Bài toán đánh giá, so sánh kinh tế kỹ thuật các phương án trạm sạc xe đạp điện sử dụng điện mặt trời tại trường đại học điện lực

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) BÀI TOÁN ĐÁNH GIÁ, SO SÁNH KINH TẾ - KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN TRẠM SẠC XE ĐẠP ĐIỆN SỬ DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC TECHNICAL AND ECONOMICAL ASSESSMENT OF PV BASED CHARGING STATIONS FOR ELECTRIC BICYCLES AT ELECTRIC POWER UNIVERSITY Nguyễn Ngọc Văn, Nguyễn Hữu Đức Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 30/06/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2020, Phản biện: TS Vũ Hoàng Giang Tóm tắt: Sự phổ biến phương tiện hai bánh Việt Nam xuất phát từ thiếu hụt phương tiện công cộng, sở hạ tầng điều kiện kinh tế Mặc dù có độ linh hoạt cao giá thành thấp, phương tiện chạy xăng xem nguyên nhân gây nên chất lượng không khí Xe điện hai bánh, loại phương tiện ô nhiễm hơn, giải pháp thay hiệu Tuy nhiên, chuyển dịch có lợi cho mơi trường điện sử dụng để sạc xe điện lấy từ nguồn lượng tái tạo thay nhiên liệu hóa thạch Bài báo nhằm mục tiêu nghiên cứu đánh giá tính khả thi trạm sạc xe điện tích hợp điện mặt trời áp dụng Trường Đại học Điện lực Từ khóa: Xe đạp điện, xe máy điện, trạm sạc, điện mặt trời Abstract: The popular availability of two-wheeled vehicles in Vietnam derives from the lack of public transport, poor traffic infrastructure and economic condition Despite high flexibility and low cost, these gasoline-powered vehicles are likely mentioned as a culprit of making poor air quality Electric twowheelers, which are less polluting, should be considered as an alternative However, this transition is only beneficial to environment if the electricity used to charge e-bikes comes from renewable sources sources instead of fossil fuel-based power plants This paper aims to research on the feasibility of PV integrated charging stations in Vietnam as well as conduct an economic and technical assessment of a PV integrated charging station Keywords: E-bikes, electric motorbikes, charging stations, solar energy ĐẶT VẤN ĐỀ Các nguồn lượng tái tạo có nhiều ưu điểm bật so sánh với lượng hóa thạch (1) tái cung 36 cấp (refill) cách bền vững (2) khơng phát thải CO2 Năng lượng tái tạo giải pháp lí tưởng hiệu nhằm giải vấn đề môi trường phát triển bền vững Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Ưu điểm EV (xe điện - Electric Vehicle) chi phí vận hành thấp, thân thiện với môi trường gần bảo trì Với sách khuyến khích phát triển lượng tái tạo, điện mặt trời, đặc biệt điện mặt trời hịa lưới thương mại hóa mạnh mẽ nhiều quốc gia, có tiềm kinh tế trung dài hạn [1] Trong lĩnh vực giao thông, xe điện xem phương tiện giao thông tương lai Tuyên bố Paris phương tiện chạy điện, biến đối khí hậu kêu gọi hành động, kêu gọi triển khai toàn cầu 100 triệu xe điện năm 2030 Phương tiện chạy điện có hiệu lượng cao nhiều so với phương tiện chạy xăng/ dầu, đồng thời khơng phát sinh khí thải Chúng có hệ truyền động đơn giản hơn, ồn phải bảo trì Tuy nhiên việc phát triển phương tiện chạy điện xem bền vững điện sử dụng để sạc phương tiện xuất phát từ nguồn lượng tái tạo từ nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch Các nghiên cứu rằng, dạng xe điện HEV, PHEV, PEV có lượng phát thải well-to-wheel thấp so với phương tiện chạy xăng tương đương Ngoài ra, lượng phát thải xe điện phụ thuộc vào tỷ lệ dạng lượng cấp cho xe [2]-[4] Nếu EVs sạc từ lưới điện lưới chủ yếu tạo nhiên liệu hóa thạch than đá khí tự nhiên lượng phát thải lớn đáng kể Số 25 không phát thải Lượng phát thải gần không EV sạc từ lưới điện lưới chủ yếu tạo từ nguồn lượng tái tạo Điện gió, điện mặt trời, thủy điện, biogas lượng thủy triều xem nguồn lượng bền vững để cấp cho phương tiện chạy điện Trong nguồn đó, điện mặt trời (PV photovoltaics) lựa chọn hấp dẫn số yếu tố: (1) Chi phí môđun PV liên tục giảm (Q1 2019) nhỏ 0.3 $/Wp [5] (2) Khả tiếp cận chủ xe điện với điện mặt trời dễ dàng mơđun PV đặt mái nhà gần với vị trí sạc xe điện đặt trên/sử dụng làm mái che bãi gửi xe Tiềm điện mặt trời áp mái lớn chưa khai thác rộng rãi (3) Việc sử dụng điện mặt trời làm giảm nhu cầu lượng công suất tiêu thụ từ lưới Năng lượng điện sản xuất chỗ qua môđun PV để sạc cho phương tiện Điều góp phần làm giảm nhu cầu phát triển gia cố lưới điện đặc biệt lượng phương tiện chạy điện lớn nhu cầu lượng sạc cao (4) Các hệ thống điện mặt trời thông thường sử dụng acquy tích trữ điện nhằm giải vấn đề biến động nguồn phát theo ngày theo mùa tăng mức độ thâm nhập lượng tái tạo Trường hợp sạc cho xe điện, acquy xe điện đóng vai trị thiết bị tích 37 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) trữ lượng [6]-[9] (5) Chi phí sạc xe điện từ điện mặt trời rẻ so với sạc từ điện lưới Việc tự sản xuất tự dùng điện mặt trời thay bán lên lưới xem giải pháp đón đầu xu hướng giảm dần giá bán điện mặt trời FiT [10], [11] (6) Việc vận hành hệ thống điện mặt trời sinh tiếng ồn, khơng có phận quay chi phí vận hành, bảo trì thấp Với ưu điểm kể trên, vấn đề sạc xe điện từ mơđun PV trạm sạc tích hợp điện mặt trời dành cho EV giải pháp phát triển bền vững Trạm sạc cần nối với lưới điện nhằm mục tiêu (1) cung cấp điện lên lưới lượng điện mặt trời tạo lớn nhu cầu sạc (2) mua điện từ lưới điện mặt trời tạo nhỏ nhu cầu sạc Các nghiên cứu trạm sạc xe điện chủ yếu đề cập đến trạm sạc dành cho xe ô tô điện với nguồn cấp cho trạm sạc từ nguồn điện lưới Hiện chưa có nhiều nghiên cứu trạm sạc dành cho xe đạp điện/xe máy điện với đặc thù khác với trạm sạc ô tô điện như: (1) công suất, dung lượng acquy phương tiện nhỏ; (2) số lượng phương tiện sạc thời điểm trạm sạc lên tới vài trăm xe Tại thành phố lớn Việt Nam, yếu tố đặc thù sở hạ tầng, mật độ dân cư, điều kiện kinh tế mức độ đáp ứng phương tiện giao thông công cộng…, xe máy chạy xăng sử dụng rộng rãi với ưu điểm chi phí, độ 38 tiện lợi, tính linh hoạt di chuyển [1] Tuy nhiên, với xu hướng phát triển bền vững, hạn chế nhiễm, sách hạn chế đăng ký xe máy xăng quận nội thành Hà Nội lộ trình giảm dần, tiến tới dừng hoạt động xe máy quận vào năm 2030 đề xuất Bắt nhịp với xu hướng này, nhà sản xuất Vinfast, tập đoàn MBI Hàn Quốc, Piaggio đầu tư nghiên cứu sản xuất xe máy điện/xe đạp điện, giải pháp xanh nhằm thay xe máy chạy xăng cho thị trường Việt Nam Mục tiêu báo nghiên cứu kinh tế kỹ thuật tính khả thi trạm sạc có tích hợp điện mặt trời dành cho phương tiện chạy điện hai bánh Việt Nam Cấu trúc báo gồm phần: Mơ hình hóa xe đạp điện/xe máy điện; mơ hình điện mặt trời thiết kế kinh tế kỹ thuật cho trạm sạc xe điện MƠ HÌNH XE ĐIỆN Mơ hình hóa acquy đóng vai trị đặc biệt quan trọng xe điện Các mơ hình acquy nhà thiết kế xe điện sử dụng nhằm tối ưu hóa kích cỡ hệ tích trữ lượng đồng thời dự đốn phản ứng hệ tích trữ Ngồi ra, mơ hình acquy cơng cụ mạnh cho phép BMS ước lượng theo thời gian thực SOC hiệu acquy Do xe điện đa phần sử dụng acquy Li-ion với mật độ lượng cao, mơ hình mơ tả xác loại acquy cần xem xét Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Nhìn chung, mơ hình acquy chia thành mơ hình điện hóa (electrochemical model); mơ hình mạng neuron nhân tạo mơ hình mạch điện tương đương [12] Mơ hình điện hóa (như mơ hình Shepherd Unnewehr) mơ tả phản ứng hóa học mức phân tử bên acquy Tác động động acquy mơ tả phương trình vi phân cho phản ứng hóa học Để đạt độ xác phù hợp, nhiều tham số sử dụng để mô phân cực acquy Bởi q trình điện hóa acquy liên quan đến điều kiện môi trường nên phức tạp để đạt mơ hình điện hóa xác Thậm chí, mơ hình điện hóa xác thiết lập điều kiện định ứng dụng mơ hình điều kiện làm việc thực hạn chế [12] Mô hình mạng neuron nhân tạo (như mạng neuron BP mạng neuron RBF) sử dụng tính chất phi tuyến tự học mạng neuron kết hợp với liệu thực nghiệm nhằm thiết lập mối quan hệ thông số khác hệ acquy Nhược điểm mạng neuron cần lượng lớn liệu thực nghiệm nhằm dự báo hoạt động acquy Mô hình mạch điện thay tương đương sử dụng điện trở, điện dung, nguồn áp phần tử mạch khác để mơ động acquy Các mơ hình mạch điện thay tương đương thường sử dụng gồm mơ hình Rint, RC, PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles) mơ hình Thevenin Mơ hình RC mô tả phân cực acquy sử dụng điện dung mà khơng phản ánh điện trở Mơ hình Số 25 PNGV mơ hình tiêu chuẩn nhằm mơ mối quan hệ phức tạp bên acquy trình nạp/xả, mức độ phức tạp giải thuật làm việc mơ khó khăn Mơ hình Thevenin phản ánh điện dung điện trở acquy giải thuật tương đối đơn giản dễ thực [12] Mơ hình mạch điện tương đương chứa tương đối tham số dễ thu phương trình khơng gian trạng thái [13] Do sử dụng rộng rãi mơ hệ thống hệ thống điều khiển thời gian thực Rất nhiều thực nghiệm cho thấy với acquy LiFePo LiMnCo, mơ hình mạch điện tương đương RC bậc phù hợp [14] Mơ hình vừa đơn giản vừa xác cao [15] Do mạch điện thay tương đương bậc sử dụng để xác định tham số mơ ước lượng SOC Hình Mơ hình mạch điện thay tương đương acquy Mạch điện thay tương đương acquy thể hình Trong đó: UOC - điện áp hở mạch; R0 - nội trở acquy (ohmic internal resistance); 39 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) RP - điện trở phân cực nội acquy (internal polarization resistance); 𝐼𝐿,𝐾 - dòng điện thời điểm k; CP - tụ điện phân cực acquy; Điện áp đầu cực 𝑈𝐿,𝐾 đầu hệ thống thời điểm k; IL - dòng điện tổng; Điện áp hở mạch 𝑈𝑂𝐶,𝐾 hàm SOC UL - điện áp tải Mạch vịng RPCP sử dụng để mơ tả hiệu ứng phân cực acquy Do mơ hình có xét tới hiệu ứng phân cực, mơ cách xác đặc tính nạp/xả acquy Dữ liệu sử dụng mơ hình lấy từ liệu acquy B6 B25 sở liệu acquy NASA Research Center Quan hệ điện áp hở mạch SOC acquy B6 thể hình Theo mơ hình mạch điện tương đương RC bậc 1, hệ phương trình trạng thái (1) mơ hình thiết lập qua luật Kirchhoff 𝑈𝐿 (𝑡) = 𝑈𝑂𝐶 (𝑡) − 𝑈𝑃 (𝑡) − 𝑈0 (𝑡) 𝑑𝑈𝑃 𝑑𝑡 𝑈𝑃 = −𝑅 𝐼 𝑃 𝐶𝑃 + 𝐶𝐿 𝑃 𝑈𝑂𝐶 = 𝑓(𝑆𝑂𝐶(𝑡)) 𝑆𝑂𝐶(𝑡) = 𝑆𝑂𝐶(0) − { 𝑈0 = 𝑅0 𝐼𝐿 (1) 𝑡 ∫0 𝑖𝐿 𝑑𝑡 Hình Đặc tính OCV-SOC 𝐶𝑛 Rời rạc hóa hệ phương trình (1) ta hệ phương trình rời rạc (2) 𝑇 𝑈𝑃,𝐾+1 1− 𝑆 𝑅𝑃 𝐶𝑃 [ ]=[ 𝑆𝑂𝐶𝐾+1 { 𝑈𝐿,𝐾 = [1 𝑇𝑆 𝑈 𝐶 ] [ 𝑃,𝐾 ] + [ 𝑃𝑇𝑆 ] 𝐼𝐿,𝐾 𝑆𝑂𝐶 𝐾 − 𝑈𝑂𝐶,𝐾 1] [−𝑈 ] − 𝑅0 𝐼𝐿,𝐾 𝑃,𝐾 𝐶𝑛 Đặc tính OCV-SOC xấp xỉ hóa hàm (3) 𝑉𝑂𝐶 = 496.46 × 𝑆𝑂𝐶 − 1934.7 × 𝑆𝑂𝐶 + 3103.4 × 𝑆𝑂𝐶 − 2644.2 × 𝑆𝑂𝐶 + 1286.9 × 𝑆𝑂𝐶 − 356.2 × 𝑆𝑂𝐶 + 52 × 𝑆𝑂𝐶 + 0.29 (3) (2) Trong biến trạng thái hệ thống 𝑥𝑘 = [𝑈𝑂𝐶,𝐾 −𝑈𝑃,𝐾 ]𝑇 ; Các giá trị điện dung điện trở với acquy B6 giả thiết không đổi cho bảng Bảng Các tham số mơ hình acquy 𝑈𝑃,𝐾 điện áp tụ điện 𝐶𝑃 thời điểm k; Tham số Giá trị Điện trở R0 0.204 Ω 𝑆𝑂𝐶𝑘 SOC acquy thời điểm k; Điện trở phân cực RP 2.109 Ω 𝑇𝑆 - chu kỳ trích mẫu; Điện dung phân cực CP 6583 F 40 Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MƠ HÌNH PIN MẶT TRỜI Để mơ tả mơđun điện mặt trời sử dụng mơ hình điơt mơ hình hai điơt [16] Mơ hình điơt xây dựng dựa phương trình sau: Dòng quang điện: 𝐼𝑝ℎ = [𝐼𝑠𝑐 + 𝑘𝑖 (𝑇 − 298)] 𝐺 1000 (4) Dòng bão hòa: 1 𝑞 𝐸𝑔0 (𝑇 − 𝑇) 𝑇 𝑛 = 𝐼𝑟𝑠 ( ) 𝑒𝑥𝑝 [ ] 𝑇𝑛 𝑛 𝐾 (5) 𝐼𝑠𝑐 𝑞.𝑉𝑜𝑐 ) 𝑛.𝑁𝑠 𝐾.𝑇 Eg0 - độ rộng vùng cấm chất bán dẫn (eV) = 1,1; (6) −1 𝑉 + 𝐼 𝑅𝑠 =( ) 𝑅𝑠ℎ Rs - điện trở nối tiếp (Ω); Vt - nhiệt điôt (V) Dòng qua điện trở shunt: 𝐼𝑠ℎ K - số Boltzmann (J/K) = 1,38x1023; Rsh - điện trở song song (Ω); Dòng bão hòa ngược: ( n - hệ số lí tưởng điơt ; Np - số mơđun PV song song với nhau; 𝑒 Voc - điện áp hở mạch (V); Ns - số cell nối tiếp với nhau; 𝐼0 𝐼𝑟𝑠 = q = điện tích electron; (C) = 1,6×1019; Hệ thống điện mặt trời mơ với panel có thơng số bảng Bảng Thông số kỹ thuật panel PV (7) CS3W-15P Số cell 144 Công suất đỉnh Pmax (W) 415 Điện áp hở mạch Voc (V) 47.8 Điện áp điểm công suất cực đại Vmp (V) 39.3 Độ suy giảm Voc theo nhiệt độ (%/deg.C) 0.29 Dòng ngắn mạch Isc (A) 8.99 Dòng điện điểm công suất cực đại Imp (A) 8.45 Độ tăng Isc theo nhiệt độ (%/deg.C) 0.05 T - nhiệt độ làm việc (K); Dịng bão hịa điơt I0 (A) 3.7482e-11 Tn - nhiệt độ danh định (K) (nominal temperature) = 298; Hệ số lý tưởng điôt 0.91286 Điện trở song song Rsh (Ω) 116.3362 G - mật độ xạ (W/m2); Điện trở nối tiếp Rs (Ω) 0.51567 Dòng điện môđun: 𝑞 (𝑉 + 𝐼 𝑅𝑠 ) 𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼0 [𝑒𝑥𝑝 ( ) − 1] 𝑛 𝐾 𝑁𝑠 𝑇 − 𝐼𝑠ℎ (8) Trong đó: Isc - dịng ngắn mạch (A) (short circuit current); ki - dòng ngắn mạch cell 250oC 1000 W/m2; Số 25 41 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) CÁC PHƯƠNG ÁN KỸ THUẬT TRẠM SẠC 4.1 Thông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật acquy số loại xe đạp/xe máy điện Việt Nam bảng Có thể thấy, đa số xe đạp/xe máy điện Việt Nam sử dụng loại acquy LiFePo4 với cơng suất khoảng 1-1.5 kW có thời gian sạc khoảng 3-5 Bảng Thông số acquy số xe đạp/xe máy điện Việt Nam Loại xe Loại acquy Tuổi thọ Thời Công gian suất sạc Vinfast Klara/Klara S (2020) LiFePo4 (LFP) 1000 cycles 1.2 kW Vinfast Impes LiFePo4 (LFP) 1000 cycles 1.7 kW Vinfast Ludo LiFePo4 (LFP) 1000 cycles 1.1 kW Honda EVneo LiFePo4 (LFP) 1000 cycles 3.5 2.8 kW Honda PCX Electric LiFePo4 (LFP) 2000 cycles 4.2 kW PEGA Zinger Extra FLiP 900 cycles 4-6 N/A X-men Plus 2016 N/A N/A 1.2 kW Honda EV Cub LiFePo4 (LFP) 1000 cycles kW Qua khảo sát, thông số kỹ thuật sạc thể bảng [1] 42 Bảng Thông số kỹ thuật sạc xe đạp/xe máy điện Điện áp sơ cấp 230 VAC Điện áp thứ cấp 15 VAC Điện áp đầu sạc Điện áp acquy 13.8 VDC 12 VDC 4.2 Các giả thiết đầu vào Trong khn khổ báo, nhóm tác giả thực tính tốn kinh tế kỹ thuật cho trạm sạc xe điện Trường Đại học Điện lực với giả thiết ban đầu sau:  Quy mô: phục vụ 100 xe đạp điện sinh viên cán công nhân viên  Địa điểm lắp đặt: Trường Đại học Điện lực Các thông số số nắng, mật độ xạ… Hà Nội sử dụng để nghiên cứu  Trung bình xe đạp điện sạc trường khoảng 1-1.3 kWh  Ổ cắm sạc cho xe điện sử dụng điện xoay chiều pha 220V Căn vào kiến trúc hữu, mơđun PV bố trí áp mái, chủ yếu nhà A số môđun bố trí nhà M nhà G hình Hình Bố trí mơđun PV Trường Đại học Điện lực Số 25 ... CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) CÁC PHƯƠNG ÁN KỸ THUẬT TRẠM SẠC 4.1 Thông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật acquy số loại xe đạp /xe máy điện Việt... tốn kinh tế kỹ thuật cho trạm sạc xe điện Trường Đại học Điện lực với giả thiết ban đầu sau:  Quy mô: phục vụ 100 xe đạp điện sinh viên cán công nhân viên  Địa điểm lắp đặt: Trường Đại học Điện. .. phương tiện chạy điện hai bánh Việt Nam Cấu trúc báo gồm phần: Mơ hình hóa xe đạp điện /xe máy điện; mơ hình điện mặt trời thiết kế kinh tế kỹ thuật cho trạm sạc xe điện MÔ HÌNH XE ĐIỆN Mơ hình hóa