Tích trữ năng lượng (phần 1) (NĂNG LƯỢNG tái tạo SLIDE)

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 cơng nghệ trữ khơng đóng vai trị 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 mơ men qn 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  J 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 thơng dụng liệt kê slide Bài giảng 10 Các loại pin/ắc-quy  Một số pin/ắc-quy thứ cấp thơng 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 Ắc-quy chì-axit  Được sáng chế vào năm 1859, loại ắc-quy nạp lại thương mại hóa  Ưu điểm độ tin cậy cao giá rẻ (trên đơn vị cơng suất) Nhược điểm nặng nề bền ắc-quy gốc niken lithium phóng điện sâu  Tùy vào độ sâu phóng điện, số chu kỳ nạp/phóng ắc-quy chì-axit khoảng 200 – 300 chu kỳ Nhiệt độ tăng cao tốc độ phóng điện cao làm giảm giới hạn  Ắc-quy chì-axit khơng cho phép nạp nhanh, thông thường phải nạp tốc độ C/10 thời gian 14 – 16 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 khơng 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 khơng có giai đoạn nạp bão hòa Bài giảng 10 23 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 24 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 25 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 26 Lithium-ion burnout Bài giảng 10 27 Lithium-polymer overcharging Bài giảng 10 28 Siêu tụ điện  Siêu tụ điện khác với tụ điện thơng thường chỗ có điện dung lớn  Tụ điện tĩnh dùng điện môi khô, điện dung đạt vài F  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 29 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 30 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 cịn lại khơng thể 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 31 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 32 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, dịng điện nạp thường bị giới hạn nạp  Siêu tụ bị nạp điện áp, không cần mạch bảo vệ nạp đầy; nạp đầy dịng điện ngưng chạy  Siêu tụ điện có số lần nạp/phóng điện gần vô hạn Bài giảng 10 33 Siêu tụ điện  Siêu tụ điện không bị lão hóa, thường giảm dung lượng xuống cịn 80% vịng 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 cơng 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 34 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 thơng qua điện trở nội thấp, đạt dịng điện nạp/phóng cao mà khơng gây hại cho thiết bị Bài giảng 10 35 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 36 Siêu tụ điện công nghệ khác Bài giảng 10 37 ...Giới thiệu tích trữ lượng  Các cơng nghệ trữ khơng đóng vai trị 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... 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 mơ... 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