Mặc dù pin rất phổ biến trên thị trường thiết bị lưu điện không bị gián đoạn (UPS), nhưng chúng có những nhược điểm như vòng đời ngắn, kết cấu nặng và tốn diện tích, dễ hỏng hóc và gây hại cho môi trường khi thải bỏ do vật liệu độc hại. Ngược lại, siêu tụ điện (supercapacitor) là một đối thủ mạnh do các đặc tính từ đòi hỏi bảo trì ở mức thấp, vòng đời dài hơn, cho đến kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ. Hãy đọc tiếp để hiểu thêm về:
- Bên trong siêu tụ điện có gì?
- Nó hoạt động như thế nào?
- Các ứng dụng của công nghệ mang tính đột phá này?
- Sự khác biệt giữa siêu tụ điện và pin?
- Vì sao chúng xứng đáng được xem xét để đưa vào các hệ thống UPS mạnh mẽ nhất?
Siêu tụ điện là gì?
Siêu tụ điện là hệ thống lưu trữ năng lượng mật độ cao, công suất lớn và đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp như một nguồn điện dự phòng cho trường hợp khẩn cấp. Chúng hoạt động như nguồn cấp điện ngắn hạn, từ 30 giây đến vài phút, thay vì nguồn điện dài hạn. Chúng được sử dụng ngay lập tức trước khi chuyển sang nguồn điện dự phòng dài hạn. Siêu tụ điện hoạt động như thế nào?Thoạt nhìn, siêu tụ điện giống như một cục pin, nhưng sự khác biệt nằm ở cách nó lưu trữ và giải phóng năng lượng. Để hiểu cách siêu tụ điện hoạt động, có ba thành phần chính cần xem xét. Chúng ta hãy cùng xem bên trong siêu tụ điện. Bên trong siêu tụ điện, có ba thành phần thiết yếu là:
- Điện cực: Chúng có thể được hình dung như các tấm đối diện nhau. Mỗi điện cực có một bề mặt đặc biệt có khả năng giữ điện tích đặc biệt. Các bề mặt này giống như nam châm đối với năng lượng điện – chúng tạo ra lực hút đối với các điện tích cụ thể, một tấm sẽ thu hút điện tích dương và tấm còn lại sẽ thu hút điện tích âm. Lượng điện tích do siêu tụ điện tạo ra, còn được gọi là điện dung, tỷ lệ thuận với kích thước của các tấm và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các tấm.
- Chất điện phân: Hãy tưởng tượng đây là một chất lỏng mà các tấm được nhúng vào, giống như các tấm trong bồn rửa đầy nước. Chất lỏng này hoạt động như một chất trung gian giúp các điện tích di chuyển xung quanh siêu tụ điện. Cụ thể, chất điện phân cung cấp độ dẫn điện và tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền và cân bằng điện tích giữa hai điện cực, ngoài ra còn cung cấp khả năng cách điện và bảo vệ siêu tụ điện khỏi rò rỉ điện tích và ngắn mạch. Hiệu suất của siêu tụ điện bị ảnh hưởng rất nhiều bởi loại chất điện phân được sử dụng.
- Chất cách điện: Trong siêu tụ điện, hai điện cực được tách biệt về mặt vật lý bằng một lớp gọi là chất cách điện, giống như một tờ giấy lọc. Lớp này ngăn không cho hai bề mặt đặc biệt tiếp xúc với nhau, do đó tách các điện tích để ngăn chúng trộn lẫn sớm. Sự tách biệt này tạo ra một trường điện và tạo điều kiện cho một lượng lớn năng lượng được lưu trữ. Năng lượng này được tạo ra theo phương pháp tĩnh điện, giống như khi bạn chà một quả bóng bay vào áo sơ mi của mình và lực ma sát tạo ra khiến tóc dựng đứng khi bạn đặt quả bóng bay gần da. Nói cách khác, không có phản ứng hóa học nào liên quan đến việc tạo ra năng lượng này. Lượng năng lượng được lưu trữ trong siêu tụ điện cũng bị ảnh hưởng bởi độ mỏng của chất cách điện.
Giống như việc đổ đầy nước vào đập, bằng cách truyền điện qua siêu tụ điện, các ion tích điện dương và âm được tích tụ ở mỗi bên trên các điện cực, tạo ra lớp điện kép và do đó lưu trữ một lượng lớn năng lượng. Khi đến lúc siêu tụ điện hoạt động, chẳng hạn như trong trường hợp khẩn cấp gây mất điện hoặc trường hợp khác khi có sự gia tăng đột ngột, nhanh chóng về năng lượng, các điện tích sẽ di chuyển qua tụ điện và cung cấp năng lượng cho thiết bị mà nó được kết nối với một sự gia tăng nhanh chóng về năng lượng giải phóng. Siêu tụ điện có thể sạc và xả nhanh chóng, trong khoảng từ 1-10 giây, giúp nó trở thành công nghệ rất thích hợp cho các tình huống mất điện khẩn cấp.
Sự khác biệt giữa siêu tụ điện và tụ điện là gì?
Một siêu tụ điện có thể lưu trữ nhiều hơn từ 10 đến 100 lần so với tụ điện thông thường. Điểm khác biệt giữa siêu tụ điện và tụ điện thông thường nằm ở thiết kế của nó. Có hai điểm cơ bản khiến chúng khác nhau:
- Vật liệu điện cực. Đầu tiên là vật liệu được sử dụng cho các điện cực trong siêu tụ điện. Than hoạt tính, một vật liệu xốp bao phủ diện tích bề mặt lớn hơn nhiều, cho phép lưu trữ năng lượng cao hơn trong siêu tụ điện.
- Khoảng cách giữa các điện cực. Thứ hai, khoảng cách giữa hai điện cực nhỏ hơn nhiều trong siêu tụ điện so với tụ điện thông thường. Trong tụ điện thông thường, khoảng cách này nằm trong khoảng 10-100 micron, trong khi trong siêu tụ điện, khoảng cách này giảm đáng kể xuống còn một phần nghìn micron (ví dụ, một sợi tóc người dài khoảng 70 micron). Khoảng cách nhỏ hơn tạo ra trường điện lớn hơn, dẫn đến mức lưu trữ năng lượng cao hơn.
Nhìn chung, siêu tụ điện có mật độ năng lượng hoặc điện dung cao hơn nhiều so với tụ điện thông thường.
Thông tin thú vị: Mức năng lượng được lưu trữ được đo bằng farad, được đặt theo tên của nhà vật lý người Anh Michael Faraday (1791-1867).
Siêu tụ điện so với Pin trong hệ thống UPS – chúng có tốt hơn pin không?
Việc lựa chọn siêu tụ điện mang lại những lợi thế đáng kể so với việc sử dụng pin trong hệ thống UPS, bao gồm:
- Sạc và xả nhanh với công suất cao
Chúng cần thời gian sạc ngắn hơn nhiều và giải phóng năng lượng cũng nhanh như vậy. Siêu tụ điện có mật độ công suất lớn hơn nhiều so với pin, cao hơn tới 100 lần. Do mật độ công suất cao hơn, chúng có thể có kích thước nhỏ gọn hơn và vẫn mạnh mẽ.
- Vòng đời dài hơn
Siêu tụ điện có tuổi thọ dài hơn nhiều so với pin, lên đến 15 năm vì chúng có tới 1 triệu chu kỳ. So với pin thường có tuổi thọ 5–10 năm (và con số này giảm xuống còn 4–8 năm khi pin được sử dụng hết công suất), siêu tụ điện có Tổng chi phí sở hữu (TCO) thấp hơn.
- Độ bền
So với pin, siêu tụ điện có thể sử dụng thường xuyên mà không bị suy giảm đáng kể. Ngoài ra, hệ thống pin cũng cần được bảo dưỡng thường xuyên hơn.
- Nhiệt độ hoạt động rộng hơn
Pin cần nhiệt độ hoạt động từ 20-25 độ C. Cứ mỗi 10 độ cao hơn nhiệt độ yêu cầu, tuổi thọ của pin giảm đi một nửa. Siêu tụ điện không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và có thể hoạt động ở nhiệt độ cài đặt rộng lên đến 40 độ C mà không bị hư hỏng, giúp nó trở thành lựa chọn khả thi cho các môi trường và thiết lập khắc nghiệt mà không phải tốn thêm chi phí cho hệ thống làm mát.
- Giảm thiểu chất thải và tác hại đến môi trường
Pin được sản xuất bằng vật liệu độc hại, ăn mòn và dễ cháy, chứa một hoặc nhiều chất sau: cadmium, chì, kẽm, mangan, niken, bạc, thủy ngân và lithium. Khi thải bỏ không đúng cách tại bãi chôn lấp, điều này sẽ dẫn đến ô nhiễm môi trường và trở thành giải pháp không bền vững. Mặt khác, siêu tụ điện không sử dụng vật liệu độc hại và sẽ giảm chi phí thải bỏ trong thời gian dài.
Một số nhược điểm của việc sử dụng siêu tụ điện trong hệ thống UPS là gì?
Mặc dù siêu tụ điện có nhiều ưu điểm hơn so với pin, nhưng pin có một ưu điểm đáng kể là chúng sở hữu mật độ năng lượng cụ thể cho phép chúng lưu trữ năng lượng trong thời gian dài và giải phóng năng lượng này trong thời gian dài hơn, khiến pin trở thành nguồn điện đáng tin cậy và ổn định hơn. Một nhược điểm khác khi sử dụng siêu tụ điện là chi phí ban đầu cao hơn, chúng đắt hơn nhiều so với Pin axit chì do chi phí vật liệu cao cần thiết để chế tạo tụ điện, chẳng hạn như carbon và graphene cho các điện cực. Để so sánh các phẩm chất và tính chất giữa siêu tụ điện và pin, bảng dưới đây cung cấp bảng so sánh.
So sánh giữa siêu tụ điện và pin
Siêu tụ điện so với pin
| Supercapacitor | Battery (Lead-acid) | |
|---|---|---|
| Cycle life | +1,000,000 | +500 |
| Industrial service life | 10-15 years | 5-10 years |
| Charge time | <5 minutes, even seconds | 10-60 minutes |
| Self-discharge (30 days) | High (5-40%) | Low (5% or less) |
| Specific energy (Wh/L) | 1-10 | 100-290 |
| Specific power (W/L) | 1000-10,000 | 100-1000 |
| Discharge efficiency | Fast– Seconds/Minutes | Slow– Hours |
| Storage type | Physical (Electrostatic) | Chemical (Electrochemical) |
| Cost per watt (kWh) | $2,500 (typical) | $500 |
| Cold Operating Temperature | -40°C | -20°C |
| Hot Operating Temperature | 70°C | 40°C |
Ứng dụng công nghiệp của siêu tụ điện
Do siêu tụ điện có khả năng sạc và xả điện năng nhanh chóng, và số chu kỳ sạc/xả cao, siêu tụ điện tỏ ra có lợi trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Trong các hoạt động quan trọng như tự động hóa hoặc nhà máy sử dụng nhiều máy tự động hóa, siêu tụ điện có thể hỗ trợ nguồn điện như máy phát điện để cung cấp năng lượng hiệu quả và hiệu suất cao. Khả năng bền bỉ của siêu tụ điện so với pin giúp chúng trở thành lựa chọn hiển nhiên khi xem xét các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ khắc nghiệt. Một số ngành công nghiệp có thể ứng dụng siêu tụ điện bao gồm: 
Phanh tái tạo trong xe hybrid
Siêu tụ điện lai cũng được tìm thấy trong xe điện. Khi xe điện giảm tốc, năng lượng được tạo ra từ chuyển động động học của xe được lưu trữ bằng siêu tụ điện lai để sử dụng sau này khi tăng tốc nhanh. Siêu tụ điện hỗ trợ pin trong thời điểm xe điện cần đạt đỉnh đột ngột về sản lượng năng lượng, cải thiện hiệu quả năng lượng vận hành tổng thể và vòng đời sản phẩm của cả xe điện và pin. Việc ứng dụng siêu tụ điện lai trong xe điện có tiềm năng giảm lượng khí thải carbon và mức tiêu thụ năng lượng, một thách thức lớn mà ngành vận tải phải đối mặt.
Năng lượng xanh
Năng lượng được lưu trữ từ các nguồn năng lượng tái tạo phải được lưu trữ với số lượng lớn và trong thời gian dài. Vì chúng có chu kỳ sống dài hơn nên chi phí bảo trì và thay thế thấp hơn. Ngoài ra, chúng cân bằng và lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn pin khi lưu trữ năng lượng tái tạo. Điều này làm cho siêu tụ điện trở thành hệ thống lưu trữ điện năng phù hợp để thích ứng với các biến động dòng điện cao của năng lượng tái tạo.
-
Năng lượng gió
Vì tốc độ gió liên tục thay đổi, nên công suất đầu ra dao động do tua-bin gió cung cấp làm nhiễu loạn chất lượng điện áp và tần số của lưới điện. Đây là nơi mà siêu tụ điện có thể giúp hấp thụ hiệu quả các đợt năng lượng lớn trong thời kỳ gió đột ngột so với pin. Siêu tụ điện tạo điều kiện thuận lợi cho vòng đời của tua-bin gió và ổn định điện áp trong lưới điện trong những thời điểm dao động dòng điện cao do tuổi thọ chu kỳ dài và khả năng sạc và xả dòng điện cao.
-
Năng lượng mặt trời
Pin thường được sử dụng để lưu trữ điện trong ngành năng lượng mặt trời, nhưng sự không nhất quán trong nguồn cung cấp điện của các tế bào quang điện mặt trời thường ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ của pin. Do tính không thể đoán trước của ánh sáng mặt trời, pin bị hao mòn, do đó làm giảm vòng đời của pin. Do đó, siêu tụ điện có thể tạo điều kiện cho pin hoạt động cùng nhau trong một hệ thống lai để cải thiện hiệu quả hoạt động và chi phí bảo trì trong các ứng dụng năng lượng mặt trời.
Tự động hóa nhà máy
Trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp, nơi các hoạt động không bị gián đoạn có tầm quan trọng tối cao, sự gián đoạn kinh doanh do mất điện tại các địa điểm sản xuất có thể gây bất lợi. Để giải quyết thách thức này, các nhà sản xuất có thể xem xét siêu tụ điện trong hệ thống UPS của họ như một giải pháp tuyệt vời. Khả năng cung cấp nguồn điện dự phòng tức thời và tạo điều kiện cho việc tắt hệ thống an toàn khi mất điện của siêu tụ điện đảm bảo các quy trình quan trọng diễn ra suôn sẻ và ngăn ngừa gián đoạn tốn kém. Ngoài ra, siêu tụ điện bảo vệ máy móc và thiết bị khỏi hao mòn liên quan đến việc tắt máy đột ngột. Với Hệ thống dự phòng nguồn siêu tụ điện, các nhà sản xuất có thể dễ dàng thu hẹp khoảng cách nguồn điện, tối ưu hóa hiệu quả hoạt động và duy trì tính toàn vẹn của các thiết lập tự động hóa công nghiệp của họ, đảm bảo môi trường sản xuất mạnh mẽ và hiệu quả. Hệ thống vận tải thông minh và đường sắtKhả năng xả nhanh của siêu tụ điện đảm bảo hoạt động trơn tru, đáng tin cậy, cho phép đúng lịch trình, an toàn cho hành khách và giảm gián đoạn. Trong quá trình vận chuyển đường sắt nhẹ (LRT), siêu tụ điện vượt trội bằng cách khởi động lại xe đẩy nhanh chóng, nâng cao hiệu quả và củng cố hệ thống thu hồi năng lượng. Loại công nghệ dự phòng năng lượng và nguồn điện này cung cấp giải pháp cho vận tải đường sắt quan trọng trong các hoạt động trên tàu và dọc đường. Ngoài ra, siêu tụ điện cung cấp các giải pháp thay thế đáng tin cậy, ít bảo trì cho pin để hệ thống đường sắt hoạt động không bị gián đoạn. Hệ thống dự phòng siêu tụ điện có thể điều chỉnh các biến động điện áp lớn thường xảy ra khi triển khai đường sắt, ngăn ngừa đoản mạch trên máy tính. Khi điện áp giảm xuống 0V, hệ thống dự phòng siêu tụ điện cung cấp nguồn điện dự phòng tức thời cho máy tính. Hệ thống dự phòng nguồn điện siêu tụ điện cấp công nghiệp có thể liên tục cung cấp nguồn điện ổn định cho hệ thống đường sắt và cơ sở hạ tầng được kết nối để dự phòng dữ liệu, những vai trò đa diện này nhấn mạnh tiềm năng của siêu tụ điện trong việc tăng cường tính an toàn, độ tin cậy và hiệu quả trong các hệ thống vận tải thông minh và ứng dụng đường sắt.
Giải pháp siêu tụ điện cấp công nghiệp từ C&T
ECO-1000 của C&T là một siêu tụ điện công nghiệp tự duy trì có thể dùng để cấp nguồn cho máy tính biên, máy tính bảng, màn hình và các thiết bị IIoT khác trong trường hợp mất điện hoặc mất điện hoàn toàn như một phần của hệ thống UPS toàn diện. Dòng ECO-1000 giống như một UPS thông minh nhưng thay vì sử dụng pin, nó sử dụng công nghệ siêu tụ điện và cung cấp nguồn dự phòng có giá trị hơn cho môi trường từ xa và di động trong môi trường điện toán biên khắc nghiệt.
C&T Solution là nhà sản xuất máy tính công nghiệp chuyên dụng tại Đài Loan. Hãng cung cấp nhiều loại máy tính công nghiệp được thiết kế riêng cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp của bạn. Với hơn 12 năm kinh nghiệm, các kỹ sư của C&T Solution đã thiết kế và sản xuất các hệ thống máy tính công nghiệp tại Đài Loan. Các máy tính công nghiệp của họ được chế tạo chuyên dụng, được kiểm tra nghiêm ngặt và được xác thực cho các triển khai công nghiệp khắc nghiệt nhất.
Bạn muốn trở thành đối tác bán hàng C&T Solution của NTC?
Bài viết liên quan