TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Hiện nay, sự phát triển của đất nước trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, cùng với sự gia tăng dân số nhanh chóng, đã dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng cao Việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đã mang lại nhiều lợi ích đáng kể, đáp ứng nhu cầu to lớn về năng lượng và hỗ trợ sự phát triển kinh tế.
Từ năm 2010 đến 2020, tiêu thụ than tại Việt Nam đã tăng trung bình 12,9% mỗi năm, với sản lượng điện từ nhiệt điện than đạt kỷ lục 50% tổng sản lượng điện quốc gia vào năm 2020 Than được ưa chuộng trong ngành điện và công nghiệp nặng nhờ vào khả năng tiếp cận dễ dàng và chi phí hợp lý Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng hóa thạch cũng gây ra những vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường và sức khỏe cộng đồng.
Hình1 1 Sản lượng và mức giá bình quân than nhập khẩu (2014-2022)
Sản lượng và mức giá bình quân than nhập khẩu qua các năm (2014-2022)
Sản lượng (triệu tấn) Giá bình quân ( triệu đồng/tấn)
Việc sử dụng năng lượng hóa thạch như than, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên đã dẫn đến ô nhiễm không khí nghiêm trọng Các khí thải như CO2, SO2 và NOx không chỉ gây hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu mà còn ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, gây ra các bệnh hô hấp, tim mạch, ung thư và tác động tiêu cực đến sự phát triển của trẻ em Hơn nữa, khai thác và sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch quá mức còn làm suy thoái và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên Quá trình khai thác và chế biến các nguồn năng lượng này cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đến đất, nước và đa dạng sinh học.
Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), 92% dân số toàn cầu sống trong môi trường không khí ô nhiễm, dẫn đến hàng triệu ca tử vong sớm hàng năm do các bệnh hô hấp và ung thư liên quan đến bụi mịn Ô nhiễm không khí cũng ảnh hưởng đến nhiều bệnh lý khác như tiểu đường, bệnh tim mạch, bệnh phổi, bệnh gan, đột quỵ và rối loạn tiết tố, gây tác động tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng.
Năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời, gió, thủy điện và nhiều nguồn khác, là giải pháp hiệu quả để giải quyết ô nhiễm và bụi mịn Những nguồn năng lượng này cung cấp năng lượng sạch và bền vững, giúp bảo vệ môi trường và đáp ứng nhu cầu năng lượng không giới hạn.
Sự phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, không chỉ giảm áp lực lên hệ thống điện truyền thống mà còn hỗ trợ phát triển các ngành công nghiệp tiêu thụ nhiều năng lượng Năm 2018, năng lượng mặt trời đã sản xuất khoảng 100GW, chiếm tỷ lệ cao trong tổng sản lượng điện tái tạo, cho thấy sự ứng dụng ngày càng rộng rãi của điện mặt trời trên toàn cầu.
Hình 1 2 Đồ thị sử dụng năng lượng tái tạo
Mặt trời là nguồn năng lượng vô tận cung cấp bức xạ nhiệt và ánh sáng cho trái đất, không gây ô nhiễm và có khả năng tái tạo cao Điện mặt trời được sản xuất thông qua nguyên lý quang điện nhờ các tấm pin mặt trời, trong đó các tế bào quang điện được sắp xếp theo cấu trúc quy định Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm pin, các tế bào quang điện sẽ chuyển đổi ánh sáng thành điện năng một cách hiệu quả.
Năng lượng mặt trời là nguồn điện năng tiềm năng có thể cung cấp cho nhiều lĩnh vực như hộ gia đình, giao thông vận tải, công nghiệp và nhà máy Việc sử dụng năng lượng này không chỉ giúp giảm đáng kể khí thải CO2 và ô nhiễm môi trường, mà còn bảo vệ sức khỏe con người Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường đang gia tăng, việc chuyển đổi sang năng lượng mặt trời trở nên cấp thiết và thực tiễn hơn bao giờ hết.
Một ứng dụng thiết thực để chuyển đổi năng lượng hóa thạch sang năng lượng điện nhằm giảm ô nhiễm không khí là sử dụng động cơ điện trong giao thông vận tải Khói bụi từ phương tiện giao thông là nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm không khí ở các thành phố lớn, với khoảng 30 triệu tấn CO2 thải ra, chiếm 18,38% tổng lượng khí thải Hoạt động này là nguồn ô nhiễm lớn thứ ba, chỉ sau các ngành năng lượng và nông nghiệp Việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch không chỉ gây ô nhiễm không khí mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người, trong đó 86% khí thải đến từ giao thông đường bộ, trong khi đường sắt, đường thủy và hàng không chiếm 14% còn lại.
Hình 1 3 Ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông
Việc chuyển đổi nguồn năng lượng cho giao thông vận tải từ năng lượng hóa thạch sang xe điện là cần thiết để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người Xe điện, với hiệu suất cao và không gây ô nhiễm, đang trở thành giải pháp tối ưu để giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Công nghệ xe điện đã có những bước tiến vượt bậc, nhờ vào những phát minh từ thế kỷ 19 và sự phát triển của các nhà sản xuất hàng đầu như Tesla, Nissan, BMW và General Motors, mang đến những mẫu xe điện hiệu suất cao với khả năng di chuyển xa trên một lần sạc.
Xe điện đang ngày càng chiếm ưu thế trong ngành giao thông vận tải nhờ vào những lợi ích vượt trội mà chúng mang lại Sự gia tăng sản xuất và sử dụng xe điện trên các tuyến đường thành phố không chỉ phản ánh xu hướng hiện đại mà còn góp phần vào việc giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, sự gia tăng này cũng đặt ra nhiều thách thức cần được giải quyết.
Theo số liệu năm 2019 từ cơ quan Đảng bộ tỉnh Đồng Nai, việc phát triển cơ sở hạ tầng cho việc sạc xe điện là rất quan trọng và cần giải quyết Áp lực về điện năng để đáp ứng nhu cầu sạc xe điện đang gia tăng, gây áp lực lớn lên hệ thống điện lực quốc gia, dẫn đến giảm chất lượng điện và quá tải vào giờ cao điểm Một giải pháp tiềm năng là thay thế nguồn điện lưới bằng năng lượng mặt trời để cung cấp cho các trạm sạc xe điện.
Sử dụng năng lượng mặt trời cho các trạm sạc xe điện không chỉ tận dụng nguồn năng lượng sạch và tái tạo, mà còn giảm thiểu điện năng từ lưới điện quốc gia, góp phần giảm khí thải carbon từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch Hơn nữa, việc áp dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống sạc giúp đảm bảo tính ổn định và bền vững của nguồn điện, ngăn ngừa tình trạng quá tải và nâng cao khả năng cung cấp điện cho xe điện.
Nhóm chúng em đã thiết kế “trạm sạc sử dụng năng lượng mặt trời có giám sát” để phát triển và sử dụng xe điện bền vững, đồng thời đảm bảo an toàn và tạo tác động tích cực đến môi trường Hệ thống trạm sạc xe điện mặt trời độc lập này được phát triển dựa trên công nghệ sạc hiện tại, hệ thống giám sát và thông số của xe máy điện trên thị trường.
Hình1 4 Trạm sạc xe điện bằng năng lượng mặt trời
Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài đồ án tập trung vào việc tính toán và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời độc lập cho xe điện, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng xe điện ngày càng tăng và thúc đẩy sự phát triển của năng lượng mặt trời Với sự hiện diện của các trạm sạc xe điện từ Vinfast trên thị trường, nhóm em sẽ tận dụng nguồn tư liệu này để nghiên cứu và phát triển giải pháp hiệu quả.
Nhóm chúng tôi không chỉ nghiên cứu cấu tạo của các trụ sạc mà còn tập trung vào ứng dụng pin năng lượng mặt trời để sản xuất điện năng Chúng tôi sẽ thiết kế một hệ thống giám sát từ xa, giúp giám sát viên theo dõi hoạt động của trạm sạc và cung cấp thông tin cần thiết cho khách hàng.
Hệ thống giám sát theo dõi hiệu suất năng lượng từ pin mặt trời, dung lượng acquy và lượng điện đã sạc Khách hàng nhận thông tin về tình trạng các địa điểm sạc, thời gian trống và khả năng sạc đầy của trạm Nếu không đủ điện, khách hàng sẽ được thông báo về tỷ lệ sạc hiện tại và dung lượng acquy còn lại Hệ thống cũng thu thập dữ liệu để bảo vệ an toàn; khi có thông số vượt ngưỡng, hệ thống sẽ thông báo cho người giám sát hoặc tự động ngắt để tránh hư hỏng.
Đề tài này phát triển một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập cho xe điện, kết hợp với hệ thống giám sát từ xa, nhằm cung cấp tiện ích và thông tin hữu ích cho cả người giám sát và khách hàng sử dụng trạm sạc.
Giới hạn đề tài
Đồ án bao gồm hai phần chính: thiết kế mô hình trụ sạc nhỏ và tính toán cho trạm sạc thực tế, phục vụ cho việc sạc xe máy điện sử dụng hệ thống điện mặt trời độc lập.
Đồ án này tập trung vào việc thiết kế mô hình trạm sạc nhỏ cho xe máy điện sử dụng năng lượng mặt trời với nguồn lưu trữ độc lập Điện áp của acquy xe máy điện được giới hạn ở mức 12V, giúp giảm chi phí và đảm bảo an toàn trong quá trình thiết kế Hệ thống giám sát sẽ theo dõi công suất pin mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm, cũng như trạng thái sạc của acquy lưu trữ và acquy tải.
Chúng tôi thực hiện tính toán cho một trạm sạc xe máy điện sử dụng hệ thống điện mặt trời độc lập, với công suất tối đa cho phép là 24 chiếc xe máy điện mỗi ngày Qua quá trình tính toán, nhóm sẽ xác định cường độ ánh sáng mặt trời cần thiết, kích thước của hệ thống pin mặt trời và hệ thống lưu trữ điện, nhằm đảm bảo trạm sạc hoạt động hiệu quả và đáp ứng nhu cầu sạc của xe máy điện.
Nội dung nghiên cứu đồ án
- Lựa chọn thiết bị cho mô hình
- Giải pháp cho trạm sạc thực tế
- Giải pháp cố định dòng cho trạm sạc
Đồ án tập trung vào việc thiết kế mô hình trụ sạc năng lượng mặt trời độc lập cho xe điện, tích hợp hệ thống giám sát Ngoài ra, đồ án còn thực hiện tính toán và thiết kế trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời có lưu trữ, đặc biệt là hệ thống sạc cho bãi đậu xe ngoài trời tại trung tâm thương mại.
Khái quát về đồ án
Trạm sạc xe điện là nơi cung cấp điện cho các phương tiện giao thông sử dụng điện như ô tô điện, xe buýt và xe máy, giúp ngăn ngừa tình trạng cạn kiệt acquy khi di chuyển Nhờ có trạm sạc, các phương tiện có thể nạp lại điện năng trong thời gian nghỉ ngơi hoặc chuẩn bị cho chuyến đi tiếp theo.
Hệ thống sạc xe điện sử dụng trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập tạo ra điện năng từ pin mặt trời, cung cấp năng lượng cho tải và lưu trữ vào acquy khi không có tải Hệ thống này hoàn toàn độc lập, không cần kết nối với nguồn điện lưới, giúp đảm bảo nguồn năng lượng ổn định cho các trường hợp thiếu hụt công suất.
Sơ đồ khối về trụ sạc xe điện độc lập:
Hình1 5 Sơ đồ khối về trụ sạc xe điện độc lập
Theo sơ đồ khối, pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng một chiều, sau đó điện năng này được điều chỉnh qua bộ điều khiển sạc Bộ điều khiển này xác định điểm sạc tối đa, cung cấp điện cho tải khi có nhu cầu và sạc cho acquy lưu trữ khi không có tải Hệ thống giám sát thu thập dữ liệu về dòng điện, điện áp, độ ẩm và nhiệt độ môi trường, hiển thị thông tin trên màn hình LCD và gửi dữ liệu lên web để giám sát từ xa.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sự phát triển xe điện và tầm quan trọng của cơ sở hạ tầng
2.1.1 Sự phát triển của xe điện
Xu hướng phát triển xe điện đang trở thành yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô và xe máy điện trên toàn cầu Sự gia tăng sử dụng xe điện mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm khí thải và tiếng ồn, đồng thời đáp ứng nhu cầu di chuyển cá nhân và góp phần vào sự bền vững của ngành giao thông vận tải.
Xe điện là phương tiện thân thiện với môi trường, không phát thải khí gây ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính Việc chuyển đổi từ động cơ xăng sang động cơ điện giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ, từ đó giảm khí thải CO2, góp phần chống lại hiện tượng ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Ngoài ra, xe điện còn giảm ô nhiễm tiếng ồn và có hiệu suất hoạt động cao hơn so với xe truyền thống Động cơ điện hoạt động êm ái hơn do ít linh kiện cơ khí, mang lại cảm giác yên tĩnh khi di chuyển, đặc biệt ở những khu vực đông đúc Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao của xe điện giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.
Sự gia tăng xe điện đang thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển công nghệ, đặc biệt là trong việc nghiên cứu và phát triển acquy mới với khả năng lưu trữ cao hơn, giúp kéo dài thời gian sử dụng xe điện Điều này cho phép xe điện thực hiện các chuyến hành trình dài mà không cần sạc nhiều lần Các nhà sản xuất xe điện và công ty công nghệ đang đẩy nhanh quá trình hiện đại hóa với mục tiêu thay thế hoàn toàn xe xăng truyền thống, từ đó bảo vệ môi trường và giảm chi phí cho xe điện, mở rộng thị trường toàn cầu.
Cùng với sự phát triển của xe điện, cơ sở hạ tầng trạm sạc xe điện cũng đang được mở rộng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng Các trạm sạc nhanh đang được xây dựng trên các tuyến đường lớn, mang lại sự tiện lợi cho người dùng khi sạc xe Ngoài ra, các công ty kỹ thuật đang nghiên cứu và phát triển công nghệ mới như sạc không dây và sạc tự động, nhằm cải thiện trải nghiệm sử dụng xe điện.
Sự phát triển của xe điện không chỉ giúp bảo vệ môi trường và giảm khí thải mà còn mang lại nhiều lợi ích khác, bao gồm giảm tiếng ồn và tiết kiệm năng lượng.
Sự gia tăng sử dụng xe điện đã thúc đẩy công nghệ phát triển, mang lại tiến bộ đáng kể về hiệu suất và phạm vi pin điện Điều này mở ra cơ hội xây dựng hệ thống vận chuyển bền vững hơn cho tương lai.
2.1.2 Tầm quan trọng của hạ tầng sạc xe điện
Hạ tầng sạc xe điện là yếu tố quan trọng quyết định sự phát triển và chấp nhận công nghệ xe điện Để người dùng có thể tiếp cận và sử dụng xe điện một cách tiện lợi và tin cậy, cần xây dựng một mạng lưới sạc rộng khắp tại các địa điểm công cộng như bến xe, trung tâm mua sắm, nhà hàng, khách sạn và khu vực đô thị Sự sẵn sàng và đáng tin cậy của các điểm sạc cũng rất quan trọng, giúp người dùng yên tâm rằng họ có thể sạc xe khi cần mà không gặp phải tình trạng điểm sạc đầy hoặc hỏng hóc Do đó, việc duy trì, bảo trì và kiểm soát hạ tầng sạc là cần thiết để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng xe điện.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng xe điện, việc mở rộng hạ tầng sạc là cần thiết Điều này bao gồm việc cung cấp thêm điểm sạc, nâng cấp công nghệ sạc để tăng tốc độ, và cung cấp các tùy chọn sạc nhanh và siêu nhanh cho các hành trình dài Ngoài ra, cần đảm bảo khả năng tương thích với nhiều loại pin và giao thức sạc khác nhau.
Sự phát triển của xe điện phụ thuộc vào hạ tầng sạc xe điện, với tính tiện lợi, dễ dàng truy cập, sẵn sàng và đáng tin cậy là những yếu tố then chốt Mở rộng hạ tầng sạc cả về quy mô lẫn công nghệ là cần thiết để đáp ứng nhu cầu người dùng ngày càng tăng, từ đó tạo ra môi trường sử dụng xe điện thân thiện và tiện ích, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp này.
2.1.3 Xe máy điện trên thị trường Việt Nam
Xe máy điện đang ngày càng chiếm ưu thế trên thị trường xe máy Việt Nam, không chỉ đáp ứng nhu cầu di chuyển cá nhân mà còn góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường.
Sự phát triển của xe máy điện tại Việt Nam đã thu hút sự chú ý của người tiêu dùng nhờ vào nhiều lợi ích nổi bật Thị trường xe máy điện ngày càng đa dạng với nhiều mẫu mã và tính năng phong phú Các nhà sản xuất cung cấp nhiều lựa chọn từ xe tay ga đến xe số, từ xe phổ thông đến xe cao cấp Các mẫu xe điện hiện đại không chỉ tiện ích mà còn được trang bị các tính năng tiên tiến như hệ thống phanh điện tử, khóa thông minh, hệ thống đèn LED và màn hình điều khiển thông minh.
Có một số mẫu xe tiêu biểu ở thị trường Việt Nam như:
VinFast Klara là mẫu xe máy điện hiện đại được sản xuất bởi VinFast, nổi bật với thiết kế tinh tế và động cơ mạnh mẽ Xe có khả năng di chuyển lên đến 80 km sau mỗi lần sạc, đi kèm với nhiều tính năng tiện ích như khóa thông minh, hệ thống đèn LED và màn hình hiển thị đa thông tin, mang lại trải nghiệm lái xe tiện lợi và an toàn.
Hình 2 1 Xe máy điện Vinfast Klara S
Pega Ebike là mẫu xe máy điện sản xuất tại Việt Nam, nổi bật với thiết kế đơn giản nhưng thời trang, phù hợp cho việc di chuyển trong đô thị Xe được trang bị động cơ mạnh mẽ và pin có dung lượng lớn, cho phép di chuyển xa hơn.
Hình 2 2 Xe máy điện Pega Ebike Hình 2 3 Xe máy điện YADEA V002 (VFV)
Yadea là một trong những thương hiệu xe máy điện hàng đầu tại Trung Quốc, nổi bật với nhiều mẫu mã đa dạng và tiện ích, từ xe đạp điện đến xe tay ga điện Các sản phẩm của Yadea thường được người tiêu dùng đánh giá cao về chất lượng và hiệu suất, khẳng định vị thế của thương hiệu trong ngành công nghiệp xe điện.
Thị trường xe điện tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với nhiều thương hiệu và mẫu mã đa dạng, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng Nổi bật trong số đó là Vinfast Klara S, một sản phẩm nội địa, và Zhejiang Altruism FY12 Electric Scooter/Motorcycle từ Trung Quốc Hai mẫu xe này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn có những tính năng nổi bật, phù hợp với xu hướng sử dụng xe điện hiện nay.
Bảng 2 1 Xe máy điện Vinfast Klara S Động cơ Công suất danh định 1.200W
Hệ thống pin/acquy Loại pin/acquy Pin Lithium
Thời gian sạc đầy (h) 3h (90% SOC) hoặc 4,8h (100% SOC)/pin
Hình 2 4 Xe máy điện Zhejiang Altruism FY12 Electric Scooter
Bảng 2 2 Xe máy điện Zhejiang Altruism FY12 Electric Scooter
Công suất động cơ định mức (W) 1200 Điện áp (V) 72
Tình hình phát triển trạm sạc xe điện ở nước ta
2.2.1 Tình hình phát triển Ở Việt Nam các trạm sạc đang trong quá trình phát triển và mở rộng quy mô và số lượng, đáp ứng nhu cầu xe điện ngày càng gia tăng nhanh Số lượng và quy mô các trạm xe điện tăng ở các thành phố lớn, các địa điểm du lịch, sân bay, trạm dừng chân và các trạm sạc công cộng cũng được xây dựng và mở rộng Hiện nay, có khoảng 150.000 cổng sạc phủ khắp 63 tỉnh, thành phố của đất nước Các trạm sạc không chỉ tập trung mỗi ở các trung tâm phố lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội mà mở rộng khắp cả nước ngay cả những vùng miền núi phía Bắc hay miền Tây Nam Bộ Theo ông Raymond Phùng cho rằng cách mở rộng của Vinfast là bài bản với các quy hoạch ở nhiều địa điểm như các trạm dừng chân, bãi đỗ xe đến các trung tâm thương mại, các chung cư, trường học, các công ty văn phòng, quốc lộ, cao tốc,…thậm chí còn được tích hợp với các trạm xăng truyền thống như Petrolimex và PVOil Các trạm sạc công cộng thường hỗ trợ các chuẩn sạc khác nhau như CCS, CHAdeMO và AC (Type 2) để phục vụ đa dạng các loại xe điện trên thị trường.[12]
Chính phủ Việt Nam đang triển khai các chính sách hỗ trợ và khuyến khích phát triển cơ sở hạ tầng cho các trạm sạc xe điện, bên cạnh sự đầu tư từ các công ty Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua để đạt được mục tiêu này.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng xe điện, cần tăng cường số lượng trạm sạc Mặc dù hiện tại số lượng trạm sạc đang gia tăng, nhưng vẫn cần đầu tư và mở rộng, đặc biệt tại các khu vực đô thị đông đúc và khu vực xa xôi Việc tìm kiếm địa điểm phù hợp và triển khai các trạm sạc cần được chú trọng và nỗ lực hơn nữa.
Quy trình thanh toán cho việc sạc xe điện hiện nay vẫn còn phức tạp và thiếu sự tương thích giữa các trạm sạc và các loại cắm của xe điện khác nhau, gây bất tiện cho người dùng Để thúc đẩy sự phát triển của hạ tầng sạc xe điện, cần thiết phải thiết lập các tiêu chuẩn và quy định rõ ràng nhằm đảm bảo tính tương thích và thuận lợi cho người sử dụng.
Công nghệ sạc điện mặt trời đang được phát triển mạnh mẽ, mang lại giải pháp hấp dẫn cho việc sạc xe điện từ nguồn năng lượng tái tạo Để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các trạm sạc điện mặt trời, cần thiết phải nghiên cứu và đầu tư vào công nghệ này Hướng phát triển tiếp theo là tối ưu hóa việc sử dụng các trạm sạc điện mặt trời, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng.
2.2.2 Tình hình phát triển trạm sạc xe máy điện của Vinfast ở nước ta
Trạm sạc xe điện của VinFast là hệ thống sạc nhanh tiên tiến, được phát triển bởi VinFast, công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất ô tô và xe điện tại Việt Nam.
Hệ thống trạm sạc của VinFast bao gồm các trạm sạc DC nhanh với công suất lên tới 150 kW và trạm sạc AC đạt 22 kW VinFast đã phát triển một mạng lưới trạm sạc rộng khắp trên toàn quốc, bao gồm các địa điểm như trung tâm thương mại, khách sạn, trường học, sân bay, cảng biển và khu đô thị.
Các trạm sạc VinFast được trang bị công nghệ hiện đại với hệ thống quản lý năng lượng thông minh và kết nối Internet, cho phép giám sát và quản lý từ xa Hệ thống này còn có khả năng phát hiện và khắc phục sự cố kỹ thuật nhanh chóng, đảm bảo quá trình sạc diễn ra liên tục và ổn định.
VinFast cung cấp ứng dụng di động giúp người dùng tìm trạm sạc gần nhất, đặt lịch sạc và thanh toán trực tuyến, đồng thời cung cấp thông tin về thời gian, trạng thái và lịch sử sạc Hệ thống trạm sạc của VinFast trải dài khắp 63 tỉnh thành, mang lại trải nghiệm tiện ích cho người sử dụng xe điện Với sự phát triển không ngừng, trạm sạc điện VinFast đang phủ xanh mọi miền Tổ quốc, giúp người dùng yên tâm và dễ dàng tiếp cận nguồn điện cho xe Tất cả các trạm sạc đều tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo an toàn cho khách hàng từ thành phố đến nông thôn.
Hình 2 5 Trạm sạc xe điện tích hợp với chỗ gửi xe
2.2.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống sạc hiện nay Để có cái nhìn tổng quan về hệ thống sạc hiện nay, nhóm em sử dụng trạm sạc Vinfast làm ví dụ Dưới đây là một số ưu và nhược điểm của hệ thống sạc này: Ưu điểm:
Trạm sạc điện lưới quốc gia được phân phối rộng rãi và dễ dàng tìm thấy ở nhiều địa điểm khác nhau, mang lại sự tiện lợi tối đa cho người sử dụng xe điện Người dùng có thể dễ dàng xác định trạm sạc gần nhất mà không phải lo lắng về việc tìm kiếm nguồn năng lượng để sạc xe.
Trạm sạc điện lưới quốc gia với công suất cao cho phép xe điện sạc nhanh chóng, tiết kiệm thời gian, rất phù hợp cho những người có lịch trình bận rộn muốn tiếp tục hành trình một cách hiệu quả.
Trạm sạc điện lưới quốc gia được thiết kế để hỗ trợ nhiều loại xe điện, từ xe cá nhân đến xe buýt công cộng, đáp ứng nhu cầu sạc đa dạng của người dùng Điều này mang lại sự linh hoạt và tiện lợi cho những người sử dụng xe điện.
Hạ tầng điện lưới quốc gia đã được phát triển và mở rộng qua nhiều năm, đảm bảo cung cấp đủ điện cho các trạm sạc xe điện Điều này không chỉ xây dựng một mạng lưới sạc xe điện rộng lớn và đáng tin cậy mà còn cho phép khả năng mở rộng linh hoạt để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng.
IoT và quản lý thông minh đang cách mạng hóa việc sử dụng trạm sạc điện lưới quốc gia Công nghệ IoT cho phép quản lý và giám sát từ xa qua kết nối mạng, giúp theo dõi trạng thái trạm sạc, kiểm soát và cài đặt từ xa Ngoài ra, IoT còn thu thập dữ liệu về năng lượng và lịch sử sạc, từ đó tăng cường khả năng quản lý, tối ưu hóa và đưa ra quyết định thông minh cho các trạm sạc.
Giải pháp phát triển
2.3.1 Khái niệm trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời
Trạm sạc xe điện là cơ sở hạ tầng thiết yếu cung cấp năng lượng cho xe điện thông qua quá trình sạc pin Các trạm này thường được trang bị đầu sạc kết nối với hệ thống điện lưới hoặc điện mặt trời, cho phép người dùng dễ dàng sạc pin Có nhiều loại trạm sạc, bao gồm trạm công cộng tại các địa điểm như bến xe, trung tâm mua sắm, nhà hàng, khách sạn, và trạm sạc cá nhân được lắp đặt tại nhà hoặc nơi làm việc.
Một trạm sạc xe điện bao gồm nhiều trụ sạc và khu vực đỗ xe để sạc cho các phương tiện Các trụ sạc thường sử dụng hệ thống điện mặt trời độc lập, tận dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra năng lượng điện phục vụ cho việc sạc xe hoặc lưu trữ năng lượng.
Hình 2 6 Trạm sạc xe điện mặt trời
2.3.2 Chế độ hoạt động của trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời
Trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời đang nổi lên như một giải pháp tiềm năng và xu hướng hiện nay Hệ thống này hoạt động chủ yếu theo hai chế độ chính.
• Trạm sạc năng lượng mặt trời không nối lưới:
Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời không nối lưới hoạt động độc lập, sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời để tạo điện và lưu trữ trong pin Điều này cho phép trạm sạc hoạt động ở bất kỳ vị trí nào, đặc biệt là những khu vực không có điện lưới hoặc thiếu điện năng Hệ thống này có tiềm năng lớn tại nhiều vùng, nhất là ở những khu vực hải đảo xa xôi và nơi có điện không ổn định Các thành phần chính của hệ thống bao gồm pin mặt trời, acquy dự trữ, bộ điều khiển sạc và máy phát điện (tùy chọn) Tuy nhiên, để đảm bảo độ bền, việc xây dựng hệ thống vững chắc là cần thiết do kích thước lớn của tán pin và tác động của gió.
• Trạm sạc năng lượng mặt trời nối lưới:
Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời nối lưới kết hợp năng lượng mặt trời và lưới điện, cho phép sạc xe điện bằng cách chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành điện năng Khi pin không đủ điện áp, hệ thống tự động chuyển sang năng lượng từ lưới điện Ngoài ra, năng lượng dư thừa từ pin mặt trời sẽ được tải lên lưới để phục vụ nhu cầu khác Trạm sạc này hoạt động hiệu quả ngay cả vào ban đêm, nhưng cần được lắp đặt ở những khu vực có lưới điện ổn định.
Trong bối cảnh phát triển trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời, một giải pháp hấp dẫn là xây dựng hệ thống trạm sạc độc lập, không phụ thuộc vào lưới điện.
Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập hoạt động hoàn toàn tự chủ, không cần phụ thuộc vào lưới điện địa phương Năng lượng mặt trời được thu thập và chuyển đổi trong một chu trình khép kín để tạo ra điện năng và sạc cho xe điện Chính vì những lý do này, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã quyết định chọn trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập làm đề tài nghiên cứu và phát triển.
2.3.3 Hệ thống giám sát điện mặt trời độc lập
IoT (Internet of Things) hay Internet vạn vật là một hệ thống bao gồm các thiết bị điện tử và cơ khí, cho phép giao tiếp giữa máy với máy và máy với con người Hệ thống này có khả năng giám sát từ xa, giúp người dùng nhận được cảnh báo và phát hiện các tình huống bất thường, từ đó xử lý kịp thời và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.
Một hệ thống IoT đơn giản gồm có 3 thành phần cơ bản sau:
Cảm biến là thiết bị thu thập dữ liệu từ môi trường, bao gồm cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, và cảm biến độ ẩm Chúng chuyển đổi dữ liệu thu được thành dạng số mà không xử lý, giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu lỗi cho hệ thống.
Xử lý cục bộ và lưu trữ dữ liệu là bước quan trọng sau khi nhận thông tin từ các cảm biến Dữ liệu này sẽ được chuyển tiếp qua bộ xử lý để được xử lý và lưu trữ cục bộ Ngoài ra, nếu có yêu cầu, các dữ liệu này cũng sẽ được gửi đi Các thiết bị như mạch nhúng và vi điều khiển đảm nhận nhiệm vụ này, giúp xử lý hiệu quả thông tin từ cảm biến.
After data processing, devices will connect wirelessly to receive and upload this data to cloud storage Four key protocols utilized at this level are CoAP (Constrained Application Protocol), MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), HTTP (Hypertext Transfer Protocol), and XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol).
Mô hình IoT đơn giản của tác giả Lanny Sitanayah được thiết kế để giám sát và dự đoán chất lượng nước trong hồ bơi, sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu về độ axit (pH), độ mờ, oxy hòa tan (DO) và nhiệt độ nước Dữ liệu này được xử lý cục bộ trên Arduino Uno R3 và sau đó được gửi lên bộ nhớ đám mây qua ESP8266 thông qua mạng di động hoặc wifi Thông tin được lưu trữ và hiển thị trên một trang web, cho phép truy cập từ bất kỳ đâu Việc khai thác dữ liệu có sẵn giúp tạo ra nhiều mô hình để xác định các mẫu trong tập dữ liệu.
Hình 2 8 Hệ thống giám sát bằng arduino và esp8266
Hệ thống giám sát điện mặt trời độc lập mà nhóm em thiết kế giúp theo dõi và quản lý hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống Nó bao gồm các cảm biến và thiết bị giám sát để thu thập dữ liệu về hiệu suất của các thành phần như pin mặt trời, bộ điều khiển, bộ lưu trữ và hệ thống điện, cùng với các thông số liên quan khác.
Hệ thống giám sát điện mặt trời độc lập cho phép người dùng theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống, bao gồm sản lượng điện, điện áp, dòng điện, nhiệt độ và các thông số khác Thông qua giao diện người dùng, người dùng có thể xem thông tin thống kê, đồ thị và báo cáo, giúp đánh giá hiệu suất và xác định các vấn đề tiềm ẩn trong quá trình hoạt động của hệ thống.
Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời cho phép theo dõi và ghi nhận sản lượng điện năng từ các bảng pin mặt trời, giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống và đưa ra các biện pháp cải thiện khi cần thiết.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐỒ ÁN
Sơ đồ khối đồ án
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống mô hình đồ án
Mô hình đồ án sẽ gồm 2 phần phần cứng và phần giám sát:
Phần cứng của hệ thống bao gồm các thiết bị như pin mặt trời, mạch giảm áp, mạch ngắt, mạch chuyển đổi nguồn, rơle, acquy lưu trữ và acquy tải Nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo điện áp ổn định cho hoạt động của hệ thống, đồng thời bảo vệ acquy tải và acquy lưu trữ khỏi những rủi ro Bên cạnh đó, phần cứng cũng thực hiện chức năng chuyển đổi nguồn điện để sạc cho xe điện, tùy thuộc vào các tình huống khác nhau thông qua rơle.
Phần giám sát của hệ thống bao gồm các linh kiện điện tử như cảm biến, Arduino Uno R3, ESP8266 và màn hình LCD, cùng với khả năng giám sát từ xa qua nền tảng web Blynk Nhiệm vụ chính của phần giám sát là quan sát và truyền tải các thông số đo được lên màn hình LCD và nền tảng Blynk, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý các thông số của hệ thống từ xa.
Hệ thống sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời được xây dựng với mô hình đồ án kết hợp phần cứng và phần giám sát Phần cứng đảm bảo cung cấp nguồn điện ổn định cho việc sạc xe điện, trong khi phần giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và điều chỉnh hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Nguyên lý hoạt động của mô hình
Hệ thống hoạt động dựa trên việc hấp thụ ánh sáng mặt trời qua pin mặt trời, tạo ra điện năng bằng hiệu ứng quang điện Điện DC này được giảm áp để phù hợp với hệ thống và đi qua mạch ngắt, ngăn ngừa tình trạng ngược dòng gây hư hỏng pin mặt trời Khi điện áp đạt mức cài đặt, điện sẽ được chuyển đổi và ưu tiên sử dụng từ pin mặt trời; nếu nguồn chính ngắt, hệ thống sẽ chuyển sang nguồn dự phòng từ acquy lưu trữ Ngoài ra, rơ le được sử dụng để mở, đóng mạch tùy thuộc vào tải, đồng thời các mạch sạc và giảm áp đảm bảo an toàn quá trình sạc và bảo vệ acquy khỏi quá nạp hoặc ngắt khi điện áp không đủ.
Hệ thống hoạt động theo ba trường hợp sau:
Trong trường hợp hệ thống không có tải (xe điện), điện năng từ pin mặt trời sẽ được giảm áp qua mạch giảm áp đến mức định trước Sau đó, điện sẽ đi qua rơ le và tiếp tục vào mạch sạc để trực tiếp sạc cho acquy lưu trữ.
Trong trường hợp thứ hai, khi hệ thống kết nối với tải (xe điện), rơ le được kích hoạt bởi điện áp từ acquy tải Sự kích hoạt này làm cho mạch sạc acquy lưu trữ bị hở, ngăn không cho sạc cho acquy lưu trữ Nguồn điện từ pin mặt trời sẽ đi qua mạch giảm áp và mạch ngắt, sau đó bộ chuyển đổi nguồn được giảm áp tiếp tục sạc cho acquy tải.
Trong trường hợp thứ 3, hệ thống hoạt động ở trạng thái tương tự như trường hợp 2, nhưng ánh sáng mặt trời không đủ do thời tiết xấu hoặc vào ban đêm Khi đó, điện áp sẽ thấp hơn mức đã định sẵn trên mạch ngắt, dẫn đến việc mạch ngắt ngắt kết nối điện từ pin mặt trời Bộ chuyển đổi nguồn sẽ tự động chuyển sang nguồn điện dự phòng từ acquy lưu trữ, qua mạch giảm áp và mạch sạc để tiếp tục cung cấp điện cho tải (xe điện).
Tất cả ba trường hợp đều sử dụng hệ thống giám sát để thu thập và gửi dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, dòng điện đầu vào và điện áp của pin mặt trời, acquy lưu trữ và tải Thông tin này được truyền qua kết nối Wi-Fi đến người giám sát thông qua phần mềm Blynk, cho phép giám sát từ xa hiệu quả.
Linh kiện mô hình đồ án
Pin mặt trời là thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng, nhằm tạo ra nguồn điện sạch và thân thiện với môi trường.
Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện liên kết với nhau Mỗi tế bào có hai lớp bán dẫn: một lớp dương (P) và một lớp âm (N) Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào, năng lượng từ ánh sáng được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng qua tế bào, quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện.
Arduino UNO là một vi điều khiển kỹ thuật số dựa trên ATmega328P, trang bị 14 chân input/output kỹ thuật số (bao gồm 6 chân PWM) và 6 chân input analog, hoạt động với tần số dao động 16MHz Thiết bị này dễ dàng kết nối với máy tính qua cáp USB hoặc nguồn điện từ bộ chuyển đổi AC-DC hoặc pin để khởi động.
Arduino UNO là thiết bị điện tử lý tưởng cho việc thiết kế và thực hiện các dự án điện tử Nó cho phép tạo ra các bảng điều khiển kết nối với nhiều thiết
Sơ đồ nối dây Arduino
Hình 3 4 Sơ đồ nối dây Arduino UNO R3
Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của Mô-đun ESP8266 Node MCU
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Arduino kết nối và nhận dữ liệu từ các cảm biến, cho phép đọc các thông số môi trường như ánh sáng, độ ẩm, và nhiệt độ, cũng như đo dòng điện và điện áp Dữ liệu này phục vụ cho phân tích, giám sát và điều khiển quy trình tự động Ngoài ra, Arduino có khả năng giao tiếp với các thiết bị khác qua các giao thức như UART, I2C, SPI và cổng USB, giúp kết nối với cảm biến, màn hình, và vi điều khiển ESP8266 để truyền dữ liệu.
3.3.3 Mô-đun wifi ESP8266 NODE MCU
Mô-đun wifi ESP8266 Node MCU là thiết bị phát triển dựa trên vi điều khiển ESP8266, cho phép kết nối các thiết bị điện tử với mạng WiFi và Internet Thiết bị này cung cấp nền tảng lý tưởng cho các ứng dụng IoT (Internet of Things) và các dự án tự chế, phục vụ nhu cầu của nhà phát triển và kỹ sư điện tử.
Mô-đun ESP8266 NodeMCU tích hợp nhiều chân kết nối đa dạng, cho phép kết nối với cảm biến, động cơ, màn hình LCD và các thiết bị khác Nó hỗ trợ kết nối WiFi đầy đủ, giao thức TCP/IP và cung cấp các chức năng cơ bản như kết nối, chuyển đổi mạch và quản lý mạng.
Mô-đun ESP8266 Node MCU hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình như C++, Lua và MicroPython, cho phép các nhà phát triển lập trình và điều khiển thiết bị điện tử qua WiFi và Internet Tính năng OTA (Over The Air) giúp cập nhật phần mềm từ xa, tiết kiệm thời gian cho việc bảo trì thiết bị IoT ESP8266 Node MCU thường được sử dụng trong các ứng dụng đo đạc, giám sát môi trường, kiểm soát thiết bị từ xa và tự động hóa nhà thông minh Với thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng và giá thành thấp, nó mang lại tính linh hoạt cao Tuy nhiên, mô-đun này có giới hạn về khả năng xử lý và bộ nhớ so với các bo mạch khác, đồng thời có thể gặp vấn đề về độ ổn định trong một số trường hợp Dù vậy, ESP8266 Node MCU vẫn là giải pháp hiệu quả cho các dự án IoT và DIY, giúp nhanh chóng triển khai ứng dụng mới.
ESP8266 NodeMCU được trang bị 17 chân GPIO (General Purpose Input/Output) cho phép kết nối với các thiết bị ngoại vi như cảm biến và màn hình Các chân GPIO có thể hoạt động như đầu vào hoặc đầu ra, bao gồm các chân D0 đến D8, giúp đọc trạng thái cảm biến hoặc điều khiển thiết bị Ngoài ra, chân A0 được sử dụng như đầu vào ADC (Analog-to-Digital Converter) để đọc giá trị analog từ cảm biến, với độ phân giải 10 bit, cho phép đo giá trị trong khoảng từ 0 đến 1023.
ESP8266 NodeMCU có khả năng đạt tốc độ kết nối WiFi lên đến 72 Mbps, nhưng tốc độ thực tế sẽ phụ thuộc vào môi trường và điều kiện mạng WiFi cụ thể.
Hình 3 5 Mô-đun wifi ESP8266 NODE MCU
Hình 3 6 Sơ đồ nối dây mô-đun wifi ESP8266 NODE MCU
Bảng 3 2 Thông số kỹ thuật ESP8266 Wifi SoC:
IC chính ESP8266 Wifi SoC
Phiên bản firmware Node MCU
Chip nạp và giao tiếp UART CP2102 Độ tương thích với firmware
NODE MCU Tương thích hoàn toàn
Cấp nguồn 5VDC Micro USB hoặc Vin
Mức giao tiếp của GIPO 3.3VDC
Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash Độ tương thích với trình biên dịch Arduino Tương thích hoàn toàn
ESP8266 trong thiết kế đồ án có vai trò quan trọng trong việc đo dòng điện của pin năng lượng mặt trời, cũng như nhiệt độ và độ ẩm của môi trường Nó nhận dữ liệu từ Arduino để tính toán công suất pin mặt trời, dung lượng acquy tải và acquy lưu trữ Các dữ liệu đo được sẽ được hiển thị trên màn hình LCD và gửi lên nền tảng Blynk thông qua kết nối wifi hoặc dữ liệu di động.
3.3.4 Cảm biến dòng điện ACS712 20A
Cảm biến dòng điện ACS712 20A là thiết bị đo dòng điện tuyến tính, lý tưởng cho các ứng dụng điện tử và điều khiển Với khả năng đo dòng lên tới 20A, cảm biến này mang lại độ chính xác cao và rất dễ sử dụng.
Cảm biến ACS712 20A cho phép kết nối với mạch điều khiển để đo dòng điện và truyền tín hiệu về mạch Nó cung cấp tín hiệu điện áp tuyến tính tương ứng với dòng điện đo được, đạt độ chính xác lên đến 1,5% và độ phân giải 100mV/A Ngoài ra, cảm biến này còn tích hợp tính năng bảo vệ quá tải và chống nhiễu từ bên ngoài.
Cảm biến dòng điện ACS712 5A là thiết bị lý tưởng cho việc đo dòng điện trong hệ thống điện tử, theo dõi năng lượng tiêu thụ và kiểm soát hoạt động của các thiết bị điện Nó cũng phù hợp cho các dự án DIY, cho phép người dùng đo dòng điện và điều khiển thiết bị một cách dễ dàng Sử dụng cảm biến ACS712 20A không chỉ đơn giản hóa thiết kế mạch mà còn nâng cao độ chính xác và độ tin cậy trong việc đo dòng điện.
Hình 3 7 Cảm biến dòng điện ACS712 20A
Hình 3 8 Sơ đồ nối dây cảm biến dòng điện ACS712 20A Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật cảm biến dòng điện ACS712 20A Đường tín hiệu analog Độ nhiễu thấp
Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào 5às Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ
Nguồn 5VDC Độ nhạy đầu ra 63-190mV/A
Nhiệt độ hoạt động -40 - 85 °C Điện áp Cực kỳ ổn định Độ nhạy 96-104 mV/A
Cảm biến dòng điện hoạt động với nguồn 3.3V từ Arduino Uno R3 để điều khiển đèn Đầu tín hiệu Vout của cảm biến được kết nối với một đầu đo, trong khi đầu còn lại được nối với bộ giảm áp Điện áp đo được sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu từ 0-3.3V, tương ứng với dòng điện từ 0-20A Điện áp đầu ra Vout sẽ thay đổi theo dòng điện đo, với giá trị nằm trong khoảng từ 0-3.3V cho dòng điện từ 0-20A.
Mô phỏng trên phần mềm Proteus 8 professional
Hình 3 25 Sơ đồ mô phỏng đồ án trên phần mềm Proteus 8 professional
Kết quả đạt được của mô phỏng
Hình 3 26 Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên LCD
Hình 3 27 Hiển thị công suất đầu vào hệ thống
Hình 3 28 Hiển thị điện áp và trạng thái sạc hiện tại của acquy lưu trữ
Hình 3 29 Hiển thị điện áp và trạng thái sạc hiện tại của acquy tải
Dòng điện mô phỏng pin mặt trời : 3.15 A
Điện áp mô phỏng pin mặt trời: 37V
Điện áp hiện tại và phần trăm pin( pin lưu trữ): 11.78V và 49%
Điện áp hiện tại và phần trăm pin ( tải): 9.47V và 39%
Mô hình thực tế
Hình 3 30 Mô hình thực tế
Hình 3 31 Sơ đồ nối dây mô hình đồ án
Bảng 3 13 Nối dây LCD I2C với ESP8266 NODE MCU
Bảng 3 14 Nối dây cảm biến áp 1 với Arduino UNO R3
Cảm biến áp 1 Arduino UNO R3
Bảng 3 15 Nối dây cảm biến áp 2 với Arduino UNO R3
Cảm biến áp 2 Arduino UNO R3
Bảng 3 16 Nối dây cảm biến áp 3 với Arduino UNO R3
Cảm biến áp 3 Arduino UNO R3
Bảng 3 17 Nối dây giữa Arduino với ESP8266 NODE MCU
Arduino UNO R3 ESP8266 NODE MCU
Bảng 3 18 Nối dây cảm biến áp DHT22 với ESP8266 NODE MCU
Bảng 3 19 Nối dây ACS712 20A với ESP8266 NODE MCU và Arduino UNO
ACS712 20A ESP8266 NODE MCU Arduino UNO R3
Về phần code của Arduino và code của ESP8266 tham khảo ở phần code hệ thống giám sát
Hình 3 32 Sơ đồ giải thuật code Arduino
Hình 3 33 Sơ đồ giải thuật code ESP8266
3.5.3 Kết quả đồ án Đo nhiệt độ, độ ẩm:
Hình 3 34 Hình ảnh LCD thể hiện nhiệt độ, độ ẩm của môi trường
Mô hình sẽ được phân chia thành ba trường hợp: trường hợp có tải với acquy xe điện, trường hợp không tải và trường hợp khi điện mặt trời không đủ cung cấp cho xe điện.
Trường hợp không có tải:
Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để sạc trực tiếp vào acquy lưu trữ thông qua mạch giảm áp và mạch sạc Quá trình này không chỉ nạp lại năng lượng cho acquy mà còn duy trì năng lượng lưu trữ Khi có đủ điện từ mặt trời, hệ thống sẽ bắt đầu quá trình sạc cho acquy.
Mạch sạc trong hệ thống đảm bảo điện áp đầu vào cho acquy, ngăn chặn sạc ngược từ pin mặt trời và sạc quá mức Hệ thống giám sát đo công suất từ pin mặt trời và trạng thái sạc của acquy lưu trữ, hiển thị thông tin trên LCD và phần mềm Blynk Điều này giúp người dùng theo dõi hiệu suất sạc và trạng thái của hệ thống một cách rõ ràng.
Hình 3 35 Công suất pin mặt trời trường hợp 1
Hình 3 36 Trạng thái sạc của acquy lưu trữ trường hợp 1
Hình 3 38 Hiển thị trên phần mềm Blynk trường hợp 1
Trường hợp có tải và điện áp mặt trời đủ để cung cấp cho tải:
Khi nguồn điện từ mặt trời đủ để đáp ứng nhu cầu tải, hệ thống sẽ ưu tiên sử dụng năng lượng từ tấm pin mặt trời để sạc và cung cấp cho tải Quá trình này diễn ra qua các mô-đun chuyển đổi nguồn và mạch sạc.
Tấm pin mặt trời chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng một chiều (DC), sau đó điện năng này được đưa vào mạch giảm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu của hệ thống Điện năng sau khi qua mạch giảm áp sẽ vào mạch sạc, giúp ổn định điện áp và đảm bảo sạc acquy an toàn, hiệu quả Điện năng ổn định từ mạch sạc tiếp tục đi qua mô đun chuyển đổi nguồn dự phòng, ưu tiên nguồn điện mặt trời khi đủ năng lượng Cuối cùng, điện năng được sử dụng để sạc acquy thông qua mạch sạc, với quá trình được điều chỉnh để duy trì acquy ở trạng thái sạc đầy đủ.
Hình 3 39 Hệ thống khi có tải
Hình 3 41 Công suất pin mặt trời trường hợp 2
Hình 3 42 Trạng thái sạc của acquy lưu trữ trường hợp 2
Hình 3 43 Trạng thái sạc của tải trường hợp 2
Hình 3 44 Hiển thị trên phần mềm Blynk trường hợp 2
Khi hệ thống điện mặt trời không đủ cung cấp cho tải, nó sẽ ngắt nguồn từ tấm pin mặt trời và chuyển sang sử dụng nguồn điện từ acquy lưu trữ Quá trình này được thực hiện thông qua các mô-đun chuyển đổi nguồn và mạch sạc Đầu tiên, mô-đun chuyển đổi nguồn sẽ xác định điện áp mặt trời không đủ và ngắt điện năng từ tấm pin Sau đó, nguồn điện từ acquy lưu trữ sẽ được ưu tiên sử dụng để cung cấp năng lượng cho tải Điện năng từ acquy sẽ được điều chỉnh qua mô-đun chuyển đổi nguồn để đảm bảo điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu của hệ thống Cuối cùng, điện năng ổn định sẽ đi qua mạch giảm áp để giảm điện áp và được đưa vào mạch sạc, nhằm sạc acquy một cách an toàn và hiệu quả, đảm bảo acquy luôn duy trì trạng thái sạc đầy đủ.
Hệ thống sẽ tự động chuyển từ nguồn điện mặt trời sang nguồn điện từ acquy lưu trữ, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định cho tải điện Mô-đun chuyển đổi nguồn là thiết bị then chốt trong việc chuyển đổi và cung cấp năng lượng liên tục từ acquy lưu trữ.
Hình 3 45 Hệ thống khi điện áp mặt trời không đủ để cấp cho tải
Hình 3 46 Công suất pin mặt trời trường hợp 3
Hình 3 47 Trạng thái sạc của acquy lưu trữ trường hợp 3
Hình 3 48 Trạng thái sạc của acquy tải trường hợp 3
Hình 3 49 Hiển thị trên phần mềm Blynk trường hợp 3
Ngoài ra hệ thống có gắn thêm đèn DC với công suất nhỏ để giám sát hệ thống có hoạt động không
Hình 3 50 Điện áp và dòng điện của đèn
Vì công suất đèn nhỏ nên không ảnh hưởng nhiều đến tính toán và công suất hệ thống
Với điện áp của đèn và 18.44V và dòng điện là 0.19A tính được công suất đèn là:
Theo sơ đồ nối dây, cảm biến dòng được lắp đặt trước hệ thống và đèn, với đèn được kết nối song song với hệ thống Do đó, để tính dòng điện của hệ thống, ta sử dụng công thức sau:
Iht: Dòng điện của hệ thống sạc I: Dòng điện tổng đo được
Dòng điện của đèn được điều chỉnh khi acquy đã đạt 100% điện áp, dẫn đến dòng sạc nhỏ để duy trì điện áp ổn định Mạch điều khiển sạc cung cấp dòng điện này nhằm tránh quá sạc, bảo vệ acquy khỏi hư hỏng và kéo dài tuổi thọ Tương tự, việc tính toán cũng áp dụng cho trường hợp thứ hai.
Bảng 3 20 Kết quả đồ án từng trường hợp
( 0 C) Độ ẩm (%) Điện áp PV (V)
PV (W) Điện áp acquy lưu trữ (V)
Trạng thái sạc lưu trữ (%) Điện áp acquy tải (V)
GIẢI PHÁP CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN
Bố trí trạm sạc
Trạm sạc công cộng mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người dùng xe điện, đặc biệt khi được lắp đặt tại các địa điểm như siêu thị, trung tâm mua sắm và nhà hàng Người dùng có thể sạc xe trong khi mua sắm hoặc thưởng thức dịch vụ, tạo ra sự tiện lợi và tiết kiệm thời gian, vì họ không cần phải tìm kiếm một địa điểm riêng biệt để sạc xe.
Trạm sạc công cộng mở rộng khả năng di chuyển của xe điện, giúp người dùng không còn lo lắng về khoảng cách hay thời gian sạc tại nhà Thay vào đó, họ có thể tận dụng các trạm sạc trên đường để nhanh chóng nạp năng lượng cho xe Điều này không chỉ tăng tính linh hoạt mà còn nâng cao độ tin cậy của xe điện, cho phép người dùng thoải mái khám phá và tham gia vào các hoạt động hàng ngày mà không phải bận tâm về tình trạng pin.
Hình 4 1 Mô hình trạm sạc xe điện tích hợp với trạm dừng xe bus bằng phần mềm sketchup
4.1.2 Trạm sạc dọc các tuyến đường
Các trạm sạc trên các tuyến đường lý tưởng cho những chuyến đi dài, đặc biệt là ở các khu vực nông thôn hoặc xa xôi không có trạm sạc công cộng Việc xây dựng trạm sạc năng lượng mặt trời tại đây không chỉ đáp ứng nhu cầu sạc điện cho xe mà còn tạo cơ hội cho người đi đường nghỉ ngơi và tìm kiếm dịch vụ Các quán cafe, nhà hàng, điểm ăn sáng và chỗ nghỉ như nhà nghỉ có thể được phát triển xung quanh trạm sạc, tạo ra một môi trường thuận tiện và thoải mái cho du khách.
Các trạm sạc xe điện không chỉ cung cấp nguồn năng lượng cần thiết mà còn trở thành điểm dừng chân lý tưởng cho người đi đường Sự kết hợp giữa trạm sạc và các dịch vụ như nghỉ ngơi và ẩm thực không chỉ nâng cao tính tiện lợi mà còn mang đến trải nghiệm tuyệt vời cho người sử dụng xe điện khi di chuyển trên các tuyến đường dài.
Trạm sạc nhanh sử dụng trang trại điện mặt trời công suất vừa và nhỏ là giải pháp hiệu quả cho nhu cầu sạc xe điện Trang trại năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pin mặt trời lắp đặt trên diện tích rộng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện Việc sử dụng solar farm công suất vừa và nhỏ cho phép đặt trạm sạc ở các vị trí chiến lược trên các tuyến đường quan trọng và trong khu đô thị Công suất của solar farm có thể điều chỉnh theo nhu cầu sạc xe điện tại từng địa điểm, với solar farm công suất vừa đáp ứng nhu cầu cho số lượng xe điện trung bình, trong khi solar farm công suất nhỏ hơn phù hợp cho trạm sạc có lượng xe điện ít hơn.
4.1.4 Các tiêu chí để lựa chọn các địa điểm đặt trạm sạc
Để tối ưu hóa trải nghiệm cho người sử dụng xe điện, việc lựa chọn địa điểm trạm sạc cần gần các khu dân cư, trung tâm thương mại và thành phố để đảm bảo sự tiếp cận dễ dàng Bên cạnh đó, trạm sạc nên được đặt gần các tiện ích như cửa hàng tiện lợi, quán cà phê, công ty, trường học và trung tâm siêu thị, nhằm đáp ứng nhu cầu của người dùng trong thời gian chờ sạc.
Trạm sạc trên tuyến đường:
Khoảng cách hợp lý giữa các trạm sạc trên tuyến đường là rất quan trọng, với các trạm được đặt cách đều nhau giữa các điểm đến quan trọng và khu vực có lưu lượng xe điện cao Để tạo sự tiện lợi cho chuyến đi dài, vị trí của các trạm sạc cần được bố trí gần các điểm dừng chân như trạm nghỉ xe buýt điện và nhà hàng, giúp người dùng có cơ hội sạc xe và thư giãn trong quá trình di chuyển.
Trạm sạc nhanh nên được đặt tại các vị trí giao thông quan trọng, dễ tiếp cận và không gây ùn tắc Cụ thể, vị trí gần các tuyến đường chính như xa lộ và cao tốc sẽ thuận lợi cho việc sạc xe trong những chuyến đi ngắn và nhanh.
Các trạm sạc nhanh nên được đặt gần các tiện ích như nhà hàng, cửa hàng ăn nhanh, quán cà phê và siêu thị, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng sạc xe và tiếp tục hành trình một cách nhanh chóng và tiện lợi.
Thiết kế trạm sạc
4.2.1 Chọn bố trí và thiết kế cho trạm sạc Để có thể nghiên cứu chi tiết trạm sạc nhóm em sẽ tập trung vào trạm sạc công công Với trạm sạc này sẽ được đặt ở bãi giữ xe của các trung tâm thương mại Lựa chọn này được đưa ra vì các trung tâm thương mại thường là nơi có lượng xe đi qua đông đúc và có nhu cầu sạc xe cao Bằng cách đặt trạm sạc tại bãi giữ xe của các trung tâm thương mại, nhóm em hy vọng sẽ thuận tiện cho người dùng khi đi mua sắm hoặc làm việc tại những địa điểm này Trạm sạc xe điện mặt trời độc lập sẽ có 2 bộ phận chính: nơi để xe và trụ sạc xe điện
Nơi để xe sạc là khu vực dành riêng cho việc đậu xe và kết nối xe điện để sạc Khu vực này được thiết kế đặc biệt với các thiết bị và kết nối sạc phù hợp, đảm bảo quá trình sạc diễn ra thuận lợi và hiệu quả.
Hình 4 2 Mô hình trạm sạc xe điện của nhóm sinh viên Đại học Bách khoa TP HCM
Một trạm sạc xe điện tiêu chuẩn thường có ít nhất hai trụ sạc độc lập, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng trạm Hệ thống này bao gồm cả phần cứng và phần giám sát để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
- Phần cứng gồm các thiết bị như: pin mặt trời, acquy lưu trữ, bộ điều khiển sạc, xe điện
Phần giám sát bao gồm các cảm biến đo lường như dòng điện, điện áp, nhiệt độ và độ ẩm, cùng với thiết bị hiện trường, khối truyền thông và máy chủ trung tâm.
Hình 4 3 Sơ đồ khối đề xuất của trạm sạc không nối lưới dựa trên PV với hệ thống tích trữ năng lượng
Khi sử dụng trạm sạc, cần lưu ý rằng mỗi loại xe được phân loại khác nhau và việc sạc phải tuân theo quy định của nhà sản xuất về hiệu điện thế, dòng điện và công suất sạc Do đó, người dùng cần cẩn trọng khi sử dụng các trạm sạc công cộng để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Trong thiết kế trạm sạc năng lượng mặt trời, nhóm chúng tôi sẽ áp dụng mẫu thiết kế của trụ sạc xe máy điện VinFast Trụ sạc bao gồm các thành phần chính như thân trụ, dây sạc và màn hình LCD, tạo nên sự tiện lợi và hiệu quả trong việc sạc điện cho phương tiện.
Màn hình LCD cung cấp thông tin quan trọng về quá trình sạc, bao gồm lượng pin còn lại, thời gian sạc, công suất sạc và các thông báo khác Nhờ có màn hình LCD, người dùng có thể dễ dàng theo dõi và kiểm soát quá trình sạc một cách thuận tiện.
Hình 4 4 Trụ sạc xe điện Bảng 4 1 Thông số của trụ sạc xe máy điện trên thị trường Điện áp hoạt động (V) 1 pha 220VAC ± 5%
Tần số hoạt động 50 Hz ± 5%
Công suất ≥ 1.2kW/ cổng sạc
Số lượng cổng đầu ra 2 hoặc 4 cổng/ trụ sạc
Bảo vệ Quá tải/ Quá nhiệt/ ngắn mạch/ chống giật
4.2.3 Hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống trạm sạc độc lập
Hệ thống IoT đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm nhà thông minh, nông nghiệp thông minh, y tế thông minh, giao thông thông minh và quản lý năng lượng Vai trò của IoT là thiết kế một môi trường số kết nối, thông minh và hiệu quả.
Hình 4 5 Hệ thống giám sát IOT
Hệ thống IoT trong trạm sạc đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống, đảm bảo hoạt động tối ưu Nó cung cấp các chức năng thiết yếu nhằm nâng cao hiệu suất và hiệu quả trong quá trình sạc.
Hệ thống IoT thu thập dữ liệu từ các trạm sạc, bao gồm vị trí, khả năng sạc, số lượng chỗ sạc trống và các thông tin liên quan khác Dữ liệu này được tổ chức và truyền tải để cung cấp cho người tiêu dùng những thông tin cần thiết khi tìm kiếm trạm sạc phù hợp.
Hệ thống IoT sử dụng công nghệ định vị để xác định vị trí các trạm sạc, từ đó gửi thông tin đến người tiêu dùng Điều này giúp người dùng dễ dàng tìm kiếm các trạm sạc gần nhất, đồng thời biết được các tiện ích sẵn có như khả năng sạc và chỗ sạc trống.
Hệ thống IoT sẽ tự động gửi thông báo và tín hiệu đến người giám sát khi phát hiện sự cố hoặc vấn đề liên quan đến trạm sạc Điều này giúp người giám sát nhanh chóng nhận diện và xử lý sự cố một cách hiệu quả.
Hệ thống IoT cho phép người giám sát điều khiển từ xa các hoạt động của trạm sạc, bao gồm việc thay đổi chế độ sạc, kiểm soát công suất và tắt/mở các chức năng Điều này không chỉ tối ưu hóa hoạt động của hệ thống mà còn giúp giải quyết linh hoạt các vấn đề phát sinh trong quá trình hoạt động.
Hệ thống IoT trong trạm sạc đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều khiển, cung cấp thông tin cần thiết cho người sử dụng xe điện và người giám sát Điều này đảm bảo sự tiện lợi và hiệu quả trong việc sử dụng xe điện cũng như hệ thống sạc.
Hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm ba khối chính: khối thiết bị hiện trường, khối truyền thông và khối máy chủ trung tâm Mỗi thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của toàn hệ thống.
Lựa chọn thiết bị phần cứng
Có ba loại chính của pin mặt trời: tấm pin mặt trời thin-film, tấm pin mặt trời mono và tấm pin mặt trời poly
Tấm pin mặt trời thin-film
Tấm pin mặt trời thin-film thường được chế tạo từ nhiều loại chất liệu, trong đó cadmium telluride (CdTe) là phổ biến nhất Cấu trúc của tấm pin bao gồm một lớp CdTe ở giữa và hai lớp màng dẫn trong suốt, giúp tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời và sản xuất điện năng hiệu quả Lớp kính bảo vệ ở trên cùng đảm bảo độ bền và an toàn cho tấm pin.
Tấm pin năng lượng mặt trời có thể sử dụng silic vô định hình, trong đó silic không kết tinh được lắp đặt trên các vật liệu như nhựa, thủy tinh hoặc kim loại Một loại tấm pin khác là Copper Indium Gallium Selenide (CIGS), bao gồm bốn phần chính được đặt giữa hai lớp vật liệu như nhựa, thủy tinh, thép hoặc nhôm Các điện cực ở hai mặt trước và sau của tấm pin giúp thu thập và tạo ra dòng điện.
Tùy thuộc vào chất liệu tạo nên tấm pin mà có màu khác nhau như đen hoặc xanh
Các tế bào trong tấm pin thin-film có kích thước mỏng hơn khoảng 350 lần so với tấm pin tinh thể mono và poly, với hiệu suất thường đạt khoảng 11% Hiệu suất cụ thể của tấm pin thin-film phụ thuộc vào chất liệu của tế bào, nhưng công suất của chúng thường thấp hơn so với các loại tấm pin khác Tuy nhiên, tấm pin thin-film vẫn có những ưu điểm riêng.
- Chất liệu nhẹ, linh hoạt và dễ dàng lắp đặt
- Giá pin và chi phí thi công, lắp đặt rẻ
- Hiệu suất và công suất thấp: hiệu suất chuyển đổi chỉ khoảng 11%
- Cần có điểm tựa khi lắp đặt
Tấm pin mặt trời mono được cấu tạo từ các tấm silic tinh khiết, với mỗi tấm được cắt từ tinh thể silic đơn Chúng thường có màu đen do ánh sáng phản xạ từ tinh thể silic Các tế bào quang điện trong tấm pin mono có hình dạng vuông vạch góc và được sắp xếp nối tiếp, tạo ra các khoảng hình thoi màu trắng.
Tấm pin mặt trời mono nổi bật với hiệu suất chuyển đổi lên đến 20%, vượt trội hơn so với các loại pin khác Khả năng này cho phép chúng chuyển đổi một tỷ lệ lớn năng lượng mặt trời thành điện năng, từ đó tối ưu hóa hiệu quả hoạt động và nâng cao khả năng sản xuất điện.
Mặc dù tấm pin năng lượng mặt trời mono có hiệu suất và công suất cao, nhưng nhược điểm lớn của chúng là giá thành cao hơn so với các loại khác Nguyên nhân là do quá trình sản xuất yêu cầu tinh thể silic đơn tinh khiết, dẫn đến chi phí sản xuất tăng và giá thành cuối cùng cao hơn.
Nhược điểm: giá thành cao
Tấm pin mặt trời poly được sản xuất từ các tế bào quang điện, được chế tạo từ silic Mỗi tấm silic trong tấm pin poly được cấu tạo từ nhiều mảnh tinh thể silic, được nung chảy trong khuôn, sau đó làm nguội và cắt thành các tấm wafer.
Tấm pin mặt trời poly có màu xanh lốm đốm đặc trưng, được hình thành do ánh sáng tác động lên các mảnh silic trong cell, tạo ra hiệu ứng phản xạ đa hướng Sự khác biệt này làm cho màu sắc của tấm pin poly nổi bật hơn so với các loại tấm pin mặt trời khác.
Tấm pin mặt trời poly, mặc dù có hiệu suất chuyển đổi từ 15% đến 19% thấp hơn so với tấm pin mono, nhưng lại có giá thành hợp lý hơn, khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng yêu cầu chi phí thấp Ngoài ra, tấm pin poly còn nổi bật với khả năng giãn nở và chịu nhiệt tốt, tăng cường độ bền và hiệu suất làm việc trong điều kiện ánh sáng không đồng đều.
- Giá thành phù hợp ở tầm trung
- Khả năng chịu nhiệt cao
- Cấu tạo không ổn định và không bền
- Tuổi thọ thấp hơn pin mono
- Hiệu suất chuyển đổi và công suất làm việc thấp hơn tấm pin mono
Hình 4 7 Các loại pin năng lượng mặt trời
Tấm pin thin-film Tấm pin mono Tấm pin Poly
Chọn pin mono cho hệ thống độc lập do có hiệu suất và công suất cao, dễ dàng lắp đặt
Acquy, hay còn gọi là ắc quy, là nguồn điện thứ cấp dùng để lưu trữ và cung cấp điện cho các thiết bị điện Acquy hoạt động dựa trên quá trình chuyển đổi năng lượng thành điện năng, cho phép người dùng sạc lại nhiều lần trước khi cần thay thế.
Hiện nay, acquy axit chì và acquy lithium-ion là hai loại acquy phổ biến Acquy lithium-ion thường được xem là lựa chọn tối ưu cho các hệ thống điện mặt trời hiện đại, mặc dù giá của acquy axit chì thường rẻ hơn Tuy nhiên, acquy lithium-ion sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội, làm cho nó trở thành sự lựa chọn ưu việt hơn trong nhiều trường hợp.
Acquy lithium-ion nổi bật với khả năng lưu trữ năng lượng cao, mật độ năng lượng lớn và tuổi thọ dài Loại acquy này mang lại hiệu suất vượt trội, trọng lượng nhẹ và khả năng sạc nhanh chóng Hơn nữa, acquy lithium-ion ít gặp vấn đề về tự xả và không cần bảo trì định kỳ như acquy axit chì.
Bảng 4 2 So sánh các loại acquy
Lithium ion Axit chì Độ bền Khoảng 4 - 5 năm Khoảng 1 – 4 năm
Hiệu suất Hiệu suất lưu trữ lên đến 95% Hiệu suất lưu trữ từ 80-85% Độ xả sâu Độ xả sâu tương đối cao (80%) Độ xả sâu thấp (50%)
Mật độ năng lượng sạc - xả
20 Wh/kg, chịu được dòng xả lớn dạng xung (trong thời gian ngắn) và chịu tải cao
32 Wh/kg, chỉ chịu được dòng xả nhỏ và khả năng chịu tải kém
Khối lượng Nhẹ, khoảng 3 - 4 kg Khá nặng, 12 - 15 kg
Khả năng chống nước Có Không
Bảo hành Tùy nhà sản xuất (thời gian lâu) Tùy nhà sản xuất (thời gian ngắn)
Khả năng chống cháy nổ Cao Thấp Ảnh hưởng môi trường Ít, vì được cấu tạo bởi những cell rắn lithium
Nhiều, vì được cấu tạo bởi chì và axit
Giá thành Khá cao Thấp
Dựa theo bảng 4.2 chọn pin lithium cho hệ thống
Bộ điều khiển hệ thống (charge controller) là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện mặt trời, giúp điều chỉnh quá trình sạc và bảo vệ acquy lưu trữ Nó được lắp đặt giữa pin mặt trời, pin lưu trữ và tải, với nhiệm vụ chính là tối ưu hóa việc sạc acquy từ nguồn điện của tấm pin mặt trời, đảm bảo hiệu suất hoạt động cao nhất cho hệ thống.
Bộ điều khiển có các chức năng bảo vệ quan trọng như sau:
Bảo vệ acquy là một chức năng quan trọng của bộ điều khiển, giúp ngăn chặn việc nạp điện từ tấm pin mặt trời khi acquy đã đầy, từ đó tránh hư hỏng và kéo dài tuổi thọ của acquy Ngoài ra, khi acquy gần hết năng lượng, bộ điều khiển sẽ tự động ngắt nguồn điện đến tải, bảo vệ acquy khỏi tình trạng xả quá mức, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho acquy.
Bộ điều khiển hệ thống điện mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tấm pin mặt trời bằng cách ngăn chặn dòng điện đi ngược từ acquy lên tấm pin khi không có ánh sáng mặt trời Điều này giúp ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt và hỏng hóc, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống Nhờ vào các chức năng bảo vệ này, bộ điều khiển không chỉ bảo vệ acquy lưu trữ mà còn kéo dài tuổi thọ cho cả tấm pin mặt trời và hệ thống điện.
Phân loại bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời:
Tính toán và lựa chọn thiết bị phần cứng
4.4.1 Nhu cầu sạc xe trong một ngày của trạm sạc
Trạm sạc hoạt động liên tục 24/24, có khả năng phục vụ sạc cho 24 xe mỗi ngày Trong trường hợp nguồn điện cạn kiệt, khách hàng sẽ nhận được thông báo kịp thời thông qua phần mềm sáng tạo của nhà phát triển.
Trên thị trường hiện nay, xe máy điện có nhiều loại với dung lượng pin từ 1kW đến 4kW Nhóm em đã chọn xe máy điện Vinfast Broncher Klara với công suất 1200W Để bảo đảm tuổi thọ pin lâu dài, các nhà sản xuất khuyến nghị nên sạc pin khi mức năng lượng còn trên 20% Do đó, khách hàng thường có thói quen sạc xe khi pin còn khoảng 20%.
15 - 25% dung lượng pin nghĩa là xe thường sạc ở mức tối đa trung bình khoảng 80% cho 1 xe máy điện Trung bình phải sạc dung lượng pin là:
VinFast công bố rằng xe máy điện Klara S có công suất 1200W, và với hiệu suất sạc 80%, công suất thực tế đạt 960W Thời gian sạc tiêu chuẩn cho Klara S là 3 giờ để đạt 90% SOC và 4,8 giờ để đạt 100% SOC Do đó, tổng thời gian sạc một chiếc xe máy điện Klara S có thể kéo dài từ 3 giờ cộng thêm thời gian ra vào trạm sạc.
3 – 5h Theo thông số trên một ngày 1 trụ có thể sạc được 4 chiếc xe Vậy cần số trụ cho
4 (𝑥𝑒) = 6(𝑡𝑟ụ) Công suất 1 ngày của trạm sạc xe điện là:
Việc sử dụng nhiều trụ sạc trong hệ thống pin năng lượng mặt trời và pin lưu trữ có thể dẫn đến nhiều rủi ro trong quá trình vận hành và điều khiển, đặc biệt khi tính toán công suất tiêu thụ như 24(xe) × 960 W = 23 040Wh.
Sử dụng nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung có thể dẫn đến rủi ro an toàn do dòng điện cần phải chia sẻ giữa các xe, gây ra nguy cơ quá tải, ngắn mạch và các sự cố điện khác Để giảm thiểu những rủi ro này, việc sử dụng trạm sạc riêng biệt cho từng xe là giải pháp hiệu quả, vì mỗi xe sẽ chỉ sử dụng nguồn điện riêng mà không phải chia sẻ với các xe khác.
Việc quản lý nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung gây ra nhiều thách thức, bao gồm việc theo dõi lượng điện tiêu thụ của từng xe để tránh quá tải và đảm bảo phân phối công suất một cách công bằng.
Sử dụng trạm sạc riêng biệt cho từng xe giúp dễ dàng quản lý và kiểm soát từng trạm sạc một cách độc lập, từ đó giải quyết hiệu quả vấn đề này.
Khi sử dụng nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung, nguồn điện phải chia sẻ giữa các xe, dẫn đến hiệu suất sạc giảm và thời gian sạc kéo dài Ngược lại, việc sử dụng trạm sạc riêng biệt cho từng xe cho phép tập trung nguồn điện, cung cấp công suất tối đa và tăng cường hiệu suất sạc.
Hạn chế về không gian trong việc lắp đặt trụ sạc năng lượng mặt trời là một thách thức lớn, bởi việc sử dụng nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung đòi hỏi không gian rộng rãi cho cả các trụ sạc và hạ tầng liên quan Điều này làm cho việc tìm kiếm đủ không gian trở nên khó khăn, đồng thời việc lắp đặt các trụ sạc với dòng điện cao cũng đặt ra vấn đề về an toàn khi sử dụng Do đó, việc sử dụng trụ sạc riêng biệt cho từng xe có thể là một giải pháp tốt hơn để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Nhóm em quyết định phát triển hệ thống trạm sạc với các trụ sạc riêng biệt, đảm bảo an toàn cho trụ điện và tính ổn định Hệ thống này linh hoạt và có khả năng mở rộng, cho phép sử dụng các trạm sạc riêng biệt cho từng xe Việc này giúp dễ dàng thêm hoặc di chuyển các trạm sạc theo nhu cầu sử dụng và vị trí cụ thể Tất cả các trụ sạc sẽ được giám sát và điều khiển dưới một hệ thống chung, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả.
Vậy công suất 1 ngày của 1 trụ sạc:
4.4.2 Thiết kế và lựa chọn pin mặt trời Để xác định công suất tấm pin cần quan tâm đến các thông số sau:
– Số giờ nắng trung acquy ở Nam bộ: 2350 giờ/năm (tham khảo bảng số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam ở phần phụ lục)
– Số giờ nắng trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh: 6.4 giờ/ngày
– Tổn hao công suất trên hệ thống (không tính acquy và bộ sạc): 7.74%
Hình 4 14 Tổn hao công suất tính theo phần mềm PV watt
– Tổn hao của bộ sạc: 2%
Tổng tổn hao hệ thống: ηht = 7.74 + 5 +2 = 14.74%
– Dung lượng dự trữ của acquy: 20%
Phần trăm công suất thực của hệ thống:
Tp = 100% − tổn hao của hệ thống = 100% − 14.74% = 85.26%
Công suất tấm pin mặt trời là:
A: năng lượng cần để sạc cho 1 ngày (Wh)
PPV: công suất của pin mặt trời (W)
Tp: phần trăm công suất thực (%)
Dp: dung lượng dự trữ của acquy (thường là 20%) hn: số giờ nắng trong 1 ngày (h)
Để đảm bảo cung cấp điện tối đa cho hệ thống trạm sạc, công suất pin mặt trời cần thiết là 844.5W Nhằm đáp ứng nhu cầu này và dự phòng cho acquy lưu trữ, nhóm chúng tôi đã chọn hệ thống pin mặt trời có công suất 1kW.
Hình 4 15 Mô phỏng trên phần mềm PVsyst
Theo mô phỏng, việc sử dụng một string gồm 2 tấm pin mặt trời 525Wp mỗi tấm mang lại tổng công suất đầu ra 1050W Hệ thống này đủ năng lượng để sạc xe và cung cấp cho acquy lưu trữ Đối với một trạm sạc cần 6 trụ, cần 12 tấm pin mặt trời Longi 525Wp với giá thị trường là 4.200.000đ/tấm.
Hình 4 16 Pin mặt trời Longi 525Wp
4.4.3 Tính toán và lựa chọn Acquy
Pin mặt trời có nhược điểm là phụ thuộc vào thời tiết, dẫn đến việc hệ thống không hoạt động khi trời không có nắng Vì vậy, cần trang bị acquy để lưu trữ năng lượng trong 2 ngày, nhằm sử dụng vào những ngày thời tiết xấu kéo dài.
+ C là dung lượng bộ acquy (Wh)
+ Ang là năng lượng tiêu thụ trong 1 ngày (Wh)
+ D là độ xả sâu của bộ Acquy
Tổng năng lượng tiêu thụ là: A(Wh) x 2 = 3.8 kWh x 2 = 7.6 kWh
Dung lượng acquy = Điện năng tiêu thụ (Wh) Điện thế của pin (V) × (1+ dung lượng dự trữ acquy(%))
Bảng 4 4 Tính toán dung lượng acquy
Thông số Pin Lithium – ion
Dung lượng lưu trữ 20% Điện năng tiêu thụ 7.6 kWh Điện áp của acquy 48V Dung lượng acquy 190Ah
Theo bảng trên cần: 6 acquy Pin UFO 48V-200Ah cho cả trạm với giá thành trên thị trường là 55 000 000đ/acquy, mỗi trụ sạc là 1 acquy lưu trữ độc lập
Bộ điều khiển sạc năng lượng MPPT 20A là lựa chọn phù hợp cho acquy UFO 48V-200Ah với điện áp 48VDC và dòng điện 20A Với thông số kỹ thuật này, điện áp định mức của bộ sạc cũng cần đạt 48VDC và dòng điện hệ thống tương ứng là 20A.
Hình 4 18 Bộ điều khiển sạc năng lượng MPPT 20A
4.4.5 Tính toán và lựa chọn cảm biến
Công suất hệ thống là 1050W với dòng điện 26A và điện áp là 37V nên cần chọn cảm biến lớn hơn các thông số này
- Cảm biến dòng: Icb > Ipv = 26A
Chọn cảm biến Cảm Biến Dòng METSECT5CC004 (40A/5A) Giá: 462 000đ
- Cảm biến áp: Ucb > Uht = 37V
- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm:
Chọn cảm biến nhiệt độ, độ ẩm RS485 Modbus RTU ES35-SW (SHT35)
Hình 4 21 RS485 Modbus RTU ES35-SW (SHT35)
4.4.5 Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập cho xe điện và theo dõi bằng thiết bị từ xa Đồ án nhóm em đưa ra thiết kế trạm sạc xe điện ở trung tâm mua sắm ở thành phố
Giải pháp khi acquy lưu trữ đầy
Đối với các trường hợp dư thừa công suất nhỏ, hệ thống có thể sử dụng tải đổ để giải phóng công suất thừa và ngăn chặn việc sạc quá mức của acquy Trở kháng công suất là thiết bị điện tử chuyển đổi công suất đầu thành năng lượng nhiệt.
Hệ thống sử dụng trở kháng công suất để đẩy công suất dư thừa mà không làm hại acquy, nhờ vào việc giảm quá trình sạc Điều này giúp duy trì điện áp và trạng thái hoạt động ổn định của acquy trong thời gian có công suất dư thừa Bên cạnh đó, việc sử dụng tải đổ còn tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và ngăn ngừa lãng phí.
Việc sử dụng tải đổ cần được thiết kế và điều chỉnh cẩn thận để không ảnh hưởng đến hoạt động chính của hệ thống và bảo vệ các thiết bị sử dụng năng lượng Trong trường hợp có dư thừa công suất từ vừa đến lớn, hệ thống có thể mở rộng bằng cách thêm một trụ sạc, trụ này chỉ lấy năng lượng từ pin lưu trữ và hoạt động khi dung lượng pin gần đạt mức đầy Để tránh tình trạng trụ sạc này đầy trong khi các trụ khác không, hệ thống IoT đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng xe vào các trụ sạc phù hợp dựa trên dung lượng pin lưu trữ, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm chênh lệch giữa các pin lưu trữ.
Việc áp dụng hệ thống IoT giúp tối ưu hóa năng lượng, cân bằng giữa sạc và sử dụng pin lưu trữ Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả và kéo dài tuổi thọ pin, mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, đồng thời đảm bảo sự ổn định và tin cậy cho hệ thống sạc xe điện.
Giải pháp cố định dòng điện trạm sạc xe điện
4.6.1 Giám sát và điều khiển trong trạm sạc điện mặt trời
Hệ thống Trạm Sạc Xe Điện (EVCS) được đề xuất hoạt động độc lập với lưới điện nhờ vào năng lượng mặt trời Năng lượng này được thu thập qua mảng tấm pin mặt trời, sau đó chuyển đổi thành điện năng để cung cấp cho hệ thống EVCS Tấm pin mặt trời là nguồn năng lượng chính, đảm bảo quá trình sạc điện cho xe điện diễn ra hiệu quả.
Lượng năng lượng sản xuất từ nguồn tái tạo thường không ổn định do ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời và các yếu tố môi trường khác Để khắc phục tình trạng này, các hệ thống lưu trữ năng lượng (Energy Storage System - ESS) thường được sử dụng nhằm bù đắp cho sự không đồng đều trong cung cấp năng lượng.
Hình 4 22 Nguyên lý hoạt động của trạm sạc xe điện độc lập
Các tấm pin mặt trời được kết nối với bộ chuyển đổi tăng áp (boost converter) để điều chỉnh điện áp sao cho phù hợp với hệ thống DC, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất theo điểm công suất cực đại (MPPT) Hệ thống EVCS bao gồm hai bộ chuyển đổi DC/DC, gồm bộ sạc xe điện (EV charger) và bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng (energy storage converter), giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
EV charger là bộ chuyển đổi phần tư thứ nhất loại buck, thiết kế để sạc pin xe điện lithium-ion, điều chỉnh quá trình sạc và đảm bảo hiệu quả Trong khi đó, energy storage converter là bộ chuyển đổi phần tư thứ hai DC/DC, kiểm soát quá trình nạp/xả của pin lưu trữ và ổn định điện áp bus DC, hỗ trợ sạc xe điện bằng năng lượng mặt trời.
Bộ điều khiển trong hệ thống đề xuất, như hiển thị trong hình 3.4, bao gồm bộ điều khiển MPPT, bộ điều khiển sạc EV và bộ điều khiển của bộ chuyển đổi lưu trữ Chức năng chính của bộ điều khiển MPPT là tối ưu hóa việc hấp thụ công suất tối đa từ nguồn năng lượng.
Trong hệ thống tọa độ hai chiều, có bốn vùng hoạt động chính được đánh số từ 1 đến 4, liên quan đến cung cấp và tiêu thụ năng lượng Hai vùng chính là góc phần tư thứ nhất và thứ tư Ở góc phần tư thứ nhất, bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ chuyển đổi dạng "buck", có chức năng điều chỉnh điện áp xuống, với điện áp vào lớn hơn điện áp ra, thường được sử dụng để sạc pin hoặc lưu trữ năng lượng.
Vùng thứ hai trong đồ thị hai phần tư là nơi bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ chuyển đổi buck-boost, có khả năng điều chỉnh điện áp xuống và kết nối với tấm pin PV Bộ chuyển đổi này cung cấp tỷ lệ nhiệm vụ phù hợp để duy trì điểm công suất tối đa cho bộ chuyển đổi tăng áp Bộ điều khiển của bộ chuyển đổi sạc EV quản lý quá trình sạc pin EV, trong khi bộ điều khiển của bộ chuyển đổi lưu trữ pin điều chỉnh điện áp DC bus và quy trình sạc/xả của hệ thống ESS.
Việc điều chỉnh dòng điện theo nguyên lý cân bằng công suất thông qua việc tăng giảm điện áp đầu vào và đầu ra, kết hợp với bù điện áp, giúp duy trì điện áp và dòng điện trong giới hạn an toàn cho acquy lithium Quá trình cố định dòng sạc không chỉ bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của acquy mà còn ngăn chặn các vấn đề như quá nhiệt, quá sạc và quá dòng Hơn nữa, việc điều chỉnh dòng điện cũng tối ưu hóa quá trình sạc, đảm bảo hiệu suất tối đa và giảm thời gian sạc.
Quá trình cố định dòng sạc là yếu tố quan trọng để bảo đảm an toàn cho hệ thống sạc và người dùng Nó giúp giảm thiểu nguy cơ chập điện và quá tải, đồng thời hạn chế các vấn đề liên quan đến nhiệt độ và độ bền của acquy.
4.6.2 Mô phỏng tính toán của hệ thống giám sát và điều khiển
Thời gian sạc cho xe điện Vinfast Klara S, theo thông tin từ nhà sản xuất, là khoảng
Thời gian sạc pin từ 0% đến 80% là 3 giờ và thêm 1,8 giờ để sạc từ 80% đến 100% Từ đó, có thể tính toán dòng điện trung bình sạc cho từng mức trạng thái của acquy tải Công suất của xe được xác định là Pxe = 1200W và điện áp Uxe = 60V.
Công suất sạc và dòng sạc trong 1h là :
Công suất sạc và dòng sạc trong 1h là :
Dựa vào các tính toán từ phần 5.4 và mô phỏng bằng phần mềm PVsyst, công suất của tấm pin năng lượng mặt trời (PV) được xác định là Ppv 50W, với điện áp Upv = 37V và dòng điện Ipv = 26A Công suất của hệ thống sau khi xử lý cũng được tính toán từ các thông số này.
Sau khi năng lượng từ tấm pin mặt trời đi qua mạch MPPT để tìm điểm công suất tối đa, nó sẽ được truyền qua hệ thống và các bộ tăng giảm áp Quá trình này có thể gây mất mát năng lượng, làm giảm hiệu suất của tấm pin Nhóm em đã chọn bộ tăng giảm áp có hiệu suất cao nhất là 95%, trong khi các mạch khác chỉ đạt từ 80 - 95% Tính toán hiệu suất dựa trên so sánh giữa công suất tải và công suất trên thanh cái DC (Pdc, Udc, Idc) dẫn đến ba trường hợp khác nhau.
Pdc > Ptải; trường hợp 2: Pdc = Ptải; trường hợp 3: Pdc < Ptải
Khi công suất đầu vào trên thanh cái DC (Pdc) lớn hơn công suất tải (Ptải), mạch sẽ sử dụng cả mạch tăng áp và mạch giảm áp để cung cấp đủ công suất cho tải Tuy nhiên, vẫn có một lượng công suất dư thừa không được sử dụng Để tận dụng công suất này, mạch sẽ đi qua bộ tăng giảm áp để điều chỉnh điện áp và dòng điện, sau đó sạc cho pin lưu trữ.
Quá trình này tối ưu hóa việc sử dụng công suất dư thừa và duy trì năng lượng trong pin một cách hiệu quả.
Ptải và Pdc nên không xem xét đến hiệu suất sạc cho acquy lưu trữ Vậy hiệu suất ở trường hợp 1 sạc cho tải là: ηth1 = 95% × 95% = 90.25%
Trong trường hợp Pdc = Ptải, mạch tăng áp sẽ nâng cao điện áp từ nguồn đầu vào đến mức phù hợp với yêu cầu của tải Quá trình này giúp điều chỉnh điện áp, đảm bảo tải nhận được điện áp mong muốn mà không gặp phải tình trạng quá áp Hiệu suất trong trường hợp này được tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu sử dụng.
2 sạc cho tải là : ηth2 = 95%