Littérature scientifique sur le sujet « Supercondensatore »

Positive linear systems with different fractional ordersA new class of positive linear systems with different fractional orders is introduced. A solution to the set of linear differential equations with different fractional orders is derived Necessary and sufficient conditions for the positivity of the fractional systems are established. It is shown that the linear electrical circuits composed of resistors, supercondensators, coils and voltage (current) sources are positive systems with different fractional orders.

Abstract New classes of singular fractional continuous-time and discrete-time linear systems are introduced. Electrical circuits are example of singular fractional continuous-time systems. Using the Caputo definition of the fractional derivative, the Weierstrass regular pencil decomposition and Laplace transformation the solution to the state equation of singular fractional linear systems is derived. It is shown that every electrical circuit is a singular fractional systems if it contains at least one mesh consisting of branches with only ideal supercondensators and voltage sources or at least one node with branches with supercoils. Using the Weierstrass regular pencil decomposition the solution to the state equation of singular fractional discrete-time linear systems is derived. The considerations are illustrated by numerical examples.

Durante il progetto presentato, ci si è focalizzati sulla natura piezoelettrica di alcuni materiali isolanti; nello specifico sul comportamento di un provino piezoelettrico commerciale in PZT e sul suo interfacciamento a un supercondensatore. Si sono svolti diversi test empirici per ricavarne le caratteristiche del provino e il suo comportamento da trasduttore. L'obiettivo raggiunto è stato quello di caricare un supercondensatore da 20mF attraverso la carica estratta da un pacchetto di 15 provini in parallelo soggetti a una forza sinusoidale. Infine, si è iniduviduata e simulata una sofisticata tecnica per migliorare il trasferimento di potenza nota come : "“Synchronized Switch Harvesting on Inductor"; sono stati proposte 2 configurazioni oltre a quella base che non prevede l'utilizzo di SSHI e se ne sono dedotti i vantaggi a seguito di simulazioni svolte su Simulink.

Tra le diverse tipologie di sistemi di accumulo energetico, i supercondensatori, grazie alla elevata densità di potenza, alla scarsa manutenzione richiesta e alla lunga vita utile in termini di numero di cicli, vedono grande flessibilità e possibilità di applicazione in molteplici settori del mercato, sia in utilizzo esclusivo sia all’interno di sistemi ibridi, dove vengono affiancati ad un'altra tecnologia di accumulo con caratteristiche complementari in grado di migliorarne le performance. Nell’ottica di estendere le applicazioni e ottimizzare il progetto e le prestazioni dei sistemi a supercondensatore è fondamentale lo sviluppo di modelli efficaci, in grado di simulare in maniera fedele il comportamento reale. L’elaborazione di modelli permette di eseguire test e simulare diverse condizioni operative, anche estreme, contenendo i costi e senza generare situazioni di pericolo. In questa tesi vengono esposti i principali modelli elettrici di celle a supercondensatore (SCs) presenti in letteratura e ne viene proposta l’implementazione in ambiente Matlab-Simulink, avvalendosi anche degli strumenti forniti dalle librerie Stateflow e Simscape. La procedura di stima dei parametri viene condotta attraverso la apposita toolbox di Simulink e i risultati dei modelli ottimizzati vengono confrontati con i profili sperimentali, ricavati da test eseguiti in laboratorio su un supercondensatore Maxwell Technologies BCAP3000. Infine, vista la possibilità offerta dai SC di sopportare veloci cicli di carica e scarica, viene eseguita un’analisi della risposta in frequenza, sempre in ambiente Simulink, in cui si realizza il diagramma complesso di impedenza nel range di frequenza da 1 mHz a 100 kHz. Tale analisi consentirà di individuare i valori di frequenza limite oltre i quali il supercondensatore non risulta più efficiente e sarà completata da un’interpretazione sia elettrica circuitale, sia fisica dei grafici di impedenza.

La tesi ha avuto come obbiettivo principale la caratterizzazione e modellizzazione di tre celle a supercondensatore; le prove sono state eseguite a corrente e a potenza costante. L'elaborazione dei risultati ha permesso di ottenere parametri quali la ESR (Equivalent Series Resistance), la capacità, la potenza e l'energia in funzione del tempo e il rendimento. Successivamente sono stati fatti dei confronti tra le prove per le tre celle prima a corrente costante e poi a potenza costante. Successivamente si è passati alla modellizzazione delle celle per ottenere un modello che rappresentasse al meglio i fenomeni intrinseci delle celle (derive di tensione e perdite) e che permettesse di risolvere questi ultimi. Per concludere, sono stati analizzati i fenomeni di degradazione con il passare del tempo e di auto scarica per tutte e tre le celle. Conclusioni e sviluppi futuri vengono analizzati nella parte finale della tesi.

L’energy harvesting è la progettazione di elementi atti alla conversione, condizionamento e accumulo dell’energia. La struttura comprende il generatore e l’accumulatore ed un accoppiamento con circuitazioni. Per la conversione si è optato per un disco piezoelettrico di PZT. Per l’accumulo la scelta è caduta su un supercondensatore. Per l’accoppiamento si è scelto un ponte di Graetz ed un condensatore elettrico per filtro. Per valutare l'output si è proceduto a testare mediante pressatura meccanica e misurazione con oscilloscopio. Tale step risulta importante per la scelta del circuito di condizionamento in quanto, quest’ultimo è intrinsecamente fornito di perdite. Quando le tensioni risultano insufficienti si è soliti adottare un array di più dischi. La sperimentazione con un singolo disco risulta accettabile per range di tensione superiori agli 0.6 V, se il ponte raddrizzatore scelto contiene diodi classici, e range superiori a 0.3 V per diodi Schottky. La ricarica del condensatore deve avvenire fissando un intervallo di tempo e la scarica, possibilmente nello stesso intervallo, risulta uno strumento utile per valutare l’energia realmente estratta. È una valutazione importante in quanto il dispositivo di accumulo possiede delle perdite tra cui l’energia residua. . Tal fenomeno porta ad avere una potenza disponibile inferiore a quella teorica. La scelta dei parametri circuitali, assieme alle caratteristiche di generatore e storage, permette di valutare l’impedenza del circuito. L’ottimo dell’estrazione si raggiunge quando l’impedenza del sistema eguaglia il coniugato dell’impedenza di carico (o di storage). La scelta dei parametri può partire dalla ricerca di questa uguaglianza. Grazie allo studio sperimentale a breve termine, si settato i parametri lavorativi, si individuano i punti di lavoro e si dimensionano i sottosistemi.

Sin dalla sua invenzione, la batteria agli ioni di litio ha dominato il mercato dei sistemi di accumulo elettrochimico, grazie alle sue eccezionali proprietà in termini di energia e densità di potenza. Tuttavia, il fatto che questa tecnologia sia indissolubilmente legata a risorse rare e disomogenee distribuite, per lo più litio e cobalto, rende indispensabile avere delle alternative, se non sostituirla completamente almeno per diversificare il mercato e ridurre la dipendenza dai suddetti risorse rare. Due esempi di tali alternative sono la batteria agli ioni di Na e il condensatore elettrochimico a doppio strato. Questi dispositivi hanno la possibilità di competere con i LIB in alcune situazioni, ma entrambi potrebbero trarre grandi benefici da un aumento della loro densità di energia. Inoltre, il monitoraggio dell'evoluzione delle loro prestazioni dovrebbe essere considerato una priorità al fine di ottenere informazioni più approfondite su come migliorarle in modo da renderle paragonabili alle LIB. La ricerca di dottorato qui descritta si è concentrata su due obiettivi principali: proporre modi per migliorare la densità di energia dei sistemi di accumulo (NIB e EDLC) e suggerire una nuova tecnica per monitorare tali dispositivi operando: la spettroscopia di impedenza elettrochimica dinamica. La fabbricazione di elettrodi ad alto potenziale è un modo per migliorare le capacità di accumulo di energia di una batteria agli ioni di Na. In questa tesi è stato sintetizzato Na3V2(PO4)2F3, un materiale attivo in grado di immagazzinare ioni sodio ad un potenziale medio di 3,8 V vs Na+/Na. Questo materiale è stato utilizzato per fabbricare elettrodi massicci autoportanti (carico di massa attiva: 25 mg cm-2), che si è rivelato un metodo molto interessante per migliorare la densità di energia. L'NVPF è stato anche testato come un vero catodo in una cella a ioni di sodio completa in modo da dimostrarne l'alto potenziale e i relativi problemi. Per migliorare le densità energetiche degli EDLC, sono state preparate e studiate soluzioni altamente concentrate di acetato di potassio in acqua dalla loro caratterizzazione fisico-chimica ed elettrochimica all'uso di quelle più concentrate (elettrolita acqua-in-sale) in EDLC simmetrici a base di carbonio. Tali soluzioni si sono rivelate in grado di aumentare sia la capacità che la massima differenza di potenziale raggiungibile tra i due elettrodi, risultando in densità di energia maggiori rispetto agli elettroliti convenzionali (es. soluzione 6M KOH in acqua). Infine, la spettroscopia di impedenza elettrochimica dinamica è stata valutata come metodo per studiare NIB ed EDLC durante il ciclo. Due sistemi, un EDLC acquoso e un materiale di inserimento per NIBs, sono stati analizzati con dEIS: una tecnica in grado di monitorare i cambiamenti temporali nella spettroscopia di impedenza elettrochimica mentre un dispositivo subisce un processo ciclico. Questo approccio si è rivelato fattibile sia per le tecniche potenziodinamiche che per quelle galvanostatiche, consentendo di sondare l'impedenza dei singoli elettrodi anche in condizioni sperimentali simili a quelle con cui opera un dispositivo reale.
Ever since its invention, the Li-ion battery has dominated the market of electrochemical storage systems, thanks to its outstanding properties in terms of energy and power density. However, the fact that this technology is inextricably linked to non-homogenously distributed and rare resources, mostly lithium and cobalt, makes it essential to have alternatives, if not to completely replace it at least to diversify the market and reduce the dependence on the aforementioned rare resources. Two examples of such alternatives are the Na-ion battery and the electrochemical double-layer capacitor. These devices have the chance to compete with LIBs in some situations but both of them could greatly benefit from an increase in their energy density. Also, monitoring the evolution of their performances should be considered a priority in order to get deeper insights on how to improve them so to make them comparable to LIBs. The doctoral research here described was focused on two main objectives: proposing ways to improve the energy density of storage systems (NIBs and EDLCs) and suggesting a new technique to monitor such devices operando: the dynamic electrochemical impedance spectroscopy. Fabricating high potential electrodes is a way to improve the energy storage capabilities of a Na-ion battery. In this thesis, Na3V2(PO4)2F3, an active material able to store sodium-ions at a mean potential as high as 3.8 V vs Na+/Na, was synthesised. This material was used to fabricate self-standing massive electrodes (active mass loading: 25 mg cm-2), which proved to be a very interesting method to improve the energy density. NVPF was also tested as an actual cathode in a full sodium-ion cell so to prove its high potential and relative issues. To improve EDLCs energy densities, highly concentrated solutions of potassium acetate in water were prepared and studied from their physicochemical and electrochemical characterization to the use of the highest concentrated ones (water-in-salt electrolyte) in symmetric carbon-based EDLCs. Such solutions proved to be able to increase both the capacitance and the maximum reachable potential difference between the two electrodes, resulting in higher energy densities compared to conventional electrolytes (e.g. 6M KOH solution in water). Finally, dynamic electrochemical impedance spectroscopy was evaluated as a method to study NIBs and EDLCs while cycling. Two systems, an aqueous EDLC and an insertion material for NIBs, were analysed with dEIS: a technique able to monitor the temporal changes in the electrochemical impedance spectroscopy while a device undergoes a cycling process. This approach proved to be doable for both potentiodynamic and galvanostatic techniques, allowing to probe the impedance of the single electrodes even in experimental conditions similar to those with which a real device operates.

In questa tesi viene presentata per la prima volta la possibilità di progettare e realizzare supercondensatori eco-compatibili avendo come obbiettivo non solo target prestazionali, ma anche la gestione di fine vita del dispositivo. L’approccio proposto si basa su un’intelligente combinazione di materiali, in particolare, leganti e separatori biodegradabili, entrambi solubili in acqua e liquidi ionici idrofobi come elettroliti. A fine vita, queste componenti sono facilmente riciclabili. In particolare, in questo lavoro di tesi, sono state studiate due tipologie di materiale polimerico di origine naturale: cellulosa e pullulano. Mentre la cellulosa è stata già proposta per applicazioni per supercondensatori, il pullulano viene qui proposto per la prima volta. L’implementazione di questi due polimeri è stata fatta producendo separatori tramite il processo di elettrofilatura. Le membrane realizzate sono state caratterizzate con attenzione alla loro stabilità e al loro contributo alla resistenza interna dei supercondensatori (mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica EIS) in presenza di tre elettroliti organici, e in particolare dei liquidi ionici, 1-Etil-3-metilimidazolio bis (trifluorometilsolfonil) immide (EMIM-TFSI) e 1-metil-1-butil pirrolidinio bis(trifluorometilsolfonil)immide (PYR14TFSI). Pullulano/EMI-TFSI è risultata la migliore combinazione polimero/elettrolita. Pertanto, sono stati realizzati supercondensatori con elettrolita EMIM-TFSI, separatore in pullulano elettrofilato, ed elettrodi a base di un carbone commerciale ad elevata area specifica (1960 m2/g), additivo conduttore carbonioso e pullulano come legante. Sono state condotte misure EIS, voltammetriche e ciclici di carica-scarica. I supercondensatori hanno raggiunto tensioni pari a 3.2 V, superiori a quelle di celle commerciali, e valori di potenza ed energia confrontabili con quelli di sistemi commerciali.

Nell’ambito della risoluzione dei problemi legati al consumo dell’acqua come risorsa e dello smaltimento di reflui contenenti carichi organici, è di grande importanza prendere in considerazione tecnologie in grado di garantire un approccio risolutivo che rispecchi i principi dell’economia circolare. L’aumento della domanda di energia legata ai processi di gestione dell’acqua è tra le tematiche più rilevanti. Un’alternativa tecnologica emergente è la cella a combustibile microbica (MFC), un dispositivo bio-elettrochimico che trasforma direttamente l’energia chimica dei composti organici presenti nelle acque reflue in energia elettrica. Il limite della MFC è la bassa potenza erogata, pertanto una possibile soluzione è di integrare la cella microbica con supercondenstaori (SC), cioè sono sistemi elettrochimici di accumulo dell’energia di elevata potenza. L’obiettivo di questa tesi è la realizzazione di un “bio-based SC” attraverso materiali e processi sostenbili che possa essere integrato in una MFC. In particolare, sono stati realizzati elettrodi di SC utilizzando un legante processabile in acqua, l’alginato, e antracite con lo scopo di dimostrare la valorizzazione di tale risorsa nel settore energy storage. Le prestazioni di questi elettrodi sono state confrontate con quelle di un carbone commerciale di riferimento. Gli elettrodi sono stati utilizzati per assemblare un bio-based SC che utilizza acque reflue come elettrolita. L’effetto della presenza dei batteri sulle prestazioni del SC è stato studiato mediante tecniche elettrochimiche. Lo studio ha dimostrato che la presenza dei batteri e l’utilizzo di acque reflue come elettrolita hanno un effetto positivo sulla risposta capacitiva dei SC che risulta confrontabile con quella di SC commerciali. I risultati ottenuti in questa tesi sono particolarmente innovativi e rappresentano uno spunto per la realizzazione di un nuovo concetto di living-bio-SC.

La tesi tratta di "energy harvesting" da piezoelettrici, in particolare della caratterizzazione elettromeccanica di un dischetto commerciale di PZT, del circuito elettrico-elettronico necessario per interfacciare il generatore piezoelettrico ad un sistema di accumulo elettrico (condensatore/supercondensatore); è anche presentata una configurazione a "stack" con due dischetti commerciali connessi elettricamente in parallelo. Sono inoltre riportati alcuni semplici modelli che riescono a simulare il comportamento capacitivo del generatore piezoelettrico. Per concludere è presentato un caso di "energy harvesting" dove l'energia elettrica sviluppata dal provino piezoelettrico è accumulata in un condensatore.

Analisi di alcune forme innovative di accumulo energetico dal punto di vista: 1. tecnico, con l'individuazione e l'ottimizzazione dei parametri più influenti per ciascuna; 2. commerciale, valutando la maturità attuale del mercato, le ricerche in atto e possibili nuovi sviluppi; 3. ambientale, riportando una valutazione generale in questo ambito e dati relativi all'analisi del ciclo vita. Le tecnologie trattate sono: volano, aria compressa, molla, batteria, supercondensatore, celle a combustibile.

La presente tesi riguarda la modellazione di diverse fonti di accumulo di energia elettrica, in particolare batterie e supercondensatori (SC), e di nuove configurazioni di metodi di gestione di sistemi di accumulo di energia ibridi . Il crescente bisogno di domanda di energia e il desiderio di raggiungere uno sviluppo sostenibile, si riflettono nell'uso di Generatori Distribuiti (DG) basati sulle Fonti energetiche Rinnovabili (FER). L'uso di un controllo di supervisione intelligente e il raggruppamento locale della domanda e della generazione possono portare a notevoli miglioramenti nell'efficienza, affidabilità e resilienza del sistema elettrico. Il problema principale della DG basata sulle FER è la variazione naturale di alcune fonti rinnovabili, come il vento e il sole. Per ridurre l'impatto della generazione intermittente delle FER, la soluzione più efficace e pratica è l'impiego di sistemi di stoccaggio dell'energia.
The present dissertation concerns about the modeling of different electrical energy storage sources, in particular batteries and supercapacitors (SCs), and of novel configurations of Hybrid Energy Storage Management Systems (HESMS). The growing need for energy demand and the desire to achieve sustainable development, are reflected in the use of Renewable Energy Sources (RESs)-based Distributed Generators (DG). The use of smart supervisory control and local clustering of demand and generation can lead to marked improvements in the efficiency, reliability, and resilience of the electrical system. The main problem of RESs-based DG is the natural variation of some renewable sources, such as wind and solar. To reduce the impact of intermittent RES generation, the most effective and practical solution is the employment of Energy Storage Systems (ESSs).