3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.2.3. Trạm sạc năng lượng mặt trời cho xe ô tô điện
Ô tô điện không phải là một khái niệm mới mà trên thực tế đã có lịch sử lâu đời. Từ đầu thế kỷ 19, xe chạy bằng nguồn NL điện đã có vị thế cạnh tranh tương đương với xe chạy bằng động cơ hơi nước. Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson người Scotland đã phát minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên. Đến đầu thế kỷ 20, ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong. Nhưng bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, thế giới phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu là vấn đề về NL truyền thống và vấn đề môi trường. Do đó phát triển ô tô điện là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn, đó là lý do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây, và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thế giới.
Hiện nay xe ô tô điện là trào lưu mới trên thế giới và được các quốc gia khuyến khích. Đặc biệt sự xuất hiện và phát triển nhanh chóng của hãng xe điện Tesla Motors làm cho thị trường xe ô tô chạy điện sôi động hơn bao giờ hết.
Đi đôi với sự phát triển của xe điện là sự phát triển của các trạm sạc xe điện. Ở Mỹ và Châu Âu các trạm sạc cho xe điện mọc lên hàng ngày và trở thành một mạng lưới rộng khắp.
Hình 1.26. Trạm sạc ô tô điện Tesla tại Mỹ
Thường thì người tiêu dùng chọn xe điện bởi nhận thức sinh thái, di chuyển bằng xe điện hoàn toàn phù hợp với phát triển bền vững. Tuy nhiên nếu nguồn điện
cung cấp cho xe điện được tạo ta bằng nguồn NL hóa thạch thì sự ô nhiễm môi trường cũng chẳng kém gì xe chạy bằng xăng và diesel.
Do đó nhiều mô hình trạm sạc bền vững đã ra đời cho phép người sử dụng xe điện có nguồn NL sạch từ mặt trời. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của trạm sạc pin mặt trời giống với hệ thống ĐMT độc lập. Chỉ khác ở chỗ nguồn điện tạo ra được sử dụng để sạc cho pin của xe điện thay vì để cung cấp cho phụ tải trong hệ thống ĐMT độc lập. Hiện nay rất nhiều công ty và hãng xe ô tô trên thế giới đã xây dựng các trạm sạc xe điện bằng NLMT cho trên các hình 1.27 ÷ 1.30 [22].
Hình 1.27. Trạm sạc Energies-sol
Hình 1.29. Trạm sạc NLMT của hãng xe Mitsubishi
Hình 1.30. Trạm sạc NLMT của hãng xe Toyota 1.2.4. Nhận xét và đề nghị hướng nghiên cứu
Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại tốt trên thế giới. Nguồn NL sạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng NL quốc gia. Cho đến nay, các hoạt động nghiên cứu khai thác, ứng dụng NLMT còn rất hạn chế, trình độ thấp, qui mô nhỏ lẻ, manh mún và tự phát. Lý do cơ bản cho sự trì trễ đó là do nước ta chưa có chính sách về NLTT nói chung và NLMT
nói riêng. Giá bán lẻ điện thấp đang là rào cản chính đối với phát triển NLTT, trong đó có ĐMT, bởi các nguồn NLTT có chi phí đầu tư ban đầu khá cao.
Theo tính toán của Hội điện lực Việt Nam, với mỗi mái nhà có diện tích khoảng 2-10m2 là có thể lắp đặt được các tấm pin mặt trời công suất 3 ÷ 4kW. Tổng số tiền đầu tư cho toàn bộ hệ thống bao gồm tấm pin, ắc quy, bộ chuyển đổi nguồn điện, công tơ hai chiều,… khoảng 10 ÷ 50 triệu đồng, chỉ sau 6 ÷7 năm có thể thu hồi vốn. Trong tương lai, số tiền đầu tư sẽ giảm xuống khi các sản phẩm thiết bị ngày càng rẻ hơn, nhất là một số sản phẩm, thiết bị đã sản xuất được ở trong nước.
Nếu ĐMT lắp trên mái triển khai rộng rãi sẽ mang lại lợi ích lớn cho cả người tiêu dùng và xã hội. Điện lắp mái dễ dàng đầu tư, lắp đặt nhanh chóng, sửa chữa, bảo dưỡng; nguồn vốn đầu tư không lớn; không tốn diện tích đất mà còn giúp ngôi nhà mát hơn về mùa hè. Mặt khác, nó bảo đảm không phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Ngoài ra, khách hàng lại được hưởng tiền chênh lệch từ giá mua – bán điện. Nghĩa là mua điện theo giá bậc thang quy định và bán điện với cơ chế giá ưu đãi. Còn về phía nhà nước, ngành điện giảm được gánh nặng tài chính để đầu tư xây dựng thêm nguồn điện, địa phương không lo quy hoạch đất cho NLTT.
Giáo sư Viện sĩ Trần Đình Long – Phó chủ tịch hội điện lực Việt Nam cho biết: “Nếu có một chính sách, cơ chế hỗ trợ như giá bán điện, nguồn tài chính với lãi suất thấp, thủ tục thuận lợi, khi thấy lợi ích người dân sẽ tự làm chứ không cần phải hô hào” .
Mục tiêu cụ thể là đưa tổng công suất nguồn ĐMT từ mức không đáng kể hiện nay lên 850MW vào năm 2020; 4.000MW năm 2025 và 12.000MW năm 2030 (tương đương tỷ trọng điện mặt trời chiếm 0,5% tổng sản lượng điện sản xuất ra vào năm 2020; 1,6% năm 2025 và 3,3% năm 2030).
Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước như nói trên cho thấy việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống ĐMT độc lập tại một số khu vực của Thừa Thiên Huế và thiết kế trạm sạc xe ô tô điện tại bến xe Nguyễn Hoàng, thành phố Huế tuy là không sớm so với thế giới nhưng ở thời điểm này là rất phù hợp và cần thiết trong sử dụng ĐMT hiện nay tại Thừa Thiên Huế và là nội dung chính của đề tài này.
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống ĐMT độc lập
Các hộ gia đình, đơn vị sản xuất công suất nhỏ
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
- Hệ thống ĐMT độc lập cung cấp điện cho phụ tải một ngôi nhà, hoặc phụ tải nhỏ ở một khu vực lựa chọn tại Thừa Thiên Huế.
- 3 vị trí tại đài khí tượng thành phố Huế, huyện Nam Đông và A lưới
2.2. Nội dung nghiên cứu chính
- Nghiên cứu thực trạng sử dụng quang điện tại Thừa Thiên Huế.
- Tính toán các thành phần của hệ thống ĐMT độc lập cung cấp cho phụ tải ngôi nhà tại một khu vực của tỉnh Thừa Thiên Huế.
- Tính toán công suất pin mặt trời, ắc quy của hệ thống ĐMT độc lập cho 3 vị trí tại trạm khí tượng TP. Huế, huyện Nam Đông, huyện A lưới.
- Các khuyến cáo trong lựa chọn thiết bị và vận hành, bảo dưỡng hệ thống NLMT.
- Tìm hiểu mô hình trạm sạc cho xe ô tô điện dùng NLMT.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập số liệu
Thu thập tất cả các số liệu tinh và thô liên quan đến đề tài, sau đó sử lý các số liệu sơ cấp thành các số liệu thứ cấp. Phương pháp thu thập số liệu trong thực nghiệm gồm các bước: lập giả thuyết, xác định số liệu, thực hiện quá trình điều tra, thu thập số liệu để kiểm chứng giả thuyết.
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết
Ngiên cứu lý thuyết tính toán hệ điện mặt trời để nghiên cứu lựa chọn các thành phần trong hệ như sau:
- Tính toán công suất pin mặt trời; - Tính toán dung lượng ắc quy tích lũy; - Tính toán bộ chuyển đổi điện;
- Tính toán bộ điều khiển sạc;
- Tính toán phân tích kinh tế hệ thống ĐMT.
2.3.3. Phương pháp chuyên gia
Trực tiếp gặp các chuyên gia, những người có kiến thức chuyên môn sâu và nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế hệ thống ĐMT để tranh thủ ý kiến đóng góp trong quá trình thực hiện đề tài.
Trong những năm gần đây người ta áp dụng phương pháp chuyên gia có trong lượng dựa trên cơ sở hiểu biết sâu sắc của các chuyên gia giỏi về các lĩnh vực của các nghành để dự báo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, nguồn NL. Trong đó có các dự báo về sự phát triển của pin mặt trời, sau khi thu thu thập ý kiến của các chuyên gia sẽ tiến hành đánh giá, báo cáo đánh giá tránh sai xót do lỗi chủ quan và có cách nhìn sâu hơn và rõ ràng về vấn đề quan tâm nghiên cứu.
2.3.4. Phương pháp tính toán và phân tích
Dựa vào các công thức tính toán trong tính toán hệ thống pin mặt trời, sử dụng phần mền Matlab, các thuật toán hỗ trợ như thuật toán di truyền. Chúng tôi đã tính toán và tạo nên hệ thống ĐMT qua đó chúng tôi cũng tối ưa hóa tính kinh tế cho hệ thống ĐMT, tính toán được thời gian hoàn vốn cho hệ thống. Để có thể thuyết phục các hộ gia đình đầu tư.
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Đặc điểm địa bàn nghiên cứu
Thừa Thiên Huế là một tỉnh ven biển nằm ở vùng Bắc Trung Bộ của Việt Nam có tọa độ ở 16-16,8o Bắc và 107,8 - 108,20 Đông. Diện tích của tỉnh là 5.053,990 km², dân số theo kết quả điều tra tính đến năm 2012 là 1.115.523 người [2].
Khí hậu thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa, mang tính chuyển tiếp từ á xích đạo đến nội chí tuyến gió mùa, chịu ảnh hưởng khí hậu chuyển tiếp giữa miền Bắc và miền Nam nước ta.
Chế độ nhiệt: thành phố Huế có mùa khô nóng và mùa mưa ẩm lạnh. Nhiệt độ trung bình hàng năm vùng đồng bằng khoảng 24°C - 25°C.
+ Mùa nóng: từ tháng 5 đến tháng 9, chịu ảnh hưởng của gió Tây Nam nên khô nóng, nhiệt độ cao. Nhiệt độ trung bình các tháng nóng là từ 27°C - 29°C, tháng nóng nhất (tháng 5, 6) nhiệt độ có thể lên đến 38°C - 40°C.
+ Mùa lạnh: từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau, chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông bắc nên mưa nhiều, trời lạnh. Nhiệt độ trung bình về mùa lạnh ở vùng đồng bằng là 20°C - 22°C [9].
- Phân bố lượng mưa
Ở Thừa Thiên Huế, không có sự khác biệt giữa mùa mưa và mùa khô, mà chỉ có mùa mưa và mùa ít mưa, trong nghiên cứu khí hậu có thể dùng các chỉ tiêu sau.
Mùa mưa là các tháng có lượng mưa trên 100mm chiếm tần suất ≥ 75% trong chuỗi quan trắc, những tháng còn lại là mùa ít mưa. Kết quả tính toán mùa mưa cho Thừa Thiên Huế được ghi trong bảng 3.1 [9].
Bảng 3.1. Tần suất (%) xuất hiện lượng mưa tháng ≥ 100mm
Địa điểm I II III IV V VI Tháng VII VIII IX X XI XII
Cổ Bi 50 10 10 20 70 80 30 60 90 100 100 80 Phú Ốc 35 12 0 29 59 41 24 53 100 100 100 88 Huế 30 15 5 10 40 30 15 60 85 100 100 90 Bình Điền 22 0 11 0 50 80 20 80 80 100 100 100 A Lưới 17 0 22 70 100 74 61 87 100 100 100 70 Phú Bài 79 21 21 16 21 31 26 31 95 100 100 89 Lộc Trì 55 22 0 11 67 67 22 55 89 100 100 89 Nam Đông 48 4 13 30 70 83 83 83 100 100 100 83 Thượng Nhật 31 0 6 31 93 87 75 75 87 100 100 69 Kết quả ở Bảng 3.1 cho thấy tồn tại hai vùng chế độ mưa khác nhau: vùng núi Nam Đông, A Lưới và vùng đồng bằng ven biển.
Ở vùng đồng bằng ven biển mùa mưa bắt đầu từ tháng IX, kết thúc vào tháng XII - kéo dài 4 tháng; mùa ít mưa kéo dài khoảng 8 tháng - từ tháng I đến tháng VIII.
Ở vùng núi và gò đồi, mùa mưa bắt đầu từ tháng V hoặc tháng VI, kết thúc vào tháng XII - kéo dài khoảng 7 hoặc 8 tháng; mùa mưa kéo dài từ tháng I đến tháng IV hoặc tháng V.
Thừa Thiên Huế là một trong những tỉnh có lượng mưa nhiều nhất ở nước ta. Lượng mưa trung bình hàng năm trong toàn tỉnh đều trên 2.700mm, có nơi trên 4000mm như Bạch Mã. Thừa Lưu. Do sự tác động giữa địa hình và hoàn lưu khí quyển, nên đã hình thành hai trung tâm mưa lớn:
Trung tâm mưa lớn thứ nhất là khu vực Bạch Mã, Thừa Lưu, Nam Đông, Phú Lộc. Trung tâm thứ hai là chịu ảnh hưởng cảu dãy Trường Sơn với Động Ngại cao 1.774m nằm trong huyện A Lưới.
Vùng ít mưa nhất là vùng đồng bằng phía bắc của Thừa Thiên Huế.
Nhìn chung, lượng mưa năm tăng dần từ Đông sang Tây và từ Bắc vào Nam. Giữa những tâm mưa lớn và vùng ít mưa là vùng chuyển tiếp, bao gồm vùng gò đồi phía Tây và vùng đồng bằng từ Phú Bài đến Truồi.
- Mây:
Lượng mây tổng quan trung bình tháng có trị số lơn nhất vào mùa mưa và nhỏ nhất vào mùa ít mưa. Trong các tháng mưa nhiều, lượng mây tổng quan trung bình có giá trị từ 7,1/10 - 8,7/10 bầu trời, trong đó nhiều nhất là tháng X, tháng XI, tháng ít mây nhất là tháng III và tháng IV: từ 5,9/10 - 6,8/10 bầu trời (Bảng 3.2).
Bảng 3.2. Lượng mây tổng quan trung bình (tính theo 1/10 bầu trời)
Địa điểm
Tháng
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Huế 7,4 7,7 6,8 7,0 6,5 7,2 6,5 7,6 7,2 7,3 7,9 7,8 7,2 Nam
Đông 7,8 7,1 5,9 6,4 6,5 7,1 6,3 7,6 7,2 7,5 8,3 8,2 7,2 A lưới 8,0 7,7 7,0 7,0 7,4 7,5 6,8 8,0 8,1 8,2 8,7 8,6 7,8
Phân bố ngày nhiều mây phù hợp với phân bố lượng mây. Ở Thừa Thiên Huế, mỗi năm có từ 182 đến 187 ngày nhiều mây. Trong mùa mưa chính, mỗi tháng có từ 12 đến 22 ngày nhiều mây, trong đó tháng XI nhiều mây nhất. Trong các tháng có gió tây khô nóng hoạt động mạnh, số ngày nhiều mây giảm đáng kể, chỉ đạt từ 8 - 14 ngày (Bảng 3.3).
Bảng 3.3. Số ngày nhiều mây trung bình
Địa điểm
Tháng
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Huế 16 18 15 12 11 14 12 21 18 15 19 16 197 Nam Đông 16 13 13 11 11 13 12 19 17 19 22 16 185 A lưới 18 14 13 18 10 12 13 19 17 17 22 19 182
- Nắng
Tổng số giờ nắng trung bình năm dao động từ 1.700 đến 2.000 giờ. Số giờ nắng giảm dần từ vùng đồng bằng lên vùng đồi núi.
Thời kì nhiều nắng nhất cũng là thời kì khô hạn nhất, từ tháng V đến tháng VII, mỗi tháng có trên 200 giờ ở vùng đồng bằng, thung lũng thấp và 175 đến 200 giờ ở vùng núi cao (Bảng 3.4).
Từ tháng VIII trở đi số giờ nắng giảm dần và đạt cực tiểu vào tháng VII, với trị số từ 74 - 90 giờ, sau đó lại tăng dần. Số giờ nắng tăng nhanh nhất từ tháng II, III và giảm nhanh nhất từ tháng VIII đến tháng IX. Trong thời kì ít nắng nhất, mỗi ngày trung bình chỉ đạt từ 3 ÷ 5 giờ nắng [11].
Bảng 3.4. Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm
Địa điểm
Tháng
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Huế 119 103 159 175 240 232 252 216 183 133 102 90 2004 Nam
Đông 127 135 170 181 215 206 226 202 171 132 97 74 1936 A lưới 125 126 166 176 191 173 198 167 136 111 78 78 1725
3.2. Hệ thống điện trời độc lập
Hệ thống ĐMT độc lập là hệ thống các tấm pin NL mặt trời cung cấp điện cho các thiết bị sử dụng, hoạt động độc lập với điện lưới quốc gia. Thường sử dụng cho các khu vực không có điện lưới hoặc sử dụng với quy mô nhỏ ở nông thôn, vùng sâu, vùng xa .
3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời độc lập
3.2.1.1.Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời độc lập
Một hệ thống ĐMT độc lập bao gồm các thành phần sau: 1. Dàn pin mặt trời