مروری بر سیستم های ابرخازنی ذخیره‏ ساز انرژی و کاربردهای آن‏ها

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

1 استادیار مهندسی شیمی، گروه پژوهشی شیمی و فرآیند، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

2 استادیار شیمی تجزیه، گروه پژوهشی شیمی و فرآیند، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

3 استادیار مهندسی برق، گروه پژوهشی مطالعات فشار قوی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

10.52547/jrenew.10.2.164

چکیده

استفاده از باتری‌ها بطور گسترده در صنعت در حال افزایش است اما دارای معایب مختلفی هستند و در برخی از کاربردها، نیاز به وزن یا حجم کمتر، چگالی توان بیشتر و یا پاسخ بهتر به اتفاقات گذرا احساس می‌شود. با توجه به مشکلات کاربردی باتری و با پیشرفت تکنولوژی، علی الخصوص در علم مواد، ابرخازن‌ها معرفی شدند. ابرخازن‌ها دستگاه‌های ذخیره‏سازی انرژی الکتریکی پیشرفته با ظرفیت بسیار بالا در حجم‌های نسبتاً کوچک هستند. ابرخازن از دو الکترود (صفحه) نازک با سطح بالا تشکیل شده است که توسط یک دی‏الکتریک از یکدیگر جدا شده‏اند و چگالی ذخیره انرژی بالایی را فراهم می‏سازد. افزون بر آن، ابرخازن‏ها در مقایسه با سایر تکنولوژی‏های ذخیره‏سازی انرژی دارای مزایایی چون ردپای کربن کمتر و همچنین هزینه مالکیت و نگهداشت کمتر هستند. از جمله کاربردهای ابرخازن‏ها می‏توان به تامین موقت بار تا زمان برخط شدن کامل ژنراتور پشتیبان و در نتیجه کاهش نیاز به ژنراتورهای سوخت فسیلی، نوسان‏گیری و تثبیت تغییرات فرکانس در سیستم‏های قدرت، هموارسازی انرژی خورشیدی و باد، پشتیبانی کوتاه مدت و کاهش خطر خرابی در تاسیسات مهم و در نتیجه بهبود کیفیت تامین برق اشاره نمود. ابرخازن‏ها در طیف وسیعی از کاربردها از شبکه برق گرفته تا بخش حمل و نقل استفاده می‏شوند. این مقاله مروری مطالبی در خصوص ابرخازن‌ها از جمله مفهوم، کاربردها، ویژگی‌ها، مزیت‌ها و محدودیت‌ها ارائه می‌کند. در ابتدا به معرفی ساختار ابرخازن و تشریح تفاوت انواع آن پرداخته خواهد شد. سپس به کاربردهای آن در بخش‌های مختلف صنعت از جمله استفاده در شبکه قدرت و ریزشبکه، علی الخصوص مزایای آن‌ها در کنار سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و سیستم‌های حمل و نقل پرداخته می‌شود. همچنین چند نمونه پیاده‌سازی در دنیا و مزایای به‌‌دست آمده تشریح خواهد شد.

کلیدواژه‌ها


[1]   D. M. Rastler, Electricity energy storage technology options: a white paper primer on applications, costs and benefits, Electric Power Research Institute, 2010.
[2] P. Skoglund, Grid connected large-scale energy storage - Literature review regarding present technology and application, with a complementary case study that investigates the profitability of storage within a wind farm, MSc Thesis, Umeå University, Sweden, 2017.
[3]   Skeleton Technologies, Accessed 6 September 2021; https://cdn2.hubspot.net/hubfs/1188159/blog-files/170530-SkelGrid-brochure.pdf?__hssc=107776733.2.1574249832478&__hstc=107776733.ad14bbb68814ea5ed17b59e2319b2746.1571834969938.1574015702801.1574249832478.5&__hsfp=2638997623&hsCtaTracking=ba7ded7a-a00f-48f.
[4] S. Shiraishi, Electric double layer capacitors, Carbon Alloys, pp. 447-457, Elsevier Science, 2003.
[5]   I. Chotia, S. Chowdhury, Battery storage and hybrid battery supercapacitor storage systems: A comparative critical review, 2015 IEEE Innovative Smart Grid Technologies - Asia (ISGT ASIA), Bangkok, Thailand: IEEE, pp. 1–6, 2015.
[6]   M. Khalid, A Review on the Selected Applications of Battery-Supercapacitor Hybrid Energy Storage Systems for Microgrids, Energies, Vol. 12, No. 23, pp. 4459-4492, 2019.
[7]   S. R. Raman, X. D. Xue, K. W. E. Cheng, Review of charge equalization schemes for Li-ion battery and super-capacitor energy storage systems, 2014 International Conference on Advances in Electronics Computers and Communications, Bangalore, India: IEEE, pp. 1–6, 2014.
[8]   G. Gautham Prasad, N. Shetty, S. Thakur, Rakshitha, K. B. Bommegowda, Supercapacitor technology and its applications: a review, First International Conference on Materials Science and Manufacturing Technology, Tamil Nadu, India: IOPScience, pp. 12105–12115, 2019.
[9]   H. Xu, M. Shen, The control of lithium-ion batteries and supercapacitors in hybrid energy storage systems for electric vehicles: A review, International Journal of Energy Research, Vol. 15, No. 45, pp. 20524–20544, 2021.
[10] L. Zhang, X. Hu, Z. Wang, F. Sun, D. G. Dorrell, A review of supercapacitor modeling, estimation, and applications: A control/management perspective, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 81, No. 2, pp. 1868–1878, 2018.
[11] A. Muzaffar, M. B. Ahamed, K. Deshmukh, J. Thirumalai, A review on recent advances in hybrid supercapacitors: Design, fabrication and applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 101 pp. 123–145, 2019.
[12] Z. S. Iro, A Brief Review on Electrode Materials for Supercapacitor, International Journal of Electrochemical Science, Vol. 11, pp. 10628–10643, 2016.
[13] Y. Gao, Graphene and Polymer Composites for Supercapacitor Applications: a Review, Nanoscale Research Letters, Vol. 12, No. 387, pp. 1–17, 2017.
[14] H. Yang, A Review of Supercapacitor-based Energy Storage Systems for Microgrid Applications, 2018 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), Portland, OR, USA: IEEE, pp. 1–5, 2018.
[15] S. Liu, L. Wei, H. Wang, Review on reliability of supercapacitors in energy storage applications, Applied Energy, Vol. 278, pp. 115436–115448, 2020.
[16] R. Hemmati, H. Saboori, Emergence of hybrid energy storage systems in renewable energy and transport applications – A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 65, pp. 11–23, 2016.
[17] SkelCap User Manual, Accessed 6 September 2021; https://www.skeletontech.com/hubfs/02-SkelCap_Manual-170510-1.pdf?hsLang=en.
[18] V. Shah, J. A. Joshi, R. Maheshwari, R. Roy, Review of ultracapacitor technology and its applications, Fifteenth National Power Systems Conference (NPSC), Indian Institute of Technology Bombay, Bombay, India, pp. 142–147, 2008.
[19] A. González, E. Goikolea, J. A. Barrena, R. Mysyk, Review on supercapacitors: Technologies and materials, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 58, pp. 1189–1206. 2016.
[20] K. Jayaramulu, M. Horn, A. Schneemann, H. Saini, A. Bakandritsos, V. Ranc, M. Petr, V. Stavila, C. Narayana, B. Scheibe, Š. Kment, M. Otyepka, N. Motta, D. Dubal, R. Zbořil, R. A. Fischer, Covalent Graphene-MOF Hybrids for High-Performance Asymmetric Supercapacitors, Advanced Materials, Vol. 33, No. 4, pp. 2004560, 2021.
[21] S. S. Patil, T. S. Bhat, A. M. Teli, S. A. Beknalkar, S. B. Dhavale, M. M. Faras, M. M. Karanjkar, P. S. Patil, Hybrid Solid State Supercapacitors (HSSC’s) for High Energy & Power Density: An Overview, Engineered Science, Vol. 12, pp. 38–51, 2020.
[22] R. B. Marichi, V. Sahu, R. K. Sharma, G. Singh, Handbook of Ecomaterials, pp. 1–26, Springer Cham, 2018.
[23] Y. Shao, M. F. El-Kady, J. Sun, Y. Li, Q. Zhang, M. Zhu, H. Wang, B. Dunn, R. B. Kaner, Design and Mechanisms of Asymmetric Supercapacitors, Chemical Reviews, Vol. 118, No. 18, pp. 9233–9280, 2018.
[24] S. Y. Attia, S. G. Mohamed, Y. F. Barakat, H. H. Hassan, W. Al Zoubi, Supercapacitor electrode materials: Addressing challenges in mechanism and charge storage, Reviews in Inorganic Chemistry, Vol. 42, No. 1, pp. 1–36, 2021.
[25] S. Ferreira, W. Baca, T. Hund, Life Cycle Testing and Evaluation of Energy Storage Devices, Accessed 6 September 2021; https://www.energy.gov/sites/default/files/ESS%202012%20Peer%20Review%20%20Life%20Cycle%20Testing%20and%20Evaluation%20of%20Energy%20Storage%20Devices%20%20Summer%20Ferreira%2C%20SNL.pdf.
[26] T. Bowen, I. Chernyakhovskiy, K. Xu, K. Coney, USAID Grid-Scale Energy Storage Technologies Primer, Accessed 6 September 2021; https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/76097.pdf.
[27] G. Navarro, J. Torres, M. Blanco, J. Nájera, M. Santos-Herran, M. Lafoz, Present and future of supercapacitor technology applied to powertrains, renewable generation and grid connection applications, Energies, Vol. 14, No.11, pp.3060–3088, 2021.
[28] Y. Sahri, Y. Belkhier, S. Tamalouzt, N. Ullah, R. N. Shaw, M. S. Chowdhury, K. Techato, Energy management system for hybrid PV/wind/battery/fuel cell in microgrid-based hydrogen and economical hybrid battery/super capacitor energy storage, Energies, Vol. 14, No. 18, pp. 5722–5752, 2021.
[29] M. D. Keshavarz, M. H. Ali, Dynamic Performance Enhancement of Power Grids by Operating Solar Photovoltaic (PV) System as Supercapacitor Energy Storage, Energies, Vol. 14, No. 14, pp. 4277–4300, 2021.
[30] P. Harrop, Supercapacitor Markets, Technology Roadmap, Opportunities 2021-2041, Accessed 6 September 2021; www.IDTechEx.com/Supercaps.