụ hợp tần số và điện áp nơi lắp đặt hệ thống.

Các biến tần đầu tiên được tạo ra trong thế kỷ 19 có thiết kế cơ khí. Ngày nay, các “công tắc đóng mở” đảo chiều tín hiệu điện DC được cấu tạo từ các linh kiện bán dẫn và thiết bị điện tử ở trạng thái rắn không có kết cấu chuyển động, được tạo thành từ các vật liệu bán dẫn như silicon và gallium arsenide, có đặc điểm là có đặc tính điện phù hợp điều khiển dòng điện đáp ứng với các điều kiện hoạt động nhất định.

Bộ lọc và các thiết bị điện tử khác có thể được sử dụng để làm sạch tín hiệu và định hình dòng điện xoay chiều thành dạng sóng hình sin thuần túy, tăng chất lượng dòng điện và giảm chi phí bảo trì và vận hành.

Các bộ biến tần hiện đại ngày nay có thể thực hiện các chức năng bổ sung như giám sát thông minh của hệ thống cho phép dòng theo dõi năng lượng và thông tin hai chiều giữa số giữa nguồn phát và nguồn thu.

Điều này cung cấp các kênh liên lạc với các nhà khai thác sử dụng hệ thống mạng lưới điện, trong đó các điều kiện vận hành lưới điện quan trọng sẽ được kiểm soát để điều chỉnh hoạt động của hệ thống PV và tăng cường sự tương tác giữa người sử dụng và mạng lưới điện.

Có thể tận dụng lợi thế của nguồn điện một chiều DC được sản xuất bởi các tấm năng lượng mặt trời không?

Bất kể việc sử dụng rộng rãi thiết bị AC trong tiêu thụ năng lượng trong nhiều năm sau khi điện được tạo ra, các xu hướng công nghệ mới đang tăng dần và các ứng dụng DC đang nhanh chóng xuất hiện trong bối cảnh này.

Các ứng dụng DC hiện đại bao gồm điện tử công suất, xe điện, năng lượng tái tạo, lưu trữ năng lượng và hệ thống truyền tải điện áp cao (HVDC). Theo cùng một thứ tự ý tưởng, nhiều người trong số họ đã mang lại hiệu quả và ít tốn kém hơn so với các ứng dụng AC, đó là lý do tại sao chúng hiện đang được thúc đẩy.

Về mặt năng lượng mặt trời, sự phát triển DC có liên quan nhiều vì đầu ra PV là dòng điện một chiều, sẽ không cần chuyển đổi sang AC nếu các tải tương thích với dòng điện một chiều. Đồng thời, điều này sẽ tránh được những tổn thất trong quá trình chuyển đổi.

Hệ thống lưới điện thông minh đang có nhiều ứng dụng điện DC và tạo ra một dòng diện mới với mong muốn phát triển các công nghệ thay thế, hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường về cung cấp điện.

Sự phát triển của các lĩnh vực này sẽ rất quan trọng trong những năm tới, hợp nhất cả công nghệ điện AC và DC với các hệ thống năng lượng mặt trời.

So sánh dòng điện DC & AC:

Để bắt đầu, chúng ta chắc chắn sẽ nhận thấy rằng trong một số trường hợp hệ thống nguồn điện DC, nó có lợi thế là tránh được tổn thất chuyển đổi từ dòng điện DC sang AC. Điều này cũng làm giảm chi phí của biến tần hoặc phát triển công nghệ chuyển nguồn nào.

Nhưng thông thường các hệ thống dựa trên dòng điện DC chỉ có thể hoạt động ở dải điện áp thấp như 6v, 12v, 24v, 48v.

Hệ thống điện DC thường dựa trên các điện áp này vì tính sẵn có của thiết bị lưu trữ sẵn có trên thị trường. Vì thiết bị này chỉ có điện áp 6v hoặc 12v, do đó người ta thường chọn hệ thống 6v hoặc hệ thống điện áp 12v-24v-48v.

Hệ thống nguồn điện AC yêu cầu một mạch biến tần bổ sung để chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có thể sử dụng được

Hệ thống điện xoay chiều năng lượng mặt trời chủ yếu có 2 loại:

• Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng lưu trữ độc lập (Off-Grid) hoặc hòa lưới có lưu trữ (Hybrid): Các hệ thống này chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện xoay chiều nhưng cũng có thêm một ắc quy để hoạt động như một thiết bị lưu trữ.
• Hệ thống hòa lưới không lưu trữ (On-Grid): Các hệ thống như vậy trực tiếp chuyển đổi theo thời gian thực cua hệ thống năng lượng mặt trời thành điện xoay chiều, nhưng không có bất kỳ hệ thống lưu trữ nào và do đó không thể lưu trữ năng lượng được tạo ra.

Các thiết bị như đèn LED, quạt công suất nhỏ, v.v. thường có sẵn ở nguồn điện một chiều.

Tuy nhiên, nhiều thiết bị thông thường như máy lạnh, tủ lạnh, vv sử dụng dòng điện một chiều (DC) thì không có sẵn trên thị trường. Do đó, đối với các hệ thống yêu cầu hoạt động của các thiết bị công suất lơn như vậy, việc lựa chọn hệ thống điện một chiều bằng năng lượng mặt trời là không khả thi. Nó là cần thiết để lựa chọn một hệ thống điện xoay AC sau khi chuyển đổi năng lượng mặt trời.

Trong trường hợp hệ thống nguồn điện DC sử dụng điện áp thấp thì có cường độ dòng điện rất cao đối với hệ thống công suất lớn. Ví dụ ” Một hệ thống năng lượng mặt trời 10000W hoạt động trên xe buýt 12Vdc, sẽ có cường độ dòng điện tương đương 834 Ampe !!!”

Sẽ gây khó khăn và tốn kém cho quản lý hệ thống điện có cường độ dòng điện cao như vậy. Nó cũng làm tăng chi phí hệ thống cáp, thiết bị đóng cắt và các chi phí khác mà mang lại ít chi phí hiệu quả.

Cũng cần lưu ý rằng thực tế là cáp điện DC đắt hơn so với cáp điện AC có cùng kích thước.

Theo nguyên tắc, hệ thống nguồn điện DC phù hợp với hệ thống công suất thấp hoặc sử dụng cho các tải sử dụng nguồn điện một chiều như đèn LED, quạt DC, hệ thống viễn thông, hệ thống bảo vệ catốt, v.v

Trong khi đối với các phụ tải công suất lớn thì hệ thống điện xoay chiều chuyển đổi từ năng lượng mặt trời phù hợp hơn, đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí

Phần kết luận

Mặc dù các ứng dụng AC đã thống trị lĩnh vực điện trong nhiều năm sau khi Tesla giành lợi thế trong cuộc chiến dòng điện, nhưng đã có nhiều nghiên cứu, thửnghiệm và thực hiện các phát triển DC để giải quyết các vấn đề khác nhau mà chắc chắn đã trở nên phổ biến trong các công nghệ hiện đại.

Khi nói đến năng lượng mặt trời, không có câu trả lời tuyệt đối nào về việc AC hay DC là tốt nhất để thực hiện. Điều rõ ràng là cả hai hệ thống đều có các ứng dụng riêng của chúng trong các nhánh khác nhau.

Ngày nay, các hệ thống điện ngày càng hiệu quả hơn do sự kết hợp của cả hai ứng dụng điện DC và điện AC, xây dựng các hệ thống năng lượng tái tạo có thể lưu trữ năng lượng (HYBRID), trong đó năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời đóng một vai trò quan trọng và sự phát triển của nó sẽ mang tính quyết định trong những năm tới.

Sự kiện nào quan trọng đối với lợi thế của Nikolai Tesla trong “cuộc chiến dòng điện”?

Một trong những thành tựu quan trọng nhất thúc đẩy phát triển hệ thống điện AC trong cung cấp điện là việc cấp bằng sáng chế động cơ nhiều pha cảm ứng điện AC của Tesla bởi công ty Westinghouse Electric, sau đó được thực hiện để lấy điện từ thác Niagara và cung cấp năng lượng cho Buffalo vào năm 1896.

Mô-đun chuyển đổi năng lượng mặt trời điện AC là gì?

Có một loại pin năng lượng mặt trời đang ngày càng phổ biến trong ngành năng lượng mặt trời, được gọi là mô-đun chuyển đổi AC (Micro Inverter)

Các tấm pin này tạo ra nguồn điện xoay chiều ngay sau đầu ra của nó chứ không phải tạo ra điện một chiều và đi từ các tấm pin đến bộ biến tần để chuyển đổi DC thành AC, tính năng có thể thực hiện được bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi nhỏ gắn độc lập vào mặt sau của mỗi tấm, đó là sử dụng biến tần công suất thấp

Lợi ích chính của việc sử dụng các Micro Inverter này là đơn giản hóa việc lắp đặt bằng cách loại bỏ biến tần trung tâm, giảm thiểu hệ thống dây điện và giảm chi phí lao động tổng thể. Tuy nhiên, việc đó có thể yêu cầu đầu tư ban đầu cao hơn.

Tôi có thể cấp nguồn cho tải DC bằng tấm pin không?

Câu trả lời là được. Tuy nhiên, để cấp nguồn cho phụ tải điện một chiều với các tấm pin mặt trời, cần phải kết nối các mô-đun với bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời, bộ này sẽ điều chỉnh sự dao động điện áp đến từ các tấm pin, cho phép đầu ra DC an toàn và ổn định (thường là 5V, 12V, 24V) để sử dụng cho phụ tải một chiều, chẳng hạn như đèn LED, thiết bị điện tử và những thứ khác mô-đun với bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời sẽ điều chỉnh sự dao động điện áp đến từ các tấm pin, cho phép đầu ra DC an toàn và ổn định (thường là 5V, 12V, 24V) để cắm. Tải một chiều, chẳng hạn như đèn LED, thiết bị điện tử và những thứ khác.