Superkondensatorowy magazyn energii elektrycznej

5IEL GdańskMagazynowanie energii – technologiaograniczania trudności przywykorzystaniu OZE: odnawialnych źródeł energii: Możliwym sposobem ograniczania trudności przywykorzystaniu OZE jest zastosowanie buforującychmagazynów energii elektrycznej zdolnych doprzejęcia chwilowych uderzeń energii i dopodtrzymania napięcia przy zaniku energii ze źródła. Wprowadzenie magazynów energii elektrycznej jestjednym z elementów budowy nowej „inteligentnejsieci” - Smart Grid”, która będzie niezbędna dlawykorzystania wielu nowych rozproszonych źródełenergii.

6IEL GdańskIstniejące rodzaje magazynów energii: Od wielu lat znane jest kilka rodzajów urządzeńdo magazynowania energii elektrycznej jak np.akumulatory, koła zamachowe, urządzenia nasprężone powietrze, elektrownie szczytowopompowenapięcia. Zakres stosowanie urządzeń magazynowania jestjednak ograniczony, gdyż użycie ich związanejest z wieloma trudnościami,

Istniejące rodzaje magazynów energii- akumulatory: Najbardziej rozpowszechnionym rodzajemmagazynów energii są akumulatory – posiadają onedużą pojemność energetyczną, ale jednocześnieposiadają szereg wad, przede wszystkim niskążywotność czyli małą ilość cykliładowania/rozladowania – od 1000 do kilku tysięcyoraz niską moc, Wady te powodują, że efektywność stosowaniamagazynów energii dla poprawy wykorzystania OZEjest ograniczona.7IEL Gdańsk

8IEL GdańskMagazynowanie energiiI. AKUMULATORY+ bardzo duża gęstość energii− mała moc impulsowa− brak kontroli zgromadzonejenergii− kłopotliwa eksploatacjaII. KOŁA ZAMACHOWE+ duża gęstość energii+ duża moc impulsowa+ kontrola zgromadzonej energii− wysoka cena− kłopotliwa eksploatacja

GLE 0806.4.4Understand bothmetric and customaryunits of measurement.How and why do youmeasure objects andtime in your world?www.brainpop.comvideo-metric vsimperial system0806.4.6 Makewithin-system andbetween-systemconversions of derivedquantities includingdistance, temperature,and money.ELA-MediaConverting Fahrenheitand Celsiushttp://www.internet4classrooms.com/F2C.htmGLE 0806.4.5 Usevisualization todescribe or identifyintersections, crosssections,and variousviews of geometricfigures.Why did our ancestorscreate measurementstandards?Who is responsible forestablishingmeasurementstandards that are usedby engineers andmanufacturers today?How can measurementbe used to solve realworldproblems?Chapter 7Page 41-entire chapter is over2 & 3 dimensionalfiguresOmit 7-9www.brainpop.comvideo-2 & 3dimensional figuresActivity 7-7a-Hands-On Lab---Nets---activity isdeveloped in steps.--Internet4ClassroomsUSE BELLRINGER---Activity will bewith each chapter ifneeded to develop intoeach lesson.0806.4.6 Makewithin-system andbetween-systemconversions of derivedquantities includingdistance, temperature,and money0806.4.7 Visualizeor describe the crosssectionresulting fromthe intersection of aplane with a 3-dimensional figure.0806.4.8 Build,draw, and work with2- and 3-dimensionalfigures by means oforthogonal views,projective views,and/or nets.ELA-MediaColoring 2-D Sideshttp://www.fi.uu.nl/toepassingen/00207/toepassing_wisweb.en.html3-D Shapeshttp://www.learner.org/interactives/geometry/www.discoverystreamin.comVideo- Example 2:Metric Conversion -Travel Distance

10IEL GdańskSuperkondesatory – nowy rodzaj magazynu energii: Super/ultrakondesatory są to urządzeniaelektryczne, o zewnętrznych właściwościachpodobnych do kondensatorów elektrycznych,które posiadają zdolności magazynowaniadużych ilości energii elektrycznej czyli posiadająbardzo dużą pojemność elektryczną, poprzezwykorzystanie zjawiska tzw. warstwy podwójnejHelmholtza [ang. Helmholtz double layer].

11IEL GdańskSuperkondesatory – nowy rodzaj magazynu energii– główne zalety: Istotną cechą super/ultrakondesatorów jest bardzoduża żywotność – niektóre ich rodzaje wytrzymująok. miliona cykli ładowania. Super/ultrakondesatory maja także dwie innekorzystne cechy: bardzo dużą moc – mogąprzyjmować i generować prądy rzędu 2000A orazniską oporność wewnętrzną rzędu miliomów czyliniskie straty.

12IEL GdańskSuperkondesatory – nowy rodzaj magazynu energii– główne zalety:III. SUPERKONDENSATORY− mała gęstość energii+ bardzo duża moc impulsowa+ kontrola zgromadzonej energii+ niewysoka cena (obniżająca się)+ niekłopotliwa eksploatacja

Superkondesatory – nowy rodzaj magazynu energii: Dzięki tym parametrom super/ultrakondesatorytworzą nowe możliwości w energoelektronice,elektroenergetyce oraz elektryfikacji transportu Możliwa jest budowa urządzeńenergoelektronicznych nowych rodzajówpozwalających na efektywne przekształcanie, atakże magazynowanie energii i przez tozwiększanie efektywności systemówelektroenergetycznych i transportowych13IEL Gdańsk

14IEL GdańskPorównanie urządzeń do magazynowania energii

15IEL GdańskPotencjalne obszary zastosowań superkondensatorówPojazdy samochodowe (autobusy, samochody ciężarowe i osobowe);Pojazdy szynowe (pociągi, metro, tramwaje);Systemy wykorzystujące odnawialne źródła energii(zwłaszcza energię wiatrową i słoneczną);Poprawa jakości energii i systemyzasilania bezprzerwowego (UPS);

16IEL GdańskZastosowania trakcyjne superkondensatorówOdzyskiwanie energii hamowaniaFaza 1: hamowaniegromadzenieenergiiponownewykorzystanieenergiiFaza 2: przyspieszaniezasobnikenergiiOpuszczanie zagrożonej strefy przy braku zasilania(awaria techniczna, wypadek, atak terrorystyczny)zasobnikenergii

17IEL GdańskZasada działania superkondensatora –podwójna warstwa HelmholtzaW systemie złożonym z dwóch różnych materiałów naich granicy tworzy się podwójna warstwa elektrycznaPodwójna warstwa elektryczna

18IEL GdańskBudowa superkondensatora z podwójną warstwąelektryczną HelmholtzaSeparator jonowyElektrolit(wodny luborganiczny)Grafit(materiał porowatyzapewniający dużąpowierzchnię)AnodaKatoda

19IEL GdańskRodzaje konstrukcjisuperkondensatorówKonstrukcja zwijana (EPCOS, Maxwell)Maxwell Boostcap2600 F/2,7 V102x60 mm/0,4 kgKonstrukcja składana (ECOND)Econd 64/4000,8 F/400 V600x220 mm/50 kg

20IEL GdańskSuperkondensatorywysokonapięcioweKonstrukcja pryzmatyczna –wymagane układy wyrównywania napięć3V+−+24 V 36 V−Konstrukcja składana –nie wymaga układów wyrównywania napięć+14 V 64 V 300V++−−−

21IEL GdańskPrzykłady konstrukcji z zastosowaniemsuperkondensatorów pryzmatycznychOdzyskiwanie energii hamowania tramwajuPojemność: 45 FNapięcie: 400VPojedynczy element: 1800 F/2,5 VIlość elementów: 640 - połączone po 4równolegle i 160 takich modułów w szeregOdzyskiwanie energii hamowaniana podstacji trakcyjnejIlość elementów: 1344

22IEL GdańskPrzykłady konstrukcji z zastosowaniemsuperkondensatorów składanychAwaryjny zasobnik energii dlapociągu metra (Moskwa)Pojemność: 5,6 FNapięcie: 640 VZgromadzona energia: 1,3 MJIlość elementów: 14Waga zestawu: 530 kG

23IEL GdańskSuperkondensatory składane firmy ECONDTyp Napięcie (V) Prąd (A) Pojemność (F) Opór wew. (Ω) Waga (kG) Energia (kJ) Moc (kW)9/14 14,0 670 95,00 0,0060 10 9,31 8,1712/14 14,0 1350 130,00 0,0045 15 12,74 10,8925/14 14,0 2000 260,00 0,0025 22 25,48 19,6040/28 28,0 4000 104,00 0,0055 26 40,77 35,6460/28 28,0 4000 160,00 0,0035 37 62,72 56,0040/64 64,0 2125 18,00 0,0300 38 36,86 34,1340/96 96,0 1300 9,00 0,0600 34 41,47 38,4020/150 150,0 750 1,80 0,2000 23 20,25 28,1315/175 175,0 700 1,00 0,2500 22 15,31 30,6333/200 200,0 700 1,65 0,2000 19 33,00 50,0060/200 200,0 1000 3,00 0,2000 25 60,00 50,0090/200 200,0 1000 4,50 0,2000 36 90,00 50,0027/220 220,0 1100 1,12 0,2000 40 27,10 60,5060/260 260,0 970 1,75 0,3000 50 59,15 56,3320/300 300,0 1000 0,44 0,3000 24 19,80 75,0040/300 300,0 1000 0,90 0,3750 40 40,50 60,0090/300 300,0 1000 2,00 0,3000 38 90,00 75,00115/300 300,0 1000 2,50 0,3000 53 112,50 75,0018/350 350,0 700 0,30 0,4000 29 18,38 76,5640/400 400,0 1000 0,50 0,4000 32 40,00 100,0064/400 400,0 1000 0,80 0,4000 50 64,00 100,0036/700 700,0 1000 0,15 0,7000 36 36,75 175,00

24IEL GdańskSuperkondensatory w OddzialeGdańskimTyp: ECOND 40/28Typ: ECOND 64/400Pojemność: 104 FNapięcie: 28 VZgromadzona energia: 41 kJRezystancja wewnętrzna: 5,5 mΩWaga: 26 kGPojemność: 0,8 FNapięcie: 400 VZgromadzona energia: 64 kJRezystancja wewnętrzna: 0,8 ΩWaga: 50 kG

25IEL GdańskPomiar oporności wewnętrznej superkondensatora40/28Maksymalny prąd probierczy: 500 ARezystancja wewnętrzna: 5,2 mΩ

26IEL GdańskPrzebieg samorozładowania superkondensatora 40/28Supercap dischargeVolty292827262524232221200 20 40 60 80 100 120 140 160Godziny

27Kompensator zanikównapięciaIEL Gdańsk

28IEL GdańskKonstrukcja kompensatora zanikównapięciaStanowisko badawczeSterownik

29IEL GdańskDziałanie kompensatora zanikównapięciaNapięcie sieciowe i prąd wyjściowy kompensatora

30IEL GdańskPrzebieg załączania kompensatora zanikównapięciaNapięcie sieciowe i prąd wyjściowy kompensatora

31IEL GdańskPrzebieg wyłączania kompensatora zaników napięciaNapięcie sieciowe i prąd wyjściowy kompensatora

32IEL GdańskDziałanie COST 542Cost Action 542HPSMT – High Performance Energy Storages for Mobile andStationary Applications (Wysokosprawne Urządzenia MagazynowaniaEnergii w Zastosowaniach Pojazdowych i Stacjonarnych)Działanie ustanowione w ramach programu Unii Europejskiej COST(Współpraca Europejska w zakresie Badań Naukowych i Technicznych).Działanie Nr 542 zostało zatwierdzone przez Komitet Wyższych UrzędnikówCOST podczas 164 zebrania w Brukseli w dn. 29/30 marca 2006r. Koniecdziałania jest określony na 12.07.2010r.Wniosek o ustanowienie Działania 542 został przygotowany i złożony przezpolsko-niemiecką grupę inicjatywną, w której ze strony polskiej uczestniczyłInstytut Elektrotechniki, w tym Oddział Gdański IEL, który był głównyminicjatorem przedsięwzięcia.Do dn. 26 czerwca 2006 udział w Działaniu 542 potwierdziło 7 krajów: Belgia,Bułgaria, Niemcy, Holandia, Polska, Rumunia, Hiszpania.Zebranie inicjujące Działanie (kick off meeting) odbyło się w Brukseli 13lipca 2006r.

33Obecni uczestnicy Działania COST542IEL Gdańsk Vrije Universiteit Brussel, Bruksela, Belgia University of Liège, Liege, Belgia University of Transport, Sofia, Bułgaria Universidad de Zaragoza, Saragossa, Hiszpania Alstom Transport, Saint-Ouen Cedex, Francja INRETS, Joinville, Francja SIEMENS, Brasov, RumuniaUniversity of Transilvania, Brasov, RumuniaTEIJIN TWARON GmbH, Wuppertal, NiemcyINNOFA GmbH, Berlin, NiemcyWTTC, Berlin, NiemcyA&M Renewables Limited, Boyle, IrlandiaDAEDALUS INFORMATICS LTD, Ateny, GrecjaIEL, Warszawa, PolskaIEL OW, Wrocław, PolskaIEL OG, Gdańsk, Polska

34IEL GdańskUdział w Działaniu COST542W ramach Działania 542 jego uczestnicy będą prowadzili wspólne pracebadawczo-rozwojowe nad rozwojem superkondensatorów składanych i ichzastosowań w ramach pięciu grup roboczych:WG 1: "Zaawansowane Materiały".WG 2: "Technologia Konstrukcji i Produkcji".WG 3: "Zastosowania Samochodowe".WG 4: "Zastosowania w Transporcie Elektrycznym".WG 5: "Zastosowania w Energetyce".Głównym celem Działania COST Nr 542 jest opracowanie WysokosprawnychUrządzeń Magazynowania Energii i ich wdrożenie w zastosowaniachpojazdowych i stacjonarnych w urządzeniach transportowych ienergetycznych. Rdzeniem/kluczowym elementem tych urządzeń będąwysokonapięciowe moduły superkondesatorowe.Oddział Instytutu Elektrotechniki w Gdańsku bierze aktywny udział wpracach grup roboczych 3, 4 i 5. W szczególności w grupie 5 IEL OGodgrywa rolę wiodącą w zakresie zastosowania superkondensatorów wurządzeniach energoelektronicznych.

35IEL GdańskProjekt Specjalny COST/260/2006Finansowanie prac badawczych związanych ze współpracąmiędzynarodową jest realizowane w ramach tak zwanych projektówbadawczych specjalnych.Przyznanie finansowania takiego projektu następuje na podstawiewniosku o finansowanie projektu badawczego specjalnego składanegow Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego.Wniosek taki może być złożony w dowolnym czasie i jest rozpatrywanyindywidualnie pod względem wartości merytorycznej.We wrześniu 2006 Oddział Gdański Instytutu Elektrotechniki złożył wMinisterstwie wniosek o finansowanie projektu badawczegospecjalnego dotyczącego badań filtrów aktywnych na baziesuperkondensatorów, w związku z udziałem Oddziału w Cost Action542: HPSMT – High Performance Energy Storages for Mobile andStationary Applications. Wniosek został rozpatrzony pozytywnie.Tytuł projektu:Filtr aktywny (kompensator) zapadów i krótkotrwałych zanikównapięcia sieci energetycznej z magazynem energii w postacibaterii wysokonapięciowych superkondensatorów składanych

36IEL GdańskProjekt Specjalny COST/260/2006Celem projektu jest opracowanie filtruaktywnego podwyższającego jakość energiielektrycznej.Działanie filtrujące będzie polegało nakompensacji zapadów i krótkotrwałychzaników napięcia zasilającego.Proponowane rozwiązanie ukierunkowane jestna poprawę jakości napięcia w wydzielonychlokalnych sieciach energetycznych.Na rynku brakuje standardowych urządzeńprzeznaczonych do pełnienia takich funkcji.

37IEL GdańskProjekt Specjalny COST/260/2006W ramach projektu zostaną opracowane następującezasadnicze podzespoły:układ generacji wzorcowego napięcia o wysokiejjakości - przewiduje się tu rozwiązanie w postacispecjalizowanego falownika wielopoziomowego,układy sprzęgające sieć rzeczywistą z siecią wirtualnąwytworzoną przez falownik - rozpatrzone tu zostaniesprzężenie transformatorowe, sprzężenie przypomocy dwukierunkowych łącznikówpółprzewodnikowych oraz sprzężenie za pomocąnowo opracowywanych łączników inteligentnych,układ identyfikacji charakteru zaburzeń oraz układykontroli przepływu energii.

38IEL GdańskProjekt Specjalny COST/260/2006Zakłada się, że model filtru będzie wyposażony wprzekształtnik wielopoziomowy o mocy 100 kVA orazw magazyn energii, zapewniający poprawną pracęurządzeń filtru w przypadku wystąpienia zaburzeńzasilania, w postaci baterii superkondensatorów.Falownik filtru aktywnego zostanie zbudowany jakotrój- lub czteropoziomowy falownik z diodamipoziomująco-blokującymi (falownik typu DCI).Opracowane filtry umożliwiać będą współpracę zzewnętrznymi źródłami energii, takimi jak na przykładogniwa paliwowe, umożliwiającymi kompensacjęrównież długotrwałych zaburzeń zasilania.

39IEL GdańskDziękuję za uwagę