ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỮU NHƯ DANH

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG
CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU NGỌC AN

Phản biện 1: TS. Trịnh Trung Hiếu
Phản biện 2: TS. Lê Kỷ

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách Khoa
ngày 13 tháng 5 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

trạm sạc xe điện phần mềm PV*SOL Premium 2017 chuyên dụng
4. Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương
pháp nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về năng lượng mặt trời,
cấu tạo, nguyên lý làm làm việc của hệ thống pin mặt trời


2
-Xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp cho một
trạm sạc xe điện cụ thể
- Mô phỏng hoạt động hệ thống pin năng lượng mặt trời và
trạm sạc xe điện phần mềm PV*SOL Premium 2017 chuyên dụng
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được công nghệ mới vào sản
xuất, góp phần phát triền năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng
tái tạo, sạch và được nhà nước khuyến khích đầu tư.Thiết kế, tính
toán, mô phỏng được sự hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt
trời và hoạt động của trạm sạc xe điện, từ đó có cơ sở đánh giá tính
hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trước khi đầu tư xây
dựng.
Tính thực tiễn: Góp phần phát triển trạm sạc xe điện sử dụng
năng lượng mặt trời, ứng dụng các loại xe điện vào thực tế cuộc sống.
6. Bố cục đềtài
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và hệ thống pin
năng lượng mặt trời
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của Trạm sạc xe điện
Chương 3: Khảo sát tiềm năng điện mặt trời tại Đà Nẵng và
xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp cho trạm sạc xe

MẶT TRỜI
1.2.1. Cấu tạo của pin mặt trời
Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả năng biến đổi trực tiếp
năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quan điện
bên trong gọi là pin mặt trời. Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng
phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể
bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4.


4

1.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
1.2.2.1. Hiện tượng quang điện
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi
nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên tới năm
1883 thì một pin mặt trời mới tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ
lên mặt bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối.
1.2.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng
quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n
1.2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
1.2.3.1.Mạch điện tương đương
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một
tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dòng
quang điện Iph.Vì vậy pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng.
1.2.3.2. Điểm làm việc cựcđại
1.2.4. Dàn pin mặt trời
1.3.ẮC QUY (HỆ THỐNG DỰ TRỮ ĐIỆN NĂNG)
1.3.1. Cấu tạo của ắc quy
1.3.2. Các phương pháp phóng và nạp ắc quy

- Dàn pin mặt trời (nguồn điện)
- Dàn ắc quy (dự trữ điện năng)
- Hệ thống điều phối điện năng
Có ba mô hình vận hành cơ bản của hệ thống pin năng lượng
mặt trời là
- Mô hình vận hành độc lập
- Mô hình vận hành kiểu lai
- Mô hình vận hành kết nối lưới điện
Tùy theo yêu cầu và điều kiện cụ thể tại nơi lắp đặt mà ta chọn
mô hình vận hành của hệ thống điện pin mặt trời thích hợp, để từ đó
tính toán và thiết kế hệ thống.


6

Chương 2 - NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦATRẠM SẠC
XE ĐIỆN
2.1. TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN
Hiện nay có bốn loại xe điện chính (EV- Electric Vehicles): xe
điện lai (HEV - Hybrid Electric Vehicles ), xe hybrid lai (PHEV Plug-in Hybrids Electric Vehicles), xe điện chạy bằng pin (BEV Battery Electric Vehicles) và các loại xe điện có tầm hoạt động xa
(EREV - Ex tended Range Electric Vehicles).
2.1.1. Xe điện lai (HEV - Hybrid Electric Vehicles )
2.1.2. Xe điện hỗn hợp (PHEV - Plug-in Hybrids Electric
Vehicles)
2.1.3. Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin (BEV - Battery
Electric Vehicles)
2.1.4. Xe điện có tầm xa hoạt động xa (EREV - Ex tended
Range Electric Vehicles).
2.2. CÁC CHẾ ĐỘ SẠC
Tiêu chuẩn SAE J1772 hiện tại định nghĩa có sáu mức sạc cho

Một trạm sạc xe điện thường ở dạng kết nối trực tiếp với bảng
phân phối điện, hoặc đôi khi với chỉ với ổ cắm điện. Nó có một hoặc
nhiều cáp sạc được trang bị đầu nối tương tự như vòi bơm xăng và
được sử dụng theo cách tương tự như vậy.
2.3.1. Tiêu chuẩn an toàn
2.3.1.1. Thiết bị đảm bảo an toàn trong trạm sạc xe điện
Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng, tất cả các trạm sạc
được trang bị một máy dò lỗi chạm đất để giảm nguy cơ điện giật.
2.3.1.2. Tiêu chuẩn chứng nhận thiết bị điện
Giống như tất cả các thiết bị điện khác, các thiết bị trong trạm
sạc xe điện phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn


8

2.4.TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
2.4.1. Chuẩn SAE J1772 - sạc bằng dòng xoay chiều - AC
Thực tê,sạc ở cấp 1 không yêu cầu một trạm sạc đặc biệt. Nó
sử dụng cáp điện sử dụng cho sạc ở Cấp 1
2.4.1.2.Yêu cầu chủa chuẩn SAE J1772
2.4.1.3. Hoạt động của một trạm sạc xe điện sử dụng tiêu
chuẩn SAE J1772
2.4.2. Chuẩn SAE J1772 –Sạc nhanh bằng dòng điện một
chiều - DC
Về cơ bản, Sạc bằng dòng điện một chiều - DC khác với việc
sạc bằng dòng xoay chiều AC vì nó sử dụng bộ sạc được tích hợp
sẵntrong trạm sạc xe điện thay vì bộ sạc trên xe điện và yêu cầu phải
có công suất sạc cao hơn nhiều.
2.4.3.Tiêu chuẩn SAE J1772 Combo
Các yêu cầu cho tiêu chuẩn J1772 Combo phức tạp hơn nhiều



10

Chương 3 - KHẢO SÁT TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI
TẠI ĐÀ NẴNG VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNGPIN MẶT
TRỜI CẤP ĐIỆNCHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN
3.1.TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở ĐÀ NẴNG
Theo số liệu tính toán đánh giá tại khu vực thành phố Đà Nẵng
có tiềm năng năng lượng mặt trời khá lớn, cường độ bức xạ tổng
cộng hàng năm đạt 1710 KWh/m2 (4,89 KWh/m2.ngày) .Việc ứng
dụngnăng lượng mặt trời vào xây dựng trạm sạc xe điện tại thành phố
Đà Nẵng là phù hợp.
3.2.VỊ TRÍ XÂY DỰNG TRẠM SẠC XE ĐIỆN
3.3.XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CẤP ĐIỆN CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN TẠI CÔNG VIÊN
BIỂN ĐÔNG
3.3.1. Một số yêu cầu cơ bản của hệ thống
3.3.2. Mô hình của trạm sạc xe điện sử dụng hệ thống pin
năng lượng mặt trời.
3.3.3. Cơ sở tính toán các thông số của trạm sạc
3.3.3.1. Tính toán sản lượng điện mà phụ tải yêu cầu
Sản lượng điện của phụ tải tính theo ngày (Ang) có thể được
tính theo công thức:
Ang = ∑𝑛𝑖=1 P𝑖T𝑖
Trong đó: Pi: là công suất sạc của 1 xe điện/ 1 giờ
Ti: là số giờ sạc trung bình của 1 xe điện / 1 ngày
3.3.3.2. Tính toán lượng điện năng hàng ngày dàn pin năng
lượng mặt trời cung cấp cho trạm sạc xe điện
Năng lượng điện hàng ngày dàn pin năng lượng mặt trời cung

Nếu mỗi bình có dung lượng là Cb (tính ra Ah), số dãy bình
mắc song song là:
Nss=C/Cb
Tổng số bình ắc quy được xác định như sau


12

N=Nnt.Nss= (Va/Vb)/( C/Cb)
3.3.3.5. Tính thông số của bộ điều phối điện năng
Công suất bộ biến đổi DC-DC và bộ điều khiển sạc được chọn
theo công suất Pmax của dàn pin, công suất bộ biến đổi DC-AC được
chọn theo công suất của tải max (khoảng từ 1,3-1,5 công suất tải
Max)
3.3.3.6. Điện áp làm việc của bộ điều phối điện năng
Do điện áp trong hệ thống pin mặt trời thay đổi theo cường độ
bức xạ và trạng thái nạp của ắc quy nên các điên áp làm việc của bộ
điều phối điện năng thiết kếphải làm việc trong một dải điện áp tương
đối rộng.Thường điện áp làm việc nằm trong khoảng (0,8 đến 1,2 )
lần điện áp của hệ pin mặt trời.
Ngoài ra, để có thể nạp điện cho ắc quy theo các chế độ khác
nhau thì điện áp ra max của bộ điều khiển sạc phải đạt từ mức (1,2
đến 1,25) lần điện áp định mức của bộ ắc quy.
3.3.4. Chọn loại pin mặt trời và lựa chọn các thông số cụ
thể của hệ thống pin năng lượng mặt trời
3.3.4.1. Chọn pin năng lượng mặt trời
Qua tham khảo thực tế thị trường pin NLMT tại Việt Nam, và
so sánh với một số hãng khác, hãng Canadian Solar được lựa chọn
phù hợp với môi trường lắp đặt gần biển như trong đề tài. Tác giả
kiến nghị sử dụng Model CS6P-265 của hãng Canadian Solar

Số Area

vùng

4

Số lượng phân chia theo Area

Tấm

30

Công suất dàn pin

kWp

31,8

Ah

65

điện áp một bình ắc quy

VDC

12

Số lượng bình ắc quy


367,2)/(84-380)

Vin và Vout bộ DC-AC

VDC/VAC

380/220

Diện tích lắp đặt dàn pin

m2

193

3.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA DỰ ÁN HỆ THỐNG PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRẠM SẠC XE
ĐIỆN
Hiện tại chưa có dự án xây dựng quy mô về hệ thống pin năng
lượng mặt trời cấp điện cho trạm sạc xe điện ở Đà Nẵng nói riêng và
ở Việt Nam nói chung. Trên cơ sở tham khảo giá thị trường và dự
toán xây dựng, vận hành, bảo trì một số hệ thống pin năng lượng mặt
trời và trạm sạc xe điện ở trong nước và một số nước tiên tiến trên


14

thế giới. Tác giả đã tính toán được sơ bộ chi phí xây dựng, vận hành,
bảo trì hệ thống.
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Với vị trí địa lý và tiềm năng về năng lượng mặt trời của thành

4.1.2.2. Chọn phụ tải của hệ thống (Consumption)
4.1.2.3. Chọn hệ thống pin NLMT (PV Modules)
4.1.2.4. Lựa chọn hệ thống pin dự trữ (Battery System)
4.1.2.5. Chọn hệ thống Inverter
4.1.2.6.Lựa chọn cấu hình xe điện cần mô phỏng
Trong các chế độ mô phỏng hoạt động của hệ thống pin năng
lượng mặt trời, có 2 chế độ :
+ Chế độ mặc định:
+ Chế độ tối ưu hóa PV:
4.1.2.7. Lựa chọn sơ đồ nối dây và loại cáp điện sử dụng
4.1.2.8. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống mô phỏng (Simulation
of Diagram)


16

4.1.2.9.Kết quả mô phỏng (Results of Simulation)
4.2.KHẢO SÁT SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PIN
NLMT VÀ TRẠM SẠC XE ĐIỆN.
4.2.1. Thông số dùng để nhập dữ liệu phần mềm
4.2.1.1. Cơ sở dữ liệu về cường độ bức xạ của phần mềm
Phần mềm PV*SOL Premium 2017 đã có đầy đủ cơ sở dữ liệu
về các thông số cường độ bức xạ theo thời gian trong ngày, tháng,
năm. Trong phần mềm có cơ sở dữ liệu về thành phố Đà Nẵng.
4.2.1.2. Biểu đồ phụ tải trong ngày
Để có cơ sở tính toán biểu đồ phụ tải trong ngày ta sử dụng lại
bảng tính phụ tải được sử dụng ở chương 3 (bảng 3.5). Vì phụ tải
trong trường hợp này là xe điện nên để đơn giản hóa ta tính phụ tải
trung bình trong một giờ (ptb).
Trong đó Ptb được tính theo công thức sau:

Grid Feedin

Battery
Charge

Charge of
the electric
vehicle

Month

kWh

kWh

kWh

kWh

Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov

815
830
859
662
633
617

1.551
1.726
1.969
1.959
2.054
1.968
2.051
2.003
1.765
1.759
1.606


18

Dec
Sum

2.032
33.804

139
3.411

kWh
1.551
1.726
1.969
1.959
2.054
1.968
2.051
2.003
1.765
1.759
1.606
1.513
21.925

Charge of the
electric
vehicle (un
direct from
PV System)
kWh
1.433
771
769
632
610
662
619
680
978

kWh
956
91
-14
-213
-280
-153
-211
-180
316
482
542
1.189
2.526


19

c) Dự báo sản lượng điện tiêu thụ

Hình 4.9. Biểu đồ phân bố năng lượng được sử dụng
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng dự báo năng lượng điện tiêu thụ
PV
Generat
or
Energy
(AC
grid)
Month


(PV
System)

kWh

kWh

kWh

kWh

kWh

kWh

kWh

Jan

2.280

-485

-3.401

-253

1.542

1.444


791

-13

Apr

3.165

-864

-3.282

-362

1.940

652

-212

May

3.235

-898

-3.391

-291


-215

2.027

645

-209

Aug

3.218

-874

-3.391

-355

1.989

694

-179

Sep

2.700

-671


-637

-3.282

-231

1.586

1.181

545

Dec

2.032

-381

-3.391

-139

1.512

1.574

1.193

Sum


[kwh]

+ Sản lượng điện mà xe điện sạc trực tiếp từ hệ thống pin
NLMT (sau khi đã trừ đi tổn thất) :
EEV =68,216

[kwh]

+ Sản lượng điện mà xe điện sạc từ hệ thống lưới điện (sau khi đã
trừ đi tổn thất) :
EEV-Grid=7,166

[kwh]

4.2.3.3. Khảo sát sự hoạt động của trạm trong ngày có cường
độ bức xạ thấp. Chế độ sạc mặc định


21

Hình 4.11. Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời trong ngày có
cường độ bức xạ thấp
+ Sản lượng điện hệ thống pin NLMT phát ra (sau khi đã trừ đi
tổn thất) :
Epv = 84,17

[kwh]

+ Sản lượng điện dàn ắc quy có thể nạp (sau khi đã trừ đi tổn

sạc của xe điện từ 7 giờ đến 15 giờ, thời gian còn lại phải dùng hệ
thống pin dự trữ, sau đó sử dụng đến điện năng từ nguồn lưới. Trong
trường hợp ngày có cường độ bức xạ thấp thường rơi vào mùa thấp
điểm du lịch, nhu cầu năng lượng xe điện cần sạc không thật sự lớn
nên thực tế sẽ rất ít xảy ra trường hợp phải sử dụng điện năng từ
nguồn lưới.
4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Qua kết quả mô phỏng ở mục 4.2. ta thấy:
+ Công suất lăp đặt của hệ thống pin NLMT cung cấp cho trạm
sạc xe điện là phù hợp. Sản lượng điện năng sinh ra đủ để cung cấp
cho nhu cầu sạc của xe điện.
+ Phần mềm sử dụng thuật toán MPP Tracking cho phép mô
phỏng sự hoạt động của hệ thống pin NLMT ở chế độ tối ưu (theo sự
biến đổi của cường độ sáng trong ngày).
+ Để tối ưu hóa chế độ làm việc của trạm sạc cần phải lựa
chọn chế độ sạc và xả của ắc quy thích hợp, có kế hoạch điều chỉnh
thời gian sạc của xe điện trong ngày sao cho phát huy tối đa công
suất của hệ pin NLMT.


23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng
cạn kiệt, yêu cầu về an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và sử
dụng nguồn năng lượng tái tạo ngày càng cao thì việc sử dụng hệ
thống năng lượng mặt trời cung cấp cho trạm sạc xe ô tô điện là rất
hợp lý, góp phần vào năng cao nhận thức của người dân về tiết kiệm
năng lượng và khuyến khích sử dụng năng lượng mặt trời ở thành
phố Đà Nẵng nói riêng và Việt Nam nói chung.