Nguồn điện cho thiết bị ngoài hiện trường thường được bàn như một câu hỏi về sản phẩm — máy phát nào, tấm pin nào, ắc quy nào. Sẽ hữu ích hơn nếu coi đó là câu hỏi về kiến trúc nguồn, vì cùng một kiến trúc phục vụ được rất nhiều loại công việc khác nhau, và khác biệt giữa chúng chủ yếu là con số chứ không phải khái niệm.
Bài viết này trình bày kiến trúc đó, rồi đi qua bảy nhóm ứng dụng thực tế cùng đặc điểm tải của từng nhóm. Nội dung dựa trên tiêu chuẩn, nguyên lý vật lý và số liệu công bố của các nhà sản xuất.
Bài toán thực sự là gì
Rất nhiều thiết bị công nghiệp tiêu thụ điện rất ít nhưng lại nằm rất xa nguồn cấp. Một camera kèm đường truyền vô tuyến có thể tiêu thụ trung bình khoảng 15 W. Một RTU trên tuyến ống kèm bộ phát tín hiệu khoảng 8 W. Một trạm đo mực nước có đường truyền vệ tinh khoảng 25 W. Một trạm lặp vô tuyến số khoảng 60 W.
Đó là những con số nhỏ. Cái khó không nằm ở công suất mà ở tích của công suất và thời gian khi không có người. 15 W chạy suốt một năm là 131 kWh. Đưa 131 kWh lên một đỉnh đồi không có đường là một bài toán kỹ thuật hoàn toàn khác với việc cấp 15 W trong một tòa nhà.
Có ba cách làm truyền thống, và mỗi cách có một kiểu hỏng đặc trưng:
- Máy phát diesel hoặc xăng cỡ nhỏ thừa công suất nhưng phải tiếp nhiên liệu vài ngày một lần, bảo dưỡng theo giờ chạy, giảm ồn và chống mất trộm. Độ sẵn sàng của nó phụ thuộc vào người đến trạm lần cuối.
- Chỉ dùng pin mặt trời thì không cần bảo trì — cho đến khi hết nắng. Hệ phải được định cỡ cho chuỗi ngày ít nắng dài nhất trong năm. Ở Việt Nam, đó có thể là những tuần mưa phùn, trời âm u cuối đông ở miền Bắc, đợt mưa lớn khoảng từ tháng 9 đến tháng 12 ở miền Trung, hay những ngày mưa liên tiếp giữa mùa mưa ở miền Nam. Kết quả là dàn pin và ắc quy được định cỡ theo một sự kiện chỉ xảy ra vài tuần mỗi năm, và thừa công suất suốt thời gian còn lại.
- Chỉ dùng ắc quy biến bài toán năng lượng thành bài toán hậu cần: xe, người lái, thao tác nâng hạ và một vòng thay ắc quy không bao giờ kết thúc.
Kiến trúc lai
Cách thứ tư giữ lại những phần hoạt động tốt và loại bỏ phần không hiệu quả. Ắc quy cấp điện cho tải, vì ắc quy rất giỏi cấp công suất nhỏ liên tục. Pin mặt trời nạp cho ắc quy bất cứ khi nào có nắng, vì năng lượng mặt trời miễn phí. Và pin nhiên liệu nạp cho ắc quy những lúc pin mặt trời không làm được — vì điều duy nhất pin mặt trời không thể bảo đảm là một mức tối thiểu.
Điểm then chốt: pin nhiên liệu là bộ nạp ắc quy, không phải nguồn nằm trực tiếp trong mạch tải. Phần lớn thời gian nó ở trạng thái nghỉ. Nó tự khởi động khi điện áp ắc quy xuống ngưỡng, chạy ở công suất định mức cho đến khi ắc quy đầy, rồi tự dừng. Vì vậy cách tính định cỡ thay đổi hẳn:
- dàn pin mặt trời được định cỡ cho một tuần bình thường, không phải tuần xấu nhất;
- ắc quy được định cỡ cho một đêm cộng hệ số dự phòng, không phải cho hai tuần trời âm u;
- pin nhiên liệu được định cỡ theo tải trung bình, không theo tải đỉnh, vì ắc quy đã hấp thụ các đỉnh tải;
- lượng nhiên liệu được định cỡ theo số ngày không người trực cần đạt.
Mỗi thành phần trong bốn thành phần trên đều nhỏ hơn và rẻ hơn so với khi dùng một nguồn duy nhất. Đó là toàn bộ lập luận kinh tế, và nó đúng bất kể trạm thuộc ngành nào.
Vì sao methanol phù hợp với dải công suất này
Ở mức công suất vài chục đến vài trăm watt, lựa chọn nhiên liệu được quyết định bởi mật độ năng lượng và cách xử lý. Methanol ở dạng lỏng ở điều kiện thường: không cần nén, không cần bình áp lực, không cần làm lạnh sâu, và bình nhiên liệu kín bảo quản được lâu.
Theo số liệu công bố của các nhà sản xuất pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC), mức tiêu thụ vào khoảng 0,9 lít methanol cho mỗi kWh điện. Nói cách khác, chưa đến 1 kg methanol cho ra khoảng 1,1 kWh điện; để trữ cùng lượng điện năng đó cần khoảng 10 kg ắc quy LiFePO4 hoặc vài chục kilôgam ắc quy chì – axit. Con số tiêu thụ cố định này khiến việc lập kế hoạch nhiên liệu trở thành phép tính, không phải ước đoán.
Hydro chiếm ưu thế rõ ràng ở dải công suất cao hơn, khi hậu cần bình khí không còn là bất lợi. Nhưng ở dải vài chục đến vài trăm watt — dải của hầu hết thiết bị không người trực — methanol đóng bình rất khó bị thay thế.
Bảy nhóm ứng dụng
1. An ninh và camera giám sát di động
Một cột camera hoặc xe kéo giám sát thường phải cấp cho đầu quay PTZ, đèn chiếu sáng hồng ngoại, đầu ghi và đường truyền 4G/5G. Tải trung bình thường từ 10 đến 40 W, tùy mức độ quay quét và cường độ chiếu sáng ban đêm — và ban đêm chính là lúc pin mặt trời không cấp được gì.
Đây là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của kiến trúc này, vì điểm cần giám sát tạm thời theo định nghĩa là nơi chưa có hạ tầng: bãi tập kết vật tư, ranh giới công trường, trạm biến áp, hàng rào cảng, tài sản ở xa.
2. Giao thông và hệ thống ven đường
Thiết bị đếm và phân loại xe, radar, biển báo điện tử, trạm khí tượng đường bộ và đèn tín hiệu tạm thời. Tải nhỏ và chu kỳ làm việc dễ dự đoán, nhưng các điểm lắp đặt nằm dọc tuyến và rất nhiều — một dự án đường cao tốc có thể có hàng trăm điểm trải dài hàng trăm kilômét. Khi đó, chi phí một lần đến trạm, chứ không phải chi phí thiết bị, mới là yếu tố quyết định thiết kế.
Con số quan trọng ở đây không phải watt mà là số ngày giữa hai lần đến trạm. Với tải trung bình 50 W và hoàn toàn không có nắng, hệ cần 1,2 kWh mỗi ngày, tức khoảng 1,1 lít methanol mỗi ngày — một bình 28 lít đủ cho khoảng 26 ngày. Thêm một tấm pin mặt trời vừa phải, chu kỳ bảo trì có thể kéo dài nhiều tháng.
3. Đường sắt và đường ngang
Thiết bị dọc tuyến, bảo vệ đường ngang, giám sát đường ray và cấp điện cho thi công tạm thời. Các vị trí này thường nằm sát đường sắt nhưng xa tủ phân phối điện, và nguồn sức kéo (nếu có) không dùng cho tải phụ. Ưu điểm của pin nhiên liệu ở đây là chạy êm, không có bộ phận quay cần kiểm tra và không có khói thải cạnh đường chạy tàu, nên có thể đặt trong tủ thiết bị dọc tuyến với khí thải được dẫn ra ngoài.
4. Quan trắc môi trường và thủy văn
Đo mực nước, đo mưa, chất lượng không khí, tiếng ồn, địa chấn, cột khí tượng và đo gió. Đây là ứng dụng mà lập luận về mùa mưa sắc nét nhất: phép đo quan trọng nhất thường chính là phép đo được thực hiện trong đợt thời tiết xấu làm sản lượng pin mặt trời sụt giảm.
Các trạm này cũng thường nằm ở nơi mà một lần đến bảo trì mất cả ngày. Ở Việt Nam, đó là các trạm đo mực nước trên sông và hồ chứa, trạm đo mưa vùng núi, trạm quan trắc không khí ven biển và hệ thống cảnh báo lũ.
5. Viễn thông và hạ tầng quan trọng
Trạm lặp, trạm phát, vô tuyến trung kế số và tuyến vi ba, cùng với nguồn dự phòng kéo dài cho những vị trí phải trụ vững qua một lần mất điện dài hơn nhiều so với khả năng của riêng dàn ắc quy. Tải ở nhóm này lớn hơn — thường từ 50 đến 150 W.
Giá trị cụ thể trong vai trò dự phòng là thời gian dự phòng được lưu dưới dạng nhiên liệu, không phải dung lượng ắc quy. Kéo dài một trạm chỉ dùng ắc quy từ 8 giờ lên 72 giờ nghĩa là phòng ắc quy lớn gấp khoảng chín lần. Kéo dài một trạm lai có pin nhiên liệu chỉ là thêm bình nhiên liệu.
6. Dầu khí và đường ống
SCADA và truyền dữ liệu từ xa, điều khiển van, phát hiện rò rỉ, máy tính lưu lượng và bảo vệ catốt dọc hành lang tuyến ống. Hai đặc điểm làm nhóm này khác biệt: các điểm lắp đặt nằm dọc tuyến, ở xa, nhiều khi không có đường vào; và thường có khu vực phân vùng nguy hiểm cần xem xét, nên vị trí đặt thiết bị và đường dẫn khí thải phải được giải quyết theo bản đồ phân vùng ngay từ giai đoạn thiết kế, không được giả định là phù hợp.
Bảo vệ catốt đặc biệt là loại tải kéo dài, công suất thấp nhưng hậu quả lớn — kiểu tải mà một lần mất nguồn không ai phát hiện sẽ chỉ lộ ra sau này dưới dạng ăn mòn.
7. Phương tiện chuyên dụng
Xe khảo sát, xe truyền hình, xe chỉ huy, phòng thí nghiệm di động và xe mang thiết bị đo phải vận hành tải khi động cơ chính đã tắt. Nổ máy không tải để giữ nguồn cho thiết bị vừa ồn, vừa tốn kém, vừa hại động cơ, và ở nhiều nơi không được phép. Pin nhiên liệu nạp cho ắc quy phụ loại bỏ lý do phải nổ máy.
Giám sát từ xa là một phần của kiến trúc
Một hệ nguồn không người trực mà không truy vấn được từ xa là một hệ nguồn sẽ phải cử người đến. Nhiều thiết bị pin nhiên liệu hiện nay báo trạng thái, lịch sử vận hành, mức nhiên liệu và cảnh báo qua email, cho phép cấu hình từ xa, và hỗ trợ Modbus TCP để nguồn điện xuất hiện như một điểm trong hệ SCADA sẵn có thay vì một hệ riêng biệt.
Trên thực tế, điều này thay đổi cách vận hành nhiều hơn bất kỳ tính năng phần cứng nào. Mức nhiên liệu nhìn thấy được từ văn phòng biến việc tiếp nhiên liệu từ một phát hiện bất ngờ thành một lịch trình, và một sự cố tự gửi email biến lần mất nguồn kéo dài nhiều ngày thành một lần xử lý trong ngày.
Giới hạn của kiến trúc này
Có ba giới hạn cần nói rõ, vì chúng xác định phạm vi sử dụng hợp lý.
- Công suất. Pin nhiên liệu methanol là thiết bị dải vài chục đến vài trăm watt; ghép nhiều thiết bị có thể đạt cỡ vài kW. Bất cứ tải nào có động cơ khởi động — bơm, máy nén, điều hòa — đều nằm ngoài dải này; khi đó nên dùng hệ pin nhiên liệu hydro hoặc máy phát thông thường.
- Chi phí năng lượng. Nhiên liệu là vật tư tiêu hao có chi phí thực trên mỗi kWh. Nơi đã có lưới điện tin cậy, hoặc kéo được lưới với chi phí hợp lý, thì lưới điện luôn thắng. Lập luận cho pin nhiên liệu đến từ chi phí của phương án thay thế — đào rãnh kéo cáp, các chuyến bảo trì, bảo dưỡng máy phát — chứ không phải từ giá mỗi kWh.
- Vị trí lắp đặt. Sản phẩm phản ứng là hơi nước và CO₂ — ít độc hại nhưng không phải bằng không: trong không gian kín phải dẫn khí thải ra ngoài, và trong khu vực phân vùng nguy hiểm phải xét theo phân vùng chứ không mặc định là tương thích.
Nhiên liệu trong thực tế
Methanol đến hiện trường trong bình kín dùng một lần, và chính điều đó làm cho hậu cần trở nên khả thi. Theo quy định vận chuyển hàng nguy hiểm của Liên Hợp Quốc, bình nhiên liệu cho pin nhiên liệu được vận chuyển với số hiệu UN 3473 (loại 3); methanol ở dạng bồn rời được vận chuyển với số hiệu UN 1230, loại 3, nguy hiểm phụ 6.1, nhóm đóng gói II. Việc vận chuyển, lưu kho và thay bình tại Việt Nam phải tuân theo quy định hiện hành về hóa chất và hàng nguy hiểm, cùng quy định nội bộ của chủ cơ sở.
Đơn vị vận hành nhiều trạm nên chốt sớm ba việc: kho bình nhiên liệu đặt ở đâu, kho đó được thiết lập và quản lý thế nào, và bình rỗng được thu hồi ra sao. Ba câu trả lời đó — chứ không phải thông số của pin nhiên liệu — mới quyết định một chương trình hàng trăm trạm có chạy trơn tru hay không.
Định cỡ bằng bốn con số
Mọi cuộc trao đổi nghiêm túc về một trạm không có lưới điện đều bắt đầu bằng bốn con số — nhà cung cấp nào không hỏi bốn con số này là đang đoán:
- Tải trung bình tính bằng watt, đo hoặc tính trong 24 giờ — không phải công suất ghi trên nhãn thiết bị.
- Vị trí lắp đặt, quyết định sản lượng pin mặt trời và chuỗi ngày ít nắng dài nhất.
- Số ngày cần đạt giữa hai lần đến trạm, quyết định lượng nhiên liệu và do đó kích thước tủ.
- Hậu quả nếu mất nguồn, quyết định mức dự phòng hợp lý.
Có bốn con số đó, phần còn lại là phép tính: tải trung bình nhân 24 giờ ra năng lượng mỗi ngày; năng lượng mỗi ngày trừ đi phần pin mặt trời cấp được ra phần việc của pin nhiên liệu; phần việc đó nhân 0,9 lít/kWh nhân số ngày cần đạt ra số lít methanol; và số lít quyết định cấu hình bình nhiên liệu cùng chiếc tủ chứa nó.
| Bước | Phép tính | Kết quả |
|---|---|---|
| Năng lượng tiêu thụ mỗi ngày | 50 W × 24 h | 1,2 kWh |
| Phần pin mặt trời cấp trong tháng xấu nhất (giả định) | — | 0,7 kWh |
| Phần pin nhiên liệu phải cấp | 1,2 − 0,7 | 0,5 kWh |
| Methanol mỗi ngày | 0,5 kWh × 0,9 lít/kWh | 0,45 lít |
| Nhiên liệu cho 90 ngày không người trực | 0,45 × 90 | khoảng 41 lít |
Phần pin mặt trời cấp được là con số phải tính cho từng vị trí; 0,7 kWh trong bảng chỉ là giả định minh họa.
Đọc thêm
- Nguồn điện độc lập cho vị trí không có lưới điện: pin nhiên liệu methanol — tiếng Việt
- Methanol Fuel Cells for Unmanned Sites: Seven Applications, One Power Architecture — tiếng Anh
- เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลสำหรับไซต์ไร้คนดูแล — tiếng Thái
- Power Box — Off-Grid Power for Equipment That Sits Where the Grid Does Not — tiếng Anh
Gửi câu hỏi kỹ thuật
SATU Innovative là công ty kỹ thuật về phòng cháy chữa cháy, phát hiện cháy và khí, và ứng phó sự cố tràn dầu, có kinh nghiệm định cỡ hệ cấp nguồn độc lập cho thiết bị hiện trường.
Nếu bạn đang cân nhắc phương án cấp nguồn cho một hoặc nhiều trạm không có lưới điện, hãy gửi cho chúng tôi bốn con số ở trên. Chúng tôi sẽ phản hồi bằng phương án định cỡ kèm các giả thiết đã dùng, để bạn kiểm chứng lại được.