Effects of grid design on lead-acid battery performance

Abstract

In today’s world, approximately 88 percent of the total energy demand is supplied by fossil fuels; however, it has become clear that; other energy sources are needed due to limited fossil fuels. The demand for energy can most effectively be filled by renewable energy sources as installed energy storage capacity is growing rapidly. If renewable energy sources advance enough to fulfill the high demand, earth-friendly, clean and sustainable energy will help to protect the environment, thus ensuring a healthier life for future generations. Energy storage systems are essential in this endeavor, and in order to become more prevalent, storage systems for renewable energy sources must supply electricity without interruption as much as possible. As an electrochemical storage, a battery with a high level of performance, high energy density and life cycle could offer a viable solution for electricity storage provided that battery cost should be economically viable. This thesis aims to improve the geometry of the grid used in lead acid batteries in order to obtain a more uniform current and potential distribution, and minimize the potential drop for improved battery performance. A 3D mathematical model was developed using finite element method to evaluate the behavior of the grid under various conditions. Five different porous grid geometries were simulated under different loads and optimum grid geometry was identified. The 3D mathematical model of the lead-acid battery based on finite element method was simulated under certain conditions in order to evaluate the effect of grid geometry on battery performance.

Günümüzde enerji ihtiyacının yaklaşık %88i fosil yakıtlardan elde edilmektedir fakat bu yakıtların sınırlı olmasından dolayı başka enerji kaynaklarına da ihtiyaç duyulmaktadır. Enerji talebi, kurulu enerji depolama kapasiteleri hızla büyüdüğünden yenilenebilir enerji kaynaklarıyla giderilebilir. Yenilenebilir enerji kaynakları, yüksek talebi karşılayacak kadar ilerlerse, çevre dostu, temiz ve sürdürülebilir enerji çevrenin korunmasına yardımcı olacak, böylece gelecek kuşaklar için daha sağlıklı bir yaşam sağlayacaktır. Enerji depolama sistemleri bu çabada önemlidir ve yenilenebilir enerji kaynakları için depolama sistemlerinin daha yaygın hale gelmesi için mümkün olduğunca kesintisiz elektrik sağlamalıdır. Elektrokimyasal depolama olarak, yüksek performans, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun ömrü olan bir pil, pil maliyetinin ekonomik açıdan uygun olması koşuluyla elektrik depolama için uygun bir çözüm sunabilir. Bu tezin amacı daha düzgün bir akım ve potansiyel dağılımı elde etmek ve potansiyel düşüşü en aza indirgeyerek daha gelişmiş bir batarya performansı elde etmek için kurşun asit bataryalarda kullanılan ızgaranın geometrisini geliştirmektir. Çeşitli koşullar altında ızgaranın davranışını değerlendirmek için sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak bir 3D matematiksel model geliştirildi. Farklı yükler altında beş farklı gözenekli ızgara geometrisi simüle edildi ve optimum ızgara geometrisi tespit edildi. Sonlu elemanlar yöntemine dayanan üç boyutlu matematiksel kurşun asit batarya modeli, ızgara geometrisinin pil performansı üzerindeki etkisini değerlendirmek için belirli koşullar altında simüle edildi.