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 CÔNG 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 của các phương tiện hai bánh ở Việt Nam xuất phát từ sự thiếu hụt phương tiện công
cộng, cơ sở hạ tầng và điều kiện kinh tế. Mặc dù có độ linh hoạt cao và giá thành thấp, các phương
tiện chạy xăng được xem là nguyên nhân gây nên chất lượng không khí kém. Xe điện hai bánh, loại
phương tiện ít ô nhiễm hơn, có thể là một giải pháp thay thế hiệu quả. Tuy nhiên, sự chuyển dịch
này chỉ có lợi cho môi trường nếu điện năng sử dụng để sạc xe điện được lấy từ các nguồn năng
lượng tái tạo thay vì nhiên liệu hóa thạch. Bài báo này nhằm mục tiêu nghiên cứu đánh giá tính khả
thi của trạm sạc xe điện tích hợp điện mặt trời áp dụng tại 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 two-
wheelers, 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.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
cấp (refill) một cách bền vững và (2) ít
hoặc không phát thải CO2. Năng lượng tái
tạo là giải pháp lí tưởng và hiệu quả nhằm
Các nguồn năng lượng tái tạo có nhiều ưu
điểm nổi bật nếu so sánh với năng lượng giải quyết các vấn đề về môi trường và
phát triển bền vững.
hóa thạch như (1) có thể được tái cung
36
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Ưu điểm chính của EV (xe điện - Electric không phát thải. Lượng phát thải chỉ gần
Vehicle) là chi phí vận hành thấp, thân như bằng không nếu EV được sạc từ lưới
thiện với môi trường và gần như không và nếu điện lưới chủ yếu được tạo ra từ
phải bảo trì. Với các chính sách khuyến các nguồn năng lượng tái tạo.
khích phát triển năng lượng tái tạo, điện
Điện gió, điện mặt trời, thủy điện, biogas
mặt trời, đặc biệt là điện mặt trời hòa lưới
hoặc năng lượng thủy triều đều có thể
được thương mại hóa mạnh mẽ ở nhiều
xem là các nguồn năng lượng bền vững để
quốc gia, do có tiềm năng kinh tế trung và
cấp cho các phương tiện chạy điện. Trong
dài hạn [1].
các nguồn đó, điện mặt trời (PV -
Trong lĩnh vực giao thông, xe điện được photovoltaics) là một lựa chọn hấp dẫn
xem là phương tiện giao thông của tương bởi một số yếu tố:
lai. Tuyên bố Paris về phương tiện chạy
(1) Chi phí của môđun PV liên tục giảm
điện, biến đối khí hậu và kêu gọi hành
và hiện nay (Q1 2019) là nhỏ hơn 0.3
động, kêu gọi triển khai toàn cầu 100 triệu
$/Wp [5].
xe điện cho tới năm 2030. Phương tiện
chạy điện có hiệu quả năng lượng cao hơn
với điện mặt trời rất dễ dàng do các
nhiều so với phương tiện chạy xăng/ dầu,
đồng thời không phát sinh khí thải. Chúng
gần với vị trí sạc xe điện hoặc đặt trên/sử
cũng có hệ truyền động đơn giản hơn, ít
ồn và ít phải bảo trì.
(2) Khả năng tiếp cận của chủ xe điện
môđun PV có thể được đặt trên mái nhà
dụng làm mái che của bãi gửi xe. Tiềm
năng điện mặt trời áp mái rất lớn do hiện
Tuy nhiên việc phát triển các phương tiện
nay vẫn chưa được khai thác rộng rãi.
chạy điện chỉ có thể xem là bền vững nếu
(3) Việc sử dụng điện mặt trời làm giảm
như điện năng sử dụng để sạc các phương
nhu cầu năng lượng và công suất tiêu thụ
tiện này xuất phát từ các nguồn năng
lượng tái tạo chứ không phải từ các nhà
từ lưới. Năng lượng điện sạch được sản
xuất tại chỗ qua các môđun PV để sạc cho
phương tiện. Điều này góp phần làm giảm
nhu cầu phát triển hoặc gia cố lưới điện
đặc biệt là khi lượng phương tiện chạy
điện lớn và nhu cầu năng lượng sạc cao.
máy điện nhiên liệu hóa thạch.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng, bất kỳ dạng
xe điện nào như HEV, PHEV, PEV đều
có lượng phát thải well-to-wheel thấp hơn
so với các phương tiện chạy xăng tương
đương. Ngoài ra, lượng phát thải của xe
điện phụ thuộc vào tỷ lệ các dạng năng
lượng sạch cấp cho xe [2]-[4]. Nếu EVs
được sạc từ lưới và nếu điện lưới chủ yếu
được tạo ra bởi nhiên liệu hóa thạch như
than đá hoặc khí tự nhiên thì lượng phát
thải là lớn đáng kể chứ không phải là
(4) Các hệ thống điện mặt trời thông
thường sử dụng acquy tích trữ điện năng
nhằm giải quyết vấn đề biến động nguồn
phát theo ngày và theo mùa cũng như tăng
mức độ thâm nhập của năng lượng tái tạo.
Trường hợp sạc cho xe điện, acquy của xe
điện cũng có thể đóng vai trò thiết bị tích
Số 25
37
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
trữ năng lượng [6]-[9].
tiện lợi, và tính linh hoạt khi di chuyển
[1]. Tuy nhiên, với xu hướng phát triển
bền vững, hạn chế ô nhiễm, các chính
sách hạn chế đăng ký xe máy xăng tại các
quận nội thành Hà Nội và lộ trình giảm
dần, tiến tới dừng hoạt động của xe máy
tại các quận vào năm 2030 cũng đã được
đề xuất. Bắt nhịp với xu hướng này, các
nhà sản xuất như Vinfast, tập đoàn MBI
Hàn Quốc, Piaggio cũng đã đầu tư nghiên
cứu sản xuất xe máy điện/xe đạp điện,
như là một giải pháp xanh nhằm thay thế
xe máy chạy xăng cho thị trường Việt
Nam.
(5) Chi phí sạc xe điện từ điện mặt trời là
rẻ hơn so với sạc từ điện lưới. Việc tự sản
xuất và tự dùng điện mặt trời thay vì bán
lên lưới có thể xem là một giải pháp đón
đầu xu hướng giảm dần giá bán điện mặt
trời FiT [10], [11].
(6) Việc vận hành các hệ thống điện mặt
trời ít sinh ra tiếng ồn, không có bộ phận
quay và chi phí vận hành, bảo trì thấp.
Với những ưu điểm kể trên, vấn đề sạc xe
điện từ các môđun PV và các trạm sạc
tích hợp điện mặt trời dành cho EV là giải
pháp phát triển bền vững. Trạm sạc cũng
cần được nối với lưới điện nhằm mục tiêu
(1) cung cấp điện lên lưới nếu lượng điện
mặt trời tạo ra lớn hơn nhu cầu sạc và (2)
mua điện từ lưới nếu điện mặt trời tạo ra
nhỏ hơn nhu cầu sạc.
Mục tiêu của bài báo này là nghiên cứu
kinh tế kỹ thuật và tính khả thi của trạm
sạc có tích hợp điện mặt trời dành cho
phương tiện chạy điện hai bánh tại Việt
Nam. Cấu trúc của bài báo gồm các phần:
Mô hình hóa xe đạp điện/xe máy điện; mô
hình điện mặt trời và thiết kế kinh tế kỹ
thuật cho trạm sạc xe điện.
Các nghiên cứu về trạm sạc xe điện hiện
nay chủ yếu đề cập đến trạm sạc dành cho
xe ô tô điện với nguồn cấp cho trạm sạc là
từ nguồn điện lưới. Hiện chưa có nhiều
nghiên cứu về trạm sạc dành cho xe đạp
điện/xe máy điện với các đặc thù khác với
trạm sạc ô tô điện như: (1) công suất,
dung lượng acquy của phương tiện nhỏ;
(2) số lượng phương tiện sạc cùng thời
điểm tại một trạm sạc có thể lên tới vài
trăm xe.
2. MÔ HÌNH XE ĐIỆN
Mô hình hóa acquy đóng vai trò đặc biệt
quan trọng đối với xe điện. Các mô hình
acquy được nhà thiết kế xe điện sử dụng
nhằm tối ưu hóa kích cỡ của hệ tích trữ
năng lượng đồng thời dự đoán được phản
ứng của hệ tích trữ. Ngoài ra, các mô hình
acquy là công cụ mạnh cho phép BMS
ước lượng theo thời gian thực SOC và
hiệu năng của acquy. Do các xe điện hiện
nay đa phần sử dụng acquy Li-ion với mật
độ năng lượng cao, các mô hình mô tả
chính xác loại acquy này cần được xem
xét.
Tại các thành phố lớn ở Việt Nam, do các
yếu tố đặc thù về cơ sở hạ tầng, mật độ
dân cư, điều kiện kinh tế và mức độ đáp
ứng của các phương tiện giao thông công
cộng…, xe máy chạy xăng được sử dụng
rộng rãi với các ưu điểm về chi phí, độ
38
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Nhìn chung, mô hình acquy được chia PNGV là mô hình tiêu chuẩn nhằm mô
thành mô hình điện hóa (electrochemical phỏng các mối quan hệ phức tạp bên
model); mô hình mạng neuron nhân tạo trong acquy trong quá trình nạp/xả, nhưng
và mô hình mạch điện tương đương [12]. mức độ phức tạp của giải thuật làm việc
Mô hình điện hóa (như mô hình Shepherd mô phỏng rất khó khăn. Mô hình
và Unnewehr) mô tả phản ứng hóa học ở Thevenin phản ánh điện dung và điện trở
mức phân tử bên trong acquy. Tác động của acquy và giải thuật của nó tương đối
động của acquy được mô tả bởi các đơn giản và dễ thực hiện [12].
phương trình vi phân cơ bản cho mỗi
Mô hình mạch điện tương đương chứa
phản ứng hóa học. Để đạt được độ chính
tương đối ít tham số và rất dễ thu được
xác phù hợp, nhiều tham số được sử dụng
các phương trình không gian trạng thái
để mô phỏng sự phân cực acquy. Bởi vì
[13]. Do đó nó được sử dụng rất rộng rãi
quá trình điện hóa ở acquy liên quan đến
các điều kiện môi trường nên sẽ rất phức
điều khiển thời gian thực. Rất nhiều thực
tạp để đạt được một mô hình điện hóa
chính xác. Thậm chí, nếu một mô hình
và LiMnCo, mô hình mạch điện tương
điện hóa chính xác có thể được thiết lập
dưới các điều kiện nhất định thì ứng dụng
này vừa đơn giản vừa chính xác cao [15].
của mô hình đó trong điều kiện làm việc
trong mô phỏng hệ thống và các hệ thống
nghiệm cho thấy rằng với acquy LiFePo
đương RC bậc 1 là phù hợp [14]. Mô hình
Do đó mạch điện thay thế tương đương
thực cũng hạn chế [12]. Mô hình mạng
bậc 1 được sử dụng để xác định các tham
neuron nhân tạo (như mạng neuron BP
số mô hình cũng như ước lượng SOC.
hoặc mạng neuron RBF) sử dụng các tính
chất phi tuyến và tự học của mạng neuron
kết hợp với các dữ liệu thực nghiệm nhằm
thiết lập mối quan hệ giữa các thông số
khác nhau của hệ acquy. Nhược điểm là
mạng neuron cần lượng lớn các dữ liệu
thực nghiệm nhằm dự báo hoạt động của
acquy. Mô hình mạch điện thay thế tương
Hình 1. Mô hình mạch điện thay thế
đương sử dụng điện trở, điện dung, nguồn
áp và các phần tử mạch khác để mô phỏng
tương đương của acquy
động acquy. Các mô hình mạch điện thay
Mạch điện thay thế tương đương của
thế tương đương thường được sử dụng
gồm mô hình Rint, RC, PNGV (Partner-
ship for a New Generation of Vehicles) và
mô hình Thevenin. Mô hình RC chỉ mô tả
acquy được thể hiện như hình 1. Trong
đó:
UOC - điện áp hở mạch;
sự phân cực của acquy sử dụng điện dung
mà không phản ánh điện trở. Mô hình
R0 - nội trở thuần của acquy (ohmic
internal resistance);
Số 25
39
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
RP - điện trở phân cực nội của acquy
퐼퐿,퐾 - dòng điện ở thời điểm k;
(internal polarization resistance);
Điện áp đầu cực 푈퐿,퐾 là đầu ra của hệ
thống ở thời điểm k;
CP - tụ điện phân cực của acquy;
IL - dòng điện tổng;
Điện áp hở mạch 푈푂퐶,퐾 là hàm của SOC.
UL - điện áp tải.
Dữ liệu sử dụng trong mô hình lấy từ dữ
liệu của acquy B6 và B25 trong cơ sở dữ
liệu acquy của NASA Research Center.
Quan hệ giữa điện áp hở mạch và SOC
của acquy B6 được thể hiện như hình 2.
Mạch vòng RPCP được sử dụng để mô tả
hiệu ứng phân cực của acquy. Do mô hình
có xét tới cả hiệu ứng phân cực, nó có thể
mô phỏng một cách chính xác các đặc
tính nạp/xả của acquy.
Theo mô hình mạch điện tương đương RC
bậc 1, hệ phương trình trạng thái (1) của
mô hình có thể được thiết lập qua các luật
Kirchhoff.
( ) ( )
( )
( )
푈퐿 푡 = 푈푂퐶 푡 − 푈푃 푡 − 푈0 푡
푑푈
푈
퐼
퐿
푃
푃
= − 푅 퐶
+
퐶
푃
푑푡
푃
푃
( )
푈푂퐶 = 푓(푆푂퐶 푡 )
(1)
푡
ꢀ 푑푡
∫
Hình 2. Đặc tính OCV-SOC
퐿
0
( )
( )
푆푂퐶 푡 = 푆푂퐶 0 −
{
퐶
푛
Đặc tính OCV-SOC được xấp xỉ hóa bởi
푈0 = 푅0퐼퐿
hàm (3)
Rời rạc hóa hệ phương trình (1) ta được
hệ phương trình rời rạc (2)
푉푂퐶 = 496.46 × 푆푂퐶7 − 1934.7 × 푆푂퐶6 +
3103.4 ×
1286.9 × 푆푂퐶3 − 356.2 ×
52 × 푆푂퐶 + 0.29
푆푂퐶5 − 2644.2 × 푆푂퐶4 +
푇
퐶
푆
푇
푆
푆푂퐶2 +
푈
푈푃,퐾
푆푂퐶퐾
1 − 푅
0
1
푃,퐾+1 ] = [
] [
] + [ 푆] 퐼퐿,퐾
푃
퐶
[
푃
푃
푇
푆푂퐶퐾+1
−
0
퐶
푛
{
푈
(3)
푂퐶,퐾 ] − 푅0퐼퐿,퐾
−푈푃,퐾
[
1
]
푈퐿,퐾
=
[
1
Các giá trị điện dung và điện trở với
acquy B6 giả thiết là không đổi và được
cho trong bảng 1.
(2)
Trong đó biến trạng thái hệ thống là
푇
Bảng 1. Các tham số của mô hình acquy
푈
−푈푃,퐾
]
[
푥푘 =
;
푂퐶,퐾
Tham số
Giá trị
푈푃,퐾 là điện áp trên tụ điện 퐶푃 ở thời điểm
Điện trở R0
0.204 Ω
2.109 Ω
6583 F
k;
Điện trở phân cực RP
Điện dung phân cực CP
푆푂퐶푘 là SOC của acquy ở thời điểm k;
푇 - chu kỳ trích mẫu;
푆
40
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
3. MÔ HÌNH PIN MẶT TRỜI
q = điện tích của 1 electron;
(C) = 1,6×1019
;
Để mô tả các môđun điện mặt trời có thể
sử dụng mô hình một điôt hoặc mô hình
hai điôt [16]. Mô hình một điôt được xây
dựng dựa trên các phương trình sau:
Voc - điện áp hở mạch (V);
n - hệ số lí tưởng của điôt ;
K - hằng số Boltzmann
(J/K) = 1,38x1023;
Dòng quang điện:
퐺
[
(
)]
퐼푝ℎ = 퐼푠푐 + 푘ꢀ 푇 − 298 .
(4)
Eg0 - độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn
(eV) = 1,1;
1000
Dòng bão hòa:
Ns - số cell nối tiếp với nhau;
Np - số môđun PV song song với nhau;
Rs - điện trở nối tiếp (Ω);
퐼0
1
1
3
푞. 퐸ꢁ0. ( − )
푇
푇푛
푇
= 퐼푟푠. ( ) . 푒푥푝 [
]
(5)
푇푛
푛. 퐾
Rsh - điện trở song song (Ω);
Vt - thế nhiệt của điôt (V).
Dòng bão hòa ngược:
Hệ thống điện mặt trời được mô phỏng
với panel có các thông số cơ bản như
bảng 2.
퐼푠푐
표푐
푛.푁 .퐾.푇
퐼푟푠 =
(6)
푞.푉
푠
푒(
) − 1
Dòng qua điện trở shunt:
푉 + 퐼. 푅푠
Bảng 2. Thông số kỹ thuật của panel PV
CS3W-15P
퐼푠ℎ = (
)
(7)
푅푠ℎ
Dòng điện ra của môđun:
Số cell
144
415
47.8
Công suất đỉnh Pmax (W)
Điện áp hở mạch Voc (V)
(
)
푞. 푉 + 퐼. 푅푠
퐼 = 퐼푝ℎ − 퐼0. [푒푥푝 (
) − 1]
Điện áp tại điểm công suất cực 39.3
đại Vmp (V)
푛. 퐾. 푁푠. 푇
− 퐼푠ℎ
(8)
Độ suy giảm Voc theo nhiệt độ
(%/deg.C)
0.29
Trong đó:
Dòng ngắn mạch Isc (A)
8.99
Isc - dòng ngắn mạch (A) (short circuit
current);
ki - dòng ngắn mạch của cell ở 250oC và
1000 W/m2;
Dòng điện tại điểm công suất 8.45
cực đại Imp (A)
Độ tăng Isc theo nhiệt độ 0.05
(%/deg.C)
Dòng bão hòa điôt I0 (A)
Hệ số lý tưởng của điôt
Điện trở song song Rsh (Ω)
Điện trở nối tiếp Rs (Ω)
3.7482e-11
T - nhiệt độ làm việc (K);
0.91286
116.3362
0.51567
Tn - nhiệt độ danh định (K) (nominal
temperature) = 298;
G - mật độ bức xạ (W/m2);
Số 25
41
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Bảng 4. Thông số kỹ thuật cơ bản của bộ sạc xe
đạp/xe máy điện
4. CÁC PHƯƠNG ÁN KỸ THUẬT TRẠM
SẠC
Điện
áp sơ
cấp
Điện áp
thứ cấp
Điện áp
đầu ra của
bộ sạc
Điện áp
acquy
4.1. Thông số kỹ thuật cơ bản
Thông số kỹ thuật cơ bản của acquy một
số loại xe đạp/xe máy điện tại Việt Nam
như trong bảng 3. Có thể thấy, đa số các
xe đạp/xe máy điện hiện nay ở Việt Nam
sử dụng loại acquy LiFePo4 với công suất
khoảng 1-1.5 kW và có thời gian sạc
khoảng 3-5 giờ.
230
VAC
15 VAC
13.8 VDC
12 VDC
4.2. Các giả thiết đầu vào
Trong khuôn khổ của bài báo, nhóm tác
giả thực hiện tính toán kinh tế kỹ thuật
cho trạm sạc xe điện tại Trường Đại học
Điện lực với các giả thiết ban đầu như
sau:
Bảng 3. Thông số acquy của một số xe đạp/xe
máy điện tại Việt Nam
Loại xe
Loại
acquy
Tuổi
thọ
Thời Công
gian suất
sạc
Quy mô: phục vụ 100 xe đạp điện của
sinh viên và cán bộ công nhân viên.
Địa điểm lắp đặt: Trường Đại học Điện
lực. Các thông số cơ bản về số giờ nắng,
mật độ bức xạ… của Hà Nội được sử
dụng để nghiên cứu.
Vinfast
Klara/Klara (LFP)
S (2020)
LiFePo4 1000
5 giờ 1.2
cycles
kW
Vinfast
Impes
LiFePo4 1000
(LFP) cycles
5 giờ 1.7
kW
Trung bình một xe đạp điện sạc tại
trường khoảng 1-1.3 kWh.
Vinfast
Ludo
LiFePo4 1000
(LFP) cycles
5 giờ 1.1
kW
Ổ cắm sạc cho xe điện sử dụng điện
xoay chiều một pha 220V.
Honda EV- LiFePo4 1000
3.5
2.8
neo
(LFP)
cycles giờ
kW
Căn cứ vào kiến trúc hiện hữu, các môđun
PV được bố trí áp mái, chủ yếu tại nhà A
và một số môđun được bố trí tại nhà M và
nhà G như trên hình 3.
Honda
PCX
Electric
LiFePo4 2000
(LFP)
3 giờ 4.2
cycles
kW
PEGA
Zinger
Extra
FLiP
900
cycles giờ
4-6
N/A
kW
X-men
Plus 2016
N/A
N/A
6 giờ 1.2
Honda EV LiFePo4 1000
Cub (LFP) cycles
1 giờ
3
kW
Qua khảo sát, thông số kỹ thuật cơ bản
của bộ sạc được thể hiện trong bảng 4 [1].
Hình 3. Bố trí các môđun PV tại Trường Đại học
Điện lực
42
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Căn cứ vào quy mô trạm sạc và công suất công suất thiết kế là 150 kW. Sơ đồ khối
trung bình của xe điện, tác giả lựa chọn của trạm sạc thể hiện như trên hình 4.
AC BUS
PV ARRAY
GRID
MPPT
SOLAR
INVERTER
AC
CHARGER
01
AC
AC
CHARGER
N
DC
DC
DC
E-BIKE 01
E-BIKE N
Hình 4. Sơ đồ khối trạm sạc xe đạp / xe máy điện
4.3. Kết quả tính toán
PVsyst. Để so sánh, 3 phương án chọn
thiết bị khác nhau được đề xuất như trong
bảng 5.
Tính toán kinh tế kỹ thuật theo phần mềm
Bảng 5. Các phương án chọn thiết bị cho trạm sạc
PV môđun
Inverter
Phương án 1
Canadian Solar
P: 415W Poly
Vmp: 39.3 V
Imp: 10.56 A
Voc: 47.8 V
Sungrow SG60KU-M
Vinmax: 1000 V
VMPPrange: 300 – 950 V
Max. input current/string: 28 A
No. of strings: 16
Sout: 66 kVA40 ℃
Vout AC: 422-528 V
freq.: 50/60 Hz
Isc: 11.14 A
ɳ: 18.79 %
Temp.: -40 – 85oC
Dim.: 2108×1048×40 mm
Ioutmax: 83.6 A
THD: ≤3%
ɳ: 98.9%
Temp.: 30-60oC
Phương án 2
Tamesol
SMA Solid-Q Pro 60
Vinmax: 1000 V
P: 360 W Mono
Vmp: 38.9 V
Imp: 9.26 A
Voc: 47.2 V
Isc: 9.79 A
VMPPrange: 200 – 950 V
Max. input current / string: 12A
No. of strings: 12
Sout: 66 kVA
Số 25
43
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
PV môđun
Inverter
Vout AC: 277-572 V
freq.: 50/45-55 Hz
Ioutmax: 80 A
ɳ: 18.5 %
Temp.: –40-85oC
Dim.: 1956×992×40 mm
THD: ≤3%
ɳ: 98%
Temp.: –25-60oC
Phương án 3
AE Solar
Sofar Solar 60000TL
Vinmax: 1000 V
P: 330 W Poly
Vmp: 36.97V
Imp: 8.93 A
Voc: 45.89 V
Isc: 9.37 A
VMPPrange: 250-950 V
Max. input current/string: 12 A
No. of strings: 10
Sout: 60 kVA
Vout AC: 230/400 V
freq.: 50/60 Hz
ɳ: 17.01 %
Temp.: –40-85oC
Ioutmax: 90 A
Dim.: 1956-992-40 mm
THD: ≤3%
ɳ: 98.5%
Temp.: –25-60oC
Bảng 6. Sản lượng điện mặt trời của phương án 1 theo từng tháng trong năm
Đối với phương án 1, đặt góc nghiêng Với 3 phương án lựa chọn thiết bị trên,
môđun như trên hình 5 và kết quả tính việc so sánh các phương án kỹ thuật cho
toán sản lượng điện trong một năm được trạm sạc được thể hiện như bảng 7.
thể hiện trong bảng 6.
44
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Phương Phương Phương
án 1
án 2
án 3
Số môđun
PV trong
một string
18
18
20
Số string
20
24
22
Công suất
hệ thống
149400
W
155520 W 145200 W
Kết quả thiết kế tính toán cho thấy cả 3
phương án đều đáp ứng được yêu cầu kỹ
thuật, trong đó số lượng môđun PV ở
phương án 1 là thấp nhất đồng thời diện
tích lắp đặt là nhỏ nhất.
Hình 5. Chọn góc nghiêng môđun
cho phương án 1
Bảng 7. So sánh phương án kỹ thuật
cho trạm sạc
5. ĐÁNH GIÁ KINH TẾ CÁC PHƯƠNG
ÁN
Phương Phương Phương
Các số liệu cụ thể tính toán được của 3
phương án kỹ thuật cho phép xác định chi
phí lắp đặt cho trạm sạc xe điện tích hợp
điện mặt trời như trong bảng 8, 9, 10.
án 1
án 2
án 3
Diện tích lắp 795.3 m2 838.2 m2 853.8 m2
đặt
Số Inverter
2
2
2
Số môđun PV 360
432
440
Bảng 8. Tổng chi phí lắp đặt trạm sạc theo phương án 1
STT
Thiết bị
Đơn vị
Tấm
Bộ
Đơn giá (VNĐ)
3,215,880
Số lượng
360
Thành tiền (VNĐ)
1,157,716,885
46,290,000
1
PV panel
2
3
4
5
Inverter
23,145,000
2
1
Phụ kiện
Bộ
450,000,000
210,000,000
7,500,000
450,000,000
210,000,000
7,500,000
Công lắp đăt
Chi phí bảo dưỡng
Năm
1
Tổng chi phí
1,871,506,885
Bảng 9. Tổng chi phí lắp đặt trạm sạc theo phương án 2
STT
Thiết bị
PV panel
Inverter
Đơn vị
Tấm
Đơn giá (VNĐ)
3,739,000
Số lượng
432
Thành tiền (VNĐ)
1,615,248,000
378,835,000
450,000,000
210,000,000
7,500,000
1
2
3
4
5
Bộ
Bộ
189,417,500
450,000,000
210,000,000
7,500,000
2
1
Phụ kiện
Công lắp đăt
Chi phí bảo dưỡng
Năm
1
Tổng chi phí
2,661,583,000
Số 25
45
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Bảng 10. Tổng chi phí lắp đặt trạm sạc theo phương án 3
STT
Thiết bị
PV panel
Đơn vị
Tấm
Đơn giá (VNĐ)
3,300,000
Số lượng
440
Thành tiền (VNĐ)
1,452,000,000
124,680,000
450,000,000
210,000,000
7,500,000
1
2
3
4
5
Inverter
Bộ
Bộ
62,340,000
2
1
Phụ kiện
450,000,000
210,000,000
7,500,000
Công lắp đăt
Chi phí bảo dưỡng
Năm
1
Tổng chi phí
2,244,180,000
So sánh chi phí đầu tư của 3 phương án dụng đối với lĩnh vực sản xuất năng lượng
nhận thấy phương án 1 có chi phí đầu tư tái tạo.
thấp nhất. Do đó, xét cả về mặt kinh tế
Tại khoản 1, khoản 2 Điều 16 Nghị
kỹ thuật, việc triển khai phương án 1 là
định số 218/2013/NĐ-CP quy định: “1.
hợp lý.
Miễn thuế 4 năm, giảm 50% số thuế phải
nộp trong 9 năm tiếp theo đối với lĩnh vực
sản xuất năng lượng tái tạo.
Tính toán thời gian thu hồi vốn của
phương án 1 dựa trên các dữ liệu:
Bảng 11 thể hiện các chỉ tiêu tài chính
ứng với phương án 1 khi vận hành trạm
sạc trong 20 năm. Thời gian thu hồi vốn
là 7 năm. Với thời gian vận hành khoảng
20 năm, phương án 1 có khả năng đem lại
hiệu quả kinh tế cao.
Giá bán lẻ điện cho đơn vị hành chính
sự nghiệp với cấp điện áp dưới 6 kV là
1902 VNĐ (theo thông tư 16/2014/TT-
BCT và quyết định số 648/QĐ-BCT ngày
20/03/2019 của Bộ Công Thương).
Hệ số giờ nắng là 3.24h tại địa điểm
lắp đặt.
6. KẾT LUẬN
Giả thiết điện mặt trời tạo ra là tự dùng
100%.
Bài báo thực hiện nghiên cứu tính khả thi
của trạm sạc xe đạp/xe máy điện tại Việt
Nam và lên phương án thiết kế tính toán
kinh tế kỹ thuật cho trạm sạc xe điện tại
trường học có tích hợp điện mặt trời.
Suất đầu tư 12476 VNĐ/Wp.
Tỷ lệ tăng giá điện hàng năm giả thiết
là 3% (theo QĐ 24/2017/QĐ-TTg).
Việc tích hợp điện mặt trời vào hệ thống
cho thấy giải pháp hiệu quả trong việc
giảm nhu cầu năng lượng và công suất từ
lưới, khai thác tiềm năng điện mặt trời áp
mái. Năng lượng sạch được sản xuất và
phục vụ mục đích chính là tiêu thụ tại
Theo Tại khoản 1, khoản 2 Điều 15
Nghị định số 218/2013/NĐ-CP ngày
26/12/2013 của Chính phủ quy định chi
tiết và hướng dẫn thi hành Luật thuế thu
nhập doanh nghiệp quy định “1. Thuế suất
ưu đãi 10% trong thời hạn 15 năm áp
46
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
chỗ, đón đầu xu hướng giảm giá FiT. Khả lắp các môđun PV trên mái nhà/văn
năng tiếp cận điện mặt trời đối với trạm phòng gần với vị trí để xe hoặc lắp đặt/sử
sạc cũng tương đối thuận tiện do có thể dụng làm mái che phương tiện.
Bảng 11. Tính toán các chi tiêu tài chính theo phương án 1
Năm
Sản
lượng
điện tự
dùng
Giá
tiền
điện
hàng
năm
Giá trị tiết
kiệm
Chi phí
bảo trì
Khấu hao
10 năm
Thuế
thu
nhập
doanh
nghiệp
Thuế
TNDN
phải đóng
Giá trị tài
chính
1
2
-
-
-
-
-
-
-
177,390 1,902 337,395,780
172,068 1,959 337,092,124
158,303 2,018 319,428,497
145,639 2,078 302,690,443
133,988 2,141 286,829,464
187,140,000
187,140,000
187,140,000
187,140,000
187,140,000
(1,534,004,220)
(1,196,912,096)
(877,483,600)
(574,793,156)
(297,932,639)
(34,463,099)
216,181,251
-
-
3
-
-
4
-
-
5
10%
10%
10%
10%
10%
10%
10%
10%
10%
10%
10%
20%
20%
20%
20%
20%
9,968,946
8,330,060
6,912,951
5,570,099
4,297,612
3,091,804
20,663,180
19,580,429
18,554,415
17,582,163
16,660,858
31,575,658
29,921,094
28,353,228
26,867,519
25,459,661
6
123,269 2,205 271,799,600 1,358,998 187,140,000
113,407 2,271 257,557,301 1,287,787 187,140,000
104,334 2,339 244,061,299 1,220,306 187,140,000
95,988 2,409 231,272,486 1,156,362 187,140,000
88,309 2,482 219,153,808 1,095,769 187,140,000
7
8
454,672,450
9
681,647,324
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
897,709,329
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
81,244 2,556 207,670,149 1,038,351
1,084,716,297
1,261,924,101
1,429,846,216
1,588,969,212
1,739,754,163
1,866,850,153
1,987,286,314
2,101,411,620
2,209,556,759
2,312,035,094
74,744 2,633 196,788,233
68,765 2,712 186,476,529
63,264 2,793 176,705,159
58,203 2,877 167,445,809
53,546 2,963 158,671,649
49,263 3,052 150,357,254
45,322 3,144 142,478,534
41,696 3,238 135,012,659
38,360 3,335 127,937,996
983,941
932,383
883,526
837,229
793,358
751,786
712,393
675,063
639,690
Với xu hướng phát triển các phương tiện thuật cho trạm sạc xe điện tại trường học
chạy điện, đồng thời chi phí lắp đặt các hệ
thống điện mặt trời ngày càng giảm, vấn
đề tích hợp điện mặt trời vào trạm sạc có
thể xem là giải pháp xanh và bền vững,
giải quyết các vấn đề ô nhiễm khí thải,
đặc biệt là tại các thành phố lớn.
phục vụ nhu cầu sạc xe điện của cán bộ
công nhân viên và sinh viên với thời gian
làm việc / học tập phù hợp với thời gian
sạc. Việc tính toán định lượng các chỉ tiêu
kinh tế kỹ thuật của từng phương án cũng
được thực hiện nhằm chỉ ra phương án
hiệu quả.
Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp kỹ
Số 25
47
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Việc tích hợp điện mặt trời cho trạm sạc hệ thống PV – xe điện và lưới. Những
xe điện cũng tồn tại các vấn đề cần giải khía cạnh đó cần được làm rõ trong những
quyết, đặc biệt là các vấn đề giải pháp nghiên cứu tiếp theo.
điều kiển, giám sát dòng năng lượng giữa
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] N.H. Duc, T.V. Tuan, M.D. Thuan, “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng trạm nạp sử dụng pin mặt
trời cho xe đạp điện tại các trường học”, Đề tài EPU, 2016.
[2] M. Messagie, F. S. Boureima, T. Coosemans, C. Macharis, and J. Van Mierlo, “A range-based
vehicle life cycle assessment incorporating variability in the environmental assessment of different
vehicle technologies and fuels,” Energies, vol. 7, no. 3, pp. 1467–1482, 2014.
[3] A. Nordelöf, M. Messagie, A.M. Tillman, M. Ljunggren Söderman, and J. Van Mierlo,
“Environmental impacts of hybrid, plug-in hybrid, and battery electric vehicles—what can we
learn from life cycle assessment?,” International Journal of Life Cycle Assessment, vol. 19, no. 11.
pp. 1866–1890, 2014.
[4] S. Rangaraju, L. De Vroey, M. Messagie, J. Mertens, and J. Van Mierlo, “Impacts of electricity
mix, charging profile, and driving behavior on the emissions performance of battery electric
vehicles: A Belgian case study,” Appl. Energy, vol. 148, pp. 496–505, 2015.
[5] David Feldman, Robert Margolis, “Q1/Q2 2019 Solar Industry Update”, National Renewable
Energy Laboratory (NREL), 2019.
[6] G.R. Chandra Mouli, P. Bauer, and M. Zeman, “Comparison of system architecture and converter
topology for a solar powered electric vehicle charging station,” 9th International Conference on
Power Electronics and ECCE Asia (ICPE-ECCE Asia), 2015, pp. 1908–1915.
[7] G.R. Chandra Mouli, P. Bauer, and M. Zeman, “System design for a solar powered electric vehicle
charging station for workplaces,” Appl. Energy, vol. 168, pp. 434–443, Apr. 2016.
[8] G. Carli and S. S. Williamson, “Technical Considerations on Power Conversion for Electric and
Plug-in Hybrid Electric Vehicle Battery Charging in Photovoltaic Installations,” IEEE Trans. Power
Electron., vol. 28, no. 12, pp. 5784–5792, Dec. 2013.
[9] P. Goli and W. Shireen, “PV powered smart charging station for PHEVs,” Renew. Energy, vol. 66,
pp. 280–287, Jun. 2014.
[10] G.R.C. Mouli, M. Leendertse, V. Prasanth, P. Bauer, S. Silvester, S. van de Geer, and M. Zeman,
“Economic and CO2 Emission Benefits of a Solar Powered Electric Vehicle Charging Station for
Workplaces in the Netherlands,” IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC),
2016, pp. 1–7.
[11] P.J. Tulpule, V. Marano, S. Yurkovich, and G. Rizzoni, “Economic and environmental impacts of a
PV powered workplace parking garage charging station,” Appl. Energy, vol. 108, pp. 323–332,
Aug. 2013.
[12] Dongchen Qin, Jianjie Li, Tingting Wang, Dongming Zhang, “Modeling and Simulating a Battery
for an Electric Vehicle Based on Modelica”, Automotive Innovation, 2019.
[13] Xiong Wei, Mo Yimin & Zhang Feng, “Lithium-ion Battery Modeling and State of Charge
Estimation”, Integrated Ferroelectrics, 2019.
48
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
[14] X. Hu, S. Li, and H. Peng, “A comparative study of equivalent circuit models for Li-ion batteries”,
J. Power Sources. 198, 359 (2012).
[15] S. Yuan et al., “Online estimation of electrochemical impedance spectra for lithium-ion batteries
via discrete fractional order model”, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC). 1–6
(2013).
[16] Nahla Mohamed Abd Alrahim Shannan, Nor Zaihar Yahaya, Balbir Singh, “Single-Diode Model and
Two-Diode Model of PV Modules: A Comparison”, IEEE International Conference on Control
System, Computing and Engineering, 2013.
Giới thiệu tác giả:
Tác giả Nguyễn Ngọc Văn tốt nghiệp đại học ngành thiết bị điện – điện tử năm
2008, nhận bằng Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện năm 2010 tại Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.
Lĩnh vực nghiên cứu: các nguồn năng lượng phân tán, công nghệ sạc và tích trữ
năng lượng, năng lượng tái tạo, tự động hóa hệ thống điện.
Tác giả Nguyễn Hữu Đức tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện, nhận bằng
Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào các năm
2006 và 2008. Từ năm 2009 đến 2014, tác giả làm nghiên cứu sinh tại Đại học
Bách khoa Berlin. Hiện tác giả đang công tác tại Bộ môn Môi trường và Năng
lượng tái tạo, Khoa Công nghệ Năng lượng, Trường Đại học Điện lực.
Lĩnh vực nghiên cứu chính: mô phỏng, tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo,
mác hệ thống điều khiển tiên tiến, lưới điện và hệ thống năng lượng thế hệ mới,
xe điện và chính sách phát triển bền vững.
Số 25
49
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
50
Số 25
15 trang
12540
Free
Bạn đang xem tài liệu "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", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_toan_danh_gia_so_sanh_kinh_te_ky_thuat_cac_phuong_an_tra.pdf
