Sự trỗi dậy của công nghệ quang điện (PV) hai mặt đã cách mạng hóa ngành công nghiệp năng lượng mặt trời, mang lại mức tăng sản lượng năng lượng lên đến 30% bằng cách thu ánh sáng phản xạ ở mặt sau của mô-đun. Tuy nhiên, năng lượng “thưởng” này đi kèm với một thách thức kỹ thuật quan trọng: tăng dòng điện. Đối với các kỹ sư điện và nhà thiết kế hệ thống, bản chất thay đổi của bức xạ mặt sau có nghĩa là các quy tắc định cỡ bảo vệ quá dòng tiêu chuẩn thường không đáp ứng được.
Nếu bạn định cỡ cầu chì chỉ dựa trên định mức Điều kiện Kiểm tra Tiêu chuẩn (STC) mặt trước, bạn có nguy cơ gây ra sự cố không mong muốn, mỏi thiết bị và các nguy cơ hỏa hoạn tiềm ẩn trong các sự kiện albedo cao điểm. Là nhà sản xuất hàng đầu về thiết bị bảo vệ điện, VIOX Electric hiểu rằng việc định cỡ cầu chì phù hợp cho các mảng hai mặt đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cả Tiêu chuẩn Điện Quốc gia (NEC) và vật lý của bức xạ phản xạ.
Vật lý của việc Tăng Dòng Điện Hai Mặt
Không giống như các mô-đun một mặt truyền thống, các tấm hai mặt có tấm nền trong suốt hoặc thiết kế hai lớp kính cho phép ánh sáng chiếu tới các tế bào năng lượng mặt trời từ phía sau. Mặt sau đóng góp vào tổng công suất đầu ra, nhưng quan trọng hơn đối với bảo vệ mạch, nó đóng góp trực tiếp vào Dòng Điện Ngắn Mạch (I_{sc}).
Lượng dòng điện bổ sung được tạo ra phụ thuộc nhiều vào albedo (độ phản xạ) của bề mặt bên dưới các tấm và chiều cao lắp đặt. Một tấm trên mái nhà thương mại màu trắng (albedo cao) sẽ tạo ra dòng điện lớn hơn đáng kể so với một tấm trên nhựa đường hoặc cỏ.
Hệ Số Hai Mặt và Hệ Số Tăng
Để định cỡ bảo vệ chính xác, chúng ta phải định lượng mức tăng này.
- Hệ Số Hai Mặt: Tỷ lệ hiệu suất mặt sau so với hiệu suất mặt trước (thường là 70-80% đối với các tế bào PERC hoặc TOPCon hiện đại).
- Hệ Số Tăng Hai Mặt (BGF): Phần trăm tăng thực tế về dòng điện trong quá trình hoạt động. Mặc dù các nhà sản xuất có thể liệt kê mức tăng “tham chiếu”, nhưng BGF trong thế giới thực thường dao động từ 10% đến 15%, với mức tăng đột biến lên đến 25-30% trong các điều kiện tối ưu (ví dụ: tuyết hoặc màng trắng).
Các kỹ sư không thể bỏ qua dòng điện bổ sung này. Cầu chì phải có khả năng xử lý Tổng I_{sc} Kết Hợp mà không bị xuống cấp, đồng thời vẫn bảo vệ dây dẫn và mô-đun khỏi các sự cố.
NEC 690.8 và Quy Tắc 1.56: Điều Chỉnh cho Hai Mặt
Tiêu chuẩn Điện Quốc gia (NEC) cung cấp khuôn khổ để định cỡ các mạch PV, nhưng các mô-đun hai mặt làm tăng thêm một lớp phức tạp cho Điều 690.8.
Định cỡ tiêu chuẩn tuân theo “Quy Tắc 1.56”:
I_{fuse} \ge I_{sc} \times 1.25 \text{ (Hệ Số Bức Xạ)} \times 1.25 \text{ (Hệ Số Hoạt Động Liên Tục)}
Để được hướng dẫn chi tiết về định cỡ tiêu chuẩn, hãy tham khảo Hướng Dẫn Định Cỡ Cầu Chì Ngắt Kết Nối PV (Quy Tắc NEC 1.56).
Tuy nhiên, đối với các mô-đun hai mặt, I_{sc} không phải là một con số tĩnh. NEC 690.8(A)(2) cho phép tính toán dựa trên “mức trung bình dòng điện 3 giờ cao nhất”, nhưng một phương pháp thực hành kỹ thuật phổ biến và an toàn hơn là điều chỉnh I_{sc} cơ bản trước khi áp dụng các hệ số an toàn.
Công Thức Điều Chỉnh
Để đảm bảo tuân thủ và an toàn, hãy sử dụng I_{sc} đã điều chỉnh:
I_{sc, adjusted} = I_{sc, front} \times (1 + \text{Mức Tăng Hai Mặt})
Sau đó áp dụng các hệ số bảo vệ tiêu chuẩn:
\text{Định Mức Cầu Chì Tối Thiểu} = I_{sc, adjusted} \times 1.56
Bảng 1: So Sánh Tính Toán Dòng Điện Hai Mặt so với Một Mặt
| Tham số | Mô-đun Một Mặt | Mô-đun Hai Mặt (Mức Tăng 15%) |
|---|---|---|
| I_{sc} Định Mức (Mặt Trước) | 13.0 A | 13.0 A |
| Mức Tăng Mặt Sau | 0 A | +1.95 A (13.0 × 0.15) |
| I_{sc} Hiệu Quả | 13.0 A | 14.95 A |
| Hệ Số Nhân NEC | 1.56 | 1.56 |
| Cầu Chì Tối Thiểu Tính Toán | 20.28 A | 23.32 A |
| Kích thước cầu chì tiêu chuẩn | 20A hoặc 25A | 25A hoặc 30A |
Lưu ý cách mức tăng hai mặt đẩy yêu cầu lên kích thước cầu chì tiêu chuẩn tiếp theo.
IEC 60269-6 và Các Yêu Cầu về Cầu Chì gPV
Mặc dù tính toán định cỡ là rất quan trọng, nhưng kiểu loại cầu chì được chọn cũng quan trọng không kém. Đối với các ứng dụng quang điện, bạn phải sử dụng cầu chì có gPV đặc tính theo IEC 60269-6.
Không giống như cầu chì AC tiêu chuẩn hoặc cầu chì DC đa năng, cầu chì gPV được thiết kế để ngắt các dòng điện quá dòng thấp (thường là 1.35x đến 2x dòng điện định mức) thường thấy trong các chuỗi PV trong các sự kiện che bóng hoặc không phù hợp.
Tại Sao gPV Quan Trọng Đối Với Hai Mặt
Các mô-đun hai mặt có thể duy trì dòng điện cao hơn một chút so với định mức của chúng trong thời gian dài trong những ngày albedo cao. Cầu chì không phải gPV có thể bị mỏi dưới tải nhiệt liên tục này, dẫn đến hỏng hóc sớm. Hơn nữa, điện áp DC cao (1000V hoặc 1500V) đòi hỏi các khả năng dập hồ quang cụ thể được tìm thấy trong cầu chì gPV bằng gốm.
Để so sánh sâu hơn về vật liệu cầu chì, hãy đọc bài viết của chúng tôi về Hướng Dẫn An Toàn về Cầu Chì Thủy Tinh so với Cầu Chì Gốm.
Phương Pháp Tính Toán Toàn Diện
Để định cỡ cầu chì cho hệ thống hai mặt, hãy làm theo quy trình kỹ thuật từng bước này.
Bước 1: Xác định Tham chiếu $I_{sc}$
Tham khảo bảng dữ liệu của mô-đun. Tìm kiếm “Độ rọi Biển Tên Hai Mặt” hoặc các bảng dữ liệu cụ thể hiển thị $I_{sc}$ ở các mức tăng khác nhau (ví dụ: 10%, 20%, 30%). Nếu dữ liệu này không có sẵn, một kỹ sư thận trọng thường giả định mức tăng 20-25% cho các tính toán để đảm bảo an toàn, trừ khi mô hình hóa albedo cụ thể cho địa điểm chứng minh khác.
Bước 2: Áp dụng Các yếu tố NEC 690.8
Tính toán định mức tối thiểu của Thiết bị Bảo vệ Quá dòng (OCPD).
$$I_{OCPD} = I_{sc, bifacial} \times 1.25 \times 1.25$$
Bước 3: Kiểm tra Định mức Cầu chì Nối tiếp Tối đa của Mô-đun
Điều quan trọng là cầu chì được chọn không được vượt quá “Định mức Cầu chì Nối tiếp Tối đa” được liệt kê trên bảng dữ liệu của mô-đun. Điều này tạo ra một cửa sổ thiết kế:
- Sàn: Kích thước OCPD tối thiểu được tính toán (để ngăn chặn vấp không cần thiết).
- Trần: Định mức Cầu chì Nối tiếp Tối đa của Mô-đun (để bảo vệ mô-đun).
Nếu giá trị được tính toán vượt quá định mức tối đa của mô-đun, bạn không thể chỉ đơn giản tăng kích thước cầu chì. Bạn có thể cần tăng số lượng chuỗi (giảm kết nối song song) hoặc tham khảo ý kiến của nhà sản xuất mô-đun để được chứng nhận cập nhật.
Đối với các hệ thống kết hợp nhiều chuỗi, hãy đảm bảo bạn hiểu các yêu cầu đối với kết nối song song được nêu trong hướng dẫn của chúng tôi: Yêu cầu về Cầu chì PV Mặt trời: Chuỗi song song NEC 690.9.
Bảng 2: Ví dụ về Định cỡ Cầu chì cho các Định mức Mô-đun Hai mặt khác nhau
| Mô-đun Phía trước $I_{sc}$ | Mức Tăng Hai Mặt Được Sử dụng | $I_{sc}$ Đã Điều chỉnh | Tính toán Cầu chì Tối thiểu ($I \times 1.56$) | Kích thước Cầu chì Tiêu chuẩn Tiếp theo |
|---|---|---|---|---|
| 10 A | 10% | 11.0 A | 17.16 A | 20 A |
| 15 A | 15% | 17.25 A | 26.91 A | 30 A |
| 18 A | 20% | 21.6 A | 33.70 A | 35 A hoặc 40 A |
| 20 A | 25% | 25.0 A | 39.00 A | 40 A |
Giảm Định mức Nhiệt độ: Kẻ Giết Cầu chì Thầm lặng
Cầu chì là các thiết bị nhiệt; chúng hoạt động bằng cách nóng chảy khi chúng quá nóng. Do đó, nhiệt độ môi trường xung quanh cao ảnh hưởng đến khả năng mang dòng điện của chúng. Các lắp đặt năng lượng mặt trời trên mái nhà thường có nhiệt độ vượt quá 60°C hoặc 70°C.
Đối với các mô-đun hai mặt, dòng điện bổ sung tạo ra nhiệt bổ sung bên trong liên kết cầu chì ($P = I^2R$). Nếu bạn lắp đặt cầu chì định mức 25A trong hộp kết hợp đạt 60°C, cầu chì đó có thể giảm định mức hiệu quả xuống 20A hoặc thấp hơn.
Khi định cỡ cho các hệ thống hai mặt, hãy áp dụng hệ số giảm định mức nhiệt độ ($K_t$) từ bảng dữ liệu của nhà sản xuất cầu chì:
$$I_{fuse, final} = \frac{\text{Dòng điện Tối thiểu Đã Tính}}{K_t}$$
Việc không tính đến nhiệt độ là nguyên nhân chính gây ra mỏi cầu chì ở vùng khí hậu nóng. Tìm hiểu thêm về bảo vệ cáp và cầu chì trong môi trường khắc nghiệt trong Hướng dẫn Định cỡ Cầu chì Cáp Năng lượng Mặt trời Gắn trên Mặt đất.
Cân nhắc Thiết kế Thực tế
Bảng 3: Các yếu tố Tăng Hai mặt theo Loại Lắp đặt và Albedo
| Vật liệu Bề mặt | Albedo (%) | Mức Tăng Dòng điện Thông thường | Biên Độ An Toàn Được Đề Xuất |
|---|---|---|---|
| Cỏ / Đất | 15-20% | 5-7% | Thấp |
| Bê tông / Cát | 20-30% | 7-10% | Vừa |
| Mái Màng Trắng | 60-80% | 15-20% | Cao |
| Tuyết | 80-90% | 20-30%+ | Rất cao |
Lựa chọn Hộp Kết hợp
Dòng điện bổ sung từ các mô-đun hai mặt cũng ảnh hưởng đến các thanh cái và quản lý nhiệt của hộp kết hợp. Khi chọn hộp kết hợp, hãy đảm bảo định mức vỏ và các thanh cái bên trong được định cỡ cho hai mặt tổng dòng điện, không chỉ định mức phía trước. Để lập kế hoạch mở rộng, hãy xem Hướng dẫn Định cỡ Hộp Kết hợp Năng lượng Mặt trời.
Quá dòng so với Ngắn mạch
Điều quan trọng là phải phân biệt giữa bảo vệ quá tải và bảo vệ ngắn mạch. Mức tăng hai mặt làm tăng dòng điện hoạt động gần hơn với ngưỡng quá tải. Sử dụng bộ ngắt mạch hoặc cầu chì có cài đặt ngắt có thể điều chỉnh đôi khi có thể mang lại sự linh hoạt hơn so với cầu chì cố định. Để so sánh các thiết bị bảo vệ, hãy tham khảo Giải thích về Bảo vệ DC PV: MCB, Cầu chì và SPD.
Sai Lầm phổ biến để Tránh
- Bỏ qua Mức tăng Phía sau: Xác định kích thước dựa hoàn toàn vào nhãn phía trước là lỗi #1. Luôn cộng thêm hệ số tăng ích hai mặt dự kiến.
- Tính trùng lặp các hệ số an toàn: Một số kỹ sư áp dụng hệ số 1.25 hai lần một cách không cần thiết. Hãy tuân thủ công thức: $I_{sc, đã điều chỉnh} \times 1.56$.
- Vượt quá định mức cầu chì mắc nối tiếp tối đa của Mô-đun: Ưu tiên dòng điện cao đã tính toán trong khi bỏ qua giới hạn an toàn của mô-đun có thể làm mất hiệu lực bảo hành và gây ra rủi ro hỏa hoạn.
- Bỏ qua việc giảm định mức theo nhiệt độ: Một cầu chì có kích thước hoàn hảo cho 25°C có khả năng bị hỏng ở 65°C bên trong hộp đấu dây trên mái nhà.
Bảng 4: Tóm tắt các hệ số nhân NEC
| Tố | Giá trị | Mục đích |
|---|---|---|
| Tăng ích hai mặt | Biến đổi (1.10 – 1.30) | Tính đến độ rọi phía sau |
| Độ rọi cao (690.8(A)(1)) | 1.25 | Tính đến cường độ mặt trời > 1000 W/m² |
| Hoạt động liên tục (690.8(B)) | 1.25 | Ngăn ngừa cầu chì nóng lên/mỏi sau >3 giờ |
| Tổng hệ số nhân tiêu chuẩn | 1.56 | Hệ số an toàn kết hợp để tính toán |
Mục Hỏi Đáp Thường Gặp
H: Tại sao các tấm pin hai mặt cần kích thước cầu chì khác với các tấm pin một mặt?
Đ: Các tấm pin hai mặt tạo ra dòng điện từ cả hai mặt. Dòng điện bổ sung này làm tăng Dòng điện ngắn mạch hiệu dụng ($I_{sc}$) của mạch. Cầu chì chỉ được định cỡ cho đầu ra phía trước có thể bị ngắt trong giờ nắng cao điểm khi phản xạ mặt đất cao.
H: Làm cách nào để xác định Hệ số tăng ích hai mặt (BGF) chính xác cho dự án của tôi?
Đ: Lý tưởng nhất là sử dụng phần mềm mô phỏng cụ thể cho từng địa điểm (như PVSyst) có tính đến suất phản chiếu, độ dốc và chiều cao. Nếu không có mô phỏng, ước tính thận trọng về mức tăng 15-20% thường được khuyến nghị để định cỡ thiết bị an toàn, miễn là nó nằm trong định mức tối đa của mô-đun.
H: Điều gì xảy ra nếu kích thước cầu chì đã tính toán vượt quá Định mức cầu chì mắc nối tiếp tối đa của mô-đun?
Đ: Bạn không thể lắp đặt cầu chì lớn hơn định mức của mô-đun. Bạn phải thiết kế lại cấu hình chuỗi (ví dụ: ít chuỗi song song hơn) hoặc chọn mô-đun có định mức cầu chì mắc nối tiếp cao hơn.
H: Tôi có thể sử dụng cầu chì AC tiêu chuẩn cho các tấm pin mặt trời hai mặt không?
Đ: Không. Bạn phải sử dụng cầu chì được định mức cho DC (thường là 1000V hoặc 1500V) với đặc tính gPV. Cầu chì AC không thể dập tắt hồ quang DC một cách đáng tin cậy và có thể bị hỏng nghiêm trọng.
H: Nhiệt độ ảnh hưởng đến lựa chọn cầu chì của tôi như thế nào?
Đ: Cầu chì là thiết bị nhiệt. Ở nhiệt độ môi trường cao (phổ biến trong năng lượng mặt trời), chúng sẽ ngắt ở dòng điện thấp hơn. Bạn phải chia dòng điện đã tính toán của mình cho hệ số giảm định mức nhiệt độ của nhà sản xuất để chọn cường độ dòng điện cầu chì chính xác.
H: Hệ số 1.56 có bắt buộc theo NEC 690.8 là đủ cho các tấm pin hai mặt không?
Đ: Hệ số 1.56 áp dụng cho dòng điện mô-đun. Đối với các tấm pin hai mặt, bạn phải áp dụng hệ số này cho đã điều chỉnh dòng điện (Mặt trước $I_{sc}$ + Tăng ích phía sau), không chỉ $I_{sc}$ phía trước.
Những điểm chính
- Tăng ích hai mặt là cường độ dòng điện thực: Coi mức tăng phía sau là dòng điện liên tục góp phần vào nhiệt và tải, không chỉ là một đột biến tạm thời.
- Điều chỉnh $I_{sc}$ trước: Tính tổng $I_{sc}$ hiệu dụng (Mặt trước + Mặt sau) trước khi áp dụng các hệ số an toàn NEC 1.56.
- Lưu ý khoảng trống: Đảm bảo định mức cầu chì của bạn đủ cao để ngăn chặn việc ngắt do nhiễu nhưng đủ thấp để tuân thủ Định mức cầu chì mắc nối tiếp tối đa của Mô-đun.
- gPV là bắt buộc: Luôn xác minh rằng cầu chì đáp ứng các tiêu chuẩn IEC 60269-6 cho các ứng dụng quang điện; không bao giờ thay thế bằng tải tiêu chuẩn.
- Suất phản chiếu quan trọng: Bề mặt đất càng sáng (ví dụ: mái nhà màu trắng, tuyết), mức tăng dòng điện càng cao—hãy định cỡ OCPD của bạn cho phù hợp.
- Coi chừng nhiệt: Nhiệt độ môi trường trong hộp đấu dây làm giảm đáng kể dung lượng cầu chì; áp dụng các hệ số giảm định mức để tránh hỏng do mỏi.
