Today’s society is currently performing an exit from fossilfuel energy sources. The change to sustainable alternativesrequires inexpensive and environmentally friendly energy storagedevices. However, most current devices contain expensive,rare or toxic materials. These materials must be replaced bylow-cost, abundant, nontoxic components.In this thesis, I suggest the production of paper-based electricdouble-layer capacitors (EDLCs) to meet the demand oflow-cost energy storage devices that provide high power density.To fulfill the requirements of sustainable and environmentallyfriendly devices, production of EDLCs that consist of paper,graphite and saltwater is proposed. Paper can be used as aseparator between the electrodes and as a substrate for theelectrodes. Graphite is suited for use as an active material in theelectrodes, and saltwater can be employed as an electrolyte.Westudied and developed different methods for the productionof nanographite and graphene from graphite. Composites containingthese materials and similar advanced carbon materialshave been tested as electrode materials in EDLCs. I suggest theuse of cellulose nanofibers (CNFs) or microfibrillated cellulose(MFC) as a binder in the electrodes. In addition to improvedmechanical stability, the nanocellulose improved the stabilityof graphite dispersions and the electrical performance of theelectrodes. The influence of the cellulose quality on the electricalproperties of the electrodes and EDLCs was investigated.The results showed that the finest nanocellulose quality is notthe best choice for EDLC electrodes; MFC is recommended forthis application instead. The results also demonstrated thatthe capacitance of EDLCs can be increased if the electrodemasses are adjusted according to the size of the electrolyte ions.Moreover, we investigated the issue of high contact resistancesat the interface between porous carbon electrodes and metalcurrent collectors. To reduce the contact resistance, graphitefoil can be used as a current collector instead of metal foils.Using the suggested low-cost materials, production methodsand conceptual improvements, it is possible to reduce the material costs by more than 90% in comparison with commercialunits. This confirms that paper-based EDLCs are apromising alternative to conventional EDLCs. Our findings andadditional research can be expected to substantially supportthe design and commercialization of sustainable EDLCs andother green energy technologies. / I dagens samhälle pågår en omställning från användning avfossila energikällor till förnybara alternativ. Denna förändringkräver miljövänliga och kostnadseffektiva elektriska energilagringsenheterför att möjliggöra en kontinuerlig energileverans.Dagens energilagringsenheter innehåller ofta dyra, sällsyntaeller giftiga material som behöver bytas ut för att nå hållbaralösningar.I denna avhandling föreslås att tillverka pappersbaseradesuperkondensatorer som möter kraven för kostnadseffektivaelektriska energilagrare med hög effekttäthet. För att nå kravenpå miljömässigt hållbara enheter föreslås användning avendast papper, grafit och saltvatten. Papper kan användas somseparator mellan elektroder likväl som substrat vid elektrodbestrykning.Grafit kan användas som aktivt elektrodmaterialoch saltvatten fungerar som elektrolyt. Olika metoder har härutvecklats för att producera nanografit och grafen från grafit.Dessa material har tillsammans med liknande, kommersiellt tillgängliga,avancerade kolmaterial testats i elektrodkompositerför superkondensatorer. Som bindemedel i dessa kompositerföreslås nanofibrillerad eller mikrofibrillerad cellulosa. Jaghar demonstrerat att nanocellulosa ökar dispersionsstabilitetensamt förbättrar den mekaniska stabiliteten och dom elektriskaegenskaperna i elektroderna. Hur cellulosans kvalitet påverkarelektroderna har undersökts och visar att den finaste kvaliteteninte är det bästa valet för superkondensatorer, istället rekommenderasmikrofibrillerad cellulosa. Utöver detta demonstrerasmöjligheten att öka superkondensatorernas kapacitans genomatt balansera elektrodernas massa med hänsyn till jonernasstorlek i elektrolyten. I avhandlingen diskuteras även svårigheternamed hög kontaktresistans i gränssnittet mellan porösakolstrukturer och metallfolie och hur detta kan undvikas omgrafitfolie används som kontakt.Genom att använda de material, produktionstekniker ochkonceptförbättringar som föreslås i avhandlingen är det möjligtatt reducera materialkostnaderna med mer än 90% i jämförelsemed kommersiella superkondensatorer. Detta bekräftar att pappersbaserade superkondensatorer är ett lovande alternativoch våra resultat tillsammans med vidare utveckling harstor potential att stödja övergången till miljömässigt hållbarasuperkondensatorer och annan grön energiteknik. / <p>Vid tidpunkten för disputationen var följande delarbeten opublicerade: delarbete 6 inskickat.</p><p>At the time of the doctoral defence the following papers were unpublished: paper 6 submitted.</p>

Les besoins de la microélectronique pour les condensateurs de type DRAM sont résumés dans la feuille de route ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Pour descendre en dessous du noeud technologique 22 nm, des performances électriques telles qu'une épaisseur d'oxyde équivalent (EOT) < 0.5 nm et un niveau de courant de fuite < 1.10-7 A/cm² à 0.8 V sont nécessaires. Ces performances sont difficiles à atteindre si l'on considère des oxydes standards largement utilisés tels que le SiO2, le Si3N4 ou l'Al2O3. Le dioxyde de Titane constitue un matériau diélectrique de choix pour ce type d'application si l'on considère sa forte constante diélectrique, la plus haute des oxydes binaires. Selon les conditions de croissance de la couche de TiO2, celle-ci peut se présenter sous forme amorphe ou posséder une structure cristalline appelé phase anatase ou phase rutile. Cette dernière présente une très forte constante diélectrique (90 à 170 selon l'orientation de la maille cristalline) et en fait un atout indéniable pour le développement de condensateur DRAM. Toutefois, cette phase rutile est aussi à l'origine d'un fort courant de fuite mesuré à partir des structures Métal - Isolant - Métal (MIM) associées. De ce fait, il est primordial de savoir contrôler ces courants de fuite tout en gardant la forte valeur de constante diélectrique de la phase rutile. Dans ce travail, nous proposons de travailler sur la croissance des couches minces de TiO2 intégrées dans des structures MIM et déposées sur des substrats différents tels que des électrodes de RuO2/Ru ou de Pt. La technique de dépôt employée pour les couches minces de TiO2 est la technique ALD pour son contrôle très précis de l'épaisseur déposée et sa souplesse d'utilisation pour ce type d'applications. Les propriétés physico-chimiques des couches de TiO2 et l'influence du substrat sur ces propriétés sont analysées. Des compositions différentes de diélectriques sont élaborées au moyen de la technique de dépôt par ALD et notamment des couches minces de TiO2 dopés à l'aluminium. Les propriétés électriques de ces couches sont étudiées afin de déterminer les performances électriques des structures MIM associées en termes de courant de fuite et de densité capacitive. / The requirements for future dynamic random access memory (DRAM) capacitors are summarized in the International Technology Roadmap for Semiconductors. For sub-22 nm node, performances like equivalent oxide thickness (EOT) < 0.5 nm and leakage current density < 1.10-7 A/cm² at 0.8 V are required but are difficult to meet. Titanium dioxide (TiO2) is an attractive dielectric material for such application regarding its high dielectric constant (k). Depending on its growth conditions, TiO2 can be prepared in amorphous, anatase or rutile phase. From the structural point of view, it is generally preferred that TiO2 remains amorphous throughout a complete technological process to minimize leakage transport along grain boundaries. However, the rutile phase exhibits very high dielectric constant ranging from 90 to 170, depending on the lattice orientation. Due to this high dielectric constant, TiO2 rutile phase is considered as a promising material for capacitors in future generations of Dynamic Random Access Memories (DRAMs). A key issue is how to control the high leakage current of rutile phase while keeping the highest dielectric constant in order to get the best electrical performances. In this work, we investigate the growth of high dielectric constant rutile TiO2 films in Metal - Insulator - Metal (MIM) structures deposited on different substrates such as RuO2/Ru or Pt electrodes using ALD (Atomic Layer Deposition). A study of physico-chemical properties of TiO2 layer and influence of bottom electrodes on TiO2's crystalline structure is proposed. Different compositions of dielectrics are processed using flexibility of ALD deposition technique, including Al-doped TiO2 layers and pure TiO2 layers. Electrical properties in terms of leakage current or capacitance density of MIM structures embedding that kind of dielectrics and comparison between these MIM structures in terms of electrical performances is proposed in order to determine the best dielectric film composition to meet the requirements for next generation of DRAM capacitors.

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (engl. Electrochemical Double-Layer Capacitors, EDLCs) stellen eine zunehmend wichtige Technologie auf dem Markt der elektrischen Energiespeicher dar. Sie zeichnen sich durch die Aufnahmefähigkeit großer Energiemengen, eine hohe Langzeitstabilität und ein schnelles Ansprechverhalten aus. Diese Eigenschaften sind Gründe, weshalb EDLCs als Speicherbausteine für Energierück-gewinnungssysteme oder zur Stabilisierung der Stromversorgung in diversen elektronischen Bauelementen eingesetzt werden. Die Aufnahme der Energie erfolgt über Ladungsseparation von Elektrolytionen an der Elektrodenoberfläche. Die Kapazität der Speicherfähigkeit wird dabei maßgeblich vom Betrag der Elektrodenoberfläche und dem Abstand der Elektrolytionen zur Oberfläche der Elektrode bestimmt (bei gleichbleibendem Elektrolyten). In der gegenwärtigen Forschung werden neue Elektrodenmaterialien entwickelt, um über deren Systemeigenschaften, wie Leitfähigkeit und Porosität, die Leistungsfähigkeit der Doppelschichtkondensatoren weiter zu optimieren. Gängige Komponenten für Elektroden in diesen Bauelementen stellen Kohlenstoffmaterialien dar, da diese chemisch inert und zumeist kostengünstig in der Produktion sind. In der vorliegenden Arbeit sollte die Eignung der Materialklasse der Siliziumoxykarbid-abgeleiteten Kohlenstoffe (engl. Silicon Oxycarbide-Derived Carbons, SiOCDCs) für die Anwendung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren untersucht werden. Die SiOCDCs wurden über die Pyrolyse (700 – 1500 °C) und Chlorierung (700 – 1000 °C) eines kohlenstoffreichen Polysilsesquioxans mit der theoretischen Zusammensetzung C6H5SiO3/2 erzeugt. Dabei zeigte sich, dass sowohl die porösen Eigenschaften als auch die Leitfähigkeit innerhalb der erhaltenen Kohlenstoffmaterialien stark von der Synthesetemperatur abhängen. Somit konnten reine Kohlenstoffe mit spezifischen Oberflächen bis zu 2400 m2 g-1 und Porenvolumina von 1,9 cm3 g-1 synthetisiert werden. Im Verlauf der Arbeit wurde eine geeignete Methode zur Verarbeitung der erzeugten Oxykarbid-abgeleiteten Kohlenstoffe zu Elektroden evaluiert, um eine elektrochemische Charakterisierung vorzunehmen. Ein vielversprechender Ansatz stellt die vollkommen trockene Umsetzung der SiOCDCs zu freistehenden Elektrodenschichten dar. Dieses Verfahren nutzt die Verreibung der Aktivkomponente mit einem geringen Anteil (5 Gew.-%) eines Bindemittels (Polytetrafluorethylen, PTFE) aus, um flexible und selbsttragende Elektrodenfolien zu erzeugen. Die Vorteile dieses Prozesses gegenüber anderen Verarbeitungsarten liegen darin, dass aufwendige Trocknungsverfahren während der Elektrodenherstellung entfallen und die Schichtdicken der resultierenden Folien unmittelbar eingestellt werden können. Während der Untersuchung der unterschiedlichen Elektrodensysteme im organischen Elektrolyten (1 M Tetraethylammoniumtetrafluoroborat-Lösung in Acetonitril) konnten spezifische Kapazitäten von bis zu 120 F g-1 gemessen werden. Des Weiteren zeigte sich der Einfluss der Kohlenstoffstruktur innerhalb der Aktivmaterialien auf die elektrochemischen Resultate. So konnte festgestellt werden, dass eine zunehmende Graphitisierung im Kohlenstoff, welche mit einer steigenden Mesoporosität im SiOCDC einherging, zu einer verbesserten Leitfähigkeit innerhalb der EDLC-Elektroden führte, aber auch eine Verringerung der spezifischen Kapazität bedeutete. Die Verringerung der Widerstände im System weitete erheblich den Bereich der nutzbaren Arbeitsfrequenzen und die Strombelastbarkeit des Elektrodenmaterials aus. So bestand die Möglichkeit ein mesoporöses Kohlenstoffmaterial zu synthetisieren, welches mit einer maximalen Arbeitsfrequenz von 8 Hz einen Wert zeigte, der zwei Größenordnungen über der Arbeitsfrequenz eines kommerziell erhältlichen Standards (Aktivkohle YP-50F) lag. Dieses exzellente Ansprechverhalten bildet die Grundlage für den Einsatz in Hochleistungsspeichersystemen. Des Weiteren offenbarte sich, dass die trocken prozessierten Elektroden das Potential für eine hohe Langzeitstabilität besitzen, da je nach Elektrodensystem ein Erhalt von 94% der Ursprungskapazität über 10.000 Lade-/Entladezyklen beobachtet werden konnte. Die Modifikation der Elektrodenmaterialien mittels CO2-Aktivierung und eine damit verbundene Erhöhung der spezifischen Oberfläche führten zu einer Verbesserung der spezifischen Kapazität der Aktivkomponenten um bis zu 33%. Zusammenfassend bleibt zu erwähnen, dass poröse Oxykarbid-abgeleitete Kohlenstoffe erfolgreich über die Chlorierung von keramischen Vorläuferverbindungen synthetisiert werden konnten. Die Kohlenstoffmaterialien zeigten nach der Prozessierung zu freistehenden und flexiblen Elektrodenfilmen vielversprechende Eigenschaften bei der Nutzung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren, wie hohe spezifische Kapazitäten, gute Langzeitstabilitäten und hohe Arbeitsfrequenzen bei Lade- und Entladevorgängen.

This dissertation focuses on daily volt/var control in distribution networks with feeder capacitors, substation capacitors and transformers equipped with on-load tap changers. A hybrid approach is proposed to solve the daily volt/var control problem. To reduce the computational requirements of the problem, this approach combines two methods, namely heuristic and optimal scheduling for the substation and feeder sub-problems respectively. The feeder capacitor dispatch schedule is determined based on a heuristic reactive power setpoint method. At this stage the objective is to minimize the reactive power flow through the substation bus in every time-interval. And as such, mathematical modeling of the distribution network components is adapted to suit time-varying conditions. Furthermore, an optimization model to determine a proper dispatch schedule of the substation devices is formulated. The objective of this model is to minimize the daily total energy loss and voltage deviations. Additionally, the reference voltage of the substation secondary bus and the transformer tap position limits are modified to adapt to given load profiles. The optimization model is solved with a discrete particle swarm optimization algorithm, which incorporates Newton’s method to determine the power-flow solution. The proposed method is applied to a time-varying distribution system and evaluated under different operational scenarios. It is also compared to on-line volt/var control with various settings. Simulation results show that the proposed approach minimizes both the voltage deviations and the total energy loss, while on-line control prioritizes one objective over the other depending on the specified settings. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2015. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / Unrestricted

Orientador: Christiano Lyra Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T02:20:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VizcainoGonzalez_JoseFederico_M.pdf: 972282 bytes, checksum: 652889ccc97d9102a9333902b4169885 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: As perdas técnicas de energia nas redes primarias de distribuição são decorrentes das resistências elétricas nas linhas. Pela natureza indutiva de algumas cargas e reatâncias das linhas, parte da energia dissipada é devida aos fluxos de potências reativas entre a subestação e os pontos de carga. Capacitores instalados próximo às cargas podem fornecer energia reativa local, diminuindo as perdas de energia na rede. Este trabalho apresenta inovações conceituais e de implementação que permitem o resgate da abordagem por programação dinâmica para a solução do problema de instalação e dimensionamento de capacitores fixos em redes de distribuição, para perfis de cargas fixos ou variáveis. O trabalho também aborda o problema de controle de capacitores chaveados, propondo duas novas abordagens. A primeira abordagem desenvolve uma versão de sistemas complexos adaptativos, também chamados sistemas classificadores. A segunda abordagem corresponde a uma especialização dos conceitos de programação dinâmica esenvolvidos para o problema de instalação de capacitores. Estudos de casos em redes reais de grande porte ilustram as possibilidades das metodologias desenvolvidas / Abstract: Technical energy losses in primary distribution networks are due to electrical resistances in lines. Due to reactance of power lines and inductive nature of some loads, part of the energy dissipated is due to reactive power that travels back and forth in lines, all the way from power sources to load points. Capacitors installed near load points can provide local complementary reactive power that decrease losses. This work presents conceptual and implementation innovations that allows to rescue the dynamic programming approach for the capacitors sizing and allocation problem in distribution networks, for fixes and variables loads. The work also presents two approaches to the capacitors control problem. The first approach is the development of a complex adaptive system (a classifier systems). The second approach to the capacitor control problem is a specialization of dynamic programming concepts, developed for the capacitors placement problem. Case studies in large real networks illustrate the possibilities of the developed methodologies / Mestrado / Automação / Mestre em Engenharia Elétrica

Due to the universal considerable population and economic growth rate, demands for energy have risen significantly over the past decade. This means that the integration of renewable energies in the power grid has escalated as well as requests for reactive power compensation, voltage stability, and mitigation of harmonic filters. Capacitor banks are widely used in the modern electrical transmission system in order to improve power quality and efficiency. In other words, this device aims to be involved in harmonic disturbance elimination, improve the power factor (PF), provide voltage control and stability which leads into more sustainable energy systems. Utilizing high voltage components, such as shunt capacitors in the power grid can introduce new challenges. One of these challenges is known as corona discharge. The aim of the presented master thesis is to study and develop corona discharge suppression models on high voltage capacitor banks which is implemented in collaboration with ABB power grids, Sweden. The main concerns are, effective factors on corona emergence, corona inception voltage levels, and corona suppression methods. Also, this study evaluates the verification of existing suppression. Two various approaches were applied and compared. The aim of the first approach is to evaluate corona discharge by electric field calculations on three various capacitor banks with different voltage levels. The simulation was implemented based on Maxwell’s equations and finite element method (FEM) by utilizing COMSOL Multiphysics software. The second approach is based on streamer inception and propagation. The calculation on this method is fulfilled with the help of MATLAB software. The results of both approaches were found reasonably compatible. It is discovered that corona discharge can appear in different voltage levels on capacitor banks based on various factors, such as the geometry of the bank. Consequently, the suppression method may vary case by case and different proposals were suggested in order to optimize the corona suppression rings. / På grund av den allmänna betydande befolknings- och ekonomiska tillväxttakten har kraven på energi ökat markant under det senaste decenniet. Detta innebär att integrationen av förnybara energier i elnätet har eskalerat samt begäran om reaktiv effektkompensering, spänningsstabilitet och mildring av harmoniska filter. kondensatorbatterier används ofta i det moderna elektriska transmissionssystemet för att förbättra strömkvaliteten och effektiviteten. Med andra ord syftar denna enhet till att vara involverad i eliminering av harmonisk störning, förbättra effektfaktorn (PF), tillhandahålla spänningskontroll och stabilitet som leder till mer hållbara energisystem. Att använda högspänningskomponenter, som shuntkondensatorer i elnätet, kan skapa nya utmaningar. En av dessa utmaningar kallas korona-urladdning. Syftet med den presenterade masteruppsatsen är att studera och utveckla korona-urladdningsmodeller på högspännings-kondensatorbatterier som implementeras i samarbete med ABB Power Grids, Sverige. De viktigaste problemen är effektiva faktorer för korona uppkomst, spänningsnivåer korona och metoder för att underlätta korona. Dessutom utvärderar denna studie verifieringen av befintliga undertryckningsmetoder. Två olika tillvägagångssätt tillämpades och jämfördes. Syftet med det första tillvägagångssättet är att utvärdera korona-urladdning genom elektriska fältberäkningar på tre olika kondensatorbatterier med olika spänningsnivåer. Simuleringen implementerades baserat på Maxwells ekvationer och finita elementmetoden (FEM) genom att använda COMSOL Multiphysics programvara. Det andra tillvägagångssättet är baserat på strömningslinjernas början och utbredning. Beräkningen av denna metod genomförs med hjälp av MATLAB-programvaran. Resultaten från båda metoderna tycktes vara rimligt kompatibla. Det upptäcks att korona-urladdning kan förekomma i olika spänningsnivåer på kondensatorbatterier baserat på olika faktorer, till exempel batteriets geometri. Följaktligen kan undertryckningsmetoden variera från fall till fall och olika förslag föreslogs för att optimera koronaundertryckningsringarna.

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This paper describes the design of DC/DC converters designed for charging supercapacitors and subsequent transformation of voltage to the desired value. In the text are presented decreasing and increasing switched-mode voltage converter including the calculation of the individual components and also the design of converter that combines both types. Using simulation software has been verified the function of each circuits, which can serves as a lower power backup supply.

The development of micro and nanoelectronics and nanophotonics needs novel characterization techniques to ensure higher quality of designed devices. The thesis describes a use of Scanning Near-field Optical Microscopy (SNOM) in dimensional control and in local investigation of diverse physical parameters. As example of its potential, the correlation between object topography and reflection measurement of capacitors is shown.

This work is in the first chapter deals with the basic properties of single phase and three-phase induction motors. The following describes the procedure for obtaining a starting torque of single-phase asynchronous motor. In the second part of the calculation is carried out single-phase induction motor with a permanently connected capacitor and its control, calculation of output values, the program proposed solution to this calculation in Microsoft Excel 2007 and calculated parameters of the development of methods of calculation were compared with measured, the values supplied by ATAS Náchod.