Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án được thực hiện trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu vẫn phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu hóa thạch — nguồn tài nguyên có trữ lượng có hạn và gây phát thải CO₂ đáng kể. Theo số liệu nhóm dẫn chiếu, trữ lượng dầu mỏ thế giới chỉ đủ dùng trong 53 năm, than đá 113 năm, khí thiên nhiên 55 năm; riêng tại Việt Nam, than đá còn khoảng 4 năm, dầu mỏ 34 năm, khí thiên nhiên 63 năm. Ở lĩnh vực du lịch, năm 2016 giao thông vận tải phát thải khoảng 35,85 triệu tấn CO₂ tương đương (chiếm ~2,5% tổng phát thải), dự báo đến năm 2050 tỷ lệ này có thể tăng lên 25%; lĩnh vực nhà hàng, khách sạn tạo ra 22.774 tấn CO₂ tương đương cùng 6,3 tấn CO₂ từ rác thải. Đây là bối cảnh thực tiễn thúc đẩy nhóm lựa chọn hướng phát triển du lịch xanh gắn với năng lượng tái tạo.

Đến cuối năm 2022, tổng công suất lắp đặt hệ thống điện Việt Nam là 80 GW, trong đó điện mặt trời (ĐMT) chiếm khoảng 16.567 MW (~20,5%). Năng lượng tái tạo đóng góp ước tính 130 tỷ kWh, gần 48% tổng sản lượng phát điện cả nước, thủy điện chiếm 35%, điện gió – mặt trời – sinh khối chiếm 13%.

Lý do chọn đề tài: Nhóm nhận thấy du lịch xanh cần những thiết bị gọn nhẹ, thân thiện môi trường để phục vụ nhu cầu cơ bản (sạc điện thoại, chiếu sáng) tại những địa điểm thiên nhiên chưa có lưới điện. Từ đó quyết định thiết kế và xây dựng mô hình sạc lưu động năng lượng mặt trời.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu và phân tích các mô hình sạc lưu động năng lượng mặt trời hiện có.
  2. Tính toán và mô phỏng hệ thống thông qua phần mềm PVsyst.
  3. Thiết kế và lắp đặt mô hình thực tế.

Mục tiêu: Tính toán, mô phỏng hệ cung cấp năng lượng qua PVsyst; xây dựng và thử nghiệm mô hình; so sánh chỉ số Performance Ratio (PR) giữa thực tế và mô phỏng.

Phạm vi: Mô hình quy mô nhỏ (tấm PV 35 W, ắc quy 45 Ah, tải tổng cộng 119 Wh/ngày), thử nghiệm tại khu vực Tp. Hồ Chí Minh trong 2 ngày đo đạc (31-05 và 01-06).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm

Nhóm phân loại hệ thống điện mặt trời thành ba dạng chính: hòa lưới (On-Grid), hòa lưới có lưu trữ (Hybrid) và độc lập (Off-Grid). Mô hình được thiết kế thuộc dạng Off-Grid — không phụ thuộc lưới điện quốc gia, toàn bộ năng lượng đến từ tấm PV và bộ lưu trữ.

Các khái niệm lý thuyết được vận dụng gồm:

  • Đường đặc tuyến I-V của tấm quang điện, thể hiện mối quan hệ giữa điện áp (V) và dòng điện (I), với hai điểm đặc trưng là dòng ngắn mạch ISC và điện áp hở mạch VOC.
  • Performance Ratio (PR): tỷ số giữa sản lượng thực tế và sản lượng lý thuyết, đơn vị %; được tính theo công thức: PR = Sản lượng thực tế (kWh) / Sản lượng lý thuyết (kWh).
  • Sản lượng lý thuyết = Mật độ năng lượng bức xạ (Wh/m²) × hiệu suất tấm PV × diện tích tấm PV (m²).
  • Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng ĐMT: nhiệt độ (VOC giảm khi nhiệt độ tăng), bức xạ mặt trời (quan hệ gần tuyến tính với ISC), hiện tượng đổ bóng (hot spots, bypass diode), bụi bẩn, hướng và góc nghiêng tấm PV.

Phương pháp thực hiện

  • Tính toán thiết kế: Xác định tải tiêu thụ, tính dung lượng lưu trữ và công suất tấm PV bằng công thức kỹ thuật.
  • Mô phỏng: Sử dụng phần mềm PVsyst phiên bản 7.4 để mô phỏng hệ thống Off-Grid, thiết lập thông số góc nghiêng, tải, dung lượng lưu trữ và bộ điều khiển sạc.
  • Thiết kế 3D: Dùng phần mềm SketchUp để vẽ mô hình bố trí thiết bị trước khi lắp đặt thực tế.
  • Thực nghiệm: Vận hành mô hình thực tế trong 2 ngày (31-05 và 01-06), đo đạc mật độ bức xạ bằng cảm biến Pyranometer Kipp & Zonen SMP10, ghi nhận sản lượng lý thuyết và thực tế theo từng giờ, tính PR và so sánh với kết quả PVsyst.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu bức xạ khu vực TP. Hồ Chí Minh lấy từ Global Solar Atlas; dữ liệu đo đạc thực tế từ cảm biến Pyranometer trong 2 ngày thử nghiệm; thông số thiết bị từ nhà sản xuất (IREX ENERGY, SUOER, Shopee).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày bối cảnh năng lượng và môi trường, lý do chọn đề tài, nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu. Nhóm giới thiệu tổng quan về mô hình sạc lưu động năng lượng mặt trời, phân loại sản phẩm hiện có trên thị trường thành hai nhóm: cung cấp dòng điện một chiều (DC, công suất nhỏ, phù hợp đèn/quạt/sạc di động) và dòng xoay chiều (AC, phù hợp thiết bị gia dụng). Các thành phần cơ bản của mô hình được liệt kê gồm: tấm PV, bộ lưu trữ năng lượng, bộ điều khiển sạc (Solar Charge Controller) và biến tần (Inverter).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương cung cấp nền tảng lý luận cho toàn bộ đồ án. Ba loại hệ thống ĐMT được phân tích chi tiết kèm ưu/nhược điểm:

Tiêu chí On-Grid Hybrid Off-Grid
Chi phí đầu tư Thấp Cao Cao
Phụ thuộc lưới điện Hoàn toàn Một phần Không
Tính ổn định Thấp (mất điện là ngưng) Cao Phụ thuộc thời tiết
Giới hạn tải Không Không Có

Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng ĐMT được phân tích gồm nhiệt độ, bức xạ mặt trời, hiện tượng đổ bóng (kèm cơ chế bypass diode), bụi bẩn, hướng và góc nghiêng tấm PV. Chỉ số PR được định nghĩa và đưa ra công thức tính (công thức 1) làm cơ sở đánh giá kết quả thực nghiệm ở chương 4.

Chương 3: Tính toán thiết kế và chế tạo mô hình sạc lưu động

Đây là chương trọng tâm của đồ án, trình bày toàn bộ quy trình từ tính toán đến lắp đặt.

Tính toán tải và thiết bị:

Thiết bị Số lượng Công suất (W) Thời gian dùng Năng lượng (Wh)
Tải 1 (đèn) 1 8,4 20h–22h59 19
Tải 3 (đèn) 1 13 6h–8h59 39
Cổng USB 1 1 5 9h–12h 15
Cổng USB 2 1 5 9h–12h 15
Tổng 119 Wh/ngày
  • Bộ lưu trữ: Áp dụng công thức tính dung lượng ắc quy với độ xả sâu D = 80% (lithium), điện áp hệ thống 12 VDC → dung lượng cần ≥ 41 Ah → chọn 45 Ah.
  • Tấm PV: Công suất cần thiết ≈ 23 W → chọn 1 tấm 35 W, Model IR035PC4-36 của IREX ENERGY (loại polycrystalline, kích thước 545×490×35 mm, hiệu suất 13,19%).
  • Bộ điều khiển sạc: Chọn PWM SUOER ST-S1230 (12V/24V, 30A) vì phù hợp công suất nhỏ và giá thành thấp hơn MPPT.
  • Góc nghiêng tấm PV: Được xác định qua PVsyst là 13°, thu được bức xạ 1.815 kWh/m², tổn thất (Loss/opt) gần 0%.

Mô phỏng PVsyst 7.4: Nhóm thử nghiệm nhiều kịch bản dung lượng lưu trữ (15 Ah, 30 Ah, 45 Ah, 60 Ah). Kết quả PR mô phỏng dao động từ 62% đến 69%, hầu như không chênh lệch nhiều giữa các kịch bản. Chọn 45 Ah vì phù hợp kích thước và tối ưu chi phí. PR mô phỏng cuối cùng đạt 68%.

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương trình bày dữ liệu đo đạc thực tế trong 2 ngày thử nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng.

Ngày 31-05: Buổi sáng nhiều mây (7h–9h), bức xạ cao từ 10h–12h, đỉnh bức xạ lúc 11h đạt 780,07 Wh/m², sản lượng lý thuyết đỉnh 27 Wh. Từ 14h–16h có mưa, bức xạ giảm còn 12,67 Wh/m², sản lượng lý thuyết thấp nhất gần 0 Wh. PR thực tế cả ngày đạt 58,1%, chênh lệch ~10% so với PR mô phỏng (68%). PR theo giờ dao động 47–60,85%, cao nhất lúc 12h (60,85%), thấp nhất lúc 15h (27%).

Ngày 01-06: Điều kiện bức xạ tốt hơn, buổi sáng và chiều ít mây. Sản lượng lý thuyết và bức xạ cao nhất lúc 10h (sản lượng lý thuyết 27 Wh, bức xạ 700 Wh/m²). Sản lượng thực tế cao nhất lúc 10h đạt 20,63 Wh. PR thực tế cả ngày đạt 55,1%, chênh lệch ~12,1% so với PR mô phỏng (68%). PR theo giờ thấp nhất khoảng 16h (37,31%).

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống

Mô hình hoạt động theo sơ đồ hệ thống Off-Grid: Tấm PV → Bộ điều khiển sạc PWM → Khối pin Lithium → Tải (đèn, cổng USB). Tất cả kết nối DC, không có biến tần do tải sử dụng hoàn toàn dòng một chiều và USB 5V.

Danh sách thiết bị lắp đặt

Thiết bị Thông số chính
Tấm PV IREX IR035PC4-36, 35W, polycrystalline, 545×490×35 mm
Khối pin Lithium 32140, 12V/45Ah, 12 cell, mạch xả 100A
Mạch BMS 4S 100A, bảo vệ quá dòng/quá áp bằng IC
Bộ điều khiển sạc PWM SUOER ST-S1230, 12V/24V, 30A, USB 5V/2A
Cảm biến bức xạ Pyranometer Kipp & Zonen SMP10 (285–2800 nm, hiệu chỉnh nhiệt độ <0,3% trong −20 đến +50°C)
Mạch tăng áp DC-DC Boost Converter 250W, 10–40VDC vào, 10–50VDC ra, hiệu suất 92–96%
Tủ điện Nhựa ABS, 320×240×110 mm

Thiết kế vỏ và lắp đặt

Mô hình được thiết kế 3D bằng SketchUp trước khi lắp đặt thực tế. Vỏ ngoài là hộp nhựa ABS được đục lỗ cho đầu cắm đèn và USB. Các thiết bị bên trong gồm pin Lithium 12 cell, mạch ổn áp, thanh trunking, được cố định bằng ốc vít và keo silicon để đảm bảo gọn gàng và an toàn khi di chuyển.

Kiểm thử

Hệ thống được vận hành thực nghiệm 2 ngày (31-05, 01-06) với 3 đèn là tải chính (công suất 8,4 W, 13 W, và một đèn khác), cổng USB được thay bằng nguồn cấp cho Arduino để tự động bật/tắt đèn. Cảm biến Pyranometer đo mật độ bức xạ theo chu kỳ 20 phút, kết quả ghi nhận và so sánh với sản lượng lý thuyết tính từ bức xạ thực đo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Mô phỏng PVsyst: PR hệ thống đạt 68% với góc nghiêng tấm PV 13°, dung lượng lưu trữ 45 Ah.
  • Thực nghiệm ngày 31-05: PR thực tế 58,1%, chênh lệch ~10% so với mô phỏng.
  • Thực nghiệm ngày 01-06: PR thực tế 55,1%, chênh lệch ~12,1% so với mô phỏng.
  • Mô hình thực tế hoàn chỉnh, cung cấp đủ điện cho 3 đèn (tổng 119 Wh/ngày) trong điều kiện thử nghiệm.

Giải pháp/kiến nghị tác giả đề xuất

Nhóm đề xuất các hướng cải thiện hệ thống:

  • Thay bộ điều khiển sạc PWM bằng MPPT (Maximum Power Point Tracking) để tối đa hóa công suất thu từ tấm PV.
  • Thiết kế dạng mô-đun tháo rời để dễ vận chuyển và lắp ráp tại chỗ.
  • Tích hợp cổng sạc đa năng: USB, sạc nhanh, các đầu cắm phù hợp nhiều loại thiết bị.
  • Tích hợp đèn LED chiếu sáng để sử dụng thuận tiện ban đêm.
  • Bổ sung hệ thống bảo vệ ngăn ngắn mạch, cháy nổ.

Đóng góp

Đồ án cung cấp một quy trình hoàn chỉnh từ tính toán lý thuyết → mô phỏng PVsyst → chế tạo → thực nghiệm cho hệ thống sạc lưu động Off-Grid quy mô nhỏ phục vụ du lịch xanh, đồng thời cung cấp dữ liệu so sánh PR giữa mô phỏng và thực tế trong điều kiện khí hậu TP. Hồ Chí Minh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản xác nhận một số hạn chế cụ thể:

  • Thời gian đo đạc ngắn: Chỉ thực nghiệm trong 2 ngày (31-05 và 01-06), chưa đủ để đánh giá hiệu suất dài hạn theo các mùa hoặc điều kiện thời tiết đa dạng.
  • Sai số đo đạc: Kết quả bị ảnh hưởng bởi thời tiết khí hậu làm thay đổi lượng bức xạ theo từng khoảnh khắc, thiết bị đo công suất tải có sai số.
  • Chưa xác định được hiệu suất tấm PV tại các mức bức xạ khác nhau; nhóm phải giả định hiệu suất là hằng số trong tính toán sản lượng lý thuyết.
  • Khó lựa chọn thiết bị phù hợp với thông số yêu cầu trên thị trường (đặc biệt là bộ điều khiển sạc).
  • Hướng phát triển tiếp: Thay bộ PWM bằng MPPT, thiết kế mô-đun hóa, tích hợp thêm tính năng tiện ích, mở rộng quy mô công suất để phục vụ đa dạng tải hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Năng lượng tái tạo, Điện – Điện tử, Cơ khí động lực đang thiết kế đề tài về hệ thống điện mặt trời Off-Grid quy mô nhỏ, đặc biệt phần tính toán chọn thiết bị (tấm PV, ắc quy, bộ điều khiển sạc) và quy trình mô phỏng trên PVsyst phiên bản 7.4.
  • Người làm đề tài so sánh PR thực tế – mô phỏng có thể tham khảo phương pháp đo đạc bằng Pyranometer và cách xử lý dữ liệu theo từng giờ.
  • Nghiên cứu về du lịch xanh, thiết bị năng lượng di động có thể dùng phần phân tích bối cảnh phát thải ngành du lịch và thiết kế mô hình nhỏ gọn.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (toàn bộ quy trình tính toán và mô phỏng PVsyst) và Chương 4 (phân tích PR theo giờ, đối chiếu lý thuyết – thực nghiệm).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm chọn ắc quy 45 Ah thay vì 41 Ah hoặc 60 Ah? Công thức tính dung lượng ắc quy cho kết quả cần ≥ 41 Ah với độ xả sâu D = 80% và điện áp hệ thống 12 VDC. Nhóm chọn 45 Ah vì quy cách thương mại phổ biến và kết quả PR mô phỏng PVsyst không chênh lệch đáng kể so với 60 Ah (68% so với ~69%), trong khi 45 Ah tiết kiệm chi phí và phù hợp kích thước mô hình hơn.

2. PR thực tế đo được trong 2 ngày thử nghiệm là bao nhiêu và chênh lệch so với mô phỏng như thế nào? Ngày 31-05 PR thực tế đạt 58,1% (chênh ~10% so với mô phỏng 68%); ngày 01-06 PR thực tế đạt 55,1% (chênh ~12,1% so với mô phỏng). Chênh lệch chủ yếu do điều kiện thời tiết thực tế (mây, mưa), sai số thiết bị đo và việc giả định hiệu suất tấm PV là hằng số.

3. Vì sao nhóm chọn bộ điều khiển sạc PWM thay vì MPPT? Nhóm chọn PWM SUOER ST-S1230 vì phù hợp với công suất vừa và nhỏ của hệ thống (tấm PV 35W), đồng thời giá thành thấp hơn MPPT. Bộ MPPT được nhóm đề xuất như một giải pháp cải thiện trong hướng phát triển tiếp theo, vì MPPT có khả năng tối đa hóa công suất thu từ tấm PV ở các điều kiện bức xạ khác nhau.

4. Góc nghiêng 13° được xác định như thế nào và thu được bức xạ bao nhiêu? Góc nghiêng được xác định thông qua mô phỏng trên PVsyst, lựa chọn dựa trên tiêu chí tổn thất thấp nhất (Loss/opt ≈ 0%). Với góc 13°, hệ thống thu được bức xạ 1.815 kWh/m², phù hợp với điều kiện địa lý khu vực phía Nam Việt Nam (hướng về phía Nam theo lý thuyết cho bán cầu Bắc).

5. Điểm bất thường nào được ghi nhận trong dữ liệu đo ngày 31-05 và nguyên nhân được nhóm nhận định là gì? Lúc 15h ngày 31-05, mật độ công suất bức xạ cao hơn so với lúc 16h nhưng dòng điện tấm PV lại thấp hơn lúc 16h — nghịch lý so với quan hệ tuyến tính thông thường giữa bức xạ và ISC. Nhóm nhận định nguyên nhân có thể là dữ liệu đo tại thời điểm đó chưa chính xác, hoặc có nước đọng trên bề mặt tấm PV làm giảm dòng điện sinh ra.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và xây dựng mô hình sạc lưu động năng lượng mặt trời" của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trình bày một quy trình kỹ thuật đầy đủ từ tính toán, mô phỏng PVsyst 7.4 đến chế tạo và thử nghiệm thực tế hệ thống Off-Grid quy mô nhỏ. Kết quả thực nghiệm trong 2 ngày cho PR thực tế lần lượt là 58,1% và 55,1%, thấp hơn PR mô phỏng (68%) khoảng 10–12%, phản ánh ảnh hưởng của điều kiện thời tiết thực tế và các sai số không thể kiểm soát hoàn toàn. Đồ án xác lập được phương pháp đối chiếu lý thuyết – thực nghiệm qua chỉ số PR theo giờ và cung cấp cơ sở dữ liệu thực tế cho các nghiên cứu phát triển hệ thống sạc di động phục vụ du lịch xanh tại Việt Nam.