Đặt vấn đề Hiện nay, cùng với sự phát triển đất nước trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa và sự gia tăng nhanh về dân số, nhu cầu về năng lượng cũng vì vật mà gia tăng theo. Sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đã mang lại nhiều lợi ích đáng kể đáp ứng nhu cầu to lớn về năng lượng và hỗ trợ phát triển kinh tế. Trong khoảng thời gian từ 2010 đến 2020, lượng than tiêu thụ tại Việt Nam đã tăng đáng kể với mức tăng trung bình hàng năm là 12,9%. Năm 2020, sản lượng điện từ nhiệt điện than đã đạt mức cao 1 kỷ lục, chiếm 50% tổng sản lượng điện của cả nước.
Than được sử dụng nhiều trong ngành sản xuất điện và công nghiệp nặng tại Việt Nam do có sự tiếp cận dễ dàng và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, đồng thời, việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch cũng đặt ra những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến ô nhiễm môi trường và sức khỏe cộng đồng.8 0 10 20 30 40 50 60 Sản lượng (triệu tấn) Giá bình quân ( triệu đồng/tấn) Hình1. 1 Sản lượng và mức giá bình quân than nhập khẩu (2014-2022) 1 Theo bộ công thương cục điều tiết điện lực Việt Nam 1 Việc sử dụng năng lượng hóa thạch như nhiệt điện than, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên đã tạo ra lượng khí thải gây ô nhiễm không khí. Các khí thải như CO2, SO2, NOx,… bay tỏa vào khí quyển gây ra hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu và gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người.
Ô nhiễm không khí là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như các bệnh hô hấp, bệnh tim mạch, ung thư và ảnh hưởng đến trẻ em về sức khỏe và trong quá trình phát triển. Ngoài ra, việc khai thác quá mức và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch cũng gây ra sự suy thoái và cạn kiệt tài nguyên tự nhiên. Các nguồn năng lượng như than đá, khí tự nhiên, dầu mỏ và uranium đòi hỏi quá trình khai thác và chế biến phức tạp, gây ra tác động tiêu cực đến đất, nước và đa dạng sinh học. [2] Theo số liệu thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), tới 92% dân số sống trong môi trường không khí ô nhiễm.
Ô nhiễm không khí gây ra hàng triệu trường hợp tử vong sớm hàng năm do các bệnh liên quan đến đường hô hấp và các bệnh ung thư liên quan đến việc tiếp xúc với bụi mịn. Ngoài ra, còn gây ảnh hưởng đến nhiều bệnh lý khác như tiểu đường, bệnh tim mạch, bệnh phổi, bệnh gan, đột quỵ, rối loạn tiết tố ảnh hưởng xấu sức khỏe của mọi người.[3] Trước những lí do trên, năng lượng tái tạo là giải pháp giải quyết vấn đề về ô nhiễm và bụi mịn. Có các loại năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện và nhiều nguồn khác cung cấp năng lượng sạch và không giới hạn. Sự phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo sẽ giúp giảm thiểu áp lực lên hệ thống điện lực truyền thống sử dụng năng lượng hóa thạch và giúp tạo điều kiện phát triển một số ngành công nghiệp cần nhiều năng lượng.
Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời là một trong nguồn năng lượng được khai thác và phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới.2 có thể thấy điện mặt trời vào năm 2018 sản xuất khoảng 100GW và chiếm tỉ lệ cao trong sản lượng điện tái tạo qua đó thấy được sự ứng dụng rộng rãi của điện mặt trời. 2 Đồ thị sử dụng năng lượng tái tạo Mặt trời cung cấp năng lượng đến trái đất dưới dạng bức xạ nhiệt và ánh sáng mặt trời. Đây là nguồn năng lượng to lớn và vô hạn, không gây ô nhiễm môi trường cà có tính tái tạo cao. Tạo ra điện mặt trời theo nguyên lí quang điện nhờ vào các pin mặt trời hoặc các bảng điện tử mặt trời.
Cấu trúc chính của một tấm pin mặt trời bao gồm các tế bào quang điện được xếp theo một cấu trúc đã được quy định. Khi mặt trời chiếu ánh sáng hay các hạt proton vào tấm pin mặt trời, các tế bào quang điện tạo ra điện năng một cách trực tiếp và hiệu quả. Tận dụng nguồn điện năng được tạo ra từ năng lượng mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng điện này đến nhiều lĩnh vực khác nhau như điện cho các hộ gia đình, giao thông vận tải, các ngành công nghiệp, các công ty, nhà máy xí nghiệp,…. Việc sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm lượng lớn khí thải CO2 và khói bụi thải vào môi trường hằng ngày qua đó đảm bảo sức khỏe cho con người.
Điều này là cấp thiết và thiết thực trong bối cảnh hiện nay khi biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường đang đe dọa nghiêm trọng đến con người và các loài sinh vật đang sinh sống trên trái đất.[4] Một ứng dụng thiết thực trong việc chuyển đổi năng lượng hóa thạch sang sử dụng năng lượng điện để giảm ô nhiễm không khí là sử dụng động cơ điện trong giao thông vận tải. Khói bụi thải ra từ phương tiện tham gia giao thông là một trong những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến ô nhiễm không khí ở mức báo động ở các thành phố lớn. Các phương tiện này đốt cháy nguyên liệu xăng và thải ra khí hiệu ứng nhà kính vào môi trường với khoảng 30 triệu tấn CO2 chiếm 18,38%. Đây là hoạt động ô nhiễm lớn thứ 3 sau các ngành như năng lượng và nông nghiệp.
Việc sử dụng lượng lớn nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm không khí và tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Theo số liệu 3 thống kê khí thải từ giao thông đường bộ chiếm phần lớn với 86% khí phát thải theo 2 sau là đường sắt, đường thủy và đường hàng không với 14% còn lại. 3 Ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông Việc xử lý và thay đổi nguồn năng lượng cho giao thông vận tải là một vấn đề cấp bách và quan trọng nhằm bảo vệ môi trường và con người chúng ta. Để giải quyết vấn đề sử dụng năng lượng hóa thạch cần đổi từ động cơ nhiệt sang động cơ điện và xe điện là giải pháp tối ưu và ngày càng được phổ biến.
Xe điện là phương tiện với khả năng vận hành với hiệu suất cao và sạch, không gây ô nhiễm không ,đóng góp tích cực về mặt giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường và sức khỏe. Xe điện sử dụng acquy được phát minh bởi Robert Anderson, một kỹ sư Scotland vào năm 1835. Và được nhận ra tiềm năng và phát triển bởi William Morrison, một nhà hóa học người Mỹ trong việc thay thế động cơ đốt trong thành động cơ điện, tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của xe điện trong thời kỳ hiện nay. Ngày nay, công nghệ xe điện đã tiến bộ và phát triển đáng kể trong những năm gần đây.
Các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như Tesla, Nissan, BMW và General Motors đã tung ra các mẫu xe điện hiệu suất cao và có khả năng đi xa trên một lần sạc.[6] Với các lợi ích mà xe điện mang lại xe điện gần có chỗ đứng trong ngành giao thông vận tải. Số lượng xe điện sản xuất và sử dụng ngày càng nhiều trên các tuyến đường thành phố. Nhưng việc sử dụng ngày càng nhiều xe điện cũng đặt ra vấn đề về 2 Số liệu năm 2019 theo cơ quan của đảng bộ đảng cộng sản Việt Nam tỉnh Đồng Nai 4 cơ sở hạ tầng. Việc phát triển cơ sở hạ tầng đảm bảo đủ nơi để sạc xe điện là vấn đề rất quan trọng cũng là một thách thức cần phải giải quyết như áp lực lượng điện năng cần để cung cấp đủ cho số xe điện.
Điều này đặt áp lực lớn lên hệ thống điện lực quốc gia gây ra một số hệ lụy quan trọng như giảm chất lượng điện năng, quá tải vào các giờ cao điểm khi lượng lớn xe điện sạc cùng một thời điểm. Một trong những giải pháp tiềm năng là thay thế nguồn điện lưới hiện có bằng điện năng từ năng lượng mặt trời để cung cấp cho các trạm sạc xe điện hiện nay. Bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp cho các trạm sạc xe điện có thể tận dụng nguồn năng lượng sạch và tái tạo. Qua đó giảm điện năng từ lưới điện quốc gia giúp giảm khí thải cacbon được sinh ra từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra điện.
Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng mặt trời cho hệ thống sạc còn giúp đảm bảo tính ổn định và bền vững của nguồn điện, tránh tình trạng quá tải và tăng cường khả năng cung cấp điện cho xe điện.[7] Với các ưu điểm trên, nhóm chúng em đã quyết định thiết kế “trạm sạc sử dụng năng lượng mặt trời có giám sát” nhằm góp phần vào việc phát triển và sử dụng xe điện một cách bền vững, đồng thời đảm bảo an toàn và tạo ra tác động tích cực đến môi trường và cuộc sống của con người. Việc thiết kế và phát triển hệ thống trạm sạc xe điện mặt trời độc lập có giám sát dựa trên các trạm sạc hiện nay về công nghệ sạc, hệ thống giám sát và thông số của xe máy điện trên thị trường. 4 Trạm sạc xe điện bằng năng lượng mặt trời 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài đồ án với mục tiêu chính là tính toán và thiết kế hệ thống mặt trời độc lập cho xe điện. Nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng xe điện hiện nay và đồng thời tạo điều kiện 5 thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời.
Trên thị trường, đã có sẵn các trạm sạc xe điện của Vinfast, và nhóm em sẽ sử dụng nguồn tư liệu này để nghiên cứu và phát triển. Ngoài việc nghiên cứu các trụ sạc về cấu tạo, nhóm em cũng sẽ tập trung vào ứng dụng pin năng lượng mặt trời để tạo ra điện năng và thiết kế hệ thống giám sát từ xa. Hệ thống giám sát này sẽ giúp giám sát viên theo dõi hoạt động của trạm sạc và cung cấp thông tin cần thiết cho khách hàng. Phần giám sát của hệ thống sẽ theo dõi các thông số như hiệu suất sản lượng từ pin mặt trời, dung lượng hiện tại của acquy và lượng điện đã được sạc.
Đối với khách hàng, hệ thống sẽ cung cấp thông tin về tình trạng trống của các địa điểm sạc và dự báo thời gian trống, cũng như thông tin về khả năng sạc đầy của các trạm sạc.