Οι υπερπυκνωτές μπορούν να ονομαστούν η πιο φωτεινή ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια. Σε σύγκριση με τους συμβατικούς πυκνωτές, με τις ίδιες διαστάσεις, διαφέρουν σε χωρητικότητα κατά τρεις τάξεις μεγέθους. Για αυτό, οι πυκνωτές έλαβαν το πρόθεμά τους - "super". Μπορούν να απελευθερώσουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Διατίθενται σε διάφορα μεγέθη και σχήματα:από πολύ μικρά, που τοποθετούνται στην επιφάνεια συσκευών, σε μέγεθος όχι μεγαλύτερο από ένα κέρμα, έως πολύ μεγάλα κυλινδρικά και πρισματικά. Ο κύριος σκοπός τους είναι να αντιγράψουν την κύρια πηγή (μπαταρία) σε περίπτωση πτώσης τάσης.

Τα ενεργοβόρα σύγχρονα ηλεκτρονικά και ηλεκτρικά συστήματα για τα τροφοδοτικά προχωρούν υψηλές απαιτήσεις. Ο αναδυόμενος εξοπλισμός (από ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές έως ηλεκτρονικές συσκευές χειρός και μεταδόσεις ηλεκτρικών οχημάτων) χρειάζεται να αποθηκεύει και να παρέχει την απαραίτητη ενέργεια.

Οι σύγχρονοι προγραμματιστές επιλύουν αυτό το πρόβλημα με δύο τρόπους:

• Χρήση μπαταρίας ικανής να παρέχει παλμό υψηλού ρεύματος
• Με την παράλληλη σύνδεση με την μπαταρία ως ασφάλιση υπερπυκνωτών, δηλ. «υβριδική» λύση.

Στην τελευταία περίπτωση, ο υπερπυκνωτής λειτουργεί ως πηγή ενέργειας όταν πέφτει η τάση της μπαταρίας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι μπαταρίες έχουν υψηλής πυκνότηταςενέργειας και χαμηλής πυκνότητας ισχύος, ενώ οι υπερπυκνωτές, αντίθετα, χαρακτηρίζονται από χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, αλλά υψηλή πυκνότητα ισχύος, δηλ. παρέχουν ρεύμα εκφόρτισης στο φορτίο. Συνδέοντας έναν υπερπυκνωτή παράλληλα με την μπαταρία, μπορείτε να τον χρησιμοποιήσετε πιο αποτελεσματικά και, επομένως, να παρατείνετε τη διάρκεια ζωής του.

Πού χρησιμοποιούνται οι υπερπυκνωτές;

Βίντεο: Δοκιμή υπερπυκνωτή 116,6F 15V (6*700F 2,5V), αντί για μπαταρία εκκίνησης σε αυτοκίνητο

Στο αυτοκίνητο ηλεκτρονικά συστήματαχρησιμοποιούνται για την εκκίνηση κινητήρων, μειώνοντας έτσι το φορτίο της μπαταρίας. Σας επιτρέπουν επίσης να μειώσετε το βάρος μειώνοντας διαγράμματα καλωδίωσης. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε υβριδικά αυτοκίνητα, όπου η γεννήτρια ελέγχεται από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης και ένας ηλεκτροκινητήρας (ή κινητήρες) οδηγεί το αυτοκίνητο, δηλ. Ο υπερπυκνωτής (ενεργειακή κρυφή μνήμη) χρησιμοποιείται ως πηγή ρεύματος κατά την επιτάχυνση και την κίνηση και «επαναφορτίζεται» κατά το φρενάρισμα. Η χρήση τους είναι πολλά υποσχόμενη όχι μόνο στα επιβατικά αυτοκίνητα, αλλά και στις αστικές μεταφορές, καθώς ο νέος τύπος πυκνωτών καθιστά δυνατή τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου κατά 50% και τη μείωση της εκπομπής επιβλαβών αερίων στο περιβάλλον κατά 90%.

Δεν μπορώ να αντικαταστήσω πλήρως την μπαταρία του υπερπυκνωτή ακόμα, αλλά είναι μόνο θέμα χρόνου. Η χρήση υπερπυκνωτών αντί για μπαταρία δεν είναι καθόλου φανταστική. Εάν οι νανοτεχνολόγοι από το Πανεπιστήμιο QUT ακολουθήσουν τον σωστό δρόμο, τότε στο εγγύς μέλλον αυτό θα γίνει πραγματικότητα. Τα πάνελ αμαξώματος με υπερπυκνωτές στο εσωτερικό μπορούν να λειτουργήσουν ως μπαταρίες. τελευταίας γενιάς. Οι υπάλληλοι αυτού του πανεπιστημίου κατάφεραν να συνδυάσουν τα πλεονεκτήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου και των υπερπυκνωτών σε μια νέα συσκευή. Ο νέος λεπτός, ελαφρύς και ισχυρός υπερπυκνωτής αποτελείται από ηλεκτρόδια άνθρακα με έναν ηλεκτρολύτη που βρίσκεται ανάμεσά τους. Το νέο προϊόν, σύμφωνα με τους επιστήμονες, μπορεί να εγκατασταθεί οπουδήποτε στο σώμα.

Χάρη στην υψηλή ροπή (ροπή εκκίνησης), μπορούν να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά εκκίνησης σε χαμηλές θερμοκρασίες και να επεκτείνουν τις δυνατότητες του συστήματος ισχύος τώρα. Η σκοπιμότητα της χρήσης τους στο ηλεκτρικό σύστημα εξηγείται από το γεγονός ότι ο χρόνος φόρτισης/εκφόρτισής τους είναι 5-60 δευτερόλεπτα. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο σύστημα διανομής ορισμένων συσκευών μηχανών: ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, συστήματα ρύθμισης κλειδαριάς πόρτας και θέσεις τζαμιών παραθύρων.

DIY υπερπυκνωτής

Μπορείτε να φτιάξετε έναν υπερπυκνωτή με τα χέρια σας. Δεδομένου ότι ο σχεδιασμός του αποτελείται από έναν ηλεκτρολύτη και ηλεκτρόδια, πρέπει να αποφασίσετε για το υλικό για αυτά. Ο χαλκός, ο ανοξείδωτος χάλυβας ή ο ορείχαλκος είναι αρκετά κατάλληλοι για ηλεκτρόδια. Μπορείτε να πάρετε, για παράδειγμα, παλιά κέρματα πέντε καπίκων. Θα χρειαστείτε επίσης σκόνη άνθρακα (μπορείτε να αγοράσετε ενεργό άνθρακα από το φαρμακείο και να τον αλέσετε). Το συνηθισμένο νερό θα λειτουργήσει ως ηλεκτρολύτης, στον οποίο πρέπει να διαλύσετε το επιτραπέζιο αλάτι (100:25). Το διάλυμα αναμιγνύεται με σκόνη ξυλάνθρακα για να σχηματιστεί μια σύσταση στόκου. Τώρα πρέπει να εφαρμοστεί σε ένα στρώμα αρκετών χιλιοστών και στα δύο ηλεκτρόδια.

Το μόνο που μένει είναι να επιλέξετε ένα παρέμβυσμα που χωρίζει τα ηλεκτρόδια, μέσα από τους πόρους του οποίου ο ηλεκτρολύτης θα περάσει ελεύθερα, αλλά η σκόνη άνθρακα θα συγκρατηθεί. Το υαλοβάμβακα ή το αφρώδες ελαστικό είναι κατάλληλο για αυτούς τους σκοπούς.

Ηλεκτρόδια – 1,5; επίστρωση άνθρακα-ηλεκτρολύτη – 2,4; φλάντζα - 3.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα πλαστικό κουτί ως περίβλημα, έχοντας προηγουμένως ανοίξει τρύπες σε αυτό για τα καλώδια που είναι συγκολλημένα στα ηλεκτρόδια. Έχοντας συνδέσει τα καλώδια με την μπαταρία, περιμένουμε να φορτιστεί το σχέδιο «ionix», που ονομάζεται έτσι επειδή πρέπει να σχηματιστούν διαφορετικές συγκεντρώσεις ιόντων στα ηλεκτρόδια. Είναι ευκολότερο να ελέγξετε τη φόρτιση χρησιμοποιώντας ένα βολτόμετρο.

Υπάρχουν και άλλοι τρόποι. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τσίγκινο χαρτί (αλουμινόχαρτο - σοκολατένιο περιτύλιγμα), κομμάτια κασσίτερου και κερωμένο χαρτί, που μπορείτε να φτιάξετε μόνοι σας κόβοντας και βυθίζοντας λωρίδες χαρτιού σε λιωμένη, αλλά όχι βρασμένη, παραφίνη για μερικά λεπτά. Το πλάτος των λωρίδων πρέπει να είναι πενήντα χιλιοστά και το μήκος από διακόσια έως τριακόσια χιλιοστά. Αφού αφαιρέσετε τις λωρίδες από την παραφίνη, πρέπει να ξύσετε την παραφίνη με την αμβλεία πλευρά ενός μαχαιριού.

Το χαρτί εμποτισμένο με παραφίνη διπλώνεται σε σχήμα ακορντεόν (όπως στην εικόνα). Και στις δύο πλευρές, τα φύλλα στανιόλης εισάγονται στα κενά, τα οποία αντιστοιχούν σε μέγεθος 45x30 χιλιοστών. Έχοντας προετοιμάσει έτσι το τεμάχιο εργασίας, διπλώνεται και στη συνέχεια σιδερώνεται με ζεστό σίδερο. Τα υπόλοιπα άκρα στανιόλης συνδέονται μεταξύ τους από έξω. Για αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πλάκες από χαρτόνι και ορειχάλκινες πλάκες με κλιπ κασσίτερου, στους οποίους συγκολλούνται αργότερα αγωγοί έτσι ώστε να μπορεί να συγκολληθεί ο πυκνωτής κατά την εγκατάσταση.

Η χωρητικότητα του πυκνωτή εξαρτάται από τον αριθμό των φύλλων στανιόλης. Είναι ίσο, για παράδειγμα, με χίλια picofarads όταν χρησιμοποιείτε δέκα τέτοια φύλλα και δύο χιλιάδες εάν ο αριθμός τους διπλασιαστεί. Αυτή η τεχνολογία είναι κατάλληλη για την κατασκευή πυκνωτών με χωρητικότητα έως και πέντε χιλιάδες picofarads.

Εάν χρειάζεστε μεγάλη χωρητικότητα, τότε πρέπει να έχετε έναν παλιό πυκνωτή χαρτιού microfarad, ο οποίος είναι ένα ρολό ταινίας που αποτελείται από λωρίδες κερωμένου χαρτιού, μεταξύ των οποίων τοποθετείται μια λωρίδα φύλλου στανιόλης.

Για να προσδιορίσετε το μήκος των λωρίδων, χρησιμοποιήστε τον τύπο:

l = 0,014 C/a, όπου η χωρητικότητα του απαιτούμενου πυκνωτή σε pF είναι C; πλάτος λωρίδων σε cm – a: μήκος σε cm – 1.

Αφού ξετυλίξετε τις λωρίδες του απαιτούμενου μήκους από τον παλιό πυκνωτή, κόψτε μεμβράνη 10 mm από όλες τις πλευρές για να αποτρέψετε τη σύνδεση των πλακών πυκνωτών μεταξύ τους.

Η ταινία πρέπει να τυλιχτεί ξανά, αλλά πρώτα κολλώντας κολλημένα σύρματα σε κάθε λωρίδα φύλλου. Η δομή καλύπτεται με χοντρό χαρτί από πάνω και δύο σύρματα στερέωσης (σκληρά) σφραγίζονται στις άκρες του χαρτιού που προεξέχουν, στα οποία συγκολλούνται τα καλώδια από τον πυκνωτή στο εσωτερικό του χιτωνίου χαρτιού (βλ. εικόνα). Το τελευταίο βήμα είναι να γεμίσετε τη δομή με παραφίνη.

Πλεονεκτήματα των υπερπυκνωτών άνθρακα

Δεδομένου ότι η πορεία των ηλεκτρικών οχημάτων σε ολόκληρο τον πλανήτη σήμερα δεν μπορεί να αγνοηθεί, οι επιστήμονες εργάζονται για το θέμα που σχετίζεται με ταχύτερη φόρτιση. Πολλές ιδέες προκύπτουν, αλλά μόνο λίγες γίνονται πράξη. Στην Κίνα, για παράδειγμα, μια ασυνήθιστη διαδρομή αστικών συγκοινωνιών έχει ξεκινήσει στην πόλη Ningbo. Το λεωφορείο που κινείται σε αυτό τροφοδοτείται από έναν ηλεκτρικό κινητήρα, αλλά χρειάζεται μόνο δέκα δευτερόλεπτα για να φορτιστεί. Πάνω σε αυτό, διανύει πέντε χιλιόμετρα και ξανά, κατά την αποβίβαση/παραλαβή επιβατών, καταφέρνει να επαναφορτιστεί.

Αυτό κατέστη δυνατό χάρη στη χρήση ενός νέου τύπου πυκνωτών - άνθρακα.

Πυκνωτές άνθρακαΜπορούν να αντέξουν περίπου ένα εκατομμύριο κύκλους επαναφόρτισης και λειτουργούν τέλεια στο εύρος θερμοκρασίας από μείον σαράντα έως συν εξήντα πέντε βαθμούς. Επιστρέφουν έως και το 80% της ενέργειας μέσω της ανάκτησης.

Ξεκίνησαν μια νέα εποχή στη διαχείριση ενέργειας, μειώνοντας τους χρόνους εκφόρτισης και φόρτισης σε νανοδευτερόλεπτα και μειώνοντας το βάρος του οχήματος. Σε αυτά τα πλεονεκτήματα μπορούμε να προσθέσουμε το χαμηλό κόστος, καθώς τα μέταλλα σπανίων γαιών και η φιλικότητα προς το περιβάλλον δεν χρησιμοποιούνται στην παραγωγή.

Οι άνθρωποι χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά πυκνωτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, όταν η ηλεκτρική μηχανική ξεπέρασε τα εργαστηριακά πειράματα, εφευρέθηκαν οι μπαταρίες, οι οποίες έγιναν το κύριο μέσο αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά στις αρχές του 21ου αιώνα, προτείνεται και πάλι η χρήση πυκνωτών για την τροφοδοσία ηλεκτρικού εξοπλισμού. Πόσο δυνατό είναι αυτό και θα γίνουν τελικά οι μπαταρίες παρελθόν;

Ο λόγος για τον οποίο οι πυκνωτές αντικαταστάθηκαν από μπαταρίες οφείλεται στις σημαντικά μεγαλύτερες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας που μπορούν να αποθηκεύσουν. Ένας άλλος λόγος είναι ότι κατά την εκφόρτιση η τάση στην έξοδο της μπαταρίας αλλάζει ελάχιστα, έτσι ώστε είτε δεν απαιτείται σταθεροποιητής τάσης είτε μπορεί να είναι πολύ απλής σχεδίασης.

Η κύρια διαφορά μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών είναι ότι οι πυκνωτές αποθηκεύουν απευθείας ηλεκτρικό φορτίο, ενώ οι μπαταρίες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια, την αποθηκεύουν και στη συνέχεια μετατρέπουν τη χημική ενέργεια πίσω σε ηλεκτρική ενέργεια.

Κατά τη διάρκεια των ενεργειακών μετασχηματισμών, μέρος της χάνεται. Επομένως, ακόμη και οι καλύτερες μπαταρίες δεν έχουν απόδοση που δεν ξεπερνά το 90%, ενώ για τους πυκνωτές μπορεί να φτάσει το 99%. Η ένταση των χημικών αντιδράσεων εξαρτάται από τη θερμοκρασία, επομένως οι μπαταρίες αποδίδουν αισθητά χειρότερα σε κρύο καιρό από ότι σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις στις μπαταρίες δεν είναι πλήρως αναστρέψιμες. Εξ ου και ο μικρός αριθμός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης (της τάξης των χιλιάδων, συνήθως η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι περίπου 1000 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης), καθώς και το «φαινόμενο μνήμης». Ας θυμηθούμε ότι το "φαινόμενο μνήμης" είναι ότι η μπαταρία πρέπει πάντα να αποφορτίζεται σε μια ορισμένη ποσότητα συσσωρευμένης ενέργειας, τότε η χωρητικότητά της θα είναι μέγιστη. Εάν, μετά την εκφόρτιση, παραμείνει περισσότερη ενέργεια σε αυτό, τότε η χωρητικότητα της μπαταρίας θα μειωθεί σταδιακά. Το «φαινόμενο μνήμης» είναι χαρακτηριστικό σχεδόν όλων των τύπων μπαταριών που παράγονται στο εμπόριο, εκτός από τις όξινες (συμπεριλαμβανομένων των ποικιλιών τους - gel και AGM). Αν και είναι γενικά αποδεκτό ότι τα ιόντα λιθίου και μπαταρίες πολυμερούς λιθίουδεν είναι τυπικό, μάλιστα, το έχουν και αυτοί, απλώς εκδηλώνεται σε μικρότερο βαθμό από ότι σε άλλους τύπους. Όσον αφορά τις μπαταρίες οξέος, παρουσιάζουν την επίδραση της θείωσης της πλάκας, η οποία προκαλεί μη αναστρέψιμη βλάβη στην πηγή ενέργειας. Ένας από τους λόγους είναι ότι η μπαταρία παραμένει σε κατάσταση φόρτισης κάτω του 50% για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Όσον αφορά την εναλλακτική ενέργεια, το «φαινόμενο μνήμης» και η θείωση της πλάκας είναι σοβαρά προβλήματα. Γεγονός είναι ότι η παροχή ενέργειας από πηγές όπως π.χ ηλιακούς συλλέκτεςκαι οι ανεμογεννήτριες είναι δύσκολο να προβλεφθούν. Ως αποτέλεσμα, η φόρτιση και η εκφόρτιση των μπαταριών γίνεται χαοτικά, σε μια μη βέλτιστη λειτουργία.

Για τον σύγχρονο ρυθμό ζωής, αποδεικνύεται απολύτως απαράδεκτο το γεγονός ότι οι μπαταρίες πρέπει να φορτίζονται για αρκετές ώρες. Για παράδειγμα, πώς φαντάζεστε να οδηγείτε μια μεγάλη απόσταση με ένα ηλεκτρικό όχημα, εάν μια νεκρή μπαταρία σας κρατά κολλημένους στο σημείο φόρτισης για αρκετές ώρες; Η ταχύτητα φόρτισης μιας μπαταρίας περιορίζεται από την ταχύτητα των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτήν. Μπορείτε να μειώσετε το χρόνο φόρτισης σε 1 ώρα, αλλά όχι σε λίγα λεπτά. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός φόρτισης του πυκνωτή περιορίζεται μόνο από το μέγιστο ρεύμα που παρέχει ο φορτιστής.

Τα αναφερόμενα μειονεκτήματα των μπαταριών έχουν καταστήσει επιτακτική τη χρήση πυκνωτών.

Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα

Για πολλές δεκαετίες, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είχαν την υψηλότερη χωρητικότητα. Σε αυτά, η μία από τις πλάκες ήταν μεταλλικό φύλλο, η άλλη ήταν ηλεκτρολύτης και η μόνωση μεταξύ των πλακών ήταν οξείδιο μετάλλου, το οποίο επικάλυψε το φύλλο. Για τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, η χωρητικότητα μπορεί να φτάσει τα εκατοστά του φαράντ, κάτι που δεν είναι αρκετό για την πλήρη αντικατάσταση της μπαταρίας.

Σύγκριση σχεδίων ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙπυκνωτές (Πηγή: Wikipedia)

Η μεγάλη χωρητικότητα, μετρημένη σε χιλιάδες φαράντ, μπορεί να επιτευχθεί από πυκνωτές που βασίζονται στο λεγόμενο ηλεκτρικό διπλό στρώμα. Η αρχή της λειτουργίας τους είναι η εξής. Διπλό ηλεκτρικό στρώμαεμφανίζεται υπό ορισμένες συνθήκες στη διεπιφάνεια των ουσιών στη στερεά και την υγρή φάση. Σχηματίζονται δύο στοιβάδες ιόντων με φορτία αντίθετων προσώπων, αλλά του ίδιου μεγέθους. Εάν απλοποιήσουμε πολύ την κατάσταση, τότε σχηματίζεται ένας πυκνωτής, οι "πλάκες" του οποίου είναι τα υποδεικνυόμενα στρώματα ιόντων, η απόσταση μεταξύ των οποίων είναι ίση με πολλά άτομα.

Υπερπυκνωτές διαφόρων χωρητικοτήτων που παράγονται από την Maxwell

Οι πυκνωτές που βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο μερικές φορές ονομάζονται ιονιστές. Στην πραγματικότητα, αυτός ο όρος δεν αναφέρεται μόνο σε πυκνωτές στους οποίους αποθηκεύεται ηλεκτρικό φορτίο, αλλά και σε άλλες συσκευές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας - με μερική μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια μαζί με την αποθήκευση του ηλεκτρικού φορτίου (υβριδικός ιονιστής), καθώς και για μπαταρίες που βασίζονται σε διπλό ηλεκτρικό στρώμα (οι λεγόμενοι ψευδοπυκνωτές). Επομένως, ο όρος «υπερπυκνωτές» είναι πιο κατάλληλος. Μερικές φορές χρησιμοποιείται ο ίδιος όρος «υπερπυκνωτής».

Τεχνική υλοποίηση

Ο υπερπυκνωτής αποτελείται από δύο πλάκες ενεργού άνθρακα γεμάτες με ηλεκτρολύτη. Ανάμεσά τους υπάρχει μια μεμβράνη που επιτρέπει στον ηλεκτρολύτη να περάσει, αλλά εμποδίζει τη φυσική κίνηση των σωματιδίων ενεργού άνθρακα μεταξύ των πλακών.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι ίδιοι οι υπερπυκνωτές δεν έχουν πολικότητα. Σε αυτό διαφέρουν θεμελιωδώς από τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, οι οποίοι, κατά κανόνα, χαρακτηρίζονται από πολικότητα, μη συμμόρφωση με την οποία οδηγεί σε αστοχία του πυκνωτή. Ωστόσο, η πολικότητα εφαρμόζεται και στους υπερπυκνωτές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές εγκαταλείπουν την εργοστασιακή γραμμή συναρμολόγησης ήδη φορτισμένη και η σήμανση υποδεικνύει την πολικότητα αυτής της φόρτισης.

Παράμετροι υπερπυκνωτών

Η μέγιστη χωρητικότητα ενός μεμονωμένου υπερπυκνωτή, που επιτυγχάνεται τη στιγμή της γραφής, είναι 12.000 F. Για υπερπυκνωτές μαζικής παραγωγής, δεν υπερβαίνει τα 3.000 F. Η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση μεταξύ των πλακών δεν υπερβαίνει τα 10 V. Για υπερπυκνωτές που παράγονται στο εμπόριο, αυτός ο αριθμός, κατά κανόνα, βρίσκεται στα 2. 3 – 2,7 V. Η χαμηλή τάση λειτουργίας απαιτεί τη χρήση μετατροπέα τάσης με λειτουργία σταθεροποιητή. Το γεγονός είναι ότι κατά την εκφόρτιση, η τάση στις πλάκες πυκνωτών αλλάζει σε μεγάλο εύρος. Κατασκευή μετατροπέα τάσης για τη σύνδεση του φορτίου και Φορτιστήςείναι ένα μη τετριμμένο έργο. Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να τροφοδοτήσετε ένα φορτίο 60W.

Για να απλοποιήσουμε την εξέταση του ζητήματος, θα παραμελήσουμε τις απώλειες στον μετατροπέα τάσης και τον σταθεροποιητή. Σε περίπτωση που συνεργάζεστε με κανονική μπαταρίαμε τάση 12 V, τότε τα ηλεκτρονικά ελέγχου πρέπει να αντέχουν ρεύμα 5 A. Τέτοιες ηλεκτρονικές συσκευές είναι ευρέως διαδεδομένες και φθηνές. Αλλά μια εντελώς διαφορετική κατάσταση προκύπτει όταν χρησιμοποιείτε έναν υπερπυκνωτή, η τάση του οποίου είναι 2,5 V. Στη συνέχεια, το ρεύμα που ρέει μέσω των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων του μετατροπέα μπορεί να φτάσει τα 24 A, κάτι που απαιτεί νέες προσεγγίσεις στην τεχνολογία κυκλώματος και μια σύγχρονη βάση στοιχείων. Είναι ακριβώς η δυσκολία στην κατασκευή ενός μετατροπέα και ενός σταθεροποιητή που μπορεί να εξηγήσει το γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές, σειριακή παραγωγήπου ξεκίνησε τη δεκαετία του '70 του 20ου αιώνα, μόλις τώρα άρχισαν να χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς.

Σχηματικό διάγραμμαπηγή αδιάκοπη παροχή ενέργειας
τάση σε υπερπυκνωτές, υλοποιούνται τα κύρια εξαρτήματα
σε ένα μικροκύκλωμα που παράγεται από τη LinearTechnology

Οι υπερπυκνωτές μπορούν να συνδεθούν σε μπαταρίες χρησιμοποιώντας σειρές ή παράλληλες συνδέσεις. Στην πρώτη περίπτωση, η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση αυξάνεται. Στη δεύτερη περίπτωση - χωρητικότητα. Η αύξηση της μέγιστης επιτρεπόμενης τάσης με αυτόν τον τρόπο είναι ένας τρόπος επίλυσης του προβλήματος, αλλά θα πρέπει να πληρώσετε για αυτό μειώνοντας την χωρητικότητα.

Οι διαστάσεις των υπερπυκνωτών εξαρτώνται φυσικά από την χωρητικότητά τους. Ένας τυπικός υπερπυκνωτής χωρητικότητας 3000 F είναι ένας κύλινδρος με διάμετρο περίπου 5 cm και μήκος 14 cm. Με χωρητικότητα 10 F, ένας υπερπυκνωτής έχει διαστάσεις συγκρίσιμες με ένα ανθρώπινο νύχι.

Οι καλοί υπερπυκνωτές μπορούν να αντέξουν εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, υπερβαίνοντας τις μπαταρίες κατά περίπου 100 φορές σε αυτήν την παράμετρο. Όμως, όπως οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, οι υπερπυκνωτές αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της γήρανσης λόγω της σταδιακής διαρροής ηλεκτρολύτη. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν συσσωρευτεί πλήρη στατιστικά στοιχεία για την αστοχία υπερπυκνωτών για αυτόν τον λόγο, αλλά σύμφωνα με έμμεσα δεδομένα, η διάρκεια ζωής των υπερπυκνωτών μπορεί να εκτιμηθεί περίπου στα 15 χρόνια.

Συσσωρευμένη ενέργεια

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται σε έναν πυκνωτή, εκφρασμένη σε joule:

E = CU 2/2,
όπου C είναι η χωρητικότητα, εκφρασμένη σε farads, U είναι η τάση στις πλάκες, εκφρασμένη σε βολτ.

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στον πυκνωτή, εκφρασμένη σε kWh, είναι:

W = CU 2 /7200000

Ως εκ τούτου, ένας πυκνωτής χωρητικότητας 3000 F με τάση μεταξύ των πλακών 2,5 V μπορεί να αποθηκεύσει μόνο 0,0026 kWh. Πώς συγκρίνεται αυτό, για παράδειγμα, με μια μπαταρία ιόντων λιθίου; Αν το αποδεχτείς τάση εξόδουανεξάρτητα από το βαθμό εκφόρτισης και ίση με 3,6 V, τότε η ποσότητα ενέργειας 0,0026 kWh θα αποθηκευτεί σε μπαταρία ιόντων λιθίου χωρητικότητας 0,72 Ah. Αλίμονο, ένα πολύ μέτριο αποτέλεσμα.

Εφαρμογή υπερπυκνωτών

Τα συστήματα φωτισμού έκτακτης ανάγκης είναι εκεί όπου η χρήση υπερπυκνωτών αντί για μπαταρίες κάνει πραγματική διαφορά. Στην πραγματικότητα, είναι ακριβώς αυτή η εφαρμογή που χαρακτηρίζεται από ανομοιόμορφη εκφόρτιση. Επιπλέον, είναι επιθυμητό η λάμπα έκτακτης ανάγκης να φορτίζεται γρήγορα και η εφεδρική πηγή ισχύος που χρησιμοποιείται σε αυτήν να έχει μεγαλύτερη αξιοπιστία. Μια εφεδρική πηγή ισχύος που βασίζεται σε υπερπυκνωτές μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας σε Λάμπα LEDΤ8. Τέτοιοι λαμπτήρες παράγονται ήδη από μια σειρά κινεζικών εταιρειών.

Φως γείωσης LED με τροφοδοσία
από ηλιακούς συλλέκτες, αποθήκευση ενέργειας
στο οποίο πραγματοποιείται σε υπερπυκνωτή

Όπως έχει ήδη σημειωθεί, η ανάπτυξη υπερπυκνωτών οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο ενδιαφέρον για εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Αλλά πρακτική χρήσημέχρι στιγμής περιορίζεται σε λαμπτήρες LED που λαμβάνουν ενέργεια από τον ήλιο.

Η χρήση υπερπυκνωτών για την εκκίνηση ηλεκτρικού εξοπλισμού αναπτύσσεται ενεργά.

Οι υπερπυκνωτές είναι ικανοί να παρέχουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε σύντομο χρονικό διάστημα. Τροφοδοτώντας τον ηλεκτρικό εξοπλισμό κατά την εκκίνηση από έναν υπερπυκνωτή, τα φορτία αιχμής στο ηλεκτρικό δίκτυο μπορούν να μειωθούν και, τελικά, το περιθώριο ρεύματος εισόδου μπορεί να μειωθεί, επιτυγχάνοντας τεράστια εξοικονόμηση κόστους.

Συνδυάζοντας αρκετούς υπερπυκνωτές σε μια μπαταρία, μπορούμε να επιτύχουμε χωρητικότητα συγκρίσιμη με τις μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα. Αλλά αυτή η μπαταρία θα ζυγίζει πολλές φορές περισσότερο από την μπαταρία, κάτι που είναι απαράδεκτο για τα οχήματα. Το πρόβλημα μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας υπερπυκνωτές με βάση το γραφένιο, αλλά προς το παρόν υπάρχουν μόνο ως πρωτότυπα. Ωστόσο, μια πολλά υποσχόμενη έκδοση του διάσημου Yo-mobile, που τροφοδοτείται μόνο με ηλεκτρική ενέργεια, θα χρησιμοποιεί ως πηγή ενέργειας υπερπυκνωτές νέας γενιάς, που αναπτύσσονται από Ρώσους επιστήμονες.

Οι υπερπυκνωτές θα ωφελήσουν επίσης την αντικατάσταση των μπαταριών σε συμβατικά οχήματα βενζίνης ή ντίζελ - η χρήση τους σε τέτοια οχήματα είναι ήδη πραγματικότητα.

Στο μεταξύ, τα πιο επιτυχημένα από τα υλοποιημένα έργα για την εισαγωγή υπερπυκνωτών μπορούν να θεωρηθούν τα νέα τρόλεϊ ρωσικής κατασκευής που εμφανίστηκαν πρόσφατα στους δρόμους της Μόσχας. Όταν διακόπτεται η παροχή τάσης στο δίκτυο επαφής ή όταν οι συλλέκτες ρεύματος «πετούν», το τρόλεϊ μπορεί να ταξιδέψει με χαμηλή ταχύτητα (περίπου 15 km/h) για αρκετές εκατοντάδες μέτρα σε σημείο όπου δεν θα παρεμποδίζει την κυκλοφορία στο δρόμο. Η πηγή ενέργειας για τέτοιους ελιγμούς είναι μια μπαταρία υπερπυκνωτών.

Γενικά, προς το παρόν, οι υπερπυκνωτές μπορούν να μετατοπίσουν τις μπαταρίες μόνο σε ορισμένες «κογχές». Αλλά η τεχνολογία αναπτύσσεται γρήγορα, γεγονός που μας επιτρέπει να αναμένουμε ότι στο εγγύς μέλλον το πεδίο εφαρμογής των υπερπυκνωτών θα επεκταθεί σημαντικά.

Οι άνθρωποι χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά πυκνωτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, όταν η ηλεκτρική μηχανική ξεπέρασε τα εργαστηριακά πειράματα, εφευρέθηκαν οι μπαταρίες, οι οποίες έγιναν το κύριο μέσο αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά στις αρχές του 21ου αιώνα, προτείνεται και πάλι η χρήση πυκνωτών για την τροφοδοσία ηλεκτρικού εξοπλισμού. Πόσο δυνατό είναι αυτό και θα γίνουν τελικά οι μπαταρίες παρελθόν;

Ο λόγος για τον οποίο οι πυκνωτές αντικαταστάθηκαν από μπαταρίες οφείλεται στις σημαντικά μεγαλύτερες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας που μπορούν να αποθηκεύσουν. Ένας άλλος λόγος είναι ότι κατά την εκφόρτιση η τάση στην έξοδο της μπαταρίας αλλάζει ελάχιστα, έτσι ώστε είτε δεν απαιτείται σταθεροποιητής τάσης είτε μπορεί να είναι πολύ απλής σχεδίασης.

Η κύρια διαφορά μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών είναι ότι οι πυκνωτές αποθηκεύουν απευθείας ηλεκτρικό φορτίο, ενώ οι μπαταρίες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια, την αποθηκεύουν και στη συνέχεια μετατρέπουν τη χημική ενέργεια πίσω σε ηλεκτρική ενέργεια.

Κατά τη διάρκεια των ενεργειακών μετασχηματισμών, μέρος της χάνεται. Επομένως, ακόμη και οι καλύτερες μπαταρίες δεν έχουν απόδοση που δεν ξεπερνά το 90%, ενώ για τους πυκνωτές μπορεί να φτάσει το 99%. Η ένταση των χημικών αντιδράσεων εξαρτάται από τη θερμοκρασία, επομένως οι μπαταρίες αποδίδουν αισθητά χειρότερα σε κρύο καιρό από ότι σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις στις μπαταρίες δεν είναι πλήρως αναστρέψιμες. Εξ ου και ο μικρός αριθμός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης (της τάξης των χιλιάδων, συνήθως η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι περίπου 1000 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης), καθώς και το «φαινόμενο μνήμης». Ας θυμηθούμε ότι το "φαινόμενο μνήμης" είναι ότι η μπαταρία πρέπει πάντα να αποφορτίζεται σε μια ορισμένη ποσότητα συσσωρευμένης ενέργειας, τότε η χωρητικότητά της θα είναι μέγιστη. Εάν, μετά την εκφόρτιση, παραμείνει περισσότερη ενέργεια σε αυτό, τότε η χωρητικότητα της μπαταρίας θα μειωθεί σταδιακά. Το «φαινόμενο μνήμης» είναι χαρακτηριστικό σχεδόν όλων των τύπων μπαταριών που παράγονται στο εμπόριο, εκτός από τις όξινες (συμπεριλαμβανομένων των ποικιλιών τους - gel και AGM). Αν και είναι γενικά αποδεκτό ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου και πολυμερών λιθίου δεν το έχουν, στην πραγματικότητα το έχουν επίσης, απλώς εκδηλώνεται σε μικρότερο βαθμό από ότι σε άλλους τύπους. Όσον αφορά τις μπαταρίες οξέος, παρουσιάζουν την επίδραση της θείωσης της πλάκας, η οποία προκαλεί μη αναστρέψιμη βλάβη στην πηγή ενέργειας. Ένας από τους λόγους είναι ότι η μπαταρία παραμένει σε κατάσταση φόρτισης κάτω του 50% για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Όσον αφορά την εναλλακτική ενέργεια, το «φαινόμενο μνήμης» και η θείωση της πλάκας είναι σοβαρά προβλήματα. Γεγονός είναι ότι η παροχή ενέργειας από πηγές όπως οι ηλιακοί συλλέκτες και οι ανεμογεννήτριες είναι δύσκολο να προβλεφθεί. Ως αποτέλεσμα, η φόρτιση και η εκφόρτιση των μπαταριών γίνεται χαοτικά, σε μια μη βέλτιστη λειτουργία.

Για τον σύγχρονο ρυθμό ζωής, αποδεικνύεται απολύτως απαράδεκτο το γεγονός ότι οι μπαταρίες πρέπει να φορτίζονται για αρκετές ώρες. Για παράδειγμα, πώς φαντάζεστε να οδηγείτε μια μεγάλη απόσταση με ένα ηλεκτρικό όχημα, εάν μια νεκρή μπαταρία σας κρατά κολλημένους στο σημείο φόρτισης για αρκετές ώρες; Η ταχύτητα φόρτισης μιας μπαταρίας περιορίζεται από την ταχύτητα των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτήν. Μπορείτε να μειώσετε το χρόνο φόρτισης σε 1 ώρα, αλλά όχι σε λίγα λεπτά. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός φόρτισης του πυκνωτή περιορίζεται μόνο από το μέγιστο ρεύμα που παρέχει ο φορτιστής.

Τα αναφερόμενα μειονεκτήματα των μπαταριών έχουν καταστήσει επιτακτική τη χρήση πυκνωτών.

Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα

Για πολλές δεκαετίες, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είχαν την υψηλότερη χωρητικότητα. Σε αυτά, η μία από τις πλάκες ήταν μεταλλικό φύλλο, η άλλη ήταν ηλεκτρολύτης και η μόνωση μεταξύ των πλακών ήταν οξείδιο μετάλλου, το οποίο επικάλυψε το φύλλο. Για τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, η χωρητικότητα μπορεί να φτάσει τα εκατοστά του φαράντ, κάτι που δεν είναι αρκετό για την πλήρη αντικατάσταση της μπαταρίας.

Η μεγάλη χωρητικότητα, μετρημένη σε χιλιάδες φαράντ, μπορεί να επιτευχθεί από πυκνωτές που βασίζονται στο λεγόμενο ηλεκτρικό διπλό στρώμα. Η αρχή της λειτουργίας τους είναι η εξής. Ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα εμφανίζεται υπό ορισμένες συνθήκες στη διεπιφάνεια των ουσιών στη στερεά και την υγρή φάση. Σχηματίζονται δύο στοιβάδες ιόντων με φορτία αντίθετων προσώπων, αλλά του ίδιου μεγέθους. Εάν απλοποιήσουμε πολύ την κατάσταση, τότε σχηματίζεται ένας πυκνωτής, οι "πλάκες" του οποίου είναι τα υποδεικνυόμενα στρώματα ιόντων, η απόσταση μεταξύ των οποίων είναι ίση με πολλά άτομα.

Οι πυκνωτές που βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο μερικές φορές ονομάζονται ιονιστές. Στην πραγματικότητα, αυτός ο όρος δεν αναφέρεται μόνο σε πυκνωτές στους οποίους αποθηκεύεται ηλεκτρικό φορτίο, αλλά και σε άλλες συσκευές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας - με μερική μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια μαζί με την αποθήκευση του ηλεκτρικού φορτίου (υβριδικός ιονιστής), καθώς και για μπαταρίες που βασίζονται σε διπλό ηλεκτρικό στρώμα (οι λεγόμενοι ψευδοπυκνωτές). Επομένως, ο όρος «υπερπυκνωτές» είναι πιο κατάλληλος. Μερικές φορές χρησιμοποιείται ο ίδιος όρος «υπερπυκνωτής».

Τεχνική υλοποίηση

Ο υπερπυκνωτής αποτελείται από δύο πλάκες ενεργού άνθρακα γεμάτες με ηλεκτρολύτη. Ανάμεσά τους υπάρχει μια μεμβράνη που επιτρέπει στον ηλεκτρολύτη να περάσει, αλλά εμποδίζει τη φυσική κίνηση των σωματιδίων ενεργού άνθρακα μεταξύ των πλακών.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι ίδιοι οι υπερπυκνωτές δεν έχουν πολικότητα. Σε αυτό διαφέρουν θεμελιωδώς από τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, οι οποίοι, κατά κανόνα, χαρακτηρίζονται από πολικότητα, μη συμμόρφωση με την οποία οδηγεί σε αστοχία του πυκνωτή. Ωστόσο, η πολικότητα εφαρμόζεται και στους υπερπυκνωτές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές εγκαταλείπουν την εργοστασιακή γραμμή συναρμολόγησης ήδη φορτισμένη και η σήμανση υποδεικνύει την πολικότητα αυτής της φόρτισης.

Παράμετροι υπερπυκνωτών

Η μέγιστη χωρητικότητα ενός μεμονωμένου υπερπυκνωτή, που επιτυγχάνεται τη στιγμή της γραφής, είναι 12.000 F. Για υπερπυκνωτές μαζικής παραγωγής, δεν υπερβαίνει τα 3.000 F. Η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση μεταξύ των πλακών δεν υπερβαίνει τα 10 V. Για υπερπυκνωτές που παράγονται στο εμπόριο, αυτός ο αριθμός, κατά κανόνα, βρίσκεται στα 2. 3 – 2,7 V. Η χαμηλή τάση λειτουργίας απαιτεί τη χρήση μετατροπέα τάσης με λειτουργία σταθεροποιητή. Το γεγονός είναι ότι κατά την εκφόρτιση, η τάση στις πλάκες πυκνωτών αλλάζει σε μεγάλο εύρος. Η κατασκευή ενός μετατροπέα τάσης για τη σύνδεση του φορτίου και του φορτιστή είναι μια μη τετριμμένη εργασία. Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να τροφοδοτήσετε ένα φορτίο 60W.

Για να απλοποιήσουμε την εξέταση του ζητήματος, θα παραμελήσουμε τις απώλειες στον μετατροπέα τάσης και τον σταθεροποιητή. Εάν εργάζεστε με μια κανονική μπαταρία 12 V, τότε τα ηλεκτρονικά στοιχεία ελέγχου πρέπει να μπορούν να αντέξουν ρεύμα 5 A. Τέτοιες ηλεκτρονικές συσκευές είναι ευρέως διαδεδομένες και φθηνές. Αλλά μια εντελώς διαφορετική κατάσταση προκύπτει όταν χρησιμοποιείτε έναν υπερπυκνωτή, η τάση του οποίου είναι 2,5 V. Στη συνέχεια, το ρεύμα που ρέει μέσω των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων του μετατροπέα μπορεί να φτάσει τα 24 A, κάτι που απαιτεί νέες προσεγγίσεις στην τεχνολογία κυκλώματος και μια σύγχρονη βάση στοιχείων. Είναι ακριβώς η πολυπλοκότητα της κατασκευής ενός μετατροπέα και ενός σταθεροποιητή που μπορεί να εξηγήσει το γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές, η σειριακή παραγωγή των οποίων ξεκίνησε τη δεκαετία του '70 του 20ού αιώνα, μόλις τώρα άρχισαν να χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς.

Οι υπερπυκνωτές μπορούν να συνδεθούν σε μπαταρίες χρησιμοποιώντας σειρές ή παράλληλες συνδέσεις. Στην πρώτη περίπτωση, η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση αυξάνεται. Στη δεύτερη περίπτωση - χωρητικότητα. Η αύξηση της μέγιστης επιτρεπόμενης τάσης με αυτόν τον τρόπο είναι ένας τρόπος επίλυσης του προβλήματος, αλλά θα πρέπει να πληρώσετε για αυτό μειώνοντας την χωρητικότητα.

Οι διαστάσεις των υπερπυκνωτών εξαρτώνται φυσικά από την χωρητικότητά τους. Ένας τυπικός υπερπυκνωτής χωρητικότητας 3000 F είναι ένας κύλινδρος με διάμετρο περίπου 5 cm και μήκος 14 cm. Με χωρητικότητα 10 F, ένας υπερπυκνωτής έχει διαστάσεις συγκρίσιμες με ένα ανθρώπινο νύχι.

Οι καλοί υπερπυκνωτές μπορούν να αντέξουν εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, υπερβαίνοντας τις μπαταρίες κατά περίπου 100 φορές σε αυτήν την παράμετρο. Όμως, όπως οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, οι υπερπυκνωτές αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της γήρανσης λόγω της σταδιακής διαρροής ηλεκτρολύτη. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν συσσωρευτεί πλήρη στατιστικά στοιχεία για την αστοχία υπερπυκνωτών για αυτόν τον λόγο, αλλά σύμφωνα με έμμεσα δεδομένα, η διάρκεια ζωής των υπερπυκνωτών μπορεί να εκτιμηθεί περίπου στα 15 χρόνια.

Συσσωρευμένη ενέργεια

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται σε έναν πυκνωτή, εκφρασμένη σε joule:

όπου C είναι η χωρητικότητα, εκφρασμένη σε farads, U είναι η τάση στις πλάκες, εκφρασμένη σε βολτ.

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στον πυκνωτή, εκφρασμένη σε kWh, είναι:

Ως εκ τούτου, ένας πυκνωτής χωρητικότητας 3000 F με τάση μεταξύ των πλακών 2,5 V μπορεί να αποθηκεύσει μόνο 0,0026 kWh. Πώς συγκρίνεται αυτό, για παράδειγμα, με μια μπαταρία ιόντων λιθίου; Αν πάρουμε την τάση εξόδου του ως ανεξάρτητη από το βαθμό εκφόρτισης και ίση με 3,6 V, τότε μια ποσότητα ενέργειας 0,0026 kWh θα αποθηκευτεί σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου χωρητικότητας 0,72 Ah. Αλίμονο, ένα πολύ μέτριο αποτέλεσμα.

Εφαρμογή υπερπυκνωτών

Τα συστήματα φωτισμού έκτακτης ανάγκης είναι εκεί όπου η χρήση υπερπυκνωτών αντί για μπαταρίες κάνει πραγματική διαφορά. Στην πραγματικότητα, είναι ακριβώς αυτή η εφαρμογή που χαρακτηρίζεται από ανομοιόμορφη εκφόρτιση. Επιπλέον, είναι επιθυμητό η λάμπα έκτακτης ανάγκης να φορτίζεται γρήγορα και η εφεδρική πηγή ισχύος που χρησιμοποιείται σε αυτήν να έχει μεγαλύτερη αξιοπιστία. Ένα εφεδρικό τροφοδοτικό που βασίζεται σε υπερπυκνωτές μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας στη λυχνία LED T8. Τέτοιοι λαμπτήρες παράγονται ήδη από μια σειρά κινεζικών εταιρειών.

Όπως έχει ήδη σημειωθεί, η ανάπτυξη υπερπυκνωτών οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο ενδιαφέρον για εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Όμως η πρακτική εφαρμογή εξακολουθεί να περιορίζεται σε λαμπτήρες LED που λαμβάνουν ενέργεια από τον ήλιο.

Η χρήση υπερπυκνωτών για την εκκίνηση ηλεκτρικού εξοπλισμού αναπτύσσεται ενεργά.

Οι υπερπυκνωτές είναι ικανοί να παρέχουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε σύντομο χρονικό διάστημα. Τροφοδοτώντας τον ηλεκτρικό εξοπλισμό κατά την εκκίνηση από έναν υπερπυκνωτή, τα φορτία αιχμής στο ηλεκτρικό δίκτυο μπορούν να μειωθούν και, τελικά, το περιθώριο ρεύματος εισόδου μπορεί να μειωθεί, επιτυγχάνοντας τεράστια εξοικονόμηση κόστους.

Συνδυάζοντας αρκετούς υπερπυκνωτές σε μια μπαταρία, μπορούμε να επιτύχουμε χωρητικότητα συγκρίσιμη με τις μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα. Αλλά αυτή η μπαταρία θα ζυγίζει πολλές φορές περισσότερο από την μπαταρία, κάτι που είναι απαράδεκτο για τα οχήματα. Το πρόβλημα μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας υπερπυκνωτές με βάση το γραφένιο, αλλά προς το παρόν υπάρχουν μόνο ως πρωτότυπα. Ωστόσο, μια πολλά υποσχόμενη έκδοση του διάσημου Yo-mobile, που τροφοδοτείται μόνο με ηλεκτρική ενέργεια, θα χρησιμοποιεί ως πηγή ενέργειας υπερπυκνωτές νέας γενιάς, που αναπτύσσονται από Ρώσους επιστήμονες.

Οι υπερπυκνωτές θα ωφελήσουν επίσης την αντικατάσταση των μπαταριών σε συμβατικά οχήματα βενζίνης ή ντίζελ - η χρήση τους σε τέτοια οχήματα είναι ήδη πραγματικότητα.

Στο μεταξύ, τα πιο επιτυχημένα από τα υλοποιημένα έργα για την εισαγωγή υπερπυκνωτών μπορούν να θεωρηθούν τα νέα τρόλεϊ ρωσικής κατασκευής που εμφανίστηκαν πρόσφατα στους δρόμους της Μόσχας. Όταν διακόπτεται η παροχή τάσης στο δίκτυο επαφής ή όταν οι συλλέκτες ρεύματος «πετούν», το τρόλεϊ μπορεί να ταξιδέψει με χαμηλή ταχύτητα (περίπου 15 km/h) για αρκετές εκατοντάδες μέτρα σε σημείο όπου δεν θα παρεμποδίζει την κυκλοφορία στο δρόμο. Η πηγή ενέργειας για τέτοιους ελιγμούς είναι μια μπαταρία υπερπυκνωτών.

Γενικά, προς το παρόν, οι υπερπυκνωτές μπορούν να μετατοπίσουν τις μπαταρίες μόνο σε ορισμένες «κογχές». Αλλά η τεχνολογία αναπτύσσεται γρήγορα, γεγονός που μας επιτρέπει να αναμένουμε ότι στο εγγύς μέλλον το πεδίο εφαρμογής των υπερπυκνωτών θα επεκταθεί σημαντικά.

Αλεξέι Βασίλιεφ

Οι ιονιστές είναι ηλεκτροχημικές συσκευές σχεδιασμένες να αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια. Χαρακτηρίζονται από μεγάλο ρυθμό φόρτισης-εκφόρτισης (έως και αρκετές δεκάδες χιλιάδες φορές), έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής, σε αντίθεση με άλλες μπαταρίες ( Επαναφορτιζομενες ΜΠΑΤΑΡΙΕΣκαι γαλβανικές κυψέλες), χαμηλό ρεύμα διαρροής, και το πιο σημαντικό, οι ιονιστές μπορούν να έχουν μεγάλη χωρητικότητα και πολύ μικρές διαστάσεις. Οι ιονιστές έχουν βρει ευρεία εφαρμογή σε προσωπικούς υπολογιστές, ραδιόφωνα αυτοκινήτου, κινητές συσκευέςκαι ούτω καθεξής. Σχεδιασμένο για αποθήκευση μνήμης όταν αφαιρείται η κύρια μπαταρία ή η συσκευή είναι απενεργοποιημένη. Πρόσφατα, οι ιονιστές χρησιμοποιούνται συχνά σε αυτόνομα συστήματα ισχύος που χρησιμοποιούν ηλιακές μπαταρίες.

Τα Ionistor αποθηκεύουν επίσης μια φόρτιση για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες, είναι ανθεκτικά στον παγετό και τη ζέστη και αυτό δεν θα επηρεάσει με κανέναν τρόπο τη λειτουργία της συσκευής. Σε ορισμένες ηλεκτρονικά κυκλώματαγια να αποθηκεύσετε τη μνήμη πρέπει να έχετε μια τάση μεγαλύτερη από την τάση του ιονιστή· για να λύσετε αυτό το πρόβλημα, τα ιονιστικά συνδέονται σε σειρά και για να αυξήσετε την χωρητικότητα του ιονιστή συνδέονται παράλληλα. Ο τελευταίος τύπος σύνδεσης χρησιμοποιείται κυρίως για την αύξηση του χρόνου λειτουργίας του ιονιστή, καθώς και για την αύξηση του ρεύματος που παρέχεται στο φορτίο· για την εξισορρόπηση του ρεύματος σε μια παράλληλη σύνδεση, συνδέεται μια αντίσταση σε κάθε ιονιστή.

Οι ιονιστές χρησιμοποιούνται συχνά με μπαταρίες και, σε αντίθεση με αυτούς, δεν φοβούνται βραχυκυκλώματακαι ξαφνικές αλλαγές στις θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Ήδη σήμερα αναπτύσσονται ειδικοί ιονιστές με μεγάλη χωρητικότητα και ρεύμα έως 1 αμπέρ. Ως γνωστόν, το ρεύμα των ιονιστών που χρησιμοποιούνται σήμερα στην τεχνολογία αποθήκευσης μνήμης δεν ξεπερνά τα 100 milliamp, αυτό είναι ένα και το πιο σημαντικό μειονέκτημα των ιονιστών, αλλά αυτή η αποτυχία αντισταθμίζεται από τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα των ιονιστών. Στο Διαδίκτυο μπορείτε να βρείτε πολλά σχέδια που βασίζονται στους λεγόμενους υπερπυκνωτές - είναι επίσης ιονιστές. Οι Ionistors εμφανίστηκαν πρόσφατα - πριν από 20 χρόνια.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, η ηλεκτρική χωρητικότητα του πλανήτη μας είναι 700 μικροφαράντ, σε σύγκριση με έναν απλό πυκνωτή... Οι ιονιστές κατασκευάζονται κυρίως από άνθρακα, ο οποίος μετά από ενεργοποίηση και ειδική επεξεργασία γίνεται πορώδης· δύο μεταλλικές πλάκες πιέζονται σφιχτά στο διαμέρισμα με το κάρβουνο. Η κατασκευή ενός ιονιστή στο σπίτι είναι πολύ απλή, αλλά η λήψη πορώδους άνθρακα είναι σχεδόν αδύνατη· πρέπει να επεξεργαστείτε άνθρακα στο σπίτι και αυτό είναι κάπως προβληματικό, επομένως είναι πιο εύκολο να αγοράσετε ένα ιονιστή και να κάνετε ενδιαφέροντα πειράματα σε αυτό. Για παράδειγμα, οι παράμετροι (ισχύς και τάση) ενός ιονιστή είναι αρκετές ώστε το LED να ανάβει έντονα και για μεγάλο χρονικό διάστημα ή να λειτουργήσει

Μια κουταλιά της σούπας ενεργό άνθρακα από ένα φαρμακείο, μερικές σταγόνες αλατισμένο νερό, ένα τσίγκινο πιάτο και ένα πλαστικό βάζο φωτογραφικής μεμβράνης. Φτάνει να κάνεις DIY ιονιστής, ένας ηλεκτρικός πυκνωτής του οποίου η χωρητικότητα είναι περίπου ίση με την ηλεκτρική χωρητικότητα ... του πλανήτη. Βάζο Leyden.

Είναι πιθανό μια από τις αμερικανικές εφημερίδες να έγραψε για ακριβώς μια τέτοια συσκευή το 1777: «... Ο Δρ Φράνκλιν έχει εφεύρει μια μηχανή στο μέγεθος μιας θήκης οδοντογλυφίδας, ικανή να μετατρέψει τον καθεδρικό ναό του Αγίου Παύλου του Λονδίνου σε μια χούφτα στάχτες. ” Ωστόσο, πρώτα πρώτα.

Η ανθρωπότητα χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για λίγο περισσότερο από δύο αιώνες, αλλά τα ηλεκτρικά φαινόμενα είναι γνωστά στους ανθρώπους εδώ και χιλιάδες χρόνια και δεν έχουν πρακτική σημασία για πολύ καιρό. Μόνο στις αρχές του 18ου αιώνα, όταν η επιστήμη έγινε μοντέρνα ψυχαγωγία, ο Γερμανός επιστήμονας Otto von Guericke δημιούργησε μια «ηλεκτροφορική» μηχανή ειδικά για τη διεξαγωγή δημόσιων πειραμάτων, με τη βοήθεια της οποίας λάμβανε ηλεκτρική ενέργεια σε άγνωστες μέχρι τώρα ποσότητες.

Το μηχάνημα αποτελούνταν από μια γυάλινη μπάλα, πάνω στην οποία έτριβε ένα κομμάτι δέρμα καθώς περιστρεφόταν. Το αποτέλεσμα της δουλειάς της ήταν μεγάλο: σπινθήρες κροτάλησαν, αόρατες ηλεκτρικές δυνάμεις έσκιζαν τα σάλια των γυναικών και έκαναν τα μαλλιά να σηκώνονται. Το κοινό εξεπλάγη ιδιαίτερα από την ικανότητα των σωμάτων να συσσωρεύουν ηλεκτρικά φορτία.

Το 1745, ο Ολλανδός φυσικός από το Leiden Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) έριξε νερό σε ένα γυάλινο βάζο, έβαλε μέσα ένα κομμάτι σύρμα, σαν λουλούδι σε βάζο, και, σφίγγοντας το προσεκτικά με τις παλάμες του, το έφερε στο μηχανή ηλεκτροφόρου. Το μπουκάλι συγκέντρωσε τόσο πολύ ηλεκτρισμό που μια φωτεινή σπίθα πέταξε έξω από το κομμάτι του σύρματος με ένα «εκκωφαντικό βρυχηθμό». Την επόμενη φορά που ο επιστήμονας άγγιξε το σύρμα με το δάχτυλό του, δέχθηκε ένα χτύπημα από το οποίο έχασε τις αισθήσεις του. Αν δεν ήταν ο βοηθός Kuneus, ο οποίος έφτασε εγκαίρως, το θέμα θα μπορούσε να είχε τελειώσει δυστυχώς.

Έτσι, δημιουργήθηκε μια συσκευή που θα μπορούσε να συσσωρεύει εκατομμύρια φορές περισσότερο φορτίο από οποιοδήποτε σώμα γνωστό εκείνη την εποχή. Ονομάστηκε «βάζο Leyden». Ήταν ένα είδος πυκνωτή, μια από τις πλάκες του οποίου ήταν οι παλάμες του πειραματιστή, το διηλεκτρικό ήταν γυάλινοι τοίχοι και η δεύτερη πλάκα ήταν νερό.

Η είδηση ​​της εφεύρεσης διαδόθηκε σε όλη τη φωτισμένη Ευρώπη. Το βάζο Leyden χρησιμοποιήθηκε αμέσως για την εκπαίδευση του Γάλλου βασιλιά Λουδοβίκου XV. Άρχισαν οι παραστάσεις. Σε ένα από τα πειράματα που έμεινε στην ιστορία, ηλεκτρική ενέργειαΠέρασαν από την αλυσίδα των φρουρών πιασμένοι χέρι χέρι. Όταν χτύπησε η ηλεκτρική εκκένωση, όλοι πετάχτηκαν σαν ένα, σαν να ήταν έτοιμοι να βαδίσουν στον αέρα. Σε ένα άλλο πείραμα, το ρεύμα πέρασε από μια αλυσίδα 700 μοναχών...

Τα πειράματα με το βάζο Leyden στην Αμερική πήραν μια πιο πρακτική κατεύθυνση. Το 1747 ξεκίνησαν από έναν από τους ιδρυτές των Ηνωμένων Πολιτειών, τον ήδη αναφερόμενο Benjamin Franklin. Σκέφτηκε να τυλίξει το βάζο σε αλουμινόχαρτο και η χωρητικότητά του αυξήθηκε πολλές φορές και η δουλειά έγινε πιο ασφαλής. Σε πειράματα με αυτό, ο Franklin απέδειξε ότι μια ηλεκτρική εκκένωση μπορεί να δημιουργήσει θερμότητα και να ανυψώσει τη στήλη υδραργύρου σε ένα θερμόμετρο. Και αντικαθιστώντας το βάζο με μια γυάλινη πλάκα καλυμμένη με αλουμινόχαρτο, ο Franklin έλαβε έναν επίπεδο πυκνωτή, πολλές φορές ελαφρύτερο ακόμη και από το βάζο Leyden που βελτίωσε.

Η ιστορία είναι σιωπηλή για μια συσκευή ικανή να αποθηκεύει τόση ενέργεια που, όπως έγραψε η εφημερίδα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να «μετατρέψει τον καθεδρικό ναό του Αγίου Παύλου σε ένα σωρό στάχτες», αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι ο B. Franklin δεν μπορούσε να τον δημιουργήσει .

Και εδώ είναι η ώρα να επιστρέψετε στο πώς να το κάνετε DIY ιονιστής. Εάν έχετε αποθηκεύσει όλα όσα χρειάζεστε, χαμηλώστε την πλάκα κασσίτερου στο κάτω μέρος του δοχείου μεμβράνης, αφού κολλήσετε ένα κομμάτι μονωμένου σύρματος σε αυτό. Τοποθετήστε από πάνω ένα διηθητικό χαρτί, ρίξτε ένα στρώμα ενεργού άνθρακα και, αφού ρίξετε αλατισμένο νερό, καλύψτε το «σάντουιτς» σας με ένα άλλο ηλεκτρόδιο.

Διάγραμμα λειτουργίας ιονιστή.

Έχετε έναν ηλεκτροχημικό πυκνωτή - ιονιστή. Είναι ενδιαφέρον γιατί στους πόρους των σωματιδίων ενεργού άνθρακα εμφανίζεται ένα λεγόμενο διπλό ηλεκτρικό στρώμα - δύο στρώματα που βρίσκονται το ένα κοντά στο άλλο ηλεκτρικά φορτίαδιαφορετικών σημάτων, δηλαδή ένα είδος ηλεκτροχημικού πυκνωτή. Η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων υπολογίζεται σε angstrom (1 angstrom - 10-9 m). Και η χωρητικότητα ενός πυκνωτή, όπως είναι γνωστό, όσο μεγαλύτερη τόσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ των πλακών.

Εξαιτίας αυτού, το απόθεμα ενέργειας ανά μονάδα όγκου στο διπλό στρώμα είναι μεγαλύτερο από αυτό του ισχυρότερου εκρηκτικού. Αυτό Βάζο Leyden!

Ο ιονιστής λειτουργεί ως εξής. Ελλείψει εξωτερικής τάσης, η χωρητικότητά του είναι αμελητέα. Αλλά υπό την επίδραση της τάσης που εφαρμόζεται στους πόλους του πυκνωτή, φορτίζονται τα γειτονικά στρώματα άνθρακα. Ιόντα του αντίθετου σημείου στο διάλυμα ορμούν στα σωματίδια άνθρακα και σχηματίζουν ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα στην επιφάνειά τους.

Βιομηχανικός ηλεκτροχημικός πυκνωτής (ιονιστής). Το μεταλλικό περίβλημα μεγέθους κουμπιού φιλοξενεί δύο στρώματα ενεργού άνθρακα, που χωρίζονται από ένα πορώδες διαχωριστικό.

Σχεδιάστε πώς να το κάνετε DIY ιονιστής.

Διάγραμμα ενός σπιτικού ιονιστή κατασκευασμένου από πλαστικό βάζο και ενεργό άνθρακα:

1 - άνω ηλεκτρόδιο.

2 - καλώδια σύνδεσης.

3,5 - στρώματα υγρού ενεργού άνθρακα.

4 - πορώδης διαχωριστική φλάντζα.

6 - κάτω ηλεκτρόδιο.

7 - σώμα.

Εάν ένα φορτίο συνδέεται με τους πόλους του πυκνωτή, τότε αντίθετα φορτία από την εσωτερική επιφάνεια των σωματιδίων άνθρακα θα τρέξουν κατά μήκος των καλωδίων το ένα προς το άλλο και τα ιόντα που βρίσκονται στους πόρους τους θα βγουν έξω.

Αυτό είναι όλο. τώρα καταλαβαίνεις πώς να το κάνεις DIY ιονιστής.

Οι σύγχρονοι ιονιστές έχουν χωρητικότητα δεκάδων και εκατοντάδων φαράντ. Όταν αποφορτίζονται, είναι ικανά να αναπτύξουν μεγάλη ισχύ και είναι πολύ ανθεκτικά. Όσον αφορά το απόθεμα ενέργειας ανά μονάδα μάζας και μονάδα όγκου, οι ιονιστές εξακολουθούν να είναι κατώτεροι από τις μπαταρίες. Αλλά αν αντικαταστήσετε τον ενεργό άνθρακα με τους πιο λεπτούς νανοσωλήνες άνθρακα ή άλλη ηλεκτρικά αγώγιμη ουσία, η ενεργειακή ένταση του ιονιστή μπορεί να γίνει φανταστικά μεγάλη.

Ο Benjamin Franklin έζησε σε μια εποχή που η νανοτεχνολογία δεν είχε καν σκεφτεί, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν χρησιμοποιήθηκε. Όπως ανέφερε ο νικητής του βραβείου Νόμπελ Χημείας Ρόμπερτ Κιουρί, όταν έφτιαχναν λεπίδες από χάλυβα της Δαμασκού, οι αρχαίοι τεχνίτες, χωρίς να το γνωρίζουν, χρησιμοποιούσαν μεθόδους νανοτεχνολογίας. Ο αρχαίος δαμασκηνός χάλυβας παρέμενε πάντα αιχμηρός και ανθεκτικός χάρη στην ειδική σύνθεση άνθρακα στη μεταλλική δομή.

Κάποιο είδος νανοϋλικών, όπως τα απανθρακωμένα στελέχη φυτών που περιέχουν νανοσωλήνες, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από τον Franklin για τη δημιουργία ενός υπερπυκνωτή. Πόσοι από εσάς καταλαβαίνετε τι είναι; Βάζο Leyden, και ποιος θα προσπαθήσει να το κάνει;