ابرخازن‌هاي مبتني بر نانولوله‌هاي كربني با كارايي بالا براي ذخيره‌سازي انرژي

كارشناسي ارشد

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.

193771

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر مسعود دهمرده

سازه و بدنه خودرو

دكتر محمدحسن شجاعي فرد