Trần Hoàng Blog

►Cách lưu trữ năng lượng tái tạo, thí dụ điện mặt trời trong pin (Oct 22, 2020)

Posted by hoangtran204 trên 01/01/2021


BU-413a: How to Store Renewable Energy in a Battery 

Battery University

BU-413a: Cách lưu trữ năng lượng tái tạo trong pin

TRẦN HOÀNG dịch 1-1-2021

Học cách lưu trữ năng lượng tái tạo để thu hẹp khoảng cách năng lượng.

Năng lượng mặt trời: Các nhà kinh tế dự đoán sự phát triển nhanh chóng trong công nghệ lưới vi mô sử dụng pin. Đức, Nhật Bản, Úc và các nước khác có ý thức về môi trường đã sử dụng các tấm pin mặt trời trong nhiều năm để giảm chi phí năng lượng. Ở các vùng của Châu Phi, nơi lưới điện xoay chiều không đủ phát triển để hỗ trợ mọi hoạt động trong gia đình, các tấm pin mặt trời có pin dự phòng là bắt buộc.


Trang trại năng lượng mặt trời sông Susan ở Queensland, Úc
Hình 1: Trang trại năng lượng mặt trời sông Susan ở Queensland, Australia. Trang trại năng lượng mặt trời rộng 176 ha tạo ra 180.000MWh mỗi năm từ 290.000 tấm pin mặt trời ..
Nguồn: Elliot Green Power

Sản xuất năng lượng cá nhân đang chuyển sang tiểu bang Sunbelt của Mỹ; tấm pin mặt trời rẻ hơn và pin lâu hơn làm cho điều này trở nên hấp dẫn. Pin dự trữ năng lượng trong quá trình sản xuất cao điểm khi sản lượng được cung cấp quá mức để thu hẹp khoảng cách khi năng lượng tự do nghỉ ngơi vào ban đêm hoặc khi gió ngừng. Pin sẽ giảm mức tiêu thụ cao điểm khi lưới điện xoay chiều được căng thẳng đến điểm đứt.

Năng lượng tái tạo có ý nghĩa kinh tế, nhưng nó đắt. Hầu hết thế giới phương Tây được cung cấp điện giá rẻ và đáng tin cậy từ lưới điện xoay chiều với chi phí cho mỗi kilowatt giờ thấp nhất là 0,06 đô la Mỹ ở các vùng của Canada, đến 0,15 đô la ở nhiều thành phố và lên tới 0,40 đô la ở một số nước châu Âu. Điện năng được sản xuất bởi một tấm pin mặt trời có giá khoảng $ 0,20 mỗi kWh. Khi bao gồm các chi phí ngoại vi, năng lượng mặt trời ở hầu hết các nơi trên thế giới đắt hơn so với mua điện từ các tiện ích và như một hướng dẫn sơ bộ, năng lượng dự trữ sẽ tăng gấp đôi giá.

Mặc dù chi phí cao hơn rõ ràng, việc lắp đặt các tấm pin mặt trời trên các ngôi nhà đang trở thành mốt. Giá vật liệu phần cứng đang giảm, và việc lắp đặt cũng vậy. Pin mặt trời quang điện (PV) phổ biến nhất là loại silicon tinh thể với hiệu suất khoảng 20%. So sánh, các tấm linh hoạt để sử dụng di động có hiệu suất chỉ khoảng 10%. Chi phí vật liệu phần cứng để tạo ra 1 watt điện với tấm nền rắn là 2,00–2,50 đô la, với xu hướng chi phí ngày càng hạ thấp hơn.

Tại các quốc gia giàu năng lượng mặt trời, nơi có giá điện đắt đỏ, năng lượng từ các tấm pin mặt trời đang được cung cấp (nạp) trở lại vào lưới điện xoay chiều. Điều này làm cho đồng hồ đo điện quay ngược lại, bù đắp năng lượng đã tiêu thụ trước đó, nhưng nó cũng có thể gây ra khó khăn. Lượng điện năng tạo ra không được vượt quá mức tiêu thụ. Đổ nhiều năng lượng vào lưới hơn mức tiêu thụ làm cho hệ thống không ổn định, dẫn đến dao động điện áp có thể làm quá tải mạch và dẫn đến hiện tượng cháy nâu.

Năng lượng tái tạo có bạn và thù ở những nơi cao. Một bên là các chính phủ trợ cấp để lắp đặt các hệ thống năng lượng tái tạo, trong khi bên kia các công ty tiện ích cố gắng hết sức ngăn chặn động thái phát điện tại nhà bằng cách giảm các ưu đãi và gia tăng thêm phí. Các công ty điện cho rằng việc sản xuất năng lượng giả do chủ nhà làm phức tạp hóa việc kiểm soát và cắt giảm nguồn doanh thu. Họ coi đó là việc tạo ra dư thừa và đói kém do cung vượt quá cầu trong thời kỳ dư thừa điện vào ban ngày, và đói kém khi nhu cầu điện cao vào bann đêm, nhưng không có sẵn các đóng góp tái tạo.

Xung đột là điều dễ hiểu bởi vì các công ty tiện ích có trách nhiệm cung cấp năng lượng ổn định mọi lúc trong khi các nhà sản xuất độc lập không thể giảm bớt mối lo về sự cố đang chờ xử lý do lưới điện già cỗi gây ra khi nhu cầu cao điểm. Đúng hay sai, việc sản xuất năng lượng sạch từ một nguồn tài nguyên tái tạo không bao giờ được hạn chế, đặc biệt nếu nguồn tài nguyên đó có thể được lưu trữ và các công ty năng lượng mặt trời đang chống lại các cơ quan quản lý, nhà lập pháp và tòa án.

Thủy điện có bơm: Tích trữ năng lượng điện không phải là mới. Một trong những phương tiện lưu trữ hiệu quả nhất đối với các nhà máy thủy điện lớn là bơm nước trở lại hồ chứa khi nhu cầu điện thấp và cung cấp xả nước trong thời gian cao điểm. Với hệ số hiệu suất sinh điện 70–85%, thủy điện bơm dễ quản lý hơn so với việc điều chỉnh máy phát điện để đáp ứng nhu cầu điện biến động. Bánh đà cũng đóng vai trò lưu trữ năng lượng. Các động cơ điện lớn quay bánh đà một tấn khi có năng lượng dư thừa để lấp đầy sự thiếu hụt năng lượng ngắn hạn và ổn định lưới điện. Bơm khí nén vào các khoang lớn dưới lòng đất là một cách khác để lưu trữ năng lượng nhưng đối với các cơ sở lắp đặt vừa và nhỏ, pin hoạt động tốt nhất. (Xem BU-1001: Pin trong các ngành công nghiệp)

Snowy 2.0, Úc


Hình 2: Snowy 2.0, Australia. Dự án thủy điện bơm sẽ tăng công suất thêm 2.000MW để cung cấp năng lượng điện dự trữ trong 175 giờ.
Nguồn: Bộ Kế hoạch và Môi trường NSW


Bánh đà đóng vai trò lưu trữ năng lượng thay cho pin. Các động cơ điện lớn quay bánh đà một tấn khi có năng lượng dư thừa để lấp đầy sự thiếu hụt năng lượng ngắn hạn và ổn định lưới điện. Bánh đà tốc độ cao quay ở tốc độ 30.000–50.000 vòng / phút thường trên các ổ trục từ trong buồng chân không. Động cơ điện / máy phát điện có nam châm vĩnh cửu tích điện và phóng điện động năng theo yêu cầu.

********

Bánh đà cung cấp mật độ công suất cao hơn năng lượng quá mức. Trong khi pin Lithium-ion hiện đại có năng lượng cụ thể là 250Wh / kg, tương đương ở bánh đà (fly wheel) là khoảng 5Wh / kg, nhưng công suất bánh đà cụ thể lên tới 2500W / kg, mức này cao hơn 10 lần so với pin Lithium- ion.

Về mặt cung cấp năng lượng, bánh đà có những phẩm chất tương đương với siêu tụ điện. Xem: BU-209: Siêu tụ điện hoạt động như thế nào? Một nhà sản xuất bánh đà cho biết: “Đối với các ứng dụng <20–30kW, bạn muốn sử dụng supercaps. Trên yêu cầu công suất này, bánh đà mang lại lợi thế. ” Về tuổi thọ, bánh đà cung cấp vài triệu chu kỳ đầy đủ trong khi tuổi thọ của siêu mũ là khoảng 500.000 chu kỳ. Hạn chế của bánh đà là hao mòn cơ khí với các ổ trục cơ khí.

Khí nén: Bơm khí nén vào các khoang lớn dưới lòng đất là một cách khác để lưu trữ năng lượng. Các hệ thống như vậy cung cấp năng lượng cho các hệ thống lắp đặt lớn thay cho pin. (Xem BU-1001: Pin trong các ngành công nghiệp) Khí nén không được sử dụng phổ biến. Nó cần tiếp cận với một vũng nước lớn và cái hốc ở dạng quả bóng có thể bị thủng.

Không khí nén trong các hang động dưới lòng đất là một nỗ lực thú vị nhưng không diễn ra như kế hoạch. Sự kém hiệu quả bởi tổn thất hỗn loạn, rò rỉ các hang động ngầm và chi phí xây dựng hệ thống chống lại nỗ lực đổi mới này. Tiền bạc và tài năng không thể giải quyết mọi vấn đề.

Các hệ thống lưu trữ năng lượng cơ học khác đang nâng trọng lượng trong một tòa tháp và xây dựng một tuyến đường sắt để kéo một chiếc ô tô tải lên trên đường ray, và giải phóng như một bộ lưu trữ năng lượng. Tua bin thủy triều cũng được sử dụng với nhiều tỷ lệ thành công khác nhau.

Hóa chất pin: Pin dự trữ chủ yếu là axit chì và người dùng phàn nàn về tuổi thọ ngắn của chúng. Điều này một phần là do đi xe đạp quá nhiều khi pin sạc vào ban ngày và phóng điện vào ban đêm. Axit chì có số lượng chu kỳ hạn chế và bị sulfat hóa khi không được sạc đầy định kỳ. Một lần sạc cho đầy pin mất 16 giờ, và không có hệ thống năng lượng mặt trời nào có thể cung cấp năng lượng lâu như vậy. Ngoài ra, tiêu thụ điện có xu hướng tăng theo thời gian trong khi các tấm pin mặt trời giảm sản lượng do bụi bẩn tích tụ trên bề mặt tấm pa-nô và sự lão hoá theo thời gian. Điều này thường khiến axit chì không đủ tích điện.

Việc chuyển sang pin Lithium-ion giải quyết được một phần điều này. Pin Lithium-ion có khả năng chống chu kỳ tốt hơn axit chì và không cần phải sạc đầy; trên thực tế, việc sạc một phần sẽ tốt hơn vì nó làm giảm căng thẳng. Nhưng pin Lithium-ion vẫn đắt gấp đôi hoặc ba lần so với axit chì nếu tính theo giá mua hệ thống.

(Trần Hoàng ghi chú: muốn gia tăng tuổi thọ của pin điện thoại: chỉ sạc pin điện thoại tới mức đầy 80%, và khi xài điện thoại thấy pin xuống mức còn 20% thì cắm điện sạc pin ngay. Nếu sạc pin lên cho đầy 100%, và dùng pin xuống mức 5-10% mới sạc thì sẽ làm cho cục pin lithium bị căng thẳng gây việc giảm tuổi thọ của pin.)

Tesla Powerwall cung cấp hai loại, pin 7kWh và pin 10kWh, đủ năng lượng để giữ cho một ngôi nhà sáng trong vài giờ. Cả hai gói đều có cùng số ô; pin 7kWh sử dụng NMC mạnh mẽ được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, trong khi pin 10kWh sử dụng NCA cung cấp năng lượng cho các mẫu xe Tesla model-S. NCA cung cấp mật độ năng lượng cao và thời gian sạc ngắn, trong khi NMC cung cấp số chu kỳ cao với công suất thấp hơn. (Xem BU-205: Các loại pin Lithium-ion)

Cả NCA và NMC đều là các Tế bào Năng lượng không thích tải nặng. Sức mạnh của Powerwall được giới hạn ở 2kW. Mức này đủ để chạy tủ lạnh, máy nướng bánh mì cho nóng thành màu nâu, và có thể là ủi một chiếc áo sơ mi, nhưng công suất của 2 loại pin này quá thấp để nấu một bữa ăn trên bếp điện, chạy máy sấy điện, hoặc chạy máy điều hòa không khí liên tục; (lý do là vì) các thiết bị năng lượng cao tiêu thụ hơn mức 2kW. Để lấp đầy khoảng trống đó, lưới điện xoay chiều (AC) của công ty điện hoạt động liên tục trong thời gian có cao điểm hoạt động của hộ gia đình. Pin 10kWh với công suất cực đại 2kW không thể ngắt kết nối hộ gia đình khỏi lưới điện, nhưng nó làm giảm một phần ba đến một nửa hóa đơn tiền điện.

Để sạc đầy pin 10kWh trong 5 giờ nắng tối ưu, cần có hệ thống năng lượng mặt trời cung cấp 5–12kW. Với chi phí ước tính là 2 đô la mỗi watt, phần cứng năng lượng mặt trời 10kW có giá 20.000 đô la. Việc lắp đặt và lắp đặt bộ biến tần DC-AC để chuyển đổi điện mặt trời DC thành nguồn điện AC tương thích và đồng bộ hóa nó với lưới điện có thể tăng gấp đôi chi phí. Pin cũng sẽ được bổ sung.

Một chi phí ẩn khác thường bị bỏ qua là thời gian cuối đời. Các tấm pin mặt trời có tuổi thọ 25 năm và pin thường được bảo hành trong 10 năm. Với chi phí tiền mặt là 5% và khấu hao trong 20 năm, một hệ thống 25.000 đô la có thể khiến chủ sở hữu phải trả 2.500 đô la mỗi năm. Mức tiết kiệm năng lượng phải lớn hơn mức này, nếu không, bài tập có thể bị hiểu sai. Thậm chí tiết kiệm năng lượng lớn hơn có thể được thực hiện bằng cách giảm phương tiện giao thông cá nhân hoặc thu nhỏ kích thước và sức mạnh của một cỗ xe như vậy.

Cập nhật lần cuối 2020-10-22

Dịch bài BU-413a: How to Store Renewable Energy in a Battery 

=========

BU-413a: How to Store Renewable Energy in a Battery 

Learn how to store renewable energy to bridge the energy gap.

Solar Energy: Economists predict rapid growth in micro-grid technology using batteries. Environmentally conscious Germany, Japan, Australia and other countries have made use of solar panels for many years to reduce energy costs. In parts of Africa where the AC grid is not sufficiently developed to support all household activities, solar panels with battery backup are mandatory.
 

Susan River Solar Farm in Queensland, Australia
Figure 1: Susan River Solar Farm in Queensland, Australia. The 176-hectare solar farm generates 180,000MWh per annum from 290,000 solar panels..
Source: Elliot Green PowerPersonal energy production is moving to the US Sunbelt; cheaper solar panels and longer-lasting batteries make this attractive. Batteries store energy during peak production when output is in over-supply to bridge the gap when free energy goes to rest at night or when the wind stops. Batteries will moderate peak consumption when the AC grid is stressed to the breaking point.—-Renergy makes economic sense, but it is expensive. Most of the Western World is served with cheap and reliable electricity from the AC grid with a per kilowatt-hour cost as low as US $0.06 in parts of Canada, to $0.15 in many cities and up to $0.40 in some European countries. Electricity produced by a solar panel comes in at about $0.20 per kWh. When including peripheral expenses, solar power in most parts of the world is more expensive than buying electricity from the utilities, and as a rough guideline, stored energy doubles the price.

In spite of the apparent higher cost, putting solar panels on houses is becoming fashionable. Hardware prices are falling and so is the installation. The most common photovoltaic (PV) solar cells are the crystalline silicon type with efficiency of about 20 percent. Flexible panels for portable use, in comparison, have an efficiency of only about 10 percent. The hardware costs to generate 1 watt of electricity with solid panels is $2.00–2.50, with cost trending lower.

In solar-rich countries where electricity is expensive, energy from solar panels is being fed back to the AC grid. This causes the electrical meter to spin backwards, offsetting previously consumed energy, but it can also induce a problem. The amount of power generated cannot exceed consumption. Dumping more energy into the grid than consumed makes the system unstable, resulting in voltage fluctuations that can overload the circuit and lead to brownouts.

Renewable energy has friends and foes in high places. On one side, governments hand out subsidies to install renewable energy systems, while on the other side utilities try desperately to stem the move of home electricity generation by reducing incentives and adding fees. The utilities argue that spurious energy production by homeowners complicates control and cuts into the revenue stream. They see it as creating glut and famine by means of excess supply during times of plenty and famine when demand is high but renewable contributions are not available.

The conflict is understandable because utility companies are responsible for providing stable energy at all times while independent producers are unable to reduce the concern of pending failure caused by an aging grid that moans during peak demand. Right or wrong, producing clean energy from a renewable resource should never be curtailed, especially if the resource can be stored, and solar companies are fighting back through regulators, lawmakers and the courts.

Pumped hydro: Storing electrical energy is not new. One of the most effective storage media for large hydroelectric power stations is to pump water back up to the reservoir during low electrical demand and make it available during peak times. With an efficiency factor of 70–85 percent, pumped hydro is easier to manage than adjusting the generators to satisfy fluctuating power needs. Flywheels also serve as energy storage. Large electric motors spin one-ton flywheels when excess energy is available to fill brief energy deficiencies and stabilize the grid. Pumping compressed air into large underground cavities is another way to store energy but for small to medium installations, batteries work best. (See BU-1001: Batteries in Industries)
 

Snowy 2.0, Australia
Figure 2: Snowy 2.0, Australia. Pumped-hydro project will increase capacity by 2,000MW to provide electrical energy storage of 175 hours.
Source: NSW Department of Planning and Environment

Flywheels serve as energy storage in lieu of batteries. Large electric motors spin one-ton flywheels when excess energy is available to fill brief energy deficiencies and stabilize the grid. High-speed flywheels whirl at 30,000–50,000 rpm often on magnetic bearings in a vacuum chamber. Electric motors/generators with permanent magnets charge and discharge kinetic energy on demand.

Flywheels deliver high power density rather than excessive energy. Whereas a modern Li-ion battery has a specific energy of 250Wh/kg, the equivalent in a flywheel is about 5Wh/kg, but the specific power is up to 2500W/kg, a level that is 10-times higher than a Li-ion battery.
In terms of delivering power, the flywheel has comparable qualities to the supercapacitor. See: BU-209: How does a Supercapacitor Work? A flywheel maker says: “For applications <20–30kW you’d rather use supercaps. Above this power requirement, the flywheel offers advantages.” In terms of longevity, the flywheel delivers a few million full cycles whereas the longevity of the supercap is around 500,000 cycles. The drawback of the flywheel is mechanical wear-and-tear with mechanical bearings.

Compressed Air: Pumping compressed air into large underground cavities is another way to store energy. Such systems provide energy for large installations in lieu of batteries. (See BU-1001: Batteries in Industries) Compressed air is not in common used. It needs access to a large pool of water and the cavity in the form of a balloon can be punctured.

Compressed air in underground caverns is an interesting effort that didn’t work out as planned. Inefficiencies by turbulent losses, leakage of underground caverns and cost to build the system work against this innovative effort. Money and talent cannot solve every problem.

Other mechanical energy storage systems are elevating weight in a tower and building a railroad that pulls a loaded car up the tracks, and the releasing as energy storage. Tidal turbines are also used with various rates of successes.

Battery Chemistries: Storage batteries have mostly been lead acid and users complain about their short life span. This is in part caused by excessive cycling as the battery charges during the day and discharges at night. Lead acid has a limited cycle count and suffers from sulfation when not periodically fully charged. A fully saturated charge takes 16 hours, and no solar system can deliver energy for this long. In addition, electrical consumption tends to increase with time while the solar panels reduce their output due to dirt buildup and aging. This often leaves lead acid with insufficient charge.

The switch to Li-ion solves this in part. Li-ion is more resistant to cycling than lead acid and does not need to be fully charged; in fact a partial charge is better as it relieves stress. But Li-ion is still double or three times the cost of lead acid in terms of system purchase.

The Tesla Powerwall offers a 7kWh and a 10kWh battery, enough energy to keep a home lit for several hours. Both packs have the same number of cells; the 7kWh battery uses the robust NMC that is used in many industrial applications while the 10kWh makes use of the NCA that powers the Tesla S-models. NCA offers high energy density and short charge time, while the NMC delivers a high cycle count at a lower capacity. (See BU-205: Types of Lithium-ion)  

Both the NCA and NMC are Energy Cells that dislike heavy loads. The power of the Powerwall is limited to 2kW. This is sufficient to run a fridge, brown toast and perhaps iron a shirt, but the wattage is too low to cook a meal on an electric stove, run an electric dryer or keep the air conditioner going; high-energy appliances consume more than 2kW. To fill the gap, the AC grid kicks in seamlessly during peak household activity. A 10kWh battery with 2kW peak power cannot disconnect a household from the grid, but it reduces the electrical bill by one third to one half.

To fully charge a 10kWh battery during 5 hours of optimal sunshine requires a solar system that delivers 5–12kW. At an estimated cost of $2 per watt, the 10kW solar hardware comes in at $20,000. Installation and the DC-AC inverter to convert the solar DC to compatible AC power and synchronize it with the grid might double the cost. The battery will be extra also.

Another hidden cost that is often overlooked is end-of-life. Solar panels have a life span of 25 years and batteries are commonly guaranteed for 10 years. At a cost-of-money of 5 percent and a 20 year amortization, a $25,000 system could cost the owner $2,500 per year. The energy savings should be greater than this or else the exercise may be misconstrued. Even larger energy savings can be made by reducing personal transportation or scaling down on the size and power of such a carriage.


Last updated 2020-10-22
 

*** Please Read Regarding Comments ***

Comments are intended for “commenting,” an open discussion amongst site visitors. Battery University monitors the comments and understands the importance of expressing perspectives and opinions in a shared forum. However, all communication must be done with the use of appropriate language and the avoidance of spam and discrimination.

If you have a suggestion or would like to report an error, please use the “contact us” form or email us at: BatteryU@cadex.com.  We like to hear from you but we cannot answer all inquiries. We recommend posting your question in the comment sections for the Battery University Group (BUG) to share

Bạn cứ phịa ra một email hoặc tên nào đó để viết ý kiến. Comment của tất cả các bạn đọc sẽ được hiện ra.

Điền thông tin vào ô dưới đây hoặc nhấn vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s

Trang web này sử dụng Akismet để lọc thư rác. Tìm hiểu cách xử lý bình luận của bạn.

 
%d người thích bài này: