Nguyên lý hoạt động của việc chuyển đổi điện xanh từ gió và mặt trời thành hydro xanh

Cấu trúc và nguyên lý cơ bản của năng lượng gió
Tua bin gió bao gồm ba mô-đun cốt lõi: hệ thống thu năng lượng gió (cánh quạt và trục), hệ thống chuyển đổi năng lượng (truyền tải và phát điện) và hệ thống hỗ trợ và điều khiển (tháp và điều khiển thông minh).

(1) Hệ thống thu năng lượng gió
Các thành phần cốt lõi của hệ thống thu năng lượng gió dạng cánh quạt thường được làm bằng vật liệu composite gia cường sợi thủy tinh hoặc vật liệu composite sợi carbon, có đặc tính nhẹ, độ bền cao và chống ăn mòn. Thiết kế khí động học ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
Bánh xe
Các cánh quạt và trục chính được kết nối bằng hợp kim đúc cường độ cao hoặc vật liệu composite và phải chịu được tải trọng động và mô-men xoắn cực đại. Một số thiết kế tích hợp hệ thống truyền động có bước thay đổi để tối ưu hóa công suất đầu ra bằng cách điều chỉnh góc bước cánh

2) Hệ thống truyền tải và phát điện
Con quay
Để truyền chức năng quay của lưỡi dao, nó cần phải có độ bền mỏi cao và vật liệu thường dùng là thép hợp kim. Trục chính được hỗ trợ bởi hệ thống ổ trục. Một số mẫu xe dẫn động trực tiếp không có hộp số và được kết nối trực tiếp với máy phát điện tốc độ thấp.

Hộp số
Ở các mô hình truyền động không trực tiếp, hộp số tăng tốc độ quay thấp của cánh quạt (thường là 10-20 vòng/phút) lên tốc độ mà máy phát điện yêu cầu (1000-1800 vòng/phút), với tỷ lệ tăng tốc độ lên tới 1:100. Khi sử dụng thiết kế truyền động bánh răng hành tinh hoặc truyền động lai, cần phải giải quyết các vấn đề về bôi trơn và quản lý nhiệt.

Máy phát điện
Được chia thành hai loại: máy phát điện đồng bộ và máy phát điện không đồng bộ: Máy phát điện đồng bộ: bao gồm máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu và máy phát điện đồng bộ kích từ bằng điện. Loại nam châm vĩnh cửu không cần kích thích bên ngoài, có hiệu suất cao, phù hợp với hệ thống truyền động trực tiếp; Loại kích thích điện điều chỉnh từ trường thông qua cuộn dây rôto và có tính linh hoạt cao hơn. Máy phát điện không đồng bộ: bao gồm loại lồng và loại cấp điện kép. Tuabin cấp điện kép sử dụng bộ biến đổi phía rôto để đạt được khả năng kiểm soát tần số không đổi, thích ứng với sự thay đổi của tốc độ gió và trở thành công nghệ chính thống.

(3) Hệ thống tháp
Chiều cao của tháp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả thu năng lượng gió (thường là 80-150 mét) và khi thiết kế cần phải xem xét đến độ bền của vật liệu, khả năng chống rung gió và độ ổn định động. Các mô hình ngoài khơi sử dụng cọc đơn, chân đế hoặc kết cấu nổi và yêu cầu xử lý chống ăn mòn bổ sung.

(4) Hệ thống điều khiển
Mạng cảm biến
Bao gồm máy đo gió, cánh gió và mô-đun giám sát độ rung để thu thập dữ liệu trạng thái thiết bị và môi trường theo thời gian thực.
Chức năng điều khiển cốt lõi
Kiểm soát độ lệch: Nacelle được điều khiển quay bằng động cơ sao cho rô-to gió luôn hướng về hướng gió và thu được lượng năng lượng gió tối đa.
Kiểm soát độ nghiêng: điều chỉnh góc lưỡi dao để cân bằng công suất đầu ra và tải trọng cơ học, đồng thời kích hoạt phanh khi chạy quá tốc độ.
Quản lý kết nối lưới điện: Điều chỉnh điện áp và tần số thông qua bộ chuyển đổi điện tử công suất để đảm bảo chất lượng điện năng đáp ứng các tiêu chuẩn của lưới điện.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của năng lượng gió
Quá trình chuyển đổi năng lượng gió → năng lượng cơ học → năng lượng điện tuân theo định luật bảo toàn năng lượng. Các bước cụ thể như sau:
Thu năng lượng gió: Các cánh quạt được điều khiển quay nhờ chênh lệch áp suất gió, chuyển đổi động năng thành mô-men xoắn cơ học. Truyền động cơ học: Trục chính và hộp số tăng tốc độ quay thấp lên tốc độ phù hợp với máy phát điện. Cảm ứng điện từ: Từ trường của rôto máy phát điện và stato chuyển động tương đối với nhau, tạo ra dòng điện xoay chiều thông qua cảm ứng điện từ. Xử lý điện năng: Sau khi chỉnh lưu và đảo chiều bằng bộ chuyển đổi, điện xoay chiều ba pha ổn định sẽ được đưa ra.
Nguyên lý cơ bản của quá trình phát điện quang điện Nguyên lý cốt lõi của quá trình phát điện quang điện là hiệu ứng quang điện, đây là hiện tượng vật liệu bán dẫn tạo ra suất điện động dưới điều kiện có ánh sáng. Quá trình này có thể được chia thành các bước chính sau đây

(1) Sự hình thành chất bán dẫn và tiếp giáp PN
Cơ sở của tế bào quang điện là mối nối PN bao gồm chất bán dẫn loại P (pha tạp bo) và chất bán dẫn loại N (pha tạp phốt pho). Các hạt mang điện chủ yếu của chất bán dẫn loại P là lỗ trống, và các hạt mang điện chủ yếu của chất bán dẫn loại N là electron.
Khi chất bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc với nhau, một điện trường tích hợp sẽ được hình thành tại giao diện, gây ra sự khuếch tán hạt tải điện và tạo thành hiệu điện thế.
Lưu ý: Chất bán dẫn là chất hoặc vật liệu có độ dẫn điện nằm giữa độ dẫn điện của chất cách điện và độ dẫn điện của chất dẫn điện. Trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, nồng độ chất mang điện tích trong chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng, khiến độ dẫn điện tăng và điện trở suất giảm; ở độ không tuyệt đối, nó trở thành chất cách điện. Tùy thuộc vào việc có thêm tạp chất hay không, chất bán dẫn có thể được chia thành: chất bán dẫn nội tại, chất bán dẫn tạp chất (chất bán dẫn loại N, chất bán dẫn loại P)

Chất bán dẫn loại P

Chất bán dẫn loại N

(2) Quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện
Sự hấp thụ photon: Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào mối nối PN, năng lượng photon được chất bán dẫn hấp thụ, kích thích cặp electron-lỗ trống. Tách hạt mang điện: Dưới tác động của điện trường tích hợp, các electron tập trung ở vùng N và các lỗ trống tập trung ở vùng P, tạo thành điện áp quang sinh. Dòng điện đầu ra: Nếu được kết nối với mạch điện bên ngoài, các electron sẽ chảy từ vùng N đến vùng P qua tải, tạo thành dòng điện và thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.

Sơ đồ nguyên lý phát điện quang điện

Do chịu ảnh hưởng của các yếu tố khách quan như điều kiện tự nhiên, điện xanh như điện gió, điện mặt trời phải đối mặt với các vấn đề như phát điện không liên tục, biến động không đều và khả năng kiểm soát kém. Hơn nữa, khi tỷ lệ điện năng như vậy trong lưới điện tiếp tục tăng, tính bất ổn của lưới điện tăng lên và tính an toàn giảm xuống. Hơn nữa, do tồn tại những vấn đề như hấp thụ nên đã xảy ra hiện tượng bỏ hoang điện gió, điện mặt trời, điều này đã ảnh hưởng và cản trở quá trình chuyển đổi và phát triển năng lượng ở một mức độ nhất định.
Lưu ý: Tiêu thụ điện gió và điện mặt trời là khả năng lưới điện hấp thụ và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời, bao gồm khả năng tiếp cận lưới điện, truyền tải, chuyển đổi và sử dụng, v.v. Hấp thụ điện gió và điện mặt trời là khả năng lưới điện tiếp nhận và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện quang điện với điều kiện đảm bảo vận hành an toàn và ổn định. Khả năng tiếp cận lưới điện: công suất lắp đặt của hệ thống phát điện gió và mặt trời và lượng điện tạo ra mà lưới điện có thể tiếp cận. Công suất truyền tải: Khả năng của lưới điện truyền tải điện gió và điện mặt trời đến các trung tâm phụ tải hoặc cơ sở lưu trữ năng lượng. Khả năng chuyển đổi và sử dụng: khả năng chuyển đổi năng lượng gió và mặt trời thành các dạng năng lượng khác thông qua lưu trữ năng lượng, sản xuất hydro, v.v.
Do đó, nhu cầu cấp thiết là phải phát triển các công nghệ chuyển đổi và lưu trữ năng lượng tái tạo hiệu quả để giải quyết các vấn đề như mất cân bằng nguồn-lưới-tải trong sản xuất điện gió và điện quang điện.

Sản xuất hydro từ năng lượng gió và mặt trời
Năng lượng hydro là dạng năng lượng sạch, ít carbon, linh hoạt, hiệu quả, có sẵn và được sử dụng rộng rãi. Trong số nhiều dạng năng lượng, năng lượng hydro là dạng năng lượng vật lý duy nhất không phát thải carbon, không gây ô nhiễm và có thể thay thế năng lượng hóa thạch trên quy mô lớn. Đây là động lực quan trọng để đạt được mục tiêu carbon kép. Năng lượng hydro có thể đóng vai trò là cầu nối giữa các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau và là phương tiện lưu trữ điện. Việc áp dụng nó vào các hệ thống điện mới sẽ giúp đạt được sự phát triển tích hợp các nguồn, lưới điện, tải và lưu trữ. Công nghệ sản xuất hydro bằng điện phân nước, đặc biệt là sản xuất hydro thông qua năng lượng gió và công nghệ phát điện quang điện (tức là sản xuất hydro bằng điện xanh), có thể đạt được mục tiêu phát thải carbon bằng 0.

Sơ đồ chuỗi năng lượng hydro

(1) Hydro được sản xuất bằng cách điện phân nước bằng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió hoặc thủy điện; (2) Hydro được vận chuyển dưới dạng hydro khí hoặc lỏng bằng đường bộ/tàu thủy, phân phối dưới dạng khí thông qua hệ thống đường ống và được lưu trữ ở dạng khí. Do tính chất không liên tục của năng lượng tái tạo nên hệ thống lưu trữ hydro rất cần thiết để đảm bảo nguồn cung cấp hydro liên tục; (3) Mục đích sử dụng cuối cùng của hydro bao gồm nhiên liệu cho xe chạy bằng pin nhiên liệu, phát điện, nguyên liệu thô trong các quy trình công nghiệp như sản xuất thép, hóa chất, nông nghiệp và thủy tinh, cũng như sưởi ấm và làm mát cho các tòa nhà và ngành công nghiệp.
Chuỗi cung ứng hydro xanh hiệu quả và đáng tin cậy đóng vai trò quan trọng đối với ứng dụng phản ứng quang hóa của hệ thống năng lượng hydro. Thiết kế chuỗi cung ứng hiệu quả là chìa khóa để đảm bảo nguồn cung cấp hydro xanh liên tục. Về vấn đề này, những tiến bộ trong công nghệ và phát triển cơ sở hạ tầng là điều cần thiết để tạo ra nền kinh tế hydro bền vững và có thể mở rộng quy mô. Những tiến bộ này không chỉ cho phép sản xuất và phân phối hydro xanh hiệu quả mà còn giảm chi phí sản xuất và cung cấp cho người dùng cuối.

Về sản xuất hydro từ điện xanh như năng lượng gió và mặt trời, có hai giải pháp: sản xuất hydro kết nối lưới điện và sản xuất hydro ngoài lưới điện. Trong kịch bản sản xuất hydro được kết nối lưới điện, nguồn điện để sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước là lưới điện + năng lượng gió/phát điện quang điện, v.v. Trong kịch bản sản xuất hydro ngoài lưới điện, nguồn điện để sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước là năng lượng gió/phát điện quang điện/hệ thống lưu trữ năng lượng, v.v. Kịch bản này hoàn toàn không kết nối lưới điện, nhưng do thiếu sự hỗ trợ của lưới điện nên nguồn cung cấp điện rất không ổn định. Tuy nhiên, bất kể là sản xuất hydro kết nối lưới điện hay ngoài lưới điện, đều cần có nguồn điện sản xuất hydro (bộ chỉnh lưu hoặc bộ chuyển đổi DC) giữa điện và thiết bị điện phân nước để cung cấp nguồn điện tương đối ổn định cho thiết bị điện phân nước. Độ ổn định về mức tiêu thụ điện năng của nguồn điện sản xuất hydro có tác động quan trọng đến toàn bộ hệ thống sản xuất hydro.

Công thức phản ứng hóa học của quá trình điện phân nước như sau:
1H2O + Điện ( 237,2 KJ/mol ) + Nhiệt ( 48,6 KJ/mol ) → H2 + 1/2O2
Máy điện phân là công nghệ được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân. Hiện nay, các công nghệ chính để sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước bao gồm bốn công nghệ sau: điện phân nước kiềm (ALK), điện phân nước màng trao đổi proton (PEM), điện phân nước màng trao đổi anion (AEM) và điện phân nước oxit rắn (SOEC).

Trong chất điện phân KOH hoặc NaOH 30%, dòng điện một chiều thúc đẩy quá trình phân hủy nước: phản ứng ở cực âm: 2H2O+2e-→H2+2OH- phản ứng ở cực dương: 4OH-  —4e-→O2+2H2O phản ứng tổng cộng: 2H2O→2H2+ O2

2) Điện phân màng trao đổi proton (PEM)

Proton (H+) di chuyển qua màng đến cực âm, còn electron được truyền qua mạch ngoài. Phản ứng ở cực dương: 2H2O→O2+4H++4e-Phản ứng cực âm: 4H++4e-→2H2Tổng phản ứng: 2H2O→2H2+O2

(3) Điện phân màng trao đổi anion (AEM)

AEM được coi là có ưu điểm của cả ALK và PEM mà không có nhược điểm nào. Hiện nay, nhiều nhà sản xuất máy điện phân đang phát triển AEM hoặc đã đưa vào sản xuất. Phản ứng catốt: 2H2O+2e-→H2+2OH-Phản ứng anot: 4OH-→O2+2H2O+4 e-Phản ứng tổng cộng: 2H2O→2H2+ O2

(4) Điện phân oxit rắn (SOEC)

SOEC được làm từ vật liệu gốm và hoạt động ở nhiệt độ cao (600~1000℃). Phản ứng catốt: H2O+2e-→H2+O2- Phản ứng anot: O2-→1/2O2+2e- Phản ứng tổng cộng: H2O→H2+1/2O2