Metode de Estimare a Starii de Incarcare Pentru Diferite Sisteme de Stocare a Energiei Electrice

Capitolul 1

Introducere

Problema stocării energiei electrice, precum și existența unor baterii portabile este un lucru foarte important, având în vedere dependența omenirii față de energia electrică. Energia electrică este găsită în majoritatea echipamentelor care ne înconjoară.

Există diferite elemente de stocare a energiei electrice, astfel se pot distinge diferite elemente de stocare:

a. Bateriile de acumulatori care sunt elemente de stocare care admit un flux de putere mediu, dar dispun de o capacitate ridicată de stocare a energiei electrice în interiorul lor. Ca un dezavantaj major al acestor elemente este acela că suferă de modificări structurale ireversibile în urma efectuării ciclurilor de încărcare/descărcare, cu alte cuvinte odată cu trecerea timpului și a numărului de încărcări/descărcări bateriile de acumulatori își reduc durata de viață drastic, astfel ele ne mai fiind capabile să stocheze energia pe o anumită perioadă de timp.

b. Supercondensatorii sunt componente care au caracteristicile unui acumulator dar și a unui condensator. Sunt elemente de stocare care admit un flux de putere ridicat, dar nu dispun de o putere de stocate mare, ei având o stocare limitată. Stocarea energiei este asemănătoare cu cea a condensatorilor normali, care este sub formă unui câmp electric între două armături

Bateriile de condensatoare sunt capabile să ofere o stocare a unei cantități foarte mari de elergie electrică, dezavantajul lor fiind timpul de încărcare foarte îndelungat și deteriorarea lor după un anumit număr de cicluri încărcare/descărcare. Evoluția tinde să meargă către supercondesatori care au capacitatea de a oferi o încărcare foarte rapidă, astfel ei permițând un număr mult mai mare de cicluri de încărcare/descărcare.

Este evident că soluția de stocare a energiei în momentul de față, este în plină dezvoltare, urmărind a fi găsite noi soluții pentru o stocare mult mai îndelungată a energiei electrice.

Estimarea gradului de încărcare a unei baterii este cel mai important parametru pentru acumulatori. În general gradul de încărcare a unei baterii este definită ca fiind proporția dintre capacitatea bateriei si capacitatea nominală. Capacitatea nominală este dată de producător și reprezintă maximul de încărcare care poate fi stocat în baterie. Clasificarea stărilor de încărcare este diferită, si este facută dupa măsurătoare directă, după măsurători estimative, după sisteme adaptive si după noile metode hibrid.

Tipuri de acumulatori

Bateriile au revoluționat felul în care curentul electric poate fi înmagazinat pentru o mai bună mobilitate în viața de zi cu zi. De la telefoane mobile până la echipamente high-tech, bateriile pot fi folosite în diferite feluri.

O baterie stochează energie chimică și o convertește în energie electrică în momentul în care este supusă unei sarcini. O baterie este compusă din unul sau mai multe celule electro-chimice. Bateriile sunt formate din una sau mai multe celule care sunt conectate electric. Componenta de bază al unei celule electrolitice este electrodul pozitiv format dintr-un separator poros și electrodul negativ format dintr-un electrolit

Figur. 1.1. Componentele unui acumulator [1]

Parametrii bateriilor

Bateriile sunt bine definite de parametrii care le determină să fie diferite prin felul în care sunt construite, modul în care pot fi folosite, durată de viață, etc.

Rezistență internă:

Rezistența autodescărcătoare

Este o rezistența care este asociată cu electroliza apei la un voltaj ridicat și care prezintă scurgeri lente de la un voltaj mic. Această rezistența este sensibilă la temperatură

Rezistența de încărcare și descărcare

Aceste rezistențe sunt asociate cu rezistența electrolizei, rezistența plăcilor și rezistența fluidului. Aceste trei rezistențe variază în momentul încărcării și descărcări

Rezistența la supraîncărcare și la supradescărcare

Aceste rezistențe sunt atribuite difuziei electrolizei în timpul supraîncărcării și supradescărcării

Capacitatea Polarizării

Această capacitate este datorată unei difuzii chimice în interiorul bateriei și nu este reprezentată de capacitatea electrică. Aceasta depinde de stadiul de încărcare de temperatură și de designul bateriei.

Tipul descărcării:

Descărcare continuă

În acest caz, bateria livreaza în mod constant energie sarcinii și astfel duce la o continuă scădere a capacității bateriei.

Descărcare intermitentă

În acest caz, bateria livreaza energie sarcinii la o perioada de timp regulată sau nu

Modul de descărcare:

Sarcină constantă

În acest mod bateria livrează energie unei sarcini constante. Curentul de sarcină scade proporțional cu scăderea tensiunii în baterie

Curent constant

În acest mod bateria livrează curent constant unei sarcini. Acest lucru este realizat reducând constant rezistența sarcinii pentru a se potrivi cu scăderea de tensiune a bateriei, astfel obținându-se un curent constant către sarcină

Putere constantă

În acest mod, bateria livrează curent electric sarcinii în mod contant. Curentul de sarcină crește pentru a compensa căderea de tensiune și pentru a menține o putere constantă sarcinii.

Acumulatoarele cu Plumb – Acid (LA)

Acest tip de acumulator este cel mai des utilizat în prezent. Succes se datorează in special duratei mari de viață, răspunsului rapid, având o rată mică de autodescarcare și are costuri foarte mici de producție și întreținere.

Bateriile cu plumb continuă să reprezinte cea mai des folosită opțiune pentru stocarea energiei electrice având diferite avantaje. De asemenea ele sunt foarte des întâlnite deoarece ele pot elibera o cantitate foarte mare de energie într-un interval foarte scurt de timp. Aceste baterii sunt de 2 tipuri:

Cu plumb acid inundat (flooded lead-acid FLA)

Cu plumb acid cu reglare prin valva (VRLA)

Acumulatorul cu plumb acid inundat este alcătuit din 2 electrozi care sunt construiți din plăci de plumb care sunt scufundate într-un amestec de 65% apă și 35% acid sulfuric.

Acumulatorul cu plumb acid cu reglare prin valva prezintă același principiu de operare ca acumulatorul cu plumb acid inundat, dar ele sunt sigilate cu o valva de reglare a presiunii. Aceasta elimină aerul care poate intră în celule și previne ventilarea hidrogenului. Acești acumulatori au un cost de întreținere mai redus, au o greutate mai redusă și ocupă mai puțin spațiu. Desigur acet tip de acumulator prezintă și dezavantaje cum ar fi costul de producție foarte ridicat și durata de viața este mai scăzută.

Atât energia cât și puterea acumulatorilor cu plumb acid se bazează pe mărimea și pe geometria electrodului. Puterea poate fi crescută, mărind suprafața pentru fiecare electrod, ceea ce înseamnă că acumulatorul va avea posibilitatea să ofere cantități mai mari de energie dintr-un electrod mult mai subțire.

Acumulatorii cu Plumb-Acid funcționează optim la o temperature între 5°C- 20°C aceștia fiind influențati direct de temperatura, în durata de viață a lor. Dacă temperatura optimă de funcționare este depășită în limita se reduce drastic durata de viață iar în cazul temperaturilor scăzute este influențată capacitatea lor.

Figura 1.2. Secțiunea unui acumulator cu Plumb Acid [1]

2.1.1 Aplicații

Bateriile cu plumb acid inundat au două mari întrebuințări:

Pornirea și aprinderea prin cantități mari de energie (baterii de mașină)

Cicluri constante și îndelungate în care este nevoie de o putere constantă pe o perioadă mare de timp

Acumulatorii cu plumb acid cu reglare prin valvă sunt foarte des folosiți în sistemele de rezervă. Aceste sisteme sunt regăsite în sistemele de telecomunicații, în UPS-uri. Un număr foarte mare de astfel de rezerve este folosit în ziua de astăzi și acest lucru poate fi văzut în tabelul de mai jos

Tabel 1.1: Cei mai mari acumulatori cu plumb acid și plumb acid cu reglare prin valva instalați în lume [2]

2.1.2 Costuri

Costurile acumulatorilor cu plumb acid pornesc de la $200/KW – $300.KW [2], dar pot ajunge și la $580/KW [3]

2.1.3 Dezavantaje

Acumulatorii cu plumb acid sunt foarte sensibili la mediul în care operează. Temperatura optimă de funcționare al unei baterii este de 27 de grade Celsius. Dacă apare o schimbare de 5 grade Celsius sau mai mult, această schimbare poate reduce durata de viață a bateriei cu până la 50%.

2.1.4 Schemă Electrică

Figura 1.3. Schemă bloc a unu acumulator cu plumb acid [1]

În momentul în care bateria este în repaus sau în condiție de circuit deschis avem VE=VB. În momentul în care acumulatorul începe și se descarcă , tensiunea va fi mai mică decât VE. În momentul încărcării bateriei, tensiunea va fi mai mare decât VE. În fiecare moment al încărcării sau al descărcării tensiunea de ieșire poate fi obținută din următoarele ecuații:

(1.1)

Unde: VB= tensiunea de ieșire [V]

VE = tensiunea de echilibru [V]

Vin = pierderea de tensiune internă [V]

Rin = Rezistența internă [Ω]

IB = curentul de descărcare [A]

Acumulatoare cu Nichel Cadmiu (Ni-Cd)

Acumulatorii cu Nichel Cadmiu au în componență un electrod pozitiv compus dintr-un material activ (hidroxid de nichel) și un electrod negativ care este compus din cadmiu metalic. Acești doi electrozi sunt separați de un material plastic. Electrolitul, care nu este supus unor modificări în timpul operării, este format din hidroxid de potasiu. În timpul descărcării oxidroxidul de nichel reacționează cu apa și duce la producerea ionilor de hidroxid și de asemenea a hidroxidului de nichel. În același timp la electrodul negativ are loc producerea hidroxidului de cadmiu. În timpul încărcării procesul este inversat și producerile de substanțe au loc invers.

Acumulatorii cu nichel cadmium oferă o serie de avantaje în folosință. Pentru o bună perioadă de timp acest tip de acumulator a fost foarte des folosit, în special în telefonie, în echipamente medicale de urgență și în tot felul de aplicații care necesitau o sursă de energie portabilă.

Acumulatorii standart Nichel Cadmiu sunt uni din cei mai primitivi acumulatori și necesită întreținere specială pentru a putea avea o durată de viață mai prelungită.

Există două modele de acumulatoare NiCd:

Acumulatoare cu supapă de ventilație

Acumulatoare sigilate.

Acumulatorii NI-Cd sigilați sunt comuni cu acumulatorii reîncărcabili folosiți în domeniul casnic. Aceștia nu elimină gaze, excepție făcând cazul în care acumulatorul prezintă un defect de funcționare.

Acumulatorii care sunt cu supapă de aerisire au același principiu de funcționare ca și acumulatorii sigilați. Singura diferență față de cei sigilați este aceea că gazul produs în ei este eliberat numai în cazul supraîncărcării sau a unei descărcări rapide. Oxigenul și hidrogenul este eliberat din acumulator printr-o supapă de joasă presiune care este prezența pe baterie. Astfel acumulatorul cu nichel cadmiu reprezintă o serie de avantaje față de acumulatorul cu nichel cadmiu sigilat, aceștia find mai siguri mai ușori și mai economici decât cele sigilate.

.

Figura 1.4. Secțiunea unui acumulator nichel cadmiu [4]

Acumulatorii cu Nichel cadmiu prezintă o eficiență de 60-70% în timpul funcționării normale iar durata acestora de viață poate fi de până la 15 ani. De asemenea acești acumulatori au un număr ridicat de cicluri de incărcări/descărcări care se poare ridica până la 3500 de cicluri.

Aplicații

Acumulatorii cu nichel cadmiu sigilați sunt cel mai des folosiți în domeniul casnic în special în aparatele electronice. Bateriile cu nichel cadmiu cu supapă sunt folosite în domeniul aeronautic și auto în special pe motoarele diesel.

Recent, acumulatorii cu nichel cadmiu au fost introduși și în domeniul stocării energiei solare, deoarece ei pot opera la temperaturi ale mediului ambient foarte ridicate.

Cost

Acumulatorii cu nichel cadmiu, au un cost mult mai ridicat față de acumulatorii cu plumb acid. Costul acestora se ridică la $600/Kw [5]. Deși au acest cost ridicat acumulatorii cu nichel cadmiu au un cost mult mai scăzut în cazul întreținerii datorită plajei mari de temperaturi la care pot funcționa

2.2.3 Avantaje și dezavantaje

Avantaje ale Nichel cadmiu

Încărcare foarte rapidă și simplă

Suportă un număr mare de încărcări / descărcări (între 1000 și 3500 cicluri)

Perfomanță ridicată în înmagazinarea energiei

Pot fi depozitate fără a fi necesară încărcarea în prealabil

Preț foarte scăzut de producție

Disponibile într-o mare varietate de mărimi și forme

Dezavantaje ale acumulatorilor Nichel Cadmiu

Necesită periodic un ciclu complet de încărcare/descărcare

Nu sunt prietenoase cu mediu, cadmiul este un metal foarte toxic

Necesită reîncărcare după ce au stat o perioadă

Prezintă o densitate scăzută de energie

Scheme electrice

Figura 1.5. Modelul ideal al unui acumulator Ni-cd [2]

Echivalentul ideal al schemei unui acumulator cu Ni-cd, este compus dintr-o simplă tensiune de circuit:

(1.2)

Acest model nu reflectă caracteristicile fizice ale acumulatorilui deoarece parametri interni sunt ignorați.

Figura 1.6. Modelul liniar al unui acumulator Ni-cd [2]

Modelul liniar al unui acumulator Ni-Cd include o rezistență internă, o sursă de tensiune. Acești doi parametri sunt fixi și nu își schimbă valoriile în timpul descărcării și incărcării.

(1.3)

Figura 1.7. Modelul Thevenin al unui acumulator Ni-cd [2]

Modelul Thevenin al unui acumulator Ni-Cd conține mai multe valori electrice care nu conține tensiuni V0, o rezistență internă R2 și un circuit paralel R1C care protejează de supratensiunile care sunt posibile să apară în circuit.

.

(1.4)

Parametrii R1, R2, C și V0 sunt parametri fixi care nu își schimbă proprietățile în momentul încărcării sau descărcării acumulatorului.

2.3 Acumulatore Litiu – Ion

Acumulatorii cu Lithiu – Ion sunt cei mai folosiții în industria echipamentelor electronice portabile deoarece acest tip de baterie este unul dintre cele mai ușoare. Litiul este cel mai ușor dintre metale și are cel mai mare potențial elctrochimic și produce cea mai mare densitate de curent pe greutate.

Acumulatorii cu litiu – ion au în componență un electrod pozitiv care este format din oxid de litiu-cobalt. Electrodul negativ este realizat dintr-un carbon înalt cristalizat. Electrolitul este compus din solvenți organici, săruri de litiu și separatori.

În timpul descărcării, litiul migrează de la anod la catod, iar în timpul încărcării acest proces este inversat iar litiul migrează de la catod la anod.

Densitatea de energie oferită de acest tip de baterie este de 2 ori mai puternică decât un acumulator standart cu nichel-cadmiu. Descărcarea acumulatorilor cu litiu-ion este asemănătoare cu cea a nichel-cadmiu însă perioada de încărcare este mult mai rapidă.

Acumulatorii cu litiu-ion nu necesită o întreținere specială, ca restul acumulatorile, de aceea bateria suportă o multitudine de cicluri de încărcări/descărcări și are avantajul de a nu se încălzi excesiv în momentul în care este folosită la o intensitate maximă pentru o perioadă de timp. Nu este nevoie nici de o formatare specială a acumulatorului fiind suficientă o încărcare completă a sa.

Deși acumulatorii cu litiu-ion au o multitudine de avantaje, cel mai mare avantaj al lor este ca acestea au nevoie de un circuit de protecția pentru a opera în condiții de siguranță. Acest circuit de protecție limitează tensiunea de vârf a fiecărei celule în momentul încărcării. Astfel se previne descărcarea foarte rapidă a acumulatorului în momentul folosirii.

2.3.1 Aplicații

Acumulatorii cu Li-ion pot avea dimeniuni foarte mari și pot ajunge și la ordiunul MW. De aceea ei pot fi folosiți în aplicații pe scară largă. Aceștia pot fi produși într-o mare varietate de forme și mărimi. Acumulatorii sunt foarte des folosiți în domeniul telefonic deoarece au o greutate redusă, pot furniza o energie și o putere mare și prezintă un randament de energie foarte ridicat.

2.3.2 Cost

Acumulatorii cu litiu ion au un cost ridicat de peste $600/Kw, care se datorează în special construcției acestora. Ei au în compoziție circuitele de protecție la supraîncărcare și ambalaju special care este folosit. De aceea au acest cost mai ridicat.

2.3.3 Avantaje și dezavantaje

Avantaje ale acumulatorilor litiu – ion

Nu este nevoie de o formatare specială, un singur ciclu de încărcare fiind suficient

În cazul în care acumulatorul nu este folosit curentul de descărcare al său este foarte mic

Au o densitate foarte mare de energie

Nu necesită întreținere specială

Dezavantaje ale acumulatorilor litiu – ion

Necesită un circuit de protecție pentru a menține tensiunea și curentul în limite sigure

Pentru păstrare în momentul în care nu este folosită, acumulatorul trebuie păstrat într-un loc răcoros cu o încărcare de aproximativ 40%

Prețul de fabricație este ridicat (aproximativ 40% mai costisitor decât producția unui acumulator cu nichel-cadmiu)

Cost ridicat

Scheme electrice

Modelul Rint

Acest model de schemă electrică implementează o sursă de tensiune ideală pentru a defini tensiunea din circuit. Rezisteța folosită R0 și tensiunea de circuit U0C sunt funcții ale estimării stării de încărcare și a temperaturii. IL este curentul încărcat pozitiv în regim de descărcare și cu o valoare negativă în regim de încărcare.

Figura 1.8. Schema electrica, model Rint [2]

Formula de calcul aplicată pentru modelul RINT:

(1.5)

Modelul Thevenin

Acest model este compus din 3 părți care includ tensiunea în circuit UOC, rezistențele interne și capacitățile echivalente. Rezistența internă este formată din rezistența R0 și rezistența de polarizare RTh. Capacitatea echivalentă CTh este folosită pentru a descrie curentul tranzitoriu în timpul încărcării și descărcării. UTh este tensiunea care străbate CTh. ITh este curentul care străbate CTh

Figura 1.9. Schema electrică, model Thevenin [2]

Formula de calcul aplicată pentru modelul Thevenin:

(1.6)

Modelul PNGV

Acest model se obține prin adăugarea unui condensator de valoare 1/U’OC la schema Thevenin. Acest condensator este adăugat pentru a descrie schimbările care se regăsesc în tensiunea circuitului în momentul în care se acumulează curentul de încărcare.

.

Figura 1.10. Schema electrică, model PNGV [3]

Ud și UPN sunt tensiunile care străbat 1/U’OC respectiv CPN. IPN este curentul care străbate CPN. Ecuația folosită pentru a determina PNGV este:

(1.7)

2.3.4.4 Metoda estimării SOC-ului folosind parametrii (U si I)

Acumulatorii cu Li-ion conțin o serie de celule, care sunt capabile să stocheze un număr fix de energie. Capacitatea energiei este exprimată în Amperi oră (Ah) și corespunde capacității de descărcare, la un curent dat în decursul a o oră. Totalul de putere disponibilă depinde de tensiune și curentul de ieșire.

Tensiunea internă a bateriei este dată de formula:

(1.8)

Unde Vechilibru este o constantă care poate fi determinată din fișa de catalog obținută de la producator iar constanta k este determinată de temperatura din camera in care este amplasată stiva de celule.

2.4 Acumulatori cu Sodiu-Sulf (NaS)

Acumulatorii cu sodiu-sulf prezintă o densitate de energie foarte mare. Comparativ cu bateriile cu plumb acid, aceștia au o energie de 3 ori mai mare, prezintă o durată de viață mai îndelungată și de asemenea au un cost de întreținere redus. Acumulatorii cu sodiu sulf au în compoziție o celulă electrochimică de formă cilindrică, în care se regăsește un electrod negativ. Care este format din sodiu topit, și un electrod pozitiv format din sulf topit. Electrolitul utilizat în cazul acumulatorilor cu sodiu sulf este format din β-alumina solidă.

În timpul descărcării, ionii de sodiu străbat electrolitul β-alumina solidă, reacționează cu electrodul pozitiv cu sulful pentru a putea forma polisulfura de sodiu.

Figura 1.11. Secțiunea unui acumulator cu Sodiu-sulf [7]

În timpul încărcării, procesul și reacția este inversată, astfel încât polisulfură de sodiu se descompune, iar ionii de sodiu sunt transformați în sodiu la electrodul pozitiv. Pentru a putea menține sulful și sodiul în stare topită în acumulator, și de asemenea pentru a putea obține o conductivitate în electrolit, acumulatorii trebuiesc amplasați intr-o incintă care a fost în prealabil izolată termic. În această incintă trebuie să fie păstrată o temperatură de peste 270 °C (de obicei între 320 °C – 340 °C). Un modul de acumulator de sodiu sulf are o putere de cuprinsă între 50 kW și 360 kWh.

2.4.1 Aplicații

Cea mai importantă caracteristică a unui acumulator cu sodiu sulf este capacitatea acestuia de a oferi putere într-o singură descărcare continuă sau în impulsuri de scurtă durată. De asemenea alt avantaj este capacitatea acestora de a pulsa energie în mijlocul unei descărcări de lungă durată. De aceea acumulatorii cu sodiu-sulf au numeroase aplicații cum ar fi: gestionarea energiei electrice și asigurarea calității energiei electrice.

Acumulatorii cu sodiu-sulf pot fi folosiți în sistemele cu instalații eoliene, și de asemenea pe viitor ele vor fi instalate și în aplicații regenerabile.

2.4.2 Cost

Acumulatorii cu sodiu-sulf ajung la costuri de $810/kw, fiind un produs nou comercializat. Acest cost va fi scăzut odată cu începerea producției în serie.

2.4.3 Avantaje și dezavantaje

Avantaje ale acumulatorilor sodiu-sulf:

Randament mediu

Durată de viața mare

Număr de cicluri încărcare/descărcare ridicat (aproximativ 2500)

Dezavantaje ale acumulatorilor sodiu-sulf

Funcționează la temperaturi de peste 270 grade Celsius

Pot prezenta probleme de conductivitate și autodescărcare

2.4.3 Scheme electrice

Cea mai importantă caracteristică a unui acumulator NaS este determinată de tensiunea din celulele lor. Curentul este capabil să fie furnizat pe o perioadă determinată de timp. Cei doi electrozi care dau sau primesc energie se numesc electrozi pozitivi „ep” respectiv electrodul negativ „en”. În interiorul acumulatorului ionii sunt transportați între electrodul negativ și pozitiv prin intermediul electrolitului. Electrolitul poate fi gazos, lichid sau solid. Forța electromotoare E0 este diferența de teniune dintre potențialul electrozilor și tensiunea circuitul care nu este în sarcină.

(1.9)

În ecuația anterioare E0 nu depinde de reducerea de potențial al acumulatorului redox. În timpul descărcării inițiale, tensiunea bateriei poate fi determinată de:

(1.10)

Unde I este curentul consumat de către sarcină conectată, R0 este rezistență internă a celulei iar η este factorul de polarizare. Factorul de polarizare sumarizează contribuția complexului chimic care are loc între cele doi electrozi prin electrolit și depinde de tipul bateriei.

Tensiunea V0 și rezistența R0 au în general diferite stări care depind de gradul de încărcare, de descărcarea profundă și de asemenea de ce încarcă sau descarcă acumulatorul.

(1.11)

Unde tensiunea Vi descrește linear odată cu descărcarea Qd în Ah, iar rezistența internă Ri crește linear cu Qd. Kv și Kr sunt constante care pot fi determinate testând bateria sau pot fi preluate din specificațiile date de producătorul acumulatorului.

(1.12)

(1.13)

Figura 1.12. Schemă bloc a unui acumulator NaS [7]

2.5 Acumulatori de tip ZEBRA

Acumulatorii pe bază de clorură de sodiu/nichel, denumite și ZEBRA, aparțin categoriei de baterii care sunt utilizate la temperaturi ridicate. Electrodul negativ este compus din sodiu lichid iar electrodul pozitiv este format din clorură de nichel. Electrolitul folosit utilizează β-alumina. Ceea ce diferențiaza acest tip de acumulator este ca acesta prezintă și un al doilea electrolit lichid format din clor aluminat de sodiu. Acesta este folosit pentru a permite transportul foarte rapid de ioni de sodiu sub formă de clorură de nichel solid și de la electrolitul ceramic [6]. Cea mai bună performață a unei celule se realizează la temperaturi foarte ridicate cuprinse între 250-350 grade Celsius.

Acumulatorii ZEBRA au capacitatea de a fi integrate în instalațiile de producere a energiei regenerabile. Ele sunt folosite de asemenea foarte des și în industria automobilistică.

Sisteme de stocare cu baterii redox – flow:

Exista trei tipuri de acumulatori cu redox – flow:

Acumulatori cu Vanadiu (VRB)

Acumulatori cu Polisulfură de Brom (PSB)

Acumulatori cu Zinc – Brom (ZnBr)

Aceste tipuri de acumulatori au principiu de funcționare asemănător. Cel doi electroliți sunt pompați în stiva de celule unde se produce o reacție chimică în urma căreia rezultă curent electric.

Aceste tehnologii pot fi dimensionate la puteri de ordinul MW și prin urmare pot fi folosite ca o soluție viabilă în aplicații la scară largă.

2.6 Acumulatori de oxido-reducere cu vanadiu (VRB)

Acumulatorii pe bază de vanadiu sunt folosiți pentru stocarea energiei electrice. Acestia au un mod de funcționare similar cu pilele de combustie reversibile (execută conversia energiei chimice în energie chimică). Funcționarea lor este simplă. Se produc reacții de oxidare și de reducere, care se formează datorită vanadiului. Energia produsă este stocată chimic în diferite structuri ionice ale vanadiului, cu scopul de a reduce acidul sulfuric din electrolit. Electrolitul este pompat din două rezervoare separate și este format dintr-un material plastic. Pomparea se produce în membrana schimbătoare de protoni (PEM), unde o parte din electrolit este oxidat chimic iar cealaltă parte este redusă electrochimic. Acest proces generează un curent care este adus la electrozi, astfel se face posibilă conexiunea cu circuitul extern. Reacția această este reversibilă atâta timp cât bateria este funcționabilă, indiferent de starea de încărcare. Energia electrică acumulată în baterie poate fi stocată fără limite în lichidul prezent, având un grad de descărcare foarte scăzut și poate fi recuperată într-un timp foarte redus.

Pentru a funcționa în condiții optime a sistemului este necasara asigurarea echilibrului dintre puterea cerută de consumatori și puterea generată. Prețurile ridicate ale acesteia și deficitele energiei creează probleme foarte importante în siguranța. Datorită capacității ridicate de stocare, utilizarea pe scară largă a bateriilor cu vanadiu realizează creșterea perfomantelor sistemelor de stocare ale energiei electrice și implicit a celor de transport.

Tensiunea unei astfel de celule este de aproximativ 1.2V.

2.6.1 Aplicații

Acumulatorii VRB pot deservi numeroase aplicații. Însă ei prezintă diferite modalități de utilizare. Pot uniformiza sarcini cu reducerea vârfurilor de sarcină și controlul sistemul de distribuție al acestora.

Acumulatorii cu vanadiu poti fi integrați în sistemele de stocare a energiei și astfel există posibilitatea reducerii costurilor, consumului și astfel pot fi minimalizate emisiile poluante. Sistemele VRB pot fi integrate de asemenea și în sistemele hibrid (câmp fotovoltaic + generator) determinând o creștere a randamentului și a funcționării acestuia.

Bateriile de tip VRB pot fi utilzare în sistemele electronice UPS, care deservesc în caz de urgență, în cazul opririi bruște a alimentării cu energie electrică.

2.6.2 Cost

În cazul bateriilor cu vanadiu, putem vorbi de două costuri. Costul puterii (kW) și costul energiei (kWh). Deoarece acestea două sunt independente una de cealaltă, avem aceste costuri separate. Astfel costul puterii pentru VRB ajunge la aproximativ $1.828/kW, iar costul energiei furnizate este cuprins între $300/kWh și $1.000/kWH, în funcție de proiectarea sistemului. [8]

2.6.3 Avantaje și Dezavantaje

Avantaje ale acumulatorilor cu vanadiu:

Pot fi proiectați și executați într-un timp foarte scurt

Funcționează la temperaturi scăzute

Număr de cicluri încărcare/descărcare ridicat (aproximativ 10500)

Au un randament cuprins între 65% – 75%

Durată mare de viață a electrolitului, acesta odată incarcat rămâne complet încărcat, autodescărcarea fiind extrem de scăzută

Electrolitul nu conține acid

Dezavantaje ale acumulatorilor cu vanadiu

Sunt foarte voluminoase

Necesită o încăpere specială, datorită vanadiului ele sunt foarte toxice

Tehnologia în cazul acumulatorilor cu vanadiu este încă în etapă de dezvoltare.

2.6.4 Schema electrică

Figura 1.13. Schemă bloc a unui acumulator cu vanadium [13]

2.7 Acumulatori cu Polisulfură de Brom (PSB)

Acumulatorii cu PSB sunt foarte similari cu acumulatorii cu vanadiu (VRB). Sistemul este alcătuit din aceleași componențe: stivă de celule, rezervoare de electrolit, sisteme de control și o sursă de putere sau sarcină. Electrozii utilizați în construcția acestui tip de acumulator sunt bromura de sodiu ca electrodul pozitiv iar polisulfură de sodiu este folosită pentru a compune electrodul negativ. Tensiunea care se regăsește într-o astfel de celulă este de aproximativ 1.5V. Acumulatorii cu polisulfură de brom funcitoneaza în intervalul de temperatură cuprins între 20 și 40 grade celsius.

2.7.1 Aplicații

Acumulatorii cu polisulfură de Brom (PSB) pot fi utilizați în uniformizarea sarcinii, în reducerea vârfurilor de putere și pot fi integrați cu succes în aplicațiile cu resurse regenerabile.

Un foarte mare avantaj al acestui tip de acumulator este timpul de răspuns foarte rapid. Ele pot să reacționeze în termen de 20 milisecunde cu singură condiție ca electrolitul să fie menținut în stivă. În condiții normale de funcționare , acumulatorii cu polisulfură de Brom pot înmagazina sau debită energie în termen de 0.1s [9].

2.7.2 Cost

În cazul bateriilor cu PSB costul capacității de putere este de $1.094/KW, iar costul capacității de energie este de $185/kWh. [8]

2.7.3 Avantaje și dezavantaje ale acumulatorilor cu PSB

Avantaje ale acumulatorilor cu vanadiu:

Număr de cicluri încărcare/descărcare ridicat (aproximativ 2500)

Au un randament de 75%

Durată mare de viața a electrolitului, acesta odată incarcărcat electrolitul rămâne complet încărcat, autodescărcarea fiind extrem de scăzută

Electrolitul nu conține acid

Dezavantaje ale acumulatorilor cu vanadiu

Sunt foarte voluminoase

Necesită întreținere specială (o dată la 2 săptămâni) datorită reacției chimice în care se produc mici cantități de brom, hidrogen și de sulfat de sodiu

2.8 Acumulatori cu ZnBr

Acumulatorii cu ZnBr sunt diferiți de acumulatori cu VRB și PSB. Alcătuirea lor este identică, conțin aceleași componente, însă funcționarea este diferită.

În timpul procesului de încărcare, electroliții de zinc și ionii de brom ajung în celule (în stivă). Acești electroliți sunt separați de o membrană poroasă. Diferența acumulatorilor cu ZnBr față de acumulatorii cu VRB și PSB, este aceea că electroliții acționează în calitate de substraturi pentur reacție. În urma acestei reacții zincul este galvanizat pe electrodul negativ și bromul se dezvoltă pe electrodul pozitiv. Un agent se adaugă electrolitului pentru a reduce reactivitatea bromului elementar. Această acțiune reduce autodescărcare bromului și îmbunătățește reacția întregului sistem [8].

În timpul descărcării această reacție este inversată, zincul fiind dizolvat în electrodul negativ iar bromura este formată la electrodul pozitiv. Tensiunea unei astfel de celule este de aproximativ 1.8V.

2.8.1 Aplicații

Acumulatorii cu ZnBR sunt fabricați în module de câte 25 kW, 50 kW și sunt construiți din trei stive de câte 60 de celule fiecare conexiunea fiind făcută în paralel. Acumulatorii cu ZnBR au cea mai mare densitate de energie electrică din clasa din care fac parte, au o dimensiune redusă și o greutate mică în comparație cu acumulatorii LAB, VRB, PSB.

Acumulatorii cu ZnBr sunt utilizați mai ales pe piață de energie care provine din surse regenerabile. Ei pot atenua fluctuațiile de putere dintr-o fermă eoliană [3] sau panouri solare. În instalatii s-au folosit pentru UPS-uri, pestru gesitonarea sarcinii, în microturbine, în generatoare solare și în stațiile de transport și distribuție [8].

2.8.2 Cost

În cazul acumulatorilor cu zinc-brom costul capacității de putere este de $639/kW iar costul capacității de energie este de $400/kWh. [8]

2.8.3 Avantaje si dezavantaje ale acumulatorilor ZnBr

Avantaje ale acumulatorilor cu ZnBr:

Funcționează la o temperatură între 20 și 50 grade Celsius

Au un randament cuprins între 75% – 80% [9]

Durată mare de viață a electrolitului, acesta odată incărcat electrolitul rămâne complet încărcat, autodescărcare fiind extrem de scăzută

Electrolitul are o viață nelimitată

Acumulatorii pot fi descărcați complet fără consecințe grave

Dezavantaje ale acumulatorilor cu ZnBr

Este dificilă creșterea capacității

Membrana pe care o au în componentă suferă de degradare ușoară în timpul reacției, și necesită înlocuire după aproximativ 2000 de cicluri încărcare / descărcare

2.9 Super-condesatori (SC)

Condensatorii sunt compuși din două plăci paralele care sunt separate de un izolator bielectric. Plăcile conțin sarcini încărcate opus care induc un curent electric, în care energia poate fi stocată. Energia dată de condensator poate fi dată de relația:

(1.14)

Unde E este energia stocată în condensatori (în Jouli), V este tensiunea aplicată iar C este capacitatea care este dată de:

(1.15)

Unde A este zona plăcilor paralele, d este distanța dintre cele două plăci, este permitivitatea bielectricului constant iar este permitivitatea spațiului liber.

Pentru a putea îmbunății energia stocată de de acest condensator, tensiunea sau capacitatea trebuie să fie crescută. Tensiunea fiind limitată de puterea maximă a câmpului energetic, iar capacitatea depinde de materialul din care bielectricul este construit.

Fig. 1.14. Schemă bloc a unui supercondensator [1]

Super condensatorii sunt creați folosind un filtru compus din polimer pentru stratul de bielectric și un conductor din carbon. Ele folosesc straturi de lichid de polarizare care conduce electroliți ionici pentru a putea crește capacitatea. Supercondensatorii pot fi conectați în serie sau în paralel.

Aplicații ale supercondesatorilor

Cel mai mare avantaj pe care îl au supercondensatorii este aceea că ei au o viteză foarte mare de încărcare și descărcare, combinată cu o durată de viață extrem de mare care este de aproximativ 1×106 cicluri.

În comparație cu acumulatorii, supercondensatorii au o durată de viață mult mai îndelungată, prezintă degradare minimă în cazul descărcării complete, nu se încălzesc și nu au în compoziție substanțe periculoase sau toxice. Ca urmare deși densitatea de energie stocată este foarte mică, supercondesatorii reprezintă o bună opțiune pentru a putea fi folosiți în domeniul auto, în domeniul telefoanelor mobile și în zonele unde este nevoie de încărcare pe nivele.

Costuri:

Stocarea energiei prin intermediul supercondesatorului costă aproxmativ $12.960/KWh până la $28,000/Kwh. De aceea folosirea supercondensatorilor pe scară largă nu reprezintă o economie.

Avantaje și dezavantaje

Avantaje ale SC: [8]

Operează bine la puteri mari, de vârf, având timpii de răspuns foarte scurți

Dezavantaje ale SC [8], [12]

Au energie specifică foarte redusă care conduce la costuri de investiție ridicată

Tensiunea redusă atrage după since necesitatea de a înseria un număr mare de celule, astfel crescând costul investiției

Dimensiuni mai mari decât la acumulatorii convenționali

2.10 Sisteme de stocare cu bobină superconductoare (SMES)

Aceste sisteme cu bobină supraconductoare (SMES – Superconducting Magnetic Energy Storage), înmagazinează energia electrică într-un câmp magnetic al unei bobine care este străbătută de un curent electric continuu. Acest curent continuu poate fi convertit în curent alternativ dacă este necesar

Sistemul SMES poate fi de tipuri:

de joasă temperatură (0-7.2K), este răcit cu heliu lichid

de înaltă temperatură (10-150K) și este răcit cu azot lichid

În momentul în care curentul străbate un conductor, energia este disipată sub formă de căldură, datorită rezistenței care se regăsește în conductor. Cu toate acestea, utilizarea unui material superconductor (plumb, mercur sau vanadiu) face ca rezistența să fie zero, automat nu mai este generată căldură și nu mai există pierderi în conductor. Astfel energia poate fi stocată fără pierderi de energie electrică [8].

Calea de circulație a curentului este repetat deschisă și inchisă pentru a putea fi extrasă energia. Acest lucru este posibil prin utilizarea unui întreruptor static. Datorită conductanței mari, bobina se comportă ca o sursă de curent și poate fi folosită pentru încărcarea unui condensator care furnizează tensiune continuă unui invertor ce produce tensiunea alternativă necasară. [11]

Aplicații

În ultima perioadă sisteme SMES s-au dezvoltat tot mai mult, acestea fiind folosite ca soluții alternative la soluțiile clasice (acumulatori)

Sistemele de stocare a energiei sunt utilizate în aplicații unde se impune înmagazinarea energiei electrice extrase în exces ( sistemele hibride de energie regenerabilă) și în cele în care au ca scop îmbunătățirea calității energiei. Scopul acestor sisteme de stocare este de a înlătura efectele negative provocate de lipsa de tensiune care apare în sistemele de mică putere. Aceste lipsuri de tensiune sunt foarte dăunătoare în special calculatoarelor și echipamentelor electronice și electrocasnice. SMES constituie o alternativă la elementele convenționale de stocare, pentru puteri mari și foarte mari. [11], [12].

Cu toate acestea datorită consumului foarte ridicat de energie pentru sistemul de răcire, SMES-urile nu sunt potrivite pentru aplicații cum ar fi reducerea vârfurilor de sarcină sau a aplicațiilor din surse regenerabile. [8], [9].

SMES-urile vor fi utilizate foarte puțin în aplicațiile cu energii regenerabile [8]. Bobina supraconductoare este foarte sensibilă la modificări de temperatură, iar în plus SMES-urile au densitate de energie mică și capacitate de stocare de până la 2 MW. Actualmente, SMES-urile sunt utilizate în aplicațiile industriale de îmbunătățire a calității energiei electrice [10].

Cost

Sistemele cu SMES-uri au un cost aproximativ care oscilează între $300.kW – $500/kW [9]. Datorită dimensiunii și a scopului acestui sistem (SMES) este dificilă compararea cu alte dispozitive de stocare. O opțiune foarte atractivă pentru îmbunătățirea rețelei folosind sisteme SMES o reprezintă costul energiei electrice stocate într-o bobină supraconductoare, care este de așteptat să scadă cu aproximativ 30%. [8]

Avantaje și dezavantaje ale sistemului de stocare SMES

Avantaje ale SMES:

Au un randament cuprins între 90% – 99% [8]

Au un timp rapid de descărcare, dar numai pentru perioade scurte de timp. O descărcare completă poate fi făcută în mai puțin de 1 minut

Pot avea mii de cicluri de încărcare / descărcare fără nici o degradare

Durate de viață foarte mare +20 ani [8]

Dezavantaje ale SMES

Sensibilitate ridicată la temperatură, bobina trebuie menținută la o temperatură foarte scăzută pentru a se comporta ca un supraconductor. [8]

Sistemul de răcire poate produce pierderi parazite în cadrul sistemului [8]

Tabelul 1.2 – Comparație intre tehnologiile de stocare a energiei electrice [10]

Tabelul 1.3 – Caracteristici de funcționare pentru tehnologiile de stocare, [8], [9]

Tabelul 1.4 – Caracteristici de cost pentru tehnologiile de stocare [8]

CAPITOLUL 2

Metode de estimare a gradului de încărcare a unui acumulator (SOC)

Clasificarea metodelor de estimare a unui acumulator

Estimarea gradului de încărcare a unei baterii este cel mai important parametru pentru acumulatori. În general gradul de încărcare a unei baterii este definită ca fiind proporția dintre capacitatea bateriei si capacitatea nominală. Capacitatea nominală este dată de producător și reprezintă maximul de încărcare care poate fi stocat în baterie. Gradul de încărcare al unei baterii poate fi definit după cum urmează:

(2.1)

Clasificarea stărilor de încărcare este diferită, și poate fi definită după cum urmează

Măsurătoare directă

Această metodă folosește proprietățile fizice ale bateriei cum ar fi tensiunea și impedanța

Metodă estimativă

Această metodă folosește curentul de descărcare ca intrare și integrează curentul de descărcare în timp pentru a calcula starea de încărcare

Sisteme adaptive:

Sistemele adaptive sunt sistemele care pot ajusta automat starea de încărcare a acumulatorului pentur diferite condiții de descărcare.

Metode hibrid:

Acestă metodă beneficiază de avantajul stării de estimare și permit o estimare performantă. De regulă metodele hibrid sunt cele mai exacte în estimarea stării de încărcare în comparație cu metodele individuale.

În tabelul de mai jos putem regăsii metodele de estimate folosite pentru fiecare categorie.

Tabelul 2.1: Clasificarea metodelor de estimare a starii de incarcare

2.1 Măsurări directe

Metodele de măsurare directă se referă la anumite proprietăți fizice ale bateriei precum tensiunea de ieșire și impedanță. Numeroase metode directe au fost implementate: metoda tensiunii de circuit, metoda tensiunii de ieșire, metoda măsurătorii impedanței și metoda impedanței spectroscopice.

Metoda tensiunii de circuit

Există o relație aproximativ liniară între stadiul de încărcare al unei baterii (SDI) cu plumb acid și tensiunea de circuit a acesteia dată de formula

(2.2)

unde SOC (t) reprezintă stadiul de încărcare al bateriei la t, a0 este tensiunea de ieșire atunci când SOC = 0%, și a1 este obținut cunoscând valoarea lui a0 și Voc(t) la un stadiu de încărcare de 100%. Prin relația prezentată mai sus estimarea stadiului de încărcare este echivalentă cu estimarea tensiunii de circuit a acesteia. Metodă tensiunii de circuit bazată pe tensiunea de circuit a bateriilor este proporțională cu stadiul de încărcare atunci când sunt deconectate de la sarcină pentru o perioadă mai mare de două ore.

Spre deosebire de bateria cu plumb-acid, bateria Litiu-ion nu are o relație liniară între stadiul de încărcare și tensiunea de circuit ale acesteia. O relația tipică a bateriei Li-ion între stadiul de încărcare și tensiunea de circuit este prezentată în figura nr 1. Relația dintre Tensiunea de circuit și stadiul de încărcare a bateriei a fost determinată aplicând un impuls de sarcină pe bateria Litiu-ion și apoi bateria a fost lăsată să își recapete echilibrul

Figura 2.1. Relatia tipica intre stadiul de incarcare si tensiunea de circuit [14]

Relația dintre tensiunea de circuit și stadiul de încărcare nu poate fi identică pentru toate bateriile. Deoarece convenția Tensiune de circuit-Stadiu de încărcare diferă de la baterie la baterie, există o problemă în ceea ce privește felul în care relația tensinea de circuit și stadiul de încărcare ar trebui măsurată pentru a se estima cu acuratețe stadiul de încărcare. Stadiul de încărcare și capacitatea unei baterie Litiu-Ion sunt estimate folosindu-se filtrul dublu extins Kalman

Metoda tensiunii de ieșire

Metoda tensiunii de ieșire este bazată pe căderile tensiunii de ieșire, datorate impedanței interne atunci când bateria se descarcă. Astfel forța electromotoare a bateriei este direct proporțională cu tensiunea de ieșire. Forța electromotoare a bateriei fiind aproximativ liniar proporțională cu stadiul de încărcare, rezultă ca tensiunea de ieșire a bateriei este aproximativ liniar proporțională cu stadiul de încărcare. Metoda tensiunii de ieșire a fost aplicată la diferiți curenți și temperaturi de descărcare. Dar la finalul descărcării bateriei, eroarea de estimare a metodei tensiunii de ieșire este mare, deoarece tensiunea de ieșire are căderi bruște la finalul descărcării.

Metoda impedanței

Printre tehnicile care au fost aplicate, măsurătorile impedanței furnizează cunoștințe despre câțiva parametrii, magnitudinile de care poate depinde stadiul de încărcare a bateriei. Cu toate că parametrii impedanței și variațiile lor cu stadiul de încărcare nu sunt unice pentu toate sistemele de baterii. Este necesară rularea mai multor teste de impedanță pentru a identifica și folosi parametri impedanței, pentru a putea estima gradul de încărcare al bateriei.

Masurarea estimativă

Măsurarea estimativă folosește curentul de descărcare al bateriei ca fiind curent de intrare. Această metodă permise includerea anumitor efecte ale bateriei cum ar fi autodescărcarea, pierderea capacitații și eficiența descărcării. Măsurarea estimativă are 2 mari metode:

Metoda Coulomb

Metoda Coulomb modificată

Metoda Coulomb

Metoda Coulomb măsoară curentul de descărcare al bateriei și îl integrează în funcție de timp pentru a putea estima stadiul de încărcare. Această metodă este folosită pentru a estima gradul de încărcare, care este estimat din curentul de descărcare I(t) și din valoarea estimată anterior SOC(t-1). Gradul de încărcare este calculat cu următoarea formulă:

(2.3)

Însă din păcate sunt anumiți factori care influențează estimarea gradului prin metodă Coulomb. Aceștia sunt temperatură, vechimea bateriei, curentul de descărcare și numărul de cicluri la activ.

Metoda Coulomb modificată

Pentru a putea îmbunătăți metoda Coulomb simplă , a fost dezvoltată metodă modificată. Această metodă folosește un curent corectat pentru a putea estima mai exact gradul de încărcare.

Curentul colectat este în funcție de curentul de descărcare. Acesta este o relație intre curentul corectat și curentul de descărcare. Acest curent este dat de formulă:

(2.4)

Unde k2, k1 și k0 sunt valorile constante obținute experimental.

Folosind metoda Coulomb modificată gradul de încărcare este calculat prin următoarea formulă:

(2.5)

Prin comparație această metodă este net superioară față de metoda Coulomb clasică.

Metoda estimării SOC-ului folosind parametrii (U si I)

Pentru a putea estima gradul de încărcare al unui acumulator (SOC) este data de formula:

(2.7)

(2.8)

Unde:

Istiva = curentul stivei

Tpas = Timpul de pas la care se actualizeaza estimarea gradului de încărcare

Pnominala = puterea nominală a acumulatorului (calculată cu formula P=U*I)

Tincarcare= timpul de încărcare/descărcare (considerăm un timp de descărcare de 3 ore)

Sisteme adaptive

Prin dezvoltare inteligenței artificiale au fost dezvoltate și diferite sisteme pentru estimarea gradului de încărcare. Aceste sisteme adaptive sunt foarte adaptibile și pot fi ajustate automat în sistemele care se schimbă. Deoarece bateriile au fost afectate de numeroși factori chimici și nu au un grad de încărcare liniar, sistemele adaptive oferă cea mai bună soluție în a estima stadiul de încărcare.

Rețea neuronală BP

Această rețea neuronală BP este aplicată în estimarea stadiului de încărcare deoarece are o bună abilitate în a determina, a organiza și a se auto-adapta în orice situație. După cum problema a fost definită relația dintre intrare și ieșire nu este liniară și astfel estimarea devine foarte dificilă. Astfel rețeaua neuronală BP prezice stadiul de încărcare folosind ultimele măsurători de curent, de tensiune și de temperatură a bateriei, care au fost măsurate anterior.

Arhitectura unui sistem de estimare bazat pe rețeaua neuronală BP este arătat în figura 2.2. Această arhitectură conține un strat de intrare, un strat de ieșire și un strat ascuns. Stratul de intrare are 3 neuroni care determină tensiunea, curentul și temperatura ambientală. Stratul ascuns are un număr de g de neuroni iar stratul de ieșire are un singur neuron care este folosit pentru estimarea stadiului de încărcare.

Figura 2.2. Arhitectura neuronală al stadiului de încărcare folosind rețeaua neuronală BP [16]

Numărul total de intrări neuronale care intră în stratul ascuns este calculat de formulă următoare:

(2.9)

Unde netij este numărul total de intrări în stratul ascuns „j”, xi este intrarea în stratul ascuns a neuronului j de la intrarea neuronului i, vij este greutatea între intrarea neuronului i și stratul de neuroni ascunși j, iar bj reprezintă datele din stratul de neuroni ascunși j.

Funcția de activare care se aplică neuronilor din stratul ascuns se face prin formula:

(2.10)

Numărul total de neuroni o în stratul de ieșire este calculat prin:

(2.11)

Unde „net o” este numărul total de intrări în stratul de ieșire al neuronilor o, iar hi este intrarea la ieșirea stratului de neuroni din stratul de neuroni ascunși i, iar wi este greutatea între stratul ascuns de neuroni i și stratul de ieșire, iar g este numărul de neuroni din stradul ascuns.

Funcția de activare aplicată neuronului o în stratul de ieșire este dată de:

(2.12)

Rețeaua neuronală RBF

Rețeaua neuronală RBF este o metodă foarte folositoare pentru sistemele cu lipsă de informații. Poate fi folosită pentru a analiza relațiile între o secvență majoră și celelalte date care sunt cunoscute. Rețeaua neuronală RBF este folosită în estimarea gradului de încărcare a unui sistem. Toate testele și măsurătorile care au fost executate pe acest țip de rețea au arătat că aceasta prezintă un timp de reacție foarte bun și o estimare foarte precisă și poate îndeplini multe aplicații practice.

Rețeaua neuronală RBF folosește datele de intrare ale bateriei, cum ar fi tensiunea, curentul de descărcare și temperatură ambientală pentru a estima gradul de încărcare al bateriei sub anumite condiții de descărcare.

Filtru Kalman

Folosirea unei metode de măsurare în timp real pentru a estima gradul de încărcare al bateriei ar fi dificil și costisitor de făcut. Folosind metodă filtrului Kalman acesta arată cum pot fi făcute estimări în timp real al gradului de încărcare al bateriei cu estimare în timp real

Metode hibrid de estimare

Obiectului metodelor hibrid este acela de a beneficia de toate avantajele fiecărei metode de estimare și de a obține o estimare perfomantă și extrem de eficientă. Deoarece informația care se obține în modul individual de estimare este limitat, metodă hibrid poate maximiza mărimea informație deținute și poate integra din mai multe sisteme informațiile individuale.

Metoda Coulomb combinată cu metoda EMF

Această metodă combină măsurarea directă a bateriei în starea de echilibru și metoda estimativă cu metoda Coulomb în timpul stării de descărcare. Această metodă a fost dezvoltată și implementată în estimările în timp real.

Orice baterie își va pierde din capacitate odată cu ciclurile de încărcare/descărcare. Pentru a calcula gradul de încărcare și durata de viață se va introduce o adaptare denumită Qmax. În acest algoritm condițiile stabile a gradului de încărcare sunt exploatate pentru a puteam adapta Qmax cu efectul îmbătrânirii bateriei.

Astfel se arătat că algoritmul Qmax poate îmbunătăți estimarea gradului de încărcare și la estimarea duratei de viața a acumulatorului, chiar și pentru unul nou.

Metoda Coulomb combinată cu filtru Kalman

Această metodă folosește un filtru Kalman pentru a corecta valoarea inițială folosită în metoda Coulomb. În această metodă filtrul Kalman deservește pentru a aproxima valoarea inițială care va fi convertită în valoare reală. După această estimare metoda Coulomb va fi aplicată pentru a estima gradul de încărcare pe o perioadă de timp mai mare. Estimarea gradului de încărcare va avea o eroare de 2.5% în comparație cu estimarea în timp real a gradului de încărcare obținută printr-un test de descărcare.

Capitolul 3

Implementarea in simulink a unui acumulator cu Plumb Acid cu valva de reglare (VRLA)

Acumulatorul cu plumb acid cu reglare prin valva este alcătuit din 2 electrozi construiți din plăci de plumb care sunt sigilate cu o valva de reglare a presiunii. Aceasta elimină aerul care poate intra în celule și previne ventilarea hidrogenului.

Acumulatorul cu plumb acid de tip VRLA ales pentru a putea simula gradul de încărcare în simulink este:

Un acumulator produs de Koyosonic cu o tensiune nominală de 24V și un curent de 25Ah.

.

Tabel 3.1. Fișă de producător al acumulatorului VRLA analizat [16]

Schema folosită pentru simulare este :

Figura 3.1. Schemă bloc a unui acumulator tip VRLA

Se va folosi formula estimării gradului de încărcare

(3.1)

Unde:

SOC[%] = gradul de încărcare inițial în procente

1/Qn = Capacitatea nominal [Ah]

Ib = curentul din circuit

Pentru un acumulator de 24V și un curent nominal de 25Ah vom avea o tensiune pe celule de 1.93V.

Pentru a putea ajunge la tensiunea nominală de 24V vor fi necesari amplasarea a 12 celule (cu o valoare de 1.93V pe celulă) care însumate vor putea furniza cei 24V necesari.

Considerând că acumulatorul este încărcat la un procent de 20% din capacitatea sa, tensiunea din acesta va fi de 23.16 V. Astfel pentru a putea determina gradul de încărcare se va folosi o funcție de gradul 1.

Figura 18. Grafic folosit pentru determinarea functiei f(x)

(3.2)

Folosind un sistem vom rezolva ecuația de mai sus pentru a putea determina funcția necesară:

(3.3)

(3.4)

(3.5)

(3.6)

(3.7)

Astfel reiese că valoarea lui b va fi:

(3.8)

(3.9)

De unde rezulta că funcția necesară pentru a determina SOC va fi:

(3.10)

Unde U va fi tensiunea în circuit:

Simularea va integra functia necesara determinării SOC:

.

(3.11)

Figura 3.2. Implementarea în Simulink a unui acumulatorul de tip VRLA

Astfel rulând simularea în simulink s-a obțiunt urmatorul grafic, care reprezinta incărcarea unui acumulator VRLA.

Figura 3.3. SOC al unui acumulator VRLA

O altă metodă de estimare a gradului de încărcare a unui acumulator VRLB, este reprezentată la capitolul 2. Astfel formula pentru care se va creea simularea va fi:

(3.12)

Unde:

U= tensiunea din circuit

I = curentul

Tpes = Timpul de pas la care se actualizeaza estimarea gradului de incarcare

Pnominala = puterea nominală a acumulatorului (calculată cu formulă P=U*I)

Tincarcare= timpul de încărcare/descărcare (considerăm un timp de descărcare de 3 ore)

Din formula de mai sus se va considera constantă care se cunoaște , astfel se va obține modelul următor:

Figura 3.4. Implementarea în Simulink a unui acumulatorul de tip VRLA folosind o alta metoda de estimare

Figura 3.5. SOC al unui acumulator VRLA folosind o alta metoda de implementare

.

Implementarea în Simulink a acumulatorului cu Li-Ion

Acumulatorii cu LI-ION conțin o serie de celule care sunt capabile să stocheze o valoare limitată de energie. Energia este exprimată în amperi oră (Ah) și corespunde capacității de descărcare la un anumit curent, timp de 1 oră. Puterea totală disponibilă depinde astfel de tensiunea și curentul de ieșire.

Implementarea în simulink a unui acumulator cu Li-Ion se bazează pe anumite formule de modelare al acumulatorilor cu Li-ion. Pentru a putea estima SOC (gradul de încărcare) al unui acumulator cu Li-Ion, vom lua în considerare următoarele proprietăți ale acumulatorului:

SOC (gradul de încărcare) care reprezintă numărul de chimicale active în sistem, care este reprezentat de o variabilă care este updatata dinamic.

Pierderile din sistem, care sunt înlocuite de rezistențe, care sunt separate în rezistențe activă și reactivă.

Stiva de tensiune care este reprezentată de o sursă de tensiune controlată, și care este dependentă de numărul de celule și de SOC. Fluxul de putere care trece prin această sursă controlează schimbările care au loc in gradul de încărcare al acumulatorului.

Efectul tranzitoriu care este simulat prin utilizarea unui condensator legat în paralelul rezistenței de reacție.

Tensiunea unui celule din interiorul acumulatorului poate varia între 2.7V și 4.2V. Acest lucru poate fi calculat prin intermediul formulei următoare, prezentată si la (2.6).

Acesta formulă a fost obținută folosind estimarea unei celule cu Li-Ion, bazate pe specificatile obținute de la producător [17]. Unde tensiunea de echilibru (Vechilibru) este o constantă pe care o vom considera că fiind 3.79. Factorul K este în funcție de temperatură în care va funcționa bateria. Se va considera o temeperatură normală de 21 grade Celsius, astfel se va obține valoarea „k” ca fiind 0.1829.

Acumulatorul Li-ion ales pentru a putea simula gradul de încărcare în simulink este:

Un acumulator produs de AETUPS cu o tensiune nominală de 48V și un curent de 50Ah.

Tabel 3.2 Fișă de producător al acumulatorului Li-Ion analizat [18]

Figura 3.6. Schema bloc a unui acumulator Li-Ion [17]

Gradul de încărcare al unui acumulator este dat formula prezentata (2.7) astfel se va obține:

Unde SOCi este gradul de încărcare determinat anterior

Ecuația corespondentă este prezentată in ecuația (2.8) astfel se va obține:

Unde:

Istiva = curentul stivei

Tpas = Timpul de pas la care se actualizeaza estimarea gradului de incarcare

Pnominala = puterea nominală a acumulatorului (calculată cu formula P=U*I)

Tincarcare= timpul de încărcare/descărcare (considerăm un timp de descărcare de 3 ore)

Din formula (2.8) se va considera constantă care se cunoaște . Se va folosi un timp de pas care il vom conside 0.01 (timpul de actualizare al SOC), puterea nominală va fi data de formula puterii (P = U * I) si astfel vom obtine o putere nominala de 2400W, iar Timpul de încărcare va fi de 3 ore, care il vom transforma in secunde înmulțind cu 3600.

Figura 3.7. Implementarea în Simulink a unui acumulatorul de Li-Ion

Figura 3.8. SOC al unui acumulator Li-Ion

Capitolul 4

Concluzii

Se poate observa că din compararea tehnologiilor de stocare existente în ceea ce privește aplicațiile, că sistemele de stocare sunt din ce in ce mai des folosite. Tehnologia lor este în plină expansiune.

Supercondensatoarele pot fi o soluție bună, din cauza numărului mare de cicluri încărcare/descărcare. Astfel ele sunt folosite în sistemele unde este nevoie de un răspuns foarte scurt.

Acumulatorii cu tehnologia Li-ion prezintă cea mai mare densitate de energie comparativ cu celelalte tipuri de baterii și din acest motiv sunt preferate ca sisteme de rezervă pentru stocarea energiei electrice. Astfel ele au o eficienta mult mai ridicată decât restul acumulatorilor, avand de asemenea si un timp de răspuns mult mai rapid.

Totodată tehnologia care folosește sistemele VRB sunt mult mai eficiente decat acumulatorii cu Li-ion deoarece:

Puterea depinde de numarul de celule, astfel ele fiind perfecte pentru aplicațiile in care este nevoie de putere mare

Capacitatea lor depinde de rezorvorul si de cantitatea de electrolit din acesta. Astfel ele sunt perfecte pentru functionarea pe termen lung

Ecomonice datorită vieții extinse pe care o au

Pe langa avantajele tehnice pe care le ofera acumulatorii pot furniza economii pe termen lung prin energia inmagazinată, care îi face sa fie folosiți in foarte multe domenii de aplicații. Totodată aceste economii de energie care se fac prin intermediul acumulatorilor, sunt direct dependente de modul in care aceștia sunt operați si intreținuți.

Pentru a putea fi folosiți in condiții optime trebuie respectate anumite criterii:

Un acumulator bine dimensionat poate face diferența intre un sistem economic si unul care nu este economic. Marimea acumulatorului ar trebui sa suporte energia care este necesară sistemului in care este aplasat.

Acumulatorii ar trebui sa fie poziționați in temperatura ambientală in care operează ei cel mai bine, fiind feriți de intemperii.

Estimarea gradului de încarcare al acumulatorilor sub anumiti curenți de încarcare/descărcare, este caracterizată in principal de metoda de estimare folosită. Avem prezentate cele 4 metode de estimare, care au fiecare caracteristica a lor specifică. Anumite metode au o performanță ridicată in condițiile unui curent de descărcare fix. Este destul de dificil să determinăm cea mai bună metoda de estimare, deoarece aplicațiile existente supun acumulatorii la diferite condiții de folosință si totodata estimarea depinde foarte mult si de tipul si marimea bateriei care este estimată. Totodată acumulatorii sunt influențați si de mediul ambiental incare sunt amplasați, astfel de cele mai multe ori estimarea SOC-ului poate fi eronată.

Bibliografie:

www.samlexsolar.com/learningcenter/lead-acid.batteries.aspx

Imre P. Gyuk, EPRI-DOE Handbook Supplement of Energy Storage for Grid Connected Wind Generation Applications,

www.samlexsolar.com/learningcenter/lead.acid.batteries.apsx

J. Paatero and P. Lund, “Effect of energy storage on variations in wind power,” Journal of Wind Energy, Volume 8, Page(s): 421–441, 2005

M. Swierczynski, R. Teodorescu, C.N. Rasmussen, P. Rodriguez, H. Vikelgaard, Overview of the Energy Storage Systems for Wind Power Integration Enhancement, ISIE 2010, pp. 3749 – 3756.

Brad Roberts and Jim McDowall, “Commercial Successes in Power Storage: Advances in Power Electronics and Battery Application Yield New Opportunities”, IEEE Power and Energy Magazine, Volume: 3, Number: 2, March 2005.

D. Connolly, M. Leahy, , An investigation into the energy storage technologies available, for the integration of alternative generation techniques, University of Limerick Raport, 2007

A. Gonzalez, O. B. Gallachoir, E. McKeogh, K. Lynch, Study of Electricity Storage Technologies and Their Potential to Address Wind Energy Intermittency in Ireland, Final Raport Grant RE/HC/03/001, University College Cork, May 2004

M. Swierczynski, R. Teodorescu, C.N. Rasmussen, P. Rodriguez, H. Vikelgaard, Overview of the Energy Storage Systems for Wind Power Integration Enhancement, ISIE 2010, pp. 3749 – 3756

H. Markiewicz, A. Klajn, “Îmbunătățirea fiabilității cu ajutorul surselor de energie de rezervă”, Wroclaw University of Technology, Iunie 2003

C. Marinescu, M. Georgescu, L. Clotea, s.a., Surse regenerabile de energie. Abordări actuale – Capitolul 4: Mijloace de stocare și reglare a energiei electrice, Editura Universității Transilvania din Brașov, ISBN 978 – 973 – 598 – 430 – 4, 2009

M. Gatrell and N. Gupta, “Developing a simple flow battery model – initial concepts”, Electricity Storage Systems Project, NRC Internal Document.

www.ieexplorer.org.xpl/article/ammu=5930893

www.intechopen.com/books/storage.tehnilogiesandaplications/dinamic.modelingofadvancedbaterrystorage

International Review of Electrical Engineering, vol. 7, no. 5, pp. 5874–5800, 2012

http://koyosonic.en.made-in-china.com/product/OSwELPgKExVM/China-Sealed-Rechargeable-Lead-Acid-Battery-12V17AH-20HR-.html

L. Gao, S. Liu and R. Dougal, “Dynamic Lithium-Ion Battery Model for System Simulation”, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Volume: 25Number: 3, Page(s): 495-505, September 2002

http://aetups.en.made-in-china.com/product/QvxneHDrOPkC/China-High-Quality-LiFePO4-Battery-48V-50ah-BB4850-.html