Sử dụng bánh đà để tích trữ năng lượng dưới dạng cơ học không phải là một khái niệm mới mẻ. Cách đây hơn 25 năm, công ty Oerlikon Engineering ở Switzerland đã chế tạo chiếc xe bus đầu tiên với giải pháp công suất bằng một bánh đà khối lượng. Bánh đà này có khối lượng 1500 kg, hoạt động ở tốc độ 3000 rpm và nạp điện lại ở mỗi trạm xe bus. Các bánh đà truyền thống là một khối rotor với khối lượng lên đến hàng trăm kg và quay với tốc độ khoảng 700 rpm. Ngược lại, các bánh đà cải tiến chỉ là các rotor nhẹ khoảng vài chục kg và
có thể quay với tốc độ 7000 rpm. Chúng được gọi là bánh đà siêu tốc.
Khái niệm bánh đà siêu tốc xuất hiện như một phương tiện thỏa mãn các yêu cầu nghiêm ngặt cho một thiết bị tích trữ năng lượng cho EV và HEV, được biết đến như năng lượng riêng cao, công suất riêng cao, chu kỳ dài, hiệu suất năng lượng cao, nạp nhanh, không cần bảo dưỡng, giá thành phù hợp và thân thiện với môi trường.
Các vật liệu composite dùng làm bánh đà
siêu tốc6
Bền kéo Năng lượng
riêng Tỉ số s (MPa) ρ (kg/m3)σ/ρ (Wh/kg) E-glass 1379 1900 202 Graphite epoxy 1586 1500 294
S-glass 2069 1900 303
Kevlar epoxy 1930 1400
383
7.3.1 Nguyên lý hoạt động của bánh đà siêu
tốc
Một bánh đà quay tích trữ năng lượng dưới dạng động năng:
1 2
2
f f f
Trong đó Jf là mômen quán tính của bánh đà kgm2/s và ωf là vận tốc góc của bánh đà rad/s. Phương trình (7.32) cho thấy rằng sự tăng vận tốc của bánh đà là cách tốt nhất để tăng khả năng năng lượng của nó và giảm khối lượng và thể tích bánh đà. Hiện nay, tốc độ của bánh đà đã đạt được hơn 60000 rpm trên một số mẫu bánh đà siêu tốc. Với công nghệ này, thật khó để sử dụng trực tiếp năng lượng cơ học tích trữ trong bánh đà để đẩy xe, do đó cần thiết có một hộp số vô cấp (CVT) với phạm vi tỉ số truyền rộng. Một cách thông thường là nối một
máy điện trực tiếp với bánh đà hoặc thông qua một hộp số để tạo thành một ắc quy cơ khí. Máy điện có chức năng như một đường vào hoặc đường ra năng lượng, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện năng hoặc ngược lại, minh họa như Hình 7.14.
Phương trình (7.35) cho thấy rằng năng lượng tích trữ trong bánh đà tỉ lệ với mômen quán tính của bánh đà và bình phương vận tốc của nó. Một bánh đà khối lượng nhẹ được thiết kế để đạt đến một chỉ số mômen quán tính trên một đơn vị khối lượng và một đơn vị thể tích
nào đó thông qua thiết kế hình dáng của bánh đà. Mômen quán tính của bánh đà có thể được tính như sau: 2 ( ) 1 3 2 R f R J = prò W r r dr (7.36)
Trong đó ρ là mật độ khối lượng vật liệu và
W(r) là độ dày của bánh đà tương ừng với bán kính r, minh họa trên Hình 7.15. Khối lượng của bánh đà có thể được tính: 2 1 2 R ( ) f R M = prò W r r dr (7.37)
Do đó, mômen quán tính riêng của bánh đà được định nghĩa là mômen quán tính trên một đơn vị khối lượng, có thể được biểu diễn như sau: ( ) ( ) 2 1 2 1 3 R R f R R W r r dr J W r r dr = ò ò (7.38)
Phương trình (7.35) cho thấy rằng mômen quán tính riêng của một bánh đà độc lập với mật độ khối lượng của vật liệu và phụ thuộc hoàn toàn vào cấu trúc hình học của nó W(r).
Với một bánh đà có độ dày bằng nhau thì mômen quán tính là: ( 4 4) ( 2 2)( 2 2) 2 1 2 1 2 1 2 2 f J = pr R - R = pr R + R R - R (7.39) Mômen quán tính riêng:
2 2
2 1
fs
J = R + R (7.40)
Mật độ khối của mômen quán tính được định nghĩa là mômen quán tính trên một đơn vị thể tích, thật sự nó tương ứng với mật độ khối lượng của vật liệu. thể tích của một bánh đà có thể tính được:
( ) 1 2 f R V = pò W r r dt (7.41)
Mật độ khối của mômen quán tính có thể được biểu diễn như sau:
( ) ( ) 2 1 2 1 3 R R fV R R W r r dr J W r r dr r = ò ò (7.42)
Đối với một bánh đà có độ dày bằng nhau, mật độ khối của mômen quán tính là:
( 2 2)
2 1
fV
J = r R + R (7.43)
Phương trình (7.42) và (7.43) cho thấy rằng với một vật liệu nặng có thể giảm thể tích của
bánh đà với một giá trị mômen quán tính cho trước.
7.3.2 Khả năng công suất của hệ thống
bánh đà
Công suất của một bánh đà thu được có thể tìm được bằng cách vi phân phương trình (7.35) theo thời gian:
f f f f f f f dE d P J T dt dt w w w = = = (7.44)
Trong đó Tf là mômen của máy điện tác dụng lên bánh đà. Khi bánh đà giải phóng năng
lượng của nó thì máy điện hoạt động như một máy phát và chuyển năng lượng cơ học của bánh đà thành năng lượng điện. Mặt khác, khi bánh đà nạp, máy điện hoạt động như một motor điện và chuyển đổi điện năng thành năng lượng cơ học tích trữ ở bánh đà. Phương trình (7.44) cho thấy rằng khả năng công suất của một bánh đà phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng công suất của máy điện.
Một máy điện thường có các đặc tuyến như
Hình 7.16, nó có hai phạm vi hoạt động riêng
không đổi. Trong vùng mômen không đổi, điện áp của máy điện tỉ lệ với vận tốc góc của bánh đà và từ thông qua khe hở không khí là không đổi. Tuy nhiên, trong vùng công suất không đổi, điện áp không đổi và từ trường yếu dần đi cùng với sự tăng của vận tốc góc máy điện.
Trong khi bánh đà nạp năng lượng, bánh đà tăng tốc từ tốc độ thấp ω0 đến tốc độ cực đại
ωmax , ví dụ mômen được cung cấp từ máy điện là: f m f d T J dt w = (7.45)
Trong đó giả sử máy điện được nối trực tiếp với bánh đà. Thời gian tăng tốc t cần thiết có thể được được biểu diễn như sau:
max max 0 0 max b b f f f m m b m J J J t d d d T p p w w w w w w w w w w w = ò = ò +ò (7.46)
Với thời gian tăng tốc cho trước, t, công suất cực đại của máy điện có thể được tính từ (7.46): ( 2 2 ) 0 max 2 2 f m b b J P t w w w w = - + (7.47)
Phương trình (7.47) cho thấy rằng công suất của máy điện đạt cực tiểu bằng cách thiết kế vận tốc góc của nó hoặc tốc độ cơ bản ωb bằng với vận tốc ban đầu của bánh đà ω0. Kết luận này ngụ ý rằng phạm vi tốc độ hoạt động hiệu quả của bánh đà sẽ trùng với phạm vi tốc độ
hoạt động của máy điện. Công suất của máy điện có thể đạt cực tiểu khi:
( 2 2 ) m 0 max 2 f J P t w w = + (7.48)
Một ưu điểm đạt được khi phạm vi tốc độ hoạt động của bành đà nằm trong vùng công suất không đổi là điện áp của máy điện luôn không đổi (dựa vào Hình 7.16), vì vậy hệ thống quản lý công suất trở nên khá đơn giản như bộ chuyển đổi DC/DC và các sự điểu khiển của chúng.
Mặc dù tốc độ quay cao hơn có thể làm tăng lên đáng kể năng lượng tích trữ (phương trình [7.35]) nhưng có một giới hạn vì giới hạn bền kéo σ của vật liệu cấu tạo nên bánh đà không thể chịu đựng quá nhiều sức ép từ lực ly tâm bánh đà. Áp lực cực đại tác dụng lên bánh đà phụ thuộc vào cấu trúc hình học của nó, trọng lượng riêng ρ, và tốc độ quay. Lợi ích lớn nhất có thể thu được thông qua các vật liệu của bánh đà có tỉ số σ/ρ cực đại. Chú ý rằng, nếu tốc độ của bánh đà bị giới hạn bởi độ bền của vật liệu thì năng lượng riêng lý thuyết tỉ lệ với
tỉ số σ/ρ. Bảng 7.4 tổng hợp các đặc tính của một vài vật liệu dùng cho bánh đà siêu tốc.
7.3.3 Công nghệ bánh đà
Nguyên lý ứng suất không đổi có thể được sử dụng cho thiết kế các bánh đà siêu tốc. Để đạt được giá trị năng lượng dự trữ cực đại thì mỗi phần tử của rotor sẽ chịu một ứng suất bằng nhau đạt giá trị cực đại. Kết quả này làm cho hình dạng của bành đà dần dần bị mỏng đi và khi đến biên thì bằng 0 như minh họa trên
Do tốc độ quay của bánh đà cực kỳ lớn và để giảm sự mất mát do khí động học và ma sát thì bên trong bánh đà luôn luôn có độ chân không cao và được làm kín, các gối đỡ từ được sử dụng.
Máy điện là thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống bánh đà vì nó có tính ảnh hưởng quyết định đến hoạt động của hệ thống. Hiện nay, động cơ nam châm điện (PM) không chổi than một chiều thường được chấp nhận trong các hệ thống bánh đà. Một phần là do nó có mật độ công suất cao và hiệu suất cao, động cơ này có ưu điểm độc nhất đó là không sinh nhiệt bên trong rotor PM, là một bộ phận thật sự cần thiết cho rotor làm việc trong môi trường chân không để giảm thiểu tối đa mất mát qua không khí.
Một động cơ từ trở thay đổi (SRM) cũng là một ứng cử viên đầy hứa hẹn để ứng dụng trên hệ thống bánh đà. SRM có một cấu trúc đơn giản và có thể hoạt động hiệu quả tại tốc độ rất cao.
Hơn nữa, SRM có công suất không đổi trong phạm vi tốc độ rộng, điều này cho phép cung cấp nhiều năng lượng hơn cho bánh đà (dựa
vào Phần 7.3.2). Trong phạm vi tốc độ rộng
này chỉ có dòng kích từ thay đổi và điều này thì dễ dàng được thực hiện. Trái lại, động cơ
điện PM không chổi than cho thấy một vài khó khăn do từ trường của PM tạo ra yếu.
Khác với các ứng dụng của các bánh đà siêu tốc làm thiết bị tích trữ năng lượng trên các động cơ tĩnh tại, ứng dụng của nó trên EV và HEV phải chịu hai vấn đề riêng. Thứ nhất đó là: lực hồi chuyển xảy ra khi xe lệch khỏi đường thẳng như khi cua vòng và trong khi lên dốc và xuống dốc. Các lực này thật sự làm giảm tính tiện dụng của xe. Thứ hai, nếu bánh đà bị phá hủy, năng lượng tích trữ dưới dạng cơ học sẽ được giải phóng trong thời gian rất
ngắn. Công suất tương ứng giải phóng ra sẽ rất lớn và nó sẽ gây phá hủy xe. Ví dụ nếu một mảnh vỡ bánh đà 1 kWh được giải phóng trong 1-5 s nó sẽ phát ra công suất từ 720-3600 kW. Vì vậy, sự cố này là cản trở lớn nhất để lắp đặt trên EV và HEV.
Cách đơn giản nhất để giảm các lực chuyển hồi là dùng nhiều bánh đà nhỏ. Thông qua hoạt động của chúng theo cặp (một quay theo một hướng và cái còn lại quay theo chiều ngược lại) ảnh hưởng của lực hồi chuyển sẽ được khử bằng 0. Thực tế, vẫn tồn tại các vấn đề về sự phân bố và phối hợp giữa các bánh đà. Đồng thời năng lượng riêng và công suất riêng tổng hợp sẽ nhỏ hơn dùng một bánh đà. Tương tự, cách đơn giản nhất để giảm thiểu sự phá hủy của bánh đà siêu tụ là dùng các cụm bánh đà nhỏ hơn, nhưng điều đó đồng nghĩa với sự
giảm năng lượng riêng và công suất riêng của xe. Gần đây, có một phương pháp mới được đề suất đó là thay vì giảm độ dày của totor đến 0 ở biên thì giờ biên của rotor sẽ được làm dày hơn. Vì vậy, vùng phía trong vành của bánh đà (một cầu chảy cơ khí ảo) sẽ vỡ trước khi rotor gặp phải hư hỏng trên. Do sử dụng cầu chảy cơ khí nên chỉ có cơ năng ở vành của bánh đà giải phóng ra hoặc được phân tán vào vỏ bánh đà (tùy theo hư hỏng).6
Nhiều công ty và các tổ chức nghiên cứu đã có sự liên kết trong việc phát triển công nghệ
siêu tụ dùng như một thiết bị tích trữ năng lượng trên EV và HEV, như các công ty: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in the U.S., Ashman Technology, AVCON, Northrop Grumman, Power R&D, Rocketdyne/Rockwell Trinity Flywheel US Flywheel Systems, Power Center at UT Austin, v.v. Tuy nhiên, các công nghệ của hệ thống bánh đà siêu tốc vẫn còn rất non nớt. Một hệ thống bánh đà siêu tốc tiêu biểu có thể đạt năng lượng riêng từ 7-155 Wh/kg và công suất riêng từ 2-7 kW. LLIL đã chế tạo một
phiên mẫu bánh đà siêu tốc (đường kính 20 cm và cao 30 cm) có thể đạt đến số vòng quay là 60000 rpm, 1 kWh và 70 kW.
7.4 CÁC THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG