Tổng quan về chống sét điện mặt trời

Tổng quan về chống sét điện mặt trời

Vì sao phải chống sét điện 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, phong điện 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.

Một trong các rủi ro đó chính là sét đánh - một hiện tượng phổ biến trong tự nhiên.

Vì sao ?

Hệ thống điện năng lượng mặt trời gồm các thành phần chính là : tấm /panel tế bào quang điện, dây dẫn, bộ điều khiển, Invertor, bộ chuyển đổi, bình ac-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. Mặc khác, các tấm panel 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 (xem tác động do sét đánh).

• Tác động trực tiếp : Gây cháy nổ cho các tấm pin mặt trời, các đường dây hoặc bộ điều khiển
• 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.

Các tế quang điện và các thành phần khác sẽ bị hư hỏng ngay lập tức khi bị sét đánh vào, hoặc tối thiểu cũng bị suy giảm hiệu suất hoạt động của chúng do tác động của quá áp lan truyền gây ra. Kết quả cuối cùng là thời gian sử dụng sẽ bị rút ngắn lại, tốn kém chi phí thay thế và sửa chữa, hiệu suất đầu tư sẽ không còn như tính toán ban đầu, và đặc biệt là sự gián đoạn của hệ thống sẽ gây ảnh hưởng cho các hoạt động khác.

Giải pháp cơ bản để bảo vệ chống sét cho hệ thống PV

Như vậy, để chống lại sự tác động của sét đánh ta cần phải có giải pháp chống sét cho hệ thống điện mặt trời tổng thể 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 nối đất 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.

Trước khi thiết kế một giải pháp chống sét điện mặt trời cần xem xét:

• Mật độ sét, hệ số rủi ro và cường độ sét trong khu vực nhiều hay ít ?
• Hệ thống đã lắp đặt các hệ thống chống sét đánh trực tiếp chưa ?
• Quy mô lớn hay nhỏ, dân dụng hay công nghiêp ?
• Điện áp định mức và tối đa bao nhiêu ?
• Hệ thống độc lập hay hòa mạng ?
• Có nằm trong khu công nghiệp hay không ?
• Hệ thống tiếp đất như thế nào ... ?

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.

Mỗi công trình điện mặt trời đều có những đặc điểm riêng cho nên giải pháp chống sét điện mặt trời cho mỗi hệ thống cũng sẽ khác nhau về thiết bị, số lượng, vị trí lắp đặt .v.v. Do vậy, người thiết kế phải am hiểu về hệ thống cần bảo vệ để đưa ra phương án hợp lý và chính xác. Ở phần này chỉ đưa ra các lưu ý về các phần mục nên thực hiện về chống sét trực tiếp và lan truyền cho hệ thống điện mặt trời và các thiết bị chống sét để tham khảo.

Về chống sét đánh trực tiếp - bảo vệ bên ngoài cho hệ thống điện mặt trời

Với các hệ thống điện mặt trời trang trại, 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. (xem lý thuyết về phân tán điện tích)

Với hệ thống sử dụng có quy mô nhỏ (nhà ở, cột đèn NLMT, biển báo ..):

Các hệ thống điện này thường có diện tích nhỏ, các tấm pin thường được đặt trên đỉnh hoặc mái nhà thì không cần thiết phải sử dụng kim thu sét ESE, có thể bảo vệ bằng kim thu lôi truyền thống. Đặc biệt, nếu sử các kim phân tán sét đặt trên mái nhà thì sẽ hiệu quả hơn rất nhiều, các model có thể dùng cho công trình nhỏ như TerraStat TS-100 hoặc TS-400.

Khi sử dụng công nghệ phân tán điện tích thì sẽ ngăn ngừa hiện tượng sét đánh xuống khu vực mà nó bảo vệ, tác dụng này đồng nghĩa với việc sẽ hạn chế sự xuất hiện các xung quá áp lặp lại hay sét lan truyền trên các đường dây của hệ thống điện NLMT.

Thi công và lặp đặt hệ thống tiếp đất cho các cột thu lôi này phải đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật, giá trị điện trở tiếp đất tối đa là 8 Ohm. Các hệ thống tiếp địa cũng cần phải liên kết đẳng thế với nhau.

Về chống sét lan truyền cho hệ thống điện mặt trời

Một hệ thống điện NLMT nào đó đều có nhiều dây liên kết để truyền dòng điện trên đó, tùy theo quy mô và công nghệ mà các đường dây sẽ khác nhau, nhưng chủ yêu gồm các đường nguồn một chiều DC, đường nguồn AC và các đường tín hiệu điều khiển. Khi bị ảnh hưởng bởi sét, các xung quá áp đột biến có thể xuất hiện trên các đường này, do vậy chúng ta cần phải bảo vệ một cách đầy đủ cho hệ thống.

Chống sét lan truyền cho đường nguồn DC

Sử dụng các thiết bị chống sét nguồn điện DC để bảo vệ trên các đường dây nối từ các tấm pin về tủ nguồn, các bộ sản phẩm này phải được lắp đặt bảo vệ ngay tại lối vào DC của Invertor và các tấm pin (theo khuyến cáo CLS/TS 5039-12..)

• Với hệ thống có lắp đặt kim thu sét thì phải sử thiết bị chống sét nguồn solar type 1 để đảm bảo chịu được các dòng xung 10/350µs (như DS60VGPV, DS50VGPV-G/10KT )
• Với các hệ thống không có kim thu sét (hoặc có sử dụng kim phân tán điện tích) thì có thể dùng thiết bị chống sét điện mặt trời Type 2 (như DS50VGPV, DS240-DC, ATVOLT P ) để bảo vệ. Nếu sử dụng thêm các thiết bị cắt sét type 1 bảo vệ sơ cấp phía trước thì càng tốt.

Lựa chọn các thiết bị chống sét có mức điện áp hoạt động định mức và tối đa phù hợp với nguồn DC mà các tấm pin cung cấp. Ngoài ra có thể chọn thêm tính năng bổ sung như công nghệ VG, kiểu cắm rút, dây báo hiệu tình trạng hoạt động .v.v. phù hợp với nhu cầu.

Chống sét lan truyền cho đường nguồn AC

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 Invertor, 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 .v.v.) hoặc từ hệ thống lưới điện quốc gia (có hòa mạng).

• Với các công trình có lắp đặt kim thu sét thì phải sử dụng các thiết bị cắt sét AC Type 1 (như DS250VG, DS150E, ATSHOCK .v.v.) để bảo vệ, sau đó có thể dùng thêm Type 2 để bảo vệ thứ cấp. Lưu ý nếu thiết bị không phải công nghệ VG thì phải đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa sơ cấp và thứ cấp.
• Với các công trình ở vùng có mật độ sét đánh không nhiều, cường độ dòng sét không cao và không trang bị các kim thu sét trực tiếp thì có thể sử các thiết bị cắt sét AC Type 2 (như DS70, DS42, ATSUB 40, ATCOVER 230T …) để bảo vệ.

Chống sét lan truyền cho các đường tín hiệu

Hệ thống điện NLMT có thể có rất nhiều đường tín hiệu như tín hiệu từ các cảm biến, đầu dò, tín hiệu giám sát và điều khiển … chúng thường chạy theo các đường dây DC từ ngoài vào nên khả năng nhiễm quá áp là rất cao.

Sử dụng các thiết bị chống sét cho đường tín hiệu được lắp đặt trong các tủ điều khiển, tủ trung gian bên ngoài hoặc trước khi vào các thiết bị và cảm biến, lưa chọn các thiết bị phù hợp với dạng tín hiệu truyền như RS485, RS232

Sử dụng các bộ chống sét đường mạng máy tính để bảo vệ cho các kết nối Ethernet.

Về tiếp đất chống sét - bảo vệ cho hệ thống điện mặt trời

Hệ thống tiếp đất là một bộ phận vô cùng quan trọng của hệ thống ĐNLMT, nó vừa có chức năng tiếp đất công tác, tiếp đất bảo vệ và tiếp đất 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 đất 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 đất 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 tiếp đất hóa học (ApliRod), cọc tiếp đất 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.