Sơ đồ mạch điện năng lượng mặt trời: Nguyên lý, cách đấu nối và ứng dụng

Trong các hệ thống điện mặt trời, sơ đồ mạch điện đóng vai trò như “bản đồ kỹ thuật”, giúp hình dung rõ ràng cách các thiết bị được kết nối và vận hành. Việc nắm vững nguyên lý và cách đấu nối không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tối ưu hiệu suất sử dụng. Cùng CoCo Solar tìm hiểu các loại sơ đồ mạch điện năng lượng mặt trời phổ biến, từ hệ on-grid, hybrid, off-grid cho đến ứng dụng DIY trong đời sống.

Mạch điện năng lượng mặt trời là gì?

Khái niệm mạch điện năng lượng mặt trời

Trong bất kỳ hệ thống điện nào, sơ đồ mạch điện được xem là phần cốt lõi để định hình cấu trúc và cách vận hành. Với hệ thống điện mặt trời, sơ đồ mạch điện là bản vẽ kỹ thuật thể hiện mối liên kết giữa các thành phần chính gồm:

• Tấm pin mặt trời: Nơi hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC)
• Inverter (biến tần): chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) tương thích với lưới điện và thiết bị sử dụng
• Tủ điện & hệ thống bảo vệ: bao gồm cầu dao, aptomat, thiết bị chống sét… nhằm đảm bảo an toàn và quản lý dòng điện
• Pin lưu trữ/ắc quy (nếu có): Tích trữ điện năng để sử dụng vào ban đêm hoặc khi mất điện lưới.
• Tải tiêu thụ: Các thiết bị điện sử dụng

Có thể hình dung sơ đồ mạch điện giống như “bản đồ luồng điện”: Năng lượng mặt trời → Tấm pin → Dòng điện DC → Inverter → Dòng điện AC → Thiết bị sử dụng.

Nếu hệ thống có pin lưu trữ, dòng điện sẽ được phân nhánh: một phần nạp vào pin, một phần cấp trực tiếp cho tải tiêu thụ.

Tầm quan trọng của sơ đồ mạch điện

Đảm bảo an toàn vận hành

Việc thiết kế sơ đồ mạch điện rõ ràng giúp kỹ sư và thợ thi công bố trí đúng cầu dao, dây dẫn, chống sét… từ đó hạn chế nguy cơ rò điện, chập cháy hay giật điện DC vốn có cường độ rất mạnh.

Hỗ trợ thi công và lắp đặt chuẩn xác

Khi có sơ đồ mạch điện, đội ngũ kỹ thuật có thể tiến hành lắp đặt một cách hệ thống, đồng bộ. Điều này giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và tránh được sai sót trong quá trình đấu nối.

Thuận tiện cho bảo trì, sửa chữa

Trong quá trình sử dụng, nếu xảy ra sự cố, sơ đồ mạch điện là tài liệu tham chiếu quan trọng để xác định nhanh vị trí hư hỏng, kiểm tra dòng điện, từ đó khắc phục sự cố kịp thời.

Tối ưu hiệu suất sử dụng điện

Một sơ đồ mạch điện thiết kế đúng chuẩn sẽ đảm bảo năng lượng từ tấm pin được khai thác tối đa, hạn chế thất thoát trên đường dây, đồng thời phân bổ hợp lý giữa tải tiêu thụ và lưu trữ.

Giảm thiểu sai sót, tránh hỏng thiết bị

Việc đấu nối sai hoặc bỏ qua thiết bị bảo vệ có thể gây hỏng inverter, cháy nổ pin lưu trữ/ ắc quy hoặc làm hư hại toàn bộ hệ thống. Sơ đồ mạch điện chính xác sẽ giúp người dùng tránh những rủi ro này.

Sơ đồ mạch điện năng lượng mặt trời cơ bản

Sơ đồ mạch điện cơ bản của hệ thống điện mặt trời bao gồm ba thành phần chính: Tấm pin mặt trời → Inverter → Tải sử dụng.

Với cấu trúc đơn giản, loại mạch này không có hệ thống lưu trữ điện (ắc quy/ pin Lithium), nghĩa là điện mặt trời tạo ra đến đâu thì dùng trực tiếp đến đó. Vào ban đêm không có nắng, hệ thống sẽ không cung cấp điện.

Ưu điểm:

• Chi phí thấp: Do không cần bộ lưu trữ và tủ điện phức tạp
• Lắp đặt nhanh chóng: Sơ đồ đơn giản, ít thiết bị, dễ thi công
• Hiệu suất cao: Điện năng được sử dụng trực tiếp, không qua khâu lưu trữ nên hạn chế thất thoát

Hạn chế:

• Không dự trữ điện: Ban đêm hoặc khi mất điện thì hệ thống không hoạt động
• Phụ thuộc thời tiết: Vào những ngày mưa dài, công suất giảm đáng kể.
• Chỉ phù hợp quy mô nhỏ, khó đáp ứng nhu cầu sử dụng điện liên tục

Các loại sơ đồ mạch điện năng lượng mặt trời

Sơ đồ mạch điện hòa lưới bám tải (On-grid)

Chuỗi kết nối hệ hòa lưới bám tải:

Pin mặt trời → DC isolator  →  CB DC → SPD DC → Inverter hòa lưới → Tủ điện AC → Tải & Điện lưới.

Nguyên lý hoạt động:

• Tấm pin mặt trời phát điện một chiều (DC)
• Dòng DC được đưa qua CB DC (cầu dao bảo vệ DC) và SPD DC (chống sét DC)
• Inverter hòa lưới chuyển đổi dòng DC thành AC và đồng bộ với điện lưới
• Dòng điện AC sau đó được phân phối đến các thiết bị tải và có thể đẩy phần dư ngược lên lưới điện

Ưu điểm:

• Chi phí đầu tư thấp, không cần pin lưu trữ
• Hiệu suất cao, điện năng tạo ra được sử dụng trực tiếp
• Thân thiện môi trường, giảm lượng điện phải mua từ EVN

Nhược điểm:

• Khi mất điện lưới, hệ thống ngừng hoạt động hoàn toàn, kể cả khi trời nắng
• Phụ thuộc vào độ ổn định của lưới điện

Sơ đồ mạch điện hybrid

Chuỗi kết nối hệ kết hợp hybrid:

Pin mặt trời → MPPT inverter hybrid  ↔   Pin lưu trữ

                                    ↓

                          Tủ điện AC → Tải & Điện lưới

Nguyên lý hoạt động:

• Pin mặt trời phát điện và dùng cho tải, đồng thời lưu trữ vào pin
• Inverter Hybrid có chức năng quản lý thông minh, ưu tiên dùng điện mặt trời, sau đó đến pin lưu trữ, cuối cùng mới sử dụng điện lưới
• Khi lưới điện bị cúp, hệ thống vẫn duy trì hoạt động nhờ pin lưu trữ

Ưu điểm:

• Cung cấp điện 24/7, kể cả khi mất điện lưới
• Tối ưu chi phí điện: Giảm tiền điện hàng tháng bằng cách khai thác tối đa năng lượng mặt trời
• Tính linh hoạt cao: Có thể điều chỉnh mức lưu trữ điện năng theo nhu cầu

Nhược điểm:

• Chi phí cao hơn on-grid do phải đầu tư thêm pin lưu trữ
• Yêu cầu kỹ thuật thi công và vận hành phức tạp hơn

Sơ đồ mạch điện off-grid (độc lập)

Chuỗi kết nối hệ độc lập off-grid:

Pin mặt trời → MPPT charge controller → Pin lưu trữ → Inverter → Tải

Nguyên lý hoạt động:

• Tấm pin phát điện, năng lượng được đưa vào bộ điều khiển sạc (charge controller) để nạp cho pin Lithium
• Từ pin lưu trữ, điện DC sẽ đi qua inverter để biến đổi thành AC cung cấp cho tải
• Hệ thống hoàn toàn không kết nối với điện lưới

Ưu điểm:

• Hoạt động độc lập hoàn toàn, không phụ thuộc vào lưới điện
• Giải pháp duy nhất cho vùng sâu, vùng xa, hải đảo hoặc nơi không có điện lưới

Nhược điểm:

• Chi phí đầu tư cao do cần nhiều pin lưu trữ
• Tuổi thọ pin có hạn, cần thay thế định kỳ
• Dễ xảy ra tình trạng thiếu điện vào mùa mưa kéo dài nếu không tính toán công suất kỹ

Sơ đồ mạch điện 3 pha

Chuỗi kết nối 3 pha:

Pin mặt trời → Inverter 3 pha → Tủ điện AC → Tải 3 pha & điện lưới

Nguyên lý hoạt động:

• Pin mặt trời phát điện DC
• Inverter 3 pha chuyển đổi thành điện AC 3 pha
• Điện AC 3 pha cấp trực tiếp vào tủ điện 3 pha, phân phối cho những nơi có phụ tải 3 pha và nhu cầu tiêu thụ điện lớn

Ưu điểm:

• Công suất lớn, đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp
• Hiệu quả cao nhờ tối ưu dòng điện 3 pha
• Có thể hòa lưới để tận dụng song song điện mặt trời và điện từ EVN

Nhược điểm:

• Chi phí đầu tư ban đầu cao, đòi hỏi kỹ thuật chuyên sâu

Sơ đồ mạch điện cho ứng dụng nhỏ (DIY)

Bên cạnh các hệ thống điện mặt trời quy mô lớn cho hộ gia đình hoặc doanh nghiệp, vẫn có những sơ đồ mạch điện năng lượng mặt trời mini (DIY) được ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Các sơ đồ này thường đơn giản, dễ lắp đặt và chi phí thấp, phù hợp cho người yêu thích tự chế và muốn trải nghiệm công nghệ năng lượng xanh.

Đèn năng lượng mặt trời

Cấu hình cơ bản: 

Pin → Bộ sạc → Ắc quy → LED

Nguyên lý hoạt động:

• Ban ngày, tấm pin hấp thụ ánh nắng và tạo ra dòng điện DC
• Bộ sạc điều khiển sẽ nạp điện vào ắc quy, đồng thời kiểm soát quá trình sạc để tránh quá tải
• Ban đêm, điện từ ắc quy được cấp cho bóng đèn LED, tạo ánh sáng

Ưu điểm:

• Thiết kế nhỏ gọn, dễ lắp đặt ngoài trời
• Tự động bật/ tắt theo ánh sáng môi trường
• Chi phí thấp, không cần kéo dây điện phức tạp

Ứng dụng:

• Chiếu sáng sân vườn, lối đi, khuôn viên công cộng
• Đèn đường năng lượng mặt trời mini cho khu dân cư

Mạch sạc ắc quy mini

Cấu hình cơ bản: 

Pin 12V → PWM/MPPT charge controller → Ắc quy 12V → tải DC

Nguyên lý hoạt động:

• Pin mặt trời 12V nạp điện vào ắc quy thông qua bộ điều khiển sạc
• Bộ điều khiển (PWM hoặc MPPT) tối ưu dòng điện và điện áp, giúp kéo dài tuổi thọ ắc quy
• Năng lượng dự trữ trong ắc quy được dùng để chạy các tải DC như quạt, bơm nước mini hoặc sạc điện thoại

Ưu điểm:

• Linh hoạt, dễ lắp ráp
• Chi phí thấp, phù hợp cho DIY
• Có thể mở rộng quy mô bằng cách ghép thêm pin và ắc quy

Ứng dụng:

• Sạc điện thoại, đèn pin, loa bluetooth
• Cung cấp điện cho quạt mini, bơm nước nhỏ, máy bơm cá cảnh

Mạch điện IoT / camera năng lượng mặt trời

Cấu hình cơ bản: 

Tấm pin nhỏ 10 - 50W → bộ sạc → pin lưu trữ→ camera WiFi

Nguyên lý hoạt động:

• Tấm pin nhỏ (công suất 10 - 50W) tạo ra dòng điện DC
• Bộ sạc nạp điện vào pin Lithium có dung lượng vừa đủ
• Pin Lithium cung cấp điện ổn định cho camera WiFi hoặc thiết bị IoT.

Ưu điểm:

• Hoạt động độc lập, không cần cắm điện lưới
• Dễ dàng lắp đặt tại mọi vị trí, kể cả nơi khó kéo dây điện
• Pin Lithium tuổi thọ cao, sạc nhanh, bền hơn ắc quy truyền thống

Ứng dụng:

• Camera giám sát ngoài trời cho hộ gia đình, trang trại, công trường
• Hệ thống IoT như cảm biến môi trường, cảm biến nông nghiệp, bộ đo nhiệt độ & độ ẩm
• Các thiết bị thông minh hoạt động ngoài trời không có sẵn điện lưới

Lưu ý khi thiết kế và đấu nối mạch điện mặt trời

Điện DC từ pin có thể gây giật mạnh, phải có CB DC bảo vệ

Điện một chiều (DC) từ pin năng lượng mặt trời có đặc tính dòng liên tục, khó ngắt mạch hơn điện xoay chiều (AC). Khi công suất hệ thống tăng, dòng điện DC có thể đạt hàng chục đến hàng trăm ampe, dễ gây chập cháy hoặc giật nguy hiểm. Vì vậy, cần lắp đặt cầu dao bảo vệ DC (CB DC) ở đầu ra của dãy pin (string) để bảo vệ thiết bị và đảm bảo an toàn khi bảo trì.

Dây dẫn phải chọn đúng tiết diện để tránh quá nhiệt

Nếu chọn dây dẫn nhỏ hơn công suất yêu cầu, khi dòng điện chạy qua sẽ gây quá nhiệt, nóng chảy vỏ dây, dễ chập cháy. Ngược lại, dây dẫn quá lớn sẽ gây lãng phí chi phí đầu tư. Cách tính toán tiết diện dây thường được chọn dựa trên công suất hệ thống, chiều dài dây, loại dòng điện (DC/AC) và tiêu chuẩn an toàn điện. Cần dùng dây đạt chuẩn IEC, có khả năng chống tia UV, chịu nhiệt ngoài trời.

Trang bị chống sét (SPD) cho cả DC & AC

Hệ thống điện mặt trời thường được lắp trên mái, nên dễ bị ảnh hưởng bởi sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền. SPD DC bảo vệ inverter và ắc quy khỏi xung điện từ phía tấm pin. SPD AC bảo vệ tải tiêu thụ và toàn bộ lưới điện trong gia đình/nhà xưởng. Việc lắp SPD là bắt buộc với các hệ thống đạt chuẩn quốc tế, giúp tăng tuổi thọ và độ ổn định cho toàn bộ thiết bị.

Tiếp địa hệ thống đúng chuẩn IEC 62548

Tiếp địa (nối đất) là bước quan trọng giúp phân tán dòng điện rò và sét xuống đất, tránh nguy cơ giật điện và cháy nổ. Chuẩn quốc tế IEC 62548 quy định rõ về thiết kế, thi công và nghiệm thu hệ thống điện mặt trời, trong đó có yêu cầu tiếp địa. Các bộ phận cần tiếp địa: khung pin, vỏ inverter, tủ điện, SPD.

Không tự DIY hệ lớn nếu không có chuyên môn

Với các hệ thống mini DIY (như đèn năng lượng mặt trời, camera nhỏ…), người dùng có thể tự lắp đặt. Nhưng với hệ thống hòa lưới, hybrid hoặc công suất lớn, việc tự đấu nối nếu không có chuyên môn có thể gây nguy cơ mất an toàn điện, hư hỏng inverter hoặc pin lưu trữ, chi phí thay thế cao, lắp đặt không đạt chuẩn kỹ thuật, dẫn đến từ chối bảo hành. Vì vậy, nên thuê đơn vị thi công chuyên nghiệp, am hiểu tiêu chuẩn IEC và có kinh nghiệm thực tế.

CoCo Solar - Nền tảng tiên phong trong lắp đặt điện mặt trời trả chậm tại Việt Nam

Để trải nghiệm việc lắp đặt điện mặt trời mái nhà một cách xuyên suốt và nhanh gọn, bạn có thể sử dụng ứng dụng CoCo Solar hoặc truy cập website https://www.cocosolar.vn/vi. 

Với CoCo Solar, bạn có thể sở hữu hệ thống điện mặt trời mà không mất chi phí đầu tư ban đầu với chương trình trả chậm lãi suất 0% và cho vay 100% giá trị hệ thống. Hỗ trợ khách hàng dễ dàng xem báo giá, đặt lịch khảo sát, lắp đặt hệ thống qua một nền tảng duy nhất. CoCo Solar biến điện xanh trở nên dễ tiếp cận, an toàn và tiết kiệm hơn bao giờ hết. 

Nếu bạn đang tìm kiếm giải pháp điện mặt trời thông minh, tiết kiệm và dễ triển khai, hãy để CoCo Solar đồng hành cùng bạn trong hành trình chuyển đổi sang năng lượng sạch.