Hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới hoạt động như thế nào? Giải thích về các thành phần, quy trình và kích thước

Một cabin nằm cách cột điện cuối cùng bốn km và nhà điều hành mạng lưới muốn có khoản tiền năm con số cho mỗi km để mở rộng đường dây. Vào thời điểm đó, việc tạo ra và lưu trữ điện năng của riêng bạn không còn là một lựa chọn trong lối sống nữa mà trở thành một phép toán đơn giản. Vậy hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới hoạt động như thế nào? Về bản chất, nó chạy một vòng lặp gồm bốn bước mỗi ngày: các tấm quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều (DC), bộ điều khiển sạc hoặc bộ biến tần lai điều chỉnh dòng điện đó và định tuyến nó một cách an toàn, một bộ pin lưu trữ bất cứ thứ gì mà gia đình không sử dụng ngay và một bộ biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều đã lưu trữ thành dòng điện xoay chiều (AC) ở điện áp và tần số mà thiết bị của bạn mong đợi. Bởi vì không có lưới tiện ích nào hỗ trợ bất kỳ điều gì trong số đó nên mỗi bước phải đáp ứng 100% nhu cầu của bạn — không có đo đếm mạng, không có dự phòng lưới và không có cơ hội thứ hai sau khi mặt trời lặn.

Chu trình làm việc: Bốn bước từ ánh sáng mặt trời đến ổ cắm

Cách rõ ràng nhất để hiểu công nghệ này là theo dõi một đơn vị năng lượng trong một ngày thông thường.

1. Thế hệ. Các tấm pin tạo ra nguồn DC bất cứ khi nào ánh sáng chiếu tới chúng. Một mô-đun đơn tinh thể 450 W hiện đại ở Trung Âu tạo ra khoảng 1,2–1,6 kWh vào một ngày hè trong xanh nhưng chỉ 0,4–0,9 kWh vào tháng 12 và khoảng cách theo mùa đó đã thúc đẩy toàn bộ quá trình thiết kế.
2. Quy định. Mạch MPPT của bộ điều khiển sạc giữ mảng ở điểm công suất tối đa — theo dõi trong khoảng 1–2% mức tối ưu theo lý thuyết — và đo dòng điện vào pin thông qua các giai đoạn khối, hấp thụ và thả nổi để pin không bao giờ bị sạc quá mức.
3. Kho. Năng lượng dư thừa lấp đầy ngân hàng pin. Trong các tòa nhà dân cư hiện tại, điều đó có nghĩa là lithium sắt photphat (LiFePO4) trên nền tảng 48 V: độ sâu phóng điện có thể sử dụng từ 90% trở lên, đường cong điện áp phẳng và vòng đời được nêu trên 6.000 chu kỳ.
4. Chuyển đổi. Bộ biến tần lấy DC từ pin và tạo ra đầu ra AC dạng sóng sin thuần túy — 230 V/50 Hz ở Châu Âu, 120/240 V/60 Hz ở Bắc Mỹ — với hiệu suất chuyển đổi 93–97%.

Sau khi trời tối, vòng lặp chạy ngược lại: pin cung cấp năng lượng cho biến tần và biến tần cung cấp năng lượng cho ngôi nhà. Khi mặt trời quay trở lại, mảng sẽ sạc lại ngân hàng đồng thời mang tải ban ngày. Trong thời tiết u ám kéo dài, hầu hết các bộ biến tần lai cũng chấp nhận máy phát điện dự phòng trên đầu vào AC chuyên dụng; thiết bị đồng bộ hóa với máy phát điện và tự động sạc lại pin. Ngay cả khi bạn không bao giờ mua máy phát điện, việc xác định rõ rằng đầu vào sẽ tốn ít chi phí khi thiết kế và cứu hệ thống vào thời điểm tồi tệ nhất có thể.

Các thành phần thực hiện công việc thực tế

Bốn nhóm thành phần vận hành hệ thống và mỗi nhóm trả lời một câu hỏi kỹ thuật khác nhau.

Tấm pin mặt trời: trần sản xuất

Bảng đặt giới hạn trên cho mọi thứ khác. Các mô-đun đơn tinh thể dân dụng hiện có công suất khoảng 400 W đến 620 W và các chi tiết bố trí ở ngoài lưới quan trọng hơn là trên: mô-đun hai mặt gắn trên sỏi sáng màu có thể thu thêm 5–15% phản xạ từ phía sau, trong khi một ống khói bóng mờ duy nhất có thể ngăn chặn đầu ra của toàn bộ chuỗi trong nhiều giờ. Các mảng không nối lưới có kích thước dành cho tháng tồi tệ nhất trong năm, vì vậy chúng thường mang nhiều tấm pin hơn mái nhà nối lưới phục vụ cùng mức tiêu thụ hàng ngày.

Biến tần lai với bộ điều khiển sạc MPPT tích hợp

Trong hầu hết các hệ thống được cài đặt hiện nay, bộ điều khiển và biến tần nằm trong một bộ phận lai. Một mô hình một pha 5 kW thông thường chấp nhận 6–8 kW đầu vào PV trên hai bộ theo dõi MPPT độc lập, chịu được điện áp mạch hở lên tới khoảng 500–650 V DC và chuyển sang nguồn pin trong khoảng 4–10 mili giây khi đầu ra năng lượng mặt trời ngừng hoạt động - đủ nhanh để máy tính tiếp tục hoạt động và máy nén không ngừng hoạt động. Các thương hiệu lâu đời như Deye và Solis công bố thời gian truyền, số lượng MPPT và hiệu suất cao nhất trong bảng dữ liệu của họ và ba con số đó đáng được chú ý nhiều như giá cả.

Biến tần lai một pha Deye SUN-5K-SG03LP1-EU 5kW Một thiết bị hybrid 5 kW với bộ theo dõi MPPT kép và khả năng truyền pin nhanh, lõi bộ điều khiển-biến tần đã được thảo luận trước thẻ. Thời gian chuyển giao, số lượng MPPT và số liệu hiệu quả được công bố của nó khiến nó đáng để kiểm tra so với giá của bạn. Xem sản phẩm →

Ngân hàng pin: nơi sự độc lập thực sự tồn tại

Pin quyết định thời gian bạn sử dụng mà không có ánh nắng mặt trời và LiFePO4 đã thay thế axit chì vì ba lý do có thể đo lường được: 90–100% công suất sử dụng so với khoảng 50%, vài nghìn chu kỳ sạc so với 500–1.200 và điện áp phóng điện ổn định giúp bộ biến tần ổn định cho đến khi cục pin gần hết. Khối xây dựng tiêu chuẩn là mô-đun 51,2 V, 100 Ah lưu trữ khoảng 5,12 kWh; công suất tăng lên bằng cách xếp chồng hoặc xếp các mô-đun bổ sung và hệ thống quản lý pin trên bo mạch (BMS) sẽ cân bằng các tế bào và ngắt kết nối ở giới hạn an toàn.

Pin Deye SE-F5 Pro 5,12kWh 51,2V LiFePO4 Mô-đun LiFePO4 51,2 V, 100 Ah lưu trữ khoảng 5,12 kWh với dòng điện liên tục 100A và bảo vệ BMS. Nó phù hợp với khối pin được mô tả ở đây và mở rộng song song khi nhu cầu lưu trữ của bạn tăng lên. Xem sản phẩm →

Dàn diễn viên phụ cũng quan trọng. Hộp kết hợp DC hợp nhất các chuỗi phía sau đầu vào hợp nhất, cáp PV phải có kích thước sao cho độ sụt điện áp duy trì ở mức dưới 2–3%, đầu nối MC4 phải phù hợp với định mức điện áp của hệ thống và bộ ghi dữ liệu cho phép bạn xem trạng thái sạc và hiệu suất hàng ngày từ điện thoại thay vì phải đi đến tường thiết bị. Không có bộ phận nào trong số này có giá cao so với pin và mỗi bộ phận trong số chúng đều là nguyên nhân phổ biến gây ra lỗi khi thiết kế giá trị.

Off-Grid vs Grid-Tied vs lai: Những thay đổi nào nếu không có lưới

Cả ba kiến trúc đều có chung đặc tính vật lý, nhưng pin và bộ biến tần đóng vai trò rất khác nhau tùy thuộc vào việc có tồn tại đường dây tiện ích hay không. Bảng dưới đây tóm tắt những khác biệt thực tế ảnh hưởng đến cả thiết kế và ngân sách.

Định cỡ: Trường hợp các dự án ngoài lưới thành công hay thất bại

Những chủ sở hữu có lưới điện không đủ kích thước chỉ cần mua phần thiếu hụt từ tiện ích. Những người sở hữu không có lưới điện sẽ có một ngôi nhà tối tăm hoặc một máy phát điện chạy vào mỗi buổi tối. Trình cài đặt trình tự kích thước thực sự tuân theo có bốn bước:

1. Kiểm tra tải. Liệt kê mọi thiết bị, nhân số watt với số giờ chạy và thêm bản vẽ dự phòng. Một ngôi nhà tiết kiệm điện năng khiêm tốn thường sử dụng 8–12 kWh mỗi ngày - tủ lạnh 1,5 kWh, đèn LED ở mức 0,5, máy bơm nước ở mức 0,8, chu trình máy giặt ở mức 0,8, thiết bị điện tử và bộ định tuyến ở mức 0,4 - cộng với biên độ 20% cho những món đồ bạn quên.
2. Kích thước mảng vào tháng tồi tệ nhất. kWh hàng ngày (số giờ nắng cao điểm × 0,75 hệ thống giảm). Đối với 10 kWh mỗi ngày và 2,8 giờ nắng vào mùa đông, tức là 10  (2,8 × 0,75), hoặc khoảng 4,8 kW tấm pin - 10 đến 12 mô-đun 450 W.
3. Quy mô ngân hàng dựa trên quyền tự chủ. Tải hàng ngày × số ngày tự chủ ÷ độ sâu xả có thể sử dụng. Đối với 10 kWh và 1,5 ngày tự chủ: 10 × 1,5 0,9, hoặc khoảng 16,7 kWh công suất lithium đã lắp đặt.
4. Kích thước biến tần theo nhu cầu cao điểm, không phải năng lượng hàng ngày. Cộng tất cả mọi thứ có thể chạy đồng thời, sau đó kiểm tra mức tăng đột biến của động cơ - máy nén và máy bơm tiêu thụ công suất định mức gấp hai đến ba lần khi khởi động, do đó, mức công suất cao nhất của hộ gia đình 5 kW thường phù hợp với đơn vị 6–8 kW.

Nếu số học có vẻ nặng nề, hướng dẫn thiết kế ngoài lưới từng bước của chúng tôi sẽ thực hiện qua từng phép tính bằng các ví dụ thực tế. Ngoài ra, các bộ công cụ tiền chế sẽ thu gọn bốn bước thành một quyết định duy nhất vì mảng, bộ biến tần và bộ lưu trữ có các số trùng khớp.

Bộ năng lượng mặt trời ngoài lưới 5KW với bộ lưu trữ 10KWh Một bộ công cụ được thiết kế sẵn kết hợp một dãy 5 kW và bộ biến tần với bộ lưu trữ phù hợp 10 kWh, thu gọn các bước định cỡ thành một quyết định. Chỉ cần xác nhận giao tiếp CAN-bus giữa biến tần và nhãn hiệu pin trước khi đặt hàng. Xem sản phẩm →

Ví dụ, một bộ 5 kW với bộ lưu trữ 10 kWh sẽ phù hợp với một hộ gia đình hai người với các thiết bị hiệu quả và hệ thống sưởi bằng gas hoặc củi. Một cảnh báo mua sắm rút ra từ kinh nghiệm: trộn lẫn các nhãn hiệu biến tần và pin mà không xác nhận giao tiếp CAN-bus là lỗi thông số kỹ thuật phổ biến nhất mà chúng tôi thấy. Phần cứng thường hoạt động nhưng các thông số sạc và giao thức bắt tay phải được xác minh dựa trên cả hai bảng dữ liệu, không bao giờ được giả định.

Nơi nào năng lượng mặt trời không nối lưới có ý nghĩa - và nơi nào không

Công nghệ đã trưởng thành; quyết định là kinh tế.

• Ứng viên mạnh: các cabin và trang trại ở xa, nơi việc mở rộng đường dây có chi phí cao hơn toàn bộ hệ thống, trạm viễn thông và thời tiết, máy bơm nông nghiệp và RV hoặc thuyền nơi lưới điện đơn giản là không tồn tại.
• Các trường hợp biên giới: nhà kết nối với lưới điện không đáng tin cậy. Hoạt động hoàn toàn không nối lưới nhưng hệ thống kết hợp giao dịch với lưới điện một cách bình thường và tách biệt trong thời gian mất điện mang lại mức độ bảo mật tương tự với dung lượng pin ít hơn.
• Phù hợp kém: những ngôi nhà ở ngoại ô có nguồn điện ổn định, rẻ tiền - một ngân hàng pin cỡ tự động nằm gần như không hoạt động trong hầu hết thời gian trong năm và không bao giờ hoàn trả phí bảo hiểm.
• Nhiệm vụ nhẹ: Đối với cắm trại, nơi làm việc hoặc ngăn kéo khẩn cấp tại nhà, trạm điện di động 700 W đến 2.000 W kết hợp với bảng gấp 100–200 W sẽ tái tạo cùng một vòng lặp tạo-điều chỉnh-lưu trữ-chuyển đổi ở định dạng di động mà không cần cài đặt gì cả.

Hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới không phải là hộp đen. Đó là bốn thành phần trong một vòng lặp có kỷ luật - tạo ra, điều chỉnh, lưu trữ, chuyển đổi - với mỗi mức ký quỹ được đặt theo tuần thời tiết tồi tệ nhất thay vì ngày bình thường của bạn. Kiểm tra tải một cách trung thực, thiết kế cho tháng 12 thay vì tháng 7, xác nhận rằng pin và biến tần có thể giao tiếp với nhau và cùng một vòng lặp sẽ chạy trong nhiều thập kỷ với nhiên liệu được cung cấp miễn phí vào mỗi buổi sáng. Nếu bạn muốn việc khớp thành phần được thực hiện cho bạn, danh mục của chúng tôi vận chuyển các bảng điều khiển, bộ biến tần lai và bộ lưu trữ LiFePO4 dưới dạng các bộ công cụ được cấu hình sẵn trên các loại công suất 3–20 kW và nhóm của chúng tôi sẽ xác định kích thước hệ thống theo danh sách tải thực tế của bạn thay vì một mẫu chung.