Energiatárolók. Energia Műhely

Energiatárolók Energia Műhely

Dr Vajda István egyetemi tanár Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék Supertech Laboratórium [email protected] Dr. Vajda István: Fejlesztési irányok, energiatárolók

Energia műhely, 2012 április 3

Tartalom 

Fő irányok, nemzetközi trendek  

Átfogó követelmények, jellemzők Az energiatároló fajtái 

 





Akkumulátor Szuperkapacitás Lendkerék (lendkerekes energiatároló rendszer) Tüzelőanyag-cella  erről nem lesz szó

Mit tudunk idehaza hozzátenni?     

Tároló tulajdonságok és villamos követelmények illesztése Villamos gépek és hajtások Különleges ötletek Kerékagymotoros projekt a Formula Racing Team-en belül Virtuális kutatóközpont

Dr. Vajda István: Fejlesztési irányok, energiatárolók


Fő irányok, nemzetközi trendek



Átfogó követelmények, jellemzők



Energiatároló rendszerek alkalmazási ablakai Ragone #1



Energiatárolók átfogó összehasonlítása Alkalmazható ság villamosenergiarendszerben

Előnyei

Hátrányai

Alkalmaz hatóság egyedi tápellátás ban.

Szuper kapacitások

Hosszú élettartam, jó hatásfok

Alacsony energia sűrűség

Igen

Tervezik, áthidaló jelleggel

Lendkerekes (Flywheels)

Nagy teljesítmény

Alacsony energia sűrűség

Igen

Ritkán, áthidaló jelleggel

Savas ólom akkumulátor

Olcsó

Alacsony élettartam, mélykisütéskor

Igen


Ni-Cd – akkumulátor

Nagy teljesítmény, jó hatásfok

Nincs

Igen


Li-ion akkumulátor


Magas ár

Igen


NaS Nátrium-Kén akku


Jelenleg még magas ár

Igen

Tervezik erőművi léptékben

Szupravezetős mágneses tárolás (SMES)

Nagy teljesítmény

Magas költség

Igen


Villamosenergia tárolás módja

Forrás: Dr Kohári Z, PhD disszertáció, BME VET



Energia-igény, „rule-of-thumb”, személygépkocsira 





Össztömeg = 1200 kg Teljesítmény-igény (város) = 13 kW (utazó sebesség esetén) Energiaigény, kWh/100 km 



Városban = 10 Távolsági  

v = 50 km/h esetén 6 kWh/100 km v = 100 km/h esetén 13 kWh/100 km



Energia fogyasztás 



Villamos hajtás a meghatározó Segédüzem is jelentős lehet  

Járműgenerátor nincs Segédüzemre kisfeszültségű segédüzemi akkumulátor



Villamos hajtású gépjárművek fő típusai EV = electric vehicle 

Tisztán villamos   

Akkumulátoros: BEV = Battery EV Tüzelőanyag-cellás: FCEV = Fuel Cell EV Többszörös energiatárolóval rendelkező EV 



Batt és SuperCap és Lenkerék és napelem kombináció

Belsőégésű és villamos 

Hibrid: HEV = Hybrid EV 



Full, middle, mild: villamos teljesítmény/összteljesítmény

Külső villamos hálózatról is tölthető hibrid: PHEV = Plug-in HEV



Energia-mérleg, 2005 3.0-L Toyota CAMRY

Forrás: Don MacKenzie, Automotive Technologies and Fuel Economy Policy, MIT OpenCourseWare



Energia-mérleg javítása hibridizációval




Tisztán villamos pro és con Pros (előnyök) 

Villamos energia  



Cons (hátrányok) 

Sokféle energia-forrás Potenciálisan kisebb kibocsátás

  

Villamos hajtás 



 

Jobb hatásfok Nagyobb nyomaték kis fordulatszámon Kisebb üzemeltetési költség Csökkent karbantartásigény


Akkumulátor

 



Hosszú töltési idő Magasabb ár Kisebb energia-tartalom Korlátozott hatósugár Bizonytalanság a ciklusszám tekintetében

Villamos hajtás 

Eltérő (szokatlan) üzemeltetési és vezetési élmény


Hibrid és tisztán villamos a villamosítás foka




Tüzelőanyag megtakarítás összetett hatásfok mechanizmus révén



Villamos hajtás-típus 

DC 



egyre ritkábban, gyakorlatilag kiment a divatból

AC  





Feszültség-inverteres aszinkron Feszültség-inverteres PM szinuszmezős Feszültség inverteres PM négyszögmezős (BLDC), kisebb teljesítményeknél, kerékagyban Kísérletileg SRM (switched reluctance)



Energiatároló fajtái



AKKUMULÁTOROK



Fejlesztési hajtóerők 





Mindennapi életünk részévé váltak Egyre hatékonyabb akkumulátorokra van szükség Társadalmi elvárások 

 

Környezetvédelem

Biztonságos és megbízható működés Ár-szempontok



Akkumulátor típusok 

Savas: LA = Lead Acid 

Legfeljebb segédüzemre   



Zárt (zselés) Szabályozott szelepes (VRLA = Valve regulated LA) Pb veszélyes anyag

NiCd Cd veszélyes hulladék Helyette a hasonló 

 

NiMH Li-ion és Li-polimer



Akkumulátor fő mutatók Típus

Ólom

NiCd

NiMH

Li-ion vagy polimer

Üzemi hőmérséklet

-10…55 C

-40…50 C

-40…50 C

-45…85 C

Elektrolit

Kénsav vizes oldat

Lúg vizes oldat

Lúg vizes oldat

Szerves elektrolit vagy polimer

Nyugalmi feszültség

2,1 V

1,35 V

1,35 V

3,5 V

Fajlagos energia, Wh/kg

30…45

40…55

50…80

100…250

Fajlagos teljesítmény, W/kg

100…200

180…260

180…250

300…800!!!

Forrás: Dr. Vincze Gy-né, Balázs G, Villamos járművek, BME VET



Jellemző kisütési görbék

Forrás: Rédey László Személyes közlés



Ragone diagram #2




Induktív töltés 150kW 30’ Minibus Energy Transfer System (ETT in Ojai, California)

Recharge Power Rating: Peak Power ………………………… 150kW Long Term Power …………………. 100kW Reverse Power Transfer ………….. 50kW Battery Bank Voltage Nominal …………………………….. 600 VDC Charging ……………………………. 710 VDC Minimum (5% SOC) ………………. 525 VDC Battery Bank Energy ………………………. 15 kWh (100% SOC) Battery Type ………………………………… Hawker 26Ahr LA (48) Input Voltage ……………………………….. 280-360VDC Input Current ……………………………….. 500 ADC nom. Inverter Performance Operating Frequency ………………. 17-20kHz Input Voltage ……………………….. 250-400VDC Input Current ……………………….. 200-300ADC (2 units) Control ………………………………. DSP Computer Phase-Array Magnetic Ensemble Size (each assembly)…………………. 54”W x 98”L x 0.75”H Weight (each assembly)..……………. 450lb Airgap (road to pickup) ……………. 5” to 9”; 7” nom. T ECH ET Energy Transport Technologies Page 10 Misalignment limits Horizontal ………………….. ±5” Longitudinal ……………….. ±5” Pitch ………………………… ±1.5” Yawl …………………………. ±1” Energy Transfer Efficiency ………………… 81% Recharge from 10% SOC to 80% SOC …… < 5 minutes


Hazai előzmény: VKI

Forrás: †Farkas László Személyes közlés, www.ettek.com


SZUPERKAPACITÁSOK



Szuperkapacitás 

Tulajdonságok 

   





Elektrokémiai technológia Kettősréteg kondenzátor C = 500…5600 F U = 3…5 V  nagyszámú soros Fajlagos energia  5 Wh/kg Fajlagos teljesítmény  2,5 kW/kg

Felhasználás  

Extra nagy csúcsteljesítmény leadás és felvétel Lökésszerű igénybevételek felvétele



Ragone diagram #3, Akkumulátorok és Szuperkapacitások




LENDKEREKES ENERGIATÁROLÓ RENDSZEREK Dr. Vajda István: Fejlesztési irányok, energiatárolók


Lendkerekes energiatároló Pro (előnyök)  

Nagy teljesítmény sűrűség Hosszú élettartam 











>150 000 ciklus, >20 év

Nincs kapacitás csökkenés az élettartam során Az élettartama független a kisütések időtartamától A töltöttsége könnyen és pontosan megállapítható Időjárástól független, környezeti hatásokra érzéketlen Alacsony környezeti terhelés


Con (hátrányok)  

 

Jelentős önkisülés Rendszerszinten alacsony energiasűrűség Bonyolult Két szembeforgó, közös tengelyű lendkerék


Lendkerekes energiatároló gyorsítás 

Kötöttpályásnál lehet külső energiaforrás 



(Vég)állomás

Szabadpályásnál belső energiaforrás  

Akkumulátor Fékmunkával



SuperTech lendkerekes energiatároló

Forrás: Dr. Kohári Zalán Száz éves a szupravezetés, MTA



Mivel járulhatunk hozzá? Hazai fejlesztési lehetőségek



A jövő? 

Ez a mi hazai „kihívásunk”. 



Pozitív választ lásd alább.

A szakterület hazai továbbfejlődése ma is fennáll?



Akkumulátor képességek és villamos igények illesztése Elektrokémikusok  K+F  Gyártás  Piaci kínálat

Villamosmérnökök  Alkalmazás  Fogyasztó  Villamos termékfejlesztő

Üzemmódok tipizálása Illesztett egységes tervezési eljárások „Fizikai” (kémiai) folyamatok beépítésén nyugvó villamos modellek


Energia menedzsment Diagnosztika


Illeszkedő témák 



 



Váltakozóáramú gépek  Nagyteljesítményű aszinkron és szinkron motorsor tervezés Nagyfordulatszámú gépek Tárcsamotorok és generátorok Új kihívások  Villamos járművek: hibrid és villamos autóbuszok és teherautók Új anyagok  Állandó mágneses szinkron gépek + hajtások  Szupravezetős eszközök




Frekvenciaváltós hajtások 



Energiatakarékos motorok, hajtások vizsgálata és fejlesztése. Soft-computing hajtásszabályozások




Energiahatékonyság 



Mesterséges intelligencia módszerek alkalmazása  



Növelt hatásfokú forgógépek tervezése

Forgógépek tervezése és diagnosztikája Fuzzy és egyéb AI hajtások

Multidiszciplináris optimalizálás 

Villamos forgógépek tervezése




Speciális alkalmazások 

Elektromágneses lengéscsillapító



Gyártási pontosság hatása



Reluktancia, hibrid reluktancia és kapcsolt reluktancia motorok és villamos hajtások



Trendekhez illeszkedő témák 

Különleges (vad…) ötletek 

Mágneses térrel irányított égés



Trendekhez illeszkedő témák 

Lendkerekes energiatárolás 



Szupravezetős csapágyazás Extrém kis veszteségű tárcsa motor/generátor



Kerékagymotoros Projekt 

Akkumulátoros villamos hajtásrendszer:    



Akkumulátor modul Közbülső egyenáramú kör Feszültséginverterek Villamos motorok

Saját fejlesztésünk: 

 

Állandómágneses kerékagymotorok Járművezérlő berendezés Akkumulátor felügyeleti rendszer

BME oktatói és hallgatói fejlesztik

Forrás: Kohári Z, Balázs G, Nardai G Hub motor racecar project, személyes közlés



Kerékagymotorok  

  

Állandómágneses szinkron kerékagymotorok Teljesen saját fejlesztés Két hátsó kerékbe szerelik Külső forgórész, vízhűtés Rövid idejű 1 motor adatai: Látszólagos teljesítmény Folyamatos 21 kVA 57 kVA (autóban 2db) Leadott hatásos teljesítmény 17 kW 42,5 kW Névleges feszültség

Névleges áram Frekvencia

Teljesítmény tényező Névleges fordulatszám Hatásfok Névleges nyomaték Dr. Vajda István: Fejlesztési irányok, energiatárolók

270 V 48 A

270 V 120 A 266,7 Hz 0,79 0,46 760/min 440/min 0,96 0,86 215 Nm 485 Nm 41 Energia műhely, 2012 április 3

A jövő? Van jövő! 

Ez a mi hazai „kihívásunk”. 



Pozitív választ lásd fentebb.

A szakma hazai továbbfejlődése ma is fennáll!



A jövő?

idő


idő


A vezérgondolat  

Országos "virtuális" oktató-kutató intézet A téma: Nemkonvencionális energiaátalakítás és –tárolás 



Erőforrások összehangolt integrálása 



Magasszintű oktatás és kutatás Kritikus tömeg

Ipar-”akadémia” kapcsolat erősítése 

Közös fellépés nagyméretű projektekben



Köszönetnyilvánítás 



 

  

Lukács József MTA r. tag Dr Györe Attila Dr Kohári Zalán Dr Kósa János Dr Vincze Gyuláné Prof. Dr. Rédey László Doktorjelöltek   



Tihanyi Viktor Jagasics Szilárd Balázs Gergely

PhD hallgatók  



Feltörekvő fiatalok   

 

    

File István Gyenge Dénes Kiss Gergely Komlósi István Nagy Norbert Révész Dániel Sepsi Dániel Varga Zsolt Várszegi Kristóf Regály Gyula

Rácz Árpád Jelena Suvorkova



Köszönöm a figyelmet!



BME Formula Racing Team 

BME FRT fő célja: Belsőégésű motoros és villamos hajtású versenyautók tervezése és építése, amellyekkel részt vesznek a Formula Student versenysorozatban. (A Formula Student egy nemzetközi konstruktőri versenysorozat, melyben egyetemi és főiskolai hallgatókból álló csapatok versenyautó tervezésben és építésben mérik össze tudásukat.) 



BME FRT tagjai: diákok és oktatók 

 



Villamosmérnöki és Informatika Karról Gépészmérnöki Karról Közlekedésmérnöki Karról

Fő projektek 



Belsőégésű motoros versenyautó projekt Villamos hajtású versenyautó projektek:  

Formula Student Electric projekt („hagyományos” PMSM motorral szerelt autó) Hub Motor projekt (kerékagymotoros PMSM motorral szerelt autó) Forrás: Kohári Z, Balázs G, Nardai G Hub motor racecar project, személyes közlés



FRT vonzereje 

Ipar számára: 

 



Elméleti és gyakorlati eredményeink hasznosítása, például: – Villamos motor tervezés – Villamos autó hajtásrendszer – Akkumulátor menedzsment és töltési lehetőségek Megjelenés versenyeken, médiában Hallgatók toborzása és szakmai gyakorlatok

Egyetem számára:  

 

Hasznos gyakorlati tudás az oktatók számára Laboratóriumi mérések Hasznos ismeretek a hallgatók számára Önálló laboratóriumi munkák, diplomamunkák, TDK dolgozatok

Több mint 100 hallgató tevékenykedik az FRT-ben 32 TDK dolgozat, 25 Diplomamunka, 30 Önálló laboratóriumi munka Dr. Vajda István: Fejlesztési irányok, energiatárolók


Ragone diagram #3 villamos autókhoz




Energiatárolók. Energia Műhely

Recommend Documents