Khi tấm pin mặt trời tiếp nhận ánh sáng mặt trời, nó sẽ tạo ra dòng điện một chiều (DC). Để sử dụng dòng điện này cho các thiết bị hoạt động trong hệ thống điện lưới hoặc các thiết bị gia đình thông thường, chúng ta cần chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) thông qua các bộ chuyển đổi và biến đổi điện. Trong bài viết này hãy cùng Việt Nam Solar tìm hiểu sự khác biệt giữa dòng điện xoay chiều (AC) và một chiều (DC) và hiểu rõ hơn các tấm pin mặt trời có tạo ra dòng điện AC hoặc DC không?
Dòng điện AC và DC có gì khác biệt?
Trong những năm cuối của thập kỷ 1870 và đầu thập kỷ 1880, đã diễn ra một cuộc tranh luận quan trọng trong cộng đồng khoa học, được biết đến với cái tên “Cuộc chiến dòng điện”. Tranh luận này xoay quanh việc chọn hệ thống truyền tải điện hiệu quả nhất, và hai nhân vật chính tham gia tranh luận là Thomas Edison, một doanh nhân và nhà phát minh người Mỹ, và Nikola Tesla, một kỹ sư và nhà phát minh người Mỹ gốc Serbia. Edison ủng hộ hệ thống điện một chiều (DC) mạnh mẽ, trong khi Tesla tin rằng hệ thống điện xoay chiều (AC) là giải pháp tốt nhất.
Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại dòng điện là như sau: dòng điện một chiều chạy theo một hướng duy nhất, và cường độ của nó có thể thay đổi nhưng không thay đổi chiều. Trong khi đó, dòng điện xoay chiều thay đổi hoặc đảo chiều theo chu kỳ (thường là một số lần nhất định mỗi giây) và liên tục thay đổi cường độ theo thời gian.
Ban đầu, dòng điện một chiều là tiêu chuẩn tại Mỹ. Tuy nhiên, nó gặp một số vấn đề trong quá trình vận hành. Đầu tiên, nó không dễ dàng chuyển đổi sang điện áp cao hơn hoặc thấp hơn, trong khi điều này có thể được thực hiện với dòng điện xoay chiều thông qua sử dụng máy biến áp. Ngoài ra, việc truyền tải điện một chiều trên khoảng cách dài gây tổn thất năng lượng lớn và tăng chi phí.
Do đó, dòng điện xoay chiều đã trở thành lựa chọn cho hầu hết các ứng dụng cung cấp điện trên toàn cầu, bao gồm phát điện, truyền tải và phân phối điện. Dòng điện một chiều chỉ được sử dụng hạn chế trong các ứng dụng yêu cầu điện áp thấp.
Hiện nay, hầu hết nguồn điện mà chúng ta sử dụng được cung cấp bởi dòng điện xoay chiều. Tuy nhiên, có nhiều dự án đang áp dụng lại dòng điện một chiều, chẳng hạn như trong nguồn điện mặt trời và các dự án khác. Vì vậy, có thể nói “Cuộc chiến dòng điện” chưa kết thúc và vẫn đang tiếp diễn trong các phương diện khác nhau của công nghệ điện.
Tại sao điện mặt trời chỉ tạo ra dòng điện DC ?
Truyền tải điện thông thường dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, và phương pháp phát điện phổ biến nhất trên toàn cầu sử dụng nguyên lý này. Máy phát điện chuyển đổi năng lượng điện từ thành dòng điện xoay chiều, và được áp dụng trong các ngành công nghiệp như thủy điện, nhiệt điện, và năng lượng gió.
Tuy nhiên, điện mặt trời hoạt động theo cơ chế khác. Tấm pin mặt trời không phụ thuộc vào chuyển động cơ học, mà tương tác với một loại chuyển đổi năng lượng khác. Chúng chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ bức xạ điện từ (có thể được hiểu là các hạt photon từ mặt trời) thành dòng điện một chiều bằng cách di chuyển các electron từ cấu trúc nguyên tử của vật liệu bán dẫn như silic trong trạng thái không dẫn đến trạng thái dẫn. Quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện (PV – Photovoltaic).
Cách biến đổi dòng điện AC từ hệ thống điện mặt trời
Để chuyển đổi nguồn điện từ hệ thống điện mặt trời sang dòng điện xoay chiều (AC), cần sử dụng một thiết bị gọi là biến tần. Trong thời đại hiện đại, hầu hết các thiết bị được thiết kế để hoạt động với điện xoay chiều, chẳng hạn như động cơ, thiết bị gia dụng và thiết bị điện tử. Vì vậy, để tận dụng nguồn điện từ các tấm pin mặt trời của chúng ta, chúng ta cần có một nguồn điện xoay chiều.
Khi thảo luận về cài đặt hệ thống điện mặt trời, có nhiều phương pháp và cấu trúc khác nhau. Tuy nhiên, một sơ đồ cơ bản thường được sử dụng như trong hình vẽ, bao gồm các thành phần sau:
- Tấm năng lượng mặt trời: Thu thập năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng một chiều (DC).
- Phụ tải tiêu thụ: Các thiết bị sử dụng nguồn điện, thường là dòng điện xoay chiều (AC).
- Biến tần: Chuyển đổi nguồn điện một chiều từ tấm năng lượng mặt trời thành nguồn điện xoay chiều phù hợp với phụ tải tiêu thụ.
- Đồng hồ đo công suất phụ tải tiêu thụ: Đo lường và hiển thị công suất tiêu thụ của phụ tải.
- Thiết bị lưu trữ năng lượng cho nguồn điện dự phòng (tuỳ chọn cho các hệ thống kết nối lưới).
Trong phần này, chúng ta tập trung vào cơ chế chuyển đổi từ nguồn điện một chiều sang nguồn điện xoay chiều.
Biến tần chuyển đổi DC sang AC
Như đã đề cập, biến tần là một thiết bị quan trọng trong hệ thống điện mặt trời và nó thuộc vào nhóm các thiết bị công suất điện tử phổ biến trong lưới điện hiện đại. Chức năng chính của biến tần là chuyển đổi dòng điện một chiều từ các tấm pin mặt trời thành nguồn điện xoay chiều có thể sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện. Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng các công tắc điện tử để đảo chiều tín hiệu đầu vào một chiều qua lại với nhau, tạo ra tín hiệu đầu ra xoay chiều với tần số và điện áp phù hợp cho hệ thống.
Các biến tần đầu tiên được phát triển trong thế kỷ 19 có thiết kế cơ khí. Tuy nhiên, trong thời đại hiện đại, các công tắc đảo chiều tín hiệu điện một chiều được tạo thành từ các linh kiện bán dẫn và thiết bị điện tử trạng thái rắn, được làm từ vật liệu bán dẫn như silic và arsenide của gallium. Những linh kiện này có khả năng điều khiển dòng điện đáp ứng theo các điều kiện hoạt động cụ thể.
Bộ lọc và các thiết bị điện tử khác có thể được sử dụng để làm sạch tín hiệu và điều chỉnh dòng điện xoay chiều thành dạng sóng hình sin thuần túy, từ đó cải thiện chất lượng dòng điện và giảm chi phí bảo trì và vận hành.
Các biến tần hiện đại ngày nay cũng có thể thực hiện các chức năng bổ sung như giám sát thông minh của hệ thống. Điều này cho phép theo dõi hai chiều của dòng điện và thông tin về năng lượng giữa nguồn điện mặt trời và lưới điện. Điều này cung cấp các kênh liên lạc với các nhà khai thác hệ thống mạng lưới, cho phép kiểm soát các điều kiện vận hành quan trọng của lưới điện để điều chỉnh hoạt động của hệ thống điện mặt trời và tăng cường tương tác giữa người sử dụng và lưới điện.
Có thể tận dụng điện một chiều DC sản xuất tấm năng lượng mặt trời không?
Trong thời gian qua, việc sử dụng thiết bị AC trong tiêu thụ năng lượng đã phổ biến trong nhiều năm. Tuy nhiên, hiện nay, chúng ta đang chứng kiến sự tăng lên của các xu hướng công nghệ mới và ứng dụng DC đang nhanh chóng xuất hiện.
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). Những ứng dụng này đã được đánh giá cao vì hiệu quả và sự tiết kiệm so với các ứng dụng AC truyền thống.
Trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, phát triển công nghệ DC có ý nghĩa quan trọng, vì hệ thống PV tạo ra dòng điện một chiều và không cần chuyển đổi sang AC nếu các thiết bị tiêu thụ tương thích với dòng điện một chiều. Điều này giúp tránh mất mát năng lượng trong quá trình chuyển đổi.
Hệ thống lưới điện thông minh đang áp dụng các ứng dụng điện DC và đang tạo ra một sự thay đổi trong việc cung cấp điện với mục tiêu phát triển các công nghệ thay thế, hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường.
Sự phát triển của các lĩnh vực này sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai, khi kết hợp cả công nghệ điện AC và DC trong các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời.
So sánh dòng điện DC và AC
Để bắt đầu, ta có thể nhận thấy rằng việc sử dụng hệ thống nguồn điện DC có nhiều lợi ích trong một số trường hợp. Một trong những lợi ích chính là tránh mất điện trong quá trình chuyển đổi từ dòng điện DC sang AC, và điều này giúp giảm chi phí của biến tần hoặc công nghệ chuyển nguồn.
Tuy nhiên, hệ thống nguồn điện DC thường chỉ hoạt động ở mức điện áp thấp như 6V, 12V, 24V, 48V. Điều này phụ thuộc vào sự sẵn có của thiết bị lưu trữ nguồn DC trên thị trường. Vì vậy, thường những hệ thống nguồn DC được lựa chọn là 6V hoặc hệ thống 12V-24V-48V.
Hệ thống nguồn điện AC yêu cầu một bước chuyển đổi bổ sung để chuyển đổi nguồn điện DC thành nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có thể sử dụng.
Trong hệ thống năng lượng mặt trời, có hai loại hệ thống điện mặt trời AC chính:
- Hệ thống năng lượng mặt trời 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 và sử dụng ắc quy làm thiết bị lưu trữ.
- Hệ thống hòa lưới không lưu trữ (On-Grid): Các hệ thống này chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện xoay chiều trực tiếp theo thời gian thực, nhưng không có hệ thống lưu trữ năng lượng và không thể lưu trữ năng lượng được tạo ra.
Một số thiết bị như đèn LED, quạt công suất nhỏ, vv. thường chỉ sử dụng nguồn điện DC. Tuy nhiên, nhiều thiết bị thông thường như máy lạnh, tủ lạnh, vv. sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC) không có sẵn trên thị trường dưới dạng nguồn điện DC. Vì vậy, đối với các hệ thống yêu cầu hoạt động của các thiết bị công suất lớn như vậy, việc lựa chọn hệ thống nguồn điện xoay chiều từ năng lượng mặt trời là cần thiết. Điều này đảm bảo tính khả thi của hệ thống và giúp tiết kiệm chi phí.
Một vấn đề khác là hệ thống điện DC với cường độ dòng điện cao trong trường hợp hệ thống công suất lớn. Ví dụ, một hệ thống năng lượng mặt trời 10000W hoạt động trên xe buýt 12V DC sẽ có cường độ dòng điện tương đương 834 Ampe. Điều này gây khó khăn và tăng chi phí quản lý hệ thống điện với cường độ dòng điện cao như vậy. Nó cũng làm tăng chi phí cho cáp điện, thiết bị đóng cắt và các yếu tố khác, mà không mang lạimức độ hiệu quả chi phí cao.
Hơn nữa, cần lưu ý rằng cáp điện DC thường có giá đắt hơn cáp điện AC cùng kích thước. Điều này góp phần làm tăng chi phí hệ thống.
Lời kết
Tóm lại, tấm pin mặt trời tạo ra dòng điện DC và cần sử dụng các thiết bị chuyển đổi như biến tần để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nguồn điện AC để sử dụng trong các thiết bị và hệ thống điện xoay chiều.
Mọi chi tiết xin liên hệ:
- CÔNG TY TNHH VIỆT NAM SOLAR
- MST: 0315209693
- Địa chỉ: 56A Hồ Bá Phấn, Khu phố 4, Phường Phước Long A, TP. Thủ Đức, TP.HCM
- Trung tâm bảo hành: 188 Đông Hưng Thuận 41, Phường Tân Hưng Thuận, Quận 12, TP.HCM
- Kho chứa hàng: Lô B14-15 Đường số 2, KCN Hải Sơn, Xã Đức Hòa Hạ, Huyện Đức Hòa, Tỉnh Long An
- Hotline: 0981.982.979 – 088.60.60.660
- Email: [email protected]
- Website: https://vietnamsolar.vn
Giấy Chứng Nhận ISO 9001:2015 Công Ty TNHH Việt Nam Solar
Xem Thêm Một Số Sản Phẩm Điện Năng Lượng Mặt Trời
Vui lòng đăng nhập để đánh giá!
