Vấn đề chống sét bảo vệ hệ thống điện năng lượng mặt trời

Điện năng lượng mặt trời (solar power) – quang điện hay quang năng (photovoltaics – PV) là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ các tấm pin mặt trời. Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng.

Kể từ năm 2002, sản lượng điện mặt trời mỗi năm tăng 48%, nghĩa là cứ 2 năm lại tăng gấp đôi và đã giúp ngành năng lượng này đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất thế giới. Đến hết năm 2007 công suất quang điện trên toàn thế giới đạt 12400MW, 90% sản lượng điện trong số đó đã được hòa vào lưới điện chung, còn lại là điện mặt trời áp mái và điện mặt trời tích hợp cho tòa nhà. Ở một số quốc gia như Đức, Nhật, Hoa Kỳ, Israel, Úc đã đưa ra nhiều ưu đãi tài chính, hỗ trợ thuế nhằm thúc đẩy ngành điện mặt trời phát triển nhanh chóng.
Ở Việt Nam, điện mặt trời thuộc nhóm công nghiệp năng lượng mới nổi, hòa nhập theo sự phát triển nguồn năng lượng tái tạo chung của thế giới, đồng thời đáp ứng nhu cầu phát triển nguồn năng lượng khi các nguồn thủy điện lớn đã khai thác hết, các nguồn nhiệt điện nhỏ không đảm bảo lợi ích mang lại so với thiệt hại môi trường mà nó gây ra; Điện mặt trời đang được ưu đãi phát triển và có sự tăng trưởng mạnh.
Do vị trí địa lý của Việt Nam nằm trọn trong vùng chí tuyến bắc và gần với xích đạo nên có tiềm năng lớn về bức xạ năng lượng mặt trời và gió, tập trung chủ yếu ở các tỉnh Nam Trung Bộ. Vì vậy, điện mặt trời cùng với điện gió đang được Nhà nước Việt Nam khuyến khích phát triển, thể hiện ở Quyết định 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, đảm bảo phát triển nguồn điện khi dừng các dự án điện hạt nhân và giảm bớt các nhiệt điện đốt hóa thạch.
Những ưu đãi về đầu tư xây dựng nhà máy và giá bán điện cho Điện lực Việt Nam đã thu hút sự quan tâm của nhà đầu tư trong nước và ngoài nước. Tuy chỉ bắt đầu triển khai xây dựng từ năm 2015, đến giữa năm 2019 đã có vài trăm dự án có công suất từ 20 đến 250MW đã và sắp hoàn thành. Theo EVN tính tới ngày 30/05/2019 đã có 47 dự án điện mặt trời với tổng công suất 2300MW được hòa vào lưới điện quốc gia.
 
 
Vì sao phải chống sét cho hệ thống điện năng lượng mặt trời
Theo Hiệp hội các ngành công nghiệp năng lượng mặt trời của Hoa Kỳ, giá trung bình của một dự án điện mặt trời thương mại trên thế giới đã giảm trên 50% trong vong 2 năm qua, ở Việt Nam nếu đầu năm 2018 suất đầu tư trung bình cho 1kWp nhà dân dụng từ 27 - 30 triệu đồng thì đến đầu năm 2019 chỉ còn trên dưới 20 triệu đồng cho mỗi kWp. Lấy ví dụ tương tự đối với hệ thống điện mặt trời có công suất 1MWp thì tổng mức đầu tư là khoảng 20 tỷ đồng, trong đó các mức đầu tư được phân bổ như sau:
Tấm pin mặt trời là thành phần chính của bất kỳ hệ thống nào chúng chiếm 59%. Chúng bao gồm các tế bào quang điện (PV) chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện trực tiếp (DC). Các tấm pin mặt trời chiếm khoảng hơn một nửa tổng chi phí của hệ mặt trời.
Biến tần chuyển đổi điện một chiều từ các bảng thành điện xoay chiều (AC). Biến tần chiếm khoảng 15% của tổng chi phí hệ thống.
Hệ cân bằng hệ thống hay hệ khung định hình:  bao gồm khung nhôm định hình, phụ kiện cơ khí, dây cáp quang điện, hệ thống dây điện, ống luồn, tiếp địa, chống sét, CB, bảng điện, v.v. Chi phí cho loại này chiếm khoảng 17% tổng hệ thống.
Các chi phí còn lại được tính bằng việc lắp đặt, cài đặt, thí nghiệm, test, chạy thử vận hành, kết nối  hệ thống với lưới điện. Chi phí này chiếm khoảng 9%.
Chi phí đầu tư, thời gian sử dụng, hiệu quả thu được là bài toán luôn được cân nhắc ở bất kỳ một công trình nào, các hãng sản xuất tấm pin mặt trời uy tín công bố sản phẩm của họ có tuổi thọ lên đến 25 năm. Tuy nhiên người ta thường bỏ qua các tác động có thể làm suy giảm hiệu quả và thời gian hoạt động của hệ thống.
Dự án điện mặt trời áp mái trang trại tại xã Thăng Hưng, huyện Chư Prông, tỉnh Gia Lai
 
Do đặc thù thiết kế, hệ thống điện mặt trời được bố trí ở khu vực có địa thế bằng phẳng và trải rộng có quy mô lên đến hàng chục hecta hoặc lắp đặt trên mái cao nhất của tòa nhà, mái nhà xưởng nên xác suất rủi ro do sét gây ra với hệ thống là rất cao. Các thiệt hại dễ nhận biết bằng mắt thường nhất là ở vị trí các tấm pin mặt trời, dây dẫn, bộ điều khiển, biến tần (inverter), tủ hòa lưới điện đồng bộ ... tất cả chúng đều được liên kết về điện với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh, nên một thành phần trong chuỗi mắt xích này gặp rủi ro đều gây ra ảnh hưởng đến thành phần khác. Do vị trí địa lý Việt Nam nằm ở tâm giông của châu Á – một trong 3 tâm giông hoạt động giông sét mạnh trên thế giới, mùa giông ở nước ta là tương đối dài, bắt đầu từ tháng 4 và kết thúc vào tháng 10, số ngày giông trung bình là 100 ngày/ năm và số giờ giông trung bình là 250 giờ/ năm. Tình hình giông sét phức tạp và diễn biến khó lường thường gây ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động kinh tế - xã hội, cũng như các tác động xấu đến môi trường sống.
 
Hậu quả do sét gây ra là gì?
Ở Việt Nam trung bình phải hứng chịu 2 triệu cú sét đánh xuống đất mỗi năm, nhiều vụ sét đánh gây thiệt hại kinh tế và tính mạng con người, gây hoang mang cho người dân. Mặc dù thiệt hại và rủi ro về sét đã hiện hữu trước mắt nhưng xuất phát từ tâm lý chủ quan, chưa thực sự coi trọng về tầm quan trọng của công tác chống sét nên hầu như không có một công trình điện năng lượng mặt trời nào hiện nay được lắp đặt hệ thống chống sét hoàn chỉnh theo đúng nghĩa.
Các thiệt hại gây cháy nổ tấm pin mặt trời, đường dây truyền tải, bộ điều khiển, bộ biến tần … là các thiệt hại trực tiếp có thể quan sát bằng mắt thường và được khắc phục bằng cách thay thế tại các vị trí thiết bị hoặc cụm thiết bị để tiếp tục duy trì hoạt động của cả hệ thống. Tuy nhiên thiệt hại gián tiếp do sét gây ra mới là vấn đề cần hết sức chú ý và quan tâm. Sét là nguyên nhân chính gây ra sốc điện, các sốc điện lớn gây quá áp và quá dòng không chỉ làm hỏng các tấm pin quang điện, bộ biến tần, thiết bị điện tử theo dõi mà còn ảnh hưởng đến các thiết bị đầu cuối được lắp đặt. Các sốc điện nhỏ thì không gây hư hỏng ngay tức thì mà chúng làm giảm thời gian sử dụng, giảm tuổi thọ làm việc của các bộ phận cấu thành lên hệ thống, các hư hỏng này tích lũy đủ lớn theo thời gian sẽ gây ra những sự cố bất thường làm gián đoạn hoạt động của cả hệ thống, thiệt hại kinh tế lúc này sẽ được tính bằng thời gian mà hệ thống dừng sản xuất. Đặc biệt các sự cố do thiệt hại gián tiếp có thể xảy ra ngay trong điều kiện thời tiết bình thường. 
Lỗi ngắt mạch DC – lỗi khá phổ biến nhưng tồn tại rủi ro cao, trong khi hệ thống đang làm việc tạo ra dòng điện, các sốc điện có thể gây suy giảm chất lượng các mối nối theo thời gian. Các mối nối kém chất lượng này có thể gây nên hiện tượng phóng hồ quang tại các vị trí dưới tấm pin mặt trời, tại bộ biến tần, mối nối dây tiếp địa hoặc cáp nguồn DC. Lỗi ngắn mạch DC – sốc điện trong thời gian dài có thể làm đánh thủng lớp cách điện của cáp nguồn DC gây phóng hồ quang có thể dẫn đến cháy nổ.
  
Thiệt hại trực tiếp gây cháy nổ hư hỏng tức thì
 
Thiệt hại gián tiếp gây hư hỏng theo thời gian sử dụng
 
Quan trọng hơn nó có thể gây ra hư hỏng các máy móc công nghiệp, thiết bị của tòa nhà có thể khiến việc sản xuất bị đình trệ, thiệt hại kinh tế nghiêm trọng. Với các vị trí quân sự quan trọng như các vùng hải đảo mà điện lưới không thể kéo đến, hệ thống điện mặt trời bị gián đoạn có thể làm tê liệt cả một vị trí chiến lược trong công tác an ninh quốc phòng. Cho dù là các tác động gây thiệt hại trực tiếp hay gián tiếp thì đều dẫn đến tổn thất về giá trị kinh tế, giá trị đầu tư nói chung và ảnh hưởng đến các hoạt động dịch vụ phía sau cho các đơn vị sử dụng nói riêng.
 
Sự cần thiết bảo vệ chống sét
Theo điều 7 Nghị định số 79/2014/NĐ-CP ngày 31 tháng 7 năm 2014 của Chính phủ quy định cơ sở có nguy hiểm về cháy, nổ, quy định tại Phụ lục II ban hành kèm theo Nghị định này phải có hệ thống chống sét đảm bảo an toàn về phòng cháy và chữa cháy. Trong đó chống sét là một hạng mục bắt buộc phải có và phải được nghiệm thu trước khi vào sử dụng. Với đặc thù là công trình sản sinh ra dòng điện do đó cần phải được kiểm tra nghiêm ngặt về công tác chống sét trước khi đưa hệ thống vào hoạt động, chỉ cần một tác động nhỏ cũng có thể gây ra hậu quả lớn mà không thể lường trước được. 
Nguyên nhân sâu xa dẫn đến hư hỏng thiết bị do năng lượng sinh ra trong quá trình phóng sét; nhưng nguyên nhân trực tiếp là do sốc điện, đây mới chính là tác nhân làm mất khả năng cách điện trong chính bản thân thiết bị dẫn đến cháy nổ. Vậy chống sét chính là các biện pháp nhằm giảm thiểu thiệt hại liên quan đến sốc điện hoặc cháy nổ gây nguy hiểm cho con người, tài sản bên trong công trình. Hầu hết mọi công trình trên thế giới hiện nay, hệ thống chống sét đều được thiết kế tuân thủ nguyên tắc theo tiêu chuẩn IEC 62305:2010 Protection against lightning.
 
Giải pháp chống sét cho hệ thống điện năng lượng mặt trời
Ở Việt Nam Tiêu chuẩn chống sét mới nhất hiện nay TCVN9888:2013 được dịch nguyên bản từ IEC62305:2010, điều này giúp cho các kỹ sư thiết kế có thể tiếp cận chính xác nhất về các yêu cầu cũng như các nguyên tắc để đảm bảo thiết kế đúng theo tiêu chuẩn.
Hệ thống chống sét cho điện năng lượng mặt trời được thiết kế theo cấp chống sét LPS III đối với cả hệ thống chống sét trực tiếp và chống sét lan truyền. 
Vùng bảo vệ chống sét (Lightning Protection Zone – LPZ) được xác định băng phương pháp quả cầu lăn theo IEC 62305-3:2010. Khi thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cần tính toán đến khoảng cách giữa giữa nó với hệ thống pin quang điện. Khoảng cách ly này được tính toán nhằm tránh việc phóng điện không kiểm soát của hệ thống chống sét trực tiếp với các kết cấu bằng kim loại như khung giá của tấm pin quang điện theo IEC 62305-3:2010
Dây dẫn sét cần định tuyến sao cho ngắn nhất và dẫn thẳng xuống hệ thống tiếp địa; dây dẫn nguồn AC, nguồn DC, dây tín hiệu phải được định tuyến với các dây dẫn liên kết đẳng thế dọc theo toàn bộ tuyến dây của chúng.
Các thiết bị chống sét (Surge Protection Devices – SPD) phải được lắp đặt tại các vị trí chuyển vùng theo phân vùng bảo vệ chống sét (LPZ) theo IEC 62305-4:2010 và phía trước các thiết bị cần bảo vệ như nguồn AC, nguồn DC, data side.
Lựa chọn SPDs liên quan đến việc lắp đặt cho hệ thống pin quang điện cần đáp ứng các yêu cầu theo CLC/TS 50539-12. Đặc tính U, I của nguồn quang điện rất khác biệt với nguồn DC thông thường, chúng có đặc tính phi tuyến tính nên khi lựa chọn SPD ngoài thiết bị chuyển mạch và cầu chì cho hệ thống PV, cần có các thiết bị ngắt kết nối hoặc tích hợp sẵn để bảo vệ SPD. Các loại SPD type 1+2 phải đảm bảo khả năng phối hợp năng lượng với các thiết bị đầu cuối từ công bố của nhà sản xuất.
Giải pháp chống sét với mô hình kiểu biến tần dạng chuỗi
 
Giải pháp chống sét với mô hình kiểu biến tần tập trung
 
Trên đây là giải pháp chống sét tổng quan, thực tế để xây dựng 1 thiết kế chống sét cho một hệ thống điện năng lượng mặt trời cần xem xét đến các yếu tố sau:
- Mật độ, tần suất, cường độ sét tại khu vực đang xét đến
- Quy mô dân dụng hay công nghiệp
- Hệ thống độc lập hay hòa lưới
- Kiểu biến tần (inverter) dạng chuỗi hay tập trung
- Có nằm trong khu công nghiệp hay không
- Đã có hệ thống chống sét trực tiếp hay chưa
-
Căn cứ vào các dữ liệu thu thập nêu trên kết hợp với công tác đánh giá rủi ro, từ đó đưa ra một giải pháp chống sét toàn diện và hiệu quả nhất.
Chúng tôi -  DHK – Đơn vị độc quyền cung cấp giải pháp và thiết bị chống sét DEHN (Đức) tại Việt Nam, với hơn 100 năm kinh nghiệm và luôn đi đầu công nghệ trong lĩnh vực chống sét, giải pháp và thiết bị của DEHN luôn đem lại sự tin cậy cho mọi khách hàng. Liên hệ với chúng tôi để nhận được tư vấn giải pháp chống sét AN TOÀN – HIỆU QUẢ - KINH TẾ
CÔNG TY CỔ PHẦN GIẢI PHÁP VÀ THIẾT BỊ DHK
Địa chỉ: P310(B) – Tòa nhà Resco (B15) – Nguyễn Cảnh Dị – Hoàng Mai – Hà Nội
Hotline: 0986199112
Email: info@dhk.com.vn