Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời - Nguyễn Quang Nam (Phần 3)

OH2PbSO2SO4HPbO 24
2
42 +→+++
−−+ e
−− +→+ e2PbSOSOPb 4
2
4
Cực dương
Cực âm
−−+ +++→+ e2SO4HPbOOH2PbSO 24224
−− +→+ 244 SOPb2PbSO e
Cực dương
Cực âm
22Bài giảng 5
Nhiệt độ thấp

 Nhiệt độ quá thấp làm giảm khả năng phóng điện của ắc-quy
23Bài giảng 5
Ắc-quy chì axit

 Khi xả sâu, dung dịch hầu như là nước, dễ bị đông hơn.

 Đồng thời, lớp PbSO4 làm giảm diện tích điện cực, tăng điện 
trở nội của ắc-quy.

 Khối lượng riêng của ắc-quy giảm.
24Bài giảng 5
Ắc-quy chì axit

 Điện áp và tỷ trọng theo điện lượng.
25Bài giảng 5
Dung lượng ắc-quy

 Dung lượng của ắc-quy tăng khi dòng phóng giảm.

 Nhiệt độ thấp làm giảm dung lượng ắc-quy.

 Dung lượng được định mức theo dòng phóng C/20 ở 25 °C.
26Bài giảng 5
Dung lượng ắc-quy
27Bài giảng 5
Ví dụ 9.16

 Giả sử ắc-quy tại một trạm viễn thông ở xa có thể làm việc ở
nhiệt độ −20 °C. Nếu cần cung cấp 500 Ah/ngày cho phụ tải 
trong 2 ngày, cần có dung lượng ắc-quy là bao nhiêu?
Giải:

 Theo hình 9.39, để tránh dung dịch bị đông, chỉ phóng hết 
60% dung lượng. Dung lượng cần thiết cho 2 ngày là
(500 Ah/0,6)×2 = 1667 Ah

 Ngoài ra, ắc-quy phóng ở C/48, tại −20 °C chỉ có thể phóng 
hết 80% dung lượng, dung lượng danh định cần có là
1667 Ah/0,8 = 2083 Ah
28Bài giảng 5
Ghép ắc-quy

 Mắc song song để tăng dung lượng.

 Mắc nối tiếp để tăng điện áp.

 Đảm bảo điều kiện ghép nối tiếp và song song.
29Bài giảng 5
Hiệu suất của ắc-quy

 Giả sử ắc-quy được nạp bằng dòng IC ở áp VC trong thời gian 
TC, sau đó phóng hết điện tại dòng ID ở áp VD trong thời gian 
TD. Hiệu suất năng lượng của ắc-quy là:

 Như vậy: Hiệu suất năng lượng = 
hiệu suất điện áp × hiệu suất Coulomb












=











==
in
out
C
D
CC
DD
C
D
CCC
DDD
V
V
TI
TI
V
V
TIV
TIVNLHS
Ah
Ah
30Bài giảng 5
Hiệu suất của ắc-quy

 Một ắc-quy 12 V có thể được xem có điện áp nạp trung bình 
là 14 V, và điện áp phóng trung bình là 12 V. Do đó, hiệu suất 
điện áp sẽ bằng 12/14 = 0,86 = 86%.

 Hiệu suất Coulomb của ắc-quy thường từ 90 đến 95%. Điều 
này được giải thích như sau: khi ắc-quy nạp sắp đầy, điện áp 
của nó đủ cao để tạo ra hiện tượng điện phân nước, làm sinh 
ra khí H2 và O2 thoát ra ngoài, mang theo một phần điện tích 
đã được dùng để nạp điện cho ắc-quy.

 Do đó, giả sử hiệu suất Coulomb là 90%, hiệu suất năng 
lượng sẽ bằng 0,86×0,9 = 0,77 = 77%.
31Bài giảng 5
Ví dụ 9.17

 Một ắc-quy 100 Ah, 12 V có điện áp nghỉ 12,5 V được nạp ở
C/5 bằng điện áp 13,2 V. Dùng mạch Thevenin đơn giản:
a) Ước tính điện trở nội Ri của ắc-quy.
b) Tỷ lệ tổn hao công suất do Ri là bao nhiêu?
c) Nếu nạp ở C/20, tỷ lệ tổn hao công suất là bao nhiêu?
Giải:
a) Ở C/5, dòng nạp là 100/5 = 20 A. Nội trở có giá trị
Ω=−=−= 035,0
20
5,122,13
I
VVR Bi
32Bài giảng 5
Ví dụ 9.17
b) Tỷ lệ tổn hao công suất:
c) Ở C/20, dòng điện nạp là 100/20 = 5 A. Điện áp nguồn khi đó
sẽ bằng V = 12,5 + 0,035×5 = 12,68 V.
Tỷ lệ tổn hao công suất khi đó bằng:
%3,5053,0
2,13
20035,02
==
×
=
VI
IRi
%38,10138,0
68,12
5035,02
==
×
=
VI
IRi
33Bài giảng 5
Hiệu suất Coulomb của ắc-quy

 Thực tế thì điện áp và nội trở của ắc-quy đều phụ thuộc vào 
điện lượng hiện có trong ắc-quy.

 Khi ắc-quy nạp gần đầy, điện áp tăng vọt làm phát sinh nhiều 
khí, do nước bị điện phân. Đồng thời có thể xuất hiện sản 
phẩm phụ do tác dụng của hydro với kim loại làm điện cực. 
Do đó cần thông gió tốt cho các buồng trữ ắc-quy.

 Để hạn chế việc bổ sung nước cho ắc-quy (vì bị mất ôxy), 
các ắc-quy dạng VRLA có van an toàn cho phép xả khí khi áp 
suất quá cao, nhưng chặn ôxy để tái hợp với chì. Ắc-quy 
VRLA có thể hạn chế đến 95% lượng khí thoát ra.
34Bài giảng 5
Tính toán dung lượng ắc-quy

 Khi ánh sáng tốt, có thể chỉ cần tính dung lượng để phục vụ
tải trong đêm. Khi ánh sáng kém, bộ ắc-quy có thể phải phục 
vụ tải trong nhiều ngày.

 Sự thỏa hiệp giữa việc chọn dung lượng lớn và dung lượng 
nhỏ phụ thuộc chủ yếu vào chi phí, bên cạnh các yếu tố về
tính linh động của phụ tải, và các nguồn dự phòng khác.

 Do bản chất thay đổi của tự nhiên, những tính toán cần dựa 
vào các mô hình thống kê để chọn dung lượng ắc-quy phù
hợp cho hầu hết các trường hợp.
35Bài giảng 5
Tính toán dung lượng ắc-quy
36Bài giảng 5
Tính toán dung lượng ắc-quy

 Gọi PSH là số giờ nắng đỉnh (Peak sun hour) và SD là số
ngày lưu trữ, các đường cong trên hình 9.46 có thể được xấp 
xỉ bởi các phương trình

 Số ngày lưu trữ thể hiện dung lượng ắc-quy khả dụng sau khi 
đã xét các yếu tố ảnh hưởng như độ sâu phóng điện cho 
phép, hiệu suất Coulomb, nhiệt độ và mức phóng điện.
( ) ( ) ( )23,073,424%99 PSHPSHSD +−≈
( ) ( ) ( )211,09,143,9%95 PSHPSHSD +−≈
37Bài giảng 5
Tính toán dung lượng ắc-quy

 Quan hệ giữa số ngày lưu trữ và dung lượng danh định của 
ắc-quy (tại C/20, 25 °C) như sau
 trong đó, MDOD là mức phóng điện tối đa, T là nhiệt độ, và
DR là mức phóng điện (hệ số (T, DR) tra theo đồ thị trên slide 
26) của ắc-quy.

 Xét một ví dụ cụ thể dưới đây.
( )( )DRTMDOD
SD
,
luong Dung =
38Bài giảng 5
Ví dụ 9.18

 Một cabin có nhu cầu điện AC là 3000 Wh/ngày trong mùa 
đông. Tính khả dụng 95% được chọn, với 5% còn lại được hỗ
trợ bởi một máy phát dự phòng. Các ắc-quy được lưu trữ ở 
nơi mà nhiệt độ có thể đến –10 °C. Điện áp hệ thống là 24 V, 
và một bộ nghịch lưu có hiệu suất 85% sẽ được dùng.
Giải:

 Tải DC của hệ thống là:
 Wh/ngay3529
85,0
 Wh/ngay3000DC Tai ==
39Bài giảng 5
Ví dụ 9.18

 Ở điện áp hệ thống 24 V, tải tương ứng là
(3529 Wh/ngày)/24 V = 147 Ah/ngày

 Để phục vụ mùa đông tốt hơn, chúng ta chọn góc nghiêng 
của các tấm pin là L+15° (L là vĩ độ).

 Ví dụ cho Salt Lake City, số giờ nắng đỉnh dùng để thiết kế là
3,1 giờ (cho góc nghiêng của tấm pin là L+15° ).
40Bài giảng 5
Ví dụ 9.18

 Từ đồ thị ở slide 35 cho tính khả dụng 95% (hoặc dùng 
phương trình), ta thu được số ngày lưu trữ là khoảng 4,6.

 Như vậy, dung lượng lưu trữ khả dụng cần có là
(147 Ah/ngày)×4,6 ngày = 676 Ah

 Ta sẽ dùng ắc-quy chì axit cho phép phóng sâu đến 80%, 
nhưng cần xác định hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ và mức 
phóng điện, theo đồ thị ở slide 26.

 Thời gian phóng điện là 4,6 ngày, do đó mức phóng điện quy 
đổi là C/92, chúng ta sẽ dùng đường cong cho C/72. Ở nhiệt 
độ –10 °C, chúng ta có hệ số (T, DR) = 0,97.
41Bài giảng 5
Ví dụ 9.18

 Vậy, dung lượng danh định ở C/20, 25 °C là
676 Ah/(0,8×0,97) = 871 Ah

 Bộ ắc-quy cần cung cấp 871 Ah tại 24 V, và không có ắc-quy 
đơn lẻ nào được chế tạo cho mức dung lượng này.

 Dựa vào bảng 9.15 (slide 25), chúng ta thấy có thể ghép 4 
dãy ắc-quy Trojan T-105 225 Ah, 6 V để cung cấp 900 Ah. Vì 
điện áp của ắc-quy chỉ có 6 V, nên sẽ có 4 ắc-quy được ghép 
nối tiếp trong mỗi dãy, để tạo ra điện áp hệ thống 24 V.
42Bài giảng 5
Ví dụ 9.18
43Bài giảng 5
Diode chặn phóng ngược

 PV thực tế có một nhánh dẫn điện song song đặc trưng cho 
sự rò điện khi không đủ ánh sáng chiếu vào (Rsh). Do đó, khi 
không đủ ánh sáng, PV có thể tiêu thụ điện từ ắc-quy.

 Người ta có thể hạn chế điều này bằng một diode chặn, mắc 
giữa PV và bộ ắc-quy, để tránh cho dòng điện phóng ngược 
từ ắc-quy sang PV khi không đủ ánh sáng.
( )19,380 −= dVd eII
( ) shdVB RVeII d /19,380 +−=
44Bài giảng 5
Ví dụ 9.19

 Một tấm pin mặt trời có 36 tế bào mắc nối tiếp, mỗi tế bào có 
dòng điện bão hòa I0 bằng 10-10 A và điện trở song song 8 Ω. 
PV cung cấp dòng quy đổi 5 A trong 6 giờ mỗi ngày. Tấm pin 
được nối với ắc-quy có điện áp 12,5 V mà không có diode 
chống phóng ngược.
a) Có bao nhiêu Ah sẽ bị phóng ngược từ ắc-quy trong 15 h?
b) Bao nhiêu năng lượng sẽ bị hao hụt vì điều này?
c) Nếu thêm một diode chống phóng ngược, có bao nhiêu năng 
lượng sẽ bị tiêu tán trên diode này khi có đủ ánh sáng? Giả
sử điện áp rơi khi diode dẫn điện là 0,6 V.
45Bài giảng 5
Tính toán dàn pin mặt trời
46Bài giảng 5
Tính toán dàn pin mặt trời

 Khi nạp điện cho ắc-quy, PV hầu như luôn làm việc ở phía 
trên cánh chỏ của đường cong I-V. Tính toán theo quan điểm 
thận trọng (tính thừa)
Ah = (Dòng định mức)×(Số giờ nắng đỉnh) ×(Hiệu suất 
Coulomb) ×(Hệ số suy giảm định mức)

 Hệ số suy giảm định mức thường được chọn là 0,9, để xét 
đến ảnh hưởng của bụi bám và lão hóa dần.

 Với điện áp hệ thống là 24 V, có thể mắc nối tiếp hai tấm pin 
thiết kế cho hệ thống 12 V, hoặc dùng một tấm pin cho hệ
thống 24 V. Ghép song song các tấm pin để tăng dòng.
47Bài giảng 5
Ví dụ 9.20

 Cabin trong ví dụ 9.18 cần 147 Ah/ngày. Giả sử hiệu suất 
Coulomb là 0,9, và hệ số suy giảm định mức là 0,9. Dòng 
điện định mức cần cung cấp từ PV là
Dòng định mức = (Ah cần thiết)/[(Số giờ nắng đỉnh) ×(Hiệu suất 
Coulomb) ×(Hệ số suy giảm định mức)]

 Tức là, IR = 147/(3,1×0,9×0,9) = 58,54 A.

 Nếu chọn tấm pin mã hiệu P230-210 của Redsun, với công 
suất đỉnh 210 Wp, và dòng điện Imp = 7,25, sẽ cần 58,54/7,25 
= 8,07 tấm. Vậy, chọn dùng 8 tấm pin (vì đang tính thừa).
48Bài giảng 5
Ví dụ 9.20

 Sơ đồ khối của hệ thống tương tự như dưới đây.
49Bài giảng 5
Ví dụ 9.20

 Hệ thống chỉ thiếu hụt chút ít vào tháng 12.
50Bài giảng 5
Hệ pin mặt trời lai

 Hệ thống được thiết kế theo tháng xấu nhất trong năm 
thường có sản lượng cao hơn rất nhiều vào những tháng 
khác, đặc biệt ở khu vực không phải nhiệt đới.

 Một hệ thống lai, trong đó hầu hết phụ tải được cung cấp từ 
điện mặt trời, và một phần nhỏ được cung cấp từ máy phát, 
có thể là một giải pháp hiệu quả.

 Có thể phân tích nhu cầu năng lượng từng tháng và thay đổi 
định mức của PV để quyết định tỷ lệ đầu tư cho PV và máy 
phát dự phòng. Slide tiếp theo giới thiệu đồ thị điển hình.
51Bài giảng 5
Hệ pin mặt trời lai
% tháng xấu nhất = 0,625×(% cả năm) (cả năm ≤ 0,8)
% tháng xấu nhất = 0,5 + 28×(% cả năm – 0,8)2,5 (cả năm > 0,8)
52Bài giảng 5
Hệ pin mặt trời lai

 Bộ ắc-quy có thể được giảm dung lượng

 Dòng điện phóng/nạp của ắc-quy không quá C/5

 Dung lượng cho 3 ngày có thể hạn chế số lần khởi động máy 
phát