CHƯƠNG 1: LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 1. Các đặc trưng của điện năng Điện năng có 2 thuộc tính cơ bản: - Quá trình sản xuất và tiêu thụ xảy ra đồng thời. Lượng điện sản xuất ra phải luôn được đáp ứng nhu cầu khác nhau.
Sự mất ổn định giữa cung và cầu sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng cung cấp điện. - Những nơi sản xuất ra điện thường ở cách xa nơi tiêu thụ. nơi phát điện và hộ tiêu thụ được kết nối lưới điện và tạo thành hệ thống điện. Với đặc điểm về địa điểm và số lượng cung/cầu nhiều nguồn điện có thế tập trung vào một đường truyền cụ thể, việc truyền dẫn cần phải có dây dẫn do đó dẫn đến khả năng gián đoạn cung cấp điện do sự cố trên đường dây và khó khăn trong việc cung cấp điện cho các ứng dụng di động.
Nhu cầu lưu trữ điện năng a) Chi phí sản xuất cao trong giờ cao điểm Nhu cầu dùng điện thay đổi theo thời gian trong ngày khiến cho giá bán điện cũng thay đổi theo. Giá điện ở thời kỳ cao điểm cao hơn và ở thời kỳ thấp điểm thấp hơn. Điều này được gây ra bởi sự khác biệt về chi phí sản xuất trong từng thời kỳ. Trong thời kỳ cao điểm khi mức tiêu thụ điện cao hơn mức trung bình, các nhà cung cấp điện phải bổ sung các nhà máy điện có chi phí cao với các hình thức sản xuất ít hiệu quả hơn như dầu và gas để phát điện.
Trong thời kỳ thấp điểm khi tiêu thụ ít điện năng hơn, các loại phát điện tốn kém có thể bị dừng lại. Đây là cơ hội cho chủ sở hữu các hệ thống EES được hưởng lợi về mặt tài chính. Từ quan điểm tiện ích, có một tiềm năng rất lớn để giảm tổng chi phí sản xuất bằng cách loại bỏ các phương pháp tốn kém hơn, thông qua việc lưu trữ điện được tạo ra bởi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 các nhà máy điện giá rẻ trong đêm được lắp lại vào lưới điện trong thời kỳ cao điểm. Với sự phát triển nà thâm nhập vào lưới điện các hệ thống năng lượng mặt trời và năng lượng gió, năng lương Thặng dư có thể được lưu trữ trong EES và được sử dụng để giảm chi phí sản xuất.
Ngược lại, theo quan điểm của người tiêu dùng, EES có thể giảm chi phí điện vì nó có thể lưu trữ điện được mua với giá thấp và có thể sử dụng nó trong thời kỳ cao điểm ở nơi có điện năng đắt đỏ. Người tiêu dùng sạc pin trong giờ thấp điểm cũng có thể bán điện cho các nhà cung cấp hoặc cho người tiêu dùng khác trong giờ cao điểm. b) Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) có thể được sử dụng để cân bằng giữa cung và cầu năng lượng điện. Quá trình này bao gồm việc chuyển đổi và lưu trữ năng lượng điện từ từ một nguồn có sẵn thành một dạng năng lượng khác và chúng có thể chuyển đổi thành điện năng khi cần thiết.
Các hình thức chuyển đổi năng lượng lưu trữ có thể là hóa học cơ học, nhiệt hoặc từ tính. Bộ lưu trữ cho phép xuất điện khi cần thiết và lưu trữ khi sản xuất vượt quá nhu cầu (Hình 2. Lưu trữ có thể vào thời điểm nhu cầu thấp, chi phí sản xuất thấp hoặc khi các nguồn năng lượng có sẵn không liên tục. Đồng thời năng lương lưu trữ có thể được tiêu thụ tại các thời điểm có nhu cầu cao, chi phí sản xuất cao hoặc khi không có nguồn phát khả dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 1: Cấu trúc hệ thống lưu giữ năng lượng trong lưới điện Với nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng dẫn đến việc tăng giá điện và các phương pháp sản xuất điện truyền thống ngày càng ít có khả năng thích ứng dẫn đến sự tham gia ngày càng nhiều các nguồn năng lượng tái tạo và các nguồn phát phân tán. Tuy nhiên việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cũng có thách thức không nhỏ do tính không liên tục của chúng trong một khoảng thời gian. Tại thời điểm khi nguồn năng lượng tái tạo cung cấp năng lượng có thể có nhu cầu thấp nhưng khi có nhu cầu thì chúng không đủ đáp ứng.
Ngoài ra hoạt động của các nguồn năng lượng tái tạo còn biến đổi theo mùa, theo điều kiện thời tiết, ngay, đêm tạo ra vấn đề về độ ổn định và độ tin cậy cung cấp điện. Vì vậy lưu trữ năng lượng là nhu cầu thiết yếu. CÁC HÌNH THỨC LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG Các hình thức lưu trữ năng lượng truyền thống là acqui và pin nhiên liệu 1. Acqui Hiện nay chúng ta có nhiều loại ắc quy, trong đó hai loại cơ bản là ắc quy axit và ắc quy kiềm.
a) Acqui axit Cấu tạo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cấu tạo tổng quát ắc quy axit - lead acid battery - Bình acqui được chia thành nhiều ngăn, thong thường là 6 ngăn. Mỗi ngăn acqui đơn cho điện áp đầu ra là 2V. Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộ nguồn acqui là 12V. - Vỏ bình acqui được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite.
Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạo thành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một acqui đơn. Dưới đáy bình ta làm hai yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực. Mục đích là để các bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi trong đáy bình có lắng đọng các cặn bẩn. - Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản cực.
Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trên bản cực là dioxit chì. Nếu bản cực dung làm bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng là chì xốp. Khi acqui hoạt động chất hoạt tính tham gia đồng thời vào các phản ứng hoá học càng nhiều càng tốt, do đó để tăng bề mặt tiếp xúc của các chất hoạt tính với dung dịch điện phân, người ta chế tạo chất hoạt tính có độ xốp, đồng thời đem ghép những tấm cực cùng tên song song với nhau thành một chum cực ở trong mỗi ngăn của acqui đơn. Chùm bản cực dương và chum bản cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng giữa hai bản cực khác tên lại được đặt them một tấm cách, tấm cách được làm từ chất cách điện để cách điện giữa hai bản cực như nhựa xốp, thuỷ tinh hay gỗ.
- Phần nắp của acqui để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và các vật khác từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bị tràn ra ngoài. Trên nắp bình có các lỗ để đổ và kiểm tra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 dung dịch điện phân, các lỗ này được nút kín bằng các nút có lỗ thông hơi nhỏ. Ở một số loại ắcquy lỗ thong hơi có thể được chế tạo riêng biệt. Để đảm bảo về độ kín của bình acqui, xung quanh mép của nắp acqui và xung quanh các lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa chuyên dụng.
Dung dịch điện phân dung trong acqui thường là hỗn hợp axit sunfuric H2SO4 được pha chế theo tỷ lệ nhất định với nước cất. Nguyên lý làm việc * Quá trình nạp: Hình 1. Nguyên lý nạp điện của ắc quy axit | lead acid battery Khi acqui đã được lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO4). Vì chì tác dụng với axit theo phản ứng: PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của acqui thì dòng điện một chiều được khép kín qua mạch ăcquy và dòng điện đi theo chiều: Cực dương của nguồn một chiều → Dung dịch điện phân → Đầu cực 2 của ăcquy → Cực âm của nguồn một chiều.
Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân ly: H2SO4 → 2H+ + SO2-4 Cation H+ theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo thành phản ứng tại đó: 2H+ + PbSO4 → H2SO4 + Pb Các anion SO2-4 chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn điện và cũng tạo thành phản ứng tại đó: PbSO4 + H2O + SO2-4 → PbO2 + 2H2SO4 Kết quả là ở bản cực nối với dương nguồn điện có PbO2 (chì dioxit) và ở chùm bản cực kia có chì Pb, như vậy ở hai chùm bản cực đã có sự khác nhau về cực tính. Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng axit sunfuric bổ sung vào dung dịch điện phân, đồng thời trong quá trình nạp điện dòng điện còn phân tích ra trong dung dịch điện phân khí hydro (H2) và oxy (O2), lượng khí này sủi lên như bọt nước và bay đi, do đó nồng độ của dung dịch điện phân trong quá trình nạp điện được tăng lên. Acqui được coi là đã nạp đầy khi quan sát thấy dung dịch sủi bọt đều (gọi đó là hiện tượng sôi). Lúc đó ta có thể ngắt nguồn nạp và xem như quá trình nạp điện cho acqui đã hoàn thành.
* Quá trình phóng điện của acqui: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Nối hai bản cực của acqui đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một bong đèn thì năng lượng tích trữ trong acqui sẽ phóng qua tải, làm cho bóng đèn sáng. Dòng điện của ăcquy sẽ đi theo chiều: Cực dương của ăcquy (đầu cực đã nối với cực dương nguồn nạp) → Tải (bóng đèn) → Cực âm của ăcquy → Dung dịch điện phân → Cực dương của ăcquy.