CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Đất nước ta đang bước trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hóa đất nước. Dưới sự lãnh đạo của Đảng và nhà nước, chúng ta đang đứng cơ hội lớn để phát triển trên nhiều lĩnh vực. Như tổng bí thư Nguyễn Phú Trọng đã từng nói:” Đất nước ta chưa bao giờ có được tiềm lực, vị thế và uy tín quốc tế như ngày nay”. Nước ta là một nước đang phát triển và đang dần tiếp cận và làm chủ các công nghệ, khoa học kỹ thuật hiện đại.
Nhiều khu công nghiệp hiện đại, khu chế xuất, các nhà máy, công ty sản xuất ra đời phục vụ cho nhu cầu của con người. Đi cùng sự phát triển đó là những ngành điện , điện tử , kỹ thuật số… giúp cho ngành công nghiệp nước ta hiện đại hoá với việc tiếp cận và sử dụng đồng loạt các thiết bị tự động. Trong sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, ngành tự động hoá đã có những bước phát triển nhảy vọt. Tự động hoá được áp dụng cho từng máy, rồi đến cả dây truyền công nghệ của nhà máy và tiến tới tự động hoá cả một ngành sản xuất.
Ngành tự động hóa dang tự khẳng định mình trong vai trò nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm, sử dụng hợp lý và tiết kiệm nguyên nhiên liệu một cách tối đa… từ đó có thể giảm chi phí sản xuất, giảm vốn đầu tư, trên cơ sở đó nâng cao được sức cạnh tranh cho sản phẩm làm ra khi áp dụng tự động hoá trong sản xuất. Ngày nay trong công nghiệp , các mạch điều khiển người ta thường dùng kỹ thuật số với các chương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi được cấu trúc tham số hoặc các luật điều khiển cũng như dễ dàng trong việc duy trì làm việc, bảo trì và nâng cấp hệ thống. Nó làm tăng tốc độ tác động nhanh và có độ chính xác cao cho hệ thống. Như vậy nó làm chuẩn hoá các hệ thống truyền động điện và các bộ điều khiển tự động hiện đại và có những đặc tính làm việc khác nhau.
Trong giai đoạn gần đây việc giá xăng dầu tăng cao cũng đang là vấn đề vô cùng nhức nhối và cần được giải quyêt. Nhiều người đã đưa ra phương pháp bằng việc sử dụng các nguồn năng lượng thay thế như điện. Ví dụ điển hình là xu hướng sử dụng các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng điện đang ngày càng tăng cao. Theo Autocar, các loại xe chạy bằng pin - điện đang phát triển mạnh mẽ và chiếm dần thị phần trên toàn cầu, hiện tại là 6% thị trường ô tô trên toàn thế giới vào cuối năm 2021.
Đây là mức tăng 3,1% so với con số 12 tháng trước đó, trích dẫn dữ liệu bán hàng từ các nhà phân tích Jato Dynamic. Để sử dụng các phương tiện sử dụng 1 năng lượng điện như vậy thì việc lưu trữ điện năng là vô cùng cần thiết và accquy và pin được đưa ra như những công cụ chính trong việc lưu trữ nguồn năng lượng này. Bên cạnh việc lưu trữ thì việc sạc pin cho accquy cũng là việc vô cùng quan trọng. Chính vì vậyviệc nghiên cứu, chế tạo ăcquy và nguồn nạp ắc quy là hết sức cần thiết, nó ảnh hưởng rất lớn tới dung lượng và độ bền của ắc quy.1Cấu tạo của acquy Acquy là 1 thiết bị điện hóa.
Cấu tạo gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân, có màng ngăn cách. Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa 2 điện cực có hiệu điện thế, nếu nối với mạch ngoài có thể sinh ra dòng điện. Acquy được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho các loại thiết bị khác nhau. Có hai loại acquy chính là acquy chì-axit và acquy kiềm Hình 1.
1 Cấu tạo của acquy(1) 2 Hình 1. 2 Cấu trúc bình acquy(2) 2.1 Acquy kiềm Acquy kiềm, ví dụ loại nikel-cadmium, sử dụng dung dịch là hyđrôxit kali (KOH), điện cực dương là hyđrôxit nickel (NiO(OH)) và cực âm là cadmium (Cd). Khi phóng điện hyđrôxit nickel chuyển thành Ni(OH)2 và cadmium thành Cd(OH)2. Mật độ chất điện ly không thay đổi, vì vậy điểm hoá rắn rất thấp.
Tuy nhiên giá thành acquy cao hơn. Gồm các bản cực làm bằng oxy hyđrat – kiềm, và các bản cực âm bằng sắt thuần ngâm trong dung dịch hyđrôxit kali. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, và dẹp, làm bằng hợp kim thép có mạ kiềm. Các bản cực được chế tạo có các quai ở trên để có thể dùng bu lông xiết dính lại với nhau, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm.
Chiều dài, chiều ngang, chiều dày, số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc quy. Điện thế danh định của bình là 1,2 V. Điện thế thực sự của bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như đang hở mạch, hay đang phóng, hay được nạp bao nhiêu. Thông thường, điện thế hở mạch biến thiên từ ( 1,25 ÷ 1,35 )V, tuỳ thuộc vào tình trạng nạp.
Chất lỏng trong bình này là dung dịch Hyđroxit kali, có pha thêm chất xúc tác tuỳ thuộc vào nhà chế tạo, thường là Điôxit liti. 3 Acquy kiềm Các phản ứng hoá học xảy ra tại các điện cực (trong quá trình phóng điện các phản ứng thực hiện theo chiều từ trái sang phải, trong quá trình nạp điện các phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, từ phải sang trái): - Tại điện cực dương 2Ni(OH) + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH- - Tại điện cực âm Cd + 2OH- = Cd(OH)2 + 2e- - Phản ứng chung Cd + 2NiO(OH) + 2H2O = Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2. Điện áp định mức của một ngăn acquy kiềm là 1,2 V. Như vậy để tạo ra bình acquy có điện áp 12 V cần nối 10 ngăn nối tiếp.
Điện áp trên các ngăn acquy kiềm được giữ ổn định cho đến khi ngăn phóng điện gần hết, khi đó điện áp trên ngăn sẽ giảm đột ngột. Acquy nickel-cadmium có thể chấp nhận dòng nạp lớn đến mức C/1 và có thể được nạp tiếp tục lâu dài với dòng nạp đến C/15. C là dung lượng acquy, được định nghĩa sau đây. 4 Đặc tính điện thế - thời gian của acquy kiềm Ưu điểm của acquy kiểm: Một trong những lợi thế của việc mua ắc quy kiềm là chi phí, ắc quy kiềm ít tốn kém hơn so với các loại ắc quy khác.
Không chứa chì, thủy ngân và không chứa cadimi là một lợi ích khác mà ắc quy kiềm mang lại vì những hợp chất này có thể tàn phá môi trường. Ắc quy kiềm có mật độ năng lượng cao hơn và tuổi thọ ắc quy kiềm khá cao. Nạp điện cho ắc quy kiềm không đòi hỏi về trị số dòng điện nạp, trị số này có thể cao hơn gấp 3 so với định mức ghi trên bình ắc quy. Nhược điểm của acquy kiềm: Cồng kềnh, khó bảo quản ắc quy kiềm trong không gian nhỏ.
Ắc quy kiềm có giá thành cao hơn ắc quy axit, điện trở cũng cao hơn 2.2 Acquy chì-axit Gồm các bản cực bằng chì và oxit chì ngâm trong dung dịch axit sulfuaric. Các bản cực này thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới , làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy là dioxit chì ở cực dương và chì nguyên chất ở cực âm. Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm.
Chiều dài, chiều ngang, chiều dày và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc quy. Thông thường, các bản cực âm được đặt ở phía bên 5 ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn các bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn. Chất lỏng dùng trong bình ắc quy là dung dich axit sulfuaric.
Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tùy thuộc vào loại ắc quy và tình trạng phóng nạp của bình. Acquy chì – axit có cấu tạo điện cực dương là điôxit chì PbO2, điện cực âm là chì xốp Pb, dung dịch dùng axit sulfuric H2SO4. Khi nối cực acquy với mạch tải dung dịch sẽ biến đổi thành sulfat chì PbSO4. 5 Acquy chì axit Các phản ứng hoá học xảy tại các điện cực như sau (trong quá trình phóng điện các phản ứng thực hiện theo chiều từ trái sang phải, trong quá trình nạp điện các phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, từ phải sang trái): - Tại cực dương: PbO2 + 4H+ + 2e- = Pb2+ + 2H2O Pb+2 + SO42- = PbSO4 - Tại cực âm: Pb = Pb2+ + 2ePb2+ + SO22- = PbSO4 - Phản ứng tổng thể: PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.
Như vậy khi acquy phóng hết điện các chất tích cực trên điện cực dương PbO2 và trên điện cực âm Pb biến thành PbSO4, còn axit sulfuric biến hết thành nước. Điện áp định mức của một ngăn acquy chì là khoảng 2,1 V. Như vậy để tạo thành bình acquy 12 V cần mắc nối tiếp 6 ngăn. 6 Trong quá trình sản xuất, ban đầu các điện cực ở dưới dạng ôxit chì PbO.
Sau lần nạp định dạng đầu tiên, thường do nhà sản xuất tiến hành, ôxit chì biến thành điôxit chì (PbO2) ở cực dương và chì (Pb) ở cực âm. Sau lần nạp định dạng này bắt đầu quá trình nạp để acquy có được dung lượng cần thiết. Trong một acquy được nạp đến đầy dung lượng, thông thường dung dịch chứa 36% tỷ trọng axit, hay là 25% thể tích, còn lại là nước. Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch so với mật độ nước gọi là tỷ trọng đặc trưng, là một trong những thông số quan trọng của acquy, xác định điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch khi acquy phóng hết.
Điểmnhiệt độ hoá rắn của dung dịch lại xác định khả năng làm việc của acquy tại các môi trường nhiệt độ khác nhau. Ở môi trường nhiệt độ càng thấp càng yêu cầu tỷ trọng đặc trưng của acquy phải cao. Tỷ trọng đặc trưng, khi acquy nạp đầy, thường trong phạm vi 1,250 đến 1,280 ở nhiệt độ 27oC, nghĩa là mật độ dung dịch lớn hơn nước sạch 1,25 đến 1,28 lần. Khi acquy phóng điện, tỷ trọng đặc trưng sẽ giảm dần, về đến 1.