เนื้อหาวันที่ : 2015-12-24 14:50:07 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 940 views

พิชิต จินตโกศลวิทย์  

pichitor@yahoo.com

 

 

 

 

5. อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแบบกระจายตัว (DS: Distributed Storage)

 

          อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานไฟฟ้านั้น มีประโยชน์มากสำหรับการดำเนินงานของการไฟฟ้าบนกริดไฟฟ้าสมัยใหม่ เทคโนโลยีของโรงไฟฟ้า (ทั้งแบบขนาดใหญ่ (Bulk) หรือ DG) ในปัจจุบันนั้น ไม่ใช่เรื่องง่ายเลยที่จะทำให้เกิดความคุ้มค่าสูงสุดสำหรับการทำให้การผลิตและความต้องการทางไฟฟ้านั้นสอดคล้องกันแบบเวลาจริง พลังงานไฟฟ้าที่ถูกดึงจากอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานสามารถถูกใช้เพื่อชดเชยความไม่สม่ำเสมอในความต้องการพลังงานไฟฟ้า อย่างไรก็ตามการบรรจุพลังงานในปริมาณมาก ๆ นั้นเป็นสิ่งที่ท้าทาย และทำได้ยาก โดยเฉพาะการบรรจุพลังงานเป็นระยะเวลานานโดยยิ่งนานก็ยิ่งยาก สำหรับความหมายของ DS นั้นถูกใช้เพื่ออ้างอิงถึงอุปกรณ์ที่สามารถจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ถูกเชื่อมต่อเข้ากับกริดไฟฟ้าที่สามารถจัดเก็บพลังงานที่ได้รับมาจากกริดไฟฟ้า หรือที่เรียกทางเทคนิคว่า การชาร์จ (Charge) และส่งพลังงานที่ถูกจัดเก็บกลับเข้าสู่กริดไฟฟ้าที่เรียกว่า การดิสชาร์จ (Discharge) เมื่อกริดไฟฟ้ามีความต้องการ ภายใต้นิยามดังกล่าวส่งผลให้เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้ถูกนิยามให้เป็น DS เนื่องจากพลังงานที่ถูกจัดเก็บไม่ได้มาจากกริดไฟฟ้าโดยตรง แต่มาจากไฮโดรเจน ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงสามารถเป็น DG อย่างเดียว

 

          ประสิทธิภาพของ DG สามารถประเมินจากตัวชี้วัดดังต่อไปนี้

 

          1. ประสิทธิผลของ AC-AC (AC-AC Efficiency): นั้นคือ อัตราส่วนของปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ดิสชาร์จเข้าสู่กริด กับปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่รับมาจากกริดไฟฟ้า ค่าประสิทธิผลของ AC-AC ควรมีค่าเข้าใกล้ 100% มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้

          2. การตอบสนองเวลาจริง (Real-time Response): คือ ระยะเวลาที่ใช้ในการตอบสนองของ DS กับการเปลี่ยนแปลงความต้องการพลังงานไฟฟ้าของโหลด โดยระยะเวลาการตอบสนองควรน้อยที่สุดเท่าที่เป็นไปได้

          3. พิกัดกำลังไฟฟ้า (Power Rating): กำลังไฟฟ้าจริงที่ถูกส่งเข้าไปในกริดไฟฟ้าขณะดิสชาร์จจาก DS

          4. ระยะเวลาดิสชาร์จ (Discharge Time): คือ ระยะเวลาที่ DS สามารถดิสชาร์จเข้าสู่กริดไฟฟ้าที่พิกัดกำลังไฟฟ้า ระยะเวลาดิสชาร์จควรยาวนานที่สุดเท่าที่เป็นไปได้

 

 

เทคโนโลยีของ DS ในปัจจุบันที่สำคัญมีดังนี้

 

          1. แบตเตอรี่ (Battery) แบตเตอรี่จะจัดเก็บและส่งพลังงานไฟฟ้าแบบกระแสตรง ดังนั้นแบตเตอรี่จะต้องการวงจรเร็กติไฟเออร์ (Rectifier) และอินเวอร์เตอร์ (Inverter) เพื่อแปลงไฟฟ้าแบบ AC-DC-AC ในการเชื่อมต่อเข้ากับกริดไฟฟ้า แบตเตอรี่สามารถถูกจัดวางเชื่อมต่อกันแบบอนุกรม แบบขนาน หรือแบบผสม เพื่อทำให้ระดับแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น หรือกำลังไฟฟ้าสูงขึ้น แบตเตอรี่นั้นสามารถแบ่งได้สองประเภท ประเภทที่หนึ่งคือ แบบปฐมภูมิ (Primary Battery) ซึ่งไม่สามารถทำการชาร์จซ้ำได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้เป็น DS ได้ อีกประเภทคือ แบบทุติยภูมิ (Secondary Battery) ซึ่งสามารถถูกชาร์จซ้ำได้จึงสามารถนำมาเป็นอุปกรณ์ DS ได้ ความสำคัญของแบตเตอรี่ต่อกริดไฟฟ้าสมัยใหม่เป็นตัวช่วยผลักดันการคิดค้นเทคโนโลยีสำหรับแบตเตอรี่ทั้งในเรื่องขนาดทางกายภาพและปริมาณความจุพลังงานไฟฟ้า

 

          โดยปกติประสิทธิภาพของแบตเตอรี่สำหรับ DS จะใช้ค่าชี้วัดดังต่อไปนี้

 

          1. ประสิทธิผล AC-AC: ต้องมีค่ามากกว่า 85%

          2. ระยะเวลาตอบสนอง: ต่ำกว่า 20 ms

          3. พิกัดกำลังไฟฟ้า: ตั้งแต่ระดับ kW ถึงหลาย kW แต่สำหรับแบตเตอรี่แบบ นิเกิล-แคดเมี่ยม สามารถให้กำลังไฟฟ้าถึงระดับ MW

          4. ระยะเวลาดิสชาร์จ: อยู่ระดับหน่วยชั่วโมง

 

          อย่างที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้น หน้าที่สำคัญของแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์ DS คือ รักษาเสถียรภาพของกำลังไฟฟ้าที่จ่ายโดย DG และงานที่สำคัญอีกอย่าง คือ การนำไปใช้ใน EV โดยมีข้อเด่นเรื่องเวลาการตอบสนอง

 

          2. ฟลายวีล (Flywheel) อุปกรณ์บรรจุพลังงานแบบฟลายวีลจะประกอบด้วยตัวโรเตอร์ (Rotor) ที่เชื่อมต่อกับกังหันฟลายวีล ตัวโรเตอร์ของฟลายวีลจะทำหน้าที่เสมือนมอเตอร์ไฟฟ้า และจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าที่ได้รับให้เป็นพลังงานจลน์ (Kinetic Energy) ซึ่งตัวโรเตอร์จะหมุนที่ความเร็วสูงมาก และเพื่อลดพลังงานสูญเสียจากแรงเสียดทาน ฟลายวีลมักจะถูกออกแบบให้ทำงานในสภาวะสุญญากาศ ความเร็วในการหมุนของโรเตอร์จะเพิ่มขึ้นถ้าอุปกรณ์ฟลายวีลถูกชาร์จ ตัวฟลายวีลจะคงเก็บรักษาพลังงานถ้าระบบฟลายวีลยังคงหมุนที่ความเร็วสูง แต่เมื่ออุปกรณ์ฟลายวีลถูกใช้ให้เป็นแหล่งจ่ายเพื่อสนับสนุนความต้องการของโหลด ฟลายวีลจะลดความเร็วลงเข้าใกล้ศูนย์ในขณะนั้นเองพลังงานกลจะถูกเปลี่ยนกลับมาเป็นพลังงานไฟฟ้าจ่ายกลับเข้าสู่กริดไฟฟ้า พลังงานกลของฟลายวีลจะแปรผันตรงกับค่ามวลของฟลายวีล และโรเตอร์รวมทั้งค่ายกกำลังสองของความเร็ว หรือ เวโลซิตี้ (Velocity) ดังนั้นยิ่งค่าเวโลซิตี้มากก็ยิ่งมีประโยชน์ต่อความจุพลังงานของฟลายวีล ฟลายวีลสามารถแบ่งได้เป็นสองชนิด ชนิดแรก คือระบบฟลายวีลชนิดความเร็วต่ำจะใช้วัสดุความหนาแน่นสูงมาทำตัวฟลายวีลและโรเตอร์ดังนั้นอุปกรณ์ฟลายวีลจะสามารถทำงานที่ความเร็วต่ำที่ 10,000 รอบต่อนาที อีกชนิดหนึ่ง คือ ระบบฟลายวีลแบบความเร็วสูง ซึ่งจะใช้วัสดุความหนาแน่นต่ำกว่า แต่จะหมุนที่ความเร็วสูงมากกว่า 75,000 รอบต่อนาที

 

          สำหรับค่าชี้วัดประสิทธิภาพของระบบฟลายวีลที่ใช้เป็น DS จะมีดังต่อไปนี้

 

          1. ประสิทธิผลของ AC-AC: ปกติแล้วต้องมากกว่า 90% จะเห็นว่าฟลายวีลจะไม่มีการแปลงไฟฟ้าแบบ AC-DC-AC

          2. ระยะเวลาตอบสนอง: น้อยกว่า 10 ms ซึ่งนับว่าเร็วมากน้อยกว่า 1 ลูกคลื่นไฟฟ้า

          3. พิกัดกำลังไฟฟ้า: มากกว่า 1,500 kW สำหรับระบบฟลายวีลชนิดความเร็วต่ำ และมากกว่า 500 kW สำหรับระบบฟลายวีลชนิดความเร็วสูง ซึ่งจะพบว่าชนิดความเร็วต่ำจะมีคุณสมบัติที่ดีกว่า

          4. ระยะเวลาดิสชาร์จ: 1 ถึง 2 นาที สำหรับระบบฟลายวีลชนิดความเร็วต่ำ และประมาณ 1 ชั่วโมง สำหรับระบบฟลายวีลชนิดความเร็วสูง

 

 

 

รูปที่ 36 Flywheel DS

  

 

          3. ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (Super Capacitor) ภาษาไทยอาจเรียกอีกอย่างว่า ตัวเก็บประจุยิ่งยวด พลังงานไฟฟ้าจะถูกจัดเก็บไว้ในตัวเก็บประจุโดยปริมาณความจุจะแปรผันตรงกับค่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างสองแผ่นตัวนำที่วางขนานกัน รวมทั้งค่าการเก็บประจุ (Capacitance) ของตัวเก็บประจุนั้น โดยค่าการเก็บประจุจะแปรผันตามค่าเปอร์มิตติวิติ้ (Permittivity) ของวัสดุที่ทำเป็นไดอิเล็กทริก (Dielectric) ระหว่างแผ่นตัวนำไฟฟ้า สำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ก็คือ ตัวเก็บประจุที่ใช้วัสดุไดอิเล็กทริกแบบพิเศษ ที่มีค่าเปอร์มิตติวิติ้ที่สูงมาก และมีแผ่นตัวนำไฟฟ้าขนาดใหญ่ส่งผลให้สามารถบรรจุพลังงานได้ปริมาณมาก

 

          โดยปกติค่าชี้วัดประสิทธิภาพของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้เป็น DS มีดังต่อไปนี้

 

          1. ประสิทธิผลแบบ AC-AC: มากกว่า 90 %

          2. ระยะเวลาการตอบสนอง: น้อยกว่า 3 ms ซึ่งถือว่าเร็วที่สุด

          3. พิกัดกำลังไฟฟ้า: มากกว่า 100 kW ขึ้นไป

          4. ระยะเวลาดิสชาร์จ: มากกว่า 1 นาที

 

          อย่างไรก็ตามซูเปอร์คาปาซิเตอร์ปัจจุบันมีราคาที่สูงมาก และเทคโนโลยีปัจจุบันไม่สามารถสนับสนุนระบบที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูงได้

 

 

 

รูปที่ 37 Supercapacitor

 

 

          10. ระบบสูบกลับ (Pumped Hydro) ระบบสูบกลับจะจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าโดยการสูบน้ำจากระดับที่ต่ำกว่าไปเก็บที่ระดับสูงกว่าในช่วงเวลาที่ไม่ใช่ช่วงพีกของโหลด ดังนั้นระหว่างช่วงพีก พลังงานศักย์ที่เกิดจากการสูบน้ำไปเก็บในอ่างเก็บน้ำที่สูงก็สามารถถูกใช้โดยการปล่อยน้ำไปหมุนเทอร์ไบน์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ปัจจัยในการจัดเก็บพลังงานโดยระบบสูบกลับ คือ กำลังไฟฟ้า และพลังงานที่สามารถได้รับจากการสูบกลับจะขึ้นอยู่กับระดับความต่างของอ่างเก็บน้ำและปริมาณน้ำที่กักเก็บไว้ได้

 

          โดยทั่วไปค่าที่ใช้การวัดประสิทธิระบบสูบกลับที่ใช้เป็น DS มีค่าดังต่อไปนี้

 

          1. ประสิทธิผลแบบ AC-AC: ในทางปฏิบัติสามารถทำได้ที่ 75-80%

          2. ระยะเวลาการตอบสนอง: อยู่ในระดับหลายวินาที จนถึง หลายนาที

          3. พิกัดกำลังไฟฟ้า: สูงสุดถึง 4,000 mw ขึ้นอยู่กับระดับความต่างสูงและขนาดของอ่างเก็บน้ำ

          4. ระยะเวลาดิสชาร์จ: หลายชั่วโมง ขึ้นอยู่กับขนาดอ่างเก็บน้ำ

 

 

 

รูปที่ 38 หลักการทำงานของ DS แบบระบบสูบกลับ

 

 

 

รูปที่ 39 ระบบสูบกลับจากการหาพื้นที่ธรรมชาติ

 

 

          ในทางปฏิบัติการหาพื้นที่อ่างเก็บน้ำทั้งระดับบนและระดับล่าง รวมทั้งขนาดที่เหมาะสมนั้นค่อนข้างเป็นเรื่องยาก ซึ่งเป็นข้อด้อยหลักของระบบสูบกลับ โดยเฉพาะบางพื้นที่ที่เหมาะสมตามธรรมชาติ เช่น ตามแนวภูเขาอาจอยู่ห่างไกลจากกริดไฟฟ้ามาก ดังนั้นจึงมีวิธีทางเลือกอีกวิธีนั้น คือ ระบบสูบกลับใต้ดินโดยอ่างเก็บน้ำที่ระดับสูงกว่าจะอยู่ที่ระดับพื้นดิน ส่วนอ่างเก็บน้ำระดับล่างจะอยู่ใต้พื้นดิน อย่างไรก็ตามค่าใช้จ่ายในการสร้างอ่างเก็บน้ำใต้พื้นดิน รวมทั้งการติดตั้งอุปกรณ์ใต้พื้นดินนั้นมีค่าใช้จ่ายที่สูง อีกทั้งบางประเทศอาจถูกต่อต้านจากกลุ่มอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมที่อาจจะมีสิ่งปนเปื้อนไปยังแหล่งน้ำที่อยู่ใต้พื้นดินที่ใช้สำหรับอุปโภคบริโภค

          จากวิธีการหลากหลายในการเชื่อมต่อ DG เข้ากับกริดโดยเฉพาะการเชื่อมต่อร่วมกับ DS เพื่อเพิ่มเสถียรภาพของระบบไฟฟ้า ซึ่งปัจจุบันได้มีการนิยามศัพท์ทางเทคนิคใหม่ คือ DU (Distributed Utility) ซึ่งเป็นการรวม DG และ DS เข้าเป็นหน่วยเดียวกัน แต่ถ้าแยก DS และพิจารณาเกี่ยวกับระบบสื่อสารที่ต้องการของ DS ก็สามารถอ้างอิงระบบสื่อสารที่ต้องการจากระบบ DG ได้เลยเนื่องจากทำงานในลักษณะเดียวกัน

 

 

 

Home Area Network (HAN)

 

          หนึ่งสิ่งที่คาดว่าจะเป็นประโยชน์ที่ได้รับจากสมาร์ทกริด คือ ความสามารถในการจัดการการใช้พลังงานในที่พักของผู้ใช้ไฟฟ้า หรือ เรียกง่าย ๆ ว่าภายในบ้าน การจัดการพลังงานภายในบ้านนั้นหมายรวมไปถึงการควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้า เช่น หลอดไฟส่องสว่าง, เครื่องมือเครื่องใช้ไฟฟ้า, เครื่องปรับอากาศ, เครื่องผลิตไฟฟ้าขนาดเล็ก (เช่น แผงพลังงานแสงอาทิตย์ รวมไปถึงแม้กระทั้ง EV ระบบการจัดการพลังงานในบ้าน หรือ HEMS (Home Energy Management System) ที่กำลังถูกพัฒนาและติดตั้งใช้งานแล้ว หลายประเทศสามารถจัดการการใช้พลังงานของเครื่องใช้ไฟฟ้า, อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานไฟฟ้า รวมทั้งอุปกรณ์ผลิตพลังงานไฟฟ้า การสื่อสารระหว่างอุปกรณ์เหล่านี้จะใช้ระบบเครือข่ายสื่อสารภายในบ้านที่เรียกว่า HAN (Home Area Network) แสดงรูปที่ 40 ระบบ HAN อาจจะใช้เทคโนโลยีเครือข่ายไร้สาย เช่น มาตรฐาน ZigBee สำหรับมาตรฐาน ZigBee ซึ่งถูกพัฒนาโดยกลุ่มผู้ผลิตที่เรียกว่า พันธมิตร ZigBee (ZigBee Alliance) ปัจจุบันล่าสุดคือ มาตรฐาน ZigBee 2007 ที่ประกอบด้วยชุดโปรโตคอลระดับสูง (Hiqh-level Communication Protocol) ซึ่งสามารถทำงานได้บนชั้นฟิสิคอล และ MAC ของมาตรฐาน IEEE 802.15.4 โดยมาตรฐานล่าสุดได้เพิ่มเติมฟังก์ชั่นเกี่ยวกับความปลอดภัย และการเชื่อมต่อแบบเมช (Mesh) ซึ่งเป็นที่ต้องการของระบบ HAN มาตรฐาน ZigBee มีข้อเด่น คือ สามารถใช้ช่วงคลื่นที่ 2.4 GHz ซึ่งเป็นช่วงคลื่นสาธารณะ แล้วก็ยังสามารถใช้ช่วงคลื่นที่ 915 MHz และ 865 MHz ซึ่งก็เป็นช่วงคลื่นสาธารณะในประเทศสหรัฐอเมริกา และยุโรปตามลำดับ อีกเทคโนโลยีหนึ่งที่ใช้สำหรับ HAN คือ PLC (Power-line Communication) มาตรฐาน HomePlug ถูกพัฒนาโดยกลุ่มพันธมิตร HomePlug เพื่อยกระดับการใช้ประโยชน์จากสายไฟฟ้าภายในบ้านด้วยเทคโนโลยี PLC สำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านรุ่นเก่าที่มีอยู่แล้วอาจถูกมอนิเตอร์ และควบคุมโดยใช้อุปกรณ์เสริมที่ถูกออกแบบมาเฉพาะสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านนั้น ๆ สำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าสมัยใหม่อาจจะมีการติดตั้งคุณสมบัติสำหรับระบบ HAN ระบบ DG ขนาดเล็ก หรือ EV ก็อาจสามารถเชื่อมต่อเข้ากับ HAN

          แล้วแต่ฟังก์ชั่นที่สนับสนุน ระบบ HEMS อาจสามารถมอนิเตอร์การใช้พลังงานไฟฟ้า การจัดเก็บ และผลิตพลังงานไฟฟ้า ที่เชื่อมเข้ากับ HAN ระบบ HEMS สามารถมอนิเตอร์พลังงานไฟฟ้าเข้าออกในระบบภายในบ้าน รวมทั้งควบคุมจัดการอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมดให้ระบบไฟฟ้าภายในบ้านมีประสิทธิผลมากที่สุด ระบบ HEMS ยังคาดหวังว่าการไฟฟ้าจะอนุญาตให้สามารถเข้าถึงข้อมูลของสมาร์ทมิเตอร์ นั้นหมายถึง สมาร์ทมิเตอร์ต้องสามารถเชื่อมต่อเข้ากับระบบ HAN เพื่อการจัดการพลังงานให้ดีที่สุด ระบบ HEMS จะสามารถเข้าถึงได้จากโทรศัพท์มือถือจากภายนอกบ้านได้ ซึ่งระบบ HEMS ต้องสามารถเชื่อมต่อเครือข่าย Wi-Fi เพื่อเข้าสู่อินเตอร์เน็ต

 

          "เพื่อที่จะสนับสนุนโครงการดีมานด์เรสปอนส์แบบอัตโนมัติ การไฟฟ้าต้องอนุญาตให้ระบบ HEMS ทำงานร่วมกับระบบ EMS ของการไฟฟ้า (UEMS) ระบบ UEMS ต้องรายงานข้อมูลให้ระบบ HEMS เกี่ยวกับการใช้ไฟฟ้าทั้งในอดีต และจากการคาดการณ์ในอนาคต รวมทั้งกรณีเกิดความผิดปกติ การสื่อสารระหว่าง HEMS และ UEMS นั้นสามารถใช้ช่องทางของสมาร์ทมิเตอร์ที่เชื่อมต่อกับ HAN อย่างไรก็ตามถ้าการไฟฟ้าไม่อนุญาตใช้ช่องทางดังกล่าวก็อาจจะใช้ช่องทางอินเตอร์เน็ตสาธารณะได้"

 

 

 

 

รูปที่ 40 การเชื่อมต่อของระบบ HAN

 

 

เอกสารอ้างอิง

  1. K.Budka, J.Deshpande, T.Doumi, M. Madden, T.Mew: Communication Network Architecture and design principles for Smart Grid, Bell Labs Tech., 2010.
  2. J.Fulcher, An Introduction to Microcomputer Systems: Architecture and Interfacing. Addison-Wesley, Sydney,1989.
  3. S.Mackay, E. Wright, D.Reynders and .J Park, Practical Industrial Data Network: Design, Installation and Troubleshooting. IDC Technologies, Perth, 2004.
  4. International Electrotechnical Commission. IEC60870-5 Telecontrol equipment and systems. Part 5: Transmission protocols.
  5. K.Brand, V.Lohmann, and W.Wimmer, “Substation Automation Handbook”, Utility Automation Consulting Lohmann, Bremgaten, Switzerland, 2003.
  6. Natural Resources Defense Council: Renewable Energy for America, NRDC.

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด