Vượt xa những lầm tưởng: Độ tin cậy của năng lượng mặt trời và vai trò ổn định của nó trong lưới điện hiện đại

Trong nhiều thập kỷ, hiểu biết thông thường trong lĩnh vực năng lượng cho rằng các nguồn tái tạo-đặc biệt là năng lượng mặt trời-quá gián đoạn và không đáng tin cậy để đóng vai trò là xương sống cho các hệ thống điện hiện đại. Một quan niệm sai lầm dai dẳng là các tấm pin mặt trời xuống cấp nhanh chóng, hỏng hóc khi bị căng thẳng và tệ hơn là gây ra sự hỗn loạn trong vũ điệu cân bằng cung cầu trên lưới điện. Các nhà phê bình thường lập luận rằng năng lượng mặt trời không chỉ hay thay đổi mà còn là mối đe dọa đối với sự ổn định của lưới điện, có khả năng gây ra sự thay đổi điện áp và mất điện.

Tuy nhiên, quan điểm này ngày càng lỗi thời. Dựa trên dữ liệu vận hành hàng thập kỷ, những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử công suất và trải nghiệm tích hợp lưới điện-trong thế giới thực, một bức tranh rất khác hiện ra: công nghệ năng lượng mặt trời đã được chứng minh là cực kỳ đáng tin cậy và khi được triển khai một cách thận trọng, nó sẽ tích cực nâng cao khả năng phục hồi và ổn định của lưới điện. Bài viết này nhằm mục đích làm sáng tỏ thực tế kỹ thuật đằng sau độ tin cậy của năng lượng mặt trời và ảnh hưởng tích cực của nó đối với hệ thống điện.

Suy nghĩ đầu tiên của một số người về các tấm pin mặt trời là chúng không đáng tin cậy. Nhưng thực tế thì điều này đã không còn đúng nữa! Hầu hết các tấm PV ngày nay đều đáng tin cậy hơn, mạnh mẽ hơn bao giờ hết và bạn cần ít hoạt động bảo trì hơn nhiều so với các hình thức tạo ra năng lượng trước đây. Không giống như động cơ tua-bin khí và động cơ diesel (có máy quay), các tấm pin mặt trời không có bộ phận quay, nghĩa là chúng không có chỗ để hao mòn và/hoặc bôi trơn. Thành phần chính trong bảng điều khiển năng lượng mặt trời, 'điểm nối bán dẫn', đã được chế tạo bằng công nghệ silicon đã được chứng minh đã được sử dụng thành công trong thiết bị điện tử trong hơn 50 năm và đã được chứng minh là hoàn toàn đáng tin cậy!

Trong các nghiên cứu đánh giá môi trường dài hạn- chẳng hạn như các nghiên cứu do Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ (NREL) thực hiện, các nghiên cứu chỉ ra rằng mô-đun quang điện chất lượng cao có mức giảm sản lượng định mức hàng năm dưới 0,5% mỗi năm; nhiều hệ thống được lắp đặt trong những năm 1980 và 1990 hiện đang tạo ra 80% hoặc cao hơn công suất định mức ban đầu sau hơn 30 năm hoạt động. Hầu hết các nhà sản xuất môđun PV đều cung cấp bảo hành cho môđun PV trong thời gian tối thiểu là 25 năm; tuy nhiên, các mô-đun có thể vẫn hoạt động lâu sau ngày này. Mặc dù sự cố xảy ra gần như do các yếu tố bên ngoài (ví dụ: lắp đặt không đúng cách, điều kiện thời tiết khắc nghiệt), nhưng tỷ lệ hỏng hóc vốn có của mô-đun quang điện là dưới 0,05% hàng năm-tỷ lệ hỏng hóc của hầu hết các công nghệ phát điện khác, bao gồm nhiều bộ phận trong nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch-bằng hoặc thấp hơn tỷ lệ hỏng hóc của mô-đun quang điện, khiến năng lượng mặt trời trở thành một lựa chọn phần cứng khá đáng tin cậy.

 

Huyền thoại thứ hai mang tính kỹ thuật hơn là năng lượng mặt trời “phá hủy” sự ổn định của lưới điện. Mối lo ngại này trước đây nảy sinh từ các bộ biến tần-gắn lưới ban đầu, được thiết kế để chỉ cần đẩy nhiều điện năng nhất có thể vào lưới và ngắt kết nối ngay lập tức nếu có bất kỳ sự xáo trộn nào xảy ra. Về mặt lý thuyết, hành vi thụ động này có thể làm giảm quán tính của hệ thống, nhưng nó không còn là tiêu chuẩn nữa.

Lưới điện ngày nay-hỗ trợ bộ biến tần-thường được gọi là "bộ biến tần thông minh" hoặc "bộ biến tần hình thành lưới"-là một nhân tố thay đổi cuộc chơi. Chúng kết hợp các chức năng điều khiển tiên tiến góp phần tích cực vào tình trạng lưới điện. Các tính năng chính bao gồm:

Kiểm soát điện áp và tần số:Biến tần thông minh có thể điều chỉnh độ lệch điện áp và tần số giống như AVR của máy phát đồng bộ thông thường bằng cách điều chỉnh công suất đầu ra thực và công suất phản kháng tính bằng mili giây.

Khả năng đi qua-:Bộ biến tần mới có khả năng vận hành-cho phép chúng tiếp tục hỗ trợ lưới điện trong thời gian ngắn có sự cố (ví dụ: nếu xảy ra sét đánh hoặc một cành cây rơi trên đường dây điện) và-bơm lại nguồn điện vào lưới điện ngay sau khi lỗi được khắc phục.

Quán tính tổng hợp:Năng lượng mặt trời không có khối lượng quay vật lý của tua bin hơi nước, nhưng bộ biến tần tiên tiến có khả năng hút và bơm năng lượng ở tốc độ cao để mô phỏng quán tính khi tần số thay đổi. Quán tính tổng hợp này mang lại cho các máy phát điện thông thường một phần nghìn giây quý giá để tăng công suất tối đa.

Ngoài việc làm mất ổn định lưới điện, các tính năng này còn cho phép các vùng năng lượng mặt trời-có độ xuyên thấu cao hoạt động với khả năng phục hồi cao hơn. Ví dụ: ở Nam Úc-một khu vực có hơn 60% năng lượng tái tạo tức thời-lưới-hình thành các bộ biến tần đã đen{6}}khởi động thành công các mạng cục bộ sau khi tách hệ thống lớn, điều mà trước đây chỉ có thể thực hiện được với các nhà máy thủy điện hoặc khí đốt.

Việc sản xuất năng lượng mặt trời phân tán giúp giảm căng thẳng cho các đường dây truyền tải hiện có nhờ năng lượng này được sản xuất gần điểm sử dụng hơn so với điện lưới-truyền thống. Việc sản xuất điện truyền thống dựa vào các trạm phát điện lớn sản xuất điện, sau đó điện được vận chuyển hàng trăm km qua đường dây truyền tải điện áp cao để cuối cùng được sử dụng ở nơi cần thiết. Mô hình này (trục-và-nan hoa) cho phép tổn thất khoảng 8 - 10% công suất sản xuất ban đầu và tạo ra một điểm lỗi duy nhất. Ví dụ: khi cột hoặc tháp truyền tải bị đổ, tình trạng mất điện trên diện rộng có thể xảy ra do thiết kế điển hình của lưới trục-và-nan hoa.

Bằng cách tạo ra điện được lưu trữ hoặc tạo ra, thông qua việc sử dụng năng lượng mặt trời phân tán gần điểm tiêu thụ, lượng điện được vận chuyển từ trạm biến áp đến điểm tiêu thụ sẽ giảm xuống. Điều này có nghĩa là nhu cầu về năng lượng điện của người tiêu dùng đã giảm so với nhu cầu sử dụng lưới điện truyền thống hiện nay. Việc giảm nhu cầu này sẽ trì hoãn hoặc thậm chí có thể loại bỏ nhu cầu nâng cấp tốn kém các hệ thống truyền tải và phân phối. Ngoài ra, trong các trận cháy rừng, bão và/hoặc các cuộc tấn công mạng, sẽ có một số cơ sở lưu trữ + năng lượng mặt trời phân tán có thể tạo ra các lưới điện siêu nhỏ để, ít nhất một phần, tiếp tục cung cấp năng lượng cho các cơ sở quan trọng (như xử lý nước và bệnh viện) trong khi toàn bộ lưới điện trung tâm nỗ lực tự phục hồi. Đây là những gì chúng tôi gọi là khả năng phục hồi lưới điện.

Cách đây rất lâu, người ta cho rằng công nghệ năng lượng mặt trời không đáng tin cậy và nó có thể phá hủy lưới điện. Lịch sử hoạt động hàng thập kỷ hiện nay cho thấy Mô-đun quang điện (PV) là một thành phần đáng tin cậy và bền bỉ, do đó, rất ít phải bảo trì và có độ tin cậy nhiều năm. Công nghệ biến tần đã phát triển nhanh chóng và đã chuyển đổi năng lượng mặt trời từ nguồn năng lượng thụ động, đôi khi có vấn đề thành nguồn năng lượng tham gia tích cực vào sự ổn định của lưới điện bằng cách cung cấp hỗ trợ điện áp, điều chỉnh tần số và quán tính tổng hợp. Bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời trong một ứng dụng phân tán, giúp giảm bớt tắc nghẽn truyền tải và tăng khả năng phục hồi của lưới điện trước những sự cố gián đoạn lớn.

Khi chúng ta đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng, điều quan trọng là tất cả các kỹ sư, nhà hoạch định chính sách và công chúng phải sử dụng công nghệ mới nhất hiện có cho họ, thay vì sử dụng những lo ngại trước đây về chính công nghệ đó. Do đó, năng lượng mặt trời đang chuyển đổi từ một trong những mắt xích yếu nhất thành một trong những thành phần quan trọng và ổn định nhất của lưới điện trong thế kỷ 21.