Tùy theo ứng dụng mà thiết bị tích trữ năng lượng cần phải đáp ứng về công suất cũng như thời gian giải phóng năng lượng phù hợp:
- Ứng dụng quản lý năng lượng yêu cầu thiết bị kho điện phải có dung lượng lớn, thời gian giải phóng có thể kéo dài hàng giờ;
- Ứng dụng chuyển nguồn yêu cầu dung lượng thấp hơn, thời gian giải phóng năng lượng có thể kéo dài cỡ vài phút;
- Ứng dụng đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy đòi hỏi thiết bị kho điện phải có khả năng giải phóng nhanh (cỡ mili giây).
Bảng 1.1. Phân loại kho năng lượng theo thời gian
STT Khoảng thời gian Công nghệ
1
Ngắn hạn
(Short-term)
Supercapacitors, flywheel, super conducting
magnetic storage
2
Trung bình (Medium-term)
Fuel cells, compressed air energy storage,
batteries
3
Dài hạn (Long-term)
Pumped storage
Các công nghệ tích trữ năng lượng được nghiên cứu ứng dụng và triển khai cho đến nay có thể được phân nhóm như Bảng 1.2. Với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng, thiết bị kho điện hỗ trợ ổn định điện áp và tần số. Tần số được ổn định thông qua điều chỉnh công suất tác dụng ở đầu ra của tuabin Mặt trời. Điện áp được điều chỉnh thông qua điều chỉnh công suất phản kháng. Các công nghệ tích trữ năng lượng cần thiết phải có một hệ thống biến đổi năng lượng để có thể trao đổi công suất với lưới điện.
Bảng 1.2. Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy
1
Nhóm điện năng(Electrical energy storage)
Siêu tụ (Supercapacitors - SC hay Ultracapacitor - UC); Cuộn dây từ trường siêu dẫn
(Superconducting magnetic energy storage- SMES)
2
Nhóm cơ năng (Mechanical energy
storage)
Bánh đà (Fywheels); Thủy điện tích năng (Pumped hydroelectric storage - PHS); Khí nén
(Compressed air energy storage - CAES)
3
Nhóm hóa năng (Electrochemical
energy storage)
Pin-Acqui: Sodium Sulfur (NaS), Lead-Acid (L/A), Nickel Cadmium (Ni-Cd), Zinc Bromine
(Zn-Br), Vanadium Redox (VR), Lithium ion (Li- ion), Nickel Metalhydride (Ni-MH); Pin nhiên liệu (fuel cells, molten carbonate fuel cells
- MCFCs; Metal -Air batteries)
1.5.3.1. Hệ thống có khả năng đáp ứng dài hạn, tốc độ chậm
Hệ thống thủy điện tích năng PHS (Pumped Hydro Storage) phục vụ nhu cầu tích trữ năng lượng dài hạn, công suất có thể lên đến hàng trăm GW. Năng lượng lúc dư thừa được sử dụng để bơm nước lên hồ chứa trên cao. Thời điểm phụ tải đỉnh, nước được xả để làm quay turbine máy phát điện - quá trình biến thủy năng thành điện năng. Hệ thống PHS đòi hỏi kinh phí xây dựng rất tốn kém.
Hệ thống kho năng lượng khí nén CAES (Compressed Air Energy Storage) phục vụ nhu cầu tích trữ năng lượng dài hạn, công suất lớn. Năng lượng lúc dư thừa được biến thành khí nén và được huy động ngược trở lại để cung cấp cho lưới trong quá trình phụ tải đỉnh.
1.5.3.2. Hệ thống có khả năng đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao
Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà FES (Flywheels Energy Storage) thường được sử dụng cho những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh, đảm bảo chất lượng điện năng trong thời gian ngắn. Năng lượng được tích trữ dưới dạng cơ năng dự trữ dưới dạng động năng trong thiết bị bánh đà với quán tính rất lớn nối trục với máy điện có thể hoạt động ở cả chế độ động cơ (tích trữ năng lượng) và máy phát (giải phóng năng lượng).
Hệ thống siêu dẫn từ SMES (Superconducting Magnetic Energy
Storage) sử dụng năng lượng được tích trữ dưới dạng từ trường khi dòng điện một chiều chảy qua cuộn dây siêu dẫn. Hệ SMES có động học nhanh, hiệu suất cao (lên đến 90%). Vấn đề khó khăn chính của công nghệ này là phải duy trì nhiệt độ cỡ 50-77oK để bảo đảm tính siêu dẫn của vật liệu kéo theo chi phí vận hành lớn. SMES có thể gặp trong những ứng dụng về khử lõm điện áp, ổn định tần số trên hệ thống điện độc lập.
Hệ thống acqui BESS (Battery Energy Storage System) là công nghệ tích trữ năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất. BESS phù hợp với cả những ứng dụng về quản lý năng lượng, hỗ trợ phụ tải đỉnh, hỗ trợ lưới khi nguồn chính gặp sự cố (UPS). Thông thường các acqui được ghép nối với nhau thành bộ để tăng dung lượng, tăng điện áp công tác.
Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng siêu tụ SCESS (Supercapacitor Energy Storage Systems) có khả năng tích lũy trực tiếp năng lượng ở dạng điện năng DC. Siêu tụ được biết đến với những tên gọi: SuperCapacitor (SC); Ultra- Capacitor (UC) hay Electric Double-layer Capacitor (EDLC). Một số ưu điểm vượt trội như:
- Điện dung lớn với kích thước nhỏ gọn (có thể đến hàng nghìn Farad); - Động học nhanh: thời gian xả nạp năng lượng cực nhanh với công suất lớn;
- Mật độ công suất lớn hơn nhiều so với tụ thường, acqui;
- Hiệu năng cao, tần số xả nạp lớn, có thể xả kiệt mà không bị ảnh hưởng đến tuổi thọ, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thân thiện với môi trường.
Vì điện áp công tác tối đa của mỗi tụ chỉ vài Vol nên sẽ phải mắc nối tiếp một lượng lớn tụ để đạt được điện áp cần thiết. Tùy thuộc yêu cầu về công suất huy động để mắc song song nhiều nhánh tụ. Các bộ biến đổi công suất kiểm soát quá trình nạp/xả của siêu tụ với lưới điện có thể trao đổi công suất một chiều sử dụng bộ nạp và bộ nghịch lưu riêng biệt hoặc sử dụng các bộ biến
đổi công suất có khả năng trao đổi công suất hai chiều như minh họa trên Hình 1.5.
Hình 1.5: Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ