No.276

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.