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

Trong luận văn có trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam và của một số tổ chức khoa học trên thế giới về thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm sạc xe

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2017

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Trong luận văn có trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam và của một số

tổ chức khoa học trên thế giới về thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm sạc xe điện, sử dụng phần mềm PV*SOL Premium 2017 chuyên dụng cho thiết kế, tính toán, mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời

Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Như Danh

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

SỬ DỤNG CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN

Học viên: Nguyễn Hữu Như Danh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.50 Khóa: K31.KTĐ Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng

rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đem lại những lợi ích vô cùng to lớn Sử dụng xe điện mang lại nhiều lợi ích hơn so với xe ô tô sử dụng xăng hoặc dầu thông thường Xe điện là một bước đi quan trọng trong việc tiết kiệm các dạng năng lượng hóa thạch Nguyên tắc cơ bản của xe điện chạy bằng năng lượng mặt trời là sử dụng năng lượng được lưu trữ trong pin để điều khiển động

cơ và di chuyển xe theo chiều hướng về phía trước hoặc ngược lại.Vì lý do đó, luận văn này tính toán và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm sạc xe điện, đánh giá khả năng sạc pin xe điện làm việc ở Đà Nẵng bằng cách sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời.Sử dụng phần mềm PV*Sol Premium 2017để thiết kế, tính toán và mô phỏng sự hoạt động của trạm sạc xe điện

Sự biến đổi theo mùa và ngày đêm của bức xạ mặt trời được phân tích để xác định năng lượng có sẵn cho việc sạc xe điện và hoạt động của trạm sạc xe điện.Nghiên cứu này áp dụng mô hình đề xuất cho thành phố Đà Nẵng để đánh giá về mặt kỹ thuật và tính khả thi về mặt kinh tế Tác giả

đã tóm tắt các kết quả đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa –Xe điện; Trạm sạc xe điện; Hệ thống năng lượng mặt trời; Năng lượng tái tạo; Lưu trữ

trong pin

DESIGNING CALCULATOR AN ELECTRIC VEHICLE CHARGING STATION USING

THE PHOTOVOLTAIC SYSTEM Abtract - Renewable energy in which solar energy is being studied and widely used in many

fields offers enormous benefits Electric vehicles (EVs) have many benefits as compared to normal petrol or gas cars The electric vehicle is a step in saving these non renewable sources of energy.The basic principle of based electric vehicle is to use energy that is stored in a battery to drive the motor and it moves the vehicle in forward or reverse direction.For this purpose, this Thesis design and calculator an electric vehicle charging station using the the photovoltaic system, investigates the possibility of charging battery electric vehicles at workplace in Da Nang city using the photovoltaic system Using PV*Sol Premium 2017 software to design, calculatator and simulator the Evs Charging station operation.The seasonal and diurnal variation in solar radiation is analyzed to determine the energy availability for EV charging and the necessity for Evs Charging station operation.This project applies the proposed model to Da Nang City to verify its technical and economic feasibility.The achieved results are summarized and perspective of the work in provided

Key words –Electrical vehicle; Charging station; Photovoltaic systems; Renewable energy;

Stored in a battery

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Bố cục đềtài 2

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶTTRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN NĂNGLƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1.1.Nguồn năng lượng mặt trời 3

1.1.2 Tổng quan các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời 5

1.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI 10

1.2.1 Cấu tạo của pin mặt trời 10

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 11

1.2.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 13

1.2.4 Dàn pin mặt trời 16

1.3 ẮC QUY (HỆ THỐNG DỰ TRỮ ĐIỆN NĂNG) 18

1.3.1 Cấu tạo của ắc quy 18

1.3.2 Các phương pháp phóng và nạp ắc quy 19

1.3.3 Các chế độ vận hành ắc quy 19

1.4 HỆ THỐNG ĐIỀU PHỐI ĐIỆN MẶT TRỜI 20

1.4.1 Bộ điều khiển sạc 20

1.4.2 Bộ nghịch lưu 21

1.5 CÁC MÔ HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 21

1.5.1 Vận hành độc lập với lưới (Off Grid) 21

1.5.2 Vận hành kiểu lai (Hybrid) 22

1.5.3 Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie) 22

1.6 KẾT LUẬN 23

Chương 2- NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦATRẠM SẠC XE ĐIỆN 24

2.1 TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN 24

2.1.1 Xe điện lai (HEV - Hybrid Electric Vehicles ) 24

2.1.2 Xe điện hỗn hợp (PHEV - Plug-in Hybrids Electric Vehicles) 24

2.1.3 Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin (BEV - Battery Electric Vehicles) 24

2.1.4 Xe điện có tầm xa hoạt động xa (EREV - Ex tended Range Electric Vehicles) .24

2.2 CÁC CHẾ ĐỘ SẠC 25

2.2.1 Sạc ở Cấp 1 – 120V AC 26

2.2.2 Sạc ở Cấp 2 – 208 VAC đến 240 VAC 26

2.2.3 Sạc ở Cấp 3 – 200 VDC đến 450 VDC 27

2.3 TRẠM SẠC XE ĐIỆN 28

2.3.1 Thiết bị đảm bảo an toàn trong trạm sạc xe điện 28

2.3.2 Tiêu chuẩn chứng nhận thiết bị điện 29

2.4 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 29

2.4.1 Chuẩn SAE J1772 - sạc bằng dòng xoay chiều - AC 30

2.4.2 Chuẩn SAE J1772 –Sạc nhanh bằng dòng điện một chiều - DC 31

2.4.3.Tiêu chuẩn SAE J1772 Combo 32

2.4.4 Tiêu chuẩn CHAdeMO –Sạc nhanh ở dòng điện một chiều 33

2.4.5 Trạm sạc siêu nhanh của hãng Tesla 34

2.5 Kết luận chương 2 35

Chương 3 - KHẢO SÁT TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI ĐÀNẴNG VÀ XÂY DỰNG HỆTHỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆNCHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN 36

3.1 TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở ĐÀ NẴNG 36

3.2 VỊ TRÍ XÂY DỰNG TRẠM SẠC XE ĐIỆN 39

3.3.XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN TẠI CÔNG VIÊN BIỂN ĐÔNG 40

3.3.1 Một số yêu cầu cơ bản của hệ thống 40

3.3.2 Mô hình của trạm sạc xe điện sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời 40 3.3.3 Cơ sở tính toán các thông số của trạm sạc .41

3.3.4 Chọn loại pin mặt trời và lựa chọn các thông số cụ thể của hệ thống pin năng lượng mặt trời .43

3.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA DỰ ÁN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN 45

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 48

Chương 4 - THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ TRẠM SẠC XE ĐIỆN 49

4.1 PHẦN MỀM PV*SOL PREMIUM R8 2017 49

4.1.1 Giới thiệu sơ lược về phần mềm 49

4.1.2 Các chức năng chính của phần mềm 49

4.2.KHẢO SÁT SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PIN NLMT VÀ TRẠM SẠC XE ĐIỆN 53

4.2.1 Thông số dùng để nhập dữ liệu phần mềm 53

4.2.2.Sơ đồ mô phỏng 56

4.2.3 Kết quả mô phỏng 58

4.2.4 Nhận xét 63

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

PHỤ LỤC

1.2 Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng

1.3 Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW) 8

1.4 Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới 9

2.2

Thời gian sạc tính trên quãng đường di chuyển ở Sạc cấp 1

(b) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc dòng điện sạc bé hơn 12Ayêu cầu thời gian sạc dài hơn

26

2.3

Thời gian sạc tính trên quãng đường xe điện di chuyển và côngsuất sạc tối đa của trạm sạc ở Cấp 2 Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc

27

2.4

Thời gian sạc và công suất sạc tương ứng với quãng đường di chuyển ở cấp 3 – Sạc nhanh (a) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc

28

2.5 Tóm tắt các đặc tính của các thiết bị cấp 1 120V AC và cấp 2

2.6 Tóm tắt các chi tiết kỹ thuật cho sạc ở dòng điện một chiều

3.1 Bảng số liệu về bức xạ mặt trời tại các tỉnh thành ở Việt Nam 38

3.2 Nhiệt độ không khí trung bình các tháng (ºC) tại ĐàNẵng 38

3.3 Bảng bức xạ tổng cộng trung bình trong ngày tại thành phố

3.4 Bảng bức xạ tổng cộng trung bình tháng và năm tại thành phố

3.5 Lượng điện năng tiêu thụ trung bình của trạm sạc xe điện 41

3.6 Đơn giá xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp

Số hiệu

3.7 Bảng tổng hợp chi phí xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt

4.1 Kết quả mô phỏng đối với cả năm, chế độ sạc mặc định 58

4.4 Kết quả mô phỏng đối với ngày nắng lớn, chế độ sạc mặc

4.5 Kết quả mô phỏng đối với ngày có cường độ bức xạ thấp, chế độ

1.5 Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a)và đường đặc trưng

1.6 Ghép song song hai module pin mặt trời (a)và đường đặc trưng

2.7 Khả năng tương thích của ổ cắm Compo với các đầu sạc tiêu

2.9 Chi tiết ổ các trên xe điện sử dụng tiêu chuẩn CHAdeMO 34

3.1

Bảng cường độ bức xạ bình quân trong ngày tại các tỉnh thành ở Việt Nam (Nguồn: bản đồ năng lượng bức xạ mặt trời tại Việt Nam)

37

3.3 Mô hình hóa trạm sạc xe điện sử dụng hệ thống pin năng lượng

4.5 Mô hình hóa trạm sạc xe điện hoạt động từ 7 giờ sáng đến 9 giờ

Số hiệu

4.6 Sơ đồ nguyên lý trạm sạc xe điện mô phỏng bằng phần mềm

4.10 Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời trong ngày nắng lớn 61

4.11 Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời trong ngày có cường độ

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng nhất là năng lượng điện Con người cần năng lượng điện để phục vụ cho nhu cầu đời sống sinh hoạt, sản xuất Từ những nhu cầu đơn giản như chiếu sáng sinh hoạt cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại Trong khi đó các nguồn nhiên liệu truyền thống đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Ngoài ra các dạng năng lượng này gây ra ô nhiễm môi trường xung quanh và làm tăng hiệu ứng nhà kính Năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đem lại những lợi ích vô cùng to lớn

Công nghệ ô tô điện sử dụng năng lượng điện sẽ thay thế cho các loại ô tô sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đang là xu hướng tất yếu hiện nay của con người Hiện nay, công nghệ ô tô điện đang phát triển nhanh chóng và trong tương lai gần sẽ thay thế hoàn toàn các dạng ô tô truyền thống

Với những lợi ích to lớn mà công nghệ ô tô điện mang lại cho con người, việc sử dụng ô tô điện là bước đi quan trọng để con người không còn phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch, sử dụng nguồn năng lượng sạch để tiến đến xây dựng một trong những dự án tham vọng nhất của con người trong thế kỷ 21 là loại bỏ hoàn toàn việc

sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch

Đi đôi với việc sử dụng ô tô điện, yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải xây dựng hệ thống phân phối năng lượng điện rải khắp trên những tuyến đường, khu vực mà ô tô điện hoạt động, trong đó việc xây dựng trạm sạc ô tô điện thông minh, tự động là bước

đi quan trong nhất trong việc hình thành nên hệ thống này Việc kết hợp hệ thống năng lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho trạm sạc ô tô điện là một trong những bước đi đầu tiên để tiến đến sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo trong tương lai

Vì vậy việc “Tính toán thiết kế Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm sạc xe điện” để cung cấp năng lượng sạch cho ô tô điện là lý do Tôi chọn đề tài này

2 Mục tiêu nghiên cứu

Từ những lý do trên, đề tài đặt ra mục tiêu chính là “Tính toán thiết kế Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm sạc xe điện” nhằm góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời trong các ứng dụng hàng ngày của con người

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp cho trạm sạc

xe điện

Phạm vi nghiên cứu

+ Đặc tính làm việc của hệ thống pin năng lượng mặt trời

+ Các thông số cơ bản của hệ thống pin năng lượng mặt trời

+ Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời và hoạt động của 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

-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

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶTTRỜI VÀ HỆ

THỐNG PIN NĂNGLƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 1.Nguồn năng lượng mặt trời

1.1.1.1.Bức xạ mặt trời

Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu km

và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục Do luôn luôn bức xạ năng lượng vào trong vũ trụ nên khối lượng của mặt trời sẽ giảm dần Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt trời sẽ thôi không tồn tại nữa Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, , nên thời gian để mặt trời còn tồn tại cũng vô cùng lớn Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo hướng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời là sự phân bố khối lượng rất không đồng đều Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lượng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào khoảng 1,41g/cm3

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất không hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung bình đã trình bày ở trên Trong kỹ thuật NLMT, người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant) Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời được hiểu là lượng bức xạ mặt trời (BXMT) nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển

và thẳng góc với tia tới Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị

cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2

Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng để biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo sát là G, I và H Đơn vị của G là W/m2, đơn vị của I và H là J/m2, trong đó thời gian tương ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ

và ngày Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hiểu là khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn

1.1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời

NLMT có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát triển của các yến

tố sự sống trên trái đất

Trước hết, NLMT là nguồn năng lượng khổng lồ có tính tái sinh NLMT được sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên mặt trời Công suất bức xạ của mặt

trời là 3,865.1026W, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016J/s hay tương ứng với năng lượng đốt cháy hết 6.106 tấn than đá

Ngoài khí quyển trái đất (hay còn gọi là ngoài vũ trụ) mật độ NLMT là 1.353W/m2 Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển trái đất (chiều dày khoảng 16km) nên bị mất mát khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán

xạ bởi các phân tử khí, hơi nước của lớp khí quyển Vì vật trên bề mặt trái đất, mật

độ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1.000W/m2 Mặc dù ở các vĩ độ khác nhau thì NLMT khác nhau, nhưng nhìn chung NLMT phân bố khắp trên bề mặt trái đất Ở đâu cũng có thể khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng này

Bản chất của BXMT là sóng điện từ có phổ bước sóng trải từ 10-10m đến

1014m, trong đó mắt người có thể nhận biết được giải sóng có bước sóng từ 0,4 đến 0,7m và được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến) Vùng bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn 0,4m được gọi là vùng sóng tử ngoại Còn vùng có bước sóng lớn hơn 0,7m được gọi là vùng hồng ngoại Do bản chất của sóng điện từ nên NLMT là nguồn năng lượng không có phát thải, không gây ô nhiễm môi trường hay được gọi là nguồn năng lượng sạch

Các thành phần của BXMT trên mặt đất:

Ngoài lớp khí quyển trái đất bức xạ mặt trời chỉ có một thành phần Đó là các tia mặt trời đi thẳng phát ra từ mặt trời Nhưng khi tới mặt đất, do các hiện tượng tán xạ trong lớp khí quyển quả đất, bức xạ mặt trời bị biến đổi và gồm 3 thành phần:

- Thành phần trực xạ gồm các tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất Nhờ các tia trực xạ này mà ta có thể nhìn thấy mặt trời;

- Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phương trên bầu trời do hiện tường tán xạ của tia mặt trời trên các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,… Nhờ các tia tán xạ này mà chúng ta vẫn có ánh sáng ngay cả những ngày mây mù, không thể nhìn thấy mặt trời, ở trong nhà, dưới bóng cây,…;

Tổng hai thành phần trên được gọi là tổng xạ của bức xạ mặt trời ở mặt đất Các Trạm Khí tượng thường đo các thành phần này nhiều lần trong một ngày và liên tục trong nhiều năm để có số liệu đánh giá tiềm năng NLMT

Tỷ lệ của các thành phần trực xạ và tán xạ trong tổng xạ phụ thuộc vào điều kiện

tự nhiên và trạng thái thời tiết của địa điểm và thời điểm quan sát hay đo đạc Ví dụ ở nước ta, trong các tháng mùa Hè, từ tháng 5 đến tháng 8, thì thành phần trực xạ chiếm

ưu thế (trên 50%), còn trong mùa Đông, từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau thành phần tán xạ lại chiếm ưu thế

Thành phần phản xạ từ mặt nền ở nơi quan sát hay nơi đặt bộ thu NLMT, nó phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền và tổng xạ tới Thành phần này chỉ được phân

biệt khi thiết kế, tính toán các bộ thu NLMT Trong trường hợp chung nó là một phần rất nhỏ trong thành phần bức xạ tán xạ

1.1.2 Tổng quan các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời

1.1.2.1 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời

NLMT trung bình trên bề mặt quả đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay

từ 3,5 đến 7,0kWh/m2 ngày

NLMT từ lâu đã được con người khai thác sử dụng bằng các phương pháp tự nhiên, trực tiếp và đơn giản như phơi sấy (quần áo, vật dụng; nông, lâm, hải sản; sưởi ấm…) Tuy nhiên cách sử dụng NLMT theo các phương cách tự nhiên nói trên có hiệu quả thấp và hoàn toàn thụ động

NLMT có thể sử dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi thành điện Điện từ mặt trời

là dạng điện năng được tạo ra khi biến đổi NLMT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect, viết tắt PV) một cách trực tiếp, hoặc nhờ các hệ thống nhiệt điện thông qua hiệu ứng hội tụ tia mặt trời (concentrated solar power, CSP) một cách gián tiếp Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội tụ và hệ thống

“dõi theo mặt trời” (solar tracking systems) để hội tụ một diện tích lớn các tia mặt trời vào một diện tích nhỏ hơn (gọi là điểm hay đường hội tụ) Nguồn nhiệt hội tụ này sau

đó được sử dụng để phát điện Các hệ thống này gọi là hệ nhiệt điện mặt trời Còn các

hệ thống PV biến đổi ánh sáng thành điện năng khi dùng hiệu ứng quang điện được gọi là hệ thống điện PV

Ứng dụng quan trọng đầu tiên của pin mặt trời là nguồn dự phòng (back-up) cho

về tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho phép truyền tín hiệu về quả đất hơn một năm sau khi nguồn ắc qui điện hóa đã bị kiệt Sự hoạt động thành công này của pin mặt trời trên vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều về tinh khác của Liên Xô và

Mỹ Vào cuối những năm 1960, PV đã trở thành nguồn năng lượng được được sử dụng riêng cho về tinh PV đã có một vai trò rất quan trọng công nghệ vệ tinh thương mại và nó vẫn giữ vị trí đó đối với hạ tầng viễn thong ngày nay

Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ nên hiện nay con người đã biết khai thác NLMT một cách hiệu quả và chủ động hơn nhờ các công nghệ hiện đại

Nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại đầu tiên được xây dựng trong những năm 1980 Nhà máy có công suất lớn nhất là 354MW xây dựng tại Sa mạc Mojave ở California (Mỹ) Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (150MW) và Andasol (100MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha [4]

Những phát triển giai đoạn đầu của công nghệ năng lượng mặt trời (CN NLMT) bắt đầu trong những năm thập niên 1980 đã được kích thích bởi sự kiện rằng than sẽ không lâu nữa sẽ bị cạn kiệt Tuy nhiên sự phát triển của CN NLMT sau đó bị chậm lại vào thời gian đầu của thế kỷ 20 do phải đối mặt với các vấn đề về giá, tính kinh tế

và tính tiện dụng của than và dầu Năm 1974 người ta đã ước tính rằng chỉ có 6 hộ ở tất cả khu vực Bắc Mỹ sử dụng hoàn toàn năng lượng cho sưởi ấm và làm lạnh nhờ

các hệ thống thiết bị NLMT Sự cấm vận dầu năm 1973 và sự khủng hoảng năng lượng năm 1979 đã làm thay đổi chính sách năng lượng trên phạm vi thế giới và CN NLMT lại được quan tâm thúc đẩy phát triển Chiến lược triển khai tập trung vào các chương trình tăng tốc như Chương trình sử dụng PV Liên Bang ở Mỹ, Chương trình NLMT ở Nhật Các cố gắng khác gồm có sự xây dựng các cơ sở nghiên cứu ở Mỹ (SERI, nay là NREL), Nhật (NEDO), và Đức (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE)

Giữa các năm 1970 và 1983 các lắp đặt PV tăng rất nhanh, nhưng đầu những năm 1980 do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV từ 1984 đến 1996

Từ 1997, sự phát triển của PV lại được gia tốc do các vấn đề khó khăn về cung cấp dầu và khí, do sự nóng lên của quả đất, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV, dẫn đến tính tính tế của PV trở nên tốt hơn Sản xuất PV tăng trung bình 40%/năm từ năm

2000 và công suất lắp đặt đã đạt đến 10,6GW vào cuối năm 2007 và 14,73GW vào năm 2008 Năm 2010 các nhà máy điện PV lớn nhất trên thế giới là Sania Power plant

ở Canada

1.1.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới

Tới nay, rất nhiều quốc gia đã nghiên cứu và đang ứng dụng thành công nguồn NLMT trong nhiều lĩnh vực của đời sống Tại Hoa Kì, các hoạt động quảng bá NLMT diễn ra rất sôi nổi Hàng năm, các tiểu bang ở miền đông đều mở hội nghị về năng lượng xanh với mục đích giới thiệu công nghệ mới về các thiết bị áp dụng NLMT cho các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh nhỏ

Ở Pháp, từ những năm của thập niên 60 thế kỉ trước, họ đã rất chú trọng tới việc giải quyết thiếu hụt năng lượng cho quốc gia phát triển Họ đã thành công trong việc thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến NLMT thành điện năng cung ứng cho các làng xã

có quy mô 1.000 hộ Nhờ đó, một số quốc gia vùng Trung Mỹ đã thừa hưởng thành tựu này vì dễ lắp ráp và chi phí tương đối rẻ

Đan Mạch được cho là quốc gia sử dụng năng lượng hiệu quả nhất thế giới Ở Đan Mạch, ước tính có tới 30% các hộ sử dụng tấm thu NLMT Đan Mạch là nước đầu tiên triển khai cơ chế buộc các nhà máy điện lớn phải mua điện xanh từ các địa phương với giá cao (Feed - in tariff - FIT) Với cơ chế này, các địa phương hào hứng sản xuất điện xanh Mô hình đã được 30 nước áp dụng như: Đức, Tây Ba Nha, Nhật Bản… Đức trở thành nước dẫn đầu thị trường PV thế giới (chiến 45%) kể từ khi điều chỉnh lại hệ thống giá điện (Feed-in tariff) như là một phần của Chương trình “Hành động nguồn năng lượng tái tạo” (Renewable Energy Sources Act) Công suất lắp đặt

PV đã tăng từ 100MW năm 2000 lên gần 4150MW vào cuối năm 2007 (bảng 1.5) Sau năm 2007, Tây Ban Nha trở thành nước có sự phát triển sôi động nhất Các nước Pháp, Italy, Hàn Quốc và Mỹ cũng đã tăng công suất lắp đặt lên rất nhanh trong các năm mới đây nhờ các chương trình kích thích và các điều kiện thị trường địa phương Các

nghiên cứu mới đây đã cho thấy rằng, thị trường PV thế giới được dự báo vượt quá 16GW vào năm 2010

Bảng 1.1 Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn

(công suất trên 1MW p )

Bảng 1.2.Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng

lượng mặt trời đã lắp đặt tại một số nước

Nước Diện tích collector (10 6 m 2 ) Công suất đã lắp đặt,

Bảng 1.3 Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW)

cực đại (MW) Ghi chú

Từ bảng 1.3 có thể thấy, các nước thi đua khai thác nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời Về mức độ khai thác và sử dụng NLMT, Việt Nam chỉ đang xếp hạng xấp xỉ với Lào hoặc ở mức gần bằng với Campuchia

Các nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại (CSP) đã được xây dựng lần đầu tiên vào những năm 1980 Tháp NLMT PS10, 11MW ở Tây Ban Nha, đã hoàn thành vào cuối năm 2005, là hệ CSP thương mại đầu tiên ở Châu Âu và một nhà máy khác công suất 300MW được chờ đợi sẽ xây dựng vào năm 2013 cùng tại vị trí đó Ngoài ra nhà máy Ivanpah Solar Power ở Đông Nam California gần biên giới Nevada được chờ đợi có công suất 392MW

Công suất lắp đặt pin mặt trời trên toàn thế giới đến năm 2007 là 10.300MWp Đức hiện đang dẫn đầu với 3.862MWp Trong đó, WP (watt-peak) là công suất điện

một chiều của pin mặt trời được đo đạc trong các điều kiện tiêu chuẩn (với cường độ sáng: 1000 W/m2, nhiệt độ môi trường: 250C, quang phổ của nguồn sáng thử nghiệm phải tương tự như quang phổ của BXMT tương ứng với hệ số khối lượng không khí là 1,5) (bảng 1.4)

Bảng 1.4 Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới

STT Công suất (MW p ) Thành phố Quốc gia

Tây Ban Nha

Từ giữa các năm 1990 các nước dẫn đầu trong lĩnh vực PV đã dịch từ Mỹ sang Nhật Bản và Châu Âu Trong các năm 1992 - 1994 Nhật Bản đã tăng nguồn cung cấp kinh phí cho các hoạt động R&D, đã xây dựng hướng dẫn về ĐMT nối lưới và đã đưa vào một chương trình bù giá cho ĐMT, và do đó đã thúc đẩy sự lắp đặt các hệ thống

PV cho khu dân cư Kết quả là, sản xuất trên thế giới đã tăng 30% trong các năm cuối của thập kỷ 1990

Các hệ PV cho dân sự (domestic) thường được tính công suất theo đơn vị kilowatt-peak, kWp (thông thường nằm trong dải từ 1 đến 10kWp).Mặc dù tiềm năng

NLMT rất lớn Tuy nhiên, đến năm 2008 nó mới chỉ cung cấp được dưới 0,02% tổng nhu cầu năng lượng của nhân loại

Một vấn đề quan trọng với ĐMT là chi phí lắp đặt còn cao, mặc dù chi phi đó đã giảm nhiều so với các thập niên trước đây Đặc biệt các nước đang phát triển có thể không có đủ quĩ tài chính để xây dựng các nhà máy PV, mặc dù các ứng dụng qui mô nhỏ hiện nay đã có thể thay thế các nguồn khác trong các nước đang phát triển

1.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI

1.2.1 Cấu tạo của pin mặt trời

Cấu tạo bằng Silic

Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2 Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững)

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P

và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này

Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn

N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có electron hay lỗ trống tự do

Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết,các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện

Cấu tạo pin MặtTrời

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình czoschralski, đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% và thường rất đắt tiền Do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Đa tinh thể từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Chúng có thể tạo thành các vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

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 Từ tinh thể silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn

có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào silic là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể silic khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạchcủa nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 – 30 mA/cm2

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 Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl được xem là người tạo ra pin mặt trời đầu tiên 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Hình 1.1 Các vùng năng lượng

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 < E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng

lượng hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

Hv= E2–E1(1.1)

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 3.5) Vùng năng lượng thấp bị các năng lượng điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có chức năng lượng Ev Vùng năng lượng ở trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng Ec Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có cấp độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không

có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Hình 1.2 Hệ 2 mức năng lượng

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ởvùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể như hạt mang điện dương, ký hiệu là h+

Lỗ trống này có thể duy chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể miêu tả bằng phương trình:

Ev + hv -> e-+h+(1.2)

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng lượng để giải phóng đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ duy chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - 10-1 giây và gây ra dao động mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi

sẽ là:

Eph = hv–Eg (1.4) Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn và tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một hiệu điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

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

Khi một nhóm photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sẽ xảy ra

Năng lượng photon truyền xuyên qua mảnh silic Điều này thường xuyên xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic.Điều này thường xuyên xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mạng tinh thể ( thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng) Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các lectron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron gọi là lỗ trống.Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của các nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điều vào chỗ trống và điều này tạo điều kiện cho nguyên tử bên cạnh hình thành nên lỗ trống Cứ tiếp tục như vậy electron và lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn và tạo ra dòng điện

Với mạng tinh thể silic, giá trị E g = E g - E V tương đối thấp (vào 1,1eV), tương đương với năng lượng của tia hồng ngoại (1,7eV).Do đó, silic có thể hấp thu phần lớn ánh sáng mặt trời (từ tia hồng ngoại đến tia tử ngoại).Tuy nhiên, do những photon có năng lượng lớn sẽ bị thất thoát phần dư thừa ở dạng nhiệt nên phần năng lượng hấp thụ được chuyển đổi thành nhiệt năng lớn hơn năng lượng điện (ngoài ra còn phải kể đến sự thất thoát gây ra bởi cấu trúc vật liệu, phản xạ bề mặt và sự tinh khiết của silicon…) Hiệu suất lý thuyết tối đa của pin mặt trời silicon dơn tinh thể là 31% (với loại pin một lớp silicon)

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

Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương một diode.Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở tiếp xúc có tính giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng rò qua nó Đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở Rsh

Dòng điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các lớp tiếp xúc,…Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở Rsh nối tiếp trong mạch (có thể coi là nội điện trở của pin mặt trời, phụ thuộc vào độ sâu của lớp bán dẫn , sự tinh khiết và điện trở tiếp xúc)

Như vậy, một pin mặt Trời được chiếu sáng có sơ đồ tương đương như hình 1.5 :

Hình 1.3 Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của pin mặttrời

I = Iα− I0− Ish = Iα− Is [(expq(V+IRs )

nkT − 1) −(V+IRs )

Rsh ] (1.1) Trong đó:

Iα : dòng quang điện (A/m2)

Id : dòng qua diot (A/m2)

Ish : dòng dò (A/m2)

Is : dòng bão hòa (A/m2)

n : được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ pin mặt Trời Gần đúng có thể lấy n = 1

Rs : điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt Trời (Ω/m2); Rsh : điện trở shun (Ω/m2);

q : điện tích của điện tử (C);

Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức (1.1) Đường đặc trưng sáng V-A của pin mặt trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong trong (hình 1.5) Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng này: Dòng ngắn mạchIsc

Điện áp hở mạchVoc

Điểm công suất cực đạiPM

1.2.3.2 Điểm làm việc cực đại

Xét một đường đặc tính V-A của pin mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực của pin mặt trời được nối với tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đăc tính V-A của pin mặt Trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin mặt Trời Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt Trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có độ nghiêng α đối với trục OV và tgα = 1/R (trên

hình 1.9), (theo định luật Ohm ta có I = V/R) Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trởR

Trong tọa độ OIV, công suất pin mặt Trời cấp cho tải R bằng diện tích hình chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc Với các giá trị R khác nhau, các điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó tải tiêu thụ cũng khác nhau Tồn tại một giá trị R=ROPT mà tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại Điểm làm việc ứng với công suất cực đại, điểm A trên hình 1.9, là điểm tiếp xúc giữa đường đặc tính VA của pin mặt Trời và đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const là các đường hypecbol)

Giá trị điện trở tải tối ưu ROPTđược xác định theo định luậtOhm:

Hình 1.4 Điểm làm việc và điểm công suất cực đại

(1.2) Điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:

- Nếu điện trở tải nhỏ, R << ROPT, pin mặt trời làm việc trong miền MN là miền mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đoản mạchISC

- Nếu điện trở tải R lớn, R >> ROPT, pin mặt Trời làm việc trong miền PS với hiệu điện thế gần như không đổi và bằng thế hở mạchVOC

Ta thấy rằng pin mặt Trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân cận ROPT Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì điểm làm

việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra bức xạ mặt Trời và nhiệt độ của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc tính V-A của pin mặt Trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc tối ưu

Công suất đỉnh là công suất ra cực đại của pin mặt trời dưới điều kiện cường độ bức xạ và nhiệt độ nhất định Thường được tính dưới điều kiện thử nghiệm chuẩn (STC : Standard Test Condition) là cường độ bức xạ 1000W/m2và nhiệt độ 250C Công suất đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak), để chỉ ra giá công suất đỉnh ở điều kiện phòng thí nghiệm, giá trị này rất khó đạt được dưới điều kiện hoạt động thực tế

1.2.4 Dàn pin mặt trời

Dàn pin mặt trời (array PV), được ghép nối từ các tấm pin mặt trời (module PV),

là thành phần quan trọng nhất của hệ thống pin năng lượng mặt trời.Chúng có nhiệm

vụ biến đổi năng lượng hấp thụ từ mặt trời thành điện năng cung cấp cho phụ tải Tùy theo công suất cần thiết mà kỹ sư thiết kế ghép nối các tấm pin theo các dãy song song hoặc nối tiếp khác nhau

Có hai cách ghép cơ bản:

- Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện

a Phương pháp ghép nối tiếp các tấm module mặt trời

1 i

IVI

.VP

n

1 i opti opt

iopt

I

(1.6)Trong đó:

I, P, V : là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

Ii, Vi, Pi : là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của module thứ i trong hệ

Iopi, Vopi, Popi : là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các module thứ i trong hệ

Iop, Vop, Pop : là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ

Khi tải có giá trị 0 < R < Các module làm việc như các máy phát tương

đương Đường đặc tính vôn - ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng của mỗi module

b Ghép song song các module mặt trời

Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc thế hở mạch Voc bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau

(a) (b)

Hình 1.6.Ghép song song hai module pin mặt trời (a)và đường đặc trưng VA của các

module và của cả hệ (b)

1 i

VII

.VP

n

1 i opti opt

n

1 i opti opt

iopt

V

(1.10)Đường đặc tính VA của hệ cũng được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng điện I ứng với các giá trị điện thế V không đổi.Trong trường hợp này, các pin cũng làm việc như các máy phát

Trên thị trường hiện nay, các tấm pin năng lượng mặt trời được thiết kế với công suất dao động từ 25Wp đến 230Wp.Tùy theo chủng loại, số lượng cells trên mỗi tấm pin thường là 18, 36, 72 hoặc nhiều hơn Hiệu suất tiêu chuẩn của các tấm pin năng lượng mặt trời thương mại vào khoảng 15-18%

Hình 1.7 Dàn pin năng lượng mặt trời

Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời có thể hứng được ánh sáng mặt trời tốt nhất nên cần thiết kế các tính năng và chất liệu đặt biệt, có thể chịu được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu và nhiệt độ…Ngoài ra chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt để giúp pin tỏa nhiệt tốt, nâng cao hiệu suất chuyển đổi pin

1.3 ẮC QUY (HỆ THỐNG DỰ TRỮ ĐIỆN NĂNG)

1.3.1 Cấu tạo của ắc quy

Gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung dịch axít sulfuric Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực Các hóa chất này khi được nạp đầy là điôxít chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm

Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc-quy Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn

Chất lỏng dùng trong bình ắc quy này là dung dịch axít sunfuaric Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỉ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, và tình trạng phóng nạp của bình

Dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng ampe giờ (AH) AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng này thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỉ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng

Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo Điện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỉ trọng chất điện phân Việc phóng được kết thúc khi tỉ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỉ trọng ban đầu (Nhưng cũng không được để Điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75 vôn.)

Nạp với dòng điện không đổi

Nạp với dòng điện giảm dần

Nạp với Điện thế không đổi

Nạp thay đổi với Điện thế không đổi

1.3.3 Các chế độ vận hành ắc quy

1.3.3.1.Chế độ phụ nạp thường xuyên

Đối với các loại bình ắc-quy tĩnh, việc vận hành ắc-quy được tiến hành theo chế

độ phụ nạp thường xuyên ắc-quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ắc-quy tăng lên, và chi phí bảo dưỡng cũng được giảm xuống

Để bảo đảm chất lượng ắc-quy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần Trong quá trình vận hành ắc-quy ở chế độ phụ nạp thường xuyên, ắc-quy không cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ắc-quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất

Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy trì Điện thế trên mỗi bình ắc-quy là 2,2 +/- 0,05 vôn đối với ắc-quy chì-axit và 1,5 +/- 0,05 vôn đối với ắc-quy sắt-kền để bù trừ sự tự phóng và duy trì ắc-quy ở trạng thái luôn được nạp đầy

Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì bằng 50 100 mA cho mỗi 100

AH dung lượng đối với ắc-quy chì-axit và bằng 40 60 mA cho mỗi 100 AH dung lượng đối với ắc-quy sắt-kền Ở chế độ phụ nạp này, Điện thế trên ắc-quy phải được duy trì tự động trong khoảng +/- 2 %

Việc phóng thử dung lượng thực tế của ắc-quy được tiến hành 1 2 năm 1 lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng ắc-quy kém Dòng điện phóng được giới hạn ở chế

độ mức 3 đến 10 giờ Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của ắc-quy, nên tiến hành ở cùng 1 chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng

Dung lượng quy đổi được tính theo công thức: C20 = Ct / 1 + ( 0,008 ( t - 20 ) ) Với C20 : dung lượng ở 200C, Ct : dung lượng ở t0C

1.3.3.2 Chế độ phóng nạp xen kẽ

Ắc-quy làm việc ở chế độ nạp phóng là ắc-quy thường xuyên phóng vào 1 phụ tải nào đó sau khi đã ngưng nạp Sau khi đã phóng đến 1 giá trị nào đó thì phải nạp trở lại Trường hợp sử dụng ắc-quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi, = 0,1 x C(10) Việc xác định tiến trình nạp được kết thúc dựa theo các điều ghi ở chương 3 Việc nạp lại nhằm loại trừ việc Sun - phát hóa ở các bản cực Việc nạp lại tến hành 3 tháng một lần, hoặc khi ắc-quy bị phóng với một dòng phóng lớn hơn dòng phóng cho phép

1.4 HỆ THỐNG ĐIỀU PHỐI ĐIỆN MẶT TRỜI

Hệ thống điều phối điện năng trong hệ thống điện pin mặt trời gồm hai bộ phận

cơ bản là bộ điều khiển sạc và bộ biến đổi điện DC/AC Tùy theo thiết kế của nhà sản xuất mà hai bộ phần này tách rời , độc lập với nhau hoặc được tích hợp chung trên một thiết bị

1.4.1 Bộ điều khiển sạc

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài

Bộ điều khiển sạc còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải Ngoài ra nó còn giúp thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5v)

Nguyên tắc làm việc cơ bản của bộ điều khiển sạc như sau:

Điều khiển nạp: khi ắc quy đã nạp đầy, điện áp trên hai cực ắc quy vượt quá giá trị Vmax (ngưỡng cắt trên – điện áp ắc quy khi dung lượng đạt 100%), bộ điều khiển

sẽ ngắt mạch nạp, sau đó khi ắc quy phóng điện, điện áp ắc quy giảm xuống dưới ngưỡng điện áp đóng Vđt thì bộ điều khiển sẽ tự động đóng mạch nạp trở lại.Giá trị Vmax phụ thuộc vào đặc tính của từng loại ắc quy.Thông thường chọn Vmax =(1,15 – 1,2) điện áp định mức của ắc quy

Điều khiển phóng: khi ắc quy phóng điện đến giá trị độ sâu phóng điện thích hợp (thường dung lượng phóng đạt đến 70-80% dung lượng định mức), điện áp trên hai cực của ắc quy giảm xuống giá trị Vmin s (ngưỡng cắt dưới) thì bộ điều khiển sẽ tự động ngắt mạch tải.Sau đó, khi ắc quy đã được nạp, điện áp ắc quy tăng lên trên ngưỡng điện áp đóng Vđd thì bộ điều khiển đóng mạch tải lại.Thông thường chọn Vmin =(0,85 – 0,9) lần điện áp của ắc quy

Bộ điều khiển thường tích hợp thêm các đồng hồ giám sát tình trạng nạp điện của panel mặt trời vào ắc quy giúp người sử dụng kiểm soát được các phụ tải.Ngoài ra, các

bộ điều khiển sạc hiện đại còn có chức năng lập trình, tự động chọn chế độ nạp thích hợp với tình trạng của ắc quy

1.4.2 Bộ nghịch lưu

DC-AC Inverter là thiết bị nghịch lưu, chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc quy (hoặc tấm pin) thành dòng điện xoay chiều cho tải Tùy theo nhu cầu mà Inverter được thiết kế với các cấp công suất khác nhau

Có nhiều loại Inverter, thường được phân biệt qua dạng sáng điện áp đầu ra: dạng sóng hình sin chuẩn (true line), giả Since, sóng vuông, sóng bậc thang.Các bộ Inverter giả sine, sóng vuông, hoặc bậc thang chỉ dùng cho các tải không có tính cảm (đèn chiếu sáng, tivi, radio) Với các tải là động cơ điện, quạt điện…tức là những thiết

bị có cuộn cảm thì phải dùng các bộ biến đổi có sóng ra dạng sin chuẩn Các bộ Inverter dùng trong các hệ thống pin mặt trời lớn thường là dạng sin chuẩn (có thể sử dụng cho nhiều loại tải khác nhau)

Ngoài ra bộ điều khiển sạc và Inverter, trong một số hệ thống điều phối năng lượng mặt trời còn tích hợp thêm bộ giám sát công suất cực đại (MPP – Max Power Point) nhằm khai thác tối đa công suất phát của dàn pin và bộ biến đổi DC-DC dùng

ổn định điện áp đầu ra của pin trước khi qua bộ Inverter cung cấp điện cho tải

1.5 CÁC MÔ HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

1.5.1 Vận hành độc lập với lưới (Off Grid)

Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập chỉ dựa vào năng lượng mặt trời để phát

ra điện năng.Tùy nhu cầu và mục đích sử dụng mà có thể có hoặc không có ắc quy để

dự trữ năng lượng Qui mô và thiết kế của hệ thống này phù hợp cho các tải điện một chiều hoặc xoay chiều công suất nhỏ hoặc ứng dụng cho các vùng không có điện lưới Dạng đơn giản nhất của hệ thống quang điện độc lập là hệ thống liên kết tải trực tiếp, tức là dòng điện một chiều phát ra từ module quang điện sẽ được dẫn trực tiếp

vào mà không thông qua hệ thống trung gian (như bình ắc quy) Đương nhiên là hệ thống này chỉ có tác dụng ban ngày (vào những giờ nắng), cung cấp điện cho các tải nhỏ như hệ thống quạt thông khí, hệ thống bơm nước…Phần thiết kế quan trọng nhất cho hệ thống trực tiếp là tính toán điện trở tải sao cho phù hợp với công suất tối đa của hệ thống pin mặt trời Đối với một số loại tải như máy bơm nước, người ta gắn một dạng biến thiên điện DC-AC điện từ, gọi là hệ thống theo dõi công suất tối đa giữa nguồn và tải có thể tận dụng tốt hơn công suất tối đa của nguồn

1.5.2 Vận hành kiểu lai (Hybrid)

Hệ thống cục bộ có thể kết hợp với các nguồn khác (điện gió, máy phát điện diesel…) như nguồn phát thứ cấp, khi đó ta có hệ thống pin mặt trời liên kết hay hệ thống kiểu lai (hybrid system)…Về mặt vận hành, hệ thống liên kết tương tự hệ thống độc lập, tuy nhiên khi không có ánh sáng mặt trời thì nguồn điện của hệ vẫn được duy trì nhờ các nguồn thứ cấp

Hệ thống liên kết này đặc biệt thích hợp cho các vùng có tiềm năng cả về năng lượng gió và năng lượng mặt trời Ban ngày, hệ thống pin mặt trời sẽ làm nhiệm vụ cung cấp điện chính, còn ban đêm thì hệ thống điện gió sẽ làm nhiệm vụ cung cấp điện chính cho tải

1.5.3 Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie)

Hệ thống pin năng lượng mặt trời vận hành kết nối với lưới điện có vai trò như một phần của mạng điện khu vực Có hai dạng hệ thống pin mặt trời nối lưới : trực tiếp

và trữ ắc quy.Module pin mặt trời và bộ chuyển DC/AC là hai thành phần thiết yếu trong cả hai dạng hệ thống nối lưới Module pin măt trời có vai trò chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều, và bộ chuyển DC/AC chuyển dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều

Hệ thống điện pin mặt trời nối lưới trực tiếp tương đối đơn giản hơn và hiệu quả hơn trong vài trường hợp Hệ thống này chuyển đổi tức thời dòng điện một chiều thành xoay chiều và kết nối vào lưới điện Taijd đây, hệ thống pin mặt trời chia tải với

hệ thống điện lưới và quay ngược đồng hồ điện bất cứ khi nào thặng dư điện Đây là dạng thiết kế có giá thành thấp.Tuy nhiên, do hệ thống này không có biện pháp dự phòng nên khi nguồn điện trung tâm bị cắt, thì xảy ra hiện tượng cúp điện đầu tải

Hệ thống sử dụng bình ắc quy để trữ điện thi khắc phục được trường hợp mất điện khi nguồn điện lưới bị cắt Hệ thống bao gồm một bộ ắc quy và các thiết bị điều khiển điện tử phức tạp hơn Một khi nguồn điện lưới bị cắt, điện dự trữ từ ắc quy sẽ được sử dụng thay thế cho đến khi cạn nguồn dự trữ.Nếu nguồn điện bị cắt vào ban ngày, hệ thống pin mặt trời sẽ liên tục nạp điện vào hệ thống ắc quy, từ đó kéo dài khả năng dự trữ điện cho buổi tối

1.6 KẾT LUẬN

Năng lượng mặt trời truyền đến trái đất dưới dạng bức xạ Trong những ngày quang đãng (không có mấy), phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất ở thời điểm cao nhất khoảng 1000W/m2

Một hệ thống điện pin mặt trời cơ bản gồm có ba thành phần là:

- 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

Chương 2- NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦATRẠM SẠC XE ĐIỆN

2.1.1 Xe điện lai (HEV - Hybrid Electric Vehicles )

Xe điện lai là loại xe điện sử dụng hai động cơ: động cơ đốt trong và động cơ điện Pin dự trữ của chúng nói chung có dung lượng thấp, làm giới hạn đáng kể phạm

vi và tốc độ tối đa của chúng trong chế độ chạy bằng động cơ điện Chúng cũng không thể tái nạpnăng lượng điện được từ lưới điện Ví dụ: xe Toyota Prius và Honda CR-Z

2.1.2 Xe điện hỗn hợp (PHEV - Plug-in Hybrids Electric Vehicles)

PHEVs là dòng xe điện lai ghép có thể được kết nối vào lưới điện để sạc pin Nói chung, chúng có một loại pin dung lượng trung bình cho phép chiếc xe, ở chế độ vận hành hoàn toàn bằng điện, có thể chạy được quãng đường hàng chục cây số, có gia tốc

và tốc độ tối đa tương đương với các loại xe chạy bằng xăng hiện nay trên thị trường

Ví dụ: các xe Chevrolet Volt (thường được phân loại là EREV), Ford C-Max và Fusion Energi, Cadillac ELR và Toyota Prius PHEV

2.1.3 Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin (BEV - Battery Electric Vehicles)

BEV hoạt động ở một chế độ duy nhất bằng điện được lưu trữ năng lượng trong một hệ thống pin dung lượng cao, có thể được tái nạp lại từ lưới điện Tùy thuộc vào dung lượng pin, chúng có tầm hoạt động từ 100 đến 400 km Thời gian sạc pin phụ thuộc vào dung lượng pin và khả năng của trạm sạc nhanh mà xe điện sử dụng Nó cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh và lượng pin còn lại khi bắt đầu sạc Ví dụ: các dòng xe Nissan LEAF, Mitsubishi i-MiEV, Tesla Mẫu S và Kia Soul EV

2.1.4 Xe điện có tầm xa hoạt động xa (EREV - Ex tended Range Electric Vehicles)

EREVs là xe điện chạy bằng pin và được trang bị máy phát điện nội bộ, tạo ra năng lượng đủ để xe có thể di chuyển đến trạm sạc gần nhất khi pin đã cạn.Ví dụ: dòng xe BMW i3

Hình 2.1 Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin và xe điện hỗn hợp

2.2 CÁC CHẾ ĐỘ SẠC

Tiêu chuẩn SAE J1772 hiện tại định nghĩa có sáu mức sạc cho xe điện Tuy nhiên, phổ biến nhất là ba mức sạc hiện đang được sử dụng rộng rãi cho xe điện (xem Bảng 2.1) Cấp 1 hoạt động ở mức 120 VAC, trong khi Cấp 2 sử dụng 208 hoặc 240 V

AC và việc sạc nhanh đòi hỏi 200 đến 450 VDC Mặc dù mức sạc ở cấp 3 có ưu điểm nổi trội về thời gian sạc rất nhanh, nhưng nó không thật sự chính xác và ít được đề nghị sử dụng trong các trạm sạc xe điện

Tiêu chuẩn duy nhất mà hiện đang đưa ra chi tiết cho mức sạc nhanh là CHAdeMO và SAE J1772 Combo Song song với tiêu chuẩn đó, Tesla đã phát triển thành công hệ thống sạc nhanh sử dụng dòng điện điện một chiều ,"Super-charger", chỉ có thể được sử dụng bởi các xe của hãng Teslas

Bảng 2.1.Tổng quan các mức sạc trong trạm sạc xe điện

Level 1 Level 2 Sạc nhanh

J1772 Combo, CHAdeMOvà Sạc sêu nhanh

a Thời gian cần thiết để việc sạc hoàn thành, lên tới 16kWh

b Thời gian sạc cần thiết để việc sạc hoàn thành 80%, lên tới12kWh Ở mức sạc nhanh, không thể sạc đầy tải

2.2.1 Sạc ở Cấp 1 – 120V AC

Tất cả các dòng xe điện đều được trang bị bộ sạc ở Cấp 1 , có thể được cắm vào

ổ cắm điện thông thường (CSA 5-15R *) Điều này có ưu điểm là không đòi hỏi bất kỳ cài đặt nào thêm hoặc chi phí liên quan đến kết nối bộ sạc ở mức1 Bộ sạc ở mức 1 120-AC được tìm thấy ở trong tất cả các dòng xe điện hiện tại

Bảng 2.2 cho thấy thời gian sạc bằng bộ sạc Cấp 1 dựa trên quãng đường mà xe điện di chuyển Chúng được dựa trên mức tiêu thụ trung bình của các dòng xe điện phổ biến nhất ở trên thế giới vào năm 2015 Điện năng tiêu thụ kWh/ 1 Km thay đổi tùy theo điều kiện phương tiện, điều kiện đường xá và số lượng điều hòa không khí được sử dụng trong khi di chuyển.Thời gian sạc là một khải niệm của năng lượng tiêu thụ bởi xe điện kể từ lần nạp đầy cuối cùng Tuy nhiên, việc sạc điện có thể bị gián đoạn bất cứ lúc nào do người sử dụng xe điện cần sử dụng xe

Bảng 2.2 Thời gian sạc tính trên quãng đường di chuyển ở Sạc cấp 1 (b) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc dòng điện sạc bé hơn 12Ayêu cầu thời

gian sạc dài hơn

Quãng đường di chuyển (km)

Năng lượng tiêu thụ trung bình (kWh)

Công suất tối thiểu của trạm sạc (kW)

Thời gian sạc (h)

Bảng 2.3 Thời gian sạc tính trên quãng đường xe điện di chuyển và côngsuất sạc tối đa của trạm sạc ở Cấp 2 Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc

Loại hình trạm sạc Quãng đường

Cấu hình của phích sạc và ổ cắm của xe điện và giao thức truyền thông giữa trạm sạc và xe điện khác nhau giữa các tiêu chuẩn hiện hành, nhưng các nguyên tắc cơ bản

là như nhau Ví dụ, cả hai đều có cấu tạo hai chân (chân dương và âm), một chân đung

để nối đất, một chân dùng để phát hiện sự hiện diện của đầu nối trong ổ cắm và một chân để giao tiếp với trạm sạc

Trạm sạc sử dụng một thiết bị dùng để quản lý dòng điện được sạc vào xe điện,

nó cần phải biết được các thông số của pin, Giao thức truyền thông xử lý việc chia sẻ

dữ liệu về dải điện áp và năng lượng dự trữ của pin, cho phép trạm sạc xe điện cung cấp điện áp sạc và dòng điện chính xác cho pin của xe điện cần được sạc

Công suất sạc tối đa theo tiêu chuẩn CHAdeMO là 62 kW (dòng điện 125 A ở mức điện áp 500 VDC), trong khi tiêu chuẩn J1772 Combo đặt công suất cực đại là 100 kW (dòng điện 200 A ở điện áp 500 VDC) Trên thực tế, rất ít pin hỗ trợ 500 VDC, và các trạm sạc thường được trang bị cả hai đầu nối tiêu chuẩn và giới hạn công suất định mức đến 50 kW.3 Ngược lại, các trạm Supercharger Tesla được đánh giá là 120 kW, và nhà sản xuất Tesla đã tuyên bố thậm chí sẽ còn nâng cao hơn 120kV trong tương lai gần

Vì hầu hết các loại pin EV có điện áp định mức khoảng 350 V, chúng không thể tận dụng tối đa công suất của các trạm sạc nhanh Do đó,để tận dụng tối đa công suất này, việc quy định công suất định mức định mức của trạm sạc ở 40kW được đưa ra

như là một tiêu chuẩn để thiết kế Bảng 4 cho biết thời gian để sạc pin với khoảng cách

100 km tương ứng với 80% công suất sạc đầy đủ của xe điện

Bảng 2.4 Thời gian sạc và công suất sạc tương ứng với quãng đường di chuyển ở cấp

3 – Sạc nhanh (a) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc

Thời gian sạc yêu cầu (min)

Thông tin chung

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.Chỉ cần kết nối với ổ cắm điện của xe điện để sạc pin Trạm có đèn báo hiệu xe điện đã được kết nối và sạc Nó cũng có thể có một nút để bắt đầu hoặc ngừng việc sạc pin Một số

có các tính năng bổ sung: đCồng hồ đo năng lượng, hệ thống thanh toán điện tử, hệ thống truy cập thẻ kiểm soát, truy cập Internet, vv

Hình 2.2.Trạm sạc xe điện đơn và đôi

2.3.1 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 Người sử dụng không bao giờ tiếp xúc

Station

Connector

able

Base

với điện áp hoặc dòng điện nguy hiểm, vì các chân nối không được bật điện cho đến khi đầu nối được lắp đúng cách trong ổ cắm điện của xe điện và thông tin liên lạc đã được thiết lập giữa xe điện và trạm sạc Ngoài ra, đầu nối được đóng kín để bảo vệ các thành phần kết nối khỏi thời tiết bên ngoài Cuối cùng, một cơ chế khóa (chốt) ngăn ngừa tình trạng ngắt quãng kết nối từ việc vô tình kéo dây sạc

Một số trạm sạc được trang bị cơ chế tắt khẩn cấp , nhưng điều này không phải là yêu cầu bắt buộc của tiêu chuẩn quy định vì nó không thể thay thế hoàn toàn chức năng của một công tắc ngắt kết nối, mà cũng không thể khởi động lại việc sạc bị ngắt quãng trong trường hợp xảy ra sự cố Công suất đầu ra của trạm sạc quy định loại công tắc ngắt kết nối nào được lựa chọn

2.3.2 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, chẳng hạn như các tiêu chuẩn “ANSI/UL 2202 – Tiêu chuẩn của các thiết bị trong trạm sạc xe điện”và “ CSA-C22.2 No 107.1- Nguồn Cung Cấp Điện Sử Dụng cho trạm sạc xe điện" Ngoài ra, cáp điện, các đầu nối, máy dò lỗi chạm đất và toàn bộ thiết bị khác trong trạm sạc xe điện phải tuân thủ tất cả các thông tin kỹ thuật (TIL- Technical Information Letters) do CSA công bố, bao gồm:

- TIL J-39 - Dây điện phân phối trong trong trạm sạc xe điện

- TIL A-35 – Dây điện phân phối và cung cấp nguồn trong trạm sạc xe điện

- TIL A-34 - Đầu nối cấp nguồn / bộ ghép nối cấp nguồn trong trạm sạc xe điện

- TIL D-33 – Thiết bị ngăn chặn và phát hiện chạm đất (GFCI - Ground fault circuit interrupter )

- TIL I-44 - Chứng nhận thiết bị được cung cấp trong trạm sạc xe điện

Đây vẫn là các tiêu chuẩn tạm thời tại thời điểm hiện tại

2.4 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

Hiện tại, tất cả các trạm sạc xe điện thương mại đều cung cấp điện cho xe điện cần sạc bằng cách truyền thống, nghĩa là điện được truyền qua các dây dẫn Các trạm sạc xe điện được thiết kế bởi tiêu chuẩn SAE J1772.4 Các tiêu chuẩn do SAE quốc tế công bố, mặc dù được áp dụng dựa trên sự tự nguyện, nhưng thường các nhà thiết kế đều chấp nhận tiêu chuẩn hóa trạm sạc của họ theo tiêu chuẩn trên - trên thực tế, tất cả các xe điện, trừ của hãng Teslas, đều có ổ cắm sạc SAE J1772 Tiêu chuẩn này bao gồm việc sạc bằng dòng AC cũng như sạc bằng dòng DC cùng chung một thiết bị gắn trên xe

Một tiêu chuẩn nữa cho trạm sạc xe đuện là CHAdeMO, chỉ áp dụng cho trạm sạc nhanh

Trong khi có nhiều loại loại trạm sạc xe điện khác nhau , Đề tài này chỉ thảo luận

về hai tiêu chuẩn và mô tả ngắn gọn các trạm sạc nhanh của hãng Tesla ( Tesla Supercharger)