bài giảng Tích trữ năng lượng

Hệ thống trữ năng dùng bánh đà Bánh đà có thể được dùng để trữ năng lượng trong hệ thống điện, khi được ghép vào một máy điện.. Ắc-quy chì-axit Ắc-quy chì-axit không bị hiệu ứng nhớ n

Trang 1

408004 Năng lượng tái tạo

Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK1

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

nqnam@hcmut.edu.vn

Trang 3

Giới thiệu về tích trữ năng lượng

 Các công nghệ trữ năng không đóng vai trò nguồn năng

lượng Thiết bị lưu trữ có tác dụng hỗ trợ nhằm cải thiện: độ

ổn định, chất lượng điện năng và sự an ninh năng lượng

Trang 4

Giới thiệu về tích trữ năng lượng

Trang 5

ICoil

Dewar Power Conversion System

CSI or VSI + dc-dc chopper

AC

Line

Trang 6

Hệ thống trữ năng dùng siêu dẫn

Trang 7

Hệ thống trữ năng dùng bánh đà

 Bánh đà có thể được dùng để trữ năng lượng trong hệ thống

điện, khi được ghép vào một máy điện

 Năng lượng lưu trữ trong bánh đà phụ thuộc vào mô men

quán tính của phần quay và bình phương tốc độ quay Năng lượng được truyền vào bánh đà khi máy điện hoạt động như một động cơ (gia tốc bánh đà), nạp năng lượng vào thiết bị Bánh đà giải phóng năng lượng khi máy điện hoạt động ở chế độ máy phát (giảm tốc bánh đà)

Trang 8

Hệ thống trữ năng dùng bánh đà

Trang 9

Các loại pin/ắc-quy

 Ở đây đề cập đến các thiết bị lưu trữ năng lượng Trước hết,

chúng ta phân loại theo tính chất năng lượng của thiết bị:

 Pin/ắc-quy sơ cấp (không thể nạp lại được)

 Pin/ắc-quy thứ cấp (có thể nạp lại được)

 Pin/ắc-quy sơ cấp phổ biến là loại carbon-kẽm và

kền-mangan Ngoài ra, người ta cũng sản xuất pin/ắc-quy sơ cấp bằng lithium

 Có khá nhiều loại pin/ắc-quy thứ cấp đang được sử dụng,

trong đó một số loại thông dụng được liệt kê ở slide tiếp

theo

Trang 10

Các loại pin/ắc-quy

 Một số pin/ắc-quy thứ cấp thông dụng:

 Chì-axit (Lead-acid)

 Niken-cađimi (NiCd)

 Niken-hyđrôxit kim loại (NiMH)

 Lithium-ion (Li-ion): được chia thành ba loại chính, bao

gồm ion-cobalt, ion-manganese, và ion-phosphate

lithium- Lithium-polymer (Li-Po)

Trang 11

Ắc-quy chì-axit

 Được sáng chế vào năm 1859, đây là loại ắc-quy có thể nạp

lại đầu tiên được thương mại hóa

 Ưu điểm chính là độ tin cậy cao và giá rẻ (trên đơn vị công

suất) Nhược điểm chính là nặng nề và kém bền hơn ắc-quy gốc niken và lithium khi phóng điện sâu

 Tùy vào độ sâu phóng điện, số chu kỳ nạp/phóng của ắc-quy

chì-axit là khoảng 200 – 300 chu kỳ Nhiệt độ tăng cao và tốc

độ phóng điện cao hơn sẽ làm giảm giới hạn này

 Ắc-quy chì-axit không cho phép nạp nhanh, thông thường

phải được nạp ở tốc độ C/10 trong thời gian 14 – 16 giờ

Trang 12

Ắc-quy chì-axit

 Ắc-quy chì-axit không bị hiệu ứng nhớ như ắc-quy gốc niken,

và có mức tự phóng điện thấp nhất trong số các ắc-quy có thể nạp lại

 Ắc-quy chì-axit kín khí (hay không cần bảo dưỡng) sử dụng

công nghệ gel (còn gọi là VRLA) hay absorbent glass mat

(AGM) để giảm tối đa sự hao hụt nước và cho phép sử dụng ắc-quy ở bất kỳ tư thế nào

 Nhiệt độ làm việc tối ưu của VRLA là 25 °C, và mỗi 8 °C gia tăng sẽ làm giảm một nửa tuổi thọ của ắc-quy

Trang 13

Nạp điện cho ắc-quy chì-axit

 Ắc-quy chì-axit dùng một thuật toán dựa vào điện áp tương

tự như ắc-quy lithium-ion

 Thời gian nạp của ắc-quy nhỏ (SLA) là 12 – 16 giờ, và đến

36 – 48 giờ với các ắc-quy lớn

 Ắc-quy chì-axit nên được nạp theo ba giai đoạn: nạp ở dòng

điện không đổi, nạp bổ sung, và nạp thả nổi

 Nạp ở dòng không đổi đưa phần lớn điện tích vào ắc-quy và

kéo dài khoảng một nửa thời gian cần nạp, sau đó giai đoạn nạp bổ sung tiếp tục ở dòng điện thấp hơn và ắc-quy bão hòa, và nạp thả nổi bù cho các hao hụt do tự phóng điện

Trang 14

 Giai đoạn 1: điện áp tăng

ở dòng điện không đổi

Giải đoạn 2: điện áp đạt

Trang 15

 Trong giai đoạn nạp ở dòng không đổi, ắc-quy nạp đến 70%

dung lượng trong 5 – 8 giờ, 30% còn lại được cung cấp bởi giai đoạn nạp bổ sung

 Việc nạp bổ sung là cần thiết để giúp ắc-quy hoạt động tốt

Nếu bỏ qua giai đoạn này, ắc-quy sẽ mất dần dung lượng

 Sự chuyển tiếp từ giai đoạn 1 sang giai đoạn 2 xảy ra một

cách tự nhiên khi ắc-quy đạt giới hạn điện áp Dòng điện sẽ giảm xuống khi ắc-quy bắt đầu bão hòa, và ắc-quy đầy khi dòng điện còn bằng 3% dòng điện danh định

 Điện áp của một ngăn khi đầy là 2,3 đến 2,45 V.

Trang 16

 Khi đã nạp đầy, ắc-quy không nên được đặt điện áp nạp bổ

sung quá 48 giờ, mà phải giảm xuống mức điện áp nạp thả nổi, đặc biệt cho các hệ kín khí

 Ắc-quy chì-axit phải luôn luôn được lưu trữ ở trạng thái được

nạp, và phải nạp bổ sung mỗi 6 tháng để điện áp của ngăn không giảm xuống dưới 2,1 V

 Việc đo điện áp hở mạch khi ắc-quy đã được nghỉ vài giờ sẽ

cung cấp thông tin đáng tin cậy về trạng thái điện tích (SOC) của ắc-quy Chú ý sự phụ thuộc của điện áp vào nhiệt độ

Trang 17

Ắc-quy lithium

 Lithium là kim loại nhẹ nhất, có thế điện hóa lớn nhất và

cung cấp suất năng lượng lớn nhất

 Sự không ổn định của kim loại lithium trong các pin/ắc-quy thứ cấp gốc lithium đầu tiên đã dẫn đến việc sử dụng ion lithitum

 Suất năng lượng của Li-ion gấp đôi của NiCd, nhờ vào điện

thế danh định của cell là 3,6 V so với 1,2 V của thiết bị gốc niken

 Đặc tính phóng điện dạng nằm ngang cho phép tận dụng

hiệu quả năng lượng lưu trữ trong pin/ắc-quy

Trang 18

Ắc-quy lithium-ion

 Chi phí sản xuất pin/ắc-quy Li-ion giảm mạnh sau 2 thập kỷ,

trong khi dung lượng lại tăng lên vài lần, kết hợp với sự gia tăng suất năng lượng và sự vắng mặt của các vật liệu độc hại đã dọn đường cho Li-ion trở thành pin/ắc-quy được chấp nhận rộng rãi trong các ứng dụng xách tay

 Li-ion ít cần bảo dưỡng, không có hiệu ứng nhớ và không

cần phóng điện hoàn toàn để duy trì dung lượng

 Điện áp danh định 3,6 V rất phù hợp cho các điện thoại và

camera, giúp đơn giản hóa và giảm chi phí

Trang 19

Ắc-quy lithium-ion

 Mặc dù đều dùng ion lithium, có nhiều loại pin/ắc-quy

lithium-ion, do chúng dùng vật liệu làm cathode khác nhau

 Cathode có thể được chế tạo từ Lithium Cobalt Oxide,

Lithium Manganese Oxide, Lithium Iron Phosphate, Lithium Nickel Manganese Cobalt (NMC) và Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (NCA).

 Trong những năm gần đây, hầu hết các nhà sản xuất đều

dùng than chì làm anode, thay cho than cốc, để đạt được đặc tính phóng điện nằm ngang hơn

Trang 21

Nạp điện ắc-quy lithium-ion

 Bộ nạp điện cho ắc-quy Li-ion là một thiết bị giới hạn điện áp

tương tự như với ắc-quy chì-axit Sự khác biệt ở đây là điện

áp ngăn cao hơn, dung sai điện áp chặt hơn, và không có giai đoạn nạp thả nổi

 Hầu hết các ngăn ắc-quy Li-ion nạp đến điện áp 4,2 V với

dung sai ±50 mV

 Nạp đến điện áp cao hơn có thể tăng dung lượng, nhưng

làm ôxy hóa ngăn dẫn đến giảm tuổi thọ

 Quan trọng hơn là điện áp ngăn quá cao ảnh hưởng đến độ

an toàn của ắc-quy

Trang 22

 Ắc-quy Li-ion xem

Trang 23

 Tốc độ nạp điển hình của ắc-quy Li-ion là trong khoảng 0,5C

và 1C ở giai đoạn 1, và thời gian nạp là khoảng 3 giờ

 Một số nhà sản xuất đề nghị nạp các pin 18650 ở tốc độ từ 0,8C trở xuống

 Hiệu suất nạp trong khoảng 97 đến 99% và ắc-quy vẫn mát

trong quá trình nạp

 Giá trị dòng điện nạp không ảnh hưởng lắm đến điện lượng

khi nạp đầy của ắc-quy Mặc dù ắc-quy đạt điện áp đỉnh

nhanh hơn khi nạp nhanh, giai đoạn nạp bão hòa sẽ kéo dài lâu hơn

Trang 24

 Ắc-quy Li-ion không cần phải nạp đầy như ắc-quy chì-axit

Thực tế, việc không nạp đầy sẽ tốt hơn, vì giảm được điện

áp đặt vào ắc-quy

 Chọn ngưỡng điện áp thấp hơn, hay loại bỏ giai đoạn nạp

bão hòa, sẽ kéo dài tuổi thọ của ắc-quy nhưng giảm thời

gian làm việc

 Bảng số liệu ở slide tiếp theo minh họa lượng điện tích trong

ắc-quy khi nạp đến các ngưỡng điện áp khác nhau, khi có và không có giai đoạn nạp bão hòa

Trang 25

Trang 26

 Việc dựa vào điện áp nạp để ước lượng điện tích bên trong

ắc-quy Li-ion là không thực tế Cần phải dựa vào điện áp hở mạch (sau khi ắc-quy đã nghỉ vài giờ) để ước tính SOC

 Ắc-quy Li-ion không thể được nạp điện quá mức, mà phải

ngắt điện khi ắc-quy đã đầy Điện áp hở mạch sẽ bằng 3,6 đến 3,9 V/ngăn sau khi đã nghỉ đủ lâu

 Một số bộ nạp sử dụng chế độ nạp bổ sung khi ắc-quy được

nối thường trực với bộ nạp, nếu điện áp của ngăn giảm

xuống còn 4,05 V



Trang 27

 Ắc-quy Li-ion sẽ mất ổn định khi bị nạp điện quá mức, vì sự

hình thành của kim loại lithium trên anode, và phát sinh CO2

ở cathode

 Khi áp suất tăng cao, một màng an toàn sẽ bị phá hủy và

pin/ắc-quy có thể phát hỏa

 Ngưỡng gia nhiệt mất kiểm soát bị hạ thấp khi ắc-quy được

nạp đầy, và nằm trong khoảng 130 – 150 °C (Li-cobalt), 170 – 180 °C (NMC) và 250 °C (Li-manganese)

 Mọi hệ thống ắc-quy đòi hỏi phải thiết kế bộ nạp điện một

cách chính xác

Trang 28

Lithium-ion burnout

Trang 29

Lithium-polymer overcharging

Trang 30

 Tụ điện giải dùng điện

môi ướt, điện dung đạt

vài chục mF

 Siêu tụ điện có điện dung

Trang 31

Siêu tụ điện

 Siêu tụ điện được phát triển đầu tiên vào năm 1957, nhưng

chỉ đến những năm 1990 mới được thương mại hóa nhờ

những tiến bộ trong công nghệ vật liệu và sản xuất

 Siêu tụ điện hiện nay không phải là ắc-quy nhưng vay mượn

công nghệ từ ắc-quy

 Siêu tụ điện bị giới hạn ở điện áp 2,5 – 2,7 V Để đạt điện áp

cao hơn, các siêu tụ điện được mắc nối tiếp với nhau

 Điện dung tổng của tụ điện do đó bị giảm, và sẽ cần cân

bằng điện áp nếu có nhiều hơn 3 tụ điện được mắc nối tiếp với nhau

Trang 32

 Suất năng lượng của siêu tụ điện chỉ trong khoảng 1 đến 30

Wh/kg Ngoài ra, điện áp của siêu tụ điện giảm tuyến tính theo điện lượng trong tụ điện về bằng 0

 Ví dụ, nguồn điện 6 V được phép phóng điện đến 4,5 V Với

đặc tính phóng điện tuyến tính, chỉ một phần tư năng lượng lưu trữ được sử dụng, và ba phần tư năng lượng còn lại

không thể sử dụng

 Có thể dùng một bộ biến đổi DC-DC để tận dụng phần năng

lượng còn lại, nhưng sẽ có tổn thất khoảng 10 – 15%, và chi

Trang 33

 So sánh siêu tụ điện và pin/ắc-quy Li-ion

Function Supercapacitor Lithium-ion (general)

5 (typical)

Up to 10,000

$20 (typical)

10 to 15 years –40 to 65°C (–40 to 149°F) –40 to 65°C (–40 to 149°F)

10–60 minutes

500 and higher 3.6 to 3.7V 100–200 1,000 to 3,000

$0.50-$1.00 (large system)

5 to 10 years

0 to 45°C (32°to 113°F) –20 to 60°C (–4 to 140°F)

Trang 34

 Với tốc độ nạp/phóng điện cực nhanh, siêu tụ điện rất thích

hợp cho việc hỗ trợ dự phòng các trường hợp gián đoạn nguồn ngắn hạn, cũng như hỗ trợ phụ tải đỉnh trong các xe điện lai hay ứng dụng pin nhiên liệu

 Thời gian nạp điện của siêu tụ điện là khoảng 10 giây, với

đặc tính tương tự như của ắc-quy điện hóa, và dòng điện nạp thường bị giới hạn bởi bộ nạp

 Siêu tụ không thể bị nạp quá điện áp, và không cần mạch

bảo vệ nạp đầy; khi nạp đầy thì dòng điện chỉ ngưng chạy

Trang 35

 Siêu tụ điện cũng không bị lão hóa, và thường giảm dung

lượng xuống còn 80% trong vòng 10 năm

 Siêu tụ điện có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ cao và thấp

 Dòng điện rò của siêu tụ điện khá lớn, với 50% năng lượng

lưu trữ bị hao hụt trong vòng 30 đến 40 ngày

 Xét về chi phí trên đơn vị công suất thì siêu tụ điện thuộc loại

thiết bị đắt tiền Tuy nhiên, cần nhớ rằng siêu tụ điện và quy không cạnh tranh nhau, mà phục vụ cho những ứng

ắc-dụng riêng biệt

Trang 36

Những ưu điểm của siêu tụ điện:

 Lưu trữ năng lượng lớn So với công nghệ tụ điện truyền

thống, siêu tụ điện EDLC có mật độ cao hơn nhiều bậc, nhờ điện cực carbon xốp để tạo diện tích bề mặt lớn

 Điện trở nối tiếp tương đương nhỏ So với ắc-quy, EDLC có

điện trở nội thấp, tạo ra mật độ công suất lớn

 Hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp.

 Nạp/phóng điện nhanh Nhờ hấp thụ và giải phóng ion thông

qua điện trở nội thấp, có thể đạt được dòng điện nạp/phóng

Trang 37

Những nhược điểm của siêu tụ điện:

 Điện áp đơn vị thấp (EDLC có điện áp mỗi đơn vị khoảng

2,7 V), dẫn đến thường phải mắc nối tiếp

 Không thể dùng trong các mạch AC và tần số cao, do hằng

số thời gian khá lớn

Trang 38

Siêu tụ điện và những công nghệ khác

Định dạng
Số trang	38
Dung lượng	0,96 MB