​रेंज विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली वास्तुकला और माप

रेंज विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली वास्तुकला और माप

परिचय

एक रेंज विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली एक सहायक जनरेटर के साथ दो या दो से अधिक भंडारण प्रौद्योगिकियों को जोड़ती है। यह टोपोलॉजी बैटरी की उच्च ऊर्जा घनत्व, सुपरकैपेसिटर या फ्लाईव्हील की उच्च शक्ति घनत्व और जनरेटर की असीमित रनटाइम क्षमता का उपयोग करती है। प्रत्येक घटक लोड प्रोफ़ाइल के विभिन्न भागों को संभालता है। सुपरकैपेसिटर मिलीसेकंड से दूसरे पैमाने की पावर स्पाइक्स का प्रबंधन करता है। बैटरी मिनट-टू-घंटे ऊर्जा वितरण का प्रबंधन करती है। जनरेटर घंटे से दिन के पैमाने पर रिचार्ज का प्रबंधन करता है। इंजेट हैनकांग ने पोर्ट क्रेन अनुप्रयोग के लिए दो सौ पचास किलोवाट रेंज की विस्तारित हाइब्रिड प्रणाली और रैपिड चार्जिंग स्टेशन के लिए एक सौ किलोवाट प्रणाली का निर्माण किया। यह आलेख दोनों स्थापनाओं से वास्तुकला, नियंत्रण रणनीति और मापा परिणामों का वर्णन करता है।

हाइब्रिड ऑपरेशन के लिए घटक चयन

एक रेंज विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली के लिए प्रत्येक भंडारण तकनीक के सावधानीपूर्वक चयन की आवश्यकता होती है। बैटरी में उच्च ऊर्जा घनत्व और मध्यम शक्ति क्षमता होनी चाहिए। इंजेट हैनकांग ऐसे डिजाइन के साथ लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी कोशिकाओं का चयन करता है जो बिजली घनत्व पर चक्र जीवन को प्राथमिकता देता है। बैटरी एक की अधिकतम C दर पर चलती है। सुपरकैपेसिटर में बहुत अधिक शक्ति घनत्व और कम आंतरिक प्रतिरोध होना चाहिए। इंजेट हैनकांग दस किलोवाट प्रति किलोग्राम की विशिष्ट शक्ति और सत्तानवे प्रतिशत की राउंड ट्रिप दक्षता के साथ सुपरकैपेसिटर कोशिकाओं का चयन करता है। बैटरी और सुपरकैपेसिटर योगदान को हटाने के बाद जनरेटर का आकार औसत लोड से मेल खाने के लिए होना चाहिए। पोर्ट क्रेन एप्लिकेशन में, पीक शेविंग के बाद औसत भार साठ किलोवाट था, इसलिए साठ किलोवाट डीजल जनरेटर का चयन किया गया था। बैटरी का आकार जनरेटर समर्थन के बिना दो घंटे तक संचालित करने की आवश्यकता से निर्धारित किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप एक सौ बीस किलोवाट घंटे का बैटरी बैंक तैयार हुआ। सुपरकैपेसिटर बैंक का आकार पांच सेकंड के लिए चार सौ किलोवाट की क्रेन पीक पावर को संभालने के लिए किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप दो मेगावाट का बैंक बन गया।

तीन घटक प्रणालियों के लिए नियंत्रण पदानुक्रम

एक सीमा विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली के लिए नियंत्रण प्रणाली तीन समय के पैमाने पर संचालित होती है। मिलीसेकंड पैमाने पर, सुपरकैपेसिटर एक ड्रूप कंट्रोल लूप के माध्यम से लोड ट्रांसिएंट पर प्रतिक्रिया करता है। सुपरकैपेसिटर वोल्टेज की निगरानी एक किलोहर्ट्ज़ पर की जाती है, और एक संकीर्ण बैंड के भीतर वोल्टेज बनाए रखने के लिए बिजली को समायोजित किया जाता है। दूसरे पैमाने पर, बैटरी डीसी बस वोल्टेज को बनाए रखने और सुपरकैपेसिटर को रिचार्ज करने के लिए बिजली की आपूर्ति करती है। मिनट स्केल पर, यदि बैटरी की चार्ज स्थिति तीस प्रतिशत से कम हो जाती है और सुपरकैपेसिटर वोल्टेज नाममात्र के नब्बे प्रतिशत से कम हो जाता है, तो जनरेटर चालू हो जाता है। इंजेट हैनकैंग ने सुपरकैपेसिटर लूप के लिए फ़ील्ड प्रोग्रामेबल गेट ऐरे और बैटरी और जनरेटर के लिए प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर का उपयोग करके इस पदानुक्रम को कार्यान्वित किया। पांच सौ amp लोड चरण के लिए मापा गया प्रतिक्रिया समय सुपरकैपेसिटर से दो मिलीसेकंड और बैटरी से चालीस मिलीसेकंड था।

पोर्ट क्रेन स्थापना परीक्षण परिणाम

पोर्ट क्रेन एप्लिकेशन ने रेंज विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली का सबसे अधिक मांग वाला परीक्षण प्रदान किया। क्रेन अत्यधिक परिवर्तनीय लोड प्रोफ़ाइल के साथ संचालित होती है। एक कंटेनर को उठाने के लिए पांच सेकंड के लिए चार सौ किलोवाट की आवश्यकता होती है। एक कंटेनर को नीचे करने पर पांच सेकंड के लिए दो सौ किलोवाट पुन: उत्पन्न होता है। यह चक्र लगभग हर दो मिनट में दोहराया जाता है। इंजेट हैनकांग ने एक सौ बीस लिफ्ट चक्रों की रिकॉर्डिंग करते हुए चार घंटे का परीक्षण किया। रेंज विस्तारित हाइब्रिड सिस्टम ने सुपरकैपेसिटर से सभी चरम शक्ति की आपूर्ति की। बैटरी साठ किलोवाट की औसत बिजली आपूर्ति करती थी। परीक्षण के दौरान जनरेटर एक बार चालू हुआ, जब पचास मिनट के निरंतर संचालन के बाद बैटरी की चार्ज स्थिति अट्ठाईस प्रतिशत तक पहुंच गई। जनरेटर बीस मिनट तक चला, जिससे बैटरी पचपन प्रतिशत तक रिचार्ज हो गई। कुल ईंधन की खपत एक दशमलव आठ लीटर थी। हाइब्रिड भंडारण के बिना, केवल जनरेटर समाधान के लिए लिफ्टों के बीच चार सौ किलोवाट जनरेटर की आवश्यकता होती, जो उसी अवधि में अनुमानित पंद्रह लीटर ईंधन की खपत करता।

शक्ति स्तरों पर दक्षता माप

रेंज विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली की समग्र प्रणाली दक्षता शक्ति स्तर के साथ बदलती रहती है। इंजेट हैनकांग ने पोर्ट क्रेन इंस्टॉलेशन का उपयोग करके तीन पावर स्तरों पर दक्षता मापी। कम बिजली पर, जिसे पचास किलोवाट से कम के रूप में परिभाषित किया गया है, बैटरी सीधे 92 प्रतिशत दक्षता के साथ आपूर्ति की जाती है। सुपरकैपेसिटर को नजरअंदाज कर दिया गया क्योंकि इसका लीकेज करंट कम बिजली पर दक्षता को कम कर देगा। मध्यम शक्ति पर, जिसे पचास से दो सौ किलोवाट के रूप में परिभाषित किया गया है, बैटरी नब्बे प्रतिशत दक्षता के साथ आपूर्ति की गई और सुपरकैपेसिटर निष्क्रिय रहा। उच्च शक्ति पर, जिसे दो सौ किलोवाट से ऊपर के रूप में परिभाषित किया गया है, सुपरकैपेसिटर सत्तानवे प्रतिशत दक्षता के साथ आपूर्ति करता है और बैटरी डीसी डीसी कनवर्टर के माध्यम से शेष शक्ति का योगदान करती है। चलते समय जनरेटर तैंतीस प्रतिशत दक्षता पर ऊर्जा की आपूर्ति करता था। चार घंटे के परीक्षण में लोड करने के लिए सभी स्रोतों से संपूर्ण प्रणाली की भारित औसत दक्षता चौरासी प्रतिशत थी। इसकी तुलना केवल जेनरेटर सिस्टम के लिए तिरसठ प्रतिशत और समान पीक लोड क्षमता वाले केवल बैटरी सिस्टम के लिए छिहत्तर प्रतिशत से की जाती है।

संकरण के माध्यम से बैटरी चक्र जीवन विस्तार

सुपरकैपेसिटर उच्च सी दर पल्स के लिए बैटरी के जोखिम को कम करता है, जो त्वरित उम्र बढ़ने का एक प्राथमिक कारण है। पोर्ट क्रेन परीक्षण में, बैटरी ने बिंदु आठ सी की अधिकतम सी दर देखी, जबकि लोड ने छह बिंदु सात सी तक सी दरों की मांग की। इंजेट हैनकांग ने चार घंटे के परीक्षण से मापा वर्तमान प्रोफ़ाइल के आधार पर बैटरी चक्र जीवन का अनुमान लगाया। सुपरकैपेसिटर संकरण के बिना, बैटरी दो से ऊपर सी दरों पर प्रति वर्ष आठ हजार उच्च दर चक्रों का अनुभव करती। संकरण के साथ, बैटरी एक से नीचे सी दर पर प्रति वर्ष चार सौ मध्यम दर चक्र का अनुभव करती है। अनुमानित बैटरी प्रतिस्थापन अंतराल दो वर्ष से सात वर्ष तक है। परीक्षण से वोल्टेज और तापमान डेटा के आधार पर सुपरकैपेसिटर का जीवनकाल, परीक्षण किए गए कर्तव्य चक्र के लिए पंद्रह वर्ष से अधिक है। चार घंटे के परीक्षण के बाद मापा गया कैपेसिटेंस क्षरण शून्य दशमलव शून्य पांच प्रतिशत था।

रैपिड चार्जिंग स्टेशन एप्लीकेशन डेटा

एक इलेक्ट्रिक वाहन रैपिड चार्जिंग स्टेशन पर दूसरी श्रेणी की विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली स्थापित की गई थी। स्टेशन का ग्रिड कनेक्शन एक सौ किलोवाट तक सीमित है, लेकिन ऐसे वाहनों की सेवा करता है जो तीन सौ किलोवाट तक स्वीकार कर सकते हैं। रेंज विस्तारित हाइब्रिड प्रणाली एक सौ किलोवाट घंटे की बैटरी, तीस सेकंड के लिए रेटेड एक मेगावाट सुपरकैपेसिटर बैंक और एक पचास किलोवाट जनरेटर का उपयोग करती है। इंजेट हैनकांग ने ऑपरेशन के तीन महीनों में डेटा एकत्र किया। इस अवधि के दौरान स्टेशन ने चार सौ बीस वाहनों को सेवा प्रदान की। सुपरकैपेसिटर ने वाहन कनेक्शन के दौरान सभी इनरश करंट को संभाला, जो दस सेकंड के लिए तीन सौ किलोवाट तक पहुंच जाता है। बैटरी ने प्रत्येक चार्जिंग सत्र के शेष भाग के लिए एक सौ किलोवाट की निरंतर चार्जिंग शक्ति प्रदान की। जनरेटर बारह मौकों पर चालू हुआ जब ग्रिड रिचार्ज समय के बिना बैक टू बैक चार्जिंग सत्रों के कारण बैटरी की चार्ज स्थिति तीस प्रतिशत से कम हो गई। जनरेटर संचालन का कुल समय छह घंटे था। कुल ईंधन खपत अठारह लीटर थी। ग्रिड कनेक्शन कभी भी पार नहीं किया गया था। औसत वाहन चार्जिंग समय बाईस मिनट था, जबकि भंडारण प्रणाली के बिना पैंतालीस मिनट था।

उच्च शक्ति अनुप्रयोगों के लिए आर्थिक विश्लेषण

सुपरकैपेसिटर और इसके पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के कारण एक रेंज विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली की अग्रिम लागत एक साधारण बैटरी प्रणाली की तुलना में अधिक होती है। हालाँकि, बार-बार उच्च शक्ति शिखर वाले अनुप्रयोगों के लिए, स्वामित्व की कुल लागत कम हो सकती है। इंजेट हैनकांग ने दस साल के क्षितिज पर पोर्ट क्रेन अनुप्रयोग के लिए एक आर्थिक विश्लेषण किया। केवल बैटरी प्रणाली को चार सौ किलोवाट की चोटियों को संभालने के लिए एक मेगावाट की बैटरी की आवश्यकता होती है, जिसकी लागत चार लाख डॉलर होती है। वर्ष तीन और वर्ष छह में बैटरी प्रतिस्थापन में प्रत्येक में तीन लाख डॉलर जोड़े गए, जो दस वर्षों में कुल मिलाकर एक मिलियन डॉलर था। हाइब्रिड प्रणाली में सत्तर हजार डॉलर की लागत वाली एक सौ बीस किलोवाट घंटे की बैटरी, चालीस हजार डॉलर की लागत वाला दो मेगावाट का सुपरकैपेसिटर बैंक और बीस हजार डॉलर की लागत वाला साठ किलोवाट जनरेटर का उपयोग किया गया। सातवें साल में बैटरी बदलने से सत्तर हजार डॉलर जुड़ गए। दस वर्षों में कुल घटक लागत दो लाख डॉलर थी। केवल बैटरी प्रणाली की तुलना में हाइब्रिड प्रणाली ने घटक लागत में आठ लाख डॉलर बचाए। जनरेटर ईंधन और रखरखाव में प्रति वर्ष पाँच हज़ार डॉलर या दस वर्षों में पचास हज़ार डॉलर जोड़े गए, जिसके परिणामस्वरूप सात सौ पचास हज़ार डॉलर की शुद्ध बचत हुई।

व्यावहारिक सीमाएँ और डिज़ाइन बाधाएँ

रेंज विस्तारित हाइब्रिड सिस्टम एकल भंडारण प्रणालियों की तुलना में नियंत्रण और कमीशन के लिए अधिक जटिल हैं। इंजेट हैनकांग ने देखा कि पोर्ट क्रेन स्थापना के लिए नियंत्रण मापदंडों को ट्यून करने के लिए साइट पर तीन सप्ताह के समायोजन की आवश्यकता होती है। सुपरकैपेसिटर बैंक को कोशिकाओं में वोल्टेज एकरूपता बनाए रखने के लिए एक संतुलन सर्किट की आवश्यकता होती है। बैलेंसिंग सर्किट सुपरकैपेसिटर सिस्टम लागत में लगभग पंद्रह प्रतिशत जोड़ता है। अत्यधिक स्टार्ट-स्टॉप चक्रों से बचने के लिए जनरेटर का आकार सावधानीपूर्वक होना चाहिए। प्रति घंटे एक से अधिक बार स्टार्ट-स्टॉप चक्र जनरेटर जीवन को कम कर देता है। पोर्ट क्रेन इंस्टॉलेशन सीमित जनरेटर नियंत्रण तर्क के माध्यम से प्रति दिन अधिकतम छह तक शुरू होता है। रैपिड चार्जिंग स्टेशन की स्थापना में ऐसी कोई सीमा नहीं थी क्योंकि जनरेटर तीन महीनों में केवल बारह मौकों पर शुरू हुआ था। जिन साइटों पर प्रति दिन दो से अधिक जनरेटर चालू होने की उम्मीद है, उन्हें जनरेटर चक्र को कम करने के लिए बड़ी बैटरी पर विचार करना चाहिए।

निष्कर्ष

रेंज विस्तारित हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण प्रणाली बैटरी, सुपरकैपेसिटर और जनरेटर क्षमताओं को एक समन्वित इकाई में जोड़ती है। इंजेट हैनकांग के पोर्ट क्रेन प्रोटोटाइप के परीक्षण डेटा में चौरासी प्रतिशत भारित दक्षता, दो साल से सात साल तक बैटरी जीवन विस्तार और केवल जनरेटर प्रणाली की तुलना में नब्बे प्रतिशत की ईंधन बचत दिखाई देती है। पोर्ट क्रेन के आर्थिक विश्लेषण से पता चला कि केवल बैटरी प्रणाली की तुलना में दस वर्षों में सात लाख पचास हजार डॉलर की शुद्ध बचत हुई। रैपिड चार्जिंग स्टेशन डेटा ने चार सौ बीस वाहनों की सेवा के साथ सफल संचालन की पुष्टि की और ग्रिड सीमा का कोई उल्लंघन नहीं हुआ। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि रेंज विस्तारित हाइब्रिड स्टोरेज उच्च शिखर शक्ति, क्रेन, रैपिड चार्जर और औद्योगिक उठाने वाले उपकरण जैसे परिवर्तनीय लोड अनुप्रयोगों के लिए आर्थिक रूप से व्यवहार्य है।