Dải độ ẩm tương đối (Relative humidity range) là gì?

Độ ẩm tương đối theo định nghĩa khí tượng

Độ ẩm tương đối là tỉ số phần trăm giữa áp suất hơi nước quan sát được và áp suất hơi nước bão hòa so với nước.[3] Định nghĩa trên lấy từ Hướng dẫn về thiết bị và phương pháp quan trắc WMO-No. 8 của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO).[3] Một bài báo khí tượng bình duyệt dùng cùng định nghĩa.[6] Bài báo đó viết độ ẩm tương đối là tỉ số giữa áp suất hơi nước thực tế e và áp suất cân bằng es trên mặt nước phẳng.[6]

Áp suất hơi nước và áp suất hơi nước bão hòa

Áp suất hơi nước (vapour pressure) là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí.[3] Áp suất hơi nước bão hòa là áp suất hơi nước của không khí ở trạng thái cân bằng với mặt nước hoặc mặt băng.[3] Áp suất bão hòa quyết định lượng hơi nước tối đa một không gian chứa được ở một áp suất và nhiệt độ nhất định.[7] Khi áp suất hơi nước thực tế bằng áp suất bão hòa, công thức cho độ ẩm tương đối đúng 100 %.[7]

Độ ẩm tương đối và tỉ số trộn

Tỉ số trộn (mixing ratio) là tỉ số giữa khối lượng hơi nước và khối lượng không khí khô.[3] Độ ẩm tương đối còn có một định nghĩa thứ hai dựa trên tỉ số trộn thay cho áp suất hơi nước.[6] Độ ẩm tương đối cũng viết được theo phần mol hơi nước, tương đương với cách viết theo áp suất hơi nước.[7]

Dải độ ẩm tương đối trên datasheet biến tần

Biến tần SUN2000-150K-MG0 ghi nhiệt độ vận hành -25 °C đến 60 °C, độ ẩm tương đối 0 đến 100 % và cấp bảo vệ IP66.[2] Cùng biến tần ghi độ cao vận hành tối đa 4000 m và cách làm mát Smart Air Cooling.[2] Hai thông số này được giải thích ở bài độ cao vận hành tối đa và bài phương thức làm mát.

Độ ẩm tương đối là tỉ số của hai áp suất, nên bước tiếp theo là tính áp suất hơi nước bão hòa theo nhiệt độ.

Công thức độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối U (%) = Áp suất hơi nước thực tế e (hPa) / Áp suất hơi nước bão hòa ew (hPa) × 100.[7][6] Áp suất bão hòa ở mẫu số lấy tại cùng nhiệt độ và áp suất với khối không khí đang xét.[7] Theo bảng ở mục dưới, áp suất bão hòa tăng theo nhiệt độ, nên với cùng áp suất hơi nước e, độ ẩm tương đối giảm khi nhiệt độ tăng.[7]

Công thức Magnus cho áp suất hơi nước bão hòa

Áp suất hơi nước bão hòa trên mặt nước ew (hPa) = 6,112 × exp[17,62 × t / (243,12 + t)], với t là nhiệt độ không khí (°C).[7][11] Trong công thức trên, ew và hằng số 6,112 tính bằng hPa.[11] Công thức trên dùng cho dải -45 °C đến 60 °C, độ không đảm bảo tới 0,6 % (k = 2).[7] Dạng công thức này thường được gọi là công thức Magnus.[6] Một bộ hệ số khuyến nghị khác gồm A1 = 17,625, B1 = 243,04 °C và C1 = 610,94 Pa, tức 610,94 / 100 = 6,1094 hPa.[6] Phiên bản AEKR của Alduchov và Eskridge có sai số tương đối tối đa dưới 0,384 % trong dải -40 °C đến 50 °C.[12]

Điểm sương (Dew point) là gì?

Điểm sương (Dew point) là nhiệt độ tại đó không khí ẩm bão hòa hơi nước.[3] Điểm sương cũng là nhiệt độ không khí ẩm phải được làm lạnh tới để hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng.[7] Dưới 0 °C, điểm sương và điểm đóng băng (frost point) khác nhau, vì có thể hình thành băng hoặc nước quá lạnh.[7]

Quy tắc gần đúng giữa điểm sương và độ ẩm tương đối

Với không khí ẩm có RH trên 50 %, điểm sương giảm khoảng 1 °C cho mỗi 5 % độ ẩm tương đối giảm đi.[6] Không khí 30 °C, RH 80 % cho điểm sương gần đúng 30 - (100 - 80) / 5 = 26 °C.

Đo độ ẩm tương đối gần mức 100 %

Với ẩm kế điện dung, nhà sản xuất có các tùy chọn sấy nóng để ngăn ngưng tụ khi điều kiện đo tiến gần 100 %rh.[3] Cảm biến đặt lâu trong độ ẩm cao hoặc ngưng tụ có thể bị trôi lên và chỉ 100 %rh trong khi độ ẩm thật là 95 %rh.[3] Ẩm kế khô ướt (psychrometer) thường kém chính xác ở độ ẩm tương đối thấp.[3]

Điểm sương cho biết bề mặt nào sẽ đọng nước, nên hai chữ condensing và non-condensing trên datasheet là phần cần đọc tiếp theo.

Ghi chú condensing trên datasheet

Datasheet microinverter Enphase IQ8 ghi dải độ ẩm tương đối 4 % đến 100 % kèm chữ condensing.[5] Cùng datasheet ghi vỏ cách điện kép Class II bằng polymer chống ăn mòn, loại môi trường NEMA Type 6/Outdoor.[5] Microinverter IQ8 làm mát bằng đối lưu tự nhiên, không có quạt, và có cấp độ ô nhiễm PD3.[5] Cấp độ ô nhiễm được giải thích ở bài cấp độ ô nhiễm.

Ghi chú non-condensing trên datasheet

Datasheet Victron MultiPlus ghi độ ẩm tối đa 95 % kèm điều kiện không ngưng tụ (non-condensing).[8] Cùng thiết bị có cấp bảo vệ IP20, cấp độ ô nhiễm 2 và quạt hỗ trợ làm mát.[8] Pin Pylontech US5000 ghi độ ẩm 5 % đến 95 % RH kèm dòng chữ No Condensation.[13]

Thử nghiệm có ngưng tụ và không ngưng tụ

Bộ tiêu chuẩn IEC 60068 tách hai trường hợp thành hai phép thử riêng.[9][14] Thử nóng ẩm ổn định IEC 60068-2-78 khảo sát độ ẩm cao ở nhiệt độ không đổi, không có ngưng tụ trên mẫu thử.[9] Thử nóng ẩm chu kỳ IEC 60068-2-30 kết hợp độ ẩm cao với thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ, thường tạo ngưng tụ trên bề mặt mẫu thử.[14]

Ví dụ tính nguy cơ ngưng tụ

Ví dụ dùng công thức Magnus ở mục 2 cho khối không khí 30 °C, RH 80 %.[7]

1. Áp suất bão hòa ở 30 °C: ew = 6,112 × exp(17,62 × 30 / 273,12) = 42,34 hPa.
2. Áp suất hơi nước thực tế: e = 0,80 × 42,34 = 33,87 hPa.
3. Áp suất bão hòa ở 26 °C là 33,53 hPa, nhỏ hơn 33,87 hPa, nên bề mặt 26 °C đã nằm dưới điểm sương.
4. Giải ngược công thức Magnus cho điểm sương khoảng 26,2 °C, khớp quy tắc gần đúng 30 - (100 - 80) / 5 = 26 °C.[6]
5. Nếu khối không khí trên được làm nóng lên 35 °C, độ ẩm tương đối còn 33,87 / 56,13 × 100 = 60 %.

Bề mặt nguội dưới khoảng 26 °C trong khối không khí trên nằm dưới điểm sương và sẽ đọng nước.[7] Nguy cơ ngưng tụ khác nhau theo vị trí lắp, nên mục 4 đọc dải độ ẩm theo từng loại vị trí.

Biến tần hòa lưới đặt ngoài trời

Biên bản thử nghiệm IEC 62109-1 của biến tần Solplanet ghi nhóm môi trường ngoài trời, phù hợp vị trí ẩm ướt (wet locations).[1] Cùng biên bản ghi cấp độ ô nhiễm PD 3 bên ngoài, PD 2 bên trong.[1] Biến tần Solplanet trong biên bản có định mức IP65.[1] Cấp IP66 của biến tần Huawei SUN2000-150K-MG0 được giải thích ở bài IP66.

Pin lưu trữ đặt trong nhà hoặc ngoài trời

Pin lưu trữ Huawei LUNA2000-5/10/15-S0 ghi độ ẩm tương đối 5 % đến 95 % RH và cấp bảo vệ IP66.[4] Pin LUNA2000 lắp được trong nhà hoặc ngoài trời, và hãng khuyến nghị lắp ngoài trời.[4] Vị trí lắp pin Pylontech US5000 phải chống nước hoàn toàn, giữ nhiệt độ và độ ẩm ổn định.[13] Không khí quanh pin US5000 cần tránh độ mặn, độ ẩm hoặc nhiệt độ cao.[13] Pin US5000 ghi nhiệt độ lưu kho -20 °C đến 45 °C.[13] Điều kiện lưu kho được trình bày ở bài dải nhiệt độ lưu trữ.

Bảng so sánh dải độ ẩm của năm thiết bị

Các con số trên datasheet bắt nguồn từ yêu cầu định mức môi trường trong tiêu chuẩn an toàn biến tần, nội dung của mục 5.

Ba nhóm môi trường lắp đặt

IEC 62109-1:2010 áp dụng cho thiết bị chuyển đổi công suất (PCE) trong hệ điện mặt trời, kể cả mạch DC khác như pin.[15] Mục 6.1 của tiêu chuẩn quy định nhóm môi trường và điều kiện môi trường tối thiểu.[15] Ba nhóm gồm ngoài trời, trong nhà không điều hòa và trong nhà có điều hòa.[15] Mục 6.5 dành riêng cho nhiệt độ và độ ẩm.[15]

Định mức môi trường nhà sản xuất phải công bố

Theo mục 6, nhà sản xuất phải định mức PCE cho sáu điều kiện môi trường.[1] Ba điều kiện đầu là nhóm môi trường, khả năng dùng ở vị trí ẩm ướt và cấp độ ô nhiễm.[1] Ba điều kiện sau là cấp bảo vệ IP, mức chịu tia cực tím (UV), nhiệt độ môi trường cùng độ ẩm tương đối.[1] Biến tần Solplanet được định mức dùng ngoài trời, vị trí ẩm ướt, độ ẩm 0 đến 100 %.[1]

Tiền xử lý ẩm trước phép thử an toàn

Mục 4.5 của IEC 62109-1 là bước tiền xử lý ẩm (humidity preconditioning).[1] Với PCE thuộc diện vị trí ẩm ướt, bước tiền xử lý ẩm phải làm ngay trước phép thử dòng chạm (touch current).[1] Biến tần Solplanet đo được dòng chạm tối đa 4,5 mA sau thử IP65, thử nhiệt, thử một lỗi và tiền xử lý ẩm.[1]

Điều kiện khí hậu ở vị trí có và không có che chắn thời tiết được phân loại trong bộ tiêu chuẩn IEC 60721, nội dung của mục 6.

Điều kiện môi trường theo IEC 60721-1

IEC 60721-1 liệt kê các thông số môi trường và một số mức khắc nghiệt của chúng.[16] Điều kiện môi trường (environmental condition) là điều kiện vật lý, hóa học hoặc sinh học bên ngoài sản phẩm, tác động lên sản phẩm tại một thời điểm.[16]

Khí hậu ngoài trời theo IEC 60721-2-1

IEC 60721-2-1 phân loại khí hậu ngoài trời theo nhiệt độ và độ ẩm.[17] Các vùng khí hậu trong tiêu chuẩn phủ mọi khu vực trên thế giới, trừ trung tâm châu Nam Cực và độ cao trên 5000 m.[17] Thay đổi chính của bản 2.0 năm 2013 nằm ở định nghĩa các kiểu khí hậu.[17]

Vị trí có che chắn thời tiết theo IEC 60721-3-3

IEC 60721-3-3:2019 phân loại các nhóm thông số môi trường cho sản phẩm lắp cố định tại vị trí có che chắn thời tiết.[18] Tiêu chuẩn chỉ xét những điều kiện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của sản phẩm.[18] Vi khí hậu bên trong sản phẩm nằm ngoài phạm vi của IEC 60721-3-3.[18]

Vị trí không che chắn thời tiết theo IEC 60721-3-4

Vị trí không che chắn thời tiết là vị trí sản phẩm không được bảo vệ trước các điều kiện khí tượng.[19] IEC 60721-3-4:2019 bản 3.0 thay bản 2 năm 1995, và nhiều cấp cũ được thay bằng cấp hoàn toàn mới.[19] Giá trị chất hoạt động hóa học trong bản 2019 tham chiếu ISO 9223.[19] Cấp ăn mòn khí quyển theo ISO 9223 được trình bày ở bài cấp chống ăn mòn C5-M.

IEC 62093 dẫn chiếu IEC 60721-3-3 và IEC 60721-3-4 cho khí hậu trong nhà và ngoài trời của thiết bị chuyển đổi công suất, nội dung mục 7.[20]

Thử nóng ẩm ổn định IEC 60068-2-78 (Test Cab)

IEC 60068-2-78:2012 là phương pháp thử khả năng chịu độ ẩm cao của linh kiện hoặc thiết bị khi vận chuyển, lưu kho và sử dụng.[9] Bản 2012 chọn mức thử từ 30 ± 2 °C hoặc 40 ± 2 °C, kết hợp độ ẩm 93 ± 3 % hoặc 85 ± 3 %.[9] Thời gian thử ưu tiên gồm 12 h, 16 h, 24 h, 2 ngày, 4 ngày, 10 ngày, 21 ngày hoặc 56 ngày.[9] Mẫu thử luôn phải tránh ngưng tụ, và nước đọng trên vách buồng thử không được rơi xuống mẫu.[9] Bản 3.0 năm 2025 đã thay thế bản 2012, sửa lại các mức khắc nghiệt và đổi dung sai nhiệt độ thành giới hạn.[21] Bộ IEC 60068 được giới thiệu ở bài IEC 60068.

Thử nóng ẩm chu kỳ IEC 60068-2-30 (Test Db)

IEC 60068-2-30:2005 là phép thử nóng ẩm chu kỳ 12 h + 12 h.[14] Phép thử xác định khả năng dùng, vận chuyển và lưu kho trong điều kiện ẩm cao tạo ngưng tụ trên bề mặt mẫu.[14] Mỗi phép thử gồm một hoặc nhiều chu kỳ nhiệt độ, trong đó độ ẩm tương đối được giữ ở mức cao.[14]

Thử nghiệm độ ẩm cho thiết bị chuyển đổi công suất theo IEC 62093

IEC 62093:2022 bản 2.0 đặt yêu cầu đánh giá thiết kế cho thiết bị chuyển đổi công suất (PCE) trong hệ điện mặt trời.[20] Tiêu chuẩn áp dụng cho PCE dùng trong khí hậu trong nhà và ngoài trời theo IEC 60721-3-3 và IEC 60721-3-4.[20] Danh mục thử gồm thử ẩm đóng băng (mục 6.7), thử chu kỳ nhiệt (mục 6.8) và thử nóng ẩm (mục 6.9).[20]

Thử nghiệm ẩm trên pin mặt trời và đầu nối

IEC 61215-2:2021 cho pin mặt trời có thử ẩm đóng băng MQT 12, thử nóng ẩm MQT 13 và thử dòng rò ướt MQT 15.[22] IEC 61215-2 viện dẫn IEC 60068-2-78:2012 về thử nóng ẩm ổn định.[22] Thử nghiệm gia tốc ở 85 °C và 85 % RH được dùng trong nghiên cứu tuổi thọ đầu nối PV.[23] Suy giảm đầu nối có thể nặng hơn ở hệ dòng cao hoặc khí hậu nóng hơn.[23]

Các phép thử trên mô phỏng độ ẩm cao vì hơi nước gây hư hỏng trên bo mạch điện tử, cơ chế được trình bày ở mục 8.

Màng nước trên bo mạch điện tử

Phần lớn hư hỏng do ẩm bắt nguồn từ màng nước hình thành trên bề mặt và mặt tiếp giáp quan trọng.[10] Màng nước tinh khiết trên bo mạch sạch chỉ dẫn điện yếu.[10] Màng nước có hòa tan cặn ion dẫn điện tốt hơn.[10] Cặn hòa tan làm tăng dòng rò và gây ăn mòn, ví dụ di trú điện hóa (electrochemical migration).[10]

Độ ẩm tương đối tới hạn

Chất bẩn hút ẩm làm giảm độ ẩm tương đối tới hạn để màng nước hình thành.[10] Với hỗn hợp chất hoạt hóa trong chất trợ hàn (flux), điểm hóa lỏng do hút ẩm (deliquescence) thấp hơn so với từng thành phần riêng.[24] Hỗn hợp như vậy có thể ăn mòn bo mạch in mạnh hơn từng thành phần riêng.[24]

Ngưng tụ nặng và ăn mòn đầu nối

Ngay cả bo mạch có độ tin cậy cao cũng không chịu được điều kiện ngưng tụ nặng.[10] Một cơ chế suy giảm đầu nối PV là ăn mòn do chất bẩn xâm nhập vào bề mặt tiếp xúc.[23] Hơi ẩm xâm nhập làm suy giảm mối nối trong đầu nối, hộp đấu dây và công tắc, một nguyên nhân có thể gây hồ quang.[25]

Biện pháp giảm ẩm trong vỏ thiết bị

Thiết kế vỏ đúng và các biện pháp kiểm soát ẩm giúp giảm độ ẩm tích tụ bên trong thiết bị.[10] Sấy nóng có kiểm soát trong thời gian thiết bị nghỉ được nêu làm ví dụ về biện pháp kiểm soát ẩm hiệu quả cao, tiêu tốn ít năng lượng.[10] Việc sấy vỏ khi nghỉ vẫn cần được tối ưu để tránh tốn nhiều năng lượng.[10] Lớp phủ bảo vệ bo mạch (conformal coating) khó đạt độ đồng đều, không khuyết tật.[10] Cặn chất trợ hàn nằm dưới lớp phủ gây hỏng do ăn mòn trong thời gian ngắn.[10]

Sương và mưa trên dàn pin mặt trời còn làm giảm điện trở cách điện của cả hệ, nội dung của mục 9.[26]

Cảnh báo điện trở cách điện vào sáng sớm

Cảnh báo điện trở cách điện và ngắt do chạm đất ở nhà máy đang vận hành được ghi nhận ngay sau khi mặt trời mọc.[26] Pin mặt trời ngoài hiện trường thường làm việc trong điều kiện ướt sương, ướt mù hoặc ướt mưa, nhất là sáng sớm.[26] Màng nước mỏng và giọt nước tạo thêm đường dẫn điện, làm giảm điện trở suất bề mặt.[26] Phép đo điện trở cách điện (Riso) hiệu quả nhất khi dùng như tín hiệu có hoặc không, thường ở lần kiểm tra buổi sáng.[27]

Khô đạt, ướt hỏng

Trong 37 pin mặt trời đã qua sử dụng, trung vị điện trở cách điện khô là 42,4 GΩ, còn khi ướt chỉ 462,5 MΩ.[26] Phép đo khô đánh giá cao hơn mức cách điện thực tế khi pin mặt trời làm việc ướt.[26] Ở 26 nhà máy được khảo sát, 46 pin mặt trời từ chín nhà máy không đạt thử dòng rò ướt MQT 15.[28] Điện trở cách điện giảm mạnh sau thời gian làm ướt kéo dài trùng với các lần biến tần ngừng hoạt động.[28]

Xử lý cảnh báo theo hướng dẫn của hãng

Biến tần Huawei SUN2000-50KTL-M0 báo lỗi 2062 Low Insulation Resistance, mức Major.[29] Một nguyên nhân của lỗi 2062 là dàn pin mặt trời ở môi trường ẩm và cáp điện không được cách điện tốt với đất.[29] Nếu chắc chắn trở kháng dưới ngưỡng bảo vệ trong thời tiết nhiều mây hoặc mưa, người vận hành chỉnh lại ngưỡng qua ứng dụng, SmartLogger hoặc NMS.[29] Mưa hoặc sương là một nguyên nhân gây lỗi cách điện trong hệ điện mặt trời, và chỉ người có chuyên môn được xử lý.[30] Biến tần không biến áp có thể hỏng do chạm đất trong lúc vận hành.[30] Giám sát điện trở cách điện được trình bày ở bài giám sát điện trở cách điện.

Các câu hỏi còn lại về dải độ ẩm được gom thành hỏi đáp ở mục 10.