Tổng quan nghiên cứu

Hiện nay, hệ thống điện mặt trời (PV) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong phát triển năng lượng tái tạo, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, các tấm pin mặt trời đặt ngoài trời rất dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng cảm ứng điện từ do sét đánh (Lightning Induced Transient - LIT). Tại Nhà máy điện mặt trời Sơn Mỹ 3.1, hiện tượng này đã gây hư hỏng hơn 400 tấm pin, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống. Nghiên cứu nhằm mục tiêu phân tích chi tiết hiện tượng cảm ứng do sét trên hệ thống PV, tính toán dòng cảm ứng, trường điện từ cảm ứng trên tấm pin, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực của sét. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống PV tại Việt Nam trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2023, với dữ liệu thực tế từ các nhà máy điện mặt trời và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ bền, an toàn và hiệu quả vận hành của hệ thống PV, góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cảm ứng điện từ do sét: Mô tả quá trình hình thành và lan truyền dòng sét, từ đó xác định dòng cảm ứng và trường điện từ sinh ra trên các thiết bị điện ngoài trời, đặc biệt là tấm pin mặt trời. Áp dụng các định luật Ampere và Faraday để tính toán từ thông và suất điện động cảm ứng.

  • Mô hình cấu trúc tấm pin mặt trời: Bao gồm các thành phần vật lý như khung nhôm, kính cường lực, lớp EVA, tế bào quang điện silicon, tấm nền và hộp nối (Junction Box) chứa diode bypass. Hiểu rõ cấu tạo giúp phân tích ảnh hưởng của dòng cảm ứng lên từng bộ phận.

  • Mô hình điện tử bán dẫn: Giải thích nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện silicon và diode bypass, đặc biệt là hiện tượng phân cực ngược và quá nhiệt do dòng cảm ứng sét gây ra.

  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng các kỹ thuật như Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), Phương pháp sai phân hữu hạn thời gian (FDTD) và Mô hình hóa đa lưới (MLFMM) để mô phỏng trường điện từ và dòng cảm ứng trên tấm pin.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng sét, cảm ứng điện từ, diode bypass, hiệu suất pin mặt trời, mô phỏng trường điện từ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ Nhà máy điện mặt trời Sơn Mỹ 3.1 và các phòng thí nghiệm mô phỏng tia sét cao áp tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne và Emil Haefely Basel. Dữ liệu bao gồm dòng sét mẫu có cường độ lên đến 100 kA, điện áp đỉnh 2 triệu Volt, và các đặc tính V-I của tấm pin sau khi chịu tác động sét.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp mô hình toán học tính toán dòng cảm ứng và trường điện từ cảm ứng dựa trên định luật Ampere và Faraday, cùng với mô phỏng bằng phần mềm MATLAB và Simulink để mô phỏng hệ thống PV và dòng sét. Phân tích hiệu suất và tổn thất của tấm pin qua các thí nghiệm V-I.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nghiên cứu gồm hơn 400 tấm pin bị hư hỏng do sét tại nhà máy Sơn Mỹ 3.1, cùng với các mẫu thí nghiệm trong phòng thí nghiệm mô phỏng tia sét. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2021-2023, bao gồm thu thập dữ liệu thực tế, mô phỏng và phân tích kết quả, đề xuất giải pháp kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dòng cảm ứng do sét trên tấm pin mặt trời có thể đạt tới 25 kA trong các xung sét điển hình với dạng sóng 10/350 µs, gây ra hiện tượng quá nhiệt và hư hỏng diode bypass, làm giảm hiệu suất tấm pin tới 40% theo thí nghiệm V-I trong phòng thí nghiệm.

  2. Trường điện từ cảm ứng sinh ra trên tấm pin có cường độ cao gấp 2-5 lần so với tính toán lý thuyết, do ảnh hưởng của cấu trúc vật lý và khoảng cách giữa các tấm pin, dẫn đến tổn thất năng lượng và nguy cơ hư hỏng thiết bị điện tử.

  3. Hiệu suất của tấm pin giảm đáng kể sau khi chịu tác động của dòng sét, với mức giảm công suất đầu ra từ 12W đến 20W trên mỗi tấm pin có công suất danh định khoảng 320W, tương đương giảm 3-6%.

  4. Mô hình mô phỏng bằng MATLAB và Simulink cho kết quả phù hợp với số liệu thực tế, giúp dự báo chính xác dòng cảm ứng và trường điện từ trên hệ thống PV, hỗ trợ thiết kế giải pháp bảo vệ hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các tổn thất và hư hỏng là do dòng cảm ứng sét gây ra hiện tượng quá nhiệt tại diode bypass và các điểm nối trên tấm pin. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy dòng cảm ứng và trường điện từ cảm ứng có thể lớn hơn dự kiến do ảnh hưởng của cấu trúc vật lý và môi trường lắp đặt. Việc mô phỏng chi tiết giúp hiểu rõ hơn về phân bố dòng và trường điện từ, từ đó đề xuất các biện pháp bảo vệ phù hợp. Biểu đồ so sánh hiệu suất tấm pin trước và sau khi chịu tác động sét, cùng bảng số liệu dòng cảm ứng và điện áp đỉnh sẽ minh họa rõ nét các phát hiện này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt hệ thống chống sét lan truyền (SPD) tại các điểm nối và hộp nối tấm pin nhằm giảm dòng cảm ứng truyền vào hệ thống, nâng cao chỉ số an toàn điện áp đỉnh (VOC max) trong vòng 6 tháng tới, do nhà thầu điện và đơn vị vận hành thực hiện.

  2. Sử dụng diode bypass có khả năng chịu dòng cao và nhiệt độ lớn hơn 30% so với tiêu chuẩn hiện tại, nhằm giảm thiểu hư hỏng do quá nhiệt, áp dụng trong vòng 1 năm, phối hợp giữa nhà sản xuất và nhà đầu tư.

  3. Thiết kế lại cấu trúc khung và khoảng cách giữa các tấm pin để giảm cảm ứng điện từ, tối ưu hóa theo mô hình mô phỏng, thực hiện trong 18 tháng, do đơn vị thiết kế kỹ thuật và nhà thầu thi công.

  4. Áp dụng phần mềm mô phỏng MATLAB và Simulink để đánh giá định kỳ hiện tượng cảm ứng sét trên hệ thống PV, giúp phát hiện sớm và xử lý kịp thời, triển khai ngay trong quá trình vận hành, do đội ngũ kỹ thuật vận hành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà đầu tư và vận hành nhà máy điện mặt trời: Hiểu rõ tác động của sét đến hệ thống PV, từ đó có kế hoạch bảo trì và nâng cấp phù hợp, giảm thiểu rủi ro và tổn thất.

  2. Kỹ sư thiết kế và thi công hệ thống PV: Áp dụng các mô hình và giải pháp kỹ thuật để thiết kế hệ thống chống sét hiệu quả, đảm bảo độ bền và an toàn cho hệ thống.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện, năng lượng tái tạo: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về hiện tượng cảm ứng điện từ do sét và ứng dụng mô phỏng số trong phân tích hệ thống PV.

  4. Nhà sản xuất linh kiện PV và thiết bị chống sét: Căn cứ vào kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao khả năng chịu đựng dòng sét và tăng tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng cảm ứng do sét ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống PV?
    Dòng cảm ứng do sét gây ra quá nhiệt tại diode bypass và các điểm nối, làm giảm hiệu suất tấm pin tới 40% và có thể gây hư hỏng vĩnh viễn. Ví dụ tại nhà máy Sơn Mỹ 3.1, hơn 400 tấm pin bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

  2. Làm sao để tính toán dòng cảm ứng do sét trên tấm pin?
    Sử dụng định luật Ampere và Faraday kết hợp mô hình toán học và mô phỏng bằng MATLAB/Simulink để tính toán dòng cảm ứng và trường điện từ cảm ứng, dựa trên đặc tính dòng sét dạng sóng 10/350 µs.

  3. Diode bypass có vai trò gì trong hệ thống PV khi chịu tác động của sét?
    Diode bypass giúp bảo vệ tấm pin khi bị che bóng hoặc hư hỏng, nhưng dòng cảm ứng sét có thể làm diode quá nhiệt và hỏng, gây giảm hiệu suất và tổn thất năng lượng.

  4. Giải pháp kỹ thuật nào hiệu quả để giảm thiểu tác động của sét?
    Lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền (SPD), sử dụng diode bypass chịu dòng cao, thiết kế cấu trúc tấm pin hợp lý và áp dụng mô phỏng định kỳ để phát hiện sớm hiện tượng cảm ứng.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hiện tượng cảm ứng sét trên hệ thống PV?
    Phần mềm MATLAB và Simulink được sử dụng để mô phỏng dòng cảm ứng và trường điện từ, giúp dự báo chính xác và hỗ trợ thiết kế giải pháp bảo vệ hiệu quả.

Kết luận

  • Hiện tượng cảm ứng điện từ do sét là nguyên nhân chính gây hư hỏng và giảm hiệu suất hệ thống PV ngoài trời.
  • Dòng cảm ứng sét có thể lên đến 25 kA, gây quá nhiệt và hỏng diode bypass, làm giảm công suất tấm pin từ 3-6%.
  • Mô hình toán học và mô phỏng MATLAB/Simulink cho kết quả phù hợp với thực tế, hỗ trợ phân tích và đề xuất giải pháp.
  • Giải pháp kỹ thuật bao gồm lắp đặt SPD, sử dụng diode bypass chịu dòng cao, thiết kế cấu trúc tấm pin tối ưu và kiểm tra định kỳ bằng mô phỏng.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hệ thống PV bền vững, an toàn hơn trước tác động của sét, cần triển khai áp dụng trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các nhà đầu tư và kỹ sư vận hành nên áp dụng các giải pháp đề xuất để nâng cao độ bền và hiệu quả hệ thống PV, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng mô phỏng trong thực tế.