بطارية فائقة

الموسوعة الحرة
مخطط تخطيطي لـ UltraBattery

UltraBattery هي علامة تجارية لتقنية بطاريات الرصاص الحمضية التي تسوقها شركة Furukawa Battery Co. Ltd. تتميز UltraBattery بطبقات كربونية رقيقة على مادة نشطة من الرصاص الإسفنجي للألواح السالبة. جاءت الفكرة الأصلية التي تجمع بين تقنية المكثفات الفائقة وتقنية بطاريات الرصاص الحمضية في خلية واحدة باستخدام إلكتروليت مشترك من منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO).

مقدمة

تشير الأبحاث التي أجرتها مختبرات مستقلة، مثل مختبرات ساندي الوطنية في الولايات المتحدة ، [1] واتحاد بطاريات الرصاص الحمضية المتقدمة (ALABC)، [2] ومنظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO) [3] والاختبارات التجارية التي أجرتها East Penn Manufacturing وFurukawa Battery وEcoult، إلى أنه بالمقارنة مع بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بالصمامات التقليدية (VRLA)، فإن تقنية UltraBattery تتمتع بكفاءة طاقة أعلى وعمر أطول وقبول شحن متفوق في ظل ظروف حالة الشحن الجزئي (SoC).

إن الجمع بين التقنيتين في خلية بطارية واحدة يعني أن UltraBattery تعمل بكفاءة عالية مقارنة بتقنيات الرصاص الحمضية التقليدية [4] ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى حقيقة أنه يمكن تشغيلها لفترات طويلة في حالة شحن جزئية (pSoC)، في حين أن بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية مصممة بشكل أكثر شيوعًا لاستخدام SoC العالي (أي عندما تكون البطارية قريبة من الشحن الكامل). [5] يؤدي التشغيل في نطاق SoC الجزئي إلى إطالة عمر البطارية بشكل أساسي عن طريق تقليل الكبريتات وتقليل الوقت المستغرق في التشغيل في حالات شحن عالية جدًا ومنخفضة جدًا، حيث تميل التفاعلات الجانبية المختلفة إلى التسبب في التدهور. تميل بطارية VRLA التقليدية إلى التدهور بسرعة عند تشغيلها في نطاق SoC الجزئي هذا. [5]

تاريخ

الفكرة الأصلية لـ UltraBattery جاءت من منظمة البحوث العلمية والصناعية الكومنولثية (CSIRO). [6]

تم تمويل تطوير UltraBattery من قبل الحكومة الأسترالية. كما ساهمت شركة Furukawa Battery Co.، Ltd اليابانية في تطوير تقنية UltraBattery، ومولت الحكومة اليابانية جزءًا من تطويرها من خلال منظمة تطوير الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الصناعية (NEDO).

في عام 2007، حصلت شركة East Penn Manufacturing على ترخيص رئيسي عالمي لتصنيع وتسويق تقنية UltraBattery للتطبيقات الحركية والسيارات (في مناطق مختلفة) وتطبيقات تخزين الطاقة الثابتة (عالميًا، خارج اليابان وتايلاند، حيث تعد شركة Furukawa Battery هي حاملة الترخيص الرئيسي). [7]

كما قامت وزارة الطاقة الأمريكية بتمويل UltraBattery لإجراء أبحاث حول تطبيقات تخزين الطاقة الثابتة على نطاق الشبكة. في عام 2007، شكلت منظمة البحوث العلمية والصناعية الكومنولثية شركة تابعة، Ecoult، لمعالجة هذه السوق. كما تلقت Ecoult الدعم من الحكومة الأسترالية لمواصلة تطوير Ultrabattery. في مايو 2010، استحوذت شركة East Penn Manufacturing الأمريكية لتصنيع البطاريات على Ecoult من منظمة البحوث العلمية والصناعية الكومنولثية. [8]

في مارس 2013، أعلنت الحكومة الأسترالية عن تمويل إضافي من خلال برنامج الطاقة المتجددة الناشئة التابع لوكالة الطاقة المتجددة الأسترالية لمواصلة تطوير تقنية UltraBattery كوسيلة فعالة من حيث التكلفة لتخزين الطاقة لأنظمة الطاقة المتجددة السكنية والتجارية. [9]

مبدأ التخزين

مبدأ تخزين الطاقة في بطارية UltraBattery هو نفس مبدأ بطارية الرصاص الحمضية التقليدية. تعمل طبقات الكربون على القطب السالب كمواقع تفاعل لاختزال أيونات الرصاص 2+ إلى الرصاص (0) ومواقع تخزين أيونات الرصاص 2+ .

الكبريتات الصلبة

أثناء التشغيل العادي لبطارية الرصاص الحمضية، تنمو بلورات كبريتات الرصاص على القطب السالب أثناء التفريغ وتذوب مرة أخرى أثناء الشحن. ويسمى تكوين هذه البلورات بالكبريتات. بمرور الوقت، يمكن أن تصبح الكبريتات دائمة، حيث تنمو بعض البلورات وتقاوم الذوبان. هذه هي الحال بشكل خاص عندما تُجبر البطارية على العمل بمعدلات تفريغ عالية جدًا، مما يميل إلى تعزيز نمو بلورات كبريتات الرصاص على سطح القطب. عند معدلات تفريغ معتدلة، تنمو بلورات كبريتات الرصاص في جميع أنحاء المقطع العرضي للوحة القطب (التي لها قوام يشبه الإسفنج) حيث يتم سحب الإلكتروليت (حمض الكبريتيك المخفف) منتشرًا عبر جسم القطب للسماح بحدوث التفاعل في جميع أنحاء اللوحة. [10]

ولكن عند معدلات تفريغ سريعة للغاية، يتم استهلاك الحمض الموجود بالفعل داخل جسم اللوحة بسرعة ولا يمكن للحمض الطازج الانتشار عبر القطب في الوقت المناسب لمواصلة التفاعل. وبالتالي، يتم تفضيل التفاعل نحو الجدار الخارجي للقطب، حيث قد تتشكل البلورات في حصيرة كثيفة، بدلاً من كتل متناثرة في جميع أنحاء اللوحة. تعمل حصيرة البلورات هذه على إعاقة نقل الإلكتروليت. ثم تنمو البلورات بشكل أكبر، ولأن البلورات الأكبر حجمًا لها حجم كبير مقارنة بمساحة سطحها، يصبح من الصعب إزالتها كيميائيًا أثناء الشحن، خاصة وأن تركيز حمض الكبريتيك في الإلكتروليت من المرجح أن يكون مرتفعًا (نظرًا لأن كبريتات الرصاص المحدودة فقط قد تم إنشاؤها على سطح اللوحة) وكبريتات الرصاص أقل قابلية للذوبان في حمض الكبريتيك المركز (فوق تركيز حوالي 10٪ بالوزن) مما هي عليه في حمض الكبريتيك المخفف.

يُطلق على هذه الحالة أحيانًا اسم "الكبريتات الصلبة" لإلكترود البطارية. تزيد الكبريتات الصلبة من معاوقة البطارية (نظرًا لأن بلورات كبريتات الرصاص تميل إلى عزل الإلكترود عن الإلكتروليت) وتقلل من قوتها وسعتها وكفاءتها بسبب زيادة التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها، والتي يحدث بعضها داخل اللوحة السالبة بسبب الشحن الذي يحدث مع انخفاض توفر كبريتات الرصاص (داخل جسم اللوحة). أحد التأثيرات غير المرغوب فيها هو إنتاج الهيدروجين داخل اللوحة، مما يقلل من كفاءة التفاعل. الكبريتات "الصلبة" غير قابلة للعكس بشكل عام لأن التفاعلات الجانبية تميل إلى الهيمنة مع دفع المزيد والمزيد من الطاقة إلى البطارية. [11]

لتقليل احتمالية حدوث الكبريتات الصلبة، يجب تفريغ بطاريات VRLA التقليدية بمعدلات محددة، يتم تحديدها من خلال خوارزميات شحن مختلفة. علاوة على ذلك، يجب تجديدها بشكل متكرر وهي الأنسب للتشغيل نحو الطرف العلوي من حالة الشحن (بين 80% و100%). في حين أن التشغيل في هذه الحالة المحدودة من الشحن يخفف من الكبريتات الدائمة على القطب السالب، فإن تشغيل البطارية حصريًا عند أو بالقرب من حالة شحن كاملة غير فعال للغاية. يرجع عدم الكفاءة إلى حد كبير إلى زيادة حدوث التفاعلات الجانبية (على سبيل المثال التحليل الكهربائي) التي تبدد الطاقة.

يعمل وجود المكثف الفائق المدمج في بطارية UltraBattery على الحد من تكوين الكبريتات الصلبة داخل الخلية. وهذا يدعم قدرة البطارية على العمل لفترات طويلة في نظام جزئي من البطاريات حيث تعمل البطارية بكفاءة أكبر. وتضطر بطاريات VRLA التقليدية إلى العمل في المنطقة غير الفعالة نحو أعلى سعة شحنها من أجل حمايتها من التلف الناتج عن الكبريتات. ويستمر البحث في الأسباب التي تجعل وجود المكثف الفائق يقلل من الكبريتات بنجاح كبير. وتُظهِر النتائج التجريبية أن وجود الكربون داخل خلايا VRLA له بعض التأثير المخفف، ولكن التأثيرات الوقائية للمكثف الفائق المتصل بالتوازي داخل بطارية UltraBattery أكثر أهمية بكثير. على سبيل المثال، وجد هوند وآخرون أن أوضاع فشل بطارية VRLA النموذجية (فقدان الماء، وكبريتات اللوحة السالبة، وتآكل الشبكة) كلها يتم تقليلها إلى أدنى حد في بطارية UltraBattery. وأظهرت نتائج هوند أيضًا أن UltraBattery، المستخدمة في تطبيق حالة الشحن الجزئي عالية المعدل، تتميز بتقليل الغازات، وتقليل الكبريتات الصلبة للوحة السلبية، وتحسين أداء الطاقة وتقليل درجة حرارة التشغيل مقارنة بخلايا VRLA التقليدية.

المواد المستخدمة

تشكل طبقات الإسفنج الرصاصي والكربون القطب السالب.

يتكون المحلول الكهربائي من حمض الكبريتيك والماء.

كبريتات الرصاص عبارة عن بلورات أو مسحوق أبيض اللون. يؤدي التشغيل العادي لبطاريات الرصاص الحمضية إلى ظهور بلورات صغيرة من كبريتات الرصاص تنمو على القطب السالب أثناء التفريغ وتذوب مرة أخرى في الإلكتروليت أثناء الشحن.

تتكون الأقطاب الكهربائية من شبكة من الرصاص، مع مركب مادة فعالة تعتمد على الرصاص - أكسيد الرصاص - يشكل الجزء المتبقي من اللوحة الإيجابية.

التطبيقات

يمكن استخدام UltraBattery لمجموعة من تطبيقات تخزين الطاقة، مثل:

تعتبر بطارية UltraBattery قابلة لإعادة التدوير بنسبة 100 بالمائة تقريبًا ويمكن تصنيعها في مرافق تصنيع البطاريات الموجودة. [7]

بطاريات UltraBattery في المركبات الكهربائية الهجينة

عند استخدامه في المركبات الكهربائية الهجينة، يعمل المكثف الفائق للبطارية كعازل أثناء التفريغ والشحن بمعدلات عالية، مما يمكنه من توفير وامتصاص الشحنة بسرعة أثناء تسارع السيارة والكبح. [13]

وقد حقق اختبار أداء Ultrabattery في المركبات الكهربائية الهجينة بواسطة Advanced Lead Acid Battery Consortium أكثر من 100000 ميل على حزمة بطارية واحدة دون تدهور كبير. [2] تظهر نتائج المختبر للنماذج الأولية لـ UltraBattery أن سعتها وقوتها والطاقة المتاحة والتشغيل البارد والتفريغ الذاتي تلبي أو تتجاوز جميع أهداف الأداء المحددة للمركبات الكهربائية الهجينة ذات الحد الأدنى والحد الأقصى للمساعدة في الطاقة.

بطاريات فائقة في الشبكات الصغيرة

يمكن استخدام UltraBattery لتنعيم وتحويل (أي تخزين للاستخدام اللاحق) مصادر الطاقة المتجددة على الشبكات الصغيرة لتحسين توفر الطاقة المتوقع. يمكن أيضًا استخدام UltraBattery في أنظمة الشبكات الصغيرة المستقلة وأنظمة الطاقة المتجددة والشبكات الصغيرة الهجينة. تجمع أنظمة الشبكات الصغيرة المستقلة بين الديزل أو أنواع الوقود الأحفوري الأخرى وتخزين UltraBattery لتحسين كفاءة توليد الطاقة من الوقود الأحفوري. يؤدي تضمين تخزين الطاقة في النظام إلى تقليل حجم مجموعة المولدات (أي مجموعة المولدات) لأن البطاريات يمكنها التعامل مع ذروات الحمل. تقلل UltraBattery أيضًا من استهلاك الوقود لمجموعة المولدات، ب

تجمع أنظمة الطاقة المتجددة بين تقنية UltraBattery ومصدر التوليد المتجدد لتوفير الطاقة المحلية. تدمج الشبكات الصغيرة الهجينة مصادر التوليد المتجددة مع تخزين الطاقة UltraBattery ومولدات الوقود الأحفوري لزيادة كفاءة توليد الحمل الأساسي. يمكن أن يقلل هذا بشكل كبير من تكلفة الطاقة مقارنة بالشبكات الصغيرة التي تعمل بالديزل فقط. كما أنها تقلل بشكل كبير من انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي. ومن الأمثلة على هذا النوع من الشبكات الصغيرة مشروع تكامل الطاقة المتجددة في جزيرة كينج (KIREIP)، [14] الذي تقوم به شركة هيدرو تسمانيا. يهدف مشروع الطاقة المتجددة هذا على نطاق الميجاواط إلى تقليل تكلفة توصيل الطاقة إلى الجزيرة وتلوث الكربون. [12]

تعدد أغراض مراكز البيانات

يمكن استخدام UltraBattery كنسخة احتياطية لإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS). في أنظمة UPS التقليدية، تظل البطاريات غير مستخدمة إلى حد كبير حتى حدوث انقطاع في الشبكة. ولأن UltraBattery يمكنها توفير تنظيم التردد والخدمات المرتبطة بالشبكة، فيمكنها توليد إيرادات لمالك أصول UPS في نفس الوقت الذي توفر فيه الطاقة الاحتياطية. [15]

المجتمع والتجارة والتطبيقات

بالنسبة للتطبيقات المجتمعية، يمكن استخدام UltraBattery كنسخة احتياطية في حالة انقطاع الشبكة (انظر القسم 5.1) وللتقليل من وقت الذروة. يُعرف أيضًا باسم تقليم الذروة، وهو القدرة على شحن البطاريات أثناء وقت غير الذروة، واستخدام الطاقة من البطاريات أثناء أوقات الذروة لتجنب ارتفاع تكاليف الكهرباء. مثال آخر لتطبيق مجتمعي هو نظام عرض الشبكة الذكية بقدرة 300 كيلو وات الذي أنشأته شركة Furukawa Battery في منطقة Maeda في كيتاكيوشو باليابان. يستخدم تطبيق تسوية الحمل هذا 336 خلية UltraBattery (1000 أمبير، 2 فولت). كما قامت الشركة بتثبيت عرضين للشبكة الذكية لتقنية تحويل الذروة من UltraBattery في متحف كيتاكيوشو للتاريخ الطبيعي والتاريخ البشري. [16]

في اليابان، قامت شركة شيميزو بتركيب شبكة كهربائية صغيرة (انظر القسم 5.2) في مبنى تجاري. ويقوم نظام "المباني الذكية"، الذي يضم 163 خلية من نوع UltraBattery (500 أمبير، 2 فولت)، بمراقبة جهد الخلية ومعاوقتها ودرجة حرارتها. وهناك نظام ثانٍ، تم تركيبه في مصنع إيواكي التابع لشركة فوروكاوا للبطاريات، يشتمل على 192 خلية من نوع UltraBattery، ونظام معالجة طاقة بقوة 100 كيلو وات ونظام إدارة البطاريات. وقد تم إنشاء تطبيق تسوية الأحمال هذا للتحكم في الطلب على الطاقة في المصنع.

بالنسبة للتطبيقات السكنية، يمكن تحسين الاستخدام المحلي للطاقة الشمسية على الأسطح من خلال استخدام UltraBattery لتخزين الطاقة لاستخدامها من قبل المقيم الذي يملك الألواح، وتزويد الطاقة أو خدمات التنظيم إلى الشبكة أثناء ذروات القيمة العالية.

خدمات الشبكة

يمكن لـ UltraBattery إدارة التباين في شبكات الكهرباء بخمس طرق رئيسية: تنظيم التردد، وتكامل الطاقة المتجددة (التنعيم والتحويل)، والاحتياطي الدوار، والتحكم في معدل المنحدر، وجودة الطاقة ودعم الشبكة الضعيفة.

تنظيم التردد

يجب على شبكات الكهرباء إدارة التقلبات المستمرة في العرض والطلب على الطاقة للحفاظ على تردد ثابت من أجل الحفاظ على التشغيل المادي للشبكة. يمكن لـ UltraBattery امتصاص الطاقة وتوصيلها إلى الشبكة للمساعدة في إدارة التوازن بين العرض والطلب، والحفاظ على الجهد الثابت. نفذت Ecoult نظام تخزين الطاقة على نطاق الشبكة والذي يوفر 3 ميجاوات من خدمات التنظيم على شبكة الربط بين بنسلفانيا وجيرسي وميريلاند (PJM) في الولايات المتحدة. تم توصيل أربعة سلاسل من خلايا UltraBattery بالشبكة في محطة ليون، بنسلفانيا. يوفر المشروع خدمات تنظيم التردد المستمر من خلال طرح عطاءات في السوق المفتوحة على PJM.

التنعيم والتحويل

يمكن استخدام تقنية UltraBattery لدمج مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، في شبكة الكهرباء، من خلال إدارة التقلبات في إنتاج الطاقة المتجددة. وهي تفعل ذلك من خلال "تنعيم" و"تحويل" الطاقة.

يحول التنعيم التباين المتأصل في الطاقة من الألواح الكهروضوئية أو توربينات الرياح إلى إشارة سلسة يمكن التنبؤ بها. يراقب النظام خرج المصدر المتجدد المتقطع، وعندما تتغير إشارة الطاقة الشمسية (أو طاقة الرياح)، يستجيب UltraBattery على الفور إما بإطلاق الطاقة أو امتصاص الطاقة الزائدة. إن إدارة تباين الإشارة المتجددة بهذه الطريقة يجعل الطاقة المتجددة أكثر موثوقية.

يشير مصطلح تحويل الطاقة إلى قدرة UltraBattery على تخزين الطاقة الزائدة التي تنتجها الموارد المتجددة في أوقات الذروة، ثم إطلاقها عند الحاجة إليها خلال فترات ذروة الطلب. وهذا يسمح لشركات الكهرباء بتحسين أداء أنظمتها بشكل عام في أوقات الذروة.

قامت شركة PNM، الشركة الرائدة في مجال المرافق الكهربائية في نيو مكسيكو بالولايات المتحدة، بدمج نظام تخزين الطاقة UltraBattery مع مزرعة لتوليد الطاقة الشمسية لإظهار تنعيم وتحويل الطاقة الشمسية لاستخدامها كمورد متجدد قابل للإرسال. يتميز مشروع PNM Prosperity بواحدة من أكبر مجموعات الطاقة الكهروضوئية وتخزين بطاريات الألواح الشمسية في الولايات المتحدة.

التحكم في معدل الانحدار للتخزين الموزع

تميل العديد من عمليات نشر الألواح الكهروضوئية على الأسطح على نطاق صغير إلى مضاعفة تأثير تقطع توليد الطاقة الشمسية - مما يخلق مشكلة لمشغلي الشبكة. [REF] تم استخدام تخزين الطاقة UltraBattery لتقليل التقطع المتجدد من خلال زيادة الطاقة على شبكة الكهرباء بطريقة خاضعة للرقابة، مما يجعل الطاقة المولدة من الطاقة المتجددة أكثر قابلية للتنبؤ.

ملكيات

تتميز تقنية UltraBattery بخمس خصائص رئيسية تشكل نقاط اختلاف بين هذه التقنية وتقنية بطارية VRLA التقليدية: معدل دوران أعلى للسعة، وتكلفة عمر أقل لكل كيلووات في الساعة، وكفاءة أعلى للتيار المستمر إلى التيار المستمر، وعدد أقل من عمليات التحديث المطلوبة، ومعدل أعلى لقبول الشحن.

معدل دوران القدرة

معدل دوران السعة هو مقياس لعدد المرات التي يمكن فيها استخدام السعة النظرية للبطارية طوال عمرها الافتراضي.

عند مقارنة UltraBattery وVRLA القياسية (المستخدمة في نظام SoC الجزئي) في ظروف تجريبية، فقد ثبت أن UltraBattery تحقق معدل دوران سعة أكبر بنحو 13 مرة من بطارية VRLA الزجاجية غير اللامعة الممتصة القياسية. [1]

تكلفة مدى الحياة لكل كيلو وات في الساعة

تعتمد مدة صلاحية البطارية على كيفية استخدامها وعدد دورات الشحن والتفريغ التي تمر بها. في حالة مرور البطاريات بأربع دورات بنسبة 40% يوميًا وحيث يكون معدل الإنتاج هو العامل المحدد لعمر البطارية، ستدوم بطارية UltraBattery لمدة أطول بثلاث إلى أربع مرات من بطارية VRLA التقليدية. [5]

تزعم منظمة البحوث العلمية والصناعية الكومنولثية (CSIRO) أن "تصنيع بطارية UltraBattery أرخص بنسبة 70 بالمائة من البطاريات ذات الأداء المماثل ويمكن تصنيعها باستخدام مرافق التصنيع الموجودة". [6]

كفاءة التيار المباشر-التيار المباشر

تصف كفاءة التيار المستمر للبطارية مقدار الطاقة المتاحة لتفريغها إلى الحمل المتصل بالبطارية كنسبة من مقدار الطاقة التي يتم إدخالها إلى البطارية أثناء الشحن. أثناء الشحن والتفريغ، يتم فقد بعض الطاقة المخزنة في البطارية على شكل حرارة، ويتم فقد بعضها في التفاعلات الجانبية. كلما انخفض معدل فقدان الطاقة في البطارية، زادت كفاءتها.

يزعم مطورو UltraBattery أنه يمكنه تحقيق كفاءة DC–DC بنسبة 93-95% (تعتمد على المعدل) عند أداء تطبيقات إدارة التباين في نظام SoC جزئي، اعتمادًا على معدل التفريغ، و86-95% (تعتمد على المعدل)، عند أداء تطبيقات تحويل الطاقة. وبالمقارنة، تحقق بطاريات VRLA القياسية المطبقة على تحويل الطاقة (باستخدام نظام الشحن العلوي النموذجي) كفاءات أقل بكثير - على سبيل المثال في حالات الشحن من 79% إلى 84%، تُظهر الاختبارات كفاءات حول 55%. [17]

يمكن تحقيق كفاءة DC–DC العالية لبطارية UltraBattery لأنها (مثل بطاريات VRLA التقليدية) تعمل بكفاءة عالية أقل من 80% من SoC. تشير التجارب إلى أنه بالنسبة لبطاريات VRLA "من صفر SOC إلى 84% SOC فإن متوسط ​​كفاءة شحن البطارية الإجمالية هو 91%". في حين لا تتحمل بطاريات VRLA التقليدية العمل في هذا النطاق لأي فترة زمنية كبيرة دون تحديث متكرر، يمكن لبطارية UltraBattery تحمل العمل في حالات شحن أقل بكثير دون تدهور كبير. وبالتالي يمكنها تحقيق كفاءات أكبر بكثير لأنها يمكن أن تعمل لفترات طويلة في المنطقة الأكثر كفاءة لبطاريات الرصاص الحمضية.

دورات التحديث

أثناء التشغيل، يجب تجديد بطاريات VRLA التقليدية (الشحن الزائد) لإذابة بلورات الكبريتات التي تراكمت على القطب السالب وتجديد سعة البطارية. يساعد تجديد البطارية أيضًا في إعادة خلايا البطارية الموجودة في السلسلة (حيث تُستخدم بطاريات متعددة معًا) إلى جهد تشغيل ثابت. ومع ذلك، فإن عملية الشحن الزائد معقدة بسبب حقيقة أن البطارية لا تخرج عن الخدمة أثناء دورات التجديد فحسب، بل إن التيارات العالية المطلوبة لإكمال عملية الشحن الزائد (في غضون إطار زمني معقول) هي أيضًا سبب العديد من الخسائر الطفيلية. وتشمل هذه الخسائر الحرارية والخسائر الناجمة عن تفاعلات جانبية مختلفة (أساسًا تطور الهيدروجين وتطور الأكسجين وتآكل الشبكة).

يمكن لبطاريات UltraBattery العمل دون شحنة تجديد لفترات طويلة. بالنسبة لتطبيقات الدورات الثابتة مثل الطاقة المتجددة أو دعم الشبكة، قد يستغرق ذلك ما بين شهر وأربعة أشهر حسب حجم العمل؛ تحتاج بطاريات VRLA القياسية في نفس التطبيقات إلى التجديد كل أسبوع إلى أسبوعين إذا كانت تؤدي دورات يومية - ويتدهور الأداء بسرعة حتى مع دورات التحديث الأسبوعية. [5]

في تطبيقات السيارات في المركبات الكهربائية الهجينة ، يمكن تشغيل بطاريات UltraBatteries بشكل مستمر تقريبًا في نظام SoC جزئي دون الحاجة إلى التحديث. أفاد فوروكاوا: "في اختبار القيادة الميداني لمركبة هوندا إنسايت الكهربائية الهجينة مع تثبيت حزمة UltraBattery، تم تحقيق هدف القيادة لمسافة 100000 ميل (حوالي 160000 كم) دون إعادة الشحن. [18]

قبول الرسوم

نظرًا لأن UltraBattery تعمل بشكل فعال في نطاق SoC الجزئي، فيمكنها قبول الشحن بكفاءة أكبر من بطاريات VRLA التقليدية، والتي تعمل عادةً في حالات شحن عالية. تُظهر اختبارات مختبر ساندي الوطني أن بطاريات VRLA تحقق عادةً كفاءة أقل من 50% عند شحن أكثر من 90%، وحوالي 55% كفاءة بين 79% و84% مشحونة، وأكثر من 90% كفاءة إذا تم شحنها بين صفر و84% من السعة الكاملة. [17] [1] بالمقارنة مع بطاريات VRLA التقليدية، يمكن شحن UltraBattery بكفاءة وبمعدلات شحن/تفريغ عالية. أظهرت نتائج اختبار هوند وآخرون أن Ultrabattery كانت قادرة على الدوران بمعدل 4C1 لمدة 15000 دورة تقريبًا. يمكن لبطارية VRLA التي تستخدم إجراء الاختبار هذا الدوران بمعدل 1C1 فقط. يشير معدل 1C إلى أنه سيتم استخدام سعة البطارية بالكامل (أو استبدالها في حالة الشحن) في ساعة واحدة بهذا المعدل. معدل 4C أسرع بأربع مرات - أي أن البطارية سيتم تفريغها بالكامل (أو شحنها) في 15 دقيقة بمعدل 4C.

إن العملية الكيميائية الدقيقة التي يؤخر بها الكربون عملية الكبريتات بشكل كبير ليست مفهومة تمامًا. ومع ذلك، فإن وجود المكثف الفائق المتوازي لبطارية UltraBattery يحمي الطرف السالب على ما يبدو من الغلبة السطحية الكبيرة لبلورات كبريتات الرصاص التي تؤثر على بطاريات VRLA التي تعمل بمعدلات تفريغ عالية أو لفترات طويلة في عملية pSoC، مما يزيد من قابلية إعادة شحن الخلية (انظر أيضًا الكبريتات الصلبة). كما تعمل الكبريتات المنخفضة على تعزيز قبول الشحن بشكل كبير عن طريق تقليل إنتاج غاز الهيدروجين عند القطب. وهذا ليس غير متوقع لأن الإنتاج المفرط لغاز الهيدروجين (الذي يحرم عملية الشحن من طاقة كبيرة) يحدث عندما لا تتمكن الإلكترونات التي يتم دفعها إلى اللوحة السالبة أثناء الشحن (والتي تتفاعل عادةً مع بلورات كبريتات الرصاص داخل اللوحة) من التفاعل بسهولة مع بلورات كبريتات الرصاص الكبيرة على سطح اللوحة، وبالتالي تميل بدلاً من ذلك إلى تقليل أيونات الهيدروجين الوفيرة في المنحل بالكهرباء إلى غاز الهيدروجين.

المعايير والسلامة

يتم تصنيع UltraBattery بواسطة شركة East Penn Manufacturing في الولايات المتحدة، وفقًا للمتطلبات العالمية لمعايير شهادة ISO 9001:2008 وISO/TS 16949:2009 وISO 14001:2004.

يحتوي محلول إلكتروليت UltraBattery على H 2 SO 4 في الماء، كما أن أقطابه الكهربائية خاملة. ولأن الإلكتروليت يتكون في معظمه من الماء، فإن UltraBattery مادة مثبطة للحرائق. تخضع بطاريات UltraBattery لنفس القيود المفروضة على النقل والمخاطر مثل بطاريات VRLA التقليدية

إعادة التدوير

كل جزء من كل بطارية من بطاريات UltraBattery – الرصاص والبلاستيك والصلب والحمض – قابل لإعادة التدوير بنسبة 100% تقريبًا لإعادة استخدامه لاحقًا. تتوفر بالفعل مرافق إعادة تدوير واسعة النطاق لهذه البطاريات ويتم إعادة تدوير 96% من بطاريات الرصاص الحمضية المستخدمة في الولايات المتحدة. [19] يسترد مصنعو البطاريات الرصاص والبلاستيك والحمض ويفصلونه عن بطاريات VRLA. يتم صهر الرصاص وتكريره لإعادة استخدامه. يتم تنظيف الأجزاء البلاستيكية وطحنها وبثقها وتشكيلها في أجزاء بلاستيكية جديدة. يتم استعادة الحمض وتنظيفه واستخدامه في بطاريات جديدة.

بحث

تم إجراء الاختبارات بواسطة مختبرات مستقلة، بالإضافة إلى East Penn Manufacturing وFurukawa وEcoult، لمقارنة أداء UltraBattery مع بطاريات VRLA التقليدية.

اختبارات السيارات الكهربائية الهجينة

تم اختبار بطاريات المركبات الكهربائية الهجينة الصغيرة بنسبة 70% من SoC في نمط شحن وتفريغ نبضي. كان معدل دوران السعة في UltraBattery أعلى بنحو 1.8 مرة، وبالتالي عمر دورة، من بطارية VRLA التقليدية. [4]

قام اتحاد بطاريات الرصاص الحمضية المتقدم (ALABC) باختبار متانة بطارية UltraBattery في التشغيل عالي السرعة وحالة الشحن الجزئي لسيارة هوندا سيفيك الكهربائية الهجينة. كان أداء السيارة التجريبية مماثلاً لأميال لكل جالون مثل نفس الطراز الذي يعمل ببطاريات Ni-MH. [2]

في ظل المهام التي تتطلبها المركبات الكهربائية الهجينة الصغيرة والخفيفة والكاملة، كان أداء دورة بطارية UltraBattery أطول بأربع مرات على الأقل من أداء بطاريات VRLA التقليدية الحديثة وكان مماثلاً أو حتى أفضل من أداء خلايا Ni-MH. كما أظهرت بطارية UltraBattery قبولاً جيدًا للشحنة الناتجة عن الكبح المتجدد، وبالتالي لم تتطلب شحنات معادلة أثناء التجربة الميدانية.

تطبيقات الطاقة الثابتة

اختبار الكفاءة

أظهرت اختبارات كفاءة Wh (واط ساعة) لبطارية UltraBattery في تطبيق ثابت لشبكة كهرباء ذكية أنه بعد أكثر من 30 دورة شحن وتفريغ بمعدلات 0.1 C10A، تراوحت كفاءة Wh من 91% إلى 94.5%، اعتمادًا على حالة شحن البطارية. [REF] يُقارن هذا بدراسة أجرتها مختبرات ساندي الوطنية حول كفاءة بطاريات الرصاص الحمضية والتي وجدت أن بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية التي تعمل بين 79% و84% من حالة الشحن (وضع الشحن "العلوي" الذي تقتصر عليه بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية عمومًا لإطالة عمرها) تحقق كفاءة شحن تدريجية بنسبة 55% فقط. [17]

اختبار دورة الحياة والاسترداد

تم إخضاع البطاريات لاختبارات شحن وتفريغ لمدة 3 ساعات عند حالة شحن 60%، مع شحن استرداد لمدة 20 ساعة يتم إجراؤه كل 90 دورة. أظهرت اختبارات السعة أنه بعد 270 دورة، كانت نسبة سعة UltraBattery مساوية أو أكبر من 103%، مقارنة بنسبة 93% لبطارية تخزين الرصاص التقليدية. أظهرت الاختبارات أن UltraBattery تتمتع بعمر دورة أطول وخصائص شحن استرداد أفضل من البطارية التقليدية عند التشغيل في حالة شحن جزئي.

خدمات المرافق وتبسيط طاقة مزارع الرياح

تم إجراء اختبارات دورة الشحن الجزئية عالية المعدل لقياس قدرة UltraBattery على الاستخدام في تطبيقات الخدمات المساعدة للمرافق لتخزين الطاقة وتنعيم طاقة مزارع الرياح. باستخدام ملف تعريف دورة الشحن الجزئية عالية المعدل بمعدل 1C1 إلى 4C1، كانت UltraBattery قادرة على أكثر من 15000 دورة مع فقدان أقل من 20٪ من السعة، ويمكن أن تدور بمعدل 4C1. يمكن لبطارية VRLA الزجاجية الممتصة (AGM) التي تم اختبارها في نفس الظروف أن تدور فقط بمعدل 1C1، وتتطلب شحنًا للاسترداد بعد حوالي 100 دورة، وبعد 1100 دورة فقدت أكثر من 20٪ من سعتها. كانت UltraBattery أيضًا قادرة على الدوران لأكثر من عشرة أضعاف عدد الدورات بين شحنات الاسترداد من بطارية AGM VRLA (1000 مقابل 100).

في تجربة ميدانية لمزارع الرياح في هامبتون، نيو ساوث ويلز (أستراليا)، يتم اختبار نظام مصمم لإظهار استخدام تخزين الطاقة لمعالجة انقطاع توليد طاقة الرياح على المدى القصير. قارنت التجربة بين أداء UltraBattery وثلاثة أنواع أخرى من بطاريات الرصاص الحمضية لتطبيقات تنعيم الطاقة المتجددة. أظهرت قياسات الاختلافات في جهد الخلية في كل سلسلة من 60 خلية متصلة على التوالي أن UltraBattery كان لديها اختلاف أقل بكثير على مدى فترة 10 أشهر (زيادة بنسبة 32٪ في الانحراف المعياري لاختلاف نطاق الجهد، مقارنة بنسبة 140٪ -251٪ لأنواع البطاريات الثلاثة الأخرى).

دورة المرافق وتطبيقات الطاقة الهجينة الكهروضوئية

تظهر الاختبارات التي أجرتها مختبرات ساندي الوطنية أن بطارية UltraBattery تعمل لفترة أطول بكثير من بطاريات VRLA التقليدية في دورة الخدمة . كان ملف تعريف الدورة في هذه الاختبارات يهدف إلى محاكاة واجب تنظيم التردد بحوالي 4 دورات في الساعة مع طاقة ذروة تهدف إلى إعطاء نطاق SoC المتوقع أن يكون نموذجيًا. أظهرت النتائج أن بطارية VRLA التقليدية (التي تعمل في حالة شحن جزئي (PSoC) وعمق تفريغ 10٪) انخفضت إلى 60٪ من سعتها الأولية بعد حوالي 3000 دورة. في نفس الاختبار، عملت بطارية UltraBattery المصنعة بواسطة East Penn لأكثر من 22000 دورة، مع الحفاظ على 100٪ من سعتها الأولية دون تزويدها بشحنة استرداد. [5]

أظهرت الاختبارات أيضًا أن أداء UltraBattery أطول بكثير من بطاريات VRLA التقليدية في تطبيقات الطاقة، كما هو موضح في اختبار دورة حياة هجينة ضوئية فولطية محاكية أجرته مختبرات ساندي الوطنية. وخلص الاختبار إلى أنه حتى في حالات الشحنات العجزية لمدة 40 يومًا (الدورات التي يتم فيها أخذ المزيد من البطارية كل يوم أكثر مما يتم إدخاله مرة أخرى). تتمتع بطاريات UltraBattery بأداء يفوق بكثير بطاريات VRLA التقليدية حتى عندما تعمل بطاريات VRLA التقليدية في أنظمة شحن العجز لمدة 7 أيام فقط. في نظام الشحن العجزي، لا يوجد استرداد عن طريق الشحن المدبب، والمعروف أيضًا باسم تجديد/معادلة البطاريات، لذا فإن الكبريتات هي وضع فشل نموذجي لبطاريات VRLA التقليدية في نظام التشغيل هذا.

بعد 100 يوم من الدورة مع عمق تفريغ 60%، انخفضت بطارية VRLA التقليدية التي تتلقى دورة تحديث كل 30 يومًا إلى 70% من سعتها الأولية. كانت وحدتا UltraBattery (إحداهما من صنع Furukawa والأخرى من East Penn) تعانيان من شحنات عجز لمدة 40 يومًا لا تزالان تعملان بشكل أفضل بكثير من بطارية VRLA التقليدية التي كانت تتلقى عمليات تحديث أكثر تكرارًا (لم تواجه سوى شحنة عجز قصوى لمدة 7 أيام). بعد 430 يومًا من الدورة، لم تفشل بطارية East Penn UltraBattery وFurukawa UltraBattery. كانت بطارية East Penn تحافظ على 85% من سعتها الأولية وكانت بطارية Furukawa قريبة جدًا من 100% من سعتها الأولية.

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ abc Hund, T; Clark, N.; Baca, W. (2008). Marincic, Nikola (ed.). UltraBattery Test Results for Utility Cycling Applications. International Seminar on Double Layer Capacitors And Hybrid Energy Storage Devices. Redox Engineering, LLC. ص 195-207 . تم الاسترجاع في 20 ديسمبر 2013 .
  2. ^ abc "ALABC UltraBattery Hybrid Surpasses 100,000 Miles of Fleet Duty" (PDF) . اتحاد بطاريات الرصاص الحمضية المتقدمة. 4 يونيو 2013 . تم الاسترجاع في 20 ديسمبر 2013 .
  3. ^ "UltraBattery". CSIRO . تم الاسترجاع في 19 مارس 2016 .
  4. ^ أب ناكاجيما، هيديهيتو؛ هونما، توكونوري؛ ميدوريكاوا، كيوشي؛ أكاساكا، يويتشي؛ شيباتا، ساتوشي؛ يوشيدا، هيدياكي؛ هاشيموتو، كينسوكي؛ أوجينو، يوسوكي؛ تيزوكا، واتارو؛ ميورا، ماسارو؛ فوروكاوا، يونيو؛ لام ، إل تي ؛ سوجاتا ، سوميو (مارس 2013). “تطوير UltraBattery” (PDF) . مراجعة فوروكاوا (43، الشبكة الذكية ). شركة فوروكاوا للبطاريات المحدودة ISSN  1348-1797 . تم الاسترجاع 12 نوفمبر 2014 .
  5. ^ abcde Ferreira, Summer; Baca, Wes; Hund, Tom; Rose, David (28 September 2012). Life Cycle Testing and Evaluation of Energy Storage Devices (PDF) . اجتماع مراجعة الأقران وتحديث برنامج تخزين الطاقة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية لعام 2012. وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب توصيل الكهرباء وموثوقية الطاقة، برنامج أنظمة تخزين الطاقة (ESS) . تم الاسترجاع في 20 ديسمبر 2013 .
  6. ^ "UltraBattery: ليست بطارية عادية". CSIRO. 22 مارس 2013. مؤرشف من الأصل في 2013-10-15 . تم الاسترجاع 22 ديسمبر 2013 .
  7. ^ ab "UltraBattery". CSIROpedia . CSIRO. 22 مارس 2011 . تم الاسترجاع في 19 مارس 2016 .
  8. ^ Coppin, Peter; Wood, John (19 October 2011). Ultrabattery Storage Technology and Advanced Algorithms at the Megawatt Scale (PDF) . Electrical Energy Storage Applications and Technologies (EESAT) 2011. Energy Storage Association (ESA). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2016-03-19 . تم الاسترجاع في 19 مارس 2015 .
  9. ^ "رسوم تمويل حلول تخزين الطاقة المتجددة" . تم الاسترجاع في 24 ديسمبر 2013 .
  10. ^ Moseley, Patrick T.; Garche, Jürgen; Parker, CD; Rand, DAJ (24 فبراير 2004). "الفصل 17: بطاريات VRLA في مركبات الطرق من الجيل الجديد". بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بالصمامات . Elsevier . ص 556-557. ISBN 978-0-444-50746-4.
  11. ^ "مختبرات ساندي الوطنية، بطاريات VRLA المحسنة بالكربون" (PDF) . 10 أكتوبر 2011. تم الاسترجاع في 25 فبراير 2015 . {{cite journal}}: تتطلب المجلة الاستشهاد بها |journal=( مساعدة )
  12. ^ ab Parkinson, Giles (31 October 2012). "كيف يمكن أن تكون جزيرة كينج بمثابة مخطط لشبكتنا المستقبلية". مجلة Renew Economy . تم الاسترجاع في 22 أغسطس 2014 .
  13. ^ فوروكاوا، جيه؛ تاكادا، تي؛ مونما، دي؛ لام، إل تي (2010). "مزيد من التوضيحات حول بطارية الترا من نوع VRLA في المركبات الكهربائية الهجينة المتوسطة الحجم وتطوير بطارية الترا المغمورة لتطبيقات المركبات الكهربائية الهجينة الصغيرة". مجلة مصادر الطاقة . 195 (4): 1241-1245. رمز Bibcode :2010JPS...195.1241F. doi :10.1016/j.jpowsour.2009.08.080.
  14. ^ "Hydro Tasmania". King Island Renewable Energy . تم الاسترجاع في 22 أغسطس 2014 .
  15. ^ كانيلوس، مايكل (13 سبتمبر 2013). "لماذا قد تكون مراكز البيانات مفيدة للشبكة". فوربس . تم الاسترجاع في 7 يناير 2015 .
  16. ^ "تقرير بطارية فوروكاوا 2013" (PDF) . تم الاسترجاع في 7 يناير 2015 .
  17. ^ abc Stevens, John W.; Corey, Garth P. (May 1996). A study of lead-acid battery efficient near top of charge and the impact on PV system design (PDF) . مؤتمر المتخصصين في الطاقة الكهروضوئية، 1996.، سجل مؤتمر معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات الخامس والعشرين. سجل مؤتمر الطاقة الكهروضوئية . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. ص 1485-1488. doi :10.1109/PVSC.1996.564417. ISBN 0-7803-3166-4. ISSN  0160-8371 . تم الاسترجاع في 21 أبريل 2014 .
  18. ^ أكاساكا ، يويتشي. ساكاموتو، هيكارو؛ تاكادا، توشيميتشي؛ مونما، دايسوكي؛ دوباشي، أكيرا؛ يوكوياما، تسوتومو؛ ماسودا، يوسوكي؛ ناكاجيما، هيدهيتو؛ شيباتا، ساتوشي؛ فوروكاوا، يونيو؛ لام ، إل تي ؛ هاي ، NP. ليم، أوف. لوي، ر. فيلاند، CG؛ فيلا، المدير العام؛ فو، LH (نوفمبر 2008). "تطوير UltraBattery - التقرير الثالث" (PDF) . شركة فوروكاوا للبطاريات المحدودة مؤرشفة من الأصلي (PDF) بتاريخ 2014-08-10 . تم الاسترجاع 5 أغسطس 2014 .
  19. ^ "النفايات - الحفاظ على الموارد - النفايات والمواد الشائعة". وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) . تم الاسترجاع في 28 أبريل 2014 .
  • الوكالة الأسترالية للطاقة المتجددة
  • منظمة البحوث العلمية والصناعية الكومنولثية في أستراليا
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=البطارية الفائقة&oldid=1250255580"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate