خودرو برقی, مقالات
انتقال انرژی V2G
مرداد
انتقال انرژی V2G به کاربردهای مختلف
در این برگه قصد داریم به بررسی انتقال انرژی V2G به کاربردهای مختلف بپردازیم. پس با ما همراه باشید.
فهرست مطالب
1- مقدمه
2- انواع باتری برای V2G
3- طبقه بندی V2G
4- طراحی سیستم ذخیره انرژی خودرو
5- شارژرهای PEVs
6- کاربردها، مزایا، معایب و استانداردهای V2G
——————————
1- مقدمه
Hybrid Electric Vehicle to Grid تکنولوژی جریان دو طرفه انرژی الکتریکی از وسیله نقلیه به شبکه است. سیستمی که وسیله نقلیه الکتریکی را در شبکه یکپارچه می‌کند، سیستم وسیله نقلیه به شبکه (V2G) نامیده‌می‌شود و ویژگی جالب آن ذخیره، فروش یا توزیع نیرو است.
اخیرا، خودروهای الکتریکی هیبریدی توسط سازندگان مختلف در حال بررسی و توسعه هستند، زیرا براحتی می‌توانند سطح آلودگی را کاهش دهند و برای نسل آینده محیطی سالم برای زندگی فراهم کنند. علاوه براین، این وسایل نقلیه به بهبود سیستم حمل و نقل، و به کاهش وابستگی ما به مصرف نفت کمک می‌کند و شبکه را برای غلبه بر مشکلات انرژی در زمان اوج تقاضا پشتیبانی می‌کند.
یک وسیله نقلیه با طراحی مناسب می‌تواند 10 کیلووات برق تولید کند که برابر با توان مصرفی 10 خانه است. هدف اصلی PHEV تغییر تقاضای انرژی برای بخش حمل و نقل فردی از نفت خام به برق است. PHEV بیشتر به باتری و موتور الکتریکی متکی است. هنگامی که باتری تخلیه شود، با وصل کردن PHEV به سیستم‌های برق، دوباره شارژ می‌شود. مطابق گزارشات منتشر شده، میانگین زمان استفاده از یک وسیله نقلیه فقط حدود 2 تا 4 ساعت است، باقی زمان در محل پارک قرار دارد. بنابراین، زمانی که وسیله نقلیه در پارکینگ است، باتری می‌تواند به عنوان ذخیره انرژی مورد استفاده قرار گیرد و در صورت وجود هر گونه کمبود برق در شبکه، توان باتری به شبکه بازگردانده شود.
در این مقاله، یک استراتژی مدیریت انرژی متصل به شبکه برق و مراحل مربوط به PEVها برای انتقال انرژی به V2G نشان داده‌شده‌است. به طور معمول، طرح‌های متعددی وجود دارد که ممکن است در طراحی خودروی الکتریکی هیبریدی مطابق با مصرف کننده مورد استفاده قرار گیرد. در ادامه با مفهوم اولیه EHV شروع می‌کنیم و به بررسی سیستم باتری‌ها و جزئیات فنی V2G می‌پردازیم و در نهایت مراحل، کاربردها، مزایا، معایب آن را توضیح می‌دهیم.
شکل 1 انتقال انرژی از V2G، V2H و V2B و تولید انرژی های تجدیدپذیر را نشان می‌دهد. شکل2 بلوک دیاگرام جریان برق از G2V را نشان می‌دهد.
شکل 1
شکل 2
——————————
2- انواع باتری برای V2G
باتری‌های بادوام، ایمن، پر انرژی و مقرون به صرفه از نوع باتری‌های سرب اسید، باتری‌های نیکل-فلز هیدرید (NiMH) و باتری‌های لیتیوم یون (Li-ion) هستند.
هزینه باتری 20-40٪ قیمت PEV است که با بهبود و پیشرفت فن آوری‌های باتری در حال کاهش است. بطور مثال در طی سال‌های اخیر، چگالی انرژی باتری، از 60Wh/L به 150Wh/L بهبود یافته‌است. بازار فعلی از باتری‌های لیتیوم یونی استفاده‌می‌کند، زیرا برد طولانی، چگالی بالاتر، هزینه کمتر و رفتار غیر سمی دارند و علاوه براین، به زمان کمتری برای شارژ شدن نیاز دارند. نیسان لیف، میتسوبیشی، تسلا و شورولت ولت از باتری لیتیوم یونی برای سیستم ذخیره انرژی استفاده می‌کنند. شکل 3 تاریخچه باتری‌ها را برای PEVها نشان‌می‌دهد.
اگر از وسیله نقلیه برای سفر و همچنین انتقال انرژی استفاده شود، کاهش راندمان باتری بسیار مهم است. برای کاربردهای میان مدت از باتری های لیتیوم یونی استفاده می‌شود. سولفور لیتیوم (Li-S) دارای چگالی انرژی بالا 300Wh/L است، اما عمر باتری پایینی دارد. گرافن یکی از مواردی است که می‌تواند این مشکل را تا حدودی حل کند. یکی دیگر از فناوری‌های امیدوارکننده و ارزان، باتری‌های لیتیوم-هوا هستند که می‌توانند تراکم انرژی ۱۵۰۰ وات ساعت در لیتر را تولید کنند، اما برای رفع چندین چالش فنی به تحقیقات بیشتری نیاز دارند.
شکل 3
——————————
3- طبقه بندی V2G
V2G را می‌توان به دو صورت زیر طبقه بندی کرد:
3-1- طبقه بندی V2G بر اساس باتری‌های مورد استفاده
1- وسایل نقلیه پیل سوختی
از سوخت‌های فسیلی، سوخت‌های زیستی و سوخت‌های هیدروژنی برای تولید برق با استفاده از ژنراتوری که در خودرو برای زمان‌های پیک تقاضا تعبیه شده‌است، استفاده‌می‌شود.
2- باتری‌های قابل شارژ
این باتری‌ها در ساعات کم مصرف، یعنی در شب، برق را ذخیره می‌کنند و در ساعات اوج مصرف، آن را به شبکه می‌رسانند.
3- نیروگاه‌های کوچک انرژی تجدیدپذیر
وسیله نقلیه خورشیدی می‌تواند انرژی را در ساعات آفتابی ذخیره کند و در زمانی که باتری پر است یا میزان تقاضا در بیشترین مقدار خود است، برق را به شبکه تحویل دهد.
3-2- طبقه بندی PEV بر اساس انتقال انرژی
ادغامPEVها برای عملیات شبکه برق بسیار مهم است و باید بر اساس شارژ و تخلیه PEVها با استفاده از استراتژی‌ها و روش‌های مختلف کنترلی انجام شود. کاربردهای مختلف PEVها عبارتند از V2H، V2B و V2G.
خودرو به خانه (V2H)
هدف اصلی Vehicle to Home (V2H) ذخیره انرژی از منابع انرژی توزیع شده محلی مانند انرژی خورشیدی و بادی و تحویل آن به بارهای خانگی است. این کار صورتحساب‌های انرژی را کاهش می‌دهد، راندمان را بهبود می‌بخشد و می‌تواند برق پشتیبان را تامین کند. اجزای دیگری که می‌توانند در یک سیستم V2H وجود داشته باشند عبارتند از: بارهای هوشمند، سیستم‌های ذخیره استاتیک و ژنراتورهای ترکیبی حرارت و برق (CHP) مانند میکرو گاستوربین‌ها.
V2H از حداقل یک PEH، یک شارژر دو طرفه، بارهای خانگی، تولید پراکنده در مقیاس کوچک، یک متر هوشمند، شبکه خانگی و سیستم مدیریت انرژی خانه تشکیل شده‌است. اجزای دیگر بارهای هوشمند، سیستم‌های ذخیره استاتیک و ژنراتورهای ترکیبی حرارت و برق مانند میکرو توربین‌های گازی هستند. اندازه گیری هوشمند نقش بسیار مهمی در مفهوم V2H ایفا می‌کند. این تجهیز داده‌های مربوط به مصرف سیستم را ثبت می‌کند و همچنین رابطی را برای ارسال یا دریافت اطلاعات از برنامه‌های کاربردی فراهم می‌کند. این مفهوم می‌تواند در سیستم‌های کنترل بزرگتر برای کاهش بار شبکه‌های برق توزیع استفاده شود.
همچنین امکان دریافت درخواست توقف شارژ توسط کاربر PEV از شرکت‌های برق در تلفن‌های هوشمند فراهم شده‌است. شکل 4 انتقال انرژی از خودرو به خانه را نشان می‌دهد که دارای یک تجهیز اندازه‌گیری هوشمند است و به طور موثر انرژی را از وسیله نقلیه به خانه در ساعات توقف وسایل نقلیه منتقل می‌کند.
شکل 4
خودرو به ساختمان (V2B)
فناوری خودرو به ساختمان افراد زیادی را به خود جذب کرده‌است. این یک مرحله میانی بین V2H و V2G است که مزایای مهمی را برای PEVها و مالکان ساختمان فراهم می‌کند. هر دوی آنها می‌توانند در قبض انرژی صرفه جویی کنند، زیرا زمان ورود و خروج افراد مشخص است. آنها می‌توانند به انتقال انرژی برای بیمارستان‌ها، هتل‌ها، دانشگاه‌ها، ساختمان‌های اداری، مراکز خرید و به ویژه در زمان بارهای بحرانی کمک کنند.
شکل 5
فناوری اطلاعات (IT) شامل مجموعه‌ای از PEVها، مولدهای انرژی توزیع شده، بارهای بحرانی، ذخیره استاتیک و سیستم کنترل مدیریت انرژی ساختمان است.
BEMS الگوریتم‌های بهینه را برای ارسال نقطه تنظیم محاسبه‌شده به زیرسیستم‌های مختلف از جمله PEVهای تحت کنترل خود اجرا می‌کند.
خودرو به شبکه (V2G)
فناوری Vehicle-to-Grid در سال 1997 توسط Willet Kempton و Steven E. Letendre معرفی شد. این مفهوم به بررسی امکان استفاده از PEVها به عنوان مولدهای انرژی توزیع‌شده می‌پردازد. PEVها می‌توانند ظرفیت ذخیره‌سازی توزیع‌شده را برای منابع انرژی تجدیدپذیر فراهم کنند. باتری‌ها پاسخ بسیار سریعی دارند و برای تنظیم فرکانس اولیه و ثانویه مناسب هستند.
دو نوع معماری کنترل در سیستم‌های V2G وجود دارد که عبارتند از: متمرکز و غیر متمرکز. در سیستم‌های متمرکز تصمیم‌گیری شارژ و دشارژ در هر PEV برعهده Aggregator است. در حالی که، در کنترل‌های غیرمتمرکز، تصمیم مربوط به هر PEV سیستم است.
شکل 6
——————————
4- طراحی سیستم ذخیره انرژی خودرو
سیستم‌های ذخیره انرژی برای PEVها ماهیت الکترومکانیکی دارند. آنها از سلول‌ها، ماژول‌ها، سیستم مدیریت حرارتی و سیستم مدیریت باتری تشکیل شده‌اند. یک پک باتری از هزاران سلول تشکیل شده‌است که به صورت سری در یک ماژول به هم متصل هستند تا ولتاژ را افزایش دهند. رایج‌ترین نوع بسته‌بندی سلولی، سلول‌های استوانه‌ای، منشوری و کیسه‌ای هستند.
- BMS مرکز کنترل ESS است و وضعیت شارژ ESS را پیگیری می‌کند. همچنین، گردش جریان را از داخل و خارج از وسیله نقلیه کنترل می‌کند.
- TMS محدوده دمایی ESS را تضمین می‌کند. یک مسیر ارتباطی بین BMS و پک و بین BMS و TMS وجود دارد.
4-1- ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر با V2G
از آنجایی که باتری‌های با ظرفیت ذخیره‌سازی بالا، پرهزینه هستند، امکان استفاده از منابع تجدیدپذیر و ترویج سریع آن برای بسیاری از کاربرها وجود ندارد. علاوه براین، توان تولید شده توسط منابع انرژی تجدیدپذیر همیشه ثابت نیست، بنابراین، در ساعات اوج بار از ساعت 4 تا 9 بعد از ظهر دریافت برق بدون نوسان دشوار است.
برای مثال اگر نیروی باد مصرف شود، بسته به ظرفیت باد، شبکه ممکن است با اضافه توان یا با کمبود آن مواجه شود. بنابراین، اگر PHV در این ساعات اوج مصرف به شبکه متصل شود، می‌تواند برای غلبه بر تقاضای پیک به شبکه کمک کند. ادغام EHV و منابع انرژی تجدیدپذیر می‌تواند به افزایش استفاده از PHV کمک کند.
4-2- ارتباط وسیله نقلیه به شبکه
مسیر ارتباطی باید دو جهته، قابل اعتماد و با تاخیر زمانی کوتاه باشد. در فرآیند ارتباط، چندین مراحله اتصال وجود دارد که در بلوک دیاگرام نشان داده شده‌است.
شکل 7
فناوری V2G باید دارای نرم افزاری باشد که به مالک وسیله نقلیه کمک کند تا زمان شارژ را تعیین کند و اطلاعاتی در مورد تعرفه برق و ترجیحات ارائه دهد و همچنین باید بتواند هزاران وسیله نقلیه دیگر را در شبکه منتهی به شبکه هوشمند مدیریت کند. این سیستم منجر به همگام سازی بیشتر شبکه و یکپارچه سازی منابع تجدیدپذیر نیز می‌شود. اطلاعیه در دسترس بودن منابع تجدیدپذیر نیز باید به مصرف کنندگان داده‌شود تا آنها وسایل نقلیه خود را به شبکه متصل نکنند.
Aggregator: واسطه بین اپراتور و وسیله نقلیه برقی Plug-in است که در ذخیره چرخان نیز شرکت می کند. Aggregator همچنین اطلاعاتی از نرخ‌های بازار در اختیار قرار می‌دهد.
EVSE: تجهیزات تامین وسایل نقلیه الکتریکی، کابل شارژ را قفل می‌کند تا ایمنی بیشتری ایجاد کند. تعرفه انتخاب شده توسط EV با فرآیند سوئیچینگ سیگنال ارسالی، بسته به قیمت برق در شبکه، به EVSE ارسال می‌شود.
BMS: سیستم مدیریت باتری، باتری قابل شارژ را با محافظت در برابر تغییرات ولتاژ، دما و غیره کنترل می‌کند.
شکل 1-7
4-3- اجزای اصلی وسیله نقلیه به شبکه
- منابع انرژی مانند منابع تجدیدپذیر یا غیر قابل تجدید و برق
- اپراتور سیستم مستقل برای نظارت بر سیستم و تجمیع کننده
- زیرساخت نقطه شارژ و مکان برای شارژ باتری
- جریان الکتریکی ارتباطی یک طرفه بین PEV و تجمیع کننده (زمانی که تعداد زیادی از وسایل نقلیه EHV متصل هستند، جمع کننده اندازه باتری را تا حدی افزایش می‌دهد که تاثیر کافی داشته‌باشد) برای انتقال نیرو از شبکه به وسیله نقلیه و بالعکس.
- سیستم کنترل اندازه‌گیری هوشمند برای شناسایی ظرفیت موجود
- PEV با شارژر باتری و مدیریت
——————————
5- شارژرهای PEVs
تقسیم بندی اصلی نقاط شارژ بر اساس سرعت شارژ است که به صورت زیر تقسیم می‌شوند:
- شارژر Rapid
- شارژر Fast
- شارژر Slow
شارژر Rapid: این دسته از شارژرها خود به سه نوع تقسیم می‌شوند:
- شارژ AC: نوع معمولی از شارژ است که در منازل و محل کار استفاده می‌شود. درجه این نوع نقطه شارژ 16 آمپر و 110 ولت تا 120 ولت شارژ AC است.
- نوع دوم شارژ شامل حداکثر 19.2 کیلووات و 220 تا 240 ولت AC است. این مدل به شارژ و دشارژ سریع PHV کمک می‌کند.
- شارژ DC: این مدل را می‌توان در مکان‌های عمومی و تجاری استفاده کرد که مشابه پمپ بنزین نیز هست. این نوع شارژرها به ما اجازه می‌دهند 80 درصد باتری را در 30 دقیقه شارژ کنیم. بنابراین خودرو می‌تواند 80 تا 100 مایل حرکت کند.
شارژر Fast: این نوع شارژرها می‌توانند خودروی PHV را در عرض 3 تا 4 ساعت به طور کامل شارژ کنند. توان خروجی این دستگاه‌ها حدود 7 تا 22 کیلو وات است.
شارژر Slow: زمان این نوع شارژرها از 2 تا 4 ساعت و توان خروجی آن تنها 3 کیلو وات می‌باشد.
5-1- نقاط شارژ در خانه
این نوع از شارژ، ساده‌ترین و ارزان‌ترین راه برای شارژ PHEV در خانه است. توان خروجی آن حدود 3 تا 7 کیلو وات است.
5-2- نقاط شارژ در محل کار و مکان‌های تجاری
بسیاری از شرکت‌ها در حال برنامه‌ریزی برای نصب سوکت و اتصال برق هستند، زیرا در بیشتر مواقع خودرو در این مکان ثابت است. در مکان‌های تجاری، این شارژر می‌تواند موجب جذب مشتری برای پارک خودرو شود. در این مکان‌ها محدوده کل خروجی از 7 تا 22 کیلو وات است.
شکل 8
——————————
6- کاربردها، مزایا، معایب و استانداردهای V2G
کاربردهای V2G
- برق برای کمک به تعادل بار (یعنی شارژ در ساعات کم پیک و تخلیه در ساعات اوج بار به شبکه) تامین می‌شود.
- V2G همچنین می‌تواند حداکثر قدرت را برای 3-4 ساعت در روز فراهم کند (پیک توان چیزی نیست جز تامین عرضه در زمان تقاضای بالا). این امر به کاهش شکاف بین نیازهای انرژی در سیستم قدرت کمک می‌کند. همچنین تلفات انتقال، سرمایه گذاری در آن، و تنش در سیستم قدرت را کاهش می‌دهد.
- V2G همچنین می‌تواند به عنوان ذخیره چرخان عمل کند، به این معنی که می‌تواند در عرض 10 دقیقه، زمانی که اپراتور نیاز به برق دارد، برق را تامین کند.
مزایای V2G
- وسایل نقلیه الکتریکی منبع حمل و نقل ارزان‌تری برای مصرف کنندگان هستند، زیرا قیمت برق کمتر از قیمت سوخت است.
- یک درآمد اضافی برای صاحبان وسیله نقلیه فراهم می‌کند.
- سیستم ابزار الکتریکی نیز دارای مزایایی است زیرا می‌تواند در زمان اوج بار از وسیله نقلیه نیرو بگیرد.
- با کاهش استفاده از منابع تجدیدناپذیر آلودگی را کاهش می‌دهد.
- محیط V2G می‌تواند خانه، پارکینگ، محل کار و ایستگاه‌های شارژ تبلیغاتی باشد.
معایب V2G
- V2G در مقایسه با تولید برق نیروگاه‌های بزرگ، منبع ارزانی نیست.
- استفاده در مقیاس وسیع از این وسایل نقلیه ممکن است منجر به مشکلات فنی شود.
- مشکلات سازگاری ممکن است زمانی ایجاد شود که تولیدات مقیاس کوچک در واحدهای تولید برق بزرگ ادغام شوند.
استانداردها و مقررات برای V2G
شناسایی استانداردها، مقررات، کدهای ساخت V2G برای استفاده در سراسر جهان، پروژه‌ای است که اساساً به 3 مرحله تقسیم می‌شود:
- مرحله 1: حالت‌های عملکرد و قابلیت‌های V2G.
- مرحله 2: مدل‌ها، کدها، مقرراتی که از امروز در بازار هستند.
- مرحله 3: مجموعه مقررات مشترکی که قرار است، طراحی شوند.
موفقیت اصلی این فناوری تنها زمانی حاصل می‌شود که شرکت‌های برق و قوه قضائیه اطلاعات خود را در اختیار سازمان‌ها قرار دهند تا بتوان سریعاً این فناوری را پذیرفت و استانداردها را در سطح کشور اصلاح کرد.
مرجع
V2G Transfer of Energy to Various Applications
مطالب مرتبط