Tóm tắt

Việc phục hồi và xử lý ắc quy đã qua sử dụng, đặc biệt là ắc quy axit chì đang trở nên thông dụng vì nhu cầu ngày càng tăng; đồng thời, có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh tế và môi trường. Do đó, việc đầu tư vào công nghệ để giảm chi phí cũng như thời gian cho các quá trình phục hồi và xử lý là cần thiết để tăng năng suất và hiệu quả. Trong nội dung nghiên cứu này, giải pháp ứng dụng hệ thống giám sát và điều khiển nhằm tối ưu quá trình phục hồi cho trạm xử lý và phục hồi ắc quy chì đã qua sử dụng được thử nghiệm. Với việc ứng dụng hệ thống đề xuất, trạm phục hồi có thể giảm thiểu được chi phí hoạt động, tối ưu thời gian phục hồi cũng như tăng hiệu suất phục hồi cho ắc quy so với phương pháp thủ công truyền thống.

Đặt vấn đề

Ắc quy axít chì là loại ắc quy phổ biến và thông dụng. Với đặc thù giá rẻ, dễ sử dụng, công suất lớn và phong phú về chủng loại cũng như chất lượng, ắc quy axít chì được sử dụng trong mọi lĩnh vực kinh doanh, sản xuất. Tại Việt Nam, ngành sử dụng ắc quy nhiều nhất có thể kể đến ngành giao thông vận tải với gần 28 triệu mô tô, xe gắn máy và 1,5 triệu ô tô các loại [1].

Trong ắc quy axít chì, thứ liệu - phế liệu chì là độc chất kim loại nặng tiềm tàng, tác nhân gây hại sức khoẻ nhưng khó nhận thức trực quan, khó phát hiện. Bên cạnh đó, việc tồn trữ, vận chuyển và xử lý trái phép gây nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Thực tế, ắc quy thường có tuổi thọ không cao, nên nhanh chóng bị loại thải sau một thời gian sử dụng. Với nhu cầu sử dụng rất lớn, lượng ắc quy phế thải hàng năm là một con số khổng lồ. Tuy vậy, tại Việt Nam hiện nay, việc thu hồi và xử lý ắc quy phế thải chưa hiệu quả, hoạt động thu hồi và xử lý ắc quy chủ yếu là thủ công nhỏ lẻ.

Ắc quy chì được sử dụng sau một thời gian có thể dẫn đến nhiều hư hỏng do các nguyên nhân chủ quan từ bất cẩn về vận hành, như: làm nứt vỏ, lỏng ốc vít, sờn dây cáp nối tải… và những nguyên nhân khách quan như đóng cặn bùn, thực chất là chì sulfate (PbSO₄) bám vào các bản cực chì, cũng như đọng lại dưới đáy ắc quy làm giảm dung lượng thông qua việc làm tăng nội trở. Quá trình này nếu không được phát hiện sớm thông qua việc bảo trì, kiểm tra định kì có thể làm giảm tuổi thọ, hoặc dẫn đến việc phải thay mới ắc quy.

Hiện nay, trên thế giới, hai công nghệ phục hồi ắc quy chì đang được sử dụng chính và chứng tỏ được tính hiệu quả, cũng như bảo vệ môi trường là dòng điện tuần hoàn và dùng chất phụ gia hữu cơ.

Công nghệ dòng điện tuần hoàn dựa trên cơ chế phản ứng điện hóa giữa các bản cực chì và dung môi trong ắc quy khi có dòng điện biến thiên tuần hoàn chạy 

Công nghệ sử dụng chất phụ gia hữu cơ: sử dụng thuần túy tác dụng hóa học có khả năng tác động mạnh đến quá trình lọc sulfate, giúp tăng khả năng khôi phục ắc quy. Các chất phụ gia này hầu hết được chế xuất từ các chất hữu cơ. Hiện nay, một số đơn vị tại Việt Nam đã bắt đầu thực hiện việc phục hồi và bảo dưỡng định kỳ bằng phương pháp này vì chi phí hợp lý. Tuy nhiên, nếu chỉ dùng hóa chất phục hồi định kỳ, dung lượng ắc quy có tăng nhưng rất chậm và cần thời gian lâu mới thấy được hiệu quả. Để tăng được hiệu quả, ắc quy sau khi đưa phụ gia vào cần được nạp xả để phát huy tác dụng trước khi tái sử dụng. Tuy vậy, quá trình nạp (sạc) thủ công khá phức tạp, mất nhiều thời gian và nhất thiết cần sự giám sát để tránh hư hỏng.

Từ những lý do trên, để có một quy trình phục hồi ắc quy chì loại khởi động hiệu quả, phù hợp với điều kiện hiện có tại Việt Nam, ngoài việc lựa chọn công nghệ phù hợp với chi phí vừa phải, quy trình vận hành cũng cần phải được tối ưu. Giải pháp tự động sẽ giảm thiểu thời gian đo đạc và ghi nhận bằng thủ công, nâng cao hiệu quả phục hồi.

Trong dự án này, trạm phục hồi ắc quy chì loại khởi động với quy trình được tối ưu về chi phí và công nghệ được xây dựng và thử nghiệm. Điểm khác biệt trong quy trình này là hệ thống giám sát điều khiển, nhằm tự động hóa và tối ưu các quá trình trong khi phục hồi. Ngoài ra, hệ thống lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo sẽ góp phần đáng kể trong việc thống kê, tổng hợp, đánh giá hiệu quả của trạm phục hồi.

Xây dựng tổng thể trạm thử nghiệm

Quy trình phục hồi ắc quy tổng thể được xây dựng gồm 4 bước sau: Tiếp nhận ắc quy; Kiểm tra tình trạng ắc quy; Phục hồi ắc quy và Đánh giá kết quả phục hồi & kiểm tra sơ bộ, nhằmloại bỏ các ắc quy hư hỏng nặn

Trong bước này, các thông số hoạt động ắc quy như: điện áp, tỷ trọng, năng lượng khởi động, độ điện dẫn... để xem ắc quy còn khả năng để phục hồi hay không.

Để tăng hiệu quả phục hồi, hóa chất chuyên dụng để đánh tan sulfate được sử dụng. Trong quá trình này, nhiệt độ ắc quy phải được kiểm soát (không nên quá 40^oC) [3,4]. Các giá trị thông số kèm theo sau mỗi chu kỳ sạc-xả được ghi nhận để tiến hành đánh giá ắc quy.

Việc đánh giá kết quả phục hồi có thể thực hiện tự động bằng cách so sánh giá trị điện áp thấp nhất khi chịu tải giữa trước phục hồi và sau mỗi chu kỳ để đánh giá mức độ cải thiện. Quá trình phục hồi sẽ kết thúc nếu ắc quy thỏa mãn một trong hai điều kiện sau: tỉ lệ phục hồi đã đạt được giá trị mong muốn ban đầu, hoặc tỉ lệ phục hồi không tăng đáng kể sau mỗi chu kỳ sạc-xả; khi đó, ắc quy đã đạt đến giới hạn phục hồi.

Ngoài ra, để kiểm chứng việc phục hồi, giá trị điện dẫn của ắc quy có thể được kiểm tra và so sánh với giá trị trước khi phục hồi.

Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trạm phục hồi

Trong quy trình trên, người vận hành trạm cần phải tuân thủ tất cả các bước tiến hành, đảm bảo việc phục hồi hiệu quả và an toàn. Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu được phát triển để hỗ trợ người vận hành kiểm soát được tất cả các bước trong quy trình.

Mô tả hệ thống     

Trong trạm phục hồi thử nghiệm này, 11 thiết bị thu thập dữ liệu được sử dụng và được kết nối đến 11 bộ sạc ắc quy chuyên dụng, Hình 1.

Hình 1: Trạm sạc thử nghiệm

Sơ đồ kết nối mạng hệ thống được mô tả như trên Hình 2. Các thiết bị sẽ truyền thông tin về máy chủ (server) thông qua giao thức chuẩn TCP/IP.

Các thiết bị được tự động nhận dạng tại server. Hệ thống sử dụng 2 server: web server (máy chủ chứa hệ thống web) và database server (máy chủ chứa cơ sở dữ liệu) dùng để lưu trữ toàn bộ dữ liệu trong quá trình hoạt động. Người vận hành dùng trình duyệt truy cập vào hệ thống.

Ngoài ra, hệ thống được đảm bảo an ninh tốt nhờ sử dụng tường lửa (firewall) để ngăn chặn các đợt tấn công. Web server được trang bị công nghệ SSL (Secure Sockets Layer) giúp mã hóa đường truyền và xác thực server. SSL đảm bảo tất cả các dữ liệu được truyền giữa các máy chủ web và các trình duyệt mang tính riêng tư, tách rời.

Hình 2: Sơ đồ kết nối mạng hệ thống

Thiết bị đo thông số và truyền dữ liệu

Trong trạm phục hồi thử nghiệm này, các thiết bị đo đếm điện áp, dòng điện và nhiệt độ ắc quy được phát triển; đồng thời, tích hợp chức năng gửi các thông số về máy tính chủ trung tâm, như Hình 3.

Hình 3: Thiết bị đo đếm thông số và truyền dữ liệu

Giao diện và các thông số quản lý

Giao diện chính hiển thị tất cả thông tin: trạng thái toàn hệ thống và các giai đoạn sạc được hiển thị trực quan qua các đèn LED, Hình 4. Các thông tin hiển thị được chia ra theo thiết bị thực tế, gồm các module sạc và bộ bảo vệ độc lập, như Hình 5.

Hình 4: Giao diện chính của phần mềm

Hình 5: Giao diện Cài đặt

Trong quá trình phục hồi ắc quy, nhiệt độ ắc quy cần được kiểm soát tốt; tương tự, dòng điện nạp cũng được giám sát liên tục. Hệ thống sẽ tự động ngưng sạc nếu có một trong các tham số không đảm bảo.

Mỗi ắc quy có một profile riêng với đầy đủ các tham số cũng như các thông tin thu thập trong quá trình phục hồi, Hình 6. Toàn bộ thông tin này được lưu trữ tại database server dùng cho công tác đánh giá và phân tích hệ thống. Các thông tin được cập nhật tự động mỗi khi ắc quy được phục hồi và xử lý.

Hình 6: Các thông tin về profile ắc quy

Trạng thái của hệ thống được cập nhật tức thời, Hình 7 khi có sự cố xảy ra và cảnh báo cho người vận hành biết thông qua âm báo, hiển thị màn hình và email.

Hình 7: Đồ thị giao diện các thông số ắc quy

Hình 8: Giao diện web

Người vận hành có thể truy cập vào trang web của hệ thống, Hình 8; từ đó, có thể giám sát từ xa. Giao diện được thiết kế hiện đại và trực quan, giúp người vận hành có thể nhìn tổng quan, thuận tiện cho công tác quản lý.

Hệ thống thu thập dữ liệu có cơ cấu chống nhiễu sử dụng mạch lọc RC, đo nhiều lần trong thời gian ngắn cho kết quả chính xác hơn so với đo thủ công. Hệ thống tự động đo và lưu lại dữ liệu kèm thời gian.

Bàn luận

Với quy trình và hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu phát triển cho trạm phục hồi được phát triển, việc phục hồi ắc quy cũ sẽ có được các ưu điểm sau:

 Vận hành đơn giản và thuận tiện

 Xây dựng cơ sở dữ liệu

Dựa trên hệ cơ sở dữ liệu thu thập được, chất lượng của hệ thống và quy trình công nghệ luôn được đánh giá chính xác; từ đó, có định hướng cải tiến rõ ràng giúp rút ngắn thời gian và chi phí.

Nâng cấp công suất phục hồi của trạm

Mỗi trạm sạc có một giới hạn về số lượng ắc quy phục hồi trong một đơn vị thời gian. Để nâng cấp hoặc mở rộng quy mô trạm phục hồi, ngoài việc gia tăng số lượng thiết bị, không gian, số nhân sự vận hành tại trạm cũng sẽ tăng để đảm bảo việc giám sát các tham số, xử lý lỗi... trạng thái toàn hệ thống. Do đó, việc dùng hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu sẽ giúp nâng cấp quy mô trạm phục hồi dễ dàng, giảm thiểu nhân công sử dụng.

Ngoài ra, hệ thống cũng sẽ hỗ trợ thực hiện các báo cáo, phân tích nhanh và chính xác khi cần, quản lý hồ sơ, cập nhật hay tìm kiếm nhanh chóng.

 Hạn chế rủi ro trong vận hành trạm phục hồi

Người vận hành sẽ tiết kiệm được thời gian và giảm thiểu sai số so với phương pháp đo đạc thủ công.

Hệ thống cũng giúp hạn chế được nhiều rủi ro trong quá trình làm việc nhờ hệ thống cảnh báo lỗi, cảnh báo bất thường.

Kết luận

So với những giải pháp đo đạc thủ công, hệ thống giám sát thu thập số liệu đo đạc bằng điện tử có nhiều ưu điểm, thuận tiện hơn cho cả quy trình phục hồi ắc quy.

Giải pháp mới giúp thể hiện các thông số cần thiết trong quá trình hoạt động theo thời gian thực; đảm bảo nhận biết loại và trạng thái ắc quy để đưa ra giải pháp phục hồi phù hợp. Hệ thống cho phép cài đặt các thông số hoạt động, điều khiển linh hoạt, cảnh báo…; thể hiện các trạng thái, dữ liệu trực quan qua hình vẽ, biểu đồ; phân tích dữ liệu và xuất dữ liệu báo cáo và đặc biệt là khả năng kết nối với máy tính, giám sát và điều khiển từ xa hệ thống.

Công cụ điều khiển và giám sát cho phép chủ động nâng cấp và ứng dụng các công nghệ tiên tiến nhất cho việc phục hồi ắc quy tại Việt Nam. Việc ứng dụng hệ thống quản lý giám sát quá trình phục hồi ắc quy sẽ góp phần trong việc cải thiện hiệu quả hệ thống, giảm chi phí hoạt động.

ĐOÀN ANH TUẤN

Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng 

NGUYỄN DƯƠNG TUẤN 

Công ty CP Đầu tư & Phát triển Năng lượng Mặt Trời Bách Khoa