Superkondenzatori se mogu nazvati najsjajnijim razvojem posljednjih godina. U poređenju sa konvencionalnim kondenzatorima, sa istim dimenzijama, razlikuju se po kapacitetu za tri reda veličine. Za to su kondenzatori dobili svoj prefiks - "super". Oni mogu osloboditi ogromne količine energije u kratkom vremenskom periodu.

Dostupne su u raznim veličinama i oblicima: od vrlo malih, koji se postavljaju na površinu uređaja, veličine ne veće od novčića, do vrlo velikih cilindričnih i prizmatičnih. Njihova glavna svrha je dupliranje glavnog izvora (baterije) u slučaju pada napona.

Energetski intenzivni moderni elektronski i električni sistemi za napajanje napreduju visoki zahtjevi. Nova oprema (od digitalnih kamera do elektronskih ručnih uređaja i prijenosa električnih vozila) treba da skladišti i opskrbljuje potrebnu energiju.

Moderni programeri rješavaju ovaj problem na dva načina:

• Korištenje baterije sposobne za isporuku impulsa velike struje
• Paralelnim povezivanjem na bateriju kao osiguranje za superkondenzatore, tj. "hibridno" rešenje.

U potonjem slučaju, superkondenzator djeluje kao izvor energije kada napon baterije padne. To je zbog činjenice da baterije imaju velika gustoća energije i male gustine snage, dok se superkondenzatori, naprotiv, odlikuju niskom gustinom energije, ali velikom gustinom snage, tj. oni obezbjeđuju struju pražnjenja za opterećenje. Spajanjem superkondenzatora paralelno s baterijom, možete ga efikasnije koristiti i samim tim produžiti njegov vijek trajanja.

Gdje se koriste superkondenzatori?

Video: Test superkondenzatora 116.6F 15V (6* 700F 2.5V), umjesto starter baterije u automobilu

U automobilu elektronski sistemi koriste se za pokretanje motora, čime se smanjuje opterećenje baterije. Takođe vam omogućavaju da smanjite težinu smanjenjem dijagrame ožičenja. Široko se koriste u hibridnim automobilima, gdje generatorom upravlja motor sa unutrašnjim sagorijevanjem, a elektromotor (ili motori) pokreću automobil, tj. Superkondenzator (energetski keš) se koristi kao izvor struje tokom ubrzanja i kretanja, a "dopunjava" se tokom kočenja. Njihova upotreba obećava ne samo u putničkim automobilima, već iu gradskom saobraćaju, jer nova vrsta kondenzatora omogućava smanjenje potrošnje goriva za 50% i smanjenje emisije štetnih gasova u životnu sredinu za 90%.

Ne mogu još u potpunosti zamijeniti superkondenzatorsku bateriju, ali to je samo pitanje vremena. Upotreba superkondenzatora umjesto baterije nije nimalo fantastična. Ako nanotehnolozi sa Univerziteta QUT budu krenuli pravim putem, to će u bliskoj budućnosti postati stvarnost. Karoserije sa superkondenzatorima unutar mogu djelovati kao baterije. najnovije generacije. Zaposlenici ovog univerziteta uspjeli su spojiti prednosti litijum-jonskih baterija i superkondenzatora u novom uređaju. Novi tanak, lagan i snažan superkondenzator sastoji se od ugljičnih elektroda s elektrolitom smještenim između njih. Novi proizvod, prema naučnicima, može se instalirati bilo gdje u tijelu.

Zahvaljujući velikom obrtnom momentu (početnom momentu), oni mogu poboljšati karakteristike pokretanja na niskim temperaturama i sada proširiti mogućnosti elektroenergetskog sistema. Svrsishodnost njihove upotrebe u elektroenergetskom sistemu objašnjava se činjenicom da je njihovo vrijeme punjenja/pražnjenja 5-60 sekundi. Osim toga, mogu se koristiti u distributivnom sistemu nekih mašinskih uređaja: solenoidi, sistemi za podešavanje brave na vratima i pozicije prozorskog stakla.

DIY superkondenzator

Možete napraviti superkondenzator vlastitim rukama. Budući da se njegov dizajn sastoji od elektrolita i elektroda, morate odlučiti o materijalu za njih. Bakar, nehrđajući čelik ili mesing su sasvim prikladni za elektrode. Možete uzeti, na primjer, stare kovanice od pet kopejki. Trebat će vam i ugljen u prahu (aktivni ugalj možete kupiti u ljekarni i samljeti ga). Kao elektrolit će poslužiti i obična voda u kojoj je potrebno rastvoriti kuhinjsku so (100:25). Otopina se pomiješa s prahom drvenog uglja kako bi se dobila konzistencija kita. Sada se mora nanijeti u sloju od nekoliko milimetara na obje elektrode.

Ostaje samo odabrati brtvu koja razdvaja elektrode, kroz čije pore će elektrolit slobodno proći, ali će se ugljični prah zadržati. Za ove namjene prikladna je fiberglas ili pjenasta guma.

Elektrode – 1,5; ugljen-elektrolit premaz – 2,4; zaptivka – 3.

Kao kućište možete koristiti plastičnu kutiju, prethodno izbušivši u njoj rupe za žice zalemljene na elektrode. Nakon što smo spojili žice na bateriju, čekamo da se "ionix" dizajn napuni, nazvan tako jer bi se na elektrodama trebale formirati različite koncentracije iona. Lakše je provjeriti napunjenost pomoću voltmetra.

Postoje i drugi načini. Na primjer, od limenog papira (limene folije - omot od čokolade), komada limenog i voštanog papira, koje možete sami napraviti tako što ćete trake maramice izrezati i uroniti u otopljeni, ali ne proključavajući parafin na par minuta. Širina traka treba biti pedeset milimetara, a dužina od dvije stotine do tri stotine milimetara. Nakon što uklonite trake sa parafina, morate sastrugati parafin tupom stranom noža.

Papir natopljen parafinom savija se u obliku harmonike (kao na slici). S obje strane u praznine su umetnute staniolne ploče koje odgovaraju veličini 45x30 milimetara. Nakon što je na taj način pripremljen radni komad, on se savija i zatim pegla toplim gvožđem. Preostali staniolski krajevi spojeni su jedan s drugim izvana. Za to možete koristiti kartonske i mesingane ploče sa limenim kopčama, na koje se kasnije zalemljuju provodnici kako bi se kondenzator mogao zalemiti prilikom ugradnje.

Kapacitet kondenzatora zavisi od broja staniolnih listova. Jednako je, na primjer, hiljadu pikofarada kada se koristi deset takvih listova, i dvije hiljade ako se njihov broj udvostruči. Ova tehnologija je pogodna za proizvodnju kondenzatora kapaciteta do pet hiljada pikofarada.

Ako je potreban veliki kapacitet, onda morate imati stari mikrofaradni papirni kondenzator, koji je rola trake koja se sastoji od traka voštanog papira, između kojih je položena traka staniol folije.

Da biste odredili dužinu traka, koristite formulu:

l = 0,014 C/a, pri čemu je kapacitivnost potrebnog kondenzatora u pF C; širina pruga u cm – a: dužina u cm – 1.

Nakon što odmotate trake potrebne dužine sa starog kondenzatora, odrežite foliju od 10 mm sa svih strana kako biste spriječili spajanje ploča kondenzatora jedna na drugu.

Traku je potrebno ponovo namotati, ali prvo tako što ćete na svaku traku folije zalemiti upletene žice. Konstrukcija je odozgo obložena debelim papirom, a na rubove papira koji strše zalijepljene su dvije montažne žice (tvrde), na koje su zalemljeni provodnici iz kondenzatora s unutarnje strane omota za papir (vidi sliku). Posljednji korak je punjenje strukture parafinom.

Prednosti karbonskih superkondenzatora

Budući da se današnji pohod električnih vozila širom planete ne može zanemariti, naučnici rade na pitanju vezanom za njega najbrže punjenje. Javljaju se mnoge ideje, ali samo neke se ostvaruju. U Kini je, na primjer, pokrenuta neobična gradska transportna ruta u gradu Ningbo. Autobus koji njime vozi pokreće električni motor, ali mu je potrebno samo deset sekundi da se napuni. Na njemu prelazi pet kilometara i ponovo, prilikom iskrcavanja/preuzimanja putnika, uspeva da se napuni.

To je postalo moguće zahvaljujući upotrebi nove vrste kondenzatora - ugljika.

Ugljenični kondenzatori Mogu izdržati oko milion ciklusa punjenja i savršeno rade u temperaturnom rasponu od minus četrdeset do plus šezdeset i pet stepeni. Oni vraćaju do 80% energije kroz oporavak.

Oni su započeli novu eru u upravljanju energijom, smanjujući vrijeme pražnjenja i punjenja na nanosekunde i smanjujući težinu vozila. Ovim prednostima možemo dodati nisku cijenu, budući da se u proizvodnji ne koriste rijetki zemni metali i ekološka prihvatljivost.

Ljudi su prvo koristili kondenzatore za skladištenje električne energije. Zatim, kada je elektrotehnika prevazišla laboratorijske eksperimente, izumljene su baterije koje su postale glavno sredstvo za skladištenje električne energije. Ali početkom 21. stoljeća ponovo se predlaže korištenje kondenzatora za napajanje električne opreme. Koliko je to moguće i hoće li baterije konačno postati stvar prošlosti?

Razlog zašto su kondenzatori zamijenjeni baterijama bio je u znatno većim količinama električne energije koju su u stanju pohraniti. Drugi razlog je taj što se tokom pražnjenja napon na izlazu baterije vrlo malo mijenja, tako da stabilizator napona ili nije potreban ili može biti vrlo jednostavnog dizajna.

Glavna razlika između kondenzatora i baterija je u tome što kondenzatori direktno pohranjuju električni naboj, dok baterije pretvaraju električnu energiju u kemijsku energiju, pohranjuju je, a zatim pretvaraju kemijsku energiju natrag u električnu energiju.

Tokom energetskih transformacija, dio se gubi. Stoga, čak i najbolje baterije imaju efikasnost ne više od 90%, dok za kondenzatore može doseći 99%. Intenzitet hemijskih reakcija zavisi od temperature, tako da baterije rade znatno lošije na hladnom vremenu nego na sobnoj temperaturi. Osim toga, kemijske reakcije u baterijama nisu potpuno reverzibilne. Otuda mali broj ciklusa punjenja-pražnjenja (reda hiljada, najčešće je vijek trajanja baterije oko 1000 ciklusa punjenja-pražnjenja), kao i „efekat memorije“. Podsjetimo, „efekat memorije“ je da se baterija uvijek mora isprazniti do određene količine akumulirane energije, tada će njen kapacitet biti maksimalan. Ako nakon pražnjenja u njemu ostane više energije, tada će se kapacitet baterije postupno smanjivati. „Efekat memorije“ karakterističan je za gotovo sve komercijalno proizvedene vrste baterija, osim kiselih (uključujući njihove sorte - gel i AGM). Iako je općeprihvaćeno da litijum-jonski i litijum-polimerske baterije nije tipično, dapače, i oni ga imaju, samo se manifestira u manjoj mjeri nego kod drugih tipova. Što se tiče kiselinskih baterija, one pokazuju efekat sulfacije ploča, što uzrokuje nepovratno oštećenje izvora napajanja. Jedan od razloga je taj što baterija ostaje u stanju napunjenosti manje od 50% dugo vremena.

Što se tiče alternativne energije, “efekat pamćenja” i sulfatizacija ploča su ozbiljni problemi. Činjenica je da opskrba energijom iz izvora kao npr solarni paneli a vjetroturbine je teško predvidjeti. Kao rezultat toga, punjenje i pražnjenje baterija se odvija haotično, u neoptimalnom načinu rada.

Za savremeni ritam života ispada apsolutno neprihvatljivo da se baterije moraju puniti nekoliko sati. Na primjer, kako zamišljate vožnju na velike udaljenosti u električnom vozilu ako vas istrošena baterija drži na mjestu punjenja nekoliko sati? Brzina punjenja baterije ograničena je brzinom hemijskih procesa koji se u njoj odvijaju. Vrijeme punjenja možete smanjiti na 1 sat, ali ne na nekoliko minuta. Istovremeno, brzina punjenja kondenzatora ograničena je samo maksimalnom strujom koju daje punjač.

Navedeni nedostaci baterija su učinili hitnim korištenje kondenzatora umjesto njih.

Korištenje električnog dvostrukog sloja

Dugi niz decenija, elektrolitski kondenzatori su imali najveći kapacitet. U njima je jedna ploča bila metalna folija, druga elektrolit, a izolacija između ploča metalni oksid, koji je obložio foliju. Za elektrolitičke kondenzatore, kapacitet može doseći stoti dio farada, što nije dovoljno za potpunu zamjenu baterije.

Poređenje dizajna različite vrste kondenzatori (Izvor: Wikipedia)

Veliku kapacitivnost, mjerenu u hiljadama farada, mogu dobiti kondenzatori na bazi takozvanog električnog dvostrukog sloja. Princip njihovog rada je sljedeći. Dvostruko električni sloj nastaje pod određenim uslovima na granici supstanci u čvrstoj i tečnoj fazi. Formiraju se dva sloja jona sa nabojima suprotnih predznaka, ali iste veličine. Ako jako pojednostavimo situaciju, tada se formira kondenzator, čije su "ploče" naznačeni slojevi iona, između kojih je udaljenost jednaka nekoliko atoma.

Superkondenzatori različitih kapaciteta koje proizvodi Maxwell

Kondenzatori bazirani na ovom efektu se ponekad nazivaju jonistorima. Naime, ovaj pojam se ne odnosi samo na kondenzatore u kojima se pohranjuje električni naboj, već i na druge uređaje za skladištenje električne energije - uz djelomičnu konverziju električne energije u hemijsku uz skladištenje električnog naboja (hibridni jonistor), kao i za baterije na bazi dvostrukog električnog sloja (tzv. pseudokondenzatori). Stoga je termin "superkondenzatori" prikladniji. Ponekad se umjesto toga koristi identičan izraz "ultrakondenzator".

Tehnička implementacija

Superkondenzator se sastoji od dvije ploče od aktivnog uglja napunjene elektrolitom. Između njih nalazi se membrana koja omogućava prolazak elektrolita, ali sprečava fizičko kretanje čestica aktivnog ugljena između ploča.

Treba napomenuti da sami superkondenzatori nemaju polaritet. Po tome se bitno razlikuju od elektrolitskih kondenzatora, koji se u pravilu odlikuju polaritetom, nepoštivanje čega dovodi do kvara kondenzatora. Međutim, polaritet se primjenjuje i na superkondenzatore. To je zbog činjenice da superkondenzatori napuštaju tvorničku montažnu traku već napunjeni, a oznaka označava polaritet ovog punjenja.

Parametri superkondenzatora

Maksimalni kapacitet pojedinačnog superkondenzatora, postignut u vrijeme pisanja, je 12.000 F. Za superkondenzatore masovne proizvodnje, ne prelazi 3.000 F. Maksimalni dozvoljeni napon između ploča ne prelazi 10 V. Za komercijalno proizvedene superkondenzatore, ova brojka se u pravilu nalazi u granicama 2,3 – 2,7 V. Nizak radni napon zahtijeva upotrebu pretvarača napona sa funkcijom stabilizatora. Činjenica je da se tokom pražnjenja napon na pločama kondenzatora mijenja u širokom rasponu. Izrada naponskog pretvarača za povezivanje opterećenja i punjač su netrivijalan zadatak. Recimo da trebate napajati opterećenje od 60 W.

Da bismo pojednostavili razmatranje problema, zanemarit ćemo gubitke u pretvaraču napona i stabilizatoru. U slučaju da radite sa obična baterija s naponom od 12 V, tada upravljačka elektronika mora izdržati struju od 5 A. Takvi elektronički uređaji su široko rasprostranjeni i jeftini. Ali potpuno drugačija situacija nastaje kada se koristi superkondenzator, čiji je napon 2,5 V. Tada struja koja teče kroz elektronske komponente pretvarača može doseći 24 A, što zahtijeva nove pristupe tehnologiji kola i modernu bazu elemenata. Upravo teškoća u izgradnji pretvarača i stabilizatora može objasniti činjenicu da superkondenzatori, serijska proizvodnja koja je započeta još 70-ih godina 20. veka, tek su sada počele da se široko koriste u raznim oblastima.

Shematski dijagram izvor neprekidno napajanje
napona na superkondenzatorima, implementirane su glavne komponente
na jednom mikrokolu koje proizvodi LinearTechnology

Superkondenzatori se mogu povezati u baterije pomoću serijskih ili paralelnih veza. U prvom slučaju povećava se maksimalni dozvoljeni napon. U drugom slučaju - kapacitet. Povećanje maksimalnog dozvoljenog napona na ovaj način je jedan od načina rješavanja problema, ali ćete ga morati platiti smanjenjem kapacitivnosti.

Dimenzije superkondenzatora prirodno zavise od njihovog kapaciteta. Tipičan superkondenzator kapaciteta 3000 F je cilindar prečnika oko 5 cm i dužine od 14 cm. Sa kapacitetom od 10 F, superkondenzator ima dimenzije uporedive sa ljudskim noktom.

Dobri superkondenzatori mogu izdržati stotine hiljada ciklusa punjenja-pražnjenja, premašujući baterije za oko 100 puta u ovom parametru. Ali, kao i elektrolitički kondenzatori, superkondenzatori se suočavaju s problemom starenja zbog postepenog curenja elektrolita. Do sada nije prikupljena potpuna statistika o kvarovima superkondenzatora iz ovog razloga, ali prema indirektnim podacima, vijek trajanja superkondenzatora može se približno procijeniti na 15 godina.

Akumulirana energija

Količina energije pohranjena u kondenzatoru, izražena u džulima:

E = CU 2 /2,
gdje je C kapacitivnost, izražena u faradima, U je napon na pločama, izražen u voltima.

Količina energije pohranjene u kondenzatoru, izražena u kWh, je:

W = CU 2 /7200000

Dakle, kondenzator kapaciteta 3000 F s naponom između ploča od 2,5 V može pohraniti samo 0,0026 kWh. Kako se ovo može usporediti s, na primjer, litijum-jonskom baterijom? Ako to prihvatite izlazni napon nezavisno od stepena pražnjenja i jednako 3,6 V, tada će količina energije od 0,0026 kWh biti uskladištena u litijum-jonskoj bateriji kapaciteta 0,72 Ah. Avaj, vrlo skroman rezultat.

Primjena superkondenzatora

Sistemi rasvjete u slučaju nužde su mjesto gdje korištenje superkondenzatora umjesto baterija čini stvarnu razliku. Zapravo, upravo ovu aplikaciju karakterizira neravnomjerno pražnjenje. Osim toga, poželjno je da se lampa za nuždu brzo puni i da rezervni izvor napajanja koji se koristi u njoj ima veću pouzdanost. Rezervni izvor napajanja zasnovan na superkondenzatoru može se integrisati direktno u LED lampa T8. Takve lampe već proizvode brojne kineske kompanije.

Napajano LED zemaljsko svjetlo
od solarnih panela, skladištenja energije
u kojoj se odvija u superkondenzatoru

Kao što je već napomenuto, razvoj superkondenzatora je najvećim dijelom posljedica interesa za alternativne izvore energije. Ali praktična upotreba do sada ograničeno na LED lampe koje primaju energiju od sunca.

Upotreba superkondenzatora za pokretanje električne opreme se aktivno razvija.

Superkondenzatori su u stanju da isporuče velike količine energije u kratkom vremenskom periodu. Napajanjem električne opreme pri pokretanju iz superkondenzatora, vršna opterećenja na električnoj mreži mogu se smanjiti i, u konačnici, margina udarne struje može se smanjiti, postižući ogromne uštede.

Kombinacijom nekoliko superkondenzatora u bateriju, možemo postići kapacitet koji je uporediv s baterijama koje se koriste u električnim automobilima. Ali ova baterija će težiti nekoliko puta više od baterije, što je neprihvatljivo za vozila. Problem se može riješiti korištenjem superkondenzatora na bazi grafena, ali oni trenutno postoje samo kao prototipovi. Međutim, obećavajuća verzija čuvenog Yo-mobilea, koji se pokreće samo na struju, koristiće superkondenzatore nove generacije, koje razvijaju ruski naučnici, kao izvor napajanja.

Superkondenzatori će također imati koristi od zamjene baterija u konvencionalnim benzinskim ili dizel vozilima - njihova upotreba u takvim vozilima je već realnost.

U međuvremenu, najuspješnijim od realizovanih projekata za uvođenje superkondenzatora mogu se smatrati novi trolejbusi ruske proizvodnje koji su se nedavno pojavili na ulicama Moskve. Kada dođe do prekida napajanja kontaktne mreže ili kada strujni kolektori „odlete“, trolejbus može da putuje malom brzinom (oko 15 km/h) nekoliko stotina metara do mesta gde neće ometati saobraćaj. na putu. Izvor energije za takve manevre je baterija superkondenzatora.

Generalno, za sada superkondenzatori mogu istisnuti baterije samo u određenim „nišama“. Ali tehnologija se brzo razvija, što nam omogućava da očekujemo da će se u bliskoj budućnosti opseg primjene superkondenzatora značajno proširiti.

Ljudi su prvo koristili kondenzatore za skladištenje električne energije. Zatim, kada je elektrotehnika prevazišla laboratorijske eksperimente, izumljene su baterije koje su postale glavno sredstvo za skladištenje električne energije. Ali početkom 21. stoljeća ponovo se predlaže korištenje kondenzatora za napajanje električne opreme. Koliko je to moguće i hoće li baterije konačno postati stvar prošlosti?

Razlog zašto su kondenzatori zamijenjeni baterijama bio je u znatno većim količinama električne energije koju su u stanju pohraniti. Drugi razlog je taj što se tokom pražnjenja napon na izlazu baterije vrlo malo mijenja, tako da stabilizator napona ili nije potreban ili može biti vrlo jednostavnog dizajna.

Glavna razlika između kondenzatora i baterija je u tome što kondenzatori direktno pohranjuju električni naboj, dok baterije pretvaraju električnu energiju u kemijsku energiju, pohranjuju je, a zatim pretvaraju kemijsku energiju natrag u električnu energiju.

Tokom energetskih transformacija, dio se gubi. Stoga, čak i najbolje baterije imaju efikasnost ne više od 90%, dok za kondenzatore može doseći 99%. Intenzitet hemijskih reakcija zavisi od temperature, tako da baterije rade znatno lošije na hladnom vremenu nego na sobnoj temperaturi. Osim toga, kemijske reakcije u baterijama nisu potpuno reverzibilne. Otuda mali broj ciklusa punjenja-pražnjenja (reda hiljada, najčešće je vijek trajanja baterije oko 1000 ciklusa punjenja-pražnjenja), kao i „efekat memorije“. Podsjetimo, „efekat memorije“ je da se baterija uvijek mora isprazniti do određene količine akumulirane energije, tada će njen kapacitet biti maksimalan. Ako nakon pražnjenja u njemu ostane više energije, tada će se kapacitet baterije postupno smanjivati. „Efekat memorije“ karakterističan je za gotovo sve komercijalno proizvedene vrste baterija, osim kiselih (uključujući njihove sorte - gel i AGM). Iako je općeprihvaćeno da ga litijum-jonske i litijum-polimerske baterije nemaju, dapače i imaju ga, samo se manifestuje u manjoj meri nego kod drugih tipova. Što se tiče kiselinskih baterija, one pokazuju efekat sulfacije ploča, što uzrokuje nepovratno oštećenje izvora napajanja. Jedan od razloga je taj što baterija ostaje u stanju napunjenosti manje od 50% dugo vremena.

Što se tiče alternativne energije, “efekat pamćenja” i sulfatizacija ploča su ozbiljni problemi. Činjenica je da je opskrbu energijom iz izvora kao što su solarni paneli i vjetroturbine teško predvidjeti. Kao rezultat toga, punjenje i pražnjenje baterija se odvija haotično, u neoptimalnom načinu rada.

Za savremeni ritam života ispada apsolutno neprihvatljivo da se baterije moraju puniti nekoliko sati. Na primjer, kako zamišljate vožnju na velike udaljenosti u električnom vozilu ako vas istrošena baterija drži na mjestu punjenja nekoliko sati? Brzina punjenja baterije ograničena je brzinom hemijskih procesa koji se u njoj odvijaju. Vrijeme punjenja možete smanjiti na 1 sat, ali ne na nekoliko minuta. Istovremeno, brzina punjenja kondenzatora ograničena je samo maksimalnom strujom koju daje punjač.

Navedeni nedostaci baterija su učinili hitnim korištenje kondenzatora umjesto njih.

Korištenje električnog dvostrukog sloja

Dugi niz decenija, elektrolitski kondenzatori su imali najveći kapacitet. U njima je jedna ploča bila metalna folija, druga elektrolit, a izolacija između ploča metalni oksid, koji je obložio foliju. Za elektrolitičke kondenzatore, kapacitet može doseći stoti dio farada, što nije dovoljno za potpunu zamjenu baterije.

Veliku kapacitivnost, mjerenu u hiljadama farada, mogu dobiti kondenzatori na bazi takozvanog električnog dvostrukog sloja. Princip njihovog rada je sljedeći. Dvostruki električni sloj nastaje pod određenim uslovima na granici supstanci u čvrstoj i tečnoj fazi. Formiraju se dva sloja jona sa nabojima suprotnih predznaka, ali iste veličine. Ako jako pojednostavimo situaciju, tada se formira kondenzator, čije su "ploče" naznačeni slojevi iona, između kojih je udaljenost jednaka nekoliko atoma.

Kondenzatori bazirani na ovom efektu se ponekad nazivaju jonistorima. Naime, ovaj pojam se ne odnosi samo na kondenzatore u kojima se pohranjuje električni naboj, već i na druge uređaje za skladištenje električne energije - uz djelomičnu konverziju električne energije u hemijsku uz skladištenje električnog naboja (hibridni jonistor), kao i za baterije na bazi dvostrukog električnog sloja (tzv. pseudokondenzatori). Stoga je termin "superkondenzatori" prikladniji. Ponekad se umjesto toga koristi identičan izraz "ultrakondenzator".

Tehnička implementacija

Superkondenzator se sastoji od dvije ploče od aktivnog uglja napunjene elektrolitom. Između njih nalazi se membrana koja omogućava prolazak elektrolita, ali sprečava fizičko kretanje čestica aktivnog ugljena između ploča.

Treba napomenuti da sami superkondenzatori nemaju polaritet. Po tome se bitno razlikuju od elektrolitskih kondenzatora, koji se u pravilu odlikuju polaritetom, nepoštivanje čega dovodi do kvara kondenzatora. Međutim, polaritet se primjenjuje i na superkondenzatore. To je zbog činjenice da superkondenzatori napuštaju tvorničku montažnu traku već napunjeni, a oznaka označava polaritet ovog punjenja.

Parametri superkondenzatora

Maksimalni kapacitet pojedinačnog superkondenzatora, postignut u vrijeme pisanja, je 12.000 F. Za superkondenzatore masovne proizvodnje, ne prelazi 3.000 F. Maksimalni dozvoljeni napon između ploča ne prelazi 10 V. Za komercijalno proizvedene superkondenzatore, ova brojka se u pravilu nalazi u granicama 2,3 – 2,7 V. Nizak radni napon zahtijeva upotrebu pretvarača napona sa funkcijom stabilizatora. Činjenica je da se tokom pražnjenja napon na pločama kondenzatora mijenja u širokom rasponu. Izgradnja naponskog pretvarača za spajanje opterećenja i punjača je netrivijalan zadatak. Recimo da trebate napajati opterećenje od 60 W.

Da bismo pojednostavili razmatranje problema, zanemarit ćemo gubitke u pretvaraču napona i stabilizatoru. Ako radite sa običnom baterijom od 12 V, tada upravljačka elektronika mora biti u stanju izdržati struju od 5 A. Takvi elektronski uređaji su rasprostranjeni i jeftini. Ali potpuno drugačija situacija nastaje kada se koristi superkondenzator, čiji je napon 2,5 V. Tada struja koja teče kroz elektronske komponente pretvarača može doseći 24 A, što zahtijeva nove pristupe tehnologiji kola i modernu bazu elemenata. Upravo složenost izgradnje pretvarača i stabilizatora može objasniti činjenicu da su superkondenzatori, čija je serijska proizvodnja započela 70-ih godina 20. stoljeća, tek sada počeli da se široko koriste u raznim oblastima.

Superkondenzatori se mogu povezati u baterije pomoću serijskih ili paralelnih veza. U prvom slučaju povećava se maksimalni dozvoljeni napon. U drugom slučaju - kapacitet. Povećanje maksimalnog dozvoljenog napona na ovaj način je jedan od načina rješavanja problema, ali ćete ga morati platiti smanjenjem kapacitivnosti.

Dimenzije superkondenzatora prirodno zavise od njihovog kapaciteta. Tipičan superkondenzator kapaciteta 3000 F je cilindar prečnika oko 5 cm i dužine od 14 cm. Sa kapacitetom od 10 F, superkondenzator ima dimenzije uporedive sa ljudskim noktom.

Dobri superkondenzatori mogu izdržati stotine hiljada ciklusa punjenja-pražnjenja, premašujući baterije za oko 100 puta u ovom parametru. Ali, kao i elektrolitički kondenzatori, superkondenzatori se suočavaju s problemom starenja zbog postepenog curenja elektrolita. Do sada nije prikupljena potpuna statistika o kvarovima superkondenzatora iz ovog razloga, ali prema indirektnim podacima, vijek trajanja superkondenzatora može se približno procijeniti na 15 godina.

Akumulirana energija

Količina energije pohranjena u kondenzatoru, izražena u džulima:

gdje je C kapacitivnost, izražena u faradima, U je napon na pločama, izražen u voltima.

Količina energije pohranjene u kondenzatoru, izražena u kWh, je:

Dakle, kondenzator kapaciteta 3000 F s naponom između ploča od 2,5 V može pohraniti samo 0,0026 kWh. Kako se ovo može usporediti s, na primjer, litijum-jonskom baterijom? Ako uzmemo da njegov izlazni napon ne zavisi od stepena pražnjenja i da je jednak 3,6 V, tada će se u litijum-jonskoj bateriji kapaciteta 0,72 Ah pohraniti količina energije od 0,0026 kWh. Avaj, vrlo skroman rezultat.

Primjena superkondenzatora

Sistemi rasvjete u slučaju nužde su mjesto gdje korištenje superkondenzatora umjesto baterija čini stvarnu razliku. Zapravo, upravo ovu aplikaciju karakterizira neravnomjerno pražnjenje. Osim toga, poželjno je da se lampa za nuždu brzo puni i da rezervni izvor napajanja koji se koristi u njoj ima veću pouzdanost. Rezervno napajanje bazirano na superkondenzatorima može se integrisati direktno u T8 LED lampu. Takve lampe već proizvode brojne kineske kompanije.

Kao što je već napomenuto, razvoj superkondenzatora je najvećim dijelom posljedica interesa za alternativne izvore energije. Ali praktična primjena je i dalje ograničena na LED lampe koje primaju energiju od sunca.

Upotreba superkondenzatora za pokretanje električne opreme se aktivno razvija.

Superkondenzatori su u stanju da isporuče velike količine energije u kratkom vremenskom periodu. Napajanjem električne opreme pri pokretanju iz superkondenzatora, vršna opterećenja na električnoj mreži mogu se smanjiti i, u konačnici, margina udarne struje može se smanjiti, postižući ogromne uštede.

Kombinacijom nekoliko superkondenzatora u bateriju, možemo postići kapacitet koji je uporediv s baterijama koje se koriste u električnim automobilima. Ali ova baterija će težiti nekoliko puta više od baterije, što je neprihvatljivo za vozila. Problem se može riješiti korištenjem superkondenzatora na bazi grafena, ali oni trenutno postoje samo kao prototipovi. Međutim, obećavajuća verzija čuvenog Yo-mobilea, koji se pokreće samo na struju, koristiće superkondenzatore nove generacije, koje razvijaju ruski naučnici, kao izvor napajanja.

Superkondenzatori će također imati koristi od zamjene baterija u konvencionalnim benzinskim ili dizel vozilima - njihova upotreba u takvim vozilima je već realnost.

U međuvremenu, najuspješnijim od realizovanih projekata za uvođenje superkondenzatora mogu se smatrati novi trolejbusi ruske proizvodnje koji su se nedavno pojavili na ulicama Moskve. Kada dođe do prekida napajanja kontaktne mreže ili kada strujni kolektori „odlete“, trolejbus može da putuje malom brzinom (oko 15 km/h) nekoliko stotina metara do mesta gde neće ometati saobraćaj. na putu. Izvor energije za takve manevre je baterija superkondenzatora.

Generalno, za sada superkondenzatori mogu istisnuti baterije samo u određenim „nišama“. Ali tehnologija se brzo razvija, što nam omogućava da očekujemo da će se u bliskoj budućnosti opseg primjene superkondenzatora značajno proširiti.

Alexey Vasiliev

Ionistori su elektrohemijski uređaji dizajnirani za skladištenje električne energije. Odlikuje ih velika brzina punjenja-pražnjenja (do nekoliko desetina hiljada puta), imaju veoma dug radni vek, za razliku od drugih baterija ( punjive baterije i galvanske ćelije), niske struje curenja, i što je najvažnije, jonistor može imati veliki kapacitet i vrlo male dimenzije. Ionistori su našli široku primjenu u personalni računari, auto radio, mobilnih uređaja i tako dalje. Dizajniran za pohranjivanje memorije kada se izvadi glavna baterija ili uređaj isključi. Nedavno se jonistori često koriste u autonomnim energetskim sistemima koji koriste solarne baterije.

Ionistori takođe čuvaju punjenje veoma dugo, bez obzira na vremenske uslove, otporni su na mraz i toplotu, a to ni na koji način neće uticati na rad uređaja. U nekim elektronska kola za pohranjivanje memorije potrebno je da imate napon koji je veći od napona jonistora; da biste riješili ovaj problem, jonistori su povezani serijski, a da bi se povećao kapacitet jonistora spojeni su paralelno. Potonji tip veze se uglavnom koristi za povećanje vremena rada ionistora, kao i za povećanje struje koja se dovodi do opterećenja; da bi se uravnotežila struja u paralelnoj vezi, otpornik je povezan na svaki jonistor.

Ionistori se često koriste s baterijama i, za razliku od njih, ne boje se kratki spojevi i nagle promjene temperature okoline. Već danas se razvijaju posebni ionistori velikog kapaciteta i struje do 1 ampera. Kao što je poznato, struja ionistora koji se danas koristi u tehnologiji za pohranjivanje memorije ne prelazi 100 miliampera, ovo je jedan i najveći važan nedostatak jonistora, ali se to nadoknađuje gore navedenim prednostima jonistora. Na internetu možete pronaći mnoge dizajne zasnovane na takozvanim superkondenzatorima - oni su također jonistor. Jonistori su se pojavili sasvim nedavno - prije 20 godina.

Prema naučnicima, električni kapacitet naše planete je 700 mikrofarada, u poređenju sa običnim kondenzatorom... Jonistori se uglavnom prave od drvenog uglja, koji nakon aktiviranja i posebnog tretmana postaje porozan; dve metalne ploče su čvrsto pritisnute uz pretinac sa ugalj. Izrada jonistora kod kuće vrlo je jednostavna, ali dobivanje poroznog ugljika gotovo je nemoguće; morate obraditi drveni ugljen kod kuće, a to je pomalo problematično, pa je lakše kupiti jonistor i provesti zanimljive eksperimente na njemu. Na primjer, parametri (snaga i napon) jednog jonistora su dovoljni da LED svijetli jako i dugo ili da radi

Kašika aktivnog uglja iz apoteke, nekoliko kapi slane vode, limeni tanjir i plastična tegla fotografskog filma. Dovoljno je to učiniti DIY jonistor, električni kondenzator čiji je kapacitet približno jednak električnom kapacitetu ... zemaljske kugle. Leyden jar.

Moguće je da je jedna od američkih novina 1777. pisala upravo o takvoj napravi: „... Dr. Franklin je izumio mašinu veličine kućišta čačkalice, sposobnu da pretvori londonsku katedralu Svetog Pavla u šaku pepela. ” Međutim, prvo o svemu.

Čovječanstvo koristi električnu energiju nešto više od dva vijeka, ali električni fenomeni su ljudima poznati hiljadama godina i dugo nisu imali praktični značaj. Tek početkom 18. stoljeća, kada je nauka postala moderna zabava, njemački naučnik Otto von Guericke stvorio je “elektrofornu” mašinu posebno za provođenje javnih eksperimenata, uz pomoć koje je dobijao električnu energiju u dotad nečuvenim količinama.

Mašina se sastojala od staklene kugle o koju se trljao komad kože dok se rotirao. Efekat njenog rada bio je sjajan: iskre su pucketale, nevidljive električne sile su trgale damske šalove i dizale kosu na glavi. Javnost je posebno iznenadila sposobnost tijela da akumuliraju električna naelektrisanja.

Godine 1745. holandski fizičar iz Leidena Pieter van Musschenbroek (1692. - 1761.) sipao je vodu u staklenu teglu, unutra stavio komad žice, poput cvijeta u vazu, i, pažljivo ga stežući dlanovima, donio je do elektrofor mašina. Boca je prikupila toliko struje da je blistava iskra izletjela iz komada žice uz "zaglušujući urlik". Sledeći put kada je naučnik prstom dodirnuo žicu, dobio je udarac od kojeg je izgubio svest; Da nije bilo pomoćnika Kuneusa, koji je stigao na vrijeme, stvar bi se mogla tužno završiti.

Tako je stvoren uređaj koji je mogao akumulirati milione puta više naboja od bilo kojeg tijela poznatog u to vrijeme. Zvala se "Leyden tegla". Bio je to neka vrsta kondenzatora, čija je jedna ploča bila dlanove eksperimentatora, dielektrik su bile staklene stijenke, a druga ploča je bila voda.

Vijest o izumu proširila se širom prosvijećene Evrope. Lejdenska tegla je odmah korišćena za obrazovanje francuskog kralja Luja XV. Predstave su počele. U jednom od eksperimenata koji je ušao u istoriju, struja Prošli su kroz lanac stražara držeći se za ruke. Kada je udarilo električno pražnjenje, svi su skočili kao jedan, kao da će krenuti u vis. U drugom eksperimentu, struja je propuštena kroz lanac od 700 monaha...

Eksperimenti s Leyden teglom u Americi krenuli su u praktičnijem smjeru. Godine 1747. pokrenuo ih je jedan od osnivača Sjedinjenih Država, već spomenuti Benjamin Franklin. Došao je na ideju da teglu umota u limenu foliju, a njen kapacitet se višestruko povećao, a rad je postao sigurniji. U eksperimentima s njim, Franklin je dokazao da električno pražnjenje može proizvesti toplinu i podići živin stupac u termometru. A zamjenom tegle staklenom pločom prekrivenom limenom folijom, Franklin je dobio ravni kondenzator, mnogo puta lakši od čak i Leyden tegle koju je poboljšao.

Istorija šuti o uređaju koji može pohraniti toliko energije da bi, kako su pisali novine, mogao poslužiti da se “katedrala sv. Pavla pretvori u gomilu pepela”, ali to ne znači da B. Franklin nije mogao da ga stvori .

I evo vremena da se vratimo na to kako to učiniti DIY jonistor. Ako ste se opskrbili svime što vam je potrebno, spustite limenu ploču na dno limenke, nakon što na nju zalemite komad izolirane žice. Na vrh stavite jastučić od filter papira, na njega sipajte sloj aktivnog ugljena i, nakon što sipate posoljenu vodu, prekrijte svoj „sendvič“ drugom elektrodom.

Dijagram rada jonistora.

Imate elektrohemijski kondenzator - jonistor. Zanimljivo je jer se u porama čestica aktivnog uglja pojavljuje takozvani dvostruki električni sloj - dva sloja smještena jedan blizu drugog. električnih naboja različitih predznaka, odnosno svojevrsni elektrohemijski kondenzator. Udaljenost između slojeva se računa u angstremima (1 angstrom - 10-9 m). A kapacitivnost kondenzatora, kao što je poznato, veća je što je udaljenost između ploča manja.

Zbog toga je rezerva energije po jedinici zapremine u dvostrukom sloju veća od one kod najjačeg eksploziva. Ovo Leyden jar!

Ionistor radi na sljedeći način. U nedostatku vanjskog napona, njegov kapacitet je zanemarljiv. Ali pod utjecajem napona primijenjenog na polove kondenzatora, susjedni slojevi uglja se nabijaju. Joni suprotnog predznaka u otopini jure prema česticama uglja i formiraju dvostruki električni sloj na njihovoj površini.

Industrijski elektrohemijski kondenzator (jonistor). Metalno kućište veličine dugmeta sadrži dva sloja aktivnog uglja, odvojena poroznim odstojnikom.

Šema kako to učiniti DIY jonistor.

Dijagram domaćeg jonistora napravljenog od plastične tegle i aktivnog ugljena:

1 - gornja elektroda;

2 - spojne žice;

3,5 - slojevi vlažnog aktivnog ugljena;

4 - porozna odvojna brtva;

6 - donja elektroda;

7 - tijelo.

Ako je opterećenje spojeno na polove kondenzatora, tada će suprotni naboji s unutrašnje površine čestica uglja ići duž žica jedan prema drugom, a ioni koji se nalaze u njihovim porama će izaći.

To je sve. sada razumete kako to da uradite DIY jonistor.

Moderni jonistori imaju kapacitet od desetina i stotina farada. Kada se isprazne, oni su sposobni razviti veliku snagu i vrlo su izdržljivi. U smislu rezerve energije po jedinici mase i jedinici zapremine, jonistori su još uvijek inferiorni od baterija. Ali ako zamijenite aktivni ugalj najtanjim ugljičnim nanocijevkama ili drugom električno provodljivom tvari, energetski intenzitet jonistora može postati fantastično velik.

Benjamin Franklin je živio u vremenu kada se o nanotehnologiji nije ni razmišljalo, ali to ne znači da se ona nije koristila. Kako je izvijestio dobitnik Nobelove nagrade za hemiju Robert Curie, kada su pravili oštrice od čelika iz Damaska, drevni majstori su, ne znajući, koristili metode nanotehnologije. Drevni damast čelik je uvijek ostao oštar i izdržljiv zahvaljujući posebnom sastavu ugljika u metalnoj strukturi.

Neku vrstu nanomaterijala, poput ugljenisanih stabljika biljaka koje sadrže nanocijevi, Franklin bi mogao koristiti za stvaranje superkondenzatora. Koliko vas razume šta je to? Leyden jar, a ko će to pokušati?