Sơ đồ đấu nối tủ điện năng lượng mặt trời - Cấu tạo, nguyên lý và cách lắp đặt

Các loại tủ điện năng lượng mặt trời phổ biến

Dựa theo chức năng và vị trí trong hệ thống, tủ điện được chia thành 3 nhóm chính:

Tủ điện DC: Đặt giữa chuỗi tấm pin và inverter. Đây là nơi lắp các thiết bị bảo vệ dòng điện một chiều (DC) như CB DC (aptomat DC), cầu chì, thiết bị bảo vệ chống xung điện DC (SPD DC).

Tủ điện AC: Đặt sau inverter, kết nối với tải tiêu thụ và lưới điện. Nó chịu trách nhiệm bảo vệ dòng điện xoay chiều (AC) thông qua CB AC (aptomat AC), aptomat tổng (MCCB), thiết bị chống sét lan truyền AC (SPD AC).

Tủ điện kết hợp (Hybrid): Đây là loại tủ hiện đại, tích hợp thêm bộ sạc và pin lưu trữ. Thường được sử dụng trong hệ thống điện mặt trời hybrid để đảm bảo cấp điện liên tục, ngay cả khi mất điện lưới.

Cấu tạo cơ bản của tủ điện năng lượng mặt trời

Để hiểu rõ và thiết kế đúng sơ đồ đấu nối tủ điện, trước hết cần nắm vững các thành phần cơ bản của một tủ điện mặt trời. Mỗi thiết bị bên trong đều có vai trò nhất định trong việc bảo vệ, điều phối và đảm bảo an toàn cho hệ thống.

CB DC/AC (aptomat tự động)

CB DC (Circuit Breaker Direct Current) được lắp đặt ở đầu ra của chuỗi tấm pin mặt trời, có tác dụng ngắt mạch một chiều khi dòng điện vượt ngưỡng cho phép hoặc có sự cố.

CB AC (Circuit Breaker Alternating Current) đặt phía sau inverter và trước khi kết nối với lưới điện hoặc tải tiêu thụ, chịu trách nhiệm bảo vệ dòng điện xoay chiều khi cấp vào tải hoặc hòa lưới.

Trong sơ đồ đấu nối tủ điện, CB DC và CB AC là điểm chốt quan trọng để cô lập sự cố, tránh lan truyền đến toàn hệ thống.

MCCB (aptomat tổng)

MCCB (Molded Case Circuit Breaker) là loại aptomat có khả năng ngắt mạch với dòng điện lớn, thường dùng ở đầu vào hoặc đầu ra tổng của hệ thống. Thiết bị này giúp bảo vệ tổng thể hệ thống điện mặt trời trước tình huống quá dòng, quá tải. 

MCCB cũng cho phép ngắt kết nối hệ thống khỏi nguồn điện một cách an toàn, giúp kỹ thuật viên thực hiện bảo trì và sửa chữa mà không gặp rủi ro về điện.

SPD (chống sét lan truyền DC/AC)

SPD (Surge Protection Device - Thiết bị chống sét lan truyền) là một thiết bị bảo vệ điện, có nhiệm vụ ngăn chặn và triệt tiêu các xung điện áp đột biến trong hệ thống điện. Các xung điện áp này thường xuất hiện khi có sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp vào đường dây điện, dao động điện áp từ lưới điện do đóng cắt tải lớn hoặc nhiễu điện từ hoặc sự cố trong hệ thống điện. SPD sẽ tự động dẫn dòng xung sét xuống đất qua hệ thống tiếp địa, từ đó bảo vệ các thiết bị nhạy cảm như inverter, pin lưu trữ, thiết bị điện đang sử dụng.

SPD DC được lắp ở đầu ra của tấm pin trước khi vào inverter để bảo vệ hệ thống khỏi sét lan truyền từ phía dàn pin; đặc biệt quan trọng vì chuỗi tấm pin thường đặt trên mái, dễ bị ảnh hưởng khi có sét. SPD AC được lắp ở đầu ra của inverter hoặc trong tủ điện AC, bảo vệ thiết bị khi có xung sét hoặc điện áp đột biến từ lưới điện quốc gia.

Contactor/ Rơ-le

Rơ-le (Relay) là thiết bị đóng - ngắt mạch điện tự động theo tín hiệu điều khiển (thường là dòng điện hoặc điện áp nhỏ). Khi có tín hiệu điều khiển, cuộn dây của rơ-le sẽ sinh ra từ trường, hút tiếp điểm và làm thay đổi trạng thái của mạch điện (đóng hoặc ngắt). Rơ-le thường dùng trong mạch điều khiển, tín hiệu chứ không trực tiếp đóng ngắt dòng điện lớn.

Contactor (khởi động từ) là một loại rơ-le công suất lớn, chuyên dùng để đóng - ngắt dòng điện tải lớn trong hệ thống điện. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ trường, tương tự rơ-le nhưng có khả năng chịu được dòng điện cao (hàng chục đến hàng trăm ampe). Contactor thường sử dụng để điều khiển động cơ, máy bơm, hệ thống điện mặt trời hoặc đóng cắt nguồn điện tổng.

Trong sơ đồ đấu nối tủ điện năng lượng mặt trời, Contactor/Rơ-le có vai trò:

• Tự động đóng/ngắt mạch theo điều kiện cài đặt (quá tải, mất điện lưới, ưu tiên dùng điện mặt trời…).
• Bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố, nhờ cơ chế ngắt nhanh chóng.
• Điều phối nguồn điện: ví dụ trong hệ thống hybrid, contactor có thể giúp chuyển đổi giữa nguồn điện mặt trời - pin lưu trữ - điện lưới một cách tự động.
• Kết hợp với MCCB, CB và SPD để tạo nên một sơ đồ đấu nối tủ điện hoàn chỉnh, vừa an toàn vừa linh hoạt.

Trong hệ thống điện mặt trời dân dụng ≤ 10kWp, contactor ít khi được lắp trong tủ điện tiêu chuẩn. Chủ yếu contactor dùng cho hệ thống hybrid, on-off tự động hoặc công nghiệp lớn.

Đồng hồ đo điện áp - dòng điện

Đồng hồ đo điện áp - dòng điện là thiết bị được lắp đặt trong tủ điện năng lượng mặt trời nhằm giám sát liên tục tình trạng vận hành của hệ thống. Thiết bị này hiển thị các thông số điện quan trọng như:

• Điện áp (Volt V): Mức điện áp DC từ tấm pin và điện áp AC sau inverter.
• Dòng điện (Ampe A): Cường độ dòng điện đi qua tải hoặc hòa lưới.
• Công suất tiêu thụ/ phát (Watt - kW): Một số loại đồng hồ kỹ thuật số có thể hiển thị thêm công suất, tần số, hệ số cosφ.

Đồng hồ đo điện áp - dòng điện giám sát liên tục tình trạng điện áp, dòng điện và công suất hệ thống, giúp kỹ thuật viên và chủ nhà dễ dàng kiểm soát hiệu quả hoạt động của sơ đồ đấu nối tủ điện. Một số tủ điện hiện đại còn tích hợp đồng hồ đo kỹ thuật số với khả năng lưu trữ dữ liệu.

Thanh cái, cầu đấu, dây dẫn đạt chuẩn IEC

Thanh cái: Phân phối điện trong tủ, giúp kết nối giữa các thiết bị với nhau.

Cầu đấu (terminal block): Cố định và kết nối dây dẫn, đảm bảo an toàn, gọn gàng.

Dây dẫn đạt chuẩn IEC: Sử dụng đúng loại cáp DC/AC, đảm bảo tiết diện và khả năng chịu tải theo tiêu chuẩn quốc tế.

Sơ đồ đấu nối tủ điện năng lượng mặt trời

Sơ đồ đấu nối DC (từ tấm pin mặt trời đến inverter)

Dòng điện một chiều (DC) được tạo ra từ các tấm pin mặt trời và đưa về inverter. Quy trình đấu nối cơ bản như sau:

Chuỗi tấm pin (string) → CB DC → Isolator DC → SPD DC → inverter

• CB DC (aptomat DC): bảo vệ khi quá dòng hoặc ngắn mạch.
• Isolator DC (công tắc cách ly DC): cho phép cô lập hoàn toàn dàn pin với inverter khi bảo trì hoặc sửa chữa, đảm bảo an toàn cho kỹ thuật viên.
• SPD DC: bảo vệ chống sét lan truyền từ phía dàn pin.

 Cần sử dụng cáp DC chuyên dụng cho dây dương và âm để giảm suy hao điện năng và đảm bảo an toàn vận hành.

Sơ đồ đấu nối AC (từ inverter ra tải/lưới điện)

Sau khi inverter chuyển đổi dòng DC thành AC, điện sẽ được phân phối đến tải tiêu thụ hoặc hòa vào lưới điện quốc gia. Cấu trúc đấu nối cơ bản:

Inverter → CB AC → Isolator AC → SPD AC → Tải & lưới điện

• CB AC (aptomat AC): ngắt mạch khi có quá dòng, ngắn mạch.
• Isolator AC (công tắc cách ly AC): tách biệt inverter khỏi lưới/tải khi cần bảo trì, đặc biệt quan trọng trong hệ thống hòa lưới.
• SPD AC: bảo vệ thiết bị khỏi xung sét hoặc điện áp đột biến từ lưới điện quốc gia.

Có thể thiết kế ở dạng 1 pha hoặc 3 pha tùy nhu cầu sử dụng.

Sơ đồ tủ điện năng lượng mặt trời hybrid

Pin mặt trời → bộ sạc MPPT → pin lưu trữ → inverter hybrid

Inverter → tủ AC → Tải/lưới

Có cơ chế ưu tiên: tự dùng trước, pin lưu trữ, điện lưới sau cùng

Nguyên lý hoạt động của tủ điện mặt trời

Trong một hệ thống điện mặt trời, tủ điện là trung tâm điều phối và bảo vệ dòng điện. Để hệ thống vận hành ổn định, kỹ sư sẽ thiết kế sơ đồ đấu nối tủ điện với đầy đủ cơ chế bảo vệ cho cả phía DC (một chiều) và AC (xoay chiều).

Bảo vệ DC: Ngắt khi dòng điện từ pin bất thường

Dòng điện một chiều từ tấm pin thường có điện áp cao (từ 600V đến hơn 1.000V). Trong sơ đồ đấu nối tủ điện DC, các thiết bị như CB DC, cầu chì DC, SPD DC sẽ lập tức ngắt mạch khi dòng điện bất thường hoặc khi có sự cố như chập dây, quá áp, sét đánh lan truyền. Nhờ đó, inverter được bảo vệ an toàn.

Bảo vệ AC: Ngắt khi điện lưới hoặc tải bị quá áp, quá dòng

Sau khi qua inverter, dòng điện AC được cấp cho tải trong nhà hoặc hòa vào lưới điện quốc gia. Sơ đồ đấu nối tủ điện AC được thiết kế với CB AC, MCCB, SPD AC nhằm ngắt mạch ngay khi phát hiện quá áp, quá dòng, ngắn mạch từ lưới hoặc tải. Điều này giúp hệ thống không gây rối loạn điện áp, đồng thời tránh thiệt hại cho các thiết bị điện trong gia đình/nhà xưởng.

Chống sét: Bảo vệ inverter và thiết bị trong nhà

Tủ điện luôn tích hợp SPD cho cả DC và AC. Khi có xung sét hoặc điện áp đột biến, SPD sẽ dẫn dòng xung xuống hệ thống tiếp địa, không cho lan truyền vào inverter hay tải. 

Cơ chế tự động ngắt khi có sự cố: Đảm bảo an toàn cháy nổ

Khi xảy ra bất kỳ sự cố nào (quá tải, ngắn mạch, rò điện, chạm chập…), tủ điện sẽ tự động ngắt nhờ hệ thống CB, MCCB, contactor hoặc rơ-le. Nguyên lý này đảm bảo an toàn cháy nổ cho công trình, ngăn hư hỏng lan rộng đến toàn hệ thống và bảo vệ tính mạng con người khi có sự cố rò điện.

Lưu ý khi lắp đặt và đấu nối tủ điện năng lượng mặt trời

Dùng CB, MCCB, SPD đúng chuẩn cho DC/AC

Sử dụng CB hoặc MCCB phù hợp với công suất và dòng điện của hệ thống. Trang bị SPD cho cả DC (đầu vào từ pin năng lượng mặt trời) và AC (đầu ra nối lưới) nhằm bảo vệ inverter và các thiết bị điện khỏi quá áp do sét lan truyền hoặc sự cố lưới điện. Ưu tiên thiết bị có chứng nhận IEC 60364, IEC 62548, TUV hoặc CE, đảm bảo chất lượng quốc tế.

Đảm bảo dây dẫn đạt tiết diện và tiêu chuẩn an toàn

Dây DC từ pin về tủ điện phải dùng dây cáp chuyên dụng có khả năng chịu tia UV, nhiệt độ cao và chống cháy. Dây AC phải chọn tiết diện phù hợp để tránh tổn hao điện áp và quá nhiệt. Toàn bộ dây dẫn nên đi trong ống gen chống cháy, chống ẩm và hạn chế côn trùng gặm nhấm.

Thiết lập hệ thống tiếp địa và chống sét an toàn 

Tủ điện cần có hệ thống tiếp địa độc lập. Toàn bộ vỏ tủ, khung giá đỡ pin, inverter và thiết bị trong hệ thống đều phải nối đất an toàn. Kết hợp cọc tiếp địa và dây đồng trần theo đúng quy chuẩn để giảm thiểu rủi ro cháy nổ do sét.

Vị trí lắp đặt tủ điện

Nên đặt tủ điện tại khu vực khô ráo, thoáng mát, dễ thao tác và bảo trì.

Tránh các vị trí có nắng gắt trực tiếp hoặc độ ẩm cao, hạn chế nguy cơ chập cháy.

Với hệ thống quy mô lớn, cần thiết kế lối đi và không gian thao tác để kỹ thuật viên dễ dàng kiểm tra và bảo dưỡng.

Tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn quốc tế IEC

Hệ thống điện mặt trời phải được lắp đặt theo đúng tiêu chuẩn:

• IEC 60364: Tiêu chuẩn quốc tế về lắp đặt hệ thống điện hạ thế.
• IEC 62548: Hướng dẫn lắp đặt hệ thống PV, đảm bảo an toàn cho người dùng và thiết bị.

Việc tuân thủ tiêu chuẩn giúp hệ thống đạt độ an toàn cao, vận hành ổn định lâu dài và dễ dàng vượt qua các quy trình nghiệm thu, kiểm định.