Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Tích trữ năng lượng (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Tích trữ năng lượng (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

1. 408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng 10 1
2. 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
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. ➢ 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
4. Giới thiệu về tích trữ năng lượng Bài giảng 10 4
5. Hệ thống trữ năng dùng siêu dẫn ➢ Thiết bị đặc biệt: hệ thống làm lạnh, chỉ có hiệu quả với hệ thống lớn. AC Dewar Transformer Power Conversion System Bypass Line I CSI Switch Coil Coil or VSI + dc-dc chopper VCoil Cryogenic System Controller Coil Protection Bài giảng 10 5
6. Hệ thống trữ năng dùng siêu dẫn Bài giảng 10 6
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). 1 2 1 E = J J = mR2 2 2 Bài giảng 10 7
8. Hệ thống trữ năng dùng bánh đà Bài giảng 10 8
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. Bài giảng 10 9
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 lithium-ion-cobalt, lithium-ion-manganese, và lithium- ion-phosphate ▪ Lithium-polymer (Li-Po) Bài giảng 10 10
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. Bài giảng 10 11
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. Bài giảng 10 12
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. Bài giảng 10 13
14. 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
15. 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
16. 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
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. Bài giảng 10 17
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. ➢ Nhược điểm là cần có mạch bảo vệ và giá thành còn cao. Bài giảng 10 18
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. Bài giảng 10 19
20. Ắc-quy lithium-ion Li-cobalt Li-manganese Li-phosphate NMC Specifications LiCoO2 (LCO) LiMn2O4 (LMO) LiFePO4 (LFP) 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 Average Average Good Good temperature 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
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. Bài giảng 10 21
22. 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
23. 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
24. 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
25. Nạp điện ắc-quy lithium-ion ➢Charge Capacity at Charge Capacity with V/cell cut-off voltage time full saturation 3.80 60% 120 min 65% 3.90 70% 135 min 76% 4.00 75% 150 min 82% 4.10 80% 165 min 87% 4.20 85% 180 min 100% Bài giảng 10 25
26. Nạp điện ắc-quy lithium-ion ➢ 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. ➢ Khi nạp điện cho pin Li-ion trong các thiết bị xách tay thì phải tắt thiết bị, để ngưỡng điện áp không bị ảnh hưởng. Bài giảng 10 26
27. Nạp điện ắc-quy lithium-ion ➢ 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. Bài giảng 10 27
28. Lithium-ion burnout Bài giảng 10 28
29. Lithium-polymer overcharging Bài giảng 10 29
30. Siêu tụ điện ➢ Siêu tụ điện khác với tụ điện thông thường ở chỗ nó có điện dung rất lớn. ➢ Tụ điện tĩnh dùng điện môi khô, điện dung đạt vài mF. ➢ Tụ điện giải dùng điện môi ướt, điện dung đạt vài chục mF. ➢ Siêu tụ điện có điện dung tính bằng F, dùng để lưu trữ năng lượng. Bài giảng 10 30
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. Bài giảng 10 31
32. Siêu tụ điện ➢ 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 phí phát sinh. Bài giảng 10 32
33. Siêu tụ điện ➢ So sánh siêu tụ điện và pin/ắc-quy Li-ion Function Supercapacitor Lithium-ion (general) Charge time 1–10 seconds 10–60 minutes Cycle life 1 million or 30,000h 500 and higher Cell voltage 2.3 to 2.75V 3.6 to 3.7V Specific energy (Wh/kg) 5 (typical) 100–200 Specific power (W/kg) Up to 10,000 1,000 to 3,000 Cost per Wh $20 (typical) $0.50-$1.00 (large system) Service life (in vehicle) 10 to 15 years 5 to 10 years Charge temperature –40 to 65°C (–40 to 149°F) 0 to 45°C (32°to 113°F) Discharge temperature –40 to 65°C (–40 to 149°F) –20 to 60°C (–4 to 140°F) Bài giảng 10 33
34. Siêu tụ điện ➢ 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. ➢ Siêu tụ điện có số lần nạp/phóng điện gần như vô hạn. Bài giảng 10 34
35. Siêu tụ điện ➢ 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 ắc- quy không cạnh tranh nhau, mà phục vụ cho những ứng dụng riêng biệt. Bài giảng 10 35
36. Siêu tụ điện 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 cao mà không gây hại cho thiết bị. Bài giảng 10 36
37. Siêu tụ điện 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. Bài giảng 10 37
38. Siêu tụ điện và những công nghệ khác Bài giảng 10 38