bài giảng Tích trữ năng lượng

408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1

/>
Bài giảng 10

1


Ch. 5: Tích trữ năng lượng
5.1. Giới thiệu về tích trữ năng lượng
5.2. Hệ thống trữ năng siêu dẫn
5.3. Bánh đà
5.4. Các loại pin/ắc-quy
5.5. Ắc-quy chì-axit
5.6. Ắc-quy lithium
5.7. Siêu tụ điện (supercapacitor, ultracapacitor)
Bài giảng 10

2


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.
 Các công nghệ phổ biến
 Các hệ thống trữ năng siêu dẫn
 Các công nghệ bánh đà

 Các công nghệ ắc-quy
 Siêu tụ điện

Bài giảng 10

3


Giới thiệu về tích trữ năng lượng

Bài giảng 10

4


Hệ thống trữ năng dùng siêu dẫn
 Thiết bị đặc biệt: hệ thống làm lạnh, chỉ có hiệu quả với hệ
thống lớn.
AC
Line

Transformer

Power Conversion System
CSI
or
VSI + dc-dc chopper

Bypass
Switch

Dewar
ICoil

Coil

VCoil

Cryogenic
System
Controller

Bài giảng 10

Coil Protection

5


Hệ thống trữ năng dùng siêu dẫn

Bài giảng 10

6


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).

1 2
E = Jω
2

1
2
J = mR
2
Bài giảng 10

7


Hệ thống trữ năng dùng bánh đà

Bài giảng 10

8


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 kềnmangan. 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.
Bài giảng 10

9


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 lithium-ion-cobalt, lithium-ion-manganese, và lithiumion-phosphate
 Lithium-polymer (Li-Po)

Bài giảng 10

10


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.
Bài giảng 10

11


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.
Bài giảng 10

12


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.
Bài giảng 10

13


Nạp điện cho ắc-quy chì-axit
 Giai đoạn 1: điện áp tăng
ở dòng điện không đổi.
Giải đoạn 2: điện áp đạt
đỉnh, dòng điện giảm dần.
Giai đoạn 3: nạp thả nổi
bù cho việc tự phóng
điện, điện áp giảm xuống.

Bài giảng 10

14


Nạp điện cho ắc-quy chì-axit
 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.
Bài giảng 10

15


Nạp điện cho ắc-quy chì-axit
 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
(nhiệt độ tăng thì điện áp cũng tăng).
Bài giảng 10

16


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.
Bài giảng 10

17


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.
 Nhược điểm là cần có mạch bảo vệ và giá thành còn cao.
Bài giảng 10

18

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

Bài giảng 10

19


Ắc-quy lithium-ion
Specifications

Li-cobalt
LiCoO2 (LCO)

Li-manganese
LiMn2O4 (LMO)

Li-phosphate
LiFePO4 (LFP)

NMC
LiNiMnCoO2

Voltage

3.60V

3.80V

3.30V

3.60/3.70V

Charge limit

4.20V

4.20V

3.60V

4.20V

Cycle life

500–1,000

500–1,000

1,000–2,000

1,000–2,000

Operating
temperature

Average

Average

Good

Good

Specific energy

150–190Wh/kg

100–135Wh/kg

90–120Wh/kg

140-180Wh/kg

Specific power

1C

10C, 40C pulse

35C continuous

10C

Bài giảng 10

20


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.
Bài giảng 10

21


Nạp điện ắc-quy lithium-ion
 Ắc-quy Li-ion xem
nạp đầy khi dòng
điện giảm xuống
một mức đã định
trước, hoặc không
thể giảm nữa.
 Một số bộ sạc có

chế độ nạp bổ sung
khi điện áp ngăn
còn 4,05 V.
Bài giảng 10

22


Nạp điện ắc-quy lithium-ion
 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.
Bài giảng 10

23


Nạp điện ắc-quy lithium-ion
 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.

Bài giảng 10

24


Nạp điện ắc-quy lithium-ion
Charge
V/cell

Capacity at
cut-off voltage

Charge
time

Capacity with
full saturation

3.80
3.90
4.00
4.10
4.20

60%

70%
75%
80%
85%

120 min
135 min
150 min
165 min
180 min

65%
76%
82%
87%
100%

Bài giảng 10

25