21411

21411

ابرخازن‌هاي مبتني بر نانولوله‌هاي كربني با كارايي بالا براي ذخيره‌سازي انرژي

كارشناسي ارشد

سازه و بدنه خودرو

1395

1398/04/31

دكتر محمدحسن شجاعي فرد

دكتر مسعود دهمرده

خودرو

محدوديت منابع سوخت‌هاي فسيلي و آلودگي زيست‌محيطي ناشي از اين منابع، رشد جمعيت و ماشيني شدن خدمات انساني، لزوم استفاده از منابع نو سامانه هاي ذخيره و بهره وري انرژي را ايجاب مي كند. جايگزين كردن منابع تجديد پذير انرژي مستلزم بكارگيري سامانه هاي جديد توليد و ذخيره انرژي مي‌باشد كه در حال توسعه است. پيل سوختي داراي چگالي بالا در توليد انرژي است ولي به تنهايي قابليت پاسخگويي سريع به تغييرات ولتاژ و جريان بار الكتريكي مورد نياز را ندارد. لذا در تأمين توان بار، از منبع تغذيه كمكي باتري استفاده مي شود. باتري علي رغم چگالي انرژي مناسب، داراي چگالي توان نسبتاً پايين و عمر چرخه اي كوتاه مي‌باشد كه مانع از بكارگيري آن در سامانه هاي نيازمند به توان بالا همچون احياي ترمز و ترازكننده بار مي‌شود. در مقابل باتري‌ها ابرخازن ها با سطح ويژه بالا مقادير بزرگتري از انرژي را ذخيره كرده و در فواصل زماني بسيار كوتاه تري انرژي مورد نياز سيستم را محيا مي كنند؛ بنابراين ابرخازن ها براي كاربردهايي كه نيازمند تامين پالس‌هاي پرتوان انرژي در دوره هاي كوتاه زماني مي‌باشند كاملاً سازگار بوده و نقش مكملي براي باتري‌ها و پيل هاي سوختي در سيستم توليد توان هيبريد و خودرو به وجود آورده اند و با توجه به قابليت اعتماد، ثبات و پايداري‌شان در توسعه و ذخيره انرژي كافي سيستم ها، مي‌توانند به طور گسترده بكار گرفته شوند. در اين پايان‌نامه، نانولوله‌هاي كربني به علت خواص فيزيكي و شيميايي منحصربه‌فردشان (از جمله هدايت الكتريكي بالا و توانايي خوب آن‌ها در اتصال يافتن مستقيم به جمع كننده جريان) به عنوان مواد فعال الكترودي در ساخت ابرخازن ها مورد استفاده قرار گرفته است و با استفاده از ساختار كامپوزيت نانولوله‌هاي كربني و اكسيدهاي فلزي در راستاي افزايش هدايت الكتريكي، اتصال مستقيم نانولوله‌هاي كربني به جمع كننده جريان در جهت كاهش مقاومت و در نتيجه بهبود دانسيته توان و ... نتايج ارزشمندي حاصل گرديده است و در ادامه با شبيه‌سازي نوآورانه ابرخازن در مدل خودرو نرم‌افزار GTPOWER، در سيكل‌هاي مختلف رانندگي بهبودها ارزيابي شده است. نتايج حاصل از مطالعات تجربي نشان مي‌دهند كه خواص الكتروشيميايي نانولوله‌هاي كربني خالص به ميزان چشمگيري پس از افزودن اكسيد كبالت و ساخت كامپوزيت پيشنهادي بهبود يافته است كه علت آن اثر هم‌افزايي ناشي از نانو ذرات و اكسيد فلزي مي‌باشد و ابرخازن توسعه داده شده توانايي به‌كارگيري در سامانه‌هاي ذخيره‌سازي انرژي را با قابليت و كارايي بالايي دارا مي‌باشد. در ادامه، با مدل‌سازي خودرو الكتريكي با منابع تركيبي باتري/ابرخازن و در نظر گرفتن سيستم بازياب انرژي ترمز براي خودرو، در نرم‌افزار GT-Power و MATLAB Simulink شبيه‌سازي انجام شده است و سيستم كنترل و مديريت انرژي براي آن طراحي‌شده و در نتايج پاسخ خودرو به توان درخواستي و توان تامين شده از باتري و ابرخازن در سيكل‌هاي مختلف رانندگي بررسي گرديده است و ساير پارامترهايي همچون سرعت، توان و ... واكاوي شده و نتايج تحليل گرديده و در فصل‌هاي سوم و چهارم مفصلاً به آن پرداخته شده است. در اين پايان‌نامه سيستم مديريت انرژي بر پايه سطح شارژ ابرخازن و باتري با توجه به انرژي جنبشي وسيله نقليه و ميزان شتاب در زمان‌هاي مختلف و استفاده حداكثري از ميزان انرژي بازيابي ترمز طراحي‌شده است لذا طراحي سيستم مديريت انرژي بانك ابرخازن و باتري بر اساس كنترل حداقل تخليه بار و توان مورد نياز از منابع، براي به دست آوردن فضاي ذخيره‌سازي و استفاده از انرژي بازياب توسعه داده شده است. به‌صورت معمول باتري منبع اصلي است و ابرخازن يك منبع كمكي است و ابرخازن توان مازاد مورد نياز خودرو كه باتري قابل به تامين آن نمي‌باشد را در اختيار سيستم قرار مي‌دهد. سيستم مديريت انرژي برحسب شتاب خودرو به سه حالت كلي.استراتژي شتابگيري خودرو، استراتژي سرعت ثابت خودرو و نهايتا استراتژي ترمزگيري و كاهش شتاب و سرعت (بازيابي انرژي) طراحي‌شده است. و در ادامه عملكرد سيكل و تست رانندگي شهري آمريكا و اروپا ارزيابي شد و سيستم مديريت انرژي با توجه به سطح شارژ ابرخازن و باتري بهينه گرديد نتايج نشان مي‌دهد ابرخازن در نقاط زيادي كمك‌كننده باتري در فرآيندهاي شتابگيري و كنترل سرعت بوده و با توجه به ظرفيت نسبتا پايين (40 آمپرساعت) در نظر گرفته شده براي مدل شبيه‌سازي‌شده در مقايسه با باتري‌هاي 90 آمپرساعت مورد استفاده در خودروهاي الكتريكي تجاري، در صورت عدم اختصاص ابرخازن در سيستم مديريت انرژي، امكان تامين توان مورد نياز خودرو در طي اين سيكل رانندگي به‌وسيله تك منبع باتري با اين ظرفيت وجود نداشته و اين مسئله تاييدي بر كاهش حجم باتري و مسائل اقتصادي ذيربط و همچنين اهميت استفاده از انرژي‌هاي تلف‌شده در خودرو راستاي بازيابي و كمك به پيشرانش خودرو مي‌باشد و در كليه موارد تحليل و تفسير نتايج ارائه‌شده و تركيبي از نمودارهاي استخراج شده نمايش و مورد ارزيابي قرار گرفته است.

1398/09/23

High performance carbon nanotube composite-based supercapacitors for energy storage applications

7/22/2019 12:00:00 AM

The shortage of fossil fuels and environmental pollution resulted from these resources, population growth and mechanized human services cause the utilization of new resources and storage systems, more exploitation of energy and optimization process. Replacement of renewable energy resources necessitates the utilization of new energy manufacturing, storage, and control systems which are under development. The fuel cell has a high density of energy production, but it does not have the capacity to respond quickly to voltage variations and the required electric current Therefore, auxiliary battery is used to provide the load power requirement. Despite its energy density, the battery has a relatively low power density and short cycle life, which prevents to use it in high-power systems such as braking and load balancing. In contrast to batteries, supercapacitors have a much higher specific surface area and provide larger amounts of system necessary energy over a much shorter time interval. Therefore, supercapacitors are fully compatible for applications requiring the supply of energy-intensive pulses in short periods of time.And have contributed to the fuel cells and batteries in the hybrid power generation system. And according to their reliability and stability can be widely used in storage and energy management systems. In this thesis, carbon nanotube are used to build supercapacitor for their unique physical and chemical properties (including high electrical conductivity and good ability to connect directly to the current collector). And Valuable results have been achieved by using the composite structure of carbon nanotubes and metal oxides in order to increase electrical conductivity, direct connection of carbon nanotubes to the current collector to reduce resistance and improve the power density. In the following, The automotive energy management system was designed with consideration of braking system, battery and the supercapacitor, and with the innovative supercapacitor simulation in the GTPOWER software, the effects of changing supercapacitor “SOC” on the improvement of the standard driving cycles have been evaluated. The results of the experimental studies show that the electrochemical properties of the pure carbon nanotubes have improved significantly after the addition of cobalt oxide and the proposed composite. That the main reason of it is about synergistic effect of nanoparticles and metal oxide that the developed supercapacitor is capable to use in high energy storage systems. In the following, we use GT-Power and MATLAB Simulink software for modeling and simulating an electric car with hybrid battery / supercapacitor sources and considering a brake energy recovery system. An energy management and control system designed for it and in the results we have been investigated the Car response for required power and power supplied from battery and supercapacitor in different driving cycles and other parameters such as speed, power, etc are analyzed and discussed in the third and fourth chapters. In this thesis, the energy management system is designed based on supercapacitor and battery charge level with respect to vehicle kinetic energy and acceleration at different times and maximum utilization of brake recovery energy. In this thesis, the energy management system is designed based on supercapacitor and battery charge level considering vehicle kinetic energy and acceleration at different times and maximum utilization of brake recovery energy. So Supercapacitor and battery bank energy management system design has been developed based on minimum discharge control and power requirements of sources to obtain storage and use of braking energy. Normally the battery is the main source and the supercapacitor is an auxiliary source and the supercapacitor provides the surplus power required by the vehicle which the battery cannot supply. The energy management system is designed in terms of vehicle acceleration into three general modes: vehicle acceleration strategy, vehicle constant speed strategy and finally braking and acceleration and speed reduction (energy recovery) strategy. Then, the performance of the US and European Urban Driving Cycle and Test was evaluated and the energy management system was optimized with respect to supercapacitor and battery charging levels. Then, the performance of the US and European Urban Driving Cycle was evaluated and the energy management system was optimized considering supercapacitor and battery charging levels. In the result the graphs of Distance, speed and acceleration variations, external resistive forces, average axial force, motor and braking power, comparing engine power demand and power management power supply, battery and supercapacitor charge level during the driving cycle and etc. is described and discussed in detail. The results show that the supercapacitor is aiding the battery in acceleration and speed control processes And according to Relatively low capacity (40 amps) of battery intended for the simulated model compared to the 90 amps batteries used in commercial electric cars, If the supercapacitor isn’t allocated to the energy management system It wasn’t possible for single battery to Supply of car power required during this cycle. And this is a confirmation for importance of minifying battery size, using of wasted energy and related economic issues in the car.

مدلسازي ابرخازن در خودرو , ابرخازن هاي كامپوزيتي , سيستم مديريت انرژي , نانولوله كربني , خودروي الكتريكي , نرم افزار جيتي پاور , نرم افزار سيمولينك