5.1.3.1 Phân loại:
Nếu điểm qua các loại Ắc-quy thì có lẽ có thể có nhiều cách gọi như: Ắc-quy nước, Ắc-quy axít, Ắc-quy axít kiểu hở, Ắc-quy kín khí, Ắc-quy không cần bảo dưỡng, Ắc-quy khô, Ắc-quy GEL, Ắc-quy kiềm...Thực ra thì cách nói như trên là các cách gọi khác nhau của vài loại Ắc-quy cơ bản mà thôi. Trên thực tế thường phân biệt thành hai loại Ắc-quy thông dụng hiện nay là Ắc-quy sử dụng điện môi bằng axít (gọi tắt là Ắc-quy axít hoặc Ắc-quy Chì-Axít) và Ắc-quy sử dụng điện môi bằng kiềm (gọi
www.7gio.com
GVHD: ? 64
tắt là Ắc-quy kiềm). Tuy có hai loại chính như vậy nhưng Ắc-quy kiềm có vẻ ít gặp nên đa số các Ắc-quy mà bạn gặp trên thị trường hiện nay là Ắc-quy axít.
Trong cùng loại Ắc-quy axít cũng được phân chia thành hai loại chính: Ắc-quy axít kiểu hở thông thường và Ắc-quy axít kiểu kín khí. Hai loại này đang bị gọi nhầm một cách thông dụng là: Ắc-quy nước và Ắc-quy khô (đúng ra thì Ắc-quy điện môi dạng keo mới gọi là Ắc-quy khô). Khi đã hiểu về nguyên lý hoạt động của Ắc-quy axít thì bạn dễ dàng phân biệt được chúng và các đặc tính riêng của từng loại Ắc-quy này.
5.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của Ắc-quy:
Hình 5.3 : Mô phỏng bản cực Ắc-quy axít
Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Ắc-quy. Lúc này Ắc-quy đóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện cho Ắc- quy người ta cho dòng điện một chiều đi vào Ắc-quy. Dung dịch axit sunfuric bị điện phân, làm xuất hiện hiđrô và ôxit ở hai bản chì ở bản nối với cực âm của nguồn điện chì ôxit PbO2 bị khử mất ôxi và thành chì Pb. Bản này sẽ thành cực âm của Ắc- quy. Còn ở bản nối với cực dương của nguồn điện thì có ôxit bám vào, ôxi hóa Pb3O4
thành chì điôxit PbO2. Bản này sẽ trở thành cực dương của Ắc-quy. Khi hai cực đã trở
www.7gio.com
GVHD: ? 65
thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có một hiệu điện thế Ắc-quy trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện.
Quá trình phản ứng chung gọp khi nạp của Ắc-quy như sau : 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4
Nếu ta nối hai cực của Ắc-quy đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng điện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào Ắc-quy. Dòng điện này sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lần này các ion chuyển dời ngược chiều với lúc đầu: hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 và khử ôxi, làm cho bản này chở thành chì ôxit PbO. Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giống nhau thì dòng điện tắt. Bây giờ muốn Ắc-quy lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó để hai cực trở thành Pb và PbO2.
Quá trình phóng điện diễn ra nếu như giữa hai cực Ắc-quy có một thiết bị tiêu thụ điện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau:
Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2 Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2
Phản ứng chung gọp lại trong toàn bình là: Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toàn chuyển thành PbSO4.
Dung lượng của Ắc-quy là lượng điện (điện tích) mà Ắc-quy đó sau khi đã được nạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng. Mức ngừng là mức mà không nên bắt Ắc-quy phát điện tiếp, nếu cứ để Ắc-quy phát điện ở dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của Ắc-quy, thậm chí có thể làm Ắc-quy chết ngay lập tức. Đó là trường hợp dùng nhiều Ắc-quy mắc nối tiếp nhau khi 1 Ắc- quy đã phát hết điện mà những cái khác chưa hết điện và ta tiếp tục dùng thì cái hết điện trước sẽ bị đảo cực và hỏng hoàn toàn. Với Ắc-quy chì thông thường thì mức ngừng là 1,67V cho mỗi ngăn, hay là 10V cho cả 6 ngăn.
Đơn vị để đo điện tích trong vật lý là Coulomb. Đại lượng điện tích không phụ thuộc vào điện thế của Ắc-quy. 1 Coulomb = 1 Ampere * 1 sec: như vậy cũng có thể dùng Ampere * second để chỉ đại lượng điện tích.
www.7gio.com
GVHD: ? 66
Dung lượng của bình Ắc-quy thường được tính bằng Ampe giờ (AH). AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tùy theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng. Nhà sản xuất thường đặt số dung lượng trong ký hiệu của Ắc-quy.
Ví dụ: N100 là Ắc-quy 100Ah.
Thông số dung lượng của Ắc-quy do nhà sản xuất công bố thường được tính khi phát điện với dòng điện nhỏ trong 20 giờ.
Ví dụ: Ắc-quy 100Ah phát điện với dòng điện 5A sẽ dùng được trong 20 giờ.
Khi dòng điện phát ra càng lớn thì thời gian phát điện càng nhỏ nhưng thời gian giảm rất nhanh chứ không theo tỉ lệ nghịch với dòng điện. Nghĩa là dòng điện càng lớn thì điện tích phát ra càng giảm.
5.1.4 Các phương pháp phóng và nạp Ắc-quy: 5.1.4.1 Phóng điện Ắc-quy: 5.1.4.1 Phóng điện Ắc-quy:
Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V.
Khi phóng với chế độ 1, 2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75V.
Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế. Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chất điện phân. Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỷ trọng ban đầu. (Nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V.)
Việc nạp Ắc-quy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng Ắc-quy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng.
Tuỳ theo phương pháp vận hành Ắc-quy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp:
www.7gio.com
GVHD: ? 67
5.1.4.2 Phóng điện Ắc-quy:
Nạp với dòng điện không đổi. Nạp với dòng điện giảm dần. Nạp với điện thế không đổi.
Nạp thay đổi với điện thế không đổi.
5.1.4.2.1 Nạp với dòng điện không đổi:
Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước:.
Nạp kiểu 1 bước: để dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là 0, 12 x C(10).
Nạp kiểu 2 bước:
Bước 1: để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp, nhưng không vượt quá 0,25 x C(10). Khi điện thế tăng lên đến 2,3V - 2,4V thì chuyển sang bước 2.
Bước 2: để dòng điện nạp không vượt quá 0,12 C x (10). Đến cuối thời gian nạp, điện thế Ắc-quy đạt đến 2,6V - 2,8V, tỷ trọng Ắc-quy tăng lên đến 1,200 -1,210 g/cm3, giữa các bản cực Ắc-quy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt. Việc nạp được coi là kết thúc khi điện thế và tỷ trọng của Ắc-quy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ, và các Ắc-quy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì.
Thời gian nạp đối với Ắc-quy đã được phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12 x C(10) mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 0,25 x C(10) và 0,12 x C(10) mất khoảng 7-8 giờ. Ở các giá trị mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng.
5.1.4.2.2 Nạp với dòng điện giảm dần:
Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25 x C(10) và sau đó 0,12 x C(10). Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được tăng lên. Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trường hợp nạp với dòng điện không đổi.
5.1.4.2.3 Nạp với điện thế không đổi:
Nạp với điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc với chế độ ổn áp. Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2V- 2,35 V và được duy trì ổn định
www.7gio.com
GVHD: ? 68
trong suốt quá trình nạp. Thời gian nạp độ vài ngày đêm. Trong 10 giờ nạp đầu tiên, Ắc-quy có thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng.
Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ thì có thể kết thúc việc nạp.
5.1.4.2.4 Nạp thay đổi với điện thế không đổi:
Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:
Bước 1: dòng điện nạp được hạn chế ở 0,25xC(10), còn điện thế thay đổi tự do cho đến khi tăng lên đến 2,2V-2,35V thì chuyển sang bước 2.
Bước 2: nạp với điện thế không đổi.
Hình 5.4: Trạng thái hóa học trong các quá trình phóng - nạp
5.1.5 Các chế độ vận hành:
5.1.5.1 Chế độ nạp thường xuyên:
Đối với các loại bình Ắc-quy tĩnh điện, việc vận hành Ắc-quy được tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên. Ắc-quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của Ắc-quy tăng lên và hạ thấp cho phí bảo dưỡng.
Để bảo đảm chất lượng Ắc-quy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dợt 4 lần. Trong quá trình vận hành Ắc-quy ở chế độ phụ
www.7gio.com
GVHD: ? 69
nạp thường xuyên, Ắc-quy không cần phóng tập dợt cũng như nạp lại. Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng Ắc-quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất.
Ở chế độ phụ nạp thường xuyên cần duy trì điện thế trên mỗi Ắc-quy là 2,2±0,5V để bù trừ sự tự phóng và duy trì Ắc-quy ở trạng thái luôn được nạp đầy.
Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì từ 50-100 mA cho mỗi 100Ah dung lượng. Ở chế độ phụ nạp này, điện thế trên Ắc-quy phải dược duy trì tự động trong khoảng ± 2%.
Việc phóng thử dung lượng thực tế của Ắc-quy được tiến hành 1-2 năm một lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng của Ắc-quy kém. Dòng điện phóng được giới hạn ở chế độ mức 3-10 giờ. Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của Ắc-quy nên tiến hành ở cùng một chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng.
Dung lượng quy đổi được tính theo công thức: = / [1+(0,008(t-20))] (5.1)
dung lượng ở C dung lượng ở C
5.1.5.2 Chế độ phóng nạp xen kẽ:
Ắc-quy làm việc ở chế độ phóng nạp xen kẽ là Ắc-quy thường xuyên cấp vào phụ tải sau khi đã ngưng nạp.Sau khi phóng đến một giá trị nào đó thì phải nạp trở lại. Trường hợp sử dụng Ắc-quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi là 0,1 x C(10). Việc nạp lại này nhằm loại trừ việc Sunfat hóa ở các bản cực.
5.1.6 Tuổi thọ Ắc-quy:
Tuổi thọ của Ắc-quy phụ thuộc vào dung lượng sạc trong mỗi lần sạc Ví dụ
Sạc 100 % = Giảm tuổi thọ tin Sạc 70 % ~ 200 lần.
Sạc 50 % ~ 400 lần.
www.7gio.com
GVHD: ? 70
Sạc 20 % ~ 1000 lần
5.1.7 Các phương pháp kết nối của Ắc-Quy:
Vừa song song vừa nối tiếp:
Mắc song song:
www.7gio.com
GVHD: ? 71
Mắc nối tiếp:
5.1.8 Tính toán battery:
Battery dùng cho hệ solar là loại deep-cycle. Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Loại này có khả năng nạp xả rất nhiều lần ( có nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao.
Có 2 phương pháp tính toán battery:
Cách thứ nhất là dựa vào lượng điện sản xuất được từ các tấm pin mặt trời. Dung lượng ắc quy phải chứa được = 1.5 đến 2 lần lượng điện sản xuất được mỗi ngày. Hiệu suất xả nạp của battery chỉ khoảng 70 - 80% cho nên chia số Wh do pin mặt trời sản xuất ra với 0.7 - 0.8 rồi nhân với 1.5 đến 2 lần ta có Wh của battery. Trường hợp nhu cầu sử dụng chủ yếu là ban ngày thì chỉ cần thiết kế lượng ắc quy chứa bằng lượng điện sản xuất ra từ pin mặt trời là được.
Cách thứ 2 là dựa vào tải sử dụng, cụ thể như sau:
Số lượng battery cần dùng cho hệ solar là số lượng battery đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng (autonomy day) khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được. Ta tính dung lượng battery như sau:
www.7gio.com
GVHD: ? 72
Hiệu suất xả nạp của battery chỉ khoảng 80% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.8 ta có Wh của battery
Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6 (hoặc thấp hơn là 0.8), ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery.
Dung lượng Battery (Ah) = (5.2)
Dung lượng Battery (Ah) = (5.3)
Kết quả trên cho ta biết dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng. Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượng battery cho số autonomy-day để có số lượng battery.
Dung lượng Battery (Ah) = x số autonomyday (5.4) 5.1.9 Ưu điểm nhược điểm ắc quy:
Ưu điểm:
-Giá thành thấp, cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Nhược điểm:
Khi nạp có thể phát ra khí cháy hoặc khí có mùi khói chịu.
- Nếu mức điện dịch từng ngăn ở ắc quy thấp hơn quy định thì phải bổ sung. - Định kỳ phải nạp điện bổ sung cho ắc quy.
- Chu kỳ nạp định kỳ khoảng 3 tháng/lần nếu không nối với thiết bị tiêu thụ điện -Tuổi thọ thấp hơn so với loại ắc quy kín
khí.
5.2. Inverter:
5.2.1 Giới thiệu chung về inverter:
Chuyển đổi tự động dòng điện một chiều điện áp thấp 12VDC sang dòng điện xoay chiều điện áp cao 220VAC, tần số 50Hz.
www.7gio.com
GVHD: ? 73
_Những đặc tính cơ bản của inverter :
Sử dụng ắc quy (12, 24 hay 48V DC…). Điện áp đầu ra có đặc tính giống như điện áp của lưới điện quốc gia: 220V, xoay chiều, tần số 50 Hz.
Các đặc tính này xuất phát từ yêu cầu thông thường về nguồn điện của các thiết bị sử dụng điện trong dân dụng hàng ngày.
5.2.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại của inverter: 5.2.2.1 Nguyên tắc hoạt động: 5.2.2.1 Nguyên tắc hoạt động:
Inverter chuyển đổi quyền lực trong hai giai đoạn: Giai đoạn đầu tiên là chuyển đổi điện một chiều DC-DC, chuyển đổi điều này làm tăng điện áp DC thấp ở đầu khi vào biến tần điện áp DC này lên (khoảng125-300V DC). Giai đoạn thứ hai là giai đoạn biến tần thực tế. Nó chuyển đổi DC điện áp cao sang điện áp xoay chiều (110-225V AC, tần số 60 hoặc 50Hz AC).
Hình 5.5: Nguyên tắc hoạt động của inverter.
5.2.2.2 Phân loại inverter:
Dựa dạng sóng ngõ ra:
Inverter sóng vuông (square wave): là dạng kích điện cho ra sóng vuông như