CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
c. Một số loại ụ tụ điện đang được sử dụng
* Tại Việt Nam
ễ tụ điện đang được sử dụng ở cỏc khu du lịch, cỏc khu vui chơi giải trớ, cỏc
24
25
* Tại Liờn Bang Nga
Hỡnh 1.15. Xe điện chạy trong thành phố ở Nga
* Những mẫu ụ tụ điện mới
Đõy là một xe chạy hoàn toàn bằng điện, về kớch thước thỡ nằm cựng phõn
khỳc với Toyota iQ và Smart ForTwo. Chỉ mất chưa đến 4 tiếng để sạc đầy điện cho xe. Trong quỏ trỡnh phỏt triển xe M.GO, hóng Microcar của Phỏp tập trung vào trọng lượng nhẹ và kớch thước nhỏ nhằm tăng quóng đường xe chạy sau mỗi lần sạc
đầy điện mất chưa đầy 4 tiếng[5].
Tựy theo tốc độ và cỏch sử dụng, xe M.GO cú thể chạy quóng đường 80- 140km sau mỗi lần sạc đầy điện. Tốc độ tối đa 45km/h chỉ phự hợp với nhu cầu di chuyển trong đụ thị.
26
Tờn cụng ty Zap là viết tắt từ Zero Air Pollution, tức khụng ụ nhiễm khớ. Zap tuyờn bố sẽ sản xuất mẫu xe Zap-X với tốc độ tối đa đạt xấp xỉ 250km/h và cú thể chạy hơn 560km mới cần sạc điện[6].
Hỡnh 1.17. Xe Zap 1.1.3. Ưu, nhược điểm khi sử dụng ụ tụ điện a. Ưu điểm khi sử dụng ụ tụ điện
+ ễ tụ điện sẽ làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiờn liệu húa thạch. + Làm giảm chi phớ năng lượng đến 90%.
+ Nõng hiệu suất sử dụng năng lượng lờn 70% (bằng cỏch nạp lại điện năng) so với hiệu suất 15% (kể cả hệ thống truyền lực) trong cỏc ứng dụng động cơ đốt trong. + Tạo ra mụ men xoắn cao hơn và đường đặc tớnh mụ men xoắn khụng đổi, giỳp xe cú khả năng tăng tốc nhanh hơn.
+ Giảm bớt hiệu ứng nhà kớnh và tỡnh trạng núng lờn của trỏi đất. + Ít gõy ồn so với động cơ đốt trong.
+ Khụng thải ra khớ xả độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
+Hoàn toàn cú thể đỏp ứng tầm hoạt động dưới 500km, bằng loại ắc quy Lithium- ion.
+ Nạp điện tại nhà hoặc nơi cụng cộng đơn giản, thuận tiện hơn so với cỏc cõy
xăng.
+ Cú thể thu hồi năng lượng trong quỏ trỡnh phanh (bằng cỏch chuyển động năng
27
+ Ngoại trừ ắc quy, chi phớ sản xuất cỏc bộ phận khỏc rẻ hơn sơ với sử dụng động
cơ đốt trong vỡ số chi tiết rời ớt hơn và khụng đũi hỏi gia cụng chớnh xỏc.
+ Chi phớ tỏi nạp rẻ hơn nhiều so với xăng và dầu.
+ Chi phớ bảo dưỡng như thay dầu nhớt, làm mỏt, bảo dưỡng, kiểm duyệt khớ thải
được giảm bớt hoặc loại bỏ hoàn toàn.
+ Cú thể cung cấp điện trở lại cho một số thiết bị điện dõn dụng nếu cần.
+ Ngay cả khi nguồn điện dung để nạp ắc quy được tạo ra từ cỏc nhà mỏy nhiệt điện dựng nhiờn liệu húa thạch thỡ hiệu quả sử dụng năng lượng của chỳng vẫn cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong.
+ Giảm thiểu quan ngại về chỏy nổ.
+ ễ tụ điện cú triển vọng hơn cả xe sử dụng Hidro lỏng vỡ sự phổ dụng và chi phớ phõn phối rất thấp, khụng cần đầu tư một hệ thống trạm nhiờn liệu quy mụ lớn và cực kỳ đắt tiền. Ngoài ra, hiệu quả chuyển đổi năng lượng của xe cũn cao hơn ắc quy nhiờn liệu hidro lỏng.
+ Điện cú thể tạo ra từ cỏc nguồn thủy điện, địa nhiệt, giú, hidro, mặt trời hoặc hạt nhõn… là cỏc nguồn năng lượng khụng phỏt thải khớ độc hại gốc cacbon.
b. Nhược điểm khi sử dụng ụ tụ điện
+ Bị giới hạn về thời gian hoạt động và thời gian nạp lại đầy điện.
+ Giỏ thành sản xuất cho ắc quy điện cũn quỏ đắt, nằm trong khoảng từ 1500USD/xe (ắc quy chỡ - axit) cho đến 20000USD/xe (ắc quy Lithium - ion). + Khối lượng vận chuyển bị hạn chế, tốc độ thấp.
+ Một số loại ắc quy hoạt động kộm hiệu quả khi gặp thời tiết lạnh giỏ. Cỏc trạm
điện cụng cộng chưa phổ biến.
28
CHƯƠNG II: NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO ễ Tễ ĐIỆN
2.1. Một số hướng nghiờn cứu và thành tựu điển hỡnh trờn thế giới
Những nghiờn cứu về hệ thống nguồn năng lượng trờn thế giới rất đa dạng và phong phỳ. Trong phần này, một số hướng nghiờn cứu và thành tựu nổi bật trờn thế giới sẽ được điểm qua để chỳng ta cú được cỏi nhỡn bao quỏt với những hướng
nghiờn cứu khỏc nhau.
2.1.1. Ứng dụng cụng nghệ nano giảm thời gian nạp ắc quy
Thời gian nạp ắc quy là một trong những mối quan tõm lớn nhất của cả nhà khoa học, nhà sản xuất và người sử dụng ụ tụ điện. Loại ắc quy được sử dụng nhiều nhất cho ụ tụ điện hiện nay là ắc quy Lithium, cựng loại với ắc quy mỏy tớnh xỏch
tay và điện thoại di động mà chỳng ta hay sử dụng. Ta thấy rằng, thời gian để nạp đầy ắc quy cho một chiếc điện thoại hay mỏy tớnh mất từ 30 phỳt tới hơn một tiếng đồng hồ. Với một chiếc ụ tụ điện, thời gian nạp trung bỡnh 8 giờ, quỏ lõu khi so
sỏnh với thời gian đổ đầy một bỡnh xăng vốn chỉ khoảng 3 phỳt. Đõy rừ ràng là một
điểm yếu lớn của ụ tụ điện cần phải được khắc phục.
Cú nhiều nghiờn cứu về bộ nạp và bản thõn ắc quy nhằm giảm thời gian nạp, một trong những cụng trỡnh gõy tiếng vang lớn gần đõy là nghiờn cứu của cỏc nhà khoa học tại Viện Cụng nghệ Massachusetts sử dụng cụng nghệ nano để cải tiến vật liệu chế tạo ắc quy Lithium. Cụng trỡnh này, theo cỏc tỏc giả, đó nõng mật độ cụng
suất (núi cỏch khỏc là tăng khả năng phúng - nạp) của ắc quy Lithium lờn ngang
29
Hỡnh 2.1. Cụng nghệ vật liệu nano làm giảm thời gian nạp ắc quy Lithium - ion 2.1.2. Cụng nghệ nạp điện khụng dõy
Nạp điện khụng dõy (Wireless Power Transfer), cũn được biết đến với tờn gọi nạp điện cảm ứng (Inductive Charging) khụng phải là một cụng nghệ quỏ mới mẻ. Cụng nghệ này đó được ứng dụng để nạp điện cho một số thiết bị điện tử cầm
tay như điện thoại di động. Tuy nhiờn, việc ứng dụng cụng nghệ này để nạp điện
cho ụ tụ vẫn cũn nhiều vấn đề cần nghiờn cứu.
Về mặt nguyờn lý truyền tải năng lượng, nạp điện khụng dõy khụng khỏc gỡ chiếc bếp từ đó trở nờn phổ biến trong nhiều gia đỡnh. Thiết bị gồm cuộn sơ cấp nối với nguồn và cuộn thứ cấp nối với tải. Cuộn sơ cấp được cấp điện xoay chiều tần số
30
cao, tần số này càng cao thỡ hiệu suất truyền tải càng lớn. Dũng điện xoay chiều sinh ra từ trường biến thiờn, cảm ứng qua cuộn thứ cấp và sinh ra dũng điện chạy
trong cuộn thứ cấp.
Vấn đề an toàn, nhiễu điện từ, khoảng cỏch và hiệu suất nạp khụng dõy được
đặt ra khi sử dụng ở cụng suất lớn cho ụ tụ điện. Những thớ nghiệm ban đầu tại
Trung tõm nghiờn cứu của giỏo sư Hori tại Đại học Tokyo - Nhật Bản (Hori - lab) cho thấy tại khoảng cỏch lớn, với tần số cao, nạp khụng dõy vẫn cú hiệu suất tốt. Những vấn đề về an toàn và nhiễu vẫn đang được nghiờn cứu.
Hỡnh 2.2. Thớ nghiệm truyền điện khụng dõy tại Hori-lab
Ứng dụng nạp khụng dõy cho ụ tụ điện nổi tiếng nhất cú thể kể ra là dự ỏn
Online Electric Vehicle - OLEV ở Viện Cụng nghệ Tiờn tiến Hàn Quốc (KAIST).
31
Hỡnh 2.3. Xe điện OLEV nạp điện khụng dõy online tại KAIST 2.1.3. Phỏt triển cơ sở hạ tầng cho cỏc trạm nạp ắc quy
ễ tụ điện là phương tiện giao thụng, bởi vậy ta phải nghiờn cứu khụng chỉ
bản thõn chiếc xe mà cũn phải nghiờn cứu phỏt triển đồng bộ cơ sở hạ tầng, cụ thể là hệ thống cỏc trạm nạp. Một dự ỏn điển hỡnh là The EV Project ở Hoa Kỳ bắt đầu từ năm 2009 với tổng vốn đầu tư là 230 triệu Đụ-la. Mục tiờu của dự ỏn là xõy dựng 15.000 trạm nạp ở 16 thành phố lớn tại sỏu bang của Hoa Kỳ. Cụng ty ụ tụ Nissan Bắc Mỹ và General Motors/Chevrolet là những đối tỏc chớnh của dự ỏn này.
32
Hỡnh 2.4. The EV Project-dự ỏn phỏt triển cơ sở hạ tầng hệ thống trạm nạp tại
Hoa Kỳ
2.2. Một số loại nguồn năng lượng sử dụng cho ụ tụ điện
2.2.1. Nguồn hỗn hợp cho xe Hybrid
ễ tụ hybrid là loại xe sử dụng nguồn năng lượng hỗn hợp xăng và điện. Loại
ụ tụ này đó tương đối thụng dụng trờn thị trường và đó xuất hiện nhiều ở Việt Nam.
Toyota Prius, Ford Escape Hybrid hay Lexus GS Hybrid là những mẫu xe đó khỏ quen thuộc trờn đường phố nước ta. Xe hybrid sử dụng hai hệ thống truyền động là
động cơ đốt trong và động cơ điện với hai nguồn năng lượng riờng là xăng và ắc
quy. Hai hệ truyền động được nối với nhau bằng cơ cấu cơ khớ (coupling), động cơ đốt trong khi hoạt động cũn đúng vai trũ là động cơ sơ cấp kộo một mỏy phỏt điện
nạp cho ắc quy.
Xe hybrid được coi là bước chuyển tiếp giữa xe xăng và xe điện. Mặc dự
hiện nay hệ thống nguồn hỗn hợp vẫn cũn nhiều triển vọng phỏt triển, nhưng trong
33
Hỡnh 2.5. Minh họa cấu trỳc hệ truyền động và nguồn năng lượng xe ụ tụ hybrid 2.2.2. Ắc quy chỡ - axớt
Ắc quy chỡ - axớt là một trong những kiểu ắc quy đầu tiờn trờn thế giới, nú
được sử dụng rất phổ biến vỡ giỏ thành rẻ, vận hành an toàn (do hầu như khụng cú
nguy cơ chỏy nổ). Tuy nhiờn, loại ắc quy này cú mật độ năng lượng thấp nờn rất
nặng, tuổi thọ kộm (thường là 3 năm với điều kiện vận hành đỳng tiờu chuẩn), nạp chậm và khú tỏi chế. Hơn nữa, chỡ là một chất cú hại đối với sức khỏe nờn sau khi hết thời hạn sử dụng, nếu khụng được thu gom đỳng cỏch và tỏi chế thỡ ắc quy chỡ cú thể trở thành một thảm họa mụi trường. Mặc dự ắc quy chỡ - axớt cũn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nú vẫn chiếm đến 79% thị phần ắc quy trong năm 2008 vỡ giỏ thành rẻ, sử dụng đơn giản và quen thuộc.
34
Bảng 1-1: Cỏc chi phớ liờn quan đến bảo trỡ ắc quy
Đặc tớnh Ắc quy cú bảo dưỡng
($) AGM($) Gel($) Khối AGM($) Giỏ ắc quy 20000 24000 20000 19000 Giỏ đỡ 2200 2200 2200 Ngăn chặn tràn 1700 Cài đặt 5000 5000 5000 3600 Thụng giú 2000 Bảo trỡ trong 20 năm 14400-45000 7200-38500 7200-35000 7200-30000 Chi phớ lắp đặt ban đầu 30000 31000 27000 22000 Chi phớ hàng năm 2500 2000 2000 1500 2.2.3. Ắc quy NiMH
Cỏc ắc quy NiMH được coi là một sự kế thừa nổi bật trờn thị trường trong
một thời gian dài - hệ thống ắc quy Nickel Cadmium (Ni - Cd). Những ắc quy này
đó tồn tại từ giai đoạn chuyển giao thế kỷ. Hệ thống ắc quy Ni - Cd bắt đầu với một
khởi đầu khiờm tốn, nhưng những tiến bộ nhanh trong bốn thập kỷ qua kể từ những
năm 1950, cụng suất ắc quy đó được cải thiện gấp bốn lần.
Vấn đề mụi trường, đẩy nhanh sự phỏt triển của hệ thống ắc quy thay thế
NiMH. Từ khi thành lập từ đầu những năm 1980 đến giữa năm 1980, thị phần của
ắc quy NiMH cú thể sạc lại đó tăng 35% và cụng suất, đặc biệt là khả năng tải cao, đó được cải thiện đỏng kể.
Cỏc ấn phẩm khoa học và bài viết được cấp bằng sỏng chế cung cấp một số
lượng lớn bỏo cỏo liờn quan đến cỏc khớa cạnh khỏc nhau của ắc quy NiMH, gồm cỏc đặc tớnh húa học và đặc tớnh lưu trữ hidro của vật liệu làm catot. Tuy nhiờn, điều
quan trọng là hiểu cỏc tiờu chuẩn thiết kếđể tối ưu húa hiệu suất và mở rộng vũng
35
Cỏc hợp kim AB5 (LaNi5) và AB2 (TiN2) được nghiờn cứu như là một phần
của ắc quy NiMH. Cả hai hợp kim này cú khả năng lưu trữ hidro gần như nhau,
khoảng 1,5% trọng lượng. Khả năng lưu trữ hidro tối đa theo lý thuyết của hợp kim
AB2 cao hơn một chỳt, 2% tớnh theo trọng lượng, hợp kim AB5 là 1,6% tớnh theo
trọng lượng. Khả năng lưu trữ Hidro của AB5 tớnh theo trọng lượng cú thể đạt được
cao hơn chỉ khi kớch thước ắc quy lớn hơn. Điều này sẽ trở thành một yếu tố khụng
mong muốn cho cỏc thiết kế ắc quy xe điện nhỏ gọn. Khỏi niệm cơ bản về cực õm của ắc quy NiMH cú được từ việc nghiờn cứu cỏc hợp kim kim loại, cỏc hợp kim này cú thể giữ và giải phúng hidro với thể tớch gấp một nghỡn lần thể tớch của chỳng. Bản Catot chủ yếu gồm một lượng lớn cỏc cỏc hạt kim loại mịn bị nộn lại. Cỏc nguyờn tử hidro nhỏ hơn nhiều nờn dễ dàng bị hấp thụ vào cỏc khe nứt của một cực õm lưỡng kim và nú cú thể mở rộng lờn đến 24% thể tớch. Điện cực hidrit cú mật độ cụng suất lờn đến 1.800mAh/cm3.
Vỡ vậy, ắc quy NiMH kớch thước càng nhỏ, mật độ năng lượng càng cao, với
hợp kim AB5 là khoảng 8-8,5g/cm3, với hợp kim AB2 thỡ mật độ năng lượng tương
đối thấp hơn, khoảng 5-7g/cm3. Mặc dự thụng thường, phương phỏp sản xuất cỏc
vật liệu ắc quy AB5 bao gồm cỏc bước:
Bước 1: Núng chảy và làm mỏt nhanh chúng của cỏc thỏi kim loại lớn.
Bước 2: Mở rộng xử lý nhiệt để loại bỏ tớnh khụng đồng nhất về thành phần
vi mụ.
Bước 3: Phỏ vỡ thỏi kim loại lớn thành từng miếng nhỏ bằng quỏ trỡnh hydrua và dehydrua.
Bước 4: Nghiền cỏc mảnh phụi đó được ủ thành bột mịn.
Quỏ trỡnh sản xuất bốn bước này là yếu tố quan trọng để thương mại húa
rộng rói ắc quy NiMH. Quỏ trỡnh này cú thể được loại bỏ và thay thế bằng một bước
duy nhất bằng cỏch xử lý húa rắn nhanh bột AB5 dựng phun khớ ỏp suất cao. Đặc
tớnh hấp thụ và giải hấp thụ khớ H2 của hợp kim được xử lý bằng phun khớ ỏp suất
36
2.2.4. Ắc quy Ion Li
Ắc quy Ion Li là loại thứ ba cú thể được thương mại húa cho cỏc ứng dụng xe điện. Bởi vỡ Li là kim loại cú thế õm cao nhất và khối lượng nguyờn tử thấp nhất,
cỏc ắc quy dựng Li cú thế năng lớn nhất cho bước đột phỏ cụng nghệ, điều này sẽ
làm cho xe điện cú những đặc tớnh sử dụng lớn nhất về tốc độ và phạm vi sử
dụng. Thật khụng may, bản thõn kim loại Li dễ phản ứng với khụng khớ và với hầu hết cỏc chất điện phõn lỏng. Để trỏnh cỏc vấn đề liờn quan tới kim loại Li này, Li
được đan xen cỏc nguyờn tử cacbon graphic (C xỏm) (LixC), LixC được sử dụng và
cho thế năng tốt với hiệu suất cao, trong khi duy trỡ ắc quy an toàn.
Trong quỏ trỡnh xả của ắc quy ion Li, cỏc ion Li được giải phúng khỏi cực
dương và đi qua một chất điện phõn hữu cơ đến cực õm. Chất điện phõn hữu cơ (tức
là khụng phải dung dịch nước) bền, chống lại sự khử do Li. Quỏ trỡnh oxi húa ở cực
õm là cần thiết vỡ Li phản ứng húa học với nước trong dung dịch chất điện
phõn. Khi Li ion tới cực õm, nú nhanh chúng kết hợp với vật liệu làm cực õm. Quỏ trỡnh này cú thể dễ dàng đảo ngược. Bởi vỡ sự hồi phục nhanh chúng của ion Li, cỏc
ắc quy ion Li cú thể nạp và xảnhanh hơn ắc quy Pb - axit và ắc quy NiMH. Ngoài
ra, ắc quy ion Li tạo ra cựng một lượng năng lượng như ắc quy NiMH, nhưng nú
thường nhỏ hơn 40% và trọng lượng bằng một nửa. Điều này cho phộp sử dụng số ắc quy gấp hai lần trong một xe điện, do đú tăng gấp đụi năng lượng lưu trữ và tăng
phạm vi sử dụng xe.
Cú nhiều loại vật liệu khỏc nhau sử dụng được trong ắc quy ion Li. Núi