Nghiên cứu một số giải pháp chuyển đổi và công nghệ lưu trữ năng lượng trên phương tiện vận tải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu số giải pháp chuyển đổi công nghệ lưu trữ lượng phương tiện vận tải VŨ QUANG HUY Huy.VQ202087M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật ô tô Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Đăng Quốc Chữ ký GVHD Khoa: Cơ khí động lực HÀ NỘI, 10/2022 Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo thuộc nhóm chun mơn Hệ thống động lực Ơ tơ nhóm chun mơn Ơ tơ Xe chun dụng, khoa Cơ khí Động lực, trường Cơ khí tận tình hướng dẫn em suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy giáo hướng dẫn TS Trần Đăng Quốc, giảng viên khoa Cơ khí Động lực, trường Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn Mặc dù em cố gắng hoàn thành luận văn cách hoàn chỉnh song kiến thức hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót mà thân chưa thấy được, nên em mong nhận góp ý Thầy giáo, Cô giáo để luận văn hồn chỉnh Cuối em xin kính chúc Thầy giáo, Cơ giáo thuộc nhóm chun mơn Hệ thống động lực Ơ tơ nhóm chun mơn Ô tô Xe chuyên dụng luôn mạnh khỏe đầy nhiệt huyết để tiếp tục truyền thụ kiến thức quý báu cho hệ Hà Nội, ngày……tháng 10 năm 2022 Học viên thực VŨ QUANG HUY Tóm tắt nội dung luận văn Được phân công hướng dẫn Thầy giáo TS Trần Đăng Quốc em thực đề tài: “Nghiên cứu số giải pháp chuyển đổi công nghệ lưu trữ lượng phương tiện vận tải” Mục tiêu cụ thể luận văn chia thành ba nội dung ba chương: Chương Tổng quan lượng tái tạo Chương Nghiên cứu phương tiện vận tải sử dụng lượng điện Chương Nghiên cứu công nghệ lưu trữ lượng phương tiện vận tải điện HỌC VIÊN VŨ QUANG HUY MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 12 1.1 Năng lượng tái tạo 12 1.2 Năng lượng gió 13 1.3 Năng lượng mặt trời 15 1.4 Năng lượng thủy triều 17 1.5 Năng lượng sóng 22 1.6 Năng lượng địa nhiệt 23 1.7 Thủy 25 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 28 2.1 Khái quát chung ô tô điện 28 2.1.1 Quá trình phát triển ô tô điện 28 2.1.2 Xe hybrid không sạc điện từ bên (HEV) 28 2.1.3 Xe Plug-in Hybrid (PHEV) 31 2.2 Xe ô tô điện 33 2.3 Xe nâng điện (Forklift truck) 35 2.3.1 Xe buýt chạy lưới điện 37 2.3.2 Xe buýt điện sử dụng pin 41 2.4 Tàu điện 43 2.4.1 Ưu điểm 43 2.4.2 Nhược điểm 44 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI ĐIỆN 45 3.1 Ắc quy (Pin điện hoá) 45 3.1.1 Pin axit-chì 47 3.1.2 Pin Niken 48 3.1.3 Pin kim loại-khí 50 3.1.4 Pin natri-lưu huỳnh 51 3.1.5 Pin ZEBRA 52 3.1.6 Pin Lithium 53 3.2 Pin nhiên liệu hydro 56 3.2.1 Tổng quan pin nhiên liệu 56 3.2.2 Pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc 59 3.2.3 Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy 60 3.2.4 Pin nhiên liệu oxit rắn 61 3.2.5 Pin nhiên liệu axit photphoric 62 3.2.6 Pin nhiên liệu kiềm 63 3.3 Kiểm soát nhiệt độ pin 66 3.3.1 Tầm quan trọng hệ thống làm mát 66 3.3.2 Hệ thống làm mát cho pin 66 3.4 Các giải pháp thu hồi lượng 69 3.4.1 Siêu tụ điện 69 3.4.2 Bánh đà 80 3.5 Xác định dung lượng pin cho phương tiện vận tải 85 3.5.1 Các thông số so sánh pin 85 3.5.2 Xác định kích thước tuổi thọ pin 87 3.5.3 Xác định pin dùng cho xe điện (BEV) 90 3.5.4 Xác định pin dùng cho xe Plug in Hybrid (PHEV) 92 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 Danh mục hình ảnh Hình 1 Năng lượng tái tạo giới 12 Hình Tiêu thụ lượng toàn cầu 13 Hình Cấu tạo pin mặt trời 16 Hình Mơ hiệu ứng quang điện 16 Hình Hệ thống máy phát điện lượng mặt trời động Stirling 17 Hình Đập nước phát điện thủy triều bắc ngang sông Rane` 18 Hình Máy phát điện thủy triều trục ngang đặt chìm 18 Hình Tua- bin máy phát điện thủy triều trục đứng 18 Hình Tua- bin máy phát điện thủy triều trục nghiêng 19 Hình 10 Mơ hình đập phát điện thủy triều 19 Hình 11 Sơ đồ hệ thống phát điện địa nhiệt 24 Hình 12 Khai thác địa nhiệt giới 25 Hình 13 Sản lượng điện hàng năm quốc gia 27 Hình Xe hybrid xe điện 29 Hình 2 Cấu tạo xe HEV - Hybrid Electric Vehicle 29 Hình Kiểu xe hybrid nối tiếp 30 Hình Kiểu xe hybrid song song 30 Hình Kiểu xe hybrid hỗn hợp 31 Hình Cấu tạo xe PHEV- Plug in Hybrid Electric Vehicles 33 Hình Bố trí hệ thống động lực EV 34 Hình Xe forklift điện forklift động đốt 35 Hình Giảm tượng rung lắc xe forklift điện 36 Hình 10 Sơ đồ cấu tạo xe điện bánh 39 Hình 11 Hệ động lực xe điện bánh 39 Hình 12 Xe điện bánh hai cầu 40 Hình 13 Xe điện bánh ba cầu có khớp xoay 40 Hình 14 Xe điện bánh ba thân 40 Hình 15 Xe điện bánh hai tầng 41 Hình 16 Xe buýt điện sử dụng pin 42 Hình 17 Bố trí phận xe buýt điện 42 Hình 18 Trạm sạc điện nhanh 42 Hình 19 Công nghệ sạc điện không tiếp xúc 43 Hình 20 Đầu kéo tàu điện 44 Hình Pin Axít chì 48 Hình Pin Niken cadimium 49 Hình 3 Pin kẽm- khơng khí 50 Hình Pin kim loại khí 50 Hình Pin lưu huỳnh natri 51 Hình Pin Zebra 52 Hình Pin Li-ion 54 Hình Hệ thống pin Li- ion xe Chevroler Botl EV 55 Hình Hệ thống pin nhiên liệu Hydro xe 57 Hình 10 Sơ đồ pin nhiên liệu Hydro 58 Hình 11 Cấu tạo pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc 59 Hình 12 Sơ đồ dịng chất phản ứng pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy 61 Hình 13 Các pin nhiên liệu tàu Apollo 64 Hình 14 Bình hydro cao áp 65 Hình 15 Bộ pin Nissan Leaf làm mát khơng khí 67 Hình 16 Hệ làm mát pin khơng khí xe Toyota Prius 67 Hình 17 Hệ thống làm mát pin Tesla 68 Hình 18 Hệ thống làm mát chất lỏng Chevrolet Vol 68 Hình 19 Pin XING làm mát trực tiếp chất lỏng 69 Hình 20 Xe buýt sử dụng siêu tụ 70 Hình 21 Cấu trúc cacbon hoạt tính tạo hình 73 Hình 22 Cấu trúc ống nano cacbon 75 Hình 23 Cấu trúc cacbon củ hành 76 Hình 24 Cấu trúc sợi nano cacbon 77 Hình 25 Cấu tạo hệ thống lưu trữ lượng bánh đà 81 Hình 26 Các hình dạng bánh đà 82 Hình 27 Cấu tạo hộp số vơ cấp hệ thống KERS 83 Hình 28 Hệ thống phục hồi động sử dụng bánh đà 84 Hình 29 Đường cong phóng điện ngăn pin Li-ion 33,3 Ah 86 Hình 30 Các chu kỳ sạc/xả dung lượng so với điện áp pin Li-ion 88 Hình 31 Chu kỳ sạc/xả so với độ tự xả sâu (DOD) 89 Danh mục bảng biểu Bảng Loại pin sử dụng số mẫu xe 46 Bảng Cấu tạo số loại pin 55 Bảng 3 Phương trình phản ứng loại pin 56 Bảng Bảng thông số số hệ thống lưu trữ pin 56 Bảng So sánh siêu tụ điện với pin Li-on 72 Bảng Các thông số đại diện cho loại pin khác 85 ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài Phát triển kinh tế gắn liền với gia tăng nhu cầu lượng, ngành sử dụng nhiều lượng ngành công nghiệp, tiếp đến giao thơng vận tải, sau dịch vụ thương mại, dân dụng nông nghiệp Nguồn nhiên liệu để tạo lượng điện nước ta chủ yếu than đá dầu mỏ, theo số liệu thống kê trữ lượng nhiên liệu ngày cạn kiệt có giá cao Nếu tiếp tục phát triển nhà máy nhiệt điện than làm tăng giá thành điện bán nguy ô nhiễm môi trường khí thải lớn Trong đó, lượng thủy điện từ dịng sơng khơng khả khai thác lượng thủy điện nhỏ khai thác cho tổng công suất tối đa khoảng 7.000MW Để giải đồng thời hai vấn đề an ninh lượng phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống (than đá dầu mỏ), lượng sinh khối Việt Nam lấy từ nguồn nguyên liệu bã mía, dăm gỗ, trấu rơm rạ Trong tương lai phát triển quy hoạch quy mơ lớn, nguồn lượng sinh khối khơng cấp 2.000 MW điện, giảm phát thải carbon nhiễm mơi trường mà cịn đem lại lợi ích kinh tế cho người nông dân tham gia vào chuỗi giá trị lượng sinh học Tiềm phát triển lượng điện gió Việt Nam dao động khoảng 1.785MW - 8.700MW khó cạnh tranh với nguồn lượng khác không trợ giá từ Chính phủ Năng lượng địa nhiệt lấy từ lòng đất, Việt Nam nguồn lượng địa nhiệt phân bố rải rác khai thác đạt mức 340 MW Ngồi cịn nguồn lượng lấy từ biển tạo điện như: thủy triều, sóng biển, dịng hải lưu, băng cháy đáy biển cần khai thác sử dụng Trong tương lai mà khai thác nguồn lượng khác đến mức tới hạn nguồn lượng mặt trời tiềm lớn Việc phát triển kinh tế lượng kéo theo gia tăng ô nhiễm môi trường, đặc biệt nhiễm khơng khí thành phố lớn với 70% nguồn phát thải hoạt động giao thông gây Một giải pháp để phát triển kinh tế bền vững nước ta phát triển giao thơng xanh, phương tiện giao thơng hạn chế thải khí CO2 loại khí thải độc hại khác môi trường, đồng thời tăng cường sử dụng phương tiện giao thông công cộng Nhiên liệu phục vụ cho giao thơng xanh lượng tái tạo, điện, khí thiên nhiên sức người (xe đạp), xe ô tô điện giải pháp hiệu góp phần đẩy mạnh phát triển mạng lưới giao thơng công cộng Để phát triển cải thiện khả sử dụng xe điện phù hợp với nhu cầu thực tiễn “Nghiên cứu số giải pháp chuyển đổi công nghệ lưu trữ lượng phương tiện vận tải” cần thiết điều kiện nước ta Mục tiêu đề tài 2.1 Mục tiêu tổng quát Hiểu kiến thức số giải pháp chuyển đổi lượng tái tạo thành điện công nghệ lưu trữ lượng điện phương tiện vận tải 2.2 Mục tiêu cụ thể − Tìm hiểu tổng quan lượng tái tạo để khai thác công nghệ lưu trữ lượng cách hiệu quả, an toàn, tiết kiệm phù hợp với điều kiện thực tế nước ta − Nghiên cứu phương tiện vận tải sử dụng điện để đánh giá nhu cầu sử dụng điện ngành giao thơng, qua kiến nghị xây dựng quy hoạch phát triển sở hạ tầng cho phương tiện vận tải tương lai − Nghiên cứu công nghệ lưu trữ lượng phương tiện vận tải nắm nguyên lý, cấu tạo ưu nhược điểm công nghệ lưu trữ lượng sử dụng giới xác định loại pin phù hợp với loại phương tiện vận tải Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Nguồn lượng tái tạo, phương tiện vận tải sử dụng lượng điện giải pháp kỹ thuật để tích trữ lượng điện Lợi ích việc chuyển đổi lưu trữ lượng lĩnh vực giao thông vận tải 3.2 Phạm vi nghiên cứu Mối quan hệ chuyển đổi lượng tái tạo thành điện năng, sử dụng tích trữ điện phương tiện vận tải Phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu tổng quát ba mục tiêu đề ra, luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp, khái qt hố, hệ thống tổng quan, sở lý luận vấn đề nghiên cứu để đưa đánh giá nhận xét phù hợp với thực tế Việt Nam Ý nghĩa luận văn thực tiễn − Hệ thống hoá lại nguồn lượng tái tạo Việt Nam công nghệ lưu trữ lượng, để từ đưa nhận định việc phát triển sở hạ tầng phục vụ cho phương tiện vận tải sử dụng điện 10 Bánh đà thành phần hệ thống lưu trữ có dạng khối quay trịn với hai đầu trục gắn ổ trục có hệ số ma sát thấp gối lên stato Theo tốc độ quay bánh đà phân hệ thống lưu trữ lượng bánh đà thành hai loại bản: hệ thống tốc độ thấp có tốc độ quay khoảng 10.000 vịng/phút hệ thống tốc độ cao có tốc độ quay lên đến 100.000 vòng/phút) Bánh đà tốc độ thấp thường làm vật liệu kim loại thép, nhôm, magie, titan đặt ổ đỡ học từ tính có tổn thất khoảng 0,5% đến 1% công suất Các hệ thống bánh đà thường sử dụng để lưu trữ lượng khoảng thời gian dài Bánh đà tốc độ cao sử dụng loại vật liệu nhẹ tiên tiến sợi thủy tinh, sợi cacbon, kevla, boron, graphit, … Loại bánh đà có tổn thất khoảng 0,1% cơng suất đặt ổ đỡ từ tính siêu dẫn Nó thường dùng cho ứng dụng lưu trữ thời gian ngắn Các hệ thống bánh đà tốc độ cao có lượng tích trữ cao, khối lượng tổn thất thấp hệ thống tốc độ thấp Mặt khác, hệ thống tốc độ thấp lại có giá rẻ u cầu bảo trì [41] Hình 26 Các hình dạng bánh đà Bộ chuyển đổi lượng hệ thống máy điện, ghép nối với bánh đà hoạt động động máy phát Khi nạp lượng cho bánh đà, máy hoạt động động tăng tốc độ quay bánh đà, chuyển điện từ lưới thành động quay Khi trích suất lượng, máy hoạt động máy phát làm bánh đà chậm lại q trình phóng Các máy điện phổ biến thiết bị lưu trữ lượng bánh đà là: máy điện đồng nam châm vĩnh cửu, máy điện không đồng bộ, máy điện từ trở Trên phương tiện vận tải, chuyển đổi sử dụng hộp số vô cấp dùng hệ thống phục hồi động (KERS) 82 Hình 27 Cấu tạo hộp số vô cấp hệ thống KERS Hệ thống ổ trục ổ học từ tính tùy thuộc vào khối lượng bánh đà, tổn thất giới, yêu cầu bảo dưỡng Các ổ trục từ tính có tổn thất nhỏ khoảng 0,1%, cần có hệ thống điều khiển phức tạp, cần làm mát vận hành Trong ổ trục học có ma sát cao hơn, cần bơi trơn không cần nguồn cung cấp lượng hoạt động việc sử dụng ổ trục lai làm giảm tổn thất, phức tạp chi phí vận hành hệ thống Bánh đà quay theo hướng thẳng đứng trì ổ đỡ từ tính, chuyển động tịnh tiến quay hỗ trợ ổ trục học Vỏ có hai nhiệm vụ chính: cung cấp mơi trường cho lực cản khí thấp ngăn chặn rơto trường hợp hỏng hóc Vỏ phận đứng yên hệ thống bánh đà thường làm thép vật liệu có độ bền cao khác vật liệu tổng hợp Vỏ cần đủ độ kín trang bị bơm chân khơng để trì áp suất bên c) Ứng dụng Hệ thống điện Hệ thống lưu trữu lượng bánh đà chuyển đổi lượng nhanh chóng nên nhanh chóng bổ sung lấy lượng từ lưới điện để giữ cho điện áp tần số hệ thống phạm vi cho phép Hệ thống dùng để kiểm soát điện áp cố sụt áp Hệ thống sử dụng làm hệ thống lưu trữ lượng ngắn hạn có cố điện, hoạt động lưu trữ dự phòng vài giây đến vài phút trước nguồn dự phòng khác hoạt động Phương tiện vận tải Với động đốt thiết bị lưu trữ lượng bánh đà đơn giản lắp cho tất động để trì chuyển động động trơn tru Bánh đà động gắn vật lý với trục động piston làm cho trục quay, chúng cung cấp lượng cho bánh đà Năng lượng quay lưu trữ bánh đà giúp truyền động piston hành trình làm trơn tru việc cung cấp lượng không liên tục Một ứng dụng quan trọng cho bánh đà 83 phục hồi lượng phương tiện giới Khi xe phanh, bánh đà hấp thụ động chuyển động chuyển thành chuyển động quay Sau đó, lượng phục hồi cung cấp thêm lượng cho xe [42] Hệ thống giảm mức tiêu hao nhiên liệu lên đến 25% Hệ thống sử dụng xe đua F1 số mẫu xe thương mại Mỗi người lái đạp phanh, động chuyển đến bánh xe thông qua hệ thống phục hồi động KERS gắn trục bánh xe Động cung cấp lượng để làm quay bánh đà bên hệ thống Flywheel KERS, bánh đà lưu trữ lượng khoảng 20 phút trước giải phóng Khi người lái đạp ga trở lại, lượng lưu trữ truyền ngược lại bánh xe thông qua hộp số đặc biệt, giúp tăng cơng suất xe có nhu cầu tăng tốc mạnh mẽ, đơn giản giảm tải cho động cơ, từ giúp tiết kiệm hồn tồn lượng nhiên liệu tiêu hao cho việc tăng tốc Để tối ưu hóa hiệu hệ thống, bánh đà làm từ sợi cacbon, chứa hộp chân khơng quay với tốc độ lên đến 60.000 vòng/phút Hệ thống thiết kế động tự động ngắt tạm thời người lái đạp phanh Khi đó, tồn động chuyển thẳng đến bánh đà chúng dùng để tăng tốc xe cần vận hành trở lại mà không cần đến hỗ trợ từ động [43] Bánh đà sử dụng tàu vũ trụ, lượng tàu vũ trụ pin lượng mặt trời, tàu vào vùng tối bánh đà cung cấp lượng cho tàu Giải pháp sử dụng kết hợp bánh đà pin cho tàu vũ trụ kì vọng làm giảm trọng lượng tàu từ giảm chi phí vận hành Hình 28 Hệ thống phục hồi động sử dụng bánh đà 84 3.5 Xác định dung lượng pin cho phương tiện vận tải Pin thường xếp nối tiếp để đạt điện áp mức công suất cần thiết cho hệ thống truyền lực ô tô Điện áp ngăn pin phải cao tốt để tối đa hóa hiệu suất tổng thể hệ thống truyền lực Dịng điện cơng suất pin tỷ lệ thuận với kích thước pin Vì vậy, kích thước ngăn pin riêng lẻ sau lắp ghép tạo thành kích thước tổng thể để tạo cơng suất cần thiết 3.5.1 Các thông số so sánh pin Có nhiều thơng số liên quan đến cơng nghệ pin; thời điểm này, nên quan tâm đến thơng số quan trọng có yếu tố lựa chọn pin cho ô tô Trong tập trung vào pin chính, cần lưu ý hóa chất pin tối ưu hóa cho ứng dụng ô tô cụ thể Pin sử dụng cho xe Hybrid (HEV) thường có khả lưu trữ lượng nhỏ với phạm vi sử dụng lượng tương đối hẹp so với pin dành cho xe điện (BEV), thường có dung lượng lưu trữ lớn phạm vi hoạt động rộng a) Điện áp Điện áp ngăn pin chức phản ứng hóa học bên pin thay đổi đáng kể theo tình trạng sạc (SOC), thời gian hoạt động, nhiệt độ tốc độ sạc xả Điện áp danh định pin quan tâm thể cột thứ ba bảng 3.6 Điện áp danh định pin điện áp trung bình chu kỳ phóng điện đầy đủ Ví dụ, ngăn pin Li-ion có điện áp định mức 3,75 V, điện áp ngăn pin thực tế thay đổi từ khoảng 4,2 V sạc đầy thành 2,5 V xả đầy NiMH có điện áp ngăn pin danh định 1,2 V Vì pin tơ thường lắp thành chuỗi song song, điện áp ngăn pin cao, cần ngăn pin hơn, làm cho Li-ion trở nên hấp dẫn để chế tạo pin Axit-chì có điện áp danh định ngăn pin V Bảng Các thông số đại diện cho loại pin khác Loại pin Axit chì Ký hiệu PbA Điện áp ngăn pin (V) Năng lượng riêng (Wh/kg) Chu kỳ sạc, xả Công suất (W/kg) Tự xả (%/tháng) 35 ≈ 500 250 – 500 Nicken Metal hydride NiMH 1,2 30 – 100 > 1000 200 – 600 > 10 Lithium – ion Li-ion 3,8 80 – 160 > 1000 250 – 600 20000 NA NA Alkaline ZnMn O2 1,5 110 NA NA < 0,3 85 Hoạt động điện áp cao làm giảm tuổi thọ pin đáng kể Tương tự, hoạt động điện áp thấp dẫn đến hỏng ngăn pin Đồ thị đại diện điện áp ngăn pin hàm cơng suất trình bày hình 3.29 cho tốc độ phóng điện khác nhau, gọi đường cong phóng điện Trong hình 3.29, dung lượng ngăn pin khoảng 33,3 Ah cho lần phóng điện C/3 Bốn mức hiển thị: C/3 11,1 A, 1C 33,3 A, 1,8C 60 A, 2,7C 90 A Chúng ta thấy đặc điểm quan trọng pin Khi tốc độ phóng điện tăng lên, điện áp đầu cuối ngăn pin, nghĩa là, điện áp đầu ngăn pin, giảm xuống điện trở bên dẫn đến điện áp giảm ngăn pin Những tổn thất dẫn đến tăng nhiệt bên ngăn pin giảm lượng sẵn có Đối với ngăn pin thể hình 3.29, dung lượng khoảng 33,3 Ah cho lần xả C/3 Điều thú vị có thay đổi dung lượng tăng C Tuy nhiên, thấy sau lượng khả dụng giảm đáng kể tăng C - sụt giảm lượng hữu ích từ pin suy từ điện áp đầu cuối trung bình giảm hiển thị cho đường cong Hình 29 Đường cong phóng điện ngăn pin Li-ion 33,3 Ah b) Năng lượng riêng Năng lượng riêng pin đơn vị đo lượng tích trữ pin đơn vị trọng lượng Li-Ion có mật độ lượng cao loại pin, thể cột bảng 3.6 Năng lượng riêng pin Li-ion xấp xỉ đến lần lượng pin axit-chì c) Vịng đời Vịng đời thước đo số lần pin sạc xả trước hết tuổi thọ Pin điện hóa suy giảm theo thời gian cách sử dụng Các yếu tố nhiệt độ điện áp ngăn pin đóng vai trị quan trọng Một lần nữa, Li-ion có vịng đời cao NiMH tương tự Pin axít chì có tuổi thọ thấp đáng kể sạc lại Các giá trị danh nghĩa trích dẫn Bảng 3.4 86 đại diện cho 100% phóng điện sâu Lithium titanate (LiT) biến thể pin Li giúp loại bỏ vấn đề lão hóa đáng kể Li-ion Mặc dù LiT có điện áp ngăn pin lượng riêng thấp hơn, gia tăng đáng kể tuổi thọ chu kỳ làm cho pin trở thành lựa chọn hấp dẫn cho HEV d) Công suất Công suất thước đo khả phóng điện có sẵn từ pin đơn vị trọng lượng Axit-chì theo truyền thống thường có cơng suất riêng cao sử dụng làm pin khởi động cho ô tô thông thường Các loại pin hơn, chẳng hạn Li-ion NiMH, có cơng suất tương đương e) Tự xả pin Các pin điện hóa tiêu thụ lượng khơng sạc phóng điện Việc sử dụng lượng cách sử dụng ký sinh lượng dự trữ gọi q trình tự phóng điện Tỷ lệ tự phóng điện danh nghĩa hiển thị cho hóa chất khác bảng Tỷ lệ tự xả tương đối cao pin làm từ niken so với loại khác Có thể có mức tự xả ban đầu pin cao 24 sau sạc đầy, tốc độ giảm dần Tốc độ tự phóng điện tăng đáng kể theo nhiệt độ Lưu ý lượng tự xả Li-ion nhỏ 2%, khả tự xả tổng thể pin gần 5% hệ thống điện tử mạch quản lý pin yêu cầu thêm 3% 3.5.2 Xác định kích thước tuổi thọ pin Khơng giống nhiều sản phẩm điện điện tử, pin điện hóa có tuổi thọ tương đối ngắn tùy thuộc vào hóa học Các pin dùng phương tiện vận tải thường thiết kế để có tuổi thọ từ 10 đến 12 năm Thiết bị bán dẫn điển hình, chẳng hạn vi xử lý cơng tắc, có biểu xuống cấp nhẹ theo thời gian Các thiết bị điện hóa, chẳng hạn pin, ngăn pin nhiên liệu tụ điện, xuống cấp tương đối nhanh chúng già đi, đặc biệt sử dụng ngày nhiều Do đó, thách thức đáng kể nhà sản xuất pin phát triển loại pin phù hợp với tuổi thọ sản phẩm ô tô Thị trường chuyển từ pin axit-chì có tuổi thọ tương đối ngắn sang pin NiMH Li-ion có tuổi thọ cao Trước tiên, xem xét số thuật ngữ hữu ích: − Thời gian chu kỳ sạc/xả: Một đặc điểm pin điện hóa khả lưu trữ điện tích suy giảm theo thời gian Chu kỳ sạc/xả sâu lặp lại dẫn đến giảm tuổi thọ đáng kể − Tuổi thọ: Tuổi thọ pin mơ tả thời gian chu kỳ lặp lại − Ắc quy ô tô có yêu cầu bổ sung biểu thị phạm vi tính dặm km 87 − Thời gian sử dụng (BOL): Các thông số thời gian sử dụng thường giá trị dung lượng điện trở bên pin sản xuất ban đầu − Cuối vịng đời (EOL) Các thơng số cuối vịng đời giá trị thành phần quan trọng sau chúng suy giảm theo thời gian cách sử dụng Tiêu chí cuối tuổi thọ điển hình điển hình khả lưu trữ lượng pin giảm xuống 80% giá trị BOL nội trở tăng 50% − Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ pin nhiều phức tạp Sau số yếu tố liên quan: Điện áp: Điện áp pin cao dẫn đến cố chất điện phân, gia tăng ảnh hưởng tạp chất làm nhanh lithium từ điện cực, tất làm tăng điện trở, giảm dung lượng lưu trữ làm giảm chu kỳ tuổi thọ Do đó, giảm điện áp ngăn pin làm tăng tuổi thọ pin, có đánh đổi chỗ điện áp thấp làm giảm khả lưu trữ lượng ngăn pin Biểu đồ đại diện số chu kỳ sạc/xả pin dung lượng pin so với điện áp thả trình bày hình 3.30 Điện áp thả điện áp mà ngăn pin trì sau pin sạc đầy để bù cho q trình tự phóng điện ngăn pin Trong sạc pin điện áp cao làm tăng lượng dự trữ pin, điện áp cao đẩy nhanh q trình lão hóa pin số chu kỳ sạc/xả hết tuổi thọ giảm đáng kể Một số pin Li-ion vận hành giá trị tối đa khoảng từ 3,6 đến 3,8 V để tối ưu hóa khả lưu trữ lượng vòng đời chu kỳ Pin Li-ion BEV HEV thường đạt mức tối đa xấp xỉ 4,2 V điều kiện bình thường cao chút đến xấp xỉ 4,3 V Hình 30 Các chu kỳ sạc/xả dung lượng so với điện áp pin Li-ion Nhiệt độ cao: Nói chung, hóa học điện tử, hoạt động nhiệt độ cao dẫn đến hiệu ứng làm giảm đáng kể tuổi thọ độ tin cậy phận Cơng trình kinh điển nhà khoa học Thụy Điển Svante Arrhenius xuất năm 1889 liên quan đến thời gian tồn với nhiệt độ áp dụng nhiều cho thiết bị lưu trữ điện hóa ngày Lưu ý Arrhenius nhà khoa học 88 điều tra tác động việc gia tăng lượng khí thải carbon khí hậu tồn cầu Quy tắc thơng thường dựa phương trình Arrhenius tuổi thọ thiết bị giảm nửa cho lần nhiệt độ tăng 100C Do đó, tuổi thọ pin giảm đáng kể điều kiện khí hậu nhiệt độ cao Nhiều nơi giới có khí hậu khắc nghiệt với cơng nghệ pin Ví dụ, nhiệt độ lớn 400C phổ biến Phoenix, Arizona, Hoa Kỳ, vào mùa hè Nhiệt độ nhìn thấy pin cao đáng kể xe nắng nóng hấp thụ lượng mặt trời bề mặt đường nhựa đường băng nóng Việc sử dụng điều hịa khơng khí cần thiết Phoenix dẫn đến việc xả pin sâu Do đó, nhiệt độ tăng lên phóng điện sâu làm tăng tốc độ suy giảm công suất tăng điện trở bên Nhiệt độ thấp: Hoạt động nhiệt độ thấp vấn đề số cơng nghệ pin Chất điện phân trở nên nhớt độ dẫn điện giảm Việc đóng băng tế bào Li-ion nhiệt độ nhỏ -100C (140F) làm giảm lượng điện lượng dự trữ có sẵn từ pin Vì lý này, nhà sản xuất cung cấp sưởi pin cho vùng khí hậu lạnh để đảm bảo hiệu suất đầy đủ Tốt nhất, pin làm nóng cắm vào lưới điện chế độ sạc để lượng pin tiết kiệm cho việc lái xe Thời gian: Một thách thức lớn nhà sản xuất xe điện phát triển loại pin có tuổi thọ lớn tuổi thọ xe Tuổi thọ pin từ đến 12 năm cần thiết Như biết, yếu tố điện áp, nhiệt độ chu kỳ ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ Khi pin già đi, thời gian sử dụng lithium có sẵn vật liệu hoạt động giảm SOC thấp dẫn đến điện áp tế bào thấp hơn, làm chậm trình phân hủy chất điện phân lithium hoạt động Hình 31 Chu kỳ sạc/xả so với độ tự xả sâu (DOD) Kiểm tra tuổi thọ pin phức tạp tốn thời gian Thử nghiệm điển hình bao gồm loạt lần sạc phóng điện phần toàn nhiều pin giống để xác định số chu kỳ từ BOL đến EOL Một tập hợp đường cong đại diện sạc/xả so với DOD vẽ hình 3.31 Các đồ thị dựa số chu kỳ sạc/xả công suất giảm xuống mức công suất EOL, thường định 80% Đường liền nét hình 3.31 tạo cách sử 89 dụng giả định - tổng lượng chuyển đổi pin có liên quan đến DOD Đối với đường cong nét liền (L = 1), giả định lượng thơng qua pin khơng đổi Do đó, pin trì 1000 chu kỳ 100% DOD, trì 2000 chu kỳ DOD 50% 10.000 chu kỳ DOD 10% Ở dạng phương trình: = N N100% × 100% DOD DOD = N100% × 100% N PT 15 Trong N100% số chu kỳ cho 100% DOD N số chu kỳ cho DOD định Giả định lượng không đổi giả định khởi đầu hợp lý định cỡ pin cho BEV Tuy nhiên, tuổi thọ pin cao đáng kể so với số vừa nêu pin HEV, thiết kế để phóng điện nơng tuổi thọ chu kỳ cao Số vòng đời đại diện cho pin HEV dao động từ 3000 chu kỳ DOD 75% (từ 95% SOC đến 20% SOC), đến 9000 chu kỳ DOD 50% (từ 95% SOC đến 45% SOC) Các lần sạc phóng điện nhỏ dẫn đến hàng trăm nghìn chu kỳ cần thiết cho HEV Do đó, số thời gian chu kỳ L giới thiệu khái niệm sử dụng phần tham số để định lượng tuổi thọ pin Phương trình (3.15) sửa đổi để bao gồm số L sau: L  N100%   100%  = N N100% ×   DOD =    DOD   N  ×100% L PT 16 Đường cong tuổi thọ nâng cao thể hình 3.31 cho L= Tuổi thọ pin nâng cao cách sửa đổi thành phần hóa học tế bào, cải thiện khả làm mát pin, giảm điện áp thả pin giảm DOD Loại pin sử dụng xe điện hybrid có sạc (PHEV) xe điện hybrid (HEV) 3.5.3 Xác định pin dùng cho xe điện (BEV) Ví dụ: Xác định mức lưu trữ kWh cần có pin BEV dựa yêu cầu sau: năm hoạt động, trung bình 48 km lái xe ngày 365 ngày năm, sạc hàng ngày lượng đầu trung bình pin km Ekm = 180 Wh/km Giả sử L = N100% = 1000 Giả sử hai dãy pin song song có 96 ngăn pin Li-ion dãy, với tổng số ngăn pin Ncell = 192 điện áp danh định 3,75 V ngăn Xác định dung lượng ampe-giờ ngăn Phạm vi xe BOL EOL gì? Giải pháp: 90 Trước tiên, xác định mức sử dụng lượng trung bình hàng ngày số chu kỳ sạc/xả Tổng số chu kỳ N là: N= 8nă m× 365 sạc = 2920chukỳ naê m PT 17 Năng lượng đầu trung bình hàng ngày pin Engày là: Engày = sngàyEkm = 48km× 0.18 kWh 8.64kWh = km PT 18 DOD yêu cầu xác định đơn giản sau: Năng lượng BOL là: EBOL = Engaøy 8.64kWh = = 25.23kWh DOD 0.3425 PT 19 Năng lượng EOL là: EEOL = 0.8 x EBOL = 20.18kWh PT 20 Ví dụ đơn giản cho thấy pin có mức lưu trữ lượng ban đầu 25,23 kWh cần thiết để cung cấp lượng trung bình hàng ngày cần thiết năm Gói có tổng cộng 192 ngăn pin với hai dãy 96 ngăn mắc nối tiếp Điện áp pin Vbp N 192 360V Vbp = cell Vb = × 3.75V = 2 PT 21 Dung lượng pin ampe-giờ Ahbp cung cấp Ah = bp EBOL 25230 = = Ah 70.08 Ah 360 Vbp PT 22 Ampe-giờ Ahb ngăn tính đơn giản cách chia cụm pin Ah cho số dãy: = Ahb Ahbp 70.08 = = Ah 35.04 Ah 2 PT 23 Phạm vi hoạt động xe BOL là: = Phạm vi ( BOL ) EBOL 25230 = = km 140.2km 180 Ekm PT 24 Phạm vi hoạt động xe EOL là: = ( EOL ) EEOL 20180 = = km 112.1km Ekm 180 PT 25 91 3.5.4 Xác định pin dùng cho xe Plug in Hybrid (PHEV) Trong ví dụ này, lặp lại ví dụ với xe điện BEV, pin có tuổi thọ nâng cao để sử dụng PHEV với số tuổi thọ chu kỳ L = Giả sử pin xếp loại dãy pin Giải pháp: Như ví dụ trên, tổng số chu kỳ N 2920 chu kỳ mức tiêu thụ lượng trung bình hàng ngày Eday 8,64 kWh DOD yêu cầu xác định đơn giản sau: 1 N  L  1000  DOD =  100%  × 100% =  = 70%  × 100%  2920   N  PT 26 Do đó, để có 80% SOC sau 2920 chu kỳ, pin lưu trữ BOL là: EEOL = Engaøy 8.64kWh = = 12.34kWh DOD 0.70 PT 27 Bộ pin lưu trữ EOL là: EBOL =0.8 × EEOL =9.87 kWh PT 28 Ví dụ đơn giản cho thấy cần phải có pin dự trữ lượng ban đầu 12,34 kWh để cung cấp lượng trung bình hàng ngày cần thiết năm Phạm vi hoạt động xe BOL cho PHEV là: = Phạm vi ( BOL ) EBOL 12340 = = km 68.6km 180 Ekm PT 29 Phạm vi hoạt động xe EOL là: = Phạm vi ( EOL ) EEOL 9880 = = km 54.9km Ekm 180 PT 30 Dung lượng ampe-giờ ngăn pin cụm pin pin dãy cung cấp bởi: = = Ahb Ah bp EBOL 12340 = = Ah 34.3 Ah 360 Vb PT 31 Kết luận: Qua hai ví dụ cho thấy số thách thức xác định dung lượng pin Bộ pin BEV phải có kích thước lớn để lái xe hàng ngày đáp ứng thời gian sử dụng Bộ pin PHEV tuổi thọ nâng cao nhỏ nhiều có dung lượng tổng thể giảm phạm vi hoạt động BOL EOL Khi DOD giảm, vòng đời chu kỳ cụm pin tăng đáng kể thành hàng trăm nghìn chu kỳ Bộ pin HEV điển hình sử dụng dải DOD tương đối nhỏ, dẫn đến tuổi thọ dài hàng trăm nghìn chu kỳ [44] 92 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trên sở tài liệu tham khảo mục tiêu đặt đề tài “Nghiên cứu số giải pháp chuyển đổi công nghệ lưu trữ lượng phương tiện vận tải ” rút số kết luận sau: − Phát triển xe điện tất yếu để giải vấn đề nhiễm khí thải thành phố lớn nơi có mật độ tập trung phương tiện giao thông cao Thêm vào đó, chi phí vận hành bảo dưỡng xe điện thấp so với sử dụng động đốt trong, nguồn lượng để tạo điện đa dạng sẵn có − Tuy nhiên vấn đề tích trữ lượng cho xe điện cần nghiên cứu phát triển để giải vấn đề môi trường sau thay pin nhiên liệu Hiện nay, công nghệ pin Li-ion công nghệ lưu trữ sử dụng phổ biến trọng lượng nhỏ, mật độ lượng cao tuổi thọ tương đối dài − Siêu tụ điện làm ống nano-cacbon giải pháp lưu trữ tốt giải pháp cho tương lai gần chúng đơn giản, sạc lại nhanh khả lưu trữ tốt − Bánh đà lưu trữ lượng hệ thống lưu trữ lượng có nhiều ưu điểm bật so với phần tử lưu trữ lượng truyền thống (pin, acqui, siêu tụ) Tuổi thọ hệ thống bánh đà lưu trữ lượng cao, dung lượng lưu trữ lớn, khơng phải bảo dưỡng trình vận hành Tuy nhiên sử dụng hệ thống bánh đà lưu trữ lượng cần lưu ý đến vài nhược điểm giá thành cao, thời gian xả lượng ngắn − Phát triển phương pháp lựa chọn pin tối ưu đa mục tiêu Trong tương lai, để phát triển phương tiện sử dụng điện Việt Nam, cần xây dựng hệ thống trạm sạc sở bảo dưỡng, đào tạo nguồn nhân lực để vận hành hệ thống, đưa tiêu chuẩn chân sạc phù hợp, có giải pháp thu hồi tái chế pin điện phù hợp 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] REN21, “Renewables Global Status Report”, 2012 [2] Nguyễn Phương Trà, Nguyễn Bá Thành, “ Năng lượng tái tạo”, 2017 [3] Štĕpán Nosek, “Solar stirling engine the milestone of the way to meet energy demand with the lowest impact on evironment”, 2007 [4] Michael Yong Zhao, “Tidal energy: Technologies and recent developments”, 2010 [5] Grazia Todeschini, “Review of Tida Lagoon Technology and opportunities for integration within the UK Energy System”, 2017 [6] Christine Miller, “Wave and Tidal Energy Experiments in San Francisco and Santa Cruz”, 2008 [7] J.Sampoorna, J.Sreenagachaitanya, Dr.K.Chandramouli, “A review on World's depest buildings”, 2021 [8] Ravi Kumar, “Penstock material selection in small hydropower plants”, 2015 [9] Askari Mohammad Bagher, Mirzaei Vahid, Mirhabibi Mohsen, Dehghani Parvin “Hydroelectric Energy Advantages and Disavantages”, 2015 [10] Nguyễn Đức, “Thủy điện Tây Nguyên hệ lụy”, Pháp luật, 2011 [11] John G Hayes, “Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles”, 2018 [12] K T Chau, “Electric vehicle machine and drives”, 2015 [13] Josip Zavada, “Conditions for Implementing Trolleybuses in Public Urban Transport”, Traffic & Transportation, 2010 [14] Murray, World Trolleybus Encyclopaedia Yateley, Hampshire, UK, “Trolleybooks”, 2000 [15] Nguyễn Vy, “Xe Vin bus hoạt động Hà Nội”, 2021 [16] Alexander Y Ryzkov, “Urban public trasport development in Russia”, 2016 [17] John Wiley & Sons, “Lead-Acid Batteries”, New York, 1977 [18] ANSI/IEEE, “Recommended Practice for Sizing Nickel-Cadmium Batteries for Stationary Applications”, 1992 [19] Schmidt-Rohr, “How Batteries Store and Release Energy: Explaining Basic Electrochemistry”, 2018 94 [20] T Takakoshi, “Recent Sodium Sulfur Battery Applications in Japan, Presented at the ESA 2001 Annual Meeting in Chattanooga, Tennessee”, 2001 [21] C-H Dustmann “Advances in ZEBRA batteries,”, Journal of Power Sources, 2004 [22] Jason Zhang, “Development of Li Development of Li -Air Batteries Air Batteries”, 2010 [23] Jaffe and K.A Adamson, “Next- Generation Battery Technologies”, 2014 [24] Junye Wang and Hualin Wang, Techno-Economic Challenges of Fuel Cell Commercialization Engineering”, 2018 [25] Nguyễn Thị Lê Hiền, “Pin nhiên liệu nguồn lượng tương lai”, Tạp chí dầu khí, 2019 [26] K Kordesch, V Hacker, K Reichmann, M Cifrain, T Hejze “The Safe and Economic Revival of Alkaline Hydrogen/Air Fuel Cells with Circulating Electrolytes”, 2008 [27] Pratt & Whitney Aircraft, “Design and Development of H2-O2 Power Plants for Apollo Command Module”, 1962 [28] Michaen C Tucker, “Progress in metal-supported solid oxide fuel cells: A review,”, J Power Sources, 2010 [29] Bernard Lip Huat Saw, A.A.A.O Tay, “Thermal Management of Lithiumion Battery Pack with Liquid Cooling”, 2015 [30] R.Kötz and M Carlen, “Principles and applications of electrochemical capacitors, Electrochim”, 2000 [31] Carl Nesbitt & Xiao Sun, “Consolidated amorphous carbon materials, their manufacture and use”, 2004 [32] Li Li Zhang, X S Zhao, “Carbon based materials as supercapacitor electrodes”, 2009 [33] Marco Zeiger, Daniel Weingarth and Volker Presser, “Onion like Carbon/Carbon Fiber Hybrid Electrodes for high rate supercapacotor applications”, 2015 [34] Guoxiu Wang, Xiaoping Shen, Jane Yao, Jinsoo Park, “Graphene nanosheets for enhanced lithium storage in lithium ion batteries, Carbon”, 2009 [35] Yu Guo, Yin Song Hu, Li Jun Wan, “Nanostructured materials for electrochemical energy conversion and storage devices”, 2008 95 [36] Gideon Moses Jacob, “Nanocomposite Electrodes for Electrochemical Supercapacitors”, 2009 [37] Philippe Poizot, P Simon, “High rate capabilities Fe3O4-based Cu nanoarchitectured electrodes for lithium-ion battery applications”, 2006 [38] Shitong Wang, Wei Quan, Zhi Zhu, “Lithium titanate hydrates with superfast and stable cycling in lithium ion batteries”, 2017 [39] Lizeng Long, Shuanjin Wang, “Polymer Electrolytes for Lithium Polymer Batteries”, 2016 [40] Keith Pullen, “The Status and Future of Flywheel Energy Storage”, 2019 [41] Thomas Mathews, “Flywheel based kinetic energy recovery system”, 2013 [42] Volvo product news, “Volvo cars test of flywheel technology”, 2013 [43] Paul Lucas, “Volvo to Develop Kinetic Energy Recovery System”, 2012 [44] John G Hayes, G Abas GooDarzi, “Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles”, 2018 96 ... quan lượng tái tạo − Chương Nghiên cứu phương tiện vận tải sử dụng lượng điện − Chương Nghiên cứu công nghệ lưu trữ lượng phương tiện vận tải điện 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 Năng. .. thức số giải pháp chuyển đổi lượng tái tạo thành điện công nghệ lưu trữ lượng điện phương tiện vận tải 2.2 Mục tiêu cụ thể − Tìm hiểu tổng quan lượng tái tạo để khai thác công nghệ lưu trữ lượng. .. quan lượng tái tạo Chương Nghiên cứu phương tiện vận tải sử dụng lượng điện Chương Nghiên cứu công nghệ lưu trữ lượng phương tiện vận tải điện HỌC VIÊN VŨ QUANG HUY MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG