Microinverter là một thiết bị nhỏ gọn nhưng cực kỳ phức tạp, đóng vai trò then chốt trong việc biến ánh sáng mặt trời thành điện năng có thể sử dụng được. Mặc dù có kích thước khiêm tốn (thường chỉ bằng một cuốn sách), một Microinverter tích hợp nhiều công nghệ điện tử công suất để thực hiện chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ tấm pin thành dòng điện xoay chiều (AC) cho gia đình và lưới điện.
Dưới đây là cấu tạo cơ bản của một Microinverter:
1. Vỏ bảo vệ (Enclosure)
- Chất liệu: Thường được làm từ nhôm đúc hoặc các hợp kim bền bỉ, có khả năng tản nhiệt tốt.
- Chức năng: Bảo vệ các linh kiện điện tử bên trong khỏi các yếu tố môi trường khắc nghiệt như mưa, bụi, nhiệt độ cao, độ ẩm, và tia UV. Vỏ này thường có xếp hạng IP67 hoặc IP68, đảm bảo khả năng chống nước và bụi hoàn toàn.
- Thiết kế: Thường có các cánh tản nhiệt (fins) bên ngoài để tăng diện tích tiếp xúc với không khí, hỗ trợ quá trình làm mát thụ động.
2. Bộ phận đầu vào DC (DC Input Section)
- Đầu nối DC (MC4 Connectors): Các cổng kết nối tiêu chuẩn MC4 (hoặc tương tự) để nhận dòng điện một chiều (DC) từ tấm pin năng lượng mặt trời. Mỗi Microinverter thường có 1-2 bộ đầu nối MC4 (để kết nối 1-2 tấm pin).
- Mạch bảo vệ DC: Bao gồm các linh kiện như điốt chặn (blocking diodes) để ngăn dòng điện ngược và các thiết bị bảo vệ quá áp (Surge Protection Devices - SPD) để chống sét hoặc xung điện áp cao từ tấm pin.
3. Khối Chuyển đổi DC-DC (DC-DC Converter)
- Bộ tối ưu hóa điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT): Đây là "bộ não" của Microinverter. MPPT liên tục theo dõi và điều chỉnh điện áp, dòng điện đầu vào từ tấm pin để đảm bảo tấm pin luôn hoạt động ở điểm sản xuất công suất tối đa, bất kể điều kiện ánh sáng, nhiệt độ hay bóng che. Mỗi Microinverter có một MPPT độc lập, giúp tối ưu hóa hiệu suất của từng tấm pin riêng lẻ.
- Bộ biến đổi DC-DC: Nâng hoặc hạ điện áp DC từ tấm pin lên một mức phù hợp trước khi đưa vào khối biến đổi DC-AC. Khối này giúp điều chỉnh điện áp đầu vào để phù hợp với dải hoạt động của MPPT và đảm bảo hiệu suất tối ưu.
4. Khối Chuyển đổi DC-AC (DC-AC Inverter Section)
- Cầu H-Bridge hoặc đa cấp (H-Bridge or Multi-level Inverter): Đây là trái tim của quá trình chuyển đổi. Sử dụng các công tắc bán dẫn tốc độ cao (như MOSFET hoặc IGBT), khối này sẽ chuyển đổi dòng điện DC đã được tối ưu từ khối DC-DC thành dạng sóng xoay chiều (AC). Quá trình này bao gồm việc chuyển mạch nhanh chóng để tạo ra sóng hình sin AC.
- Bộ lọc đầu ra AC: Sau khi chuyển đổi, dòng điện AC sẽ đi qua bộ lọc (thường là cuộn cảm và tụ điện) để làm mịn dạng sóng, loại bỏ nhiễu hài và đảm bảo chất lượng điện AC đáp ứng các tiêu chuẩn lưới điện.
5. Bộ phận đầu ra AC (AC Output Section)
- Đầu nối AC: Cổng kết nối để đưa dòng điện AC đã chuyển đổi ra ngoài, thường là các loại đầu nối chuyên dụng chống thấm nước (ví dụ: Enphase Engage Cable Connector).
- Mạch bảo vệ AC: Bao gồm các rơle ngắt kết nối lưới (Grid-Tie Relays) để đảm bảo Microinverter ngắt kết nối ngay lập tức khỏi lưới điện khi có sự cố (ví dụ: mất điện lưới, quá áp, quá dòng) theo yêu cầu an toàn của tiêu chuẩn lưới điện (Anti-Islanding). Ngoài ra còn có các thiết bị bảo vệ quá dòng (OCPD) và quá áp (SPD).
6. Hệ thống Truyền thông và Giám sát (Communication & Monitoring)
- Module truyền thông: Thường tích hợp các chip truyền thông PLC (Power Line Communication - truyền dữ liệu qua đường dây điện) hoặc không dây (Wi-Fi, Zigbee, Sub-GHz Radio) để gửi dữ liệu hiệu suất của từng tấm pin về một thiết bị thu thập dữ liệu trung tâm (ví dụ: Enphase Envoy, APsystems ECU).
- Bộ vi điều khiển (Microcontroller): Là "bộ não" điều khiển toàn bộ hoạt động của Microinverter, từ điều khiển MPPT, chuyển đổi DC-AC, đến quản lý truyền thông và tự chẩn đoán lỗi.
Nguyên lý hoạt động tổng thể:
- Thu nhận DC: Tấm pin nhận ánh sáng mặt trời, tạo ra dòng điện DC.
- Tối ưu hóa DC: Dòng DC đi vào Microinverter. Bộ MPPT trong Microinverter điều chỉnh để tấm pin luôn sản xuất công suất tối đa.
- Chuyển đổi DC-AC: Khối DC-AC biến dòng DC đã tối ưu thành dòng AC chất lượng cao.
- Hòa lưới/Sử dụng: Dòng AC này được đưa thẳng vào hệ thống điện của ngôi nhà để cung cấp cho tải tiêu thụ hoặc được đẩy lên lưới điện quốc gia.
- Giám sát: Dữ liệu hiệu suất của từng tấm pin được Microinverter gửi về trung tâm giám sát, cho phép người dùng và nhà cung cấp dịch vụ theo dõi chi tiết hoạt động của hệ thống.
Nhờ cấu tạo tinh vi này, Microinverter đã đơn giản hóa đáng kể việc lắp đặt, nâng cao độ an toàn và tối đa hóa sản lượng điện, mang lại một giải pháp năng lượng mặt trời hiệu quả và đáng tin cậy.
