Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong khai thác năng lượng tái tạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chung của luận văn là nghiên cứu cấu trúc và hoạt động của hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng và ứng dụng của nó trong ổn định công suất cho nhà máy điện gió + mặt trời làm việc độc lập.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong khai thác năng lượng tái tạo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM NGỌC DŨNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN THẠC SĨ TÊN ĐỀ TÀI: LUẬN VĂN THẠC SĨ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CHUYÊN HỆ ĐIỀU KỸ NGÀNH: CHỈNH THUẬT ĐIỆN TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ DIEZEN ỨNG DỤNG TRUYỀN ĐỘNG CHO TÀU THỦY KHOA CHUYÊN MÔN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Chuyên ngành: TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TĐH Người thực hiện : DƯƠNG THỊ THANH Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. VÕ QUANG LẠP PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên - 2014 Thái Nguyên, năm 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Ngọc Dũng Sinh ngày 07 tháng 08 năm 1991 Học viên lớp cao học khóa 20 – Kỹ thuật điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự chỉ dậy giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy giáo hướng trực tiếp dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp PGS. TS. Lại Khắc Lãi. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong khai thác năng lượng tái tạo Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Ngoài các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thực nghiệm được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lại Khắc Lãi là trung thực. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019. Học viên Phạm Ngọc Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ii LỜI CẢM ƠN Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và làm việc, được sự động viên giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo PGS. TS. Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong khai thác năng lượng tái tạo” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn: PGS. TS. Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành được bản luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo Khoa Điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu khoa học thực hiện luận văn. Toàn thể các học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện khóa 20, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên do trình độ và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên có thể luận văn vẫn còn gặp phải một vài thiếu sót. Tác giả rất mong rằng sẽ nhận được những đóng góp ý kiến từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ .................................................................... vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................... viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................... 2 3. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 3 5. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương ................................................................... 3 CHƯƠNG 1: LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ................................................. 5 1.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN.............. 5 1.1.1. Các đặc trưng của điện năng ................................................................. 5 1.1.2. Nhu cầu lưu trữ điện năng .................................................................... 5 1.2. CÁC HÌNH THỨC LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG ....... 7 1.1.1. Acqui ..................................................................................................... 7 1.2.2. Pin nạp xả ............................................................................................ 14 a. Phân biệt Pin và Ắc quy ............................................................................ 14 b. Các thông số cơ bản của pin ..................................................................... 14 1.3. BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ................................................... 18 1.3.1. Tổng quan ........................................................................................... 18 1.3.2. Cấu tạo của bánh đà lưu trữ năng lượng ............................................. 20 1.3.3. Nguyên lý hoạt động của bánh đà lưu trữ năng lượng ....................... 21 1.3.4. Đặc điểm của bánh đà lưu trữ năng lượng .......................................... 22 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................... 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iv CHƯƠNG 2. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ........................................................... 23 2.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo............................................................... 23 2.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo.............................................................. 23 2.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo ............................................................... 24 2.1.3. Vai trò và lợi ích của năng lượng tái tạo ............................................ 27 2.2. VẤN ĐỀ KHAI THÁC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ở VIỆT NAM................................................................................................................. 28 2.2.1. Tiềm năng ........................................................................................... 28 2.2.2. Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam ............................... 32 1.2.3. Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam ................... 33 2.3. KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO DƯỚI DẠNG ĐIỆN NĂNG . 35 2.3.1. Hệ thống điện gió ................................................................................ 35 2.3.2. Điện mặt trời ....................................................................................... 38 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................... 41 CHƯƠNG 3. BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ......................... 42 3.1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 42 3.1.1. Hệ thống tích hợp điện mặt trời và điện gió ....................................... 42 3.1.2. Đặc điểm của hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời ................. 44 3.1.3. Tính cấp thiết phải ổn định điện áp và công suất hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời ............................................................................................... 44 3.2. HOẠT ĐỘNG CỦA BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ................................. 45 3.2.1. Cấu trúc của hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng............................. 45 3.2.2. Nguyên lý điều khiển hoạt động của FESS trong hệ thống ................ 46 3.3. ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ............................................................................................... 48 3.3.1. Xây dựng mô hình toán của hệ thống FESS ....................................... 49 1) Bánh đà ..................................................................................................... 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
v 2) Máy điện không đồng bộ .......................................................................... 50 3. Bộ biến đổi ................................................................................................ 53 4. Điều chế véc tơ không gian ...................................................................... 54 5. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống FESS ................................................ 57 3.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................................................................... 57 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................... 61 KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1: Tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam ........................... 29 Bảng 1. 2: Công suất năng lượng tái tạo khai thác tại Việt Nam....................... 33 Bảng 3. 1: Chu kỳ đóng/cắt các van trong mỗi sector ........................................ 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vii DANH MỤC HÌNH VẼ NỘI DUNG HÌNH Trang Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống lưu giữ năng lượng trong lưới điện 5 Hinh 1 .2 Cấu tạo tổng quát ắc quy axit - lead acid battery 6 Hình 1.3. Nguyên lý nạp điện của ắc quy axit | lead acid battery 8 Hình 1.4 Nguyên lý phóng điện của ắc quy axit | lead acid battery 10 Hình 1.5 :pin sạc Nitecore 18650 2500mAh – 35A 15 Hình 1.6 Sơ đồ kết nối mạch sạc xả và bảo vệ pin 16 Hình 1. 7: Cấu tạo của bánh đà lưu trữ năng lượng 19 Hình 2. 1: Cối xay gió 34 Hình 2. 2: Cánh đồng điện gió tại Tây Ban Nha 34 Hình 2. 3: Công viên quang điện Lieberose 71,8 MW (Đức) 37 Hình 2. 4: Nhà máy điện mặt trời đầu tiên ở Ninh Thuận 38 Hình 3.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời 40 Hình 3.2: Cấu trúc của FESS 1 cấp 43 Hình 3. 3: Cấu trúc của hệ thống FESS 2 cấp 43 Hình 3. 4: Hệ thống điện mặt trời và điện gió có tích hợp FESS 44 Hình 3. 5a,b: Đường cong công suất tức thời của FESS trong hệ thống lai 45 Hình 3. 6: Sơ đồ mạch lực hệ thống FESS 46 Hình 3. 7: Các véc tơ không gian của SVM 51 Hình 3. 8: Sơ đồ điều khiển FESS 54 Hình 3.9:. Đáp ứng tốc độ của máy điện trong FESS 56 Hình 3.10: Đáp ứng từ thông động cơ 56 Hình 3.11: Đáp ứng công suất của FESS 56 Hình 3.12: Đáp ứng công suất của FESS và công suất hệ thống bơm vào lưới 57 Hình 3.13: Đường cong điện áp và dòng điện pha trong khoảng thời gian từ 57 2,44s đến 2,66s Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DER (Distributed Ennergy resouces) Nguồn năng lượng phân tán ESS (Energy Storage System) Hệ thống lưu trữ năng lượng FESS (Flywheel Energy Storage Hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng System) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay , nhu cầu khi thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch vốn đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường đã trở thành vấn đề cấp thiết của nhiều quốc gia trên thế giới. Việt Nam là nước có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Tuy nhiên nguồn điện gió và nguồn điện mặt trời không phải lúc nào cũng có sẵn, sản lượng không kiểm soát được, luôn bị biến động do điều kiện thời tiết và môi trường nên khi chúng tham gia vào các lưới điện cục bộ ( vi lưới – microgrid ) dễ gây mất ổn định lưới điện, đôi khi gây lỗi lưới, sập lưới. Vì vậy việc sử dụng chúng dưới dạng năng lượng điện năng cần đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến. Và một trong những phương án được đề xuất và phát triển trong vòng hơn hai mươi năm gần đây là dùng bánh đà để lưu trữ và điều tiết năng lượng điện. Đây là một giải pháp khá lí thú và có nhiều triển vọng phát triển đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Tuy nhiên để sử dụng bánh đà lưu trữ và điểu tiết năng lượng thì cần giải quyết hai vấn đề kỹ thuật then chốt : thứ nhất là vấn đề tổn hao do ma sát , tiếp đến là cơ chế biến đổi năng lượng của bánh đà thành điện năng. Vậy thế nào là bánh đà lưu trữ năng lượng. Bánh đà là một thiết bị cơ khí quay được sử dụng để lưu trữ năng lượng quay. Bánh đà có mô-men quán tính lớn, và do đó chống lại sự thay đổi tốc độ quay. Lượng năng lượng được lưu trữ trong một bánh đà tỉ lệ với bình phương tốc độ quay của nó. Năng lượng được chuyển giao cho một bánh đà bằng cách áp dụng mô-men xoắn đối với nó, do đó gây ra tốc độ quay của nó, và do đó năng lượng lưu trữ của nó, gia tăng. Ngược lại, bánh đà giải phóng năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men xoắn đến tải cơ khí, kết quả làm tốc độ quay giảm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2 Bánh đà có ba sử dụng chủ yếu:  Chúng cung cấp năng lượng liên tục khi các nguồn năng lượng không liên tục. Ví dụ, bánh quay được sử dụng trong động cơ pít-tông bởi vì các nguồn năng lượng (mô-men xoắn từ động cơ) là không liên tục.  Chúng cung cấp năng lượng ở mức vượt quá khả năng của một nguồn năng lượng. Điều này đạt được bằng cách thu thập năng lượng trong bánh đà theo thời gian và sau đó giải phóng năng lượng một cách nhanh chóng, với tốc độ vượt quá khả năng của nguồn năng lượng.  Chúng kiểm soát định hướng của một hệ thống cơ khí. Trong các ứng dụng như vậy, xung lượng góc của một bánh đà là cố ý chuyển tải một khi năng lượng được chuyển đến hoặc từ bánh đà. Việc sử dụng một bánh đà lưu giữ năng lượng nhằm nâng cao chất lượng điện năng khai thác từ nguồn năng lượng tái tạo là các nguồn có công suất biến đổi ngẫu nhiên như điện gió, điện mặt trời, … là vấn đề còn tương đối mới mẻ và rất cần thiết ở Việt Nam, phù hợp với xu hướng và chính sách phát triển năng lượng trên thế giới nói chung & Việt Nam nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cấu trúc và hoạt động của hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng và ứng dụng của nó trong ổn định công suất cho nhà máy điện gió + mặt trời làm việc độc lập. 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3 4. Phương pháp nghiên cứu + Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: Bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành… + Mô hình hóa và mô phỏng: Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết 5. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương - Chương 1 trình bày tầm quan trọng của việc lưu trữ năng lượng điện nhằm tiết kiệm điện năng cân bằng cung - cầu điện năng trong mọi thời điểm (giờ cao điểm cũng như giờ không cao điểm); Các hình thức lưu trữ điện năng truyền thống và bánh đà lưu trữ năng lượng, làm cơ sở cho việc đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng điện của vi lưới sẽ được trình bày ở chương 3. - Chương 2 trình bày một số nét tổng quan về năng lượng tái tạo, tiềm năng và vấn đề khai thác năng lương tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam; đặc biệt đi sâu tìm hiểu việc khai thác năng lượng gió và năng lượng mặt trời dưới dạng điện năng, những phân tích này được dùng làm cơ sở cho những vấn đề được đề cập và giải quyết ở các chương sau. - Chương 3 trình bày cấu trúc hệ thống điện gió + mặt trời có tịch hợp hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng; mô tả hoạt động của FESS, xây dựng mô hình toán học hệ thống FESS và nguyên tắc điều khiển chúng. Đồng thời đã tiến hành mô phỏng cho một kịch bản cụ thể để minh chứng vai trò của hệ thống FESS trong việc ổn định công suất của hệ thống điện gió + mặt trời làm việc độc lập. - Phần kết luận chung trình bày tóm tắt những nội dung chính luận văn đã làm được và kiến nghị những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện và áp dụng vào thực tiễn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5 CHƯƠNG 1: LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 1.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 1.1.1. 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. 1.1.2. 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.tnu.edu.vn
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 2.1). 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.tnu.edu.vn
7 Hình 1. 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. 1.2. CÁC HÌNH THỨC LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG Các hình thức lưu trữ năng lượng truyền thống là acqui và pin nhiên liệu 1.1.1. 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.tnu.edu.vn
8 Hinh 1 .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.tnu.edu.vn
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 1.3. 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.tnu.edu.vn
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.tnu.edu.vn
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. Hình 1.4 Nguyên lý phóng điện của ắc quy axit | lead acid battery Quá trình phóng điện của ăcquy, phản ứng hoá học xảy ra trong ăcquy như sau: Tại cực dương: PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O Tại cực âm: Pb + SO2-4 → PbSO4 + 2e Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn