Trạm sạc xe điện đa năng sử dụng năng lượng mặt trời: Thuật toán tối ưu tiết kiệm năng lượng

Hiện tại, các loại xe đạp điện, xe máy điện và ô tô điện mới chỉ chiếm một số lượng khiêm tốn nhưng giả sử, đến một ngày nào đó, trên đường phố tràn ngập xe điện thì hệ thống điện của Việt Nam sẽ bị ảnh hưởng không nhỏ. Điều này thực tế đã được Phó Tổng giám đốc EVN Võ Quang Lâm cảnh báo tại hội thảo Hạ tầng cho xe điện hồi tháng 9/2021. Đưa ra ví dụ về trường hợp trạm sạc của VinFast với 40.000 trụ sạc có công suất tối thiểu 11KW, ông nhận xét sẽ có khoảng 440Kw công suất trạm sạc sẽ đấu nối thêm vào hệ thống - con số này tương đương với công suất hai tổ máy của nhà máy thủy điện Hòa Bình và có thể tăng cao hơn nữa nếu hạ tầng trạm sạc tiếp tục phát triển như hiện nay.

Trong khi đó, những năm qua, tình trạng thiếu điện ở Việt Nam cũng không hiếm do rất nhiều nguyên nhân khác nhau. Hồi đầu tháng 3/2022, Tập đoàn điện lực Việt Nam thông báo, toàn hệ thống điện quốc gia thiếu hụt tới hơn 3.000MW điện do thiếu than cho sản xuất điện, nguy cơ hiện hữu từ tháng 4 trở đi, thời điểm mùa hè đang tới và nhu cầu sử dụng điện rất cao. Chúng ta sẽ chuẩn bị cho một tương lai tiêu tốn nhiều điện năng như thế nào? “Việc nghiên cứu xây dựng trạm sạc điện sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là trạm sạc điện sử dụng năng lượng mặt trời có nối lưới tại các khu đô thị lớn là thực sự cấp thiết, có ý nghĩa cả về lý thuyết và thực tiễn. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần tạo nền tảng cho sự phát triển của các phương tiện xe điện, đảm bảo an ninh năng lượng và hỗ trợ giảm phát thải khí nhà kính” – TS. Vũ Minh Pháp bày tỏ.

Các trạm sạc điện kết hợp năng lượng tái tạo được xem là giải pháp hữu ích trong việc phát triển giao thông xanh, chống lại phát thải nhà kính từ phương tiện truyền thống được sử dụng nhiều trên thế giới. Nhưng ở Việt Nam, việc nghiên cứu sản phẩm tương tự vẫn ở giai đoạn sơ khởi, ngay cả các nguồn điện tái tạo từ điện mặt trời cũng ở giai đoạn đầu. Điều đó không những không ngăn cản mà còn trở thành động lực của nhóm nghiên cứu bởi “Việc tự chủ hoàn toàn công nghệ giúp Việt Nam giảm sự lệ thuộc về công nghệ, thiết bị từ các nước trên thế giới, và có thể tự phát triển phù hợp với nhu cầu sử dụng, đặc điểm thực tế của điều kiện thời tiết, hạ tầng lưới điện ở Việt Nam”. Là những nhà nghiên cứu, họ không chỉ muốn tạo ra sản phẩm tương tự mà còn muốn làm tốt hơn.

Năm 2019, TS. Vũ Minh Pháp và cộng sự quyết định đăng ký thực hiện đề tài cấp Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam và được phê duyệt thời gian thực hiện trong hai năm từ năm 2020-2021. Khi tiến hành nghiên cứu lý thuyết, nhóm nghiên cứu nhận thấy, để tạo ra được trạm sạc có công suất tối ưu, vấn đề lõi nằm chính ở thuật toán, tức là làm sao tìm được điểm làm việc có công suất cực đại. “Đây là vấn đề mất nhiều thời gian và công sức nhất” – TS. Vũ Minh Pháp nhớ lại.

TS. Vũ Minh Pháp giải thích thêm: “Trong cấu trúc trạm sạc điện mặt trời nói chung, bộ phận điều khiển tìm điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) pin mặt trời có vai trò rất quan trọng và có tính quyết định để toàn hệ thống có thể đạt được hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời cao nhất. Trong phạm vi của đề tài, nhóm nghiên cứu tập trung thiết kế công nghệ điều khiển lấy điểm công suất cực đại nhờ việc cải tiến thuật toán P&O bằng thuật toán trí tuệ nhân tạo ANN”. Nhờ bộ phận điều khiển MTTP tối ưu này, hệ thống điều khiển chung cũng như trạm sạc điện sử dụng năng lượng mặt có thể khai thác được tối đa năng lượng từ tấm pin mặt trời. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy, phương pháp MPPT sử dụng mạng nơ ron ANN do nhóm nghiên cứu đề xuất có khả năng hoạt động tốt hơn phương pháp MPPT truyền thống.

Cùng với thuật toán này, nhóm nghiên cứu cũng lựa chọn một hệ thống trạm sạc xe điện chạy bằng điện mặt trời nối lưới điển hình bao gồm là hệ thống pin mặt trời, bộ chuyển đổi điện hai chiều DC-AC và AC-DC, lưới điện, ắc quy dự phòng và các loại xe điện. Với mô hình này, xe điện có thể hoạt động ở năm chế độ: Sạc điện trực tiếp tại hệ thống pin mặt trời vào ban ngày hoặc từ lưới điện địa phương vào ban đêm và khi thời tiết không thuận lợ; Điện năng dư thừa từ hệ thống pin mặt trời sản xuất có thể được bán cho lưới điện địa phương theo chính sách hỗ trợ điện mặt trời áp mái của Chính phủ Việt Nam; Ắc quy dự trữ trong trạm sạc điện pin mặt trời được thiết kế để đáp ứng yêu cầu lưu trữ năng lượng tối thiểu và dự phòng trường hợp không có điện mặt trời, điện lưới để giảm tối đa tổng chi phí đầu tư của hệ thống. Tính đa năng của trạm sạc xe điện là ở chỗ có thể sạc điện đồng thời từ nhiều nguồn điện khác nhau như điện lưới, điện mặt trời nói riêng hay cả hai cùng lúc.

Việc lắp đặt và vận hành thành công mô hình trạm sạc điện đa năng tại Viện Khoa học Năng lượng trở thành tiền đề để TS. Vũ Minh Pháp và cộng sự dần hoàn thiện công nghệ, nội địa hóa một phần và tiến tới dần làm chủ công nghệ của trạm sạc điện.

Điều này càng có ý nghĩa hơn khi đặt trong bối cảnh tại Việt Nam, VinFast là doanh nghiệp đầu tiên lên kế hoạch lắp đặt các trạm sạc với gần 40.000 cổng sạc tại các cơ quan, công sở, bãi đỗ xe, chung cư, văn phòng, trung tâm thương mại ở 63 tỉnh, thành để phục vụ nhu cầu người sử dụng xe điện của hãng này. Tuy nhiên, mỗi hãng xe điện sử dụng một công nghệ khác nhau. Để tạo điều kiện cho việc phát triển xe điện tại Việt Nam đòi hỏi phải có hệ thống trạm sạc đa năng, có khả năng hỗ trợ sạc cho nhiều dòng xe của các thương hiệu khác nhau. Trạm sạc điện đa năng như vậy sẽ là một trong những đáp án.

Trạm sạc điện thử nghiệm có công suất 3KW, có thể đáp ứng việc sạc cùng lúc của 2-3 xe máy hoặc xe đạp điện. Về thời gian sạc, TS. Vũ Minh Pháp cho biết tùy vào loại ắc quy của xe, có thể từ 4-8h. Thời gian sạc xe ô tô điện chia theo kiểu sạc chậm hay sạc nhanh. Đối với công nghệ sạc chậm, thời gian sạc là khoảng 8 – 12 tiếng cho một lần sạc đầy. Còn sạc nhanh mất khoảng 20 - 30 phút. “Việc lắp các tấm pin mặt trời, hệ thống tích trữ phụ thuộc vào địa điểm lắp, diện tích lắp, nhu cầu tích trữ và khả năng kinh tế của nhà đầu tư” – TS. Vũ Minh Pháp chia sẻ.

Nói về khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế, TS. Vũ Minh Pháp tin rằng, sản phẩm sẽ có tiềm năng to lớn và hoàn toàn khả thi về mặt công nghệ để nhân rộng ra nhiều trạm. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cần có sự hỗ trợ của nhà đầu tư để tính toán các phương án khả thi về mặt tài chính. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng đang trong quá trình chờ Cục Sở hữu trí tuệ xét duyệt để thực hiện bảo hộ cho công nghệ điều khiển phương pháp MPPT sử dụng mạng nơ ron ANN trước khi thương mại hóa.

“Các hãng ô tô điện đã bắt đầu bán sản phẩm ở Việt Nam, nhiều mẫu ô tô điện đã được ứng dụng trong thực tế như là các xe bus điện của VinFast. Thị trường điện tái tạo trong nước đang phát triển rất mạnh mẽ. Mặt khác, tại Hội nghị COP26 vừa qua, Thủ tướng Chính phủ cũng đã cam kết hành động mạnh mẽ của Việt Nam với quốc tế, trong đó Việt Nam đã tham gia nhiều sáng kiến toàn cầu về ứng phó với biến đổi khí hậu như cam kết giảm phát thải khí nhà kính... Do vậy, triển vọng phát triển các trạm sạc xe điện dùng điện tái tạo ở Việt Nam là vô cùng lớn nhằm đạt mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính từ các phương tiện giao thông truyền thống và nâng cao hiệu quả hoạt động của các phương tiện giao thông xanh” – TS. Vũ Minh Pháp bày tỏ.