Sposoby odzyskiwania oraz magazynowania energii w aplikacjach elektromobilnych i zasilania gwarantowanego – przegląd wybranych metod i perspektywy rozwoju
Ways of Recovering and Storing Energy in Electromobile and Guaranteed Power Applications –Overview of Selected Methods and Development Prospects
Przykład kontenerowego magazynu energii, fot. JT
Systemy pozyskiwania energii elektrycznej ze zjawisk występujących w otaczającym nas środowisku znane są pod dwiema nazwami – ang. energy harvesting (EH) i energy scavering. Nazwy te nie doczekały się jednoznacznego tłumaczenia na język polski i generalnie obie dotyczą tych samych zjawisk i metod odzyskiwania (przetwarzania) energii z otoczenia. Czasami w literaturze użycie tych nazw uzależnione jest od charakteru przetwarzanej energii. Nazwa energy scavering stosowana jest wówczas, gdy rodzaj źródła energii i jego wydajność nie są znane, natomiast energy harvesting stosuje się do sytuacji, kiedy źródło potencjalnej energii jest dobrze opisane [1].
Zobacz także
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a...
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a stosowanie niecertyfikowanych UPSów niesie za sobą ryzyko istotnych konsekwencji. Podkreśliłem, że świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Kompatybilność funkcjonalna, elektryczna i mechaniczna całego systemu jest podstawą do tego, aby urządzenia działały...
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzedniej części przedstawiłem uzasadnienie, że w sytuacji systemów oddymiania, brak zagwarantowania dopływu powietrza powoduje, że system oddymiania jest nieskuteczny, a w sytuacji oddymiania mechanicznego,...
W poprzedniej części przedstawiłem uzasadnienie, że w sytuacji systemów oddymiania, brak zagwarantowania dopływu powietrza powoduje, że system oddymiania jest nieskuteczny, a w sytuacji oddymiania mechanicznego, może doprowadzić do stworzenia poważnego zagrożenia, a nawet do katastrofy budowlanej. Zastosowanie do zasilania napędu bramy UPS-ów bez znaku CNBOP-PIB i Świadectwa Dopuszczenia wydanego przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej (CNBOP-PIB) jest poważnym błędem. Stosowanie...
W artykule:
|
StreszczenieW artykule omówione zostały wybrane rozwiązania w zakresie odzyskiwania energii z otoczenia (energy harvesting – EH) i możliwości ich zastosowania w aplikacjach elektromobilnych oraz zasilania innych odbiorników energii elektrycznej. |
AbstractWays of Recovering and Storing Energy in Electromobile and Guaranteed Power Applications –Overview of Selected Methods and Development Prospects |
Dynamiczny rozwój aplikacji wymagających autonomicznych źródeł energii sprzyja szybkiemu rozwojowi technologii EH. Głównym obszarem zastosowania EH są bezprzewodowe sieci sensorów, gdzie zapotrzebowanie energetyczne pojedynczego autonomicznego węzła zależy od aktualnego trybu pracy [1]. W stanie czuwania zapotrzebowanie na energię elektryczną zazwyczaj nie przekracza kilkunastu μW, a w czasie pomiaru – 100 μW. Największe zapotrzebowanie występuje w trakcie przesyłania informacji i zawiera się w granicach od 0,1 do 1 mW, w zależności od rodzaju algorytmu transmisji czy wykorzystywanego medium. Takie wartości zapotrzebowania energetycznego jednoznacznie wskazują na możliwość zastosowania generatorów EH jako jedynych źródeł zasilania autonomicznego węzła pomiarowego [1].
Dodatkowym obszarem zastosowania technologii EH są systemy doładowywania baterii akumulatorów wykorzystywanych w większych systemach pomiarowych, gdzie istnieją tradycyjne sposoby ładowania akumulatorów [1]. Innym przykładem doładowywania baterii może być rozwiązanie polegające na zastosowaniu generatorów: termoelektrycznego (TEG), fotowoltaicznego (PV) i elektromagnetycznego przetwornika fal radiowych (RF) do zasilania bezprzewodowego pilota radiostacji R35010 firmy Radmor S.A. [2].
Ciekawostką jest, że promieniowanie elektromagnetyczne radiowe możemy pozyskiwać z otoczenia, to jest urządzeń emitujących fale radiowe w szerokim zakresie częstotliwości od 3 kHz do 30 GHz [2]. Pozwalają one na pozyskiwanie energii z aktywnych transmisji rozsiewczych (TV, radio, Wi-Fi), jak i celową bezprzewodową transmisję energii na wybranych częstotliwościach [2]. Pozyskiwanie energii promieniowania RF (Radio Frequency) wykorzystywane jest między innymi dla zapewnienia zasilania w układach aktywnej identyfikacji RFID, wykorzystywanych w systemach logistycznych, śledzenia ruchu w obiektach, układach kontroli dostępu. Kierunki prac badawczych skupiają się na paśmie od 935 MHz, częstotliwość użytkowana przez systemy GSM – do 2,4 GHz, częstotliwość wykorzystywana przez urządzenia Wi-Fi. We wskazanym zakresie fal radiowych anteny odbiorcze mają wymiary nieprzekraczające kilkudziesięciu cm2, co w zasadniczy sposób wpływa na sam rozmiar harwestera [2]. Układy odbiorcze pozwalają na generowanie nawet do 100 mW mocy w bezpośrednim sąsiedztwie urządzeń nadawczych. Ilość uzyskanej energii zależy od mocy źródła promieniowania RF, odległości od źródła oraz od konstrukcji anten odbiorczych [2].
Ilość uzyskanej energii
Współczesne systemy EH występują zarówno w skali makro, jak i mikro. Gęstości uzyskiwanych energii wahają się od pojedynczych μW/cm3, w przypadku wykorzystywania zjawisk elektromagnetycznych, do 15000 μW/cm3 – w przypadku wykorzystywania zjawisk fotowoltaicznych. W tabeli 1. przedstawiono zestawienie uzyskiwanych średnich ilości mocy dla najczęściej wykorzystywanych generatorów EH.
Tab. 1. Przykłady przetworników EH i generowanej gęstości mocy [1]
Ze względu na bardzo duże zróżnicowanie pod względem rodzaju, kształtu, przebiegów czasowych i parametrów wielkości elektrycznych uzyskiwanych na wyjściu przetworników EH oraz czasowej wydajności samych źródeł, typowy generator EH musi być wyposażony w przeznaczone dla niego układy zarządzające uzyskiwaną energią. W celu zapewnienia poprawnego funkcjonowania danego podsystemu elektronicznego lub węzła pomiarowego, np. czujnika lub mikrokontrolera, z reguły konieczna jest modyfikacja (kondycjonowanie) wytwarzanej przez przetwornik EH wielkości elektrycznej w celu dostarczenia odpowiedniego napięcia zasilania. Wiele źródeł w ogóle nie gwarantuje ciągłego dostarczania energii. Przykładem jest ogniwo fotowoltaiczne, którego wydajność w ciągu dnia zależy od zachmurzenia i położenia słońca, a w nocy przy pełnym zachmurzeniu i zamgleniu prawie całkowicie zanika. W przypadku źródeł kinetycznych bazujących na energii drgań wytwarzana moc będzie zależna od amplitudy i częstotliwości drgań, które z reguły są zmienne. Powyższe cechy źródeł wymagają w większości przypadków zorganizowania procesu gromadzenia energii, która będzie w sposób kontrolowany dostarczana do danego podsystemu. Stąd poza układami przetworników EH w strukturze generatora występują układy zarządzania energią, magazyny energii i regulatory dopasowujące postać pobieranej energii do wymagań stawianych przez urządzenie [1, 2]. Strukturę układu zasilania wykorzystującego technologię wielu źródeł EH, uwzględniającą wymóg zarządzania i kondycjonowania wielkości wyjściowej, przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Koncepcja systemu zasilania integrującego wiele źródeł EH [2]
Akumulator, bateria czy superkondensator jako potencjalne magazyny energii są newralgicznymi punktami układu zasilania ze względu na masę i wymiary. Istotnym wymaganiem z punktu widzenia EH jest zdolność do wielokrotnego ładowania i rozładowania zastosowanego magazynu energii, nie wspominając o czasie bezawaryjnej pracy. Z punktu widzenia użytkownika bardzo ważna jest zdolność do akumulacji energii elektrycznej w odniesieniu do jej objętości i masy.
Coraz częściej próbuje się jako alternatywne źródła zasilania wykorzystywać ogniwa paliwowe. Wagowa gęstość energii uzyskiwana w tego typu źródłach jest średnio trzy do pięciu razy większa niż w akumulatorach Li-ion i do dziesięciu razy większa niż w akumulatorach Ni-Cd czy Ni-MH. Problemem przy zastosowaniu ogniw paliwowych jest konieczność ich napełniania w trakcie okresu użytkowania. W obecnie stosowanych urządzeniach najczęściej wykorzystywane są baterie litowe bądź akumulatory litowo-jonowe w wersjach cienkowarstwowych [1].
Zastosowania elektromobilne
Dotychczas powodem ograniczonego stosowania rozwiązań odzysku energii z otoczenia była mała sprawność przekształcania energii oraz wysoki koszt wytwarzania niezbędnych do tego celu urządzeń (tzw. harwesterów). Kluczowe znaczenie ma też malejące zużycie energii przez mikrosystemy, co powoduje, że źródła energii o mocy mili-, a nawet mikrowatów mają praktyczne znaczenie i umożliwiają wyeliminowanie tradycyjnych układów zasilania z zastosowaniem systemów kablowych czy baterii lub akumulatorów [2, 3, 4].
Możliwość pozyskania energii przez EH staje się realnym sposobem zwiększenia energii dostępnej w pojazdach i transporcie szynowym. Przekształca się w tym celu energię ruchu (kinetyczna), ciepła, światła, pola elektromagnetycznego i innych źródeł. Energię tę można wykorzystać na wiele sposobów, w zależności od uzyskanej mocy [2, 3, 4]:
- rzędu miliwatów [mW] lub mniej – do zasilania bezprzewodowych czujników i elementów wykonawczych,
- rzędu watów [W] – do samowystarczalnego zasilania wybranych elementów oświetlenia wewnętrznego; w przypadku gromadzenia energii (np. w superkondensatorach) może też służyć do zasilania klimatyzacji i wybranych podzespołów,
- rzędu kilowatów [kW] – do ładowania akumulatorów trakcyjnych lub superkondensatorów (w przypadku pojazdów elektrycznych lub/i hybrydowych), dostarczających z kolei energię do elektrycznych silników trakcyjnych.
Od ponad dekady naukowcy badają [3] metody uzyskiwania energii elektrycznej z pól magnetycznych występujących w otoczeniu.
Panele słoneczne w transporcie
Dobrze opanowaną technologią EH jest pozyskiwanie energii z paneli słonecznych zintegrowanych z dachem samochodu. Firma Webasto od 1989 roku wytworzyła ponad 250 000 zestawów dla takich producentów samochodów jak Audi, Volkswagen, Skoda, Seat, Bentley i Maybach. Najnowsze generacje dachów umożliwiają uzyskanie mocy ponad 100 W, przy sprawności ogniw rzędu 17% i służą do zasilania wentylacji, a także do ładowania akumulatorów. Jednocześnie oferuje się stacjonarne układy paneli słonecznych montowanych w garażu/domu do stacjonarnego zasilania akumulatora lub superkondensatora [3, 4, 5]. Szacuje się, że technologia solarna z paneli zintegrowanych z dachem umożliwia pokonanie przez samochód na każde 100 km dodatkowo dystansu 6 – 8 km, obniżając w ten sposób zużycie paliwa.
Generatory termoelektryczne
Generatory termoelektryczne (ang. Thermoelectric Generators – TEGs) wykorzystują efekt Seebecka, by wytworzyć prąd i efekt Peltiera w klimatyzacji [1]. Najwięcej ciepła zawierają spaliny, gdyż dwie trzecie energii ze spalania w pojeździe jest tracona w postaci ciepła odpadowego, z czego 40% w postaci gorących spalin. Dzięki zastosowaniu TEGs można odzyskać efektywnie – w postaci prądu – nawet do 5% energii [1, 5]. Układ TEG wymaga wysokich temperatur i zazwyczaj przystosowany jest do pracy w zakresie 400 – 800°C. Ostatnio badane są tzw. dwustopniowe układy o większej sprawności, które zastosowano po raz pierwszy w samochodach BMW. Generator typu TEG, zainstalowany w 2007 roku przez firmę BMW, umożliwiał uzyskanie mocy 200 watów, następnie już 600 watów, a obecnie wdrażany jest model, który zapewni moc 1–2 kW [1–6].
Układy magazynowania energii
W zależności od formy możemy wyróżnić kilka rodzajów systemów magazynowania energii [5–9]: mechaniczne, elektrochemiczne, elektryczne, cieplne.
- Energię można również magazynować w małych rozproszonych magazynach energii. Jako magazyny energii możemy rozpatrywać [5–10]:
- elektrownie szczytowo-pompowe,
- zasobniki ze sprężonym powietrzem,
- energię kinetyczną, wirujących mas,
- akumulatory chemiczne,
- wodorowe ogniwa paliwowe.
Rys. 2. Klasyfikacja systemów magazynowania energii elektrycznej [5]
Elektrochemiczne zasobniki energii są najpowszechniej stosowanymi urządzeniami umożliwiającymi magazynowanie energii elektrycznej. Energia jest przechowywana w formie potencjału elektrochemicznego, a energia elektryczna jest generowana dzięki reakcjom elektrochemicznym zachodzącym w elektrolicie oraz na styku elektrolitu i elektrod. Elektrochemiczne zasobniki energii można podzielić na trzy podstawowe grupy [7]: akumulatory, baterie przepływowe, ogniwa paliwowe.
Akumulatory mogą być ponownie użyte po naładowaniu, generalnie stosuje się w nich elektrody – zarówno jako części procesu przejścia elektronów, jak i do składowania produktów bądź substratów. Umożliwiają budowę dużych zasobników energii. Chcąc uzyskać określone parametry elektryczne takiego systemu, pojedyncze akumulatory łączy się szeregowo-równolegle w moduły. Dzięki temu można budować układy wyższych napięć i mocy. W dużych zasobnikach bateryjnych stosuje się różne technologie (kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe, sodowo-siarkowe, litowo-jonowe itp.), zróżnicowane pod względem budowy pojedynczych akumulatorów [7].
Baterie przepływowe są bateriami rewersyjnymi, w których magazynowanie energii elektrochemicznej odbywa się za pośrednictwem dwóch elektrolitów, przechowywanych w odrębnych zbiornikach, i specjalnego ogniwa wyposażonego w membranę przepuszczalną, która separuje oba elektrolity. W czasie rozładowania oba elektrolity przepływają przez ogniwo, a membrana, która jest przepuszczalna dla jednej z substancji, umożliwia wymianę jonów pomiędzy elektrolitami. W procesie ponownego ładowania potencjał elektryczny przywraca właściwości chemiczne elektrolitów. Jedną z przewag tej technologii jest możliwość niezależnego doboru mocy i pojemności baterii. Oznacza to, że ogniwa są wymiarowane na moc wyjściową, zaś zbiorniki elektrolitowe – pod wymaganą pojemność. Inną ciekawą zaletą tych baterii są dwa sposoby ich ładowania. Można je ładować elektrycznie lub wymieniając elektrolity zużyte w trakcie procesu rozładowania na „naładowane”, z czym wiąże się duże nadzieje w kontekście wykorzystania tych baterii w przemyśle motoryzacyjnym.
Interesującym rozwiązaniem może być zastosowanie kontenerowego magazynu energii pokazanego na fotografii 1. do zasilania rozbudowanego układu zasilania gwarantowanego.
Fot. 1. Przykład kontenerowego magazynu energii, fot. JT
W ogniwach paliwowych zachodzi bezpośrednia konwersja energii chemicznej paliwa (najczęściej wodoru) w energię elektryczną, co jest ich istotną zaletą. Istnieje w tym przypadku potencjalna możliwość uzyskiwania sprawności wyższej, niż to ma miejsce w konwencjonalnym cyklu wytwarzania energii elektrycznej.
Magazynowanie energii w układach z wykorzystaniem ogniw paliwowych odbywa się dzięki magazynowaniu wodoru. Wodór może być magazynowany w stanie gazowym, ciekłym lub też może być „uwięziony” w związkach chemicznych (np. w metanolu) [7]. Najprostszym sposobem pozyskania wodoru jest przeprowadzenie elektrolizy wody (proces ładowania zasobnika). Tak otrzymane „paliwo” chemiczne (wodorowe) jest wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej w ogniwie paliwowym (proces rozładowania zasobnika) – mniejsze moce; można również zmagazynowany wodór wykorzystać w układach kombinowanych – wyższe moce.
Zasada działania wszystkich ogniw paliwowych jest podobna, pomimo tego opracowano wiele typów ogniw charakteryzujących się znacznym zróżnicowaniem parametrów eksploatacyjnych w zależności od rodzaju zastosowanego paliwa, elektrolitu i temperatury pracy (80÷1000°C), a tym samym o różnych możliwościach ich wykorzystania.
Podsumowanie
Aktualnie zakłada się, że EH może być efektywnym źródłem „bezkosztowego” (po pominięciu kosztów instalacji i ewentualnego serwisu) zasilania urządzeń małej mocy (np. urządzenia elektroniczne, układy sensorów itp.). Z tego powodu możemy zaobserwować wzrost zainteresowania aplikacjami cywilnymi i militarnymi. Zakłada się, iż w przyszłości rozległe systemy harwesterów będą również źródłem energii elektrycznej dużej mocy. Natomiast sektor magazynów energii rozwija się dynamicznie i należy spodziewać się, że w kolejnych latach będzie powiększał swoje możliwe implementacje. Koncepcja rozwiązania i wybór technologii są ściśle powiązane z zapotrzebowaniem na dane rozwiązania [5].
Literatura
- A. Michalski (red.), Wybrane aspekty zastosowania technologii „energy harvesting” w zasilaniu bezprzewodowych sieci sensorowych, Wyd. WAT 2017.
- K. Górski, M. Kozieł, J. Zawadzki, K. Rosińska, Układy do pozyskiwania energii elektrycznej małej mocy, „Przegląd Elektrotechniczny”,
- R. 98 nr 2/2022, doi:10.15199/48.2022.02.19.
- J. Kaleta, Materiały magnetyczne SMART – budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, zastosowanie, OW Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
- Shashank Priya, D. J. Inman (red.), Energy harvesting technologies, Springer Science+Business Media, LLC 2009.
- V. Jovovic, Thermoelectric Waste Heat Recovery Program for Passenger Vehicles, United States: Gentherm LLC, Final Technical Report DE-EE0005387, 2016.
- K. Kuczyński, G. Parzonko, Możliwości odzyskiwania energii z otoczenia (energy harvesting) i inne sposoby zasilania pojazdów elektrycznych, „elektro.info” nr 11/2019, s. 58–61.
- J. Paska, Zasobniki energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym – zastosowania i rozwiązania, „Przegląd Elektrotechniczny”, R. 88 nr 9a/2012,
- M. Iwanicki, Sposoby magazynowania energii elektrycznej, „Urządzenia dla energetyki” 2/2013.
- K. Bednarek, L. Kasprzyk, Zasobniki energii w systemach elektrycznych – charakterystyka problemu, Academic Journals, Electrical engineering, No 69, Poznan University of Technology, Poznań 2012.
- M. Żurek-Mortka, K. Kuczyński, Magazynowanie energii w zasilaczach UPS, „elektro.info”, nr 7–8/2022.
