Giải pháp chống sét hiệu quả cho hệ thống điện mặt trời bạn cần biết

1. Vì sao phải chống sét cho hệ thống điện năng lượng mặt trời?

Điện năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận và sạch sẽ mà chúng ta được thừa hưởng từ thiên nhiên. Bên cạnh thủy điện, điện gió thì năng lượng mặt trời ngày càng được thay thế cho các nguồn năng lượng khác kém thân thiện với môi trường sống trên trái đất.  

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhiều người dùng hơn nên giá thành của nó ngày càng được giảm đáng kể, tuy nhiên vẫn còn cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống khác, các chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống vẫn còn khá tốn kém.  

Chi phí đầu tư, thời gian sử dụng, hiệu quả thu được là những bài toán luôn được cân nhắc. Hầu hết các nhà sản xuất Module quang điện đều cam kết sản phẩm của họ bảo hành đến 20 năm, lợi tức đầu tư cũng được tính trên thời hạn này, tuy nhiên chúng ta thường bỏ qua vài tác động có thể làm suy giảm hiệu quả và thời gian hoạt động của hệ thống.   

Vì các hệ thống này thường nằm trên mái cao, dễ bị ảnh hưởng và tác động của sét, sẽ làm giảm tuổi thọ hay thậm chí hư hỏng các tấm pin, inverter và các thiết bị điện trong nhà, do vậy, chúng ta cũng cần quan tâm đến việc bảo vệ để phòng ngừa rủi ro. Chính vì thế, người thiết kế phải am hiểu về hệ thống cần bảo vệ để đưa ra phương án chống sét hợp lý và chính xác. 

Hệ thống điện năng lượng mặt trời gồm các thành phần chính là: tấm pin quang điện, dây dẫn, bộ điều khiển, Inverter, bộ chuyển đổi, bình ắc quy… tất cả đều được liên kết điện với nhau nên mỗi khi bộ phận này có rủi ro thì sẽ ảnh hượng đến các thành phần khác. Mặt khác, các tấm pin mặt trời và dây dẫn luôn nằm ngoài trời (ở vùng trống trải, trên cao), có thể hòa mạng với hệ thống điện AC nên khả năng bị sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp xuống hệ thống là rất lớn.

2. Ảnh hưởng của sét đến hệ thống điện mặt trời

– Tác động trực tiếp: Thiệt hại xảy ra ngay lập tức tại thời điểm hệ thống chịu tác động của sét, bao gồm các hiện tượng cháy nổ, chập điện, gián đoạn hệ thống nguồn, hệ thống điện tử - thông tin, tấm pin mặt trời, các đường dây… Đây là kiểu thiệt hại có thể nhận thấy trực quan và dễ dàng kết luận nguyên nhân.

 – Tác động gián tiếp: Tạo các xung điện quá áp đột biến có thể lan truyền trên các đường dây nguồn DC từ tấm pin về, dây tín hiệu cảm biến, dây nguồn AC nối ra lưới và các tải tiêu thụ.

Sét và xung sét lan truyền tác động nhưng không gây ra các thiệt hại ngay lập tức. Các thiệt hại này có thể bao gồm: Giảm hiệu năng chuyển đổi năng lượng của tế bào quang điện, suy giảm khả năng cách điện của thiết bị và cáp dẫn, giảm tuổi thọ tiếp điểm đóng, cắt của các thiết bị bảo vệ quá dòng… Dạng thiệt hại này xảy ra một cách âm thầm và tích tụ lớn dần, đến khi xuất hiện các dấu hiệu trực quan thì mức độ thiệt hại đã ở ngưỡng nghiêm trọng và khó có thể kiểm soát.

Dù thiệt hại diễn ra theo nhiều hình thức khác nhau, tuy nhiên chúng đều ảnh hưởng tới các thiết bị, gây ra tổn thất về mặt kinh tế. Trong một số trường hợp các sự cố trên hệ thống điện NLMT có thể đe dọa sức khỏe và tính mạng con người.  

3. Trước khi thiết kế một giải pháp chống sét cho hệ thống điện mặt trời cần xem xét:

 Từ các thông tin cơ sở trên thì chúng ta sẽ đưa ra các giải pháp tổng thể phù hợp một cách an toàn với chi phí thấp nhất.  

4. Giải pháp cơ bản để bảo vệ chống sét cho hệ thống điện mặt trời

 Như vậy, để chống lại sự tác động của sét đánh ta cần phải có giải pháp bảo vệ tổng thể và đầy đủ gồm:

– Bảo vệ bên ngoài bằng hệ thống chống sét trực tiếp (tức là không để sét đánh trúng vào hệ thống PV);

– Bảo vệ chống xung quá áp đột biến lan truyền trên đường dây DC, AC & tín hiệu;

– Hệ thống tiếp địa đảm bảo kỹ thuật.

Đó là giải pháp chống sét chung, còn cụ thể thì phải đáp ứng phù hợp với các đặc điểm riêng của mỗi hệ thống. 

4.1 Giải pháp chống sét trực tiếp cho hệ thống điện năng lượng mặt trời:

 Với các hệ thống điện mặt trời cho công nghiệp hoặc tòa nhà: Hệ thống này được lắp đặt nhiều tấm pin trên 1 vùng rộng lớn (chiều dài trên 30m) thì nên lắp đặt cột thu lôi theo công nghệ phát xạ sớm, gắn trên trụ độc lập bên ngoài. Các đầu kim thu sét chủ động này có bán kính bảo vệ rất lớn (từ 50-107m), số lượng cột thu lôi được bố trí sao cho vùng bảo vệ của nó bao phủ hết bề mặt của hệ thống PV.

Với các công trình lớn này nếu được sử dụng kim phân tán sét thì càng tốt, nó sẽ phân tán các điện tích trái dấu để ngăn ngừa các dòng sét đánh xuống khu vực, an toàn hơn nhưng chi phí có thể cao hơn.

 Một hệ thống chống sét dùng kim gồm:

 - Kim thu sét gắn trên đỉnh của một cột nâng đặt trên đỉnh cao nhất của tòa nhà được bảo vệ.
- Một hay hai dây dẫn xuống nối từ kim xuống đất. 
- Một hay hai hệ thống nối đất để tản dòng sét vào đất. 
- Kim Franklin (kim đơn giản): có phạm vi bảo vệ nhỏ, hình dáng bên ngoài không hấp dẫn, khó khăn và tốn nhiều thời gian để đặt trang thiết bị, ít tin tưởng trong vận hành, mức độ hiệu quả không rõ rệt, khá đắt tiền.  
- Kim thu sét tiên đạo ESE. 

Hệ thống đai và lưới chống sét

Hệ thống bảo vệ này được thành lập từ một mạng lưới kim nhỏ (30 – 50cm) và các dây dẫn dọc hay ngang được nối với một số điện cực đất. Hệ thống này chỉ bảo vệ khép kín cho một tòa nhà.    

4.2 Về giải pháp chống xung sét lan truyền và xung quá điện áp

Giải pháp này thường được sử dụng cho hệ thống điện mặt trời hộ gia đình với công suất nhỏ. Để chống ảnh hưởng lan truyền từ dây điện lực hay thông tin, người ta lắp đặt một hệ thống cắt và lọc sét trước khi các đường dây này đi vào công trình. Ngoài nguyên nhân do tia sét tạo ra các xung sét lan truyền, còn có các xung quá điện áp khác lại được sinh ra bên trong chính các thiết bị, do bật tắt các tải điện như đèn, hệ thống nhiệt, motor và do vận hành của các máy in laser, máy photocopy....

 Theo tiêu chuẩn, thiết bị chống sét nguồn điện DC phải được lắp đặt trước khi vào Inverter, cụ thể là ở ngay tại lối vào DC của Inverter, chọn mức điện áp và Type bảo vệ phù hợp. Sau đó lắp thiết bị chống sét trên đường dữ liệu điều khiển và kết nối Inverter.

 Lắp thiết bị chống sét trên nguồn AC, chọn thiết bị phù hợp: số pha, điện áp, Type bảo vệ... Tiêu chuẩn CLS/TS 5039-12 cũng khuyến cáo phải lắp đặt các thiết bị chống sét nguồn AC để bảo vệ ngay trước lối vào AC của Inverter, của các phụ tải và cầu dao kết nối với điện lưới. Quá áp có thể lan truyền trên đường dây từ các phụ tải (máy bơm, đèn chiếu sáng…) hoặc từ hệ thống lưới điện quốc gia (có hòa mạng).

 Sau khi lắp đặt và nối đất đầy đủ, dòng sét sẽ được chuyển hướng xuống đất an toàn.

4.3 Về giải pháp tiếp địa cho hệ thống điện mặt trời:

  Hệ thống tiếp địa là một bộ phận vô cùng quan trọng cho hệ thống, nó vừa có chức năng tiếp địa làm việc, tiếp địa bảo vệ và tiếp địa chống sét.

  Toàn bộ các kết cấu giá đỡ, vỏ tủ, khung bao, thiết bị chống sét .. đều phải được nối tiếp địa, đảm bảo sự đẳng thế trong toàn bộ hệ thống, có thể dùng thiết bị đẳng thế (như AT-50K) để liên kết các khu vực tiếp địa theo các chức năng khác nhau lại.

Giá trị điện trở nối đất càng nhỏ càng tốt (tối đa 8 Ohm) tùy theo đặc điểm địa lý và công suất hệ thống điện NLMT.

  Các vật liệu sử dụng trong hệ thống tiếp địa NLMT nên sử dụng loại tốt, có khả năng chống ăn mòn cao (vì nó chịu tác động của ăn mòn hóa học, ăn mòn điện phân). Cọc tiếp địa có thể dùng loại mạ đồng chất lượng cao hoặc đồng nguyên chất, đặc biệt nếu sử dụng loại cọc hóa học (ApliRod), cọc tiếp địa Graphite thì càng đảm bảo hiệu quả cao nhất.

 Có thể sử dụng thêm các hóa chất giảm điện trở đất để tăng cường khả năng dẫn điện, giảm điện trở như: Conductiver Plus (dùng cho vùng đất nhiều cát, sỏi đá), Aplifill (dùng cho các hố điện cực), Aplicem (dùng cho các cọc và dây liên kết). Số lượng điện cực tiếp đất và hóa chất sử dụng phụ thuộc vào đặc điểm địa chất riêng của mỗi công trình.

  Các liên kết giữa cọc, dây và các kết cấu kim loại khác nên sử dụng mối hàn hóa nhiệt (như Apliweld) để đảm bảo sự liên kết tốt nhất về điện học, cũng như đảm bảo tính cơ học và lâu bền trong môi trường dễ bị ăn mòn.

  Từ những thông tin trên, chúng ta có thể thấy được tầm quan trong của hệ thống chống sét trong hệ thống điện năng lượng mặt trời. Từ đó, có thể lựa chọn cho mình những giải pháp phù hợp nhất để áp dụng ngay vào trong hệ thống.

Nguồn: Thyan.vn