(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong khai thác năng lượng tái tạo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM NGỌC DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG
LƯỢNG TRONG KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÊN ĐỀ TÀI:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG
HỆ ĐIỀU KỸ
CHỈNH
TỐC ĐỘ
CỦA ĐỘNG CƠ
CHUYÊN
NGÀNH:
THUẬT
ĐIỆN
DIEZEN ỨNG DỤNG TRUYỀN ĐỘNG CHO TÀU THỦY

KHOA CHUYÊN MÔN

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TĐH

Chuyên ngành:

TRƯỞNG KHOA

Người thực hiện :

DƯƠNG THỊ THANH

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. VÕ QUANG LẠP

PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên - 2014

Thái Nguyên, năm 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Ngọc Dũng
Sinh ngày 07 tháng 08 năm 1991
Học viên lớp cao học khóa 20 – Kỹ thuật điện – Trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự chỉ dậy giúp đỡ tận tình của các thầy cơ
giáo và đặc biệt là thầy giáo hướng trực tiếp dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp PGS.
TS. Lại Khắc Lãi. Tơi đã hồn thành chương trình học tập và đề tài luận văn tốt
nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong khai thác
năng lượng tái tạo
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Ngồi các tài
liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thực nghiệm
được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lại Khắc Lãi là trung thực.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019.
Học viên

Phạm Ngọc Dũng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và làm việc, được sự động viên giúp
đỡ và hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo PGS. TS. Lại Khắc Lãi, luận văn với

đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong khai thác
năng lượng tái tạo” đã hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn: PGS. TS. Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành được bản luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo Khoa Điện – Trường đại học
Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả
trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu khoa học thực hiện
luận văn.
Toàn thể các học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện khóa 20, đồng nghiệp,
bạn bè, gia đình đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt q trình
học tập và hồn thành bản luận văn.
Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên do trình độ và kinh nghiệm cịn nhiều hạn
chế nên có thể luận văn vẫn cịn gặp phải một vài thiếu sót. Tác giả rất mong rằng
sẽ nhận được những đóng góp ý kiến từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp
để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ .................................................................... vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................... viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................... 2
3. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 3
5. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương ................................................................... 3
CHƯƠNG 1: LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ................................................. 5
1.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN.............. 5
1.1.1. Các đặc trưng của điện năng ................................................................. 5
1.1.2. Nhu cầu lưu trữ điện năng .................................................................... 5
1.2. CÁC HÌNH THỨC LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG ....... 7
1.1.1. Acqui ..................................................................................................... 7
1.2.2. Pin nạp xả ............................................................................................ 14
a. Phân biệt Pin và Ắc quy ............................................................................ 14
b. Các thông số cơ bản của pin ..................................................................... 14
1.3. BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ................................................... 18
1.3.1. Tổng quan ........................................................................................... 18
1.3.2. Cấu tạo của bánh đà lưu trữ năng lượng ............................................. 20
1.3.3. Nguyên lý hoạt động của bánh đà lưu trữ năng lượng ....................... 21
1.3.4. Đặc điểm của bánh đà lưu trữ năng lượng .......................................... 22
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................... 22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :

iv

CHƯƠNG 2. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ........................................................... 23
2.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo............................................................... 23
2.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo.............................................................. 23
2.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo ............................................................... 24
2.1.3. Vai trị và lợi ích của năng lượng tái tạo ............................................ 27
2.2. VẤN ĐỀ KHAI THÁC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ở VIỆT
NAM................................................................................................................. 28
2.2.1. Tiềm năng ........................................................................................... 28
2.2.2. Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam ............................... 32
1.2.3. Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam ................... 33
2.3. KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO DƯỚI DẠNG ĐIỆN NĂNG . 35
2.3.1. Hệ thống điện gió ................................................................................ 35
2.3.2. Điện mặt trời ....................................................................................... 38
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................... 41
CHƯƠNG 3. BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN TÍCH HỢP CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ......................... 42
3.1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 42
3.1.1. Hệ thống tích hợp điện mặt trời và điện gió ....................................... 42
3.1.2. Đặc điểm của hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời ................. 44
3.1.3. Tính cấp thiết phải ổn định điện áp và công suất hệ thống tích hợp điện
gió và mặt trời ............................................................................................... 44
3.2. HOẠT ĐỘNG CỦA BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ................................. 45
3.2.1. Cấu trúc của hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng............................. 45
3.2.2. Nguyên lý điều khiển hoạt động của FESS trong hệ thống ................ 46
3.3. ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ

NĂNG LƯỢNG ............................................................................................... 48
3.3.1. Xây dựng mơ hình tốn của hệ thống FESS ....................................... 49
1) Bánh đà ..................................................................................................... 49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


v

2) Máy điện không đồng bộ .......................................................................... 50
3. Bộ biến đổi ................................................................................................ 53
4. Điều chế véc tơ không gian ...................................................................... 54
5. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống FESS ................................................ 57
3.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................................................................... 57
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................... 61
KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1: Tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam ........................... 29
Bảng 1. 2: Công suất năng lượng tái tạo khai thác tại Việt Nam....................... 33
Bảng 3. 1: Chu kỳ đóng/cắt các van trong mỗi sector ........................................ 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
NỘI DUNG HÌNH

Trang

Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống lưu giữ năng lượng trong lưới điện

5

Hinh 1 .2 Cấu tạo tổng quát ắc quy axit - lead acid battery

6

Hình 1.3. Nguyên lý nạp điện của ắc quy axit | lead acid battery

8

Hình 1.4 Ngun lý phóng điện của ắc quy axit | lead acid battery

10

Hình 1.5 :pin sạc Nitecore 18650 2500mAh – 35A

15

Hình 1.6 Sơ đồ kết nối mạch sạc xả và bảo vệ pin

16

Hình 1. 7: Cấu tạo của bánh đà lưu trữ năng lượng

19

Hình 2. 1: Cối xay gió

34

Hình 2. 2: Cánh đồng điện gió tại Tây Ban Nha

34

Hình 2. 3: Cơng viên quang điện Lieberose 71,8 MW (Đức)

37

Hình 2. 4: Nhà máy điện mặt trời đầu tiên ở Ninh Thuận

38

Hình 3.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời

40

Hình 3.2: Cấu trúc của FESS 1 cấp

43

Hình 3. 3: Cấu trúc của hệ thống FESS 2 cấp

43

Hình 3. 4: Hệ thống điện mặt trời và điện gió có tích hợp FESS

44

Hình 3. 5a,b: Đường cong cơng suất tức thời của FESS trong hệ thống lai

45

Hình 3. 6: Sơ đồ mạch lực hệ thống FESS

46

Hình 3. 7: Các véc tơ khơng gian của SVM

51

Hình 3. 8: Sơ đồ điều khiển FESS

54

Hình 3.9:. Đáp ứng tốc độ của máy điện trong FESS

56

Hình 3.10: Đáp ứng từ thơng động cơ

56

Hình 3.11: Đáp ứng cơng suất của FESS

56

Hình 3.12: Đáp ứng cơng suất của FESS và công suất hệ thống bơm vào lưới

57

Hình 3.13: Đường cong điện áp và dịng điện pha trong khoảng thời gian từ

57

2,44s đến 2,66s

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DER (Distributed Ennergy resouces)

Nguồn năng lượng phân tán

ESS (Energy Storage System)

Hệ thống lưu trữ năng lượng

FESS (Flywheel Energy Storage
System)

Hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN



download by :


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay , nhu cầu khi thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho
nguồn năng lượng hóa thạch vốn đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường đã
trở thành vấn đề cấp thiết của nhiều quốc gia trên thế giới. Việt Nam là nước có
tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió và năng
lượng mặt trời. Tuy nhiên nguồn điện gió và nguồn điện mặt trời khơng phải lúc
nào cũng có sẵn, sản lượng khơng kiểm sốt được, ln bị biến động do điều kiện
thời tiết và môi trường nên khi chúng tham gia vào các lưới điện cục bộ ( vi lưới
– microgrid ) dễ gây mất ổn định lưới điện, đôi khi gây lỗi lưới, sập lưới. Vì vậy
việc sử dụng chúng dưới dạng năng lượng điện năng cần đòi hỏi các kỹ thuật tiên
tiến.
Và một trong những phương án được đề xuất và phát triển trong vòng hơn hai
mươi năm gần đây là dùng bánh đà để lưu trữ và điều tiết năng lượng điện. Đây
là một giải pháp khá lí thú và có nhiều triển vọng phát triển đã thu hút sự quan
tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Tuy nhiên để sử dụng bánh đà lưu trữ
và điểu tiết năng lượng thì cần giải quyết hai vấn đề kỹ thuật then chốt : thứ nhất
là vấn đề tổn hao do ma sát , tiếp đến là cơ chế biến đổi năng lượng của bánh đà
thành điện năng.
Vậy thế nào là bánh đà lưu trữ năng lượng. Bánh đà là một thiết bị cơ khí
quay được sử dụng để lưu trữ năng lượng quay. Bánh đà có mơ-men qn tính lớn,
và do đó chống lại sự thay đổi tốc độ quay. Lượng năng lượng được lưu trữ trong
một bánh đà tỉ lệ với bình phương tốc độ quay của nó. Năng lượng được chuyển
giao cho một bánh đà bằng cách áp dụng mô-men xoắn đối với nó, do đó gây ra
tốc độ quay của nó, và do đó năng lượng lưu trữ của nó, gia tăng. Ngược lại, bánh
đà giải phóng năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men xoắn đến tải cơ khí,
kết quả làm tốc độ quay giảm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


2

Bánh đà có ba sử dụng chủ yếu:


Chúng cung cấp năng lượng liên tục khi các nguồn năng lượng không liên tục.
Ví dụ, bánh quay được sử dụng trong động cơ pít-tơng bởi vì các nguồn năng
lượng (mơ-men xoắn từ động cơ) là không liên tục.



Chúng cung cấp năng lượng ở mức vượt quá khả năng của một nguồn năng
lượng. Điều này đạt được bằng cách thu thập năng lượng trong bánh đà theo
thời gian và sau đó giải phóng năng lượng một cách nhanh chóng, với tốc độ
vượt quá khả năng của nguồn năng lượng.



Chúng kiểm soát định hướng của một hệ thống cơ khí. Trong các ứng dụng
như vậy, xung lượng góc của một bánh đà là cố ý chuyển tải một khi năng
lượng được chuyển đến hoặc từ bánh đà.

Việc sử dụng một bánh đà lưu giữ năng lượng nhằm nâng cao chất lượng điện
năng khai thác từ nguồn năng lượng tái tạo là các nguồn có cơng suất biến đổi
ngẫu nhiên như điện gió, điện mặt trời, … là vấn đề còn tương đối mới mẻ và rất
cần thiết ở Việt Nam, phù hợp với xu hướng và chính sách phát triển năng lượng

trên thế giới nói chung & Việt Nam nói riêng.
2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cấu trúc và hoạt động của hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng và
ứng dụng của nó trong ổn định cơng suất cho nhà máy điện gió + mặt trời làm
việc độc lập.
3. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu Hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


3

4. Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các cơng trình
nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: Bài báo, tạp chí, sách chun
ngành…
+ Mơ hình hóa và mơ phỏng: Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết
5. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương

- Chương 1 trình bày tầm quan trọng của việc lưu trữ năng lượng điện nhằm
tiết kiệm điện năng cân bằng cung - cầu điện năng trong mọi thời điểm (giờ cao
điểm cũng như giờ khơng cao điểm); Các hình thức lưu trữ điện năng truyền thống

và bánh đà lưu trữ năng lượng, làm cơ sở cho việc đề xuất giải pháp cải thiện chất
lượng điện của vi lưới sẽ được trình bày ở chương 3.
- Chương 2 trình bày một số nét tổng quan về năng lượng tái tạo, tiềm năng
và vấn đề khai thác năng lương tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam; đặc biệt đi sâu
tìm hiểu việc khai thác năng lượng gió và năng lượng mặt trời dưới dạng điện
năng, những phân tích này được dùng làm cơ sở cho những vấn đề được đề cập
và giải quyết ở các chương sau.
- Chương 3 trình bày cấu trúc hệ thống điện gió + mặt trời có tịch hợp hệ
thống bánh đà lưu trữ năng lượng; mô tả hoạt động của FESS, xây dựng mơ hình
tốn học hệ thống FESS và nguyên tắc điều khiển chúng. Đồng thời đã tiến hành
mô phỏng cho một kịch bản cụ thể để minh chứng vai trò của hệ thống FESS trong
việc ổn định cơng suất của hệ thống điện gió + mặt trời làm việc độc lập.
- Phần kết luận chung trình bày tóm tắt những nội dung chính luận văn đã
làm được và kiến nghị những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện và áp
dụng vào thực tiễn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN



download by :


4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN



download by :

5

CHƯƠNG 1: LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
1.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

1.1.1. Các đặc trưng của điện năng
Điện năng có 2 thuộc tính cơ bản:
- Q trình sản xuất và tiêu thụ xảy ra đồng thời. Lượng điện sản xuất ra phải
luôn được đáp ứng nhu cầu khác nhau. Sự mất ổn định giữa cung và cầu sẽ ảnh
hưởng đến tính ổn định và chất lượng cung cấp điện.
- Những nơi sản xuất ra điện thường ở cách xa nơi tiêu thụ. nơi phát điện và
hộ tiêu thụ được kết nối lưới điện và tạo thành hệ thống điện. Với đặc điểm về địa
điểm và số lượng cung/cầu nhiều nguồn điện có thế tập trung vào một đường
truyền cụ thể, việc truyền dẫn cần phải có dây dẫn do đó dẫn đến khả năng gián
đoạn cung cấp điện do sự cố trên đường dây và khó khăn trong việc cung cấp điện
cho các ứng dụng di động.
1.1.2. Nhu cầu lưu trữ điện năng
a) Chi phí sản xuất cao trong giờ cao điểm
Nhu cầu dùng điện thay đổi theo thời gian trong ngày khiến cho giá bán điện
cũng thay đổi theo. Giá điện ở thời kỳ cao điểm cao hơn và ở thời kỳ thấp điểm
thấp hơn. Điều này được gây ra bởi sự khác biệt về chi phí sản xuất trong từng
thời kỳ.
Trong thời kỳ cao điểm khi mức tiêu thụ điện cao hơn mức trung bình, các
nhà cung cấp điện phải bổ sung các nhà máy điện có chi phí cao với các hình thức
sản xuất ít hiệu quả hơn như dầu và gas để phát điện. Trong thời kỳ thấp điểm khi
tiêu thụ ít điện năng hơn, các loại phát điện tốn kém có thể bị dừng lại. Đây là cơ
hội cho chủ sở hữu các hệ thống EES được hưởng lợi về mặt tài chính. Từ quan
điểm tiện ích, có một tiềm năng rất lớn để giảm tổng chi phí sản xuất bằng cách

loại bỏ các phương pháp tốn kém hơn, thông qua việc lưu trữ điện được tạo ra bởi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


6

các nhà máy điện giá rẻ trong đêm được lắp lại vào lưới điện trong thời kỳ cao
điểm.
Với sự phát triển nà thâm nhập vào lưới điện các hệ thống năng lượng mặt
trời và năng lượng gió, năng lương Thặng dư có thể được lưu trữ trong EES và
được sử dụng để giảm chi phí sản xuất. Ngược lại, theo quan điểm của người tiêu
dùng, EES có thể giảm chi phí điện vì nó có thể lưu trữ điện được mua với giá
thấp và có thể sử dụng nó trong thời kỳ cao điểm ở nơi có điện năng đắt đỏ. Người
tiêu dùng sạc pin trong giờ thấp điểm cũng có thể bán điện cho các nhà cung cấp
hoặc cho người tiêu dùng khác trong giờ cao điểm.
b) Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) có thể được sử dụng để cân bằng giữa
cung và cầu năng lượng điện. Quá trình này bao gồm việc chuyển đổi và lưu trữ
năng lượng điện từ từ một nguồn có sẵn thành một dạng năng lượng khác và chúng
có thể chuyển đổi thành điện năng khi cần thiết. Các hình thức chuyển đổi năng
lượng lưu trữ có thể là hóa học cơ học, nhiệt hoặc từ tính. Bộ lưu trữ cho phép
xuất điện khi cần thiết và lưu trữ khi sản xuất vượt q nhu cầu (Hình 2.1). Lưu
trữ có thể vào thời điểm nhu cầu thấp, chi phí sản xuất thấp hoặc khi các nguồn
năng lượng có sẵn khơng liên tục. Đồng thời năng lương lưu trữ có thể được tiêu
thụ tại các thời điểm có nhu cầu cao, chi phí sản xuất cao hoặc khi khơng có nguồn
phát khả dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


7

Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống lưu giữ năng lượng trong lưới điện
Với nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng dẫn đến việc tăng giá
điện và các phương pháp sản xuất điện truyền thống ngày càng ít có khả năng
thích ứng dẫn đến sự tham gia ngày càng nhiều các nguồn năng lượng tái tạo và
các nguồn phát phân tán. Tuy nhiên việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo
cũng có thách thức khơng nhỏ do tính khơng liên tục của chúng trong một khoảng
thời gian. Tại thời điểm khi nguồn năng lượng tái tạo cung cấp năng lượng có thể
có nhu cầu thấp nhưng khi có nhu cầu thì chúng khơng đủ đáp ứng. Ngoài ra hoạt
động của các nguồn năng lượng tái tạo còn biến đổi theo mùa, theo điều kiện thời
tiết, ngay, đêm tạo ra vấn đề về độ ổn định và độ tin cậy cung cấp điện. Vì vậy
lưu trữ năng lượng là nhu cầu thiết yếu.
1.2. CÁC HÌNH THỨC LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG

Các hình thức lưu trữ năng lượng truyền thống là acqui và pin nhiên liệu
1.1.1. Acqui
Hiện nay chúng ta có nhiều loại ắc quy, trong đó hai loại cơ bản là ắc quy
axit và ắc quy kiềm.
a) Acqui axit
Cấu tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


8

Hinh 1 .2 Cấu tạo tổng quát ắc quy axit - lead acid battery

- Bình acqui được chia thành nhiều ngăn, thong thường là 6 ngăn. Mỗi ngăn
acqui đơn cho điện áp đầu ra là 2V. Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn với
nhau ta sẽ có bộ nguồn acqui là 12V.
- Vỏ bình acqui được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt,
do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite. Phía trong vỏ bình có các
vách ngăn để tạo thành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một acqui
đơn. Dưới đáy bình ta làm hai yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực. Mục đích là để các
bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi trong đáy bình có lắng đọng các cặn
bẩn.
- Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn
các xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt
tính bám trên bản cực. Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ơ
trên bản cực là dioxit chì. Nếu bản cực dung làm bản cực âm thì chất hoạt tính
được sử dụng là chì xốp. Khi acqui hoạt động chất hoạt tính tham gia đồng thời
vào các phản ứng hoá học càng nhiều càng tốt, do đó để tăng bề mặt tiếp xúc của
các chất hoạt tính với dung dịch điện phân, người ta chế tạo chất hoạt tính có độ
xốp, đồng thời đem ghép những tấm cực cùng tên song song với nhau thành một
chum cực ở trong mỗi ngăn của acqui đơn. Chùm bản cực dương và chum bản
cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng giữa hai bản cực khác tên lại được đặt them

một tấm cách, tấm cách được làm từ chất cách điện để cách điện giữa hai bản cực
như nhựa xốp, thuỷ tinh hay gỗ.
- Phần nắp của acqui để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa
bụi và các vật khác từ bên ngồi rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho
dung dịch điện phân khơng bị tràn ra ngồi. Trên nắp bình có các lỗ để đổ và kiểm tra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


9

dung dịch điện phân, các lỗ này được nút kín bằng các nút có lỗ
thơng hơi nhỏ. Ở một số loại ắcquy lỗ thong hơi có thể được chế tạo riêng
biệt.
Để đảm bảo về độ kín của bình acqui, xung quanh mép của nắp acqui và
xung quanh các lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa chuyên dụng. Dung
dịch điện phân dung trong acqui thường là hỗn hợp axit sunfuric H2SO4
được pha chế theo tỷ lệ nhất định với nước cất.
Nguyên lý làm việc
* Quá trình nạp:

Hình 1.3. Nguyên lý nạp điện của ắc quy axit | lead acid battery
Khi acqui đã được lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn
bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO4). Vì chì tác
dụng với axit theo phản ứng:
PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


10

Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của acqui thì dịng điện
một chiều được khép kín qua mạch ăcquy và dòng điện đi theo chiều: Cực
dương của nguồn một chiều → Dung dịch điện phân → Đầu cực 2 của ăcquy
→ Cực âm của nguồn một chiều.
Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân ly:
H2SO4 → 2H+ + SO2-4
Cation H+ theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo
thành phản ứng tại đó:
2H+ + PbSO4 → H2SO4 + Pb
Các anion SO2-4 chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn điện và
cũng tạo thành phản ứng tại đó:
PbSO4 + H2O + SO2-4 → PbO2 + 2H2SO4
Kết quả là ở bản cực nối với dương nguồn điện có PbO2 (chì dioxit) và ở
chùm bản cực kia có chì Pb, như vậy ở hai chùm bản cực đã có sự khác nhau
về cực tính.
Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng
axit sunfuric bổ sung vào dung dịch điện phân, đồng thời trong q trình nạp
điện dịng điện cịn phân tích ra trong dung dịch điện phân khí hydro (H2) và oxy
(O2), lượng khí này sủi lên như bọt nước và bay đi, do đó nồng độ của
dung dịch điện phân trong quá trình nạp điện được tăng lên.
Acqui được coi là đã nạp đầy khi quan sát thấy dung dịch sủi bọt đều (gọi
đó là hiện tượng sơi). Lúc đó ta có thể ngắt nguồn nạp và xem như q trình

nạp điện cho acqui đã hồn thành.
* Q trình phóng điện của acqui:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


11

Nối hai bản cực của acqui đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một
bong đèn thì năng lượng tích trữ trong acqui sẽ phóng qua tải, làm cho
bóng đèn sáng. Dịng điện của ăcquy sẽ đi theo chiều: Cực dương của ăcquy
(đầu cực đã nối với cực dương nguồn nạp) → Tải (bóng đèn) → Cực âm của
ăcquy → Dung dịch điện phân → Cực dương của ăcquy.

Hình 1.4 Ngun lý phóng điện của ắc quy axit | lead acid battery
Q trình phóng điện của ăcquy, phản ứng hoá học xảy ra trong ăcquy như
sau:
Tại cực dương:
PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O
Tại cực âm:
Pb + SO2-4 → PbSO4 + 2e
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :

12

Như vậy khi ăcquy phóng điện, chì sunfat lại được hình thành ở hai bản
cực, làm cho các bản cực dần trở lại giống nhau, còn dung dịch axit bị phân
thành cation 2H+ và anion SO2-4 , đồng thời quá trình cũng tạo ra nước trong
dung dịch, do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăcquy
cũng giảm dần.

2 Acqui kiềm
a. Nguyên lý làm việc:
Ăcquy kiềm là loại ăcquy mà dung dịch điện phân được dùng trong ăcquy
là dung dịch kiềm KOH và NaOH. Tuỳ thuộc vào cấu tạo của bản cực, ăcquy
kiềm được chia thành 3 loại:
- Loại ăcquy sắt – niken, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng sắt (Fe) và
niken (Ni).
- Loại ăcquy cadimi – niken, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng cadimi
(Cd) và niken (Ni).
- Loại ăcquy bạc – kẽm, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng bạc (Ag) và
kẽm (Zn).
Trong ba loại trên thì loại thứ ba có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị
trọng lượng và một đơn vị thể tích là lớn hơn, nhưng giá thành của nó lại cao
hơn vì phải sử dụng khối lượng bạc tới 30% khối lượng của chất tác dụng, do
đó loại này ít dùng. So với acqui axit, acqui kiềm có nhược điểm là giá thành cao
hơn, điện trở trong lớn hơn, nhưng nó lại có các ưu điểm sau:
- Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài
- Trong điều kiện máy khởi động, làm việc nặng nề hoặc cần có yêu cầu về
độ tin cậy cao thì nó có tính ưu việt hơn hẳn acqui axit.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


13

- Q trình nạp điện cho acqui kiềm khơng địi hỏi nghiêm ngặt về dòng điện
nạp. Trị số dòng điện này có thể lớn gấp 3 lần dịng định mức cũng chưa làm hỏng
được acqui. Acqui kiềm có cấu tạo tương tự như acqui axit, tức là nó cũng gồm
dung dịch điện phân, vỏ bình acqui, các bản cực,... Bản cực của acqui kiềm được
chế tạo thành dạng thỏi hoặc không thỏi. Giữa các bản cực được ngăn cách bởi
các tấm ebonit. Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được hàn nối như chùm
bản cực của acqui axit để đưa ra các vấu cực cho acqui. Các chùm bản cực được
đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa
vinhiplat. Loại acqui dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi thỏi là một hộp làm bằng
thép lá trên bề mặt có khoan nhiều lỗ: Φ = 0,2-0,3 mm để cho dung dịch thấm
qua. Nếu là acqui kiềm sắt – niken thì trong hộp bản cực âm chứa sắt đặc
biệt thuần khiết, còn trong bản cực dương là hỗn hợp 75%NiO.OH và 25%
bột than hoạt tính. Loại acqui kiềm dùng bản cực khơng phân thỏi, thì bản cực
được chế tạo theo kiểu khung xương, rồi đem các chất tác dụng có cấu trúc xốp
mịn để ép vào các lỗ nhỏ trên bản cực. Giống như trong acqui axit, q trình hố
học trong ăcquy kiềm cũng là quá trình thuận nghịch. Nếu bản cực của acqui kiềm
là sắt-niken thì phản ứng hố học xẩy ra trong ăcquy như sau:
Trên bản cực dương:
Ni(OH)2 + KOH + OH- Ni(OH)3 + KOH
Trên bản cực âm:
Fe(OH)2 + KOH Fe + KOH + 2OH
Như vậy quá trình nạp điện, sắt hidroxit trên bản cực âm bị phân tích thành

sắt nguyên tố và anion OH-. Còn ở bản cực dương, Ni(OH)2 được chuyển hố
thành Ni(OH)3. Chất điện phân KOH có thể xem như nó khơng tham gia vào phản
ứng hố học mà chỉ đóng vai trị chất dẫn điện, do đó sức điện động của ăcquy
hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân. Sức điện động của acqui
chỉ đựoc xác định dựa trên trạng thái của các chất tác dụng ở các tấm cực. Thơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


14

thường acqui kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động sẽ đạt
được khoảng 1,7 đến 1,85V. Khi acqui đã phóng điện hồn tồn, sức điện động
của ăcquy là 1,2 đến 1,4V. Như vậy điện thế phóng điện của acqui kiềm thấp hơn
acqui axit. Nếu ở acqui axit điện thế phóng điện bình qn là 2V thì ở acqui kiềm
chỉ là 1,2V. Hiện nay các nhà thiết kế, chế tạo acqui chưa dừng lại ở những kết
quả đã đạt được, người ta đã chế tạo được những acqui kiềm mới khá nhỏ và
nhẹ, nhưng vẫn có các thơng số kỹ thuật của acqui axit. Những acqui mới đang
hướng tới việc thay thế các bản cực bằng những hợp kim mới có khả năng chống
han gỉ, giảm kích thước và tăng tính bền vững. Những tạp chất mới được trộn vào
trong chất tác dụng sẽ cải thiện đặc tính phóng điện của ăcquy một cách đáng kể.
Nhiều acqui mới đã không có cầu nối trên nắp và kết cầu vỏ bình cũng thay bằng
những vật liệu rất nhẹ nên giảm được chiều dày thành bình, acqui cũng ít phải
chăm sóc hơn.
1.2.2. Pin nạp xả
a. Phân biệt Pin và Ắc quy
Để hiểu rõ sự khác nhau giữa Pin và ắc quy chúng ta phải tìm hiểu chuyên

sâu về nguyên lý cấu tạo của "Battery". Ta có thể tóm tắt một điều rằng Pin và Ắc
quy trong tiếng anh kỹ thuật điều gọi chung là “Battery”, chúng giống nhau về
nguyên lý tạo ra điện năng, nhưng hoàn toàn khác nhau về hoạt động. “Battery”
được phân làm 2 loại, cụ thể như sau:
+ Primary Batteries: Tích trữ điện năng hóa học sơ cấp, tức là không thể
phục hồi điện năng lại được. Loại này được dịch sang tiếng việt là Pin. Theo cấu
tạo bản cực và dung dịch điện phân của Pin sẽ có rất nhiều loại Pin khác nhau
như: Pin Zinc-Carbon, Pin Magnesium and Aluminum, Pin Alkaline-Manganese
Dioxide, Pin Mercuric Oxide, Pin Silver Oxide, Pin Zinc/Air, Pin Lithium, Pin
Solid-Electrolyte.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


15

+ Secondary Batteries (Theo tiếng pháp là Accumulator battery): Tích trữ
điện năng hóa học thứ cấp, tức là có thể tái nạp điện lại được (sạc lại). Loại này
được dịch sang tiếng việt là Ắc quy. Cũng tùy theo cấu tạo của bản cực và dung
dịch điện phân của Ắc quy mà ta sẽ có rất nhiều loại Ắc quy khác nhau như: Ắc
quy Lead-Acid (Axit-chì), Ắc quy Nickel-Cadmium, Ắc quy Nickel-Zinc, Ắc quy
Nickel-Hydroge

,Ắc

quy

Silver

Oxide, Ắc

quy

Rechargeable

Lithium/Zinc/Alkaline/Manganese Dioxide (loại này ta hay gọi theo nghĩa tiếng
việt là Pin sạc), Ắc quy Lithium-Ion.
Đôi lúc trong sử dụng ta rất hay nhằm lẫn giữa Pin và Ắc quy. Nhưng để
hiểu chính xác từ xuất phát nghĩa tiếng Anh của chúng thì Pin là khơng thể nạp
lại sau khi hết điện năng, còn Ắc quy là có thể tái nạp lại điện năng nhiều lần. Một
số ứng dụng cho máy tính (laptop), xe đạp điện, đèn pin…ta hay gọi là Pin
sạc chính xác nó phải được gọi là Ắc quy, tuy nhiên do cấu tạo gần giống với Pin
nên ta hay gọi là Pin sạc.
b. Các thông số cơ bản của Pin
1. Dung lượng pin.
Thông số quan trọng đầu tiên là dung lượng pin. Dung lượng (C) pin thường
có đơn vị là mAh, đọc là mili Ampe/ giờ. Công thức chung là: C (Ah)=I (A).t(h)
VD: 1 cục pin ghi là 3000mAh, điều này có nghĩa là dung lượng danh nghĩa
của cục pin này là C=3000mAh. Tức là nếu nó cấp cho tải 1 dịng điện 3000mA
khơng đổi thì nó sẽ cấp liên tục trong 1h thì hết pin. Nếu nó cấp 1 dịng điện
1000mA liên tục, thì pin có thể cấp điện đến 3h liên tục thì hết. Cịn nếu pin cấp
điện ở mức 6A, thì với dung lượng 3000mAh pin sẽ có thể cấp điện liên tục 30
phút
Và ta cần lưu ý 1 điều, chỉ số dung lượng ghi trên pin chỉ là mức danh nghĩa.
Dung lượng thực tế có thể khác so với dung lượng danh nghĩa. Nó phụ thuộc vào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


16

điều kiện môi trường Pin làm việc như nhiệt độ cao hay thấp, dòng điện xả lớn
hay nhỏ…
2. Hiệu điện thế trung bình
Đây là thơng số quan trọng thứ 2. Một viên pin ghi hiệu điện thế là 3.7V, có
nghĩa là từ lúc đầy pin đến lúc hết pin, hiệu điện thế trung bình của pin là 3.7V.
Là trung bình 3.7V, chứ không phải cấp đều đều 3.7V đâu nhé các bạn. Khi
pin đầy thì hiệu điện thế có thể lên đến 4.2V, khi pin yếu thì chỉ cịn dưới 3V.
Tương tự với pin niken như pin AA, pin C, D v.v... Trên pin ghi là 1.5V, có
nghĩa là trung bình của pin từ lúc đầy pin đến lúc hết pin là 1.5V, thực tế khi pin
đầy hiệu điện thế là khoảng 1.6-1.7V, và khi pin cạn còn khoảng 1.2-1.3V.
3. Dòng xả tối đa.
Dòng xả là khả năng cấp điện của 1 viên pin. Thơng số này có đơn vị là C,
VD 1C, 2C, 10C v.v...
Pin có dịng xả 1C có nghĩa là nếu pin có dung lượng C=2000mAh, thì pin
có thể xả tối đa 2000mA, nếu bạn xả quá mức, có thể gây giảm tuổi thọ pin, thậm
chí có thể gây cháy nổ.
Pin có dịng xả 2C thì có nghĩa là nếu pin có dung lượng C=2000mAh, thì pin
có thể xả tối đa 4000mA, nếu xả q thì có thể giảm tuổi thọ hoặc gây cháy nổ.
Thông số dung lượng và dịng xả tối đa là 2 thơng số mà nhiều người hay
nhầm lẫn, phần lớn là nhầm lẫn dung lượng là dịng xả. Thấy pin ghi 2000mAh
thì nghĩ pin chỉ xả được 2000mA thôi. Tuy nhiên khả năng xả của pin hoàn toàn
khác, muốn biết ngoài việc coi dung lượng pin, còn phải biết chỉ số xả của pin là

bao nhiêu.
Với pin lithium thì dịng xả thường là 2C, pin LiFe thì dịng cả có thể lên đến
10C, 20C, thậm chí 40-50C.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :