Thu hoạch sét như một nguồn năng lượng cho cộng đồng nông thôn
Nhóm tác giả: Peter Dawson, Luke Motha, Joseph Hoggett, Luke Morton, Panagiotis Andrianakis, Stavros Eleftheriou, Orestis-Spyridon Tsagkarakis
Đại học Imperial
Giới thiệu
Nhiều người dân ở Cộng hòa Dân chủ Congo (DRC) không có nguồn năng lượng ổn định và phải hứng chịu những cơn giông bão thường xuyên và liên tục trong suốt cả năm. Việc kết nối các vùng nông thôn với cơ sở hạ tầng năng lượng chính của đất nước cũng không khả thi về mặt tài chính. Khi xem xét các yếu tố này, người ta đã đề xuất cung cấp các cơ sở thu sét nhỏ để khai thác nguồn năng lượng tái tạo tự nhiên chưa được khai thác này. Người ta tin rằng chất lượng cuộc sống của những người nghèo ở những khu vực này có thể được cải thiện bằng cách cung cấp cho họ năng lượng giá rẻ bằng cách thu sét.
Bản chất của sét
Sét là một hiện tượng phức tạp đáng ngạc nhiên và có một số đặc tính gây ra thách thức cho những người muốn khai thác nó. Việc thảo luận về bản chất của sét một cách toàn diện là không thể, nhưng có một số đặc điểm cơ bản của sét cần được mô tả.
Sét xảy ra khi điện tích tích tụ trong lớp mây ở khí quyển, tạo ra một trường điện giữa mặt đất và các đám mây, khiến các phân tử trong không khí bị ion hóa, cho phép không khí trở thành chất dẫn điện tạm thời để xả tụ điện tự nhiên (Hình 1).
Sự tích tụ điện tích này xảy ra do kết quả của sự kết tủa và các dòng đối lưu tách biệt các điện tích một cách có chọn lọc trong một
Hình 1 Phân bố điện tích trong mây và mặt đất
mây giông. Mô hình Elster-Geitel mô tả các giọt nước trong đám mây di chuyển lên trên do kết quả của sự đối lưu (một phần do nhiệt do hơi nước tạo ra) thu thập điện tích dương từ các hạt băng đã bị phân cực bởi một trường điện. Sự phân cực của hạt băng có nghĩa là phần dưới tích điện dương hơn phần trên, do đó, một giọt nước trung tính di chuyển lên trên sẽ thu thập một số điện tích dương của nó. Điều này sẽ gây ra sự tách biệt giữa các điện tích dương và âm trong đám mây. Quá trình này có phản hồi tích cực vì điện áp kết quả góp phần vào trường điện. Tất nhiên, phải có một trường điện trước, nhưng chỉ cần một trường nhỏ để kích hoạt quá trình.
Không khí được ion hóa ở cường độ điện trường 3MV m-1. Ở cường độ này, các electron trong nguyên tử thu được đủ năng lượng để nâng cao mức năng lượng. Các electron ngoài cùng bị đẩy ra khỏi nguyên tử, tạo ra các điện tích tự do (electron và ion) trong không khí. Các điện tích tự do này bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi trường điện khi không bị lực kéo của hạt nhân tác động. Hiệu điện thế giữa các đám mây và trái đất tại thời điểm ion hóa được đưa ra là khoảng 100 - 120MV.
Một tia sét đánh trúng mặt đất thành công có một tia tiên đạo bậc thang, đây là tia sét đầu tiên lan truyền. Tia sét tiên đạo bậc thang này, di chuyển theo một luồng dài khoảng 45 mét, được tạo ra bởi sự ion hóa trong các đám mây khi sự phóng điện xảy ra trong lớp mây, nơi có sự khác biệt về điện thế. Các electron được giải phóng khỏi quá trình này bị thu hút xuống mặt đất. Khi tia sét tiên đạo di chuyển về phía mặt đất, nó tạo ra một kênh không khí ion hóa. Ngay khi tia tiên đạo bậc thang tích điện âm chạm tới mặt đất, nó thu hút điện tích dương từ bề mặt trái đất về phía nó, tạo ra một dòng điện lớn, khiến không khí xung quanh tia tiên đạo trở nên sáng. Điện tích dương sau đó di chuyển lên kênh này, chiếu sáng không khí khi nó đi qua. Đây được gọi là tia phản xạ và là thứ mà người quan sát có thể nhìn thấy. Mặc dù tia phản xạ chỉ chiếu sáng không khí khi nó di chuyển, nhưng nó được coi là một đường liền vì nó xảy ra quá nhanh khiến thị giác của con người không thể nhìn thấy chuyển động.
Bản chất của nhu cầu
Đối với giai đoạn đầu ra, nhiều khả năng đã được khám phá. Người ta đưa ra rằng sẽ có các đường dây truyền tải từ cơ sở đến một số loại lưới điện đường dài, hoặc có thể là trực tiếp đến các cộng đồng sẽ được hưởng lợi. Vấn đề với việc truyền tải điện là nếu có các máy biến áp hạ áp trên đường đi để kiểm soát điện áp cung cấp cho các khu định cư, thì đầu ra sẽ cần phải là AC. Sẽ có vấn đề trong việc sản xuất AC quy mô lớn, làm giảm hiệu suất. Truyền tải DC cũng đã được xem xét, nhưng tổn thất điện năng trên các đường dây chỉ có thể được giải quyết bằng cách cung cấp điện áp lớn và dòng điện nhỏ, sau này sẽ khó chuyển đổi. Bất kỳ hình thức truyền tải nào cũng sẽ lãng phí đối với loại cộng đồng nhỏ mà dự án này xem xét, vì có thể có những khoảng thời gian dài không có ai sử dụng điện.
Khi nghiên cứu về việc sử dụng điện ở vùng nông thôn Châu Phi, người ta thấy rằng ở Kenya, các cộng đồng nhỏ phụ thuộc rất nhiều vào pin. Pin khô có thể được sử dụng cho các tải nhỏ, nhưng pin ô tô thì cần thiết cho các tải lớn hơn.[6]Sau đó, người ta đề xuất phát triển một hệ thống để sạc pin ô tô có thể cung cấp cho các cộng đồng ở DRC, cho phép cung cấp điện tương đối hiệu quả, di động và linh hoạt.
Ắc quy axit chì tiêu chuẩn của ô tô có công suất đầu ra khoảng 12V, nhưng được sạc bằng nguồn điện 14V.[7]Thông thường có một điện áp sạc tối đa, trên đó nước trong pin bắt đầu điện phân và tạo ra oxy và hydro. Hydro trong môi trường giàu oxy rất nguy hiểm vì tia lửa có thể đốt cháy hydro, gây nổ. Để tránh điều này, điện áp giữa các cực của pin phải được giữ dưới 14,4V.[8]
Một vấn đề với việc sạc pin là thời gian cần thiết để đạt được điện áp hoạt động. Một cell đơn trong pin (thường có sáu cell nối tiếp) đạt 70% dung lượng trong khoảng 5-8 giờ và phần còn lại trong khoảng 7-10 giờ,[9]ở dòng điện không đổi. Điều này có nghĩa là hệ thống sạc ắc quy ô tô phải tiêu tán năng lượng nhận được từ sét đánh trong suốt 18 giờ, ở điện áp DC từ 14 đến 14,4 V.
Sơ đồ hệ thống tổng thể
Hình 2 cho thấy mô hình đơn giản hóa các bước cần thiết để chuyển đổi năng lượng từ sét đánh thành dạng phù hợp để sạc ắc quy ô tô.
Đối với dự án này, các giai đoạn chuyển đổi, lưu trữ và trích xuất được tập trung chính. Người ta cho rằng sẽ có một hệ thống cho phép thu sét hiệu quả.
Các tùy chọn khác nhau cho các giai đoạn còn lại được trình bày chi tiết bên dưới.
Hình 2 – Sơ đồ luồng cấp cao của hệ thống
Mạch điện dung
Tia sét được cho là được bắt như một xung công suất cao trong khi đầu ra phải là DC điện áp thấp. Một cân nhắc khác là thời lượng của đầu vào; mong muốn có đầu ra nhỏ nhưng không đổi. Những đặc điểm này tạo thành cơ sở cho bất kỳ yêu cầu nào của hệ thống chuyển đổi điện.
Thời gian của bất kỳ tia sét nào là vào khoảng micro giây[10]trong khi công suất mong muốn là để sạc pin ô tô, cần có thang thời gian tính bằng giờ.[9]Đây là động lực chính để xem xét một ngân hàng tụ điện để lưu trữ năng lượng ban đầu vì năng lượng cho pin không thể được truyền đi an toàn ngay lập tức. Sau đó, tụ điện có thể được xả qua một công tắc điện tử, chẳng hạn như một bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) và được chuyển đổi thành điện áp thấp hơn phù hợp với pin. Đó là vấn đề cốt lõi khi sử dụng một số thiết kế chuyển đổi nhất định (ví dụ: máy biến áp hạ áp) vì thường có sự khuếch đại điện áp hoặc dòng điện, trong khi dạng sóng đầu ra hầu như không thay đổi.
Để giải quyết vấn đề này, một tụ điện lớn có thể được sạc bằng xung, sau đó có thể kiểm soát được quá trình xả. Tụ điện lưu trữ sau đó có thể được ghép nối với bộ chuyển đổi buck thông thường, cho phép kiểm soát quá trình xả của tụ điện thông qua chuyển mạch.
Vì mong muốn là lưu trữ càng nhiều năng lượng càng tốt từ xung lực, nên siêu tụ điện dường như là một lựa chọn tự nhiên. Tuy nhiên, điện áp định mức thấp của chúng, thường trong phạm vi vài vôn, khiến chúng không phù hợp với giai đoạn đầu vào. Điện áp cao hơn khiến khí hydro hình thành, cực kỳ nguy hiểm.
Vì siêu tụ điện không khả thi trong điều kiện hạn chế này, nên phải cân nhắc đến công nghệ tụ điện. Đối với chuyển đổi công suất cao, tụ điện phân nhôm thường được sử dụng vì chúng có điện dung lớn trên một đơn vị thể tích. Nhược điểm bao gồm dòng rò rỉ lớn hơn và điện trở nối tiếp hiệu dụng (ESR) so với các công nghệ khác.[12]Một ứng cử viên phù hợp hơn cho việc lưu trữ xung ban đầu là tụ điện màng công suất, thường được sử dụng trong các ứng dụng điện áp cao như tia laser và máy gia tốc hạt, vì chúng có khả năng xử lý dòng xung lớn trong thời gian ngắn.
Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng để hấp thụ sét đánh.
Một vật liệu điện môi được sử dụng trong tụ điện màng điện là polypropylene. Mặc dù độ cho phép tương đối của polypropylene tương đối thấp so với nhôm, nhưng chúng có nhiều ưu điểm hơn nhôm, chẳng hạn như ESR rất thấp, độ ổn định tuyệt vời (đặc biệt là so với tụ điện nhôm ướt)
(khô), và độ tự cảm nối tiếp hiệu dụng thấp. Tuy nhiên, điện dung trên một đơn vị thể tích khá thấp.
Một chất điện môi khác được sử dụng cho tụ điện phân, tantali pentoxit, có dòng rò rỉ thấp nhất trong bất kỳ tụ điện phân nào, độ điện môi tương đối cao và rất đáng tin cậy, nhưng nó sẽ bị hỏng không thể sửa chữa được nếu vượt quá dòng điện gợn sóng.
Sau khi năng lượng được lưu trữ trong ngân hàng tụ điện, nó phải được kết nối với một hệ thống chuyển đổi sẽ giảm điện áp xuống 14V. Cách tiếp cận hiệu quả nhất để thực hiện điều này là sử dụng nguồn điện chế độ chuyển mạch (SMPS). Hoạt động cơ bản sử dụng tác động chuyển mạch của MOSFET (hoặc công tắc điện tử khác) để điều chỉnh quá trình sạc của cuộn cảm và các thành phần thụ động khác để tạo ra điện áp đầu ra trung bình mong muốn. Hiệu suất tối đa theo lý thuyết của SMPS có thể là 100% nhưng một bộ chuyển đổi buck được thiết kế rất tốt có thể có hiệu suất 95% vì luôn có trở kháng ký sinh. Có nhiều cấu trúc bộ chuyển đổi, một số bao gồm máy biến áp, trong khi những cấu trúc khác chứa nhiều MOSFET để tăng hiệu suất với cái giá phải trả là tính đơn giản của mạch.
Giả sử trường hợp tốt nhất, hiệu suất tổng thể từ tụ điện đến SMPS sẽ là 47,5% (50%×95%) nhưng có lẽ ước tính hợp lý hơn sẽ là 30% hoặc thấp hơn. Giá trị chính xác sẽ phụ thuộc vào thiết kế cụ thể và bản chất của sét đánh.
Về nguyên tắc, năng lượng có thể được lưu trữ và chuyển đổi theo cách được mô tả, nhưng công suất rất cao liên quan sẽ ngăn cản việc sử dụng các tụ điện đắt tiền để xử lý điện áp không thể đoán trước và các đợt tăng dòng điện lớn, với tốc độ tăng dòng điện vượt quá . Điện áp tại dây dẫn sét có thể là hàng trăm kV, nhưng cũng có thể lớn hơn một hoặc hai cấp.
Những vấn đề này khiến việc giảm bước khi sử dụng SMPS trở nên khó khăn vì sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và đầu ra rất lớn, dẫn đến thời gian 'bật' của SMPS rất thấp. Đặc biệt, cách tiếp cận này gặp phải vấn đề về tính không thể đoán trước của xung sét, chi phí của hệ thống đối với giải pháp quy mô nhỏ và rủi ro cao đối với thiết bị điện, vì bất kỳ thiết bị nhạy cảm nào cũng cần được che chắn và tụ điện có khả năng gây ra cháy hoặc nổ điện.
Lưu trữ Hydro
Một phương pháp thay thế để chuyển đổi năng lượng trong sét đánh là lưu trữ nó trong hydro, được tạo ra thông qua quá trình phân tách nước. Điều này có thể được thực hiện bằng một số cơ chế, chẳng hạn như điện phân và phân tách nhiệt.
Điện phân là hiện tượng trong đó các phân tử trở thành ion khi có điện áp lớn được áp dụng trên các điện cực. Khi quy trình này được áp dụng cho các phân tử nước, nó tạo ra các ion hydro và oxy, hình thành thành các phân tử nguyên tố tương ứng của chúng.
Quá trình điện phân có thể đạt được thông qua quy trình sau: điện áp cao của tia sét sẽ dẫn động một cặp điện cực, được cắm vào một bể nước. Tia sét sẽ cung cấp một dòng điện một chiều lớn, sẽ phá vỡ các phân tử nước thành hydro và oxy. Hai sản phẩm khí sau đó có thể dễ dàng tách ra khỏi nước lỏng trong bể. Ngoài ra, hydro sẽ bị thu hút về cực âm, trong khi oxy sẽ bị thu hút về cực dương, và do đó, việc tách hai loại khí này rất đơn giản.
Ngoài điện phân, hydro cũng có thể được sản xuất bằng cách phân tách nhiệt, trong đó các phân tử nước phân hủy thành hydro và oxy khi được đun nóng. Nhiệt độ cần thiết cho quá trình này là 2000K, mặc dù sự phân tách xảy ra nhiều hơn ở nhiệt độ cao hơn.
Bất kể phương pháp nào được sử dụng để sản xuất, hydro đều có thể được lưu trữ trong pin nhiên liệu và sau đó có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng sau này.
Thật không may, việc lưu trữ hydro có thể gặp vấn đề. Bản thân pin nhiên liệu không hiệu quả (hiệu suất thường ở mức từ 40 đến 60%), tạo ra một giai đoạn khác của quá trình mà năng lượng bị mất.
Oxy được tạo ra từ cả hai quá trình (điện phân và phân tách nhiệt) phần lớn là sản phẩm thải, làm giảm hiệu quả của hệ thống hơn nữa.
Tuy nhiên, sức khỏe và an toàn là nhược điểm quan trọng nhất khi sử dụng lưu trữ hydro. Hydro vừa dễ cháy vừa dễ nổ, vì vậy phải hết sức cẩn thận khi xử lý hydro. Đặc biệt, một hệ thống sản xuất hydro bằng sét có thể không có cách nào tự bảo vệ mình trước nhiều lần sét đánh xảy ra liên tiếp và hậu quả có thể là thảm khốc.
Giới thiệu về lưu trữ nhiệt
Khi cả chuyển đổi điện dung và lưu trữ hydro đều bị loại trừ, lựa chọn tốt nhất còn lại là lưu trữ năng lượng theo nhiệt. Năng lượng được lưu trữ dưới dạng nhiệt trong môi trường có nhiệt dung riêng cao hoặc nhiệt ẩn, và sau đó có thể được trích xuất sau, ví dụ bằng cách điều khiển tua bin hoặc thông qua quá trình tạo nhiệt điện tử.
Lưu trữ nhiệt tránh được một số vấn đề của các cơ chế chuyển đổi khác, đặc biệt là về bảo vệ chống lại các tia sét tương đối mạnh. Vì không sử dụng thiết bị điện tử cho đến khi năng lượng được lưu trữ, nên ít có khả năng hư hỏng và bằng cách sử dụng môi trường đủ lớn với mật độ năng lượng thể tích cao, có thể tránh được tình trạng quá tải của hệ thống.
Các bộ phận làm nóng
Hầu hết các bộ phận gia nhiệt đều được làm bằng đồng do có độ dẫn nhiệt cao. Vì dây dẫn sét có thể cũng bao gồm đồng, điều này có nghĩa là hệ thống sẽ chỉ yêu cầu một vật liệu duy nhất nếu sử dụng đồng.
Định lý truyền công suất cực đại nêu rằng công suất cực đại truyền đến tải (phần tử gia nhiệt) xảy ra khi điện trở tải bằng với điện trở của nguồn. Trong trường hợp này, nguồn bao gồm dây dẫn sét và kênh sét. Do bản chất không thể đoán trước của sét, điện trở của kênh không phải là hằng số, do đó không thể thiết kế phần tử để trở thành trở kháng phù hợp. Tuy nhiên, có thể nhắm mục tiêu trở kháng cao để mang lại hiệu quả cao hơn. Đây là trường hợp BẰNG, do đó giảm thiểu điện trở nguồn (điện trở của tháp dẫn) và có điện trở tải lớn hơn là mong muốn. Lưu ý rằng hiệu suất là một khi điện trở tải là vô cực, nhưng khi đó không có sự truyền tải công suất. Nếu năng lượng tiêu tán là 200 MJ và dòng điện là 30kA kéo dài trong 200ms[10]được xem xét, sau đó cần có điện trở 1,1 Ω, được đưa ra bởi. Tính toán này phải được thực hiện bằng cách sử dụng ngưỡng năng lượng trên, nhưng nếu thời lượng của dòng điện ngắn hơn hoặc dòng điện trung bình thấp hơn, điện trở cần thiết để tiêu tán năng lượng đó lớn hơn nhiều. Do đó, điện trở của bộ phận gia nhiệt mong muốn lớn hơn 1,1Ω.
Để đạt được tốc độ truyền nhiệt cao nhất, diện tích bề mặt của vật dẫn phải được tối đa hóa. Một ví dụ về một bộ phận gia nhiệt tiềm năng được thể hiện trong sơ đồ bên dưới, trong Hình 3.a.
Hình 3 - Các cách sắp xếp khác nhau của các bộ phận gia nhiệt
Để mô hình hóa hệ thống này, đồng tiếp giáp với mỗi nút có thể được coi là điện trở, tạo ra mạng
lưới điện trở 3D với bề mặt trên cùng được kết nối với dây dẫn sét và bề mặt dưới cùng được kết nối với đất. Khi kiểm tra, có thể suy ra rằng điện áp tại bất kỳ điểm nào trên mặt phẳng ngang đều giống nhau, do đó, có thể bỏ qua các điện trở nằm trên mặt phẳng ngang. Thông qua sự đơn giản hóa này, bộ phận gia nhiệt có thể được mô hình hóa như một dãy điện trở song song cho mỗi dây dẫn đồng kết nối đầu vào với đất. Sự đơn giản hóa này được thể hiện trong Hình 3.b.
Nếu một dây dẫn đơn có bán kính 1mm và chiều dài khoảng 80cm thì điện trở là 0,429Ω. [19]Vì điều này sẽ song song với nhiều sợi khác nên tổng điện trở sẽ giảm hơn nữa. Do đó, lưới sẽ không phù hợp với mục đích của dự án này. Mặc dù có thể giảm bán kính của dây hoặc sử dụng vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp hơn, nhưng vẫn có một giải pháp thay thế tốt hơn nhiều.
Nếu muốn tăng đáng kể điện trở thì cách duy nhất là tăng chiều dài hoặc điện trở suất của dây dẫn. Để tăng chiều dài và do đó tăng điện trở của một cuộn dây đồng có thể tạo ra dây chạy qua lại dọc theo chiều dài của khối lập phương. Sự sắp xếp được lặp lại trong toàn bộ chiều sâu của khối bê tông (khoảng 80cm). Cấu hình như vậy được thể hiện trong Hình 3.c.
Nếu khoảng cách giữa các cuộn dây đồng là 1cm theo cả mặt phẳng ngang và mặt phẳng thẳng đứng, và bán kính của dây là 1mm thì điện trở tổng cộng là 28 Ω. Số vòng dây trên mỗi lớp,
. Nếu khoảng cách từ lớp này sang lớp khác là 0,01m thì có thể nhúng 80 lớp vào vật liệu lưu trữ và tổng chiều dài của dây dẫn là ( )
( ). Từ đó điện trở của dây có thể được tính như sau ( )
Có thể sử dụng dây có bán kính mỏng hơn, tuy nhiên nó cần phải đủ dày để không bị nóng chảy.
Nicrôm cũng có thể được sử dụng thay cho đồng, vì nó có điện trở suất là (trên 64 lần so với đồng). Điều này sẽ làm tăng khả năng chống chịu. Một khía cạnh khác cần xem xét là cách điện của dây dẫn khi bê tông được ngậm nước. Nếu sử dụng dây đồng bán kính 0,1mm thì cần chiều dài 7392 mét để có điện trở 4kΩ.
Dầu nhiệt
Dầu nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quy trình gia nhiệt, như một phương pháp truyền nhiệt từ vật liệu này sang vật liệu khác. Chúng có thể là chất lỏng lý tưởng cho mục đích của dự án vì chúng có thể được sử dụng trong hệ thống không chịu áp suất, trong khi các chất thay thế, chẳng hạn như hơi nước, đòi hỏi áp suất cao hơn. Trong số những thứ khác, điều này có nghĩa là một hệ thống sử dụng dầu nhiệt có thể sẽ an toàn hơn so với hệ thống sử dụng hơi nước.
Ngoài ra, dầu nhiệt có thể tiết kiệm điện hơn tới 30% so với hơi nước, vì hơi nước có thể ngưng tụ vào nước do những thay đổi nhỏ về áp suất,
Hình 4 Phạm vi nhiệt độ hoạt động của chất lỏng truyền nhiệt khi đó sẽ không thể sử dụng làm cơ chế truyền năng lượng nhiệt.
Hình 4 hiển thị phạm vi nhiệt độ hoạt động của ba loại dầu nhiệt (muối nóng chảy và natri lỏng được sử dụng để so sánh).
Nước
Nước có nhiệt dung riêng rất cao (cao hơn hầu hết các vật liệu, ở mức 4,18 J g-1K-1), cho phép lưu trữ nhiều năng lượng hơn dưới dạng nhiệt cảm ứng cho một khối lượng nhất định so với nhiều vật liệu khác, bao gồm cả bê tông. Nó cũng rẻ hơn nhiều so với bất kỳ vật liệu lưu trữ nào khác, do đó chi phí (ít nhất là chi phí liên quan đến phương tiện lưu trữ) sẽ được giảm thiểu.
Tuy nhiên, có một số vấn đề liên quan đến việc sử dụng nước. Đầu tiên, vì nước có khối lượng riêng khoảng 1 g cm-3, lượng năng lượng có thể được lưu trữ trên mỗi thể tích, thay vì trên mỗi khối lượng, là 4,18 J cm-3K-1, hoặc 4,18 MJ m-3K-1. So sánh điều này với giá trị đã nêu trước đó cho mật độ năng lượng của CSA (360 MJ m-3), có thể chứng minh rằng một thể tích nước bằng nhau sẽ cần được đun nóng ở 86°C để có thể lưu trữ cùng một lượng năng lượng. Tuy nhiên, do điểm sôi của nước thấp, việc đun nóng nước thậm chí ở mức đó cũng sẽ gây ra vấn đề, vì phương tiện lưu trữ sẽ vô dụng nếu nó chỉ đơn giản là bốc hơi. Trong khi có thể sử dụng một thể tích lớn hơn, thì phương tiện lưu trữ thay thế cũng có thể làm như vậy, khi đó có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Ngoài ra, nếu nước không tinh khiết, việc đun nóng có thể gây ra kết tủa. Điều này có thể dẫn đến ăn mòn, có thể gây rò rỉ. Do đó, bể chứa cần được bảo dưỡng thường xuyên, mặc dù điều này sẽ khó thực hiện vào những thời điểm khi bể chứa năng lượng.
Cuối cùng, quá trình đun nóng nước nhanh và mạnh có thể khiến nước bị phân tách nhiệt thành hydro và oxy. Như đã nêu trước đó, hydro vừa dễ cháy vừa dễ nổ, do đó gây nguy hiểm cho an toàn (cụ thể, hệ thống sẽ không có khả năng bảo vệ chống lại nhiều lần xảy ra trong một khoảng thời gian khá ngắn).
Muối nóng chảy
Một phương tiện lưu trữ năng lượng khả thi khác là muối nóng chảy (thường là hỗn hợp natri và kali nitrat). Giống như bê tông, muối nóng chảy có nhiệt dung riêng thấp hơn nước, nhưng chúng có thể được đun nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiều mà không gây ra sự bay hơi.
Nhược điểm chính khi sử dụng muối nóng chảy là chúng phải được giữ liên tục ở nhiệt độ đủ cao để muối
i vẫn nóng chảy (khoảng 131°C). Điều này không chỉ khó thực hiện mà còn đòi hỏi một lượng năng lượng lớn, nhiều đến mức hệ thống sẽ cần nhiều năng lượng hơn mức nó có thể lưu trữ để hoạt động.
CSA
Vật liệu được sử dụng là bê tông canxi sunfo-aluminat (CSA), một vật liệu có nhiệt ẩn (năng lượng được lưu trữ do thay đổi trạng thái ở nhiệt độ không đổi) khi mất nước rất cao, có khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt trong thời gian dài mà không bị mất năng lượng đáng kể.
So với các vật liệu lưu trữ nhiệt khác, hỗn hợp bê tông cải tiến này có mật độ năng lượng lưu trữ không mất mát cao >100KW hm-3cao hơn nhiều so với parafin hoặc nhiệt độ cảm nhận (năng lượng được lưu trữ do thay đổi nhiệt độ) của nước[26]. Độ dẫn nhiệt của bê tông CSA cao và dễ cháy. Chi phí của bê tông CSA tương tự như bê tông thông thường.
Mô-đun lưu trữ bê tông chủ yếu bao gồm một thanh ghi ống và bê tông lưu trữ. Thanh ghi ống được sử dụng để vận chuyển và phân phối môi trường truyền nhiệt (dầu nhiệt) trong khi duy trì áp suất chất lỏng. Bê tông lưu trữ lưu trữ năng lượng nhiệt.
Cách nhiệt
Một trong những thách thức khi lưu trữ năng lượng nhiệt là tránh thất thoát do tản nhiệt vào khí quyển. Bất kỳ hệ thống lưu trữ nào sử dụng lưu trữ nhiệt hợp lý đều cần được cách nhiệt đúng cách để năng lượng có thể được lưu trữ đủ lâu để sử dụng.
Chất cách điện chủ yếu được mô tả theo độ dẫn nhiệt của chúng. Ví dụ về vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp là aerogel (một loại silica gel chứa đầy các lỗ khí) và tấm cách nhiệt chân không (các tấm cách nhiệt được ngăn cách bằng chân không), có độ dẫn nhiệt khoảng 0,01 kW K-1. Tuy nhiên, những vật liệu như vậy rất đắt, có giá lên tới 50 bảng Anh/mét vuông. Trong khi đó, các chất cách nhiệt có độ dẫn nhiệt thấp hơn, chẳng hạn như nút chai, len và giấy bạc nhiều lớp, có giá khoảng 10 bảng Anh/mét vuông, khiến chúng trở nên phải chăng hơn nhiều.
Vì độ dẫn điện của phần lớn các chất cách điện tăng lên khi chúng bị ướt, nên việc sử dụng chúng trong điều kiện khí hậu ẩm ướt, nhiều bão như ở DRC bị hạn chế. Do đó, sẽ là một ý tưởng hay nếu sử dụng vật liệu lưu trữ sử dụng nhiệt ẩn thay vì nhiệt hữu hình. Đây là một lợi ích khác khi sử dụng CSA làm phương tiện lưu trữ cho hệ thống.
Thế hệ nhiệt điện
Máy phát nhiệt điện tử chuyển nhiệt thành năng lượng điện bằng cách sử dụng chênh lệch nhiệt độ giữa hai tấm kim loại, được ngăn cách bằng chân không. Nhiệt được lưu trữ trong hệ thống sẽ được sử dụng để làm nóng tấm 'nóng'. Điều đó sẽ khiến các electron được phát ra từ bề mặt của nó và được thu thập trên bề mặt của tấm 'lạnh'. Kết quả là, chênh lệch điện tích sẽ phát triển giữa hai tấm, có thể dẫn đến dòng điện có thể sử dụng được. Máy phát nhiệt điện tử hiệu quả hơn tua bin hơi nước và có thể đạt được hiệu suất 40%. Dòng điện được tạo ra có thể được sử dụng để sạc pin ô tô.
Hình 5 - Máy phát nhiệt điện tử
Phần kết luận
Dựa trên giả định rằng năng lượng do sét đánh đã được thu giữ thành công thông qua một tháp dẫn điện, năng lượng này được truyền nhiệt vào các bộ phận gia nhiệt. Bằng cách tăng đáng kể nhiệt độ của các bộ phận gia nhiệt, năng lượng nhiệt có thể được phân phối xa hơn để dầu nhiệt đi qua các ống được làm nóng. Sau đó, các ống này được dẫn qua một loại bê tông cải tiến (CSA) để truyền năng lượng và lưu trữ năng lượng bằng cách khai thác các đặc tính của CSA, trên hết là bao gồm khả năng lưu trữ năng lượng để sử dụng sau này. Các ống dẫn dầu nhiệt kéo dài ở cả hai bên của bê tông để năng lượng chứa trong dầu được sử dụng để làm nóng tấm 'nóng' phía dưới của máy phát nhiệt điện tử. Chênh lệch nhiệt độ giữa hai tấm này sau đó được sử dụng để tạo ra dòng điện sạc pin ô tô.
Thông số hệ thống
Năng lượng cực đại trong sét = 10GJ[10]
Sử dụng tháp 50m: Giả sử chiều cao của đám mây là
3km[10]: Năng lượng đầu vào của hệ thống =
50/3000 * 10GJ
= 165MJ
Mật độ năng lượng lưu trữ thể tích của CSA > 100kW hm-3 [26]
> 360MJ m-3
Thể tích cần thiết = 165/360 = 0,46m3
= 460000cm3
Điện áp sạc của ắc quy ô tô = 14V Sạc vào ắc quy = 70 Ah[29](tiêu biểu)
= 252kC
Năng lượng cần thiết để sạc =252*14
= 3,5MJ
Hình 6 - Sơ đồ hệ thống cấp thấp hơn
Do đó, số lượng ắc quy ô tô có thể sạc được = 165/3,5
= 47
Hiệu suất yêu cầu cho mỗi pin = 2% cho mỗi lần đánh
Những phát triển tiếp theo
Sau khi thiết kế hệ thống như trình bày ở trên, phần cuối cùng này sẽ nêu chi tiết hướng đi có thể thực hiện nếu dự án được gia hạn thêm thời gian.
Việc thu sét không được xem xét trong dự án này. Nếu hệ thống được triển khai, điều này rõ ràng cần phải được xem xét, ví dụ như trong thiết kế thanh thu sét để thu năng lượng.
Cần phải thiết lập một hệ thống điều khiển để ngắt kết nối cơ chế lưu trữ khỏi thanh thu sét sau khi thu được sét, nhằm bảo vệ hệ thống khỏi nhiều tia sét đánh liên tiếp và ngăn chặn sự tản nhiệt qua thiết bị thu sét.
