Bài giảng môn Năng lượng tái tạo

Bài giảng:NĂNG LƯỢNG TÁI TẠOĐH BÁCH KHOA TP.HCMGiảng viên: ThS. Trần Công Binh11/2013C5: PIN NHIÊN LIỆUGiới thiệu tích trữ năng lượng dùng pin nhiên liệuBộ điện phân - ElectrolyserPin nhiên liệu – Fuel cellMô hình tích trữ pin nhiên liệuỨng dụng pin nhiên liệuPhân tích pin nhiên liệu1. Giới thiệu pin nhiên liệu1. Giới thiệu pin nhiên liệuMô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu1. Giới thiệu pin nhiên liệuMô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu1. Giới thiệu pin nhiên liệu2. Bộ điện phân – Electrolyser2. Bộ điện phân – ElectrolyserBộ điện phân – ElectrolyserMembrane -+Électrolyte solideCathodeAnodeH2O2. Bộ điện phân – ElectrolyserHHO e- e-2. Bộ điện phân – ElectrolyserHHO e- e-2. Bộ điện phân – ElectrolyserHHO 2 -2. Bộ điện phân – ElectrolyserHHO 2 -2. Bộ điện phân – ElectrolyserMembrane -+EH2OH2H2O + 2e-  O2- + H2HHO 2 -HHOÉlectrolyte solideCathodeAnode2. Bộ điện phân – ElectrolyserMembrane -+O 2 -Électrolyte solideCathodeAnodeO 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -O 2 -2. Bộ điện phân – ElectrolyserO 2 -O 2 -2. Bộ điện phân – ElectrolyserO e- e-O e- e-2. Bộ điện phân – ElectrolyserOO e- e- e- e-2. Bộ điện phân – ElectrolyserOO2. Bộ điện phân – ElectrolyserOO2. Bộ điện phân – Electrolyser2 O2-  O2 + 4e--+EO2CathodeAnodeO 2 -O 2 -OOÉlectrolyte solide2. Bộ điện phân – ElectrolyserO2-  ½ O2 + 2e-Membrane -+EO2-½ O2H2OH2CathodeAnodeH2O + 2e-  O2- + H2Électrolyte solide2. Bộ điện phân – Electrolyser2. Bộ điện phân – Electrolyser2. Bộ điện phân – ElectrolyserMô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu3. Pin nhiên liệu – Fuel cellHoạt động của Pin nhiên liệuPin nhiên liệu tổng hợp Hydro và Oxy thành nước,trong quá trình đó sinh ra dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện hoạt động2H2 + O2 = 2H2O3. Pin nhiên liệu – Fuel cell3. Pin nhiên liệu – Fuel cell3. Pin nhiên liệu – Fuel cell3. Pin nhiên liệu – Fuel cell3. Pin nhiên liệu – Fuel cell3. Pin nhiên liệu – Fuel cell3. Pin nhiên liệu – Fuel cell3. Pin nhiên liệu – Fuel cell3. Pin nhiên liệu – Fuel cellPin nhiên liệu – PEMFCEr = 1.23 V3. Pin nhiên liệu – Fuel cell4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuElectric Energy (Solar, )Flux vectorHydrogen for energyStock vectorElectrolyserI (A)V (volt)210,51,5I (A)Fuel cell4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuBộ điện phân – Electrolyser4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuPin nhiên liệu – Fuel cell4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuH2 /O2H2 /không khí4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuThí nghiệm Pin nhiện liệu4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuThí nghiệm Pin nhiện liệu tại GPL4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuThí nghiệm Pin nhiện liệu4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuThí nghiệm Pin nhiện liệu4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuSinh viên làm LVTN dùng Bộ điện phân4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệuMô hình mạch nạp cho bộ điện phân.4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu5. Ứng dụng pin nhiên liệu5. Ứng dụng pin nhiên liệuHondaFCXDaiamler B-Class (2010)GMEquinox5. Ứng dụng pin nhiên liệuPin nhiên liệuSạc điện từ lưới điện cố địnhXe điện5. Ứng dụng pin nhiên liệuPin nhiên liệuSạc điện từ pin mặt trời ngay lúc đang chạyXe điện laiBộ quản lý năng lượng5. Ứng dụng pin nhiên liệuNguyên lý hoạt độngEnthalpyEntropy và hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệuGibbs Free Energy và Hiệu suất thực pin nhiên liệuPin nhiên liệu lý tưởng (tính dòng điện)Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tếCác loại pin nhiên liệuSản xuất hydrogen6. Phân tích pin nhiên liệuNguyên lý hoạt độngEnthalpyEnthalpyEnthalpy H của một hợp chất là lượng năng lượng cần để kết hợp các nguyên tố thành hợp chất.Với U là nội năng của hợp chất, áp suất P, và thể tích VEnthalpy: H = U + PVĐiều kiện nhiệt độ và công suất tiêu chuẩn là 1atm, 25oC(Standard Temperature and Pressure - STP)EnthalpyEnthalpyEnthalpyH = H (chất tạo thành) – H (chất phản ứng)H 0: phản ứng tỏa nhiệt!!!CH4(khí) + 2 O2(khí)  CO2(khí) + 2 H2O(lỏng) + Q(0,186) 2x(0,205)  (0,213) 2x(0,0699) (>T.S)S = (0,186) + 2x(0,205) - (0,213) - 2x(0,0699) = 0,2432 kJ/K/mol (khí CH4)Qmin=T.S=(273,15+25)*0,2432 =72,51 kJ/mol khí CH4max = 1- Qmin/ H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85% Hoạt động của Pin nhiên liệuPin nhiên liệu tổng hợp Hydro và Oxy thành nước,trong quá trình đó sinh ra dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện hoạt động2H2 + O2 = 2H2OEntropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệuEntropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệumax = 1- Qmin/ H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85% Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệuFree energry:Hiệu suất:Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệuG = G (chất tạo thành) - G (chất phản ứng) CH4 (khí) + 2 O2 (khí)  CO2 (khí) + 2 H2O (lỏng) (-50,8) 2x(0)  (-394,4) 2x(-237,2)G = (-394,4) + 2x(-237,2) - (-50,8) - 2x(0) = -818 kJ/mol (khí CH4)max = G/ H = (-818) / (-890,2) = 91,89% Pin nhiên liệu lý tưởngq = điện tích 1 electron = 1,602 .10-19 CuolombsN = hằng số Avogadro = 6,022 .1023 phân tử/molV = thể tích một mol khí lý tưởng ở STP = 22,4l/moln = lưu lượng khí cấp cho pin nhiên liệu (mol/s)I = dòng điện 1 (A) = 1 Coulombs/sVr = điện áp lý tưởng qua 2 cực pin nhiên liệu (V)P = công suất pin nhiên liệu phát ra (W)Năng lượng điện sinh ra: We = |G|Pin nhiên liệu lý tưởngVí dụ : Tính khối lượng CH4 cần cung cấp cho pin nhiên liệu lý tưởng để tạo ra 1kWh điện? Biết pin hoạt động ở điều kiện tiêu chuẩn, và nước tạo ra ở thể lỏng.Pin nhiên liệu lý tưởngĐiện áp lý thuyết của 1 tế bào pin nhiên liệu (EMFmax):Pin nhiên liệu lý tưởngH2 (khí) + 1/2 O2 (khí)  H2O (lỏng)Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tếĐặc tuyến của pin nhiên liệu thực tếVí dụ 4.11: Bộ pin nhiên liệu dùng H2, công suất 1kW, điện áp 48V, điện áp trên mỗi tế bào là 0,6V. Tính số tế bào và diện tích màng lọc của mỗi tế bào? Biết pin nhiên liệu có đặc tuyến như hình 4.29: V = 0,85 – 0,25J = 0,85 – 0,25 I/ACác loại pin nhiên liệuProton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) – Pin nhiên liệu trao đổi hạt nhân qua màn lọcDirect Methanol Fuel Cells (DMFC) – Pin nhiên liệu methanol trực tiếpPhosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) – Pin nhiên liệu axit phosphoricAlkaline Fuel Cells (AFC) – Pin nhiên liệu kiềmMolten-Carbonate Fuel Cells (MCFC) – Pin nhiên liệu carbon nóng chảySolid Oxide Fuel Cells (SOFC) – Pin nhiên liệu oxit rắnCác loại pin nhiên liệuProton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)Eff ≈ 45%Các loại pin nhiên liệuPhosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)Alkaline Fuel Cells (AFC)Các loại pin nhiên liệuMolten-Carbonate Fuel Cells (MCFC)Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)Các loại pin nhiên liệuCác loại pin nhiên liệuCác loại pin nhiên liệuSản xuất hydrogenMethane Steam Reforming (MSR)Partial Oxidation (POX)Gasification of Biomass, Coal, or WastesElectrolysis of WaterSản xuất hydrogenMethane Steam Reforming (MSR)Partial Oxidation (POX)Gasification of Biomass, Coal, or WastesElectrolysis of WaterSản xuất hydrogenSản xuất hydrogenBài tậpBài tậpBài tậpBài tập 1: Tính toán nhiệt lượng và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu dùng CH3OH ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC)? Biết nước tạo ra ở thể lỏng.Bài tập 2: Pin nhiện liệu dùng khí H2 để phát điện cho tải? Biết pin tiêu thụ 5lit H2 /giờ ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Nước tạo ra ở thể lỏng. a) Tính công suất lý thuyết của pin?b) Giả sử hiệu suất của pin là 50%. Tính toán công suất của pin?c) Tính dòng điện của pin? Biết pin nhiên liệu chỉ gồm 1 tế bào.Bài tậpBài tập 3: Tính toán dòng điện và công suất cấp điện cho tải từ 1 tế bào pin nhiện liệu dùng khí CH4? Biết pin tiêu thụ 10lit CH4 /giờ ở 1atm, 25oC). Nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng ½ hiệu suất lý thuyết.Bài tập 4: Tính toán lưu lượng khí H2 cung cấp cho pin nhiện liệu dùng để phát điện cho tải bóng đèn 50W ở 1atm, 25oC). Nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất lý thuyết. Khi đó tính dòng điện và điện áp trên bóng đèn. Biết pin nhiên liệu có 20 tế bào ghép nối tiếp.Bài tậpBài tập 5: Tính toán khối lượng CH3OH cung cấp cho pin nhiện liệu để tạo ra 1kWh điện ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất lý thuyết.Bài tập 6: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 kg CH3OH cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết.Bài tậpBài tập 7: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 lit CH4 cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất lý thuyết.Bài tập 8: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 kg H2 hóa lỏng cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết.Bài tậpBài tập 9: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 kg CH4 cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể khí. Giả sử hiệu suất của pin là 40%.Bài tập 10: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 lit H2 hóa lỏng cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng là 50%.Bài tậpBài tập 11: Tế bào pin nhiên liệu dùng khí hydro, đang cung cấp cho tải 10W, điện áp 0,6V. Biết pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển đổi khí hydro là 90%, có đặc tuyến: V = 0,85 – 0,25J = 0,85 – 0,25 I/ATính lưu lượng khí hydro cung cấp cho pin? Tính diện tích màng lọc của pin?Tính hiệu suất của pin? Biết nước tạo ra ở thể lỏng, pin làm việc ở STP.Bài tậpBài tập 12: Bộ pin nhiện liệu loại 20 tế bào giống nhau, ghép nối tiếp dùng khí CH4? Biết bộ pin tiêu thụ 10lit CH4 /giờ ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Hiệu suất chuyển đổi khí là CH4 là 95%. Nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng ½ hiệu suất lý tưởng.a) Tính công suất cấp cho tải?b) Tính dòng điện cấp cho tải?c) Tính điện áp cấp cho tải?d) Tính toán diện tích màng lọc của mỗi tế bào? Giả sử mật độ dòng điện của tế bào ở điểm làm việc này là 1A/cm2.Tài liệu tham khảoGilbert M. Masters, "Renewable and Efficient Electric -Power Systems" -JOHN WILEY & SONS, 2004.Chris Rayment, Scott Sherwin, "Introduction to Fuel Cell Technology", Department of Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame, 2003.TB Trần Công BinhGV ĐH Bách Khoa TP.HCMPhone: 0908 468 100Email: tcbinh@hcmut.edu.vn binhtc@yahoo.comWebsite: www4.hcmut.edu.vn/~tcbinh