Kho năng lượng một chiều là sự kết hợp các phần tử R, C với nguồn một chiều Vdc. Được tạo thành từ việc phối hợp ghép nối tiếp và song song các ắcquy 12V(24V) để có được giá trị điện áp tương ứng với công suất theo yêu cầu của hệ thống.
Ắcquy là một trong những công nghệ tích trữ năng lượng mang lại giá trị hiệu quả kinh tế cao. Trên thế giới nhiều nước đã áp dụng công nghệ ắcquy khác nhau như: ắcquy chì, ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2), ắcquy Solium-Sulfur (Na/S), ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad), ắcquy Lithium Ion,…
-Ắcquy chì là loại ắcquy xuất hiện từ rất sớm. Nó bao gồm bản cực âm là chì và bản cực dương là chì oxit, dung dịch axit sulfuric làm điện môi. Hiện nay loại ắcquy này đã được phát triển và cải tiến mạng lại nhiều lợi ích hơn,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
đặc biệt là giá thành và độ tin cậy. Tuy nhiên một hạn chế của loại ắcquy này là hoạt động kém ở nhiệt độ thấp.
-Ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2) còn được biết đến với cái tên ắcquy ZEBRA. Loại ắcquy này có thể hoạt động trong dải nhiệt độ rộng (- 40o ÷ 70o), có đặc tính an toàn cao. Tuy nhiên loại ắcquy này lại có độ tích trữ năng lượng và mật độ năng lượng không cao.
-Ắcquy Sodium-Sulfur (Na/S) bao gồm Natri dạng lỏng làm điện cực dương và Sulrur dạng lỏng làm điện cực âm. Loại ắcquy này vận hành ở nhiệt độ (300o
÷ 350oC), do vậy cần có vỏ cách nhiệt tốt để chống tổn thất nhiệt. So với ắcquy chì thì nó nhỏ hơn, nhẹ hơn và gọn hơn về kích thước.
-Ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad) là loại ắcquy có độ tin cậy cao, có đời sống tính theo số chu kỳ nạp xả thuộc loại dài nhất, nhưng lại có mật độ năng lượng thấp. Bên cạnh đó Cadmium là loại hóa chất độc nên ảnh hưởng nhiều đến môi trường.
-Ắcquy Lethium Ion là loại ắcquy tương đối mới, có nhiều ưu điểm nổi trội hơn các thế hệ ắcquy trước đó như cho mật độ nạp rất cao (khối lượng nhẹ nhưng có thể trữ được năng lượng cao), đời sống chu kỳ phóng nạp cũng rất cao.
Hiện nay, nhiều công nghệ chế tạo ắcquy đã được ứng dụng vào sản xuất như công nghệ Nickel-Cadmium, Nickel-Metal, Lithium-Ion nhưng giá thành sản xuất rất cao nên đã có một số công nghệ giá thành sản xuất ban đầu dẻ hơn như Soldium-Sunfur, Zinc-Bromine, ắcquy axit điện cực chì (lead acid batteries). Tuy nhiên thời gian làm việc thường ngắn sau 100.000 lần nạp, phóng điện, tri phí bảo dưỡng cao.
Trong hệ thống BESS, ắcquy axit điện cực chì được sử dụng phổ biến đã cải thiện được thời gian làm việc và giảm trí phí bảo dưỡng. Vì vậy phần tiếp theo sẽ giới thiệu về công nghệ chế tạo loại ắcquy axít điện cực chì.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Cấu tạo của ắcquy axit điện cực chì:
Bộ ắcquy gồm nhiều bình ắcquy kết hợp lại, trong đó mỗi bình ắcquy lại gồm nhiều phần tử nhỏ hơn là các ngăn. Mỗi ngăn của bình ắcquy là một ắcquy đơn và nó có đầy đủ các tính chất đặc trưng cho cả bình. Do đó ta khảo sát ắcquy đơn là đủ.
Ắcquy axit điện cực chì là loại ắcquy mà có điện cực Catot được làm bằng kim loại chì (Pb), còn Anôt được làm bằng chì đioxit (PbO2) được đặt trong dung dịch axit sunfuric, hình 2.10.
Hình 2.10. Cấu tạo của ắcquy axít điện cực chì.
Trong đó:
- Các ngăn của ắcquy: là một bộ phận của ắcquy, chúng có điện áp thấp
khi hở mạch thường 2V, có thể tạo ra một ắcquy có điện áp mong muốn bằng cách ghép nối tiếp các ngăn.
- Cột điện cực: là các các điện cực dương và âm trong mỗi ngăn chúng
được làm từ các hợp chất hoá học chì và chì đioxit rất bền trong môi trường axit sunfuric.
- Đầu nối hai bản cực: Đây là phần nhô ra trên ắcquy dễ dàng quan sát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Các tấm màng cách ly các điện cực: chúng dùng để ngăn cách cặp điện
cực, khi có dòng điện qua dung dịch sẽ phân ly dung dịch tạo ra các ion H+
và e-di chuyển về phía hai bản cực và tạo ra các phản ứng tại đó.
- Vỏ bọc và khối hộp chứa các ngăn: Dùng để chứa các ngăn và dung dịch H2SO4, giúp cho việc vận chuyển, lắp đặt được dễ dàng, vỏ được làm từ loại nhựa cứng đặc biệt không phản ứng với dung dịch H2SO4, H2 và O2.
Các phản ứng hoá học cơ bản xẩy ra tại các điện cực trong quá trình ắcquy làm việc:
-Tại điện cực dương diễn ra phản ứng :
Pb +2 +2 + + Pb +
-Tại điện cực âm diễn ra phản ứng :
Pb+ + Pb +2 +2
Trong đó e- là electron trao đổi với mạch điện ngoài.
Mạch điện nối với mạch ngoài và đường cong biểu diễn quá trình phóng nạp điện của một ngăn trong ắcquy biểu diễn như hình 2.11.
I = 1,5 A
Thời gian (giờ)
Đ iệ n áp ( V ) 10 20 1,75V 1,66 1,83 2,06 0 I = 3,2 A
Thời gian (giờ)
Đ iệ n áp ( V ) 10 20 2,00 2,33 2,66 0
Hình 2.11.mạch điện nối với mạch ngoài và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Điện áp giữa hai bản cực chì và chì đioxit trong một ngăn là 2,04V nhưng điện áp khi hở mạch thường chỉ tạo ra định mức là 2V, Năng lượng định mức tích trữ được trong một ngăn theo trọng lượng là 170Wh.kg-1
.
Sức điện động và dung lượng của ắcquy:
Sức điện động của ắcquy phụ thuộc vào tính chất lý hóa của vật liệu làm bản cực, dung dịch điện phân. Trong quá trình phóng điện, sức điện động của ắcquy được tính theo công thức:
Ep=Up+Ip.raq
Trong đó:
-Ip là dòng điện phóng (A).
-Up là điện áp đo trên các cực của ắcquy khi phóng điện (A). -raq là điện trở trong của ắcquy.
Trong quá trình nạp điện, sức điện động En của ắcquy được tính theo công thức:
En=Un-In.raq
Trong đó:
-In là dòng điện nạp (A).
-Un là điện áp đo trên các cực của ắcquy khi nạp điện (A).
Dung lượng phóng của ắcquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ắcquy cho phụ tải và được tính theo công thức:
Cp=Ip.tp
Trong đó:
-Cp là dung lượng thu được trong quá trình phóng điện (Ah)
-Ip là dòng điện phóng ổn định (A) trong thời gian phóng điện tp (h) Dung lượng nạp của ắcquy là đại lượng dánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắcquy và được tính theo công thức:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong đó
- Cn là dung lượng thu được trong quá trình nạp điện (Ah) - In là dòng điện nạp ổn định (A) trong thời gian nạp điện tn (h)
Mô hình tương đương của ắcquy.
Theo mô hình mạch tương đương Thevenin như hình 2.12, ắcquy gồm: -Eb là điện áp hở mạch.
-R1 là điện trở tương đương (điện trở trong và điện trở ngoài) của bộ ắcquy (gồm các ắcquy nối song song và nối tiếp). Thường R1 có giá trị nhỏ.
-Mạch song song R2 và Cb mô tả năng lượng và điện áp trong quá trình nạp và phóng ắcquy. R2 song song với Cb đại diện cho quá trình tự phóng của ắcquy. Bởi dòng tự phóng của ắcquy là rất nhỏ nên R2 có giá trị lớn.
Eb R2 Cb RBS + - i(t) Vb(t)
Hình 2.12. Sơ đồ tương đương của ắcquy.
Phương trình điện áp đầu cực ắcquy là:
1 2 2 ( ) ( ) . ( ) . ( ) . c b b b dv t V t E R i t R i t C R dt Trong đó: c( ) 1 c( ) b v t i t dt C
Tụ điện Cb được xác định bằng dung lượng của ắcquy theo công thức:
22max 22min 3
1
( ) .3600.10
2C Vb b Vb kWh
Trong đó
- Cb là điện dung tương đương của ắcquy.
- Vbmax và Vbmin lần lượt là giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất khi hoạt động của ắcquy.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Phân tích quá trình phóng điện của ắcquy:
Khi ắcquy được nối với phụ tải mạch điện ngoài tuỳ thuộc vào phụ tải, nhiệt độ trong mỗi ngăn, giá trị dòng điện lớn hay nhỏ mà thời gian phóng điện khác nhau. Đường cong biểu diễn quá trình phóng điện ắcquy 12V/100Ah phụ thuộc vào dòng phóng ở 25o
C như hình 2.13. 14 6 2 4 8 10 12 16 18 20 22 24 26 28 30 1 9 10 11 12 8 14 6 2 4 8 10 12 16 18 20 10 11 12 Điện áp trung bình 5A 8,95A 15,6A 23,3A 53A Điện áp trung bình 91,5A 127A 208A 327A 410A 528A V Thời gian (phút)
thời gian (giờ)
Hình 2.13. Quá trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dòng phóng.
Trong quá trình phóng theo thời gian, giá trị điện áp phóng giảm rất nhanh, làm điện áp ắcquy giảm xuống rất nhỏ, điều này làm ảnh hưởng xấu tới khả năng tích trữ năng lượng, do đó phải thiết lập hệ thống giới hạn điện áp cuối khi phóng điện (Uf), trong khoảng thời gian giữa 1h và 20h điện áp cuối được giữ ở giá trị 1,75V, đôi khi giá trị này còn thấp hơn Uf =1V.
Để tính toán năng lượng và công suất ắcquy cung cấp cho tải thường sử dụng giá trị điện áp phóng trung bình (mean voltages) trên hình2.13.
Gọi điện dung của ắcquy Cd được xác định theo các đại lượng điện,và được giữ ở giá trị hằng số trong suốt quá trình phóng điện cho đến khi đến giá trị Uf. Khoảng thời gian ắcquy phóng điện cho đến khi đạt giá trị Uf được biểu diễn trên trục hoành hình 2.13.
Theo các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước, giá trị điện dung Cd được giới hạn bởi giá trị dòng điện phóng mà nó có thể đáp ứng được. Giả sử ở nhiệt độ 20oC, sau thời gian 20h (Cd20) hoặc 5h (Cd5) thì Uf = 1,75V các giá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
trị điện dung này là các giá trị định mức. Trong điều kiện làm việc bình thường giá trị điện dung trong quá trình phóng không được thấp hơn 80% dung lượng định mức.
Mối quan hệ giữa giá trị điện dung và dòng điện làm việc theo công thức kinh nghiệm của Peukert năm 1898.
d (n-1) d K C = I với n d K = I .t
Trong đó: K,n là các giá trị hằng số, n=1,3 còn hệ số K phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ dung dịch H2SO4 khi thiết kế ắcquy.
Năng lượng (Ed) được cung cấp bởi ắcquy trong suốt thời gian phóng điện với điều kiện dòng điện phóng được giữ là giá trị hằng số bằng giá trị năng lượng của điện áp trung bình tạo bởi các giá trị điện dung ở nhiều ngăn. Sự phụ thuộc của giá trị điện áp trung bình và năng lượng Ed vào dòng điện phóng như hình 2.14. Từ đặc tính thấy rằng khi dòng điện phóng tăng năng lượng cung cấp sẽ giảm dần rất nhanh vì vậy để kéo dài thời gian làm việc của ắcquy 3h đến 10h cần phải được điều chỉnh dòng phóng một cách thích hợp, thông thường giá trị năng lượng được cung cấp chỉ đạt 80% giá trị định mức.
1 2 3 4 5 100 200 300 400 500 600 C ôn g su ất ( k W ) Dòng điện (A)
Hình 2.14. Sự phụ thuộc của công suất vào dòng điện phóng.
Tuổi thọ của ắcquy được đánh giá bằng chu kỳ phóng, nạp điện của ắcquy, được kiểm tra bằng tiến hành các thí nghiêm. Quá trình thí nghiệm được kết thúc khi giá trị điện dung giảm nhỏ hơn 80% giá trị định mức, Tuy nhiên trong thực tế thì thời gian làm việc của ắcquy có thể dài hơn hoặc ngắn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
hơn vì khi thí nghiệm trong điều kiện lý tưởng đã bỏ qua các yếu tố về tự nhiên như nhiệt độ, môi trường tại nơi làm việc.