bài giảng Tích trữ năng lượng

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 Bài giảng 10 Ch 5: Tích trữ lượng 5.1 Giới thiệu tích trữ lượng 5.2 Hệ thống trữ 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 Giới thiệu tích trữ lượng  Các công nghệ trữ không đóng vai trò nguồn lượng Thiết bị lưu trữ có tác dụng hỗ trợ nhằm cải thiện: độ ổn định, chất lượng điện an ninh lượng  Các công nghệ phổ biến  Các hệ thống trữ siêu dẫn  Các công nghệ bánh đà  Các công nghệ ắc-quy  Siêu tụ điện Bài giảng 10 Giới thiệu tích trữ lượng Bài giảng 10 Hệ thống trữ dùng siêu dẫn  Thiết bị đặc biệt: hệ thống làm lạnh, có hiệu 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 Hệ thống trữ dùng siêu dẫn Bài giảng 10 Hệ thống trữ dùng bánh đà  Bánh đà dùng để trữ lượng hệ thống điện, ghép vào máy điện  Năng lượng lưu trữ bánh đà phụ thuộc vào mô men quán tính phần quay bình phương tốc độ quay Năng lượng truyền vào bánh đà máy điện hoạt động động (gia tốc bánh đà), nạp lượng vào thiết bị Bánh đà giải phóng lượng máy điện hoạt động chế độ máy phát (giảm tốc bánh đà) E = Jω 2 J = mR Bài giảng 10 Hệ thống trữ dùng bánh đà Bài giảng 10 Các loại pin/ắc-quy  Ở đề cập đến thiết bị lưu trữ lượng Trước hết, phân loại theo tính chất lượng 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 loại carbon-kẽm kềnmangan Ngoài ra, người ta sản xuất pin/ắc-quy sơ cấp lithium  Có nhiều loại pin/ắc-quy thứ cấp sử dụng, số loại thông dụng liệt kê slide Bài giảng 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): chia thành ba loại chính, bao gồm lithium-ion-cobalt, lithium-ion-manganese, lithiumion-phosphate  Lithium-polymer (Li-Po) Bài giảng 10 10 Nạp điện ắc-quy lithium-ion  Ắc-quy Li-ion không cần phải nạp đầy ắc-quy chì-axit Thực tế, việc không nạp đầy tốt hơn, giảm điện áp đặt vào ắc-quy  Chọn ngưỡng điện áp thấp hơn, hay loại bỏ giai đoạn nạp bão hòa, kéo dài tuổi thọ ắc-quy giảm thời gian làm việc  Bảng số liệu slide minh họa lượng điện tích ắc-quy nạp đến ngưỡng điện áp khác nhau, 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% 120 135 150 165 180 65% 76% 82% 87% 100% Bài giảng 10 25 Nạp điện ắc-quy lithium-ion  Việc dựa vào điện áp nạp để ước lượng điện tích bên ắc-quy Li-ion không thực tế Cần phải dựa vào điện áp hở mạch (sau ắc-quy nghỉ vài giờ) để ước tính SOC  Ắc-quy Li-ion nạp điện mức, mà phải ngắt điện ắc-quy đầy Điện áp hở mạch 3,6 đến 3,9 V/ngăn sau nghỉ đủ lâu  Một số nạp sử dụng chế độ nạp bổ sung ắc-quy nối thường trực với nạp, điện áp ngăn giảm xuống 4,05 V  Khi nạp điện cho pin Li-ion thiết bị xách tay phải tắt thiết bị, để ngưỡng điện áp không bị ảnh hưởng Bài giảng 10 26 Nạp điện ắc-quy lithium-ion  Ắc-quy Li-ion ổn định bị nạp điện mức, hình thành kim loại lithium anode, phát sinh CO cathode  Khi áp suất tăng cao, màng an toàn bị phá hủy pin/ắc-quy phát hỏa  Ngưỡng gia nhiệt kiểm soát bị hạ thấp ắc-quy nạp đầy, nằm khoảng 130 – 150 °C (Li-cobalt), 170 – 180 °C (NMC) 250 °C (Li-manganese)  Mọi hệ thống ắc-quy đòi hỏi phải thiết kế nạp điện cách xác Bài giảng 10 27 Lithium-ion burnout Bài giảng 10 28 Lithium-polymer overcharging Bài giảng 10 29 Siêu tụ điện  Siêu tụ điện khác với tụ điện thông thường chỗ có điện dung lớn  Tụ điện tĩnh dùng điện môi khô, điện dung đạt vài µF  Tụ điện giải dùng điện môi ướt, điện dung đạt vài chục mF  Siêu tụ điện có điện dung tính F, dùng để lưu trữ lượng Bài giảng 10 30 Siêu tụ điện  Siêu tụ điện phát triển vào năm 1957, đến năm 1990 thương mại hóa nhờ tiến công nghệ vật liệu sản xuất  Siêu tụ điện ắc-quy vay mượn công nghệ từ ắc-quy  Siêu tụ điện bị giới hạn điện áp 2,5 – 2,7 V Để đạt điện áp cao hơn, siêu tụ điện mắc nối tiếp với  Điện dung tổng tụ điện bị giảm, cần cân điện áp có nhiều tụ điện mắc nối tiếp với Bài giảng 10 31 Siêu tụ điện  Suất lượng siêu tụ điện khoảng đến 30 Wh/kg Ngoài ra, điện áp siêu tụ điện giảm tuyến tính theo điện lượng tụ điện  Ví dụ, nguồn điện V phép phóng điện đến 4,5 V Với đặc tính phóng điện tuyến tính, phần tư lượng lưu trữ sử dụng, ba phần tư lượng lại sử dụng  Có thể dùng biến đổi DC-DC để tận dụng phần lượng lại, có tổn thất khoảng 10 – 15%, chi phí phát sinh Bài giảng 10 32 Siêu tụ điện  So sánh siêu tụ điện pin/ắc-quy Li-ion Function Supercapacitor Lithium-ion (general) Charge time Cycle life Cell voltage Specific energy (Wh/kg) Specific power (W/kg) Cost per Wh Service life (in vehicle) Charge temperature Discharge temperature 1–10 seconds million or 30,000h 2.3 to 2.75V (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) to 10 years to 45°C (32°to 113°F) –20 to 60°C (–4 to 140°F) Bài giảng 10 33 Siêu tụ điện  Với tốc độ nạp/phóng điện cực nhanh, siêu tụ điện thích hợp cho việc hỗ trợ dự phòng trường hợp gián đoạn nguồn ngắn hạn, hỗ trợ phụ tải đỉnh xe điện lai hay ứng dụng pin nhiên liệu  Thời gian nạp điện siêu tụ điện khoảng 10 giây, với đặc tính tương tự ắc-quy điện hóa, dòng điện nạp thường bị giới hạn nạp  Siêu tụ bị nạp điện áp, không cần mạch bảo vệ nạp đầy; nạp đầy dòng điện ngưng chạy  Siêu tụ điện có số lần nạp/phóng điện gần vô hạn Bài giảng 10 34 Siêu tụ điện  Siêu tụ điện không bị lão hóa, thường giảm dung lượng xuống 80% vòng 10 năm  Siêu tụ điện hoạt động tốt nhiệt độ cao thấp  Dòng điện rò siêu tụ điện lớn, với 50% lượng lưu trữ bị hao hụt vòng 30 đến 40 ngày  Xét chi phí đơn vị công suất siêu tụ điện thuộc loại thiết bị đắt tiền Tuy nhiên, cần nhớ siêu tụ điện ắcquy không cạnh tranh nhau, mà phục vụ cho ứng dụng riêng biệt Bài giảng 10 35 Siêu tụ điện Những ưu điểm siêu tụ điện:  Lưu trữ lượng lớn So với công nghệ tụ điện truyền thống, siêu tụ điện EDLC có mật độ cao 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 mật độ công suất lớn  Hoạt động tốt nhiệt độ thấp  Nạp/phóng điện nhanh Nhờ hấp thụ giải phóng ion thông qua điện trở nội thấp, đạt dòng điện nạp/phóng cao mà không gây hại cho thiết bị Bài giảng 10 36 Siêu tụ điện Những nhược điểm siêu tụ điện:  Điện áp đơn vị thấp (EDLC có điện áp đơn vị khoảng 2,7 V), dẫn đến thường phải mắc nối tiếp  Không thể dùng mạch AC tần số cao, số thời gian lớn Bài giảng 10 37 Siêu tụ điện công nghệ khác Bài giảng 10 38 [...]... cách chính xác Bài giảng 10 27 Lithium-ion burnout Bài giảng 10 28 Lithium-polymer overcharging Bài giảng 10 29 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 µF  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 Siêu... được mắc nối tiếp với nhau Bài giảng 10 31 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... 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... 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 Nạp điện ắc-quy... dòng điện chỉ ngưng chạy  Siêu tụ điện có số lần nạp/phóng điện gần như vô hạn Bài giảng 10 34 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... cần nhớ rằng siêu tụ điện và ắcquy không cạnh tranh nhau, mà phục vụ cho những ứng dụng riêng biệt Bài giảng 10 35 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... 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... 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... 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 Siêu tụ điện  So sánh siêu tụ điện và pin/ắc-quy Li-ion Function Supercapacitor Lithium-ion (general) Charge time Cycle life Cell voltage Specific... 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