Cỡ dây AWG chuẩn DC cho năng lượng mặt trời

Mình thấy nhiều người tranh luận nhau trên các hội nhóm về điện năng lượng mặt trời, trên đó thì thượng vàng hạ cám rồi nên mình cũng không có nhiều ý kiến nhưng một điều mà mình thấy khá quan trọng cần phải chia sẻ tới bạn đọc trên website phamducngoc.com về Cáp điện DC, chuẩn AWG là gì? và tại sao phải dùng chuẩn đó cho kết nối điện năng lượng mặt trời?

Trước hết, để không tốn quá nhiều thời gian dành cho những ai không muốn quan tâm quá nhiều, chỉ cần kết quả thì đây là công cụ tự động tính toán kích thước cáp điện awg chuẩn tại Việt Nam ( và nó theo chuẩn Quốc tế luôn) bạn chỉ cần nhập các thông số là sẽ ra kết quả ngay.

Còn nếu ai cần tìm hiểu sâu hơn, chi tiết hơn thì vui lòng tham khảo những nội dung dưới đây. Tôi sẽ viết rất chi tiết, giải thích từng phần cặn kẽ nhất trong khả năng và hiểu biết của tôi.

Tìm hiểu về cáp điện DC và sự khác nhau với AC

Cáp điện DC (Direct Current ) là cáp điện chuyên dụng cho dòng điện 1 chiều, nó được thiết kế chuyên dụng dành cho truyền tải điện DC như từ tấm pin năng lượng mặt trời ví dụ như Tấm pin năng lượng mặt trời Longi Solar 640W Himo X10. Với tiết diện lớn lớn, hiệu suất cao hơn và đặc biệt KHÔNG BỊ CHÁY ( hoặc một số từ địa phương người ta gọi là thối lõi dây điện ) bởi được bọc một lớp kẽm chống bị oxy hóa.

Mình đã có thử nghiệm sử dụng song song hai đường điện, cùng là điện DC từ hệ thống [DIY] Bộ pin lưu trữ năng lượng mặt trời. với 1 bộ sử dụng dây DC chuyên dụng, chuẩn có cả CB DC chuẩn, và một bộ là dùng dây điện thường ( gọi là dây điện AC ) để thử nghiệm. Qua thực tế sử dụng nhận thấy

1. Sau 1 năm đầu tiên, cả hai đều khá bình thường, lõi đồng trong dây điện thường có phần tối màu hơn một chút không để kể. Dây DC của hệ thông kia thì vẫn trắng sáng
2. Sau 2 năm, thì dây điện thường có dấu hiệu bị kém hẳn, dây đồng chuyển thành màu đen còn dây DC thì vẫn hoạt động và sáng bóng bình thường.
3. Sau 3 năm, thì dây điện thường bị oxy hóa nặng, cấu trúc bị vỡ dây giòn và dễ gãy lõi đồng, còn DC vẫn trắng sáng như thường, gần như không có dấu hiệu của oxy hóa trong lõi dây.

Điều này để chứng minh rằng, dây DC được thiết kế chuyên dụng cho hệ thống điện năng lượng mặt trời là cực kỳ quan trọng, có thể thời gian đầu thì giá thành dây điện thường sẽ rẻ hơn đáng kể so với dây DC nhưng qua thời gian thì dây DC lợi thế hơn hẳn. Và bài test kiểm thử này chỉ dừng ở mức 3 năm do dây điện thường không còn sử dụng được nữa và cũng chỉ dừng ở mức điện 12v thôi nhé.

Cấu tạo dây cáp điện DC như thế nào?

Chính xác mà nói, thì những thiết kế chuẩn luôn mang lại hiệu quả kinh tế theo thời gian dài và hiệu quả sử dụng tốt hơn hẳn. như trước mình có đề cập đến Jack MC4 chuyên dụng đó, nó cũng thiết kế chuyên biệt hoàn toàn cho hệ thống năng lượng mặt trời nên có những tính toán, nghiên cứu và thử nghiệm độ bền phù hợp. Bạn hoàn toàn có thể dùng băng dính và nối dây điện bình thường, nhưng theo thời gian thì sự khác nhau sẽ tỏ ra rõ rệt

Ở cáp điện DC cũng thế, sử dụng lõi đồng để truyền dẫn điện nhưng được thiết kế chuyên biệt hơn,. Theo đó một sợi cáp điện DC chuẩn sẽ bao gồm

• Lõi Dẫn Điện: Đây là lớp trong cùng của cáp DC, thường được làm bằng Đồng vì tính dẫn điện và tính mềm dẻo, tuy nhiên,. lớp lõi này được bọc hoặc mạ thiếc và bện vào với nhau theo tiêu chuẩn DIN VDE 0295 Class 5 và IEC 60228 Class 5
• Lớp cách điện: Sử dụng vật liệu là XLPE một loại nhựa nguyên chất có độ mềm cao hơn, chịu nhiệt tốt hơn và chống chịu thời tiết tốt hơn hẳn so với dây thường. Trên thực tế bạn có thể nhìn sờ thấy sự khác biệt hoàn toàn khi mà dây DC mềm hơn, chịu khả năng uốn dẻo cực tốt so với dây điện thường và nó phù hợp cho hệ thống điện năng lượng mặt trời.
• Lớp vỏ ngoài. Và một lớp mỏng cũng bằng vật liệu XLPE nhưng mang tính chất gia cường thêm cho lớp cách điện bên trong, theo tiêu chuẩn nó được bổ sung để đảm bảo chống mài mòn, chịu điều kiện thời tiết khắc nhiệt và có thể chống oxy hóa khi tiếp xúc trực tiếp ánh sáng mặt trời. Mắt thường thì bạn sẽ thấy hai lớp cách điện và vỏ ngoài là một, nhưng thực tế nó là hai lớp khác nhau nhé/.
• Sơn vỏ ngoài: Cuối cùng, bạn sẽ thấy thường là dây điện DC có màu đỏ và đen biểu thị cho cực dương và cực âm hoặc điện dương, điện âm, vì chúng sử dụng cho điện DC có hai cực rõ ràng mà. Và đặc biệt là điện DC phải nối đúng cực, sai là khả năng hỏng luôn cả hệ thống.

Vì sao phải dùng dây DC chuẩn AWG trong hệ thống điện năng lượng mặt trời.

Dùng dây cáp điện DC chuyên dụng thì mình đã trình bày ở trên rồi, thực nghiệm thực tế có rồi nên đó chính là lý do phải dùng dây DC trong điện năng lượng mặt trời và điện DC. Nhưng tại sao nên theo chuẩn AWG và nó là chuẩn gì?

Chuẩn AWG- American Wire Gauge

Đây là tiêu chuẩn đo kích thước dây điện của Mỹ, Nó có một đặc điểm là CỠ LỚN NHẤT là 0, cỡ càng lớn thì tiết diện dây càng bé và với hệ thống cần truyền tải điện cao thì cần đến dây tiết diện lớn đồng nghĩa với việc cần cỡ AWG nhỏ.

Bảng chuyển đổi cỡ AWG sang Đường Kính và tiết diện.

Ở Việt Nam, các bác thợ thường hay lấy thông số tiết diện và chuyển đổi sang AWG để thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời. Tuy nhiên. theo chuẩn quốc tế chúng ta sẽ có cách tính khác một chút.

Những khái niệm quan trọng trong hệ thống điện

Ở đây, chúng ta sử dụng điện DC , nguyên lý của nó là từ cực dương, qua thiết bị và trở lại cực âm để tạo thành dòng điện 1 chiều DC. Nên để tính được cỡ dây AWG phù hợp chúng ta sẽ cần các yếu tố như sau

1. Thông số A ( là dòng điện) tên chuẩn là Ampe
2. Chiều dài dây ( khoảng cách )

về công thức tính toán thì chúng ta ứng dụng chính là

• Định luật Ohm: V = I \R (Điện áp = Dòng điện × Điện trở)
• Định luật Công suất: P = V \ I (Công suất = Điện áp × Dòng điện)

và các yếu tố khác bao gồm Sụt áp. Mà hiểu một cách đơn giản là chuyển từ điện năng sang nhiệt năng, điện trở khiến cho chênh lệch dòng điện từ đầu nguồn ( ắc quy ) là 12V xuống thiết bị sử dụng còn 11v chả hạn.

Riêng vấn đề sụt áp là một trong những yếu tố cực kỳ quan trọng trong thiết kế hệ thống điện DC nói chung và điện DC công suất nhỏ nói riêng. Sụt áp (Voltage Drop) là hiện tượng giảm thế điện dọc theo đường đi của một dây dẫn mang dòng điện. Sự sụt giảm này là một hệ quả trực tiếp của Định luật Ohm. Mọi dây dẫn, dù tốt đến đâu, đều có một điện trở nhất định. Khi dòng điện (I) chạy qua điện trở của dây (R), năng lượng điện sẽ bị chuyển hóa thành nhiệt, gây ra một sự sụt giảm điện áp (V).

Ngưỡng sụt áp

• Ngưỡng nghiêm ngặt (1-2%) : Là một trong những yếu tố quan trọng trong điện năng lượng mặt trời, nhất là hệ nhỏ như bộ lưu trữ năng lượng mặt trời tự làm, Từ bộ ” Control Solar – bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời đến nạp vào pin” thì khoảng cách càng ngắn càng tốt, mức sụt áp khuyến nghị chỉ sụt áp ở mức tối thiểu (1-2%) là rất quan trọng. Điều này đảm bảo bộ điều khiển sạc có thể đọc chính xác điện áp của acquy và thực hiện các giai đoạn sạc (bulk, absorption, float) một cách chính xác, giúp tối đa hóa tuổi thọ của acquy.
• Ngưỡng chấp nhận được ( 3%) : Đối với các mạch “quan trọng” (critical circuits) cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhạy cảm, hệ thống định vị, đèn chiếu sáng chính, hoặc bất kỳ thiết bị nào mà hiệu suất tối ưu là cần thiết, mức sụt áp tối đa được khuyến nghị là 3%. Ví dụ
  • Trong hệ thống 12V, 3% tương đương với sụt áp 12V *3% = 0.36V
  • Trong hệ thống 24V, 3% tương đương với sụt áp 24V *3% = 0.72V$
• Ngưỡng 10%: Đối với các mạch “không quan trọng” (non-critical circuits) như đèn nội thất, nơi việc giảm nhẹ độ sáng không ảnh hưởng đến an toàn hoặc chức năng cốt lõi, mức sụt áp lên đến 10% có thể được chấp nhận. Thậm chí như bộ Đèn Tích Điện, Đèn ắc quy 12V tốt nhất thì LED COB có mức điện áp dải từ 8 đến 28v, nên 24v mà sụt áp xuống 10v nó vẫn hoạt động tốt luôn.

Cách tự tính thủ công chọn cỡ dây AWG phù hợp

Đây là vấn đề chính mà chắc chắn bạn sẽ quan tâm, nhưng tôi không đặt ở trên cùng bởi chúng ta cần hiểu một số khái niệm rồi mới thực sự hiểu được tầm quan trọng của việc tính toán cỡ dây và hệ thống cho phù hợp.

Bước 1: Xác Định Dòng Tải Liên Tục Tối Đa (Ampe)

Để tính toán được cỡ cáp điện DC thì bạn cần biết được dòng tải ( công suất ) của dòng tải là bao nhiêu ampe ( thông số là A ) thì cách đơn giản nhất là nhìn dán nhãn trên các thiết bị sẽ cho bạn biết được thông số này.

Nếu sử dụng công thức tính toán thì sử dụng I = P / V để tính toán ra được , ví dụ : Thiết bị đèn năng lượng mặt trời sử dụng điện áp 12v có công suất là 40W thì ta tính được là 40:12 = 3A ( tức 3 ampe)

Xem thêm: Công cụ tính công suất thực đèn năng lượng mặt trời

Bước 2: Đo chiều dài của mạch điện. (L)

Tính theo chuẩn mỹ là dùng ft ( feet) từ m sang feed thì  ft = m * 3.2808

Tiếp đến xác định chiều dài của mạch điện, điện 12v đi qua Cáp DC màu đỏ > rồi đến cực âm bằng cáp DC màu đen để hoàn thành một mạch. vì thế điện trở sẽ được tính trên toàn bộ mạch này.

Ví dụ: Từ lưu trữ là bình ắc quy 12v, đến đèn là khoảng cách 3m, vầy tổng chúng ta có chiều dài mạch là 6m ( 6 mét ).

Đây là một chi tiết cực kỳ quan trọng: Bởi nếu tính chỉ khoảng cách thông thường là 3m thì đã làm giảm một nửa chiều dài dây DC và sẽ chọn cỡ dây thấp hơn công suất thực tế một nửa, dây DC quá nhỏ để chịu tải

Bước 3: Thông số K: Hằng số điện trở suất của vật liệu dẫn điện.

• Đối với Đồng (Copper), Hằng số K ~ 12.9 Ω . CM/ft ở 75^oC
• Đối với Nhôm (Aluminum), Hằng số K ~ 21.2 Ω . CM/ft ở 75^oC

Bước 4: Tính sụt áp tối đa ( Vdrop)

Ở trên mình cũng đã thông tin rõ về việc sụt áp, chúng ta có sụt áp từ mức 1 là 2%, mức 2 là 3% và mức 3 là dưới 10%. Cái này tùy thuộc vào thiết bị của bạn, như đèn năng lượng mặt trời chúng ta để mức sụt áp là dưới 3%.

ví dụ: 12V * 3% = 0.36V ( điện áp 12v sụt áp tối đa là 3% thì tương đương là sụt áp 0.36v > thiết bị cần ít nhất là 12-0.36=11.64V để hoạt động.

Bước 5: Công thức tính lựa chọn cỡ dây.

Sau khi có đủ các thông số trên, chúng ta áp dụng công thức sau.

CM (Circular Mils): Diện tích mặt cắt ngang yêu cầu của dây. Đây là “câu trả lời” mà chúng ta đang tìm kiếm.

Bước 6: Tra bảng chuyển đổi từ CM sang cỡ AWG

Ví dụ thực tế:

Ví dụ 1: Tính đèn năng lượng mặt trời mà chúng tôi vẫn sử dụng.

Yêu cầu: Tính cáp điện DC phù hợp với đèn năng lượng mặt trời sử dụng điện áp là 12v 8W khoảng cách từ nguồn DC 12v ( ắc quy ) đến đèn LED là 15m và đèn có thể hoạt động được từ mức 8 đến 28v.

1. Tóm tắt lại các thông số đầu vào

• Điện áp hệ thống: 12V
• Công suất đèn: 8W
• Khoảng cách một chiều: 15 mét
• Sụt áp mong muốn: 3%

2. Chuyển đổi và tính toán các thông số cần thiết

• Dòng điện hoạt động (I): Phép tính này không thay đổi.
  • I = 8W / 12V = 0.67 A
• Tổng chiều dài mạch khứ hồi bằng Feet (L): Công thức tính CM sử dụng đơn vị đo chiều dài là Feet.
  • Chiều dài khứ hồi (mét): 15m × 2 = 30 m
  • Chuyển đổi sang Feet (1 mét ≈ 3.28 feet): 30 m × 3.28 ft/m = 98.4 ft
• Sụt áp tối đa cho phép (V_drop): Phép tính này cũng không thay đổi.
  • V_drop = 12V × 3% = 0.36 V

3. Áp dụng công thức tính Circular Mils (CM)

Công thức tiêu chuẩn để tính toán tiết diện dây dẫn theo Circular Mils là :  

CM = (K * I * L) / V_drop

Trong đó:

• CM: Tiết diện dây dẫn yêu cầu (Circular Mils).
• K: Hằng số điện trở suất của vật liệu. Đối với dây đồng, giá trị này là 12.9 Ω·CM/ft.  
• I: Dòng điện hoạt động (A).
• L: Tổng chiều dài mạch khứ hồi (feet).
• V_drop: Sụt áp tối đa cho phép (V).

Thay các giá trị đã tính vào công thức:

CM = (12.9 * 0.67 * 98.4) / 0.36 CM ≈ 2359 CM tương đương với 16 AWG (2,580 CM) là hợp lý

Thử sử dụng công cụ tính tự động

ok. Vầy là cả tính toán và công cụ đều cho ra kết quả khá chính xác và tương đồng nhau. Bạn có thể yên tâm sử dụng rồi nhé.

Nguồn thông tin.

1. https://phamducngocdotcom.github.io/phamducngoc.github.io/mm-awg.html