Nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện

Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trường Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 66-72 
 66 
DOI:10.22144/jvn.2017.009 
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SIÊU TỤ ĐIỆN 
Võ Trần Tấn Quốc và Nguyễn Chí Ngôn 
Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ 
Thông tin chung: 
Ngày nhận: 11/11/2016 
Ngày chấp nhận: 28/04/2017 
Title: 
Research and application of 
super-capacitors 
Từ khóa: 
Năng lượng mặt trời, năng 
lượng tái tạo, siêu tụ điện 
Keywords: 
Renewable energy, solar 
energy, supercapacitor 
ABSTRACT 
This study is aimed to find a solution to using super-capacitors for 
generating solar energy instead of using batteries; the supercapacitor 
serves low-power applications such as lights, warning lights, power 
supplies for environmental monitoring electronic devices industrial 
sensors on dangerous places or replace motorcycle’s batteries, etc. The 
super-capacitors have high advantages strength, friendly environmental, 
capacity energy storage in short time. The study sets up some experiments 
for charging by positive balancing methods appling on six super-
capacitors 350F/2.7VDC, which generates by solar panels 12VDC/25W. 
Experimental results demonstrated that using super-capacitors to replace 
batteries in storing solar energy is completely feasible. 
TÓM TẮT 
Nghiên cứu này tìm kiếm một giải pháp ứng dụng siêu tụ điện để tích trữ 
năng lượng điện mặt trời thay thế cho ắc-quy; nhằm mục đích phục vụ các 
ứng dụng công suất thấp như đèn chiếu sáng, đèn cảnh báo, cấp nguồn 
cho các thiết bị điện tử quan trắc môi trường, các cảm biến công nghiệp 
trong môi trường độc hại, hay thay thế bình ắc-quy của xe gắn máy Siêu 
tụ điện có ưu điểm là độ bền cao, thân thiện với môi trường, khả năng tích 
trữ năng lượng trong thời gian ngắn. Nghiên cứu này thiết lập thí nghiệm 
việc nạp điện bằng phương pháp cân bằng tích cực cho 6 siêu tụ 
350F/2.7VDC, từ dòng điện sinh bởi tấm pin năng lượng mặt trời 
12VDC/25W. Kết quả thí nghiệm chứng tỏ được việc dùng siêu tụ thay thế 
cho bình ắc-quy trong sử dụng điện mặt trời là hoàn toàn khả thi. 
Trích dẫn: Võ Trần Tấn Quốc và Nguyễn Chí Ngôn, 2017. Nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện. Tạp chí Khoa 
học Trường Đại học Cần Thơ. 49a: 66-72. 
1 PHẦN MỞ ĐẦU 
Với hơn 2.000 giờ nắng trung bình mỗi năm, 
Đồng bằng sông Cửu Long có tiềm năng lớn trong 
việc sử dụng năng lượng mặt trời (Nguyễn Thị 
Nhâm Tuất, 2013 ). Các tấm pin năng lượng mặt 
trời đã được sản xuất tại Việt Nam, với giá thành 
ngày một giảm. Tuy nhiên, việc ứng dụng pin năng 
lượng mặt trời vào cuộc sống vẫn còn nhiều hạn 
chế, chưa phổ biến rộng rãi nhất là ở nông thôn. 
Một nguyên nhân căn bản gây ra hạn chế này là ắc-
quy tích trữ điện năng có tuổi thọ thấp, giá thành 
cao, làm cho tổng kinh phí đầu tư lớn. Ngoài ra, 
sau thời gian sử dụng, các ắc-quy này trở thành 
nguồn rác thải rất nguy hại (Nguyễn Thị Kim Thái, 
2013). Nghiên cứu này nhằm tìm kiếm một giải 
pháp ứng dụng siêu tụ điện, để tích trữ năng lượng 
điện mặt trời thay thế cho ắc-quy, phục vụ các ứng 
dụng công suất thấp như đèn chiếu sáng, đèn cảnh 
báo, cấp nguồn cho các thiết bị điện tử quan trắc 
môi trường, các cảm biến công nghiệp trong môi 
trường độc hại, hay thay thế bình ắc-quy của xe 
gắn máy, 
Về mặt lý thuyết, tụ điện là linh kiện điện tử thụ 
động, cấu tạo gồm 2 bản điện cực có diện tích S, 
Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trường Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 66-72 
 67 
chất điện môi có hằng số điện môi ࣟ, có hằng số 
điện thẩm ࣟ଴ và được đặt cách một khoảng d. Điện dung tụ điện được thể hiện bằng công thức (1). 
ܥ ൌ ࣟݔ	ࣟ଴ݔ ௌௗ (1) 
Ngoài ra, 
C ൌ ୕୚ (2) 
Với: 
 Q: điện tích tụ điện (Coulomb –C), 
 V: điện áp đặt giữa 2 bản tụ điện (V), 
 C: điện dung tụ điện (Farad –F). 
Với công nghệ nano, ngày nay các siêu tụ điện 
có điện dung rất lớn và kích thước nhỏ đã được sản 
xuất (Kemet-Electronics-Corporation, 2014). Theo 
(1), để tăng điện dung thì cần giảm d hoặc tăng S. 
Do siêu tụ có khoảng cách d rất nhỏ nên khả năng 
tăng điện áp để nâng điện dung là không thể, nên 
chỉ thực hiện giảm thông số d. Ngoài ra, do khoảng 
cách d rất nhỏ nên khi được tích điện tích dễ bị rò, 
làm giảm thời gian lưu trữ. 
Thời gian tích trữ năng lượng trên siêu tụ có 
mật độ năng lượng cao trong thời gian ngắn rất phù 
hợp cho các ứng dụng sử dụng năng lượng thấp 
nhưng liên tục và đòi hỏi thời gian nạp là ngắn 
(Alfred Rufer, S, and Philippe Barrade, 2002). 
Các ắc-quy lưu trữ năng lượng có số lần nạp 
hữu hạn, tốn nhiều thời gian nạp năng lượng, quá 
trình tích trữ năng lượng là quá trình chuyển hóa 
các phản ứng hóa học bên trong thiết bị. Qua thời 
gian sử dụng, các thiết bị lưu trữ sẽ là các chất thải 
nguy hại, gây ô nhiễm môi trường sống và ảnh 
hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người khi 
tiếp xúc trực tiếp (Trịnh Thị Thanh, 2003). 
Sản lượng ắc-quy sản xuất hàng năm đều tăng, 
đồng thời thải ra số lượng lớn ắc-quy là nguồn rác 
thải nguy hại ảnh hưởng đến môi trường (Nguyễn 
Hương, 2014). 
Nghiên cứu ứng dụng này nhằm đưa ra giải 
pháp mới thay thế 1 phần cho các thiết bị lưu trữ 
truyền thống trước đây. Việc nghiên cứu ứng dụng 
này đã được thực hiện ở các nước có nền kỹ thuật 
phát triển, đối với trong nước chỉ tìm hiểu về lý 
thuyết kỹ thuật nhưng chưa ứng dụng thực tiễn. 
2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 
2.1 Siêu tụ điện 
Với công nghệ nano phát triển, việc tạo ra các 
siêu tụ điện (Jayalakshmi, M. and K. 
Balasubramanian, 2008) có điện dung từ vài Farad 
đến hàng nghìn Farad là có thể thực hiện được, 
nhưng điện áp làm việc thì không cao chỉ từ 2,7V 
đến 5,5V (Panasonic, S, 2015). Do điện áp làm 
việc thấp nên bị hạn chế khi ứng dụng trên các 
mạch điện có điện áp cao. Để giải quyết sự hạn chế 
về điện áp này cần sử dụng nhiều siêu tụ điện ghép 
nối tiếp để nâng điện áp làm việc. Việc ghép nối 
tiếp sẽ tăng giá trị điện áp làm việc và giảm điện 
dung: 
ܸ ൌ ∑ ௜ܸ௡ଵ (3) 
ଵ
஼ ൌ ∑
ଵ
஼௜
௡ଵ (4) 
Với Vi và Ci lần lượt là điện thế và điện dung 
của từng siêu tụ thành phần. 
Thông số đặc trưng của siêu tụ Kemet 2,7V-
350F, được trình bày trong Bảng1. 
Bảng 1: Thông số siêu tụ Kemet 2,7V-350F 
Thông số Giá trị Đơn vị đo 
S501LF357V2R7A 350 F 
Điện áp làm việc 2,7 VDC 
Điện áp quá áp 2,85 VDC 
Điện trở cách điện 3,2 mΩ 
Nhiệt độ cho phép -40 - +65 oC 
Mật độ năng lượng tối đa 0,35 Wh 
Chu kỳ nạp/phóng 500.000 Lần 
Chất lượng bên trong mỗi siêu tụ không đồng 
đều, thời gian tích trữ năng lượng cũng khác nhau, 
do đó, cần bảo vệ quá điện áp trên mỗi siêu tụ điện. 
2.2 Phương pháp nạp cân bằng thụ động 
Phương pháp nạp cân bằng thụ động đơn giản 
gồm các điện trở công suất, có giá trị điện trở như 
nhau được mắc nối tiếp với nhau. Điện áp 1 chiều 
đặt vào 2 đầu dãy điện trở mắc nối tiếp sẽ tạo ra 
các điện áp v1, v2, v3, tương ứng với số lượng 
điện trở mắc vào. Dòng điện trong mạch nối tiếp là 
như nhau. 
Các siêu tụ được mắc song song với các điện 
trở để nạp điện tích. Ở Hình 1, chế độ nạp năng 
lượng cho bộ siêu tụ điện ở chế độ cân bằng thụ 
động. Sử dụng phương pháp chia điện áp bằng điện 
trở, các điện trở này đều cùng thông số về giá trị 
điện trở và công suất. Đối với phương pháp này 
mạch chỉ có tác dụng chia áp trên mỗi siêu tụ điện 
khi mắc song song với mỗi điện trở. Do thành phần 
cấu tạo bên trong mỗi siêu tụ không tuyệt đối giống 
nhau nên khi đặt điện áp trên các siêu tụ sẽ không 
đều, dẫn đến một số siêu tụ này sẽ vượt quá điện áp 
làm việc gây hư hỏng do vượt quá điện áp danh 
định 2,7V. 
Để đảm bảo các siêu tụ làm việc đúng giá trị 
điện áp và không bị đánh thủng cần phải điều khiển 
và giám sát điện áp nạp trên mỗi siêu tụ (Tsopelas, 
A. and G. Cheimonidis, 2009). 
Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trường Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 66-72 
 68 
Hình 1: Mạch nạp cân bằng thụ động (passive balancing) 
2.3 Phương pháp nạp cân bằng chủ động 
Phương pháp này sử dụng linh kiện bán dẫn để 
giám sát quá trình tích trữ năng lượng trên mỗi siêu 
tụ điện. Với Hình 2, mạch ở chế độ nạp cân bằng 
chủ động, các switch này được thể hiện là các công 
tắc chuyển mạch bán dẫn tĩnh. Mạch giám sát sẽ 
điều khiển các công tắc (switch) này liên tục, khi 
điện áp trên siêu tụ đạt ngưỡng điện áp làm việc thì 
switch đóng lại, khi điện áp giảm dưới ngưỡng 
switch sẽ mở ra để tiếp tục nạp duy trì. Trong Hình 
2, dòng điện di chuyển theo chiều từ cực dương (+) 
sang cực âm (-), khi công tắc ở vị trí mở dòng điện 
sẽ được nạp qua siêu tụ điện cho đến điện áp xấp xỉ 
điện áp bảo vệ thì công tắc đóng lại để dòng điện 
chạy qua điện trở. 
Hình 2: Mạch nạp cân bằng chủ động (active balancing) 
Mạch nạp cân bằng chủ động hoạt động trên 
nguyên tắc giám sát điện nạp nạp cho siêu tụ. Cụ 
thể, Hình 3 mô tả sơ đồ đại diện cho một switch 
bán dẫn trong Hình 2, để điều khiển nạp điện tích 
cho 1 siêu tụ. 
Quá trình nạp điện tích được giám sát bởi U1, 
Q2 và Q3. Điện áp nạp sẽ do U1 quyết định giá trị, 
Q3 có nhiệm vụ ngắt điện áp không cung cấp cho 
siêu tụ khi đạt giá trị cần thiết. Điện trở R10, R11 
là điện trở công suất. 
Trong quá trình thực hiện, các switch này ghép 
nối tiếp với nhau, khi siêu tụ bất kỳ được nạp đến 
điện áp quy định thì switch đóng lại, dòng điện 
được dẫn liên tục trên các switch còn lại. Tiến trình 
nạp được thực hiện liên tục, khi điện áp trên các 
siêu tụ giảm dưới điện áp quy định, switch sẽ mở 
ra và quá trình nạp lại tiếp tục. 
Hình 3: Switch bán dẫn ở chế độ nạp cân bằng chủ động 
VCC
350F/2,7V
SUPERCAPACITOR
R3
RESISTOR
R1
RESISTOR
350F/2,7V
SUPERCAPACITOR
350F/2,7V
SUPERCAPACITOR
R2
RESISTOR
SW3
350F/2,7V
SUPERCAPACITOR
VCC
R2
RESISTOR
SW2SW1
350F/2,7V
SUPERCAPACITOR
R1
RESISTOR
350F/2,7V
SUPERCAPACITOR
R3
RESISTOR
R5
R8
Q2
R4
R11
C1
SC
Q3
Q1
R7
R2
D1
LED
R6
VCC
R9
R1 R3
R10
U1
3
1
2
Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trường Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 66-72 
 69 
2.4 Pin mặt trời 
Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời (Solar 
panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar 
cells) là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một 
số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là diode quang, 
thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng 
lượng điện. 
Nguyên lý hoạt động pin điện mặt trời là cách 
chuyển quang năng thành điện năng trực tiếp nhờ 
các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành mô 
đun. Photon đập vào electron làm năng lượng của 
electron tăng lên và di chuyển tạo thành dòng điện. 
Điện năng do pin mặt trời tạo để sử dụng hay để 
sạc pin hoặc ắc-quy. 
Để tận dụng nguồn năng lượng tái tạo sẵn có 
trong tự nhiên, trong nghiên cứu ứng dụng sử dụng 
pin mặt trời để chuyển hóa ánh nắng mặt trời thành 
năng lượng điện, tích trữ vào bộ ghép siêu tụ, năng 
lượng sẽ được dùng cho các ứng dụng có ích công 
suất thấp (Brunelli et al., 2009) như: pin backup 
bộ nhớ trên mạch điện tử (Smith et al., 2002), thắp 
sáng, cảnh báo, nạp điện cho các thiết bị cầm tay di 
động, thiết bị thu phát wifi (Paradiso et al., 2005) 
khởi động động cơ xe máy, xe ô tô (Joel Schindall, 
2007). 
2.5 Mô hình kết nối các thiết bị thực nghiệm 
Do giá trị điện áp làm việc trên mỗi siêu tụ là 
2,7V và điện dung là 350F nên để làm việc với 
điện áp cao hơn cần phải ghép nối tiếp để tăng điện 
áp làm việc. 
Thực hiện ghép 06 siêu tụ để được bộ siêu tụ có 
điện dung 70F và điện áp làm việc 16,2V. 
Hình 4, mô tả kết nối các thành phần liên quan 
thành hệ thống gồm: Tấm pin mặt trời, bộ điều 
khiển điện áp nạp, bộ giảm áp DC-DC, thiết bị đo 
dòng- áp, bộ siêu tụ. 
Do tính chất của siêu tụ là khoảng thời gian nạp 
điện rất ngắn, tùy theo nguồn cung cấp có công 
suất lớn hay nhỏ. Để đảm bảo an toàn cho pin mặt 
trời, cần phải sử dụng bộ điều khiển nạp để đảm 
bảo dòng nạp không quá dòng điện làm việc bình 
thường, nếu quá lớn sẽ gây hư hỏng tấm pin mặt 
trời. Bộ giảm áp DC-DC được lắp thêm để tăng 
cường bảo vệ bộ siêu tụ không bị hư hỏng do quá 
điện áp làm việc. 
Hình 4: Sơ đồ ghép nối các thiết bị 
Tấm pin mặt trời sẽ được dùng để chuyển hóa 
ánh sáng mặt trời thành điện áp để sử dụng. 
Bộ điều khiển điện áp nạp 12V/20A, được đấu 
nối trực tiếp vào tấm pin mặt trời để giới hạn điện 
áp đầu ra không vượt quá 14,4V. 
Bộ giảm áp DC-DC có dãy điện áp hoạt động 
ngỏ ra 0,8-28V, dòng điện cho phép tối đa 12A. Do 
điện áp ngỏ ra của bộ điều khiển điện áp nạp là 
14,4V nên điện áp đầu ra bộ giảm áp sẽ được chỉnh 
bằng giá trị điện áp bộ nạp. 
Thiết bị đo dòng điện-điện áp DC sẽ được dùng 
để giám sát liên tục giá trị dòng điện- điện áp nạp 
vào bộ siêu tụ. 
2.6 Thực hiện thực nghiệm 
Mô hình thực nghiệm gồm các thiết bị như mô 
tả ở Hình 4, sử dụng tấm pin mặt trời đặt trên mái 
nhà để thu ánh sáng mặt trời. Các thiết bị liên quan 
được kết nối như Hình 4 và Hình 6. 
Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trường Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 66-72 
 70 
Hình 5: Tấm pin mặt trời 12V- 25W 
Thí nghiệm dùng tấm pin mặt trời công suất 
25W (Hình 5) với các thông số kỹ thuật cho trên 
Bảng 2. Mô hình thí nghiệm được triển khai như 
Hình 6. 
Bảng 2: Thông số tấm pin năng lượng mặt trời 
Thông số Giá trị Đơn vị đo 
Pmax 25 W 
Vpm 17,9 V 
Ipm 1,4 A 
Voc 20,41 V 
Isc 1,54 A 
3 KẾT QUẢ 
Cài đặt thông số trên bộ nạp để điện áp đạt tối 
đa 14,4V và dòng điện không quá 1,4A. Quá trình 
nạp được ghi nhận như Hình 7 và Hình 8: 
Hình 6: Mô hình thực nghiệm trên bộ siêu tụ 70F 
Hình 7: Biểu đồ thể hiện giá trị dòng điện và điện áp của pin mặt trời trong quá trình nạp 
Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trường Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 66-72 
 71 
Hình 8: Biểu đồ thể hiện giá trị dòng điện của pin mặt trời và điện áp nạp bộ siêu tụ 
Sau quá trình nạp điện tích cho bộ siêu tụ, giá 
trị điện áp là 14,4V, bộ điều khiển nạp ngừng cung 
cấp năng lượng. 
Để chứng minh khả năng lưu trữ năng lượng, 
sử dụng tải 01 đèn led công suất 1W/3V mắc nối 
tiếp với bộ giảm áp DC-DC với điện áp đầu ra 3V 
và dòng điện là 110mA. Kết quả thí nghiệm như 
Hình 9. 
Hình 9: Thời gian hoạt động của LED được cấp bằng bộ siêu tụ 
Thời lượng duy trì mức điện áp 3V để đèn led 
sáng là hơn 60 phút. Kết quả thu được từ thực 
nghiệm đã chứng minh được việc ứng dụng siêu tụ 
điện để thay thế pin hoặc ắc-quy trong 1 số ứng 
dụng công suất thấp là khả thi. Nghiên cứu chỉ 
dừng lại ở mức độ các ứng dụng nhỏ, đối với các 
ứng dụng công suất lớn cần nghiên cứu kỹ hơn. 
4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 
Nghiên cứu đã xây dựng một ứng dụng và thực 
nghiệm thành công việc dùng siêu tụ thay thế ắc-
quy truyền thống phục vụ việc lưu trữ năng lượng 
điện mặt trời. Siêu tụ điện có khả năng nạp/xả 
nhanh với độ bền cao hơn so với sử dụng ắc-quy, 
phù hợp cho nhiều ứng dụng công suất nhỏ hay đòi 
hỏi dòng tức thời cao. Nghiên cứu này sẽ được tiếp 
Tap̣ chı́ Khoa hoc̣ Trường Đaị hoc̣ Cần Thơ Tập 49, Phần A (2017): 66-72 
 72 
tục phát triển để dùng siêu tụ điện thay cho các ắc-
quy xe gắn máy vốn rất phổ biến tại Việt Nam. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Nguyễn Thị Nhâm Tuất. 2013. Đánh giá thực trạng 
và tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo ở Việt 
Nam. Tạp chí Khoa học và Công nghệ. 
112(12)/1: 155 - 159. 
Nguyễn Thị Kim Thái, 2013. Đánh giá thực trạng 
quản lý chất thải rắn tại các làng nghề tái chế phế 
liệu và đề xuất các giải pháp quản lý. Tạp chí 
khoa học Công nghệ Xây dựng. 9:114-120. 
Kemet-Electronics-Corporation. "Supercapacitor 
KEMET S501 Series, Snap-In, 2.7 V, 65ºC.", 
2014. (Thông số kỹ thuật của siêu tụ điện do 
Hãng Kemet cung cấp thông tin). 
Alfred Rufer, S, and Philippe Barrade,2002. A 
Supercapacitor-Based Energy-Storage System 
for Elevators With Soft Commutated Interface. 
IEEE Transactions on industry applications. Vol. 
38(No. 5). 
Trịnh Thị Thanh, 2003. Độc học, môi trường và sức 
khỏe con người. Đại học Khoa học Thái nguyên- 
Khoa Khoa học Tự nhiên và Xã hội. NXB Đại 
học Quốc gia Hà Nội. 
Nguyễn Hương, 2014. Cần lập lại trật tự trong việc 
thu, gom tái chế ắc quy chì, (xem ngày 17-02-
2016). 
trat-tu-trong-viec-thu-gom-tai-che-ac-quy-chi-
20140429024057635p33c403.htm. 
Jayalakshmi, M. and K. Balasubramanian,2008. 
Simple Capacitors to Supercapacitors - An 
Overview. Int. J. Electrochem 3. 
Panasonic, S. "Electric Double Layer Capacitors 
(Gold Capacitor)/ NF.", 2015. (Thông số kỹ 
thuật siêu tụ điện Hãng Panasonic giới 
thiệu).Tsopelas, A. and G. Cheimonidis,2009. 
Measuring a Circuit Prototype for Balancing the 
Voltage between Supercapacitors. CDS Course, 
Stockhom. 
Brunelli, D. and C. T. Moser, L., Benini, L, 2009. 
Design of a Solar-Harvesting Circuit for 
Batteryless Embedded Systems. IEEE Spectrum 
Volume, 56(Issue: 11, p.2519 - 2528. 
Smith, T. A., and J. P. T. Mars, G.A, 2002. Using 
supercapacitors to improve battery performance" 
Power Electronics Specialists Conference. IEEE 
33rd Annual Volume 1: 124 - 128 vol.12. 
Paradiso, J. A., and T. Starner, 2005. Pervasive 
Computing, IEEE Volume 4(1). p 18 - 27. 
 J. Schindall, 05 Nov 2007, IEEE, Volume 44, p 42-
46. The charge of the ultracapacitors,( ngày xem 
17-01-2016).