Superkondensatorus var saukt par spilgtāko attīstību pēdējos gados. Salīdzinot ar parastajiem kondensatoriem ar vienādiem izmēriem, tie atšķiras pēc jaudas par trim lieluma kārtām. Šim nolūkam kondensatori saņēma savu prefiksu - “super”. Tie var atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu īsā laika periodā.

Tie ir pieejami dažādos izmēros un formās: no ļoti mazām, kas tiek montētas uz ierīču virsmas, kuru izmērs nav lielāks par monētu, līdz ļoti lielām cilindriskām un prizmatiskām. To galvenais mērķis ir dublēt galveno avotu (akumulatoru) sprieguma krituma gadījumā.

Energoietilpīgas modernās elektroniskās un elektriskās sistēmas barošanai virzās uz priekšu augstas prasības. Jaunajām iekārtām (no digitālajām kamerām līdz elektroniskām rokas ierīcēm un elektrisko transportlīdzekļu pārnesumkārbām) ir jāuzglabā un jāpiegādā nepieciešamā enerģija.

Mūsdienu izstrādātāji šo problēmu risina divos veidos:

• Izmantojot akumulatoru, kas spēj nodrošināt lielas strāvas impulsu
• Paralēli pieslēdzot akumulatoram kā apdrošināšanu superkondensatoriem, t.i. "hibrīdais" risinājums.

Pēdējā gadījumā superkondensators darbojas kā strāvas avots, kad akumulatora spriegums samazinās. Tas ir saistīts ar faktu, ka baterijām ir liels blīvums enerģija un mazs jaudas blīvums, savukārt superkondensatoriem, gluži pretēji, raksturīgs zems enerģijas blīvums, bet liels jaudas blīvums, t.i. tie nodrošina slodzei izlādes strāvu. Paralēli akumulatoram pievienojot superkondensatoru, varat to izmantot efektīvāk un tādējādi pagarināt tā kalpošanas laiku.

Kur tiek izmantoti superkondensatori?

Video: Superkondensatora 116.6F 15V (6* 700F 2.5V) pārbaude automašīnā startera akumulatora vietā

Automašīnā elektroniskās sistēmas tos izmanto dzinēju iedarbināšanai, tādējādi samazinot akumulatora slodzi. Tie arī ļauj samazināt svaru, samazinot elektroinstalācijas shēmas. Tos plaši izmanto hibrīdautomobiļos, kur ģeneratoru vada iekšdedzes dzinējs, bet automobili darbina elektromotors (vai motori), t.i. Superkondensators (enerģijas kešatmiņa) tiek izmantots kā strāvas avots paātrinājuma un kustības laikā un tiek “uzlādēts” bremzēšanas laikā. To izmantošana ir daudzsološa ne tikai vieglajos automobiļos, bet arī pilsētas transportā, jo jaunā tipa kondensatori ļauj samazināt degvielas patēriņu par 50% un samazināt kaitīgo gāzu emisiju vidē par 90%.

Es vēl nevaru pilnībā nomainīt superkondensatora akumulatoru, bet tas ir tikai laika jautājums. Superkondensatora izmantošana akumulatora vietā nepavisam nav fantastiska. Ja nanotehnologi no QUT universitātes ies pareizo ceļu, tad tuvākajā nākotnē tas kļūs par realitāti. Korpusa paneļi ar superkondensatoriem iekšpusē var darboties kā baterijas. jaunākā paaudze. Šīs universitātes darbiniekiem izdevās apvienot litija jonu akumulatoru un superkondensatoru priekšrocības jaunā ierīcē. Jaunais plāns, viegls un jaudīgs superkondensators sastāv no oglekļa elektrodiem, starp kuriem atrodas elektrolīts. Jauno produktu, pēc zinātnieku domām, var uzstādīt jebkurā ķermeņa vietā.

Pateicoties lielajam griezes momentam (palaišanas griezes momentam), tie var uzlabot palaišanas īpašības zemā temperatūrā un paplašināt energosistēmas iespējas tagad. To izmantošanas lietderība energosistēmā skaidrojama ar to, ka to uzlādes/izlādes laiks ir 5-60 sekundes. Turklāt tos var izmantot dažu mašīnu ierīču sadales sistēmā: solenoīdos, durvju slēdzenes regulēšanas sistēmās un logu stiklu pozīcijās.

DIY superkondensators

Jūs varat izgatavot superkondensatoru ar savām rokām. Tā kā tā dizains sastāv no elektrolīta un elektrodiem, jums ir jāizlemj par to materiālu. Varš, nerūsējošais tērauds vai misiņš ir diezgan piemēroti elektrodiem. Jūs varat ņemt, piemēram, vecas piecu kapeiku monētas. Vajadzēs arī ogles pulveri (aktīvās ogles var iegādāties aptiekā un samalt). Kā elektrolīts derēs parasts ūdens, kurā jāizšķīdina galda sāls (100:25). Šķīdumu sajauc ar kokogles pulveri, veidojot špakteles konsistenci. Tagad tas jāuzklāj vairāku milimetru slānī uz abiem elektrodiem.

Atliek tikai izvēlēties starpliku, kas atdala elektrodus, caur kuru porām elektrolīts brīvi izies, bet oglekļa pulveris tiks saglabāts. Šiem nolūkiem ir piemērota stikla šķiedra vai putuplasta gumija.

Elektrodi – 1,5; oglekļa-elektrolītu pārklājums – 2,4; blīve - 3.

Kā apvalku varat izmantot plastmasas kārbu, iepriekš tajā izurbjot caurumus vadiem, kas pielodēti pie elektrodiem. Kad vadi ir savienoti ar akumulatoru, mēs gaidām "ionix" dizaina uzlādi, kas nosaukts tāpēc, ka uz elektrodiem jāveido dažādas jonu koncentrācijas. Lādiņu ir vieglāk pārbaudīt, izmantojot voltmetru.

Ir arī citi veidi. Piemēram, izmantojot skārda papīru (skārda foliju - šokolādes iesaiņojumu), skārda gabalus un vaskotu papīru, ko varat izgatavot pats, sagriežot un pāris minūtes iegremdējot salvešu papīra strēmeles izkausētā, bet ne verdošā parafīnā. Sloksņu platumam jābūt piecdesmit milimetriem un garumam no divsimt līdz trīssimt milimetriem. Pēc sloksņu noņemšanas no parafīna parafīns jānokasa ar naža neaso pusi.

Ar parafīnu piesūcinātu papīru saloka akordeona formā (kā attēlā). Abās pusēs spraugās ievietotas staniola loksnes, kas atbilst 45x30 milimetru izmēram. Šādi sagatavojot sagatavi, to saloka un pēc tam gludina ar siltu gludekli. Atlikušie staniola gali ir savienoti viens ar otru no ārpuses. Šim nolūkam var izmantot kartona plāksnes un misiņa plāksnes ar skārda klipiem, pie kurām vēlāk tiek pielodēti vadītāji, lai uzstādīšanas laikā varētu pielodēt kondensatoru.

Kondensatora kapacitāte ir atkarīga no staniola lapu skaita. Tas ir vienāds, piemēram, ar tūkstoš pikofaradu, ja izmanto desmit šādas loksnes, un diviem tūkstošiem, ja to skaits tiek dubultots. Šī tehnoloģija ir piemērota kondensatoru ražošanai ar jaudu līdz pieciem tūkstošiem pikofaradu.

Ja nepieciešama liela ietilpība, tad ir jābūt vecam mikrofarādes papīra kondensatoram, kas ir lentes rullis, kas sastāv no vaskota papīra sloksnēm, starp kurām tiek ieklāta staniola folijas sloksne.

Lai noteiktu sloksņu garumu, izmantojiet formulu:

l = 0,014 C/a, kur vajadzīgā kondensatora kapacitāte pF ir C; svītru platums cm – a: garums cm – 1.

Pēc vajadzīgā garuma sloksņu attīšanas no vecā kondensatora no visām pusēm nogrieziet 10 mm foliju, lai novērstu kondensatora plākšņu savienojumu savā starpā.

Lentu nepieciešams atkal uzrullēt, bet vispirms pielodējot pielodējot savītas stieples katrai folijas sloksnei. Struktūra ir pārklāta ar biezu papīru no augšas, un uz papīra malām, kas izvirzītas uz āru, ir aizzīmogoti divi montāžas vadi (cieti), kuriem papīra uzmavas iekšpusē ir pielodēti kondensatora vadi (sk. attēlu). Pēdējais solis ir struktūras piepildīšana ar parafīnu.

Oglekļa superkondensatoru priekšrocības

Tā kā mūsdienās nevar ignorēt elektrisko transportlīdzekļu gājienu pāri planētai, zinātnieki strādā pie jautājuma, kas saistīts ar to ātrākā uzlāde. Rodas daudzas idejas, bet tikai dažas tiek īstenotas praksē. Piemēram, Ķīnā Ningbo pilsētā ir uzsākts neparasts pilsētas transporta maršruts. Uz tā braucošais autobuss tiek darbināts ar elektromotoru, taču tā uzlāde aizņem vien desmit sekundes. Uz tā viņš veic piecus kilometrus un atkal pasažieru izkāpšanas/uzņemšanas laikā paspēj uzlādēties.

Tas kļuva iespējams, pateicoties jauna veida kondensatoru - oglekļa - izmantošanai.

Oglekļa kondensatori Tie var izturēt aptuveni miljonu uzlādes ciklu un lieliski darbojas temperatūras diapazonā no mīnus četrdesmit līdz plus sešdesmit pieciem grādiem. Tie atdod līdz pat 80% enerģijas, atgūstoties.

Tie ievadīja jaunu ēru jaudas pārvaldībā, samazinot izlādes un uzlādes laiku līdz nanosekundēm un samazinot transportlīdzekļa svaru. Šīm priekšrocībām mēs varam pievienot zemas izmaksas, jo ražošanā netiek izmantoti retzemju metāli un videi draudzīgums.

Cilvēki vispirms izmantoja kondensatorus, lai uzglabātu elektrību. Tad, kad elektrotehnika pārsniedza laboratorijas eksperimentus, tika izgudroti akumulatori, kas kļuva par galveno elektriskās enerģijas uzkrāšanas līdzekli. Bet 21. gadsimta sākumā atkal tiek ierosināts izmantot kondensatorus, lai darbinātu elektroiekārtas. Cik tas ir iespējams un vai baterijas beidzot kļūs par pagātni?

Iemesls, kāpēc kondensatori tika aizstāti ar baterijām, bija ievērojami lielāks elektroenerģijas daudzums, ko tie spēj uzglabāt. Vēl viens iemesls ir tas, ka izlādes laikā spriegums pie akumulatora izejas mainās ļoti maz, tāpēc sprieguma stabilizators vai nu nav nepieciešams, vai arī tas var būt ļoti vienkāršs.

Galvenā atšķirība starp kondensatoriem un baterijām ir tāda, ka kondensatori tieši uzglabā elektrisko lādiņu, bet akumulatori pārvērš elektrisko enerģiju ķīmiskajā enerģijā, uzglabā to un pēc tam pārvērš ķīmisko enerģiju atpakaļ elektroenerģijā.

Enerģijas transformāciju laikā daļa no tās tiek zaudēta. Tāpēc pat labāko akumulatoru efektivitāte ir ne vairāk kā 90%, savukārt kondensatoriem tā var sasniegt 99%. Ķīmisko reakciju intensitāte ir atkarīga no temperatūras, tāpēc akumulatori aukstā laikā darbojas ievērojami sliktāk nekā istabas temperatūrā. Turklāt ķīmiskās reakcijas akumulatoros nav pilnībā atgriezeniskas. Līdz ar to mazais uzlādes-izlādes ciklu skaits (apmēram daži tūkstoši, visbiežāk akumulatora darbības laiks ir aptuveni 1000 uzlādes-izlādes ciklu), kā arī “atmiņas efekts”. Atgādināsim, ka “atmiņas efekts” ir tāds, ka akumulators vienmēr ir jāizlādē līdz noteiktam uzkrātās enerģijas daudzumam, tad tā jauda būs maksimāla. Ja pēc izlādes tajā paliek vairāk enerģijas, tad akumulatora jauda pakāpeniski samazināsies. "Atmiņas efekts" ir raksturīgs gandrīz visiem komerciāli ražotiem akumulatoru veidiem, izņemot skābos (ieskaitot to šķirnes - želeju un AGM). Lai gan ir vispārpieņemts, ka litija jonu un litija polimēru baterijas tas nav raksturīgi, īstenībā arī viņiem tā ir, tikai izpaužas mazākā mērā kā citos veidos. Kas attiecas uz skābes akumulatoriem, tiem piemīt plākšņu sulfācijas efekts, kas izraisa neatgriezeniskus strāvas avota bojājumus. Viens no iemesliem ir tas, ka akumulators ilgstoši saglabājas uzlādes stāvoklī, kas ir mazāks par 50%.

Attiecībā uz alternatīvo enerģiju “atmiņas efekts” un plākšņu sulfācija ir nopietnas problēmas. Fakts ir tāds, ka enerģijas piegāde no tādiem avotiem kā saules paneļi un vēja turbīnas ir grūti paredzēt. Rezultātā akumulatoru uzlāde un izlāde notiek haotiski, neoptimālā režīmā.

Mūsdienu dzīves ritmam absolūti nepieņemami izrādās, ka baterijas jālādē vairākas stundas. Piemēram, kā jūs iedomājaties braukt lielu attālumu ar elektrisko transportlīdzekli, ja izlādējies akumulators vairākas stundas liek jums iestrēgt uzlādes punktā? Akumulatora uzlādes ātrumu ierobežo tajā notiekošo ķīmisko procesu ātrums. Jūs varat samazināt uzlādes laiku līdz 1 stundai, bet ne līdz dažām minūtēm. Tajā pašā laikā kondensatora uzlādes ātrumu ierobežo tikai maksimālā strāva, ko nodrošina lādētājs.

Uzskaitītie akumulatoru trūkumi ir likuši to vietā steidzami izmantot kondensatorus.

Izmantojot elektrisko dubulto slāni

Daudzus gadu desmitus elektrolītiskajiem kondensatoriem bija vislielākā jauda. Tajās viena no plāksnēm bija metāla folija, otra bija elektrolīts, bet izolācija starp plāksnēm bija metāla oksīds, kas pārklāja foliju. Elektrolītiskajiem kondensatoriem jauda var sasniegt faradas simtdaļas, kas nav pietiekami, lai pilnībā nomainītu akumulatoru.

Dizainu salīdzinājums dažādi veidi kondensatori (avots: Wikipedia)

Lielu kapacitāti, ko mēra tūkstošos faradu, var sasniegt ar kondensatoriem, kuru pamatā ir tā sauktais elektriskais dubultais slānis. To darbības princips ir šāds. Dubults elektriskais slānis notiek noteiktos apstākļos vielu saskarsmē cietajā un šķidrajā fāzē. Veidojas divi jonu slāņi ar pretēju zīmju, bet vienāda lieluma lādiņiem. Ja mēs situāciju ievērojami vienkāršojam, tad veidojas kondensators, kura “plāksnes” ir norādītie jonu slāņi, kuru attālums ir vienāds ar vairākiem atomiem.

Maxwell ražoti dažādu jaudu superkondensatori

Kondensatorus, kuru pamatā ir šis efekts, dažreiz sauc par jonistoriem. Faktiski šis termins attiecas ne tikai uz kondensatoriem, kuros tiek glabāts elektriskais lādiņš, bet arī uz citām ierīcēm elektroenerģijas uzglabāšanai - ar daļēju elektriskās enerģijas pārvēršanu ķīmiskajā enerģijā kopā ar elektriskā lādiņa uzglabāšanu (hibrīdjonistors), kā arī baterijas, kuru pamatā ir dubults elektriskais slānis (tā sauktie pseidokapacitori). Tāpēc piemērotāks ir termins “superkondensatori”. Dažreiz tā vietā tiek izmantots identisks termins “ultrakondensators”.

Tehniskā realizācija

Superkondensators sastāv no divām aktīvās ogles plāksnēm, kas piepildītas ar elektrolītu. Starp tām ir membrāna, kas ļauj elektrolītam iziet cauri, bet neļauj aktīvās ogles daļiņām fiziski pārvietoties starp plāksnēm.

Jāatzīmē, ka pašiem superkondensatoriem nav polaritātes. Ar to tie būtiski atšķiras no elektrolītiskajiem kondensatoriem, kuriem, kā likums, ir raksturīga polaritāte, kuras neievērošana noved pie kondensatora atteices. Tomēr polaritāte tiek piemērota arī superkondensatoriem. Tas ir saistīts ar faktu, ka superkondensatori atstāj rūpnīcas montāžas līniju jau uzlādēti, un marķējums norāda uz šīs uzlādes polaritāti.

Superkondensatora parametri

Atsevišķa superkondensatora maksimālā jauda, ​​kas sasniegta rakstīšanas laikā, ir 12 000 F. Sērijveidā ražotiem superkondensatoriem tā nepārsniedz 3000 F. Maksimālais pieļaujamais spriegums starp plāksnēm nepārsniedz 10 V. Komerciāli ražotiem superkondensatoriem šis rādītājs parasti ir 2,3 – 2,7 V robežās. Zemam darba spriegumam nepieciešams izmantot sprieguma pārveidotāju ar stabilizatora funkciju. Fakts ir tāds, ka izlādes laikā spriegums uz kondensatora plāksnēm mainās plašā diapazonā. Sprieguma pārveidotāja uzbūve slodzes pieslēgšanai un lādētājs ir nenozīmīgs uzdevums. Pieņemsim, ka jums ir nepieciešams darbināt 60 W slodzi.

Lai vienkāršotu jautājuma izskatīšanu, mēs neņemsim vērā zudumus sprieguma pārveidotājā un stabilizatorā. Gadījumā, ja strādājat ar parastais akumulators ar spriegumu 12 V, tad vadības elektronikai jāiztur strāva 5 A. Šādas elektroniskās ierīces ir plaši izplatītas un lētas. Bet pavisam cita situācija rodas, izmantojot superkondensatoru, kura spriegums ir 2,5 V. Tad strāva, kas plūst caur pārveidotāja elektroniskajām sastāvdaļām, var sasniegt 24 A, kas prasa jaunas pieejas ķēžu tehnoloģijā un modernu elementu bāzi. Tieši pārveidotāja un stabilizatora izveidošanas grūtības var izskaidrot faktu, ka superkondensatori, sērijveida ražošana kas tika aizsākti tālajā 20. gadsimta 70. gados, tikai tagad ir sākuši plaši izmantot dažādās jomās.

Shematiska diagramma avots nepārtrauktās barošanas avots
spriegums uz superkondensatoriem, tiek realizētas galvenās sastāvdaļas
uz vienas mikroshēmas, ko ražo LinearTechnology

Superkondensatorus var pievienot akumulatoriem, izmantojot virknes vai paralēlus savienojumus. Pirmajā gadījumā palielinās maksimālais pieļaujamais spriegums. Otrajā gadījumā - jauda. Maksimālā pieļaujamā sprieguma palielināšana šādā veidā ir viens no veidiem, kā atrisināt problēmu, taču par to būs jāmaksā, samazinot kapacitāti.

Superkondensatoru izmēri dabiski ir atkarīgi no to jaudas. Tipisks superkondensators ar jaudu 3000 F ir cilindrs, kura diametrs ir aptuveni 5 cm un garums ir 14 cm, un tā izmēri ir salīdzināmi ar cilvēka nagu.

Labi superkondensatori var izturēt simtiem tūkstošu uzlādes-izlādes ciklu, šajā parametrā pārsniedzot baterijas aptuveni 100 reizes. Bet, tāpat kā elektrolītiskie kondensatori, arī superkondensatori saskaras ar novecošanas problēmu pakāpeniskas elektrolīta noplūdes dēļ. Līdz šim nav uzkrāta pilnīga statistika par superkondensatoru atteici šī iemesla dēļ, taču saskaņā ar netiešajiem datiem superkondensatoru kalpošanas laiks ir aptuveni 15 gadi.

Uzkrātā enerģija

Kondensatorā uzkrātās enerģijas daudzums, izteikts džoulos:

E = CU 2/2,
kur C ir kapacitāte, kas izteikta farados, U ir spriegums uz plāksnēm, izteikts voltos.

Kondensatorā uzkrātais enerģijas daudzums, kas izteikts kWh, ir:

W = CU 2/7200000

Tādējādi kondensators ar jaudu 3000 F ar spriegumu starp plāksnēm 2,5 V spēj uzglabāt tikai 0,0026 kWh. Kā to var salīdzināt, piemēram, ar litija jonu akumulatoru? Ja jūs to pieņemat izejas spriegums neatkarīgi no izlādes pakāpes un vienāda ar 3,6 V, tad enerģijas daudzums 0,0026 kWh tiks uzkrāts litija jonu akumulatorā ar ietilpību 0,72 Ah. Diemžēl ļoti pieticīgs rezultāts.

Superkondensatoru pielietojums

Avārijas apgaismojuma sistēmas ir tādas, kur superkondensatoru izmantošana bateriju vietā rada patiesas atšķirības. Faktiski tieši šim lietojumam ir raksturīga nevienmērīga izlāde. Turklāt ir vēlams, lai avārijas lampa tiktu ātri uzlādēta un tajā izmantotajam rezerves barošanas avotam būtu lielāka uzticamība. Uz superkondensatoru balstītu rezerves barošanas avotu var integrēt tieši LED lampa T8. Šādas lampas jau ražo vairāki Ķīnas uzņēmumi.

Darbināms LED zemes apgaismojums
no saules paneļiem, enerģijas uzglabāšana
kurā to veic superkondensatorā

Kā jau minēts, superkondensatoru attīstība lielā mērā ir saistīta ar interesi par alternatīviem enerģijas avotiem. Bet praktiska izmantošana līdz šim tikai LED lampas, kas saņem enerģiju no saules.

Aktīvi attīstās superkondensatoru izmantošana elektroiekārtu iedarbināšanai.

Superkondensatori spēj piegādāt lielu enerģijas daudzumu īsā laika periodā. Iedarbinot elektroiekārtas no superkondensatora, var samazināt maksimālās slodzes elektrotīklā un galu galā samazināt ieslēgšanas strāvas rezervi, tādējādi panākot milzīgu izmaksu ietaupījumu.

Apvienojot akumulatorā vairākus superkondensatorus, varam sasniegt jaudu, kas salīdzināma ar elektromobiļos izmantotajām baterijām. Bet šis akumulators svērs vairākas reizes vairāk nekā akumulators, kas ir nepieņemami transportlīdzekļiem. Problēmu var atrisināt, izmantojot uz grafēnu balstītus superkondensatorus, taču tie pašlaik pastāv tikai kā prototipi. Tomēr daudzsološā slavenā Yo-mobile versija, kas tiek darbināta tikai ar elektrību, kā enerģijas avotu izmantos jaunās paaudzes superkondensatorus, kurus izstrādā Krievijas zinātnieki.

Superkondensatori nāks par labu arī akumulatoru nomaiņai parastajos benzīna vai dīzeļa transportlīdzekļos – to izmantošana šādos transportlīdzekļos jau ir realitāte.

Tikmēr par veiksmīgākajiem no realizētajiem superkondensatoru ieviešanas projektiem var uzskatīt jaunos Krievijā ražotos trolejbusus, kas nesen parādījās Maskavas ielās. Pārtraucot sprieguma padevi kontakttīklam vai "aizlidojot" strāvas kolektoriem, trolejbuss ar nelielu ātrumu (ap 15 km/h) var braukt vairākus simtus metru līdz vietai, kur tas netraucēs satiksmi. uz ceļa. Enerģijas avots šādiem manevriem ir superkondensatoru baterija.

Kopumā pagaidām superkondensatori var izspiest baterijas tikai noteiktās “nišās”. Taču tehnoloģija strauji attīstās, kas ļauj sagaidīt, ka tuvākajā nākotnē superkondensatoru pielietojuma joma ievērojami paplašināsies.

Cilvēki vispirms izmantoja kondensatorus, lai uzglabātu elektrību. Tad, kad elektrotehnika pārsniedza laboratorijas eksperimentus, tika izgudroti akumulatori, kas kļuva par galveno elektriskās enerģijas uzkrāšanas līdzekli. Bet 21. gadsimta sākumā atkal tiek ierosināts izmantot kondensatorus, lai darbinātu elektroiekārtas. Cik tas ir iespējams un vai baterijas beidzot kļūs par pagātni?

Iemesls, kāpēc kondensatori tika aizstāti ar baterijām, bija ievērojami lielāks elektroenerģijas daudzums, ko tie spēj uzglabāt. Vēl viens iemesls ir tas, ka izlādes laikā spriegums pie akumulatora izejas mainās ļoti maz, tāpēc sprieguma stabilizators vai nu nav nepieciešams, vai arī tas var būt ļoti vienkāršs.

Galvenā atšķirība starp kondensatoriem un baterijām ir tāda, ka kondensatori tieši uzglabā elektrisko lādiņu, bet akumulatori pārvērš elektrisko enerģiju ķīmiskajā enerģijā, uzglabā to un pēc tam pārvērš ķīmisko enerģiju atpakaļ elektroenerģijā.

Enerģijas transformāciju laikā daļa no tās tiek zaudēta. Tāpēc pat labāko akumulatoru efektivitāte ir ne vairāk kā 90%, savukārt kondensatoriem tā var sasniegt 99%. Ķīmisko reakciju intensitāte ir atkarīga no temperatūras, tāpēc akumulatori aukstā laikā darbojas ievērojami sliktāk nekā istabas temperatūrā. Turklāt ķīmiskās reakcijas akumulatoros nav pilnībā atgriezeniskas. Līdz ar to mazais uzlādes-izlādes ciklu skaits (apmēram daži tūkstoši, visbiežāk akumulatora darbības laiks ir aptuveni 1000 uzlādes-izlādes ciklu), kā arī “atmiņas efekts”. Atgādināsim, ka “atmiņas efekts” ir tāds, ka akumulators vienmēr ir jāizlādē līdz noteiktam uzkrātās enerģijas daudzumam, tad tā jauda būs maksimāla. Ja pēc izlādes tajā paliek vairāk enerģijas, tad akumulatora jauda pakāpeniski samazināsies. "Atmiņas efekts" ir raksturīgs gandrīz visiem komerciāli ražotiem akumulatoru veidiem, izņemot skābos (ieskaitot to šķirnes - želeju un AGM). Lai gan vispārpieņemts, ka litija jonu un litija polimēru akumulatoriem tā nav, patiesībā arī ir, tikai tas izpaužas mazākā mērā nekā citos veidos. Kas attiecas uz skābes akumulatoriem, tiem piemīt plākšņu sulfācijas efekts, kas izraisa neatgriezeniskus strāvas avota bojājumus. Viens no iemesliem ir tas, ka akumulators ilgstoši saglabājas uzlādes stāvoklī, kas ir mazāks par 50%.

Attiecībā uz alternatīvo enerģiju “atmiņas efekts” un plākšņu sulfācija ir nopietnas problēmas. Fakts ir tāds, ka ir grūti prognozēt enerģijas piegādi no tādiem avotiem kā saules paneļi un vēja turbīnas. Rezultātā akumulatoru uzlāde un izlāde notiek haotiski, neoptimālā režīmā.

Mūsdienu dzīves ritmam absolūti nepieņemami izrādās, ka baterijas jālādē vairākas stundas. Piemēram, kā jūs iedomājaties braukt lielu attālumu ar elektrisko transportlīdzekli, ja izlādējies akumulators vairākas stundas liek jums iestrēgt uzlādes punktā? Akumulatora uzlādes ātrumu ierobežo tajā notiekošo ķīmisko procesu ātrums. Jūs varat samazināt uzlādes laiku līdz 1 stundai, bet ne līdz dažām minūtēm. Tajā pašā laikā kondensatora uzlādes ātrumu ierobežo tikai maksimālā strāva, ko nodrošina lādētājs.

Uzskaitītie akumulatoru trūkumi ir likuši to vietā steidzami izmantot kondensatorus.

Izmantojot elektrisko dubulto slāni

Daudzus gadu desmitus elektrolītiskajiem kondensatoriem bija vislielākā jauda. Tajās viena no plāksnēm bija metāla folija, otra bija elektrolīts, bet izolācija starp plāksnēm bija metāla oksīds, kas pārklāja foliju. Elektrolītiskajiem kondensatoriem jauda var sasniegt faradas simtdaļas, kas nav pietiekami, lai pilnībā nomainītu akumulatoru.

Lielu kapacitāti, ko mēra tūkstošos faradu, var sasniegt ar kondensatoriem, kuru pamatā ir tā sauktais elektriskais dubultais slānis. To darbības princips ir šāds. Elektriskais dubultslānis noteiktos apstākļos parādās vielu saskarsmē cietajā un šķidrajā fāzē. Veidojas divi jonu slāņi ar pretēju zīmju, bet vienāda lieluma lādiņiem. Ja mēs situāciju ievērojami vienkāršojam, tad veidojas kondensators, kura “plāksnes” ir norādītie jonu slāņi, kuru attālums ir vienāds ar vairākiem atomiem.

Kondensatorus, kuru pamatā ir šis efekts, dažreiz sauc par jonistoriem. Faktiski šis termins attiecas ne tikai uz kondensatoriem, kuros tiek glabāts elektriskais lādiņš, bet arī uz citām ierīcēm elektroenerģijas uzglabāšanai - ar daļēju elektriskās enerģijas pārvēršanu ķīmiskajā enerģijā kopā ar elektriskā lādiņa uzglabāšanu (hibrīdjonistors), kā arī baterijas, kuru pamatā ir dubults elektriskais slānis (tā sauktie pseidokapacitori). Tāpēc piemērotāks ir termins “superkondensatori”. Dažreiz tā vietā tiek izmantots identisks termins “ultrakondensators”.

Tehniskā realizācija

Superkondensators sastāv no divām aktīvās ogles plāksnēm, kas piepildītas ar elektrolītu. Starp tām ir membrāna, kas ļauj elektrolītam iziet cauri, bet neļauj aktīvās ogles daļiņām fiziski pārvietoties starp plāksnēm.

Jāatzīmē, ka pašiem superkondensatoriem nav polaritātes. Ar to tie būtiski atšķiras no elektrolītiskajiem kondensatoriem, kuriem, kā likums, ir raksturīga polaritāte, kuras neievērošana noved pie kondensatora atteices. Tomēr polaritāte tiek piemērota arī superkondensatoriem. Tas ir saistīts ar faktu, ka superkondensatori atstāj rūpnīcas montāžas līniju jau uzlādēti, un marķējums norāda uz šīs uzlādes polaritāti.

Superkondensatora parametri

Atsevišķa superkondensatora maksimālā jauda, ​​kas sasniegta rakstīšanas laikā, ir 12 000 F. Sērijveidā ražotiem superkondensatoriem tā nepārsniedz 3000 F. Maksimālais pieļaujamais spriegums starp plāksnēm nepārsniedz 10 V. Komerciāli ražotiem superkondensatoriem šis rādītājs parasti ir 2,3 – 2,7 V robežās. Zemam darba spriegumam nepieciešams izmantot sprieguma pārveidotāju ar stabilizatora funkciju. Fakts ir tāds, ka izlādes laikā spriegums uz kondensatora plāksnēm mainās plašā diapazonā. Sprieguma pārveidotāja izveidošana, lai savienotu slodzi un lādētāju, nav triviāls uzdevums. Pieņemsim, ka jums ir nepieciešams darbināt 60 W slodzi.

Lai vienkāršotu jautājuma izskatīšanu, mēs neņemsim vērā zudumus sprieguma pārveidotājā un stabilizatorā. Ja strādājat ar parastu 12 V akumulatoru, tad vadības elektronikai jāspēj izturēt 5 A strāvu. Šādas elektroniskās ierīces ir plaši izplatītas un lētas. Bet pavisam cita situācija rodas, izmantojot superkondensatoru, kura spriegums ir 2,5 V. Tad strāva, kas plūst caur pārveidotāja elektroniskajām sastāvdaļām, var sasniegt 24 A, kas prasa jaunas pieejas ķēžu tehnoloģijā un modernu elementu bāzi. Tieši pārveidotāja un stabilizatora uzbūves sarežģītība var izskaidrot to, ka superkondensatori, kuru sērijveida ražošana sākās 20. gadsimta 70. gados, tikai tagad ir sākuši plaši izmantot dažādās jomās.

Superkondensatorus var pievienot akumulatoriem, izmantojot virknes vai paralēlus savienojumus. Pirmajā gadījumā palielinās maksimālais pieļaujamais spriegums. Otrajā gadījumā - jauda. Maksimālā pieļaujamā sprieguma palielināšana šādā veidā ir viens no veidiem, kā atrisināt problēmu, taču par to būs jāmaksā, samazinot kapacitāti.

Superkondensatoru izmēri dabiski ir atkarīgi no to jaudas. Tipisks superkondensators ar jaudu 3000 F ir cilindrs, kura diametrs ir aptuveni 5 cm un garums ir 14 cm, un tā izmēri ir salīdzināmi ar cilvēka nagu.

Labi superkondensatori var izturēt simtiem tūkstošu uzlādes-izlādes ciklu, šajā parametrā pārsniedzot baterijas aptuveni 100 reizes. Bet, tāpat kā elektrolītiskie kondensatori, arī superkondensatori saskaras ar novecošanas problēmu pakāpeniskas elektrolīta noplūdes dēļ. Līdz šim nav uzkrāta pilnīga statistika par superkondensatoru atteici šī iemesla dēļ, taču saskaņā ar netiešajiem datiem superkondensatoru kalpošanas laiks ir aptuveni 15 gadi.

Uzkrātā enerģija

Kondensatorā uzkrātās enerģijas daudzums, izteikts džoulos:

kur C ir kapacitāte, kas izteikta farados, U ir spriegums uz plāksnēm, izteikts voltos.

Kondensatorā uzkrātais enerģijas daudzums, kas izteikts kWh, ir:

Tādējādi kondensators ar jaudu 3000 F ar spriegumu starp plāksnēm 2,5 V spēj uzglabāt tikai 0,0026 kWh. Kā to var salīdzināt, piemēram, ar litija jonu akumulatoru? Ja pieņemsim, ka tā izejas spriegums ir neatkarīgs no izlādes pakāpes un vienāds ar 3,6 V, tad litija jonu akumulatorā ar ietilpību 0,72 Ah tiks uzkrāts enerģijas daudzums 0,0026 kWh. Diemžēl ļoti pieticīgs rezultāts.

Superkondensatoru pielietojums

Avārijas apgaismojuma sistēmas ir tādas, kur superkondensatoru izmantošana bateriju vietā rada patiesas atšķirības. Faktiski tieši šim lietojumam ir raksturīga nevienmērīga izlāde. Turklāt ir vēlams, lai avārijas lampa tiktu ātri uzlādēta un tajā izmantotajam rezerves barošanas avotam būtu lielāka uzticamība. Uz superkondensatoru balstītu rezerves barošanas avotu var integrēt tieši T8 LED lampā. Šādas lampas jau ražo vairāki Ķīnas uzņēmumi.

Kā jau minēts, superkondensatoru attīstība lielā mērā ir saistīta ar interesi par alternatīviem enerģijas avotiem. Taču praktiskais pielietojums joprojām ir ierobežots ar LED lampām, kas saņem enerģiju no saules.

Aktīvi attīstās superkondensatoru izmantošana elektroiekārtu iedarbināšanai.

Superkondensatori spēj piegādāt lielu enerģijas daudzumu īsā laika periodā. Iedarbinot elektroiekārtas no superkondensatora, var samazināt maksimālās slodzes elektrotīklā un galu galā samazināt ieslēgšanas strāvas rezervi, tādējādi panākot milzīgu izmaksu ietaupījumu.

Apvienojot akumulatorā vairākus superkondensatorus, varam sasniegt jaudu, kas salīdzināma ar elektromobiļos izmantotajām baterijām. Bet šis akumulators svērs vairākas reizes vairāk nekā akumulators, kas ir nepieņemami transportlīdzekļiem. Problēmu var atrisināt, izmantojot uz grafēnu balstītus superkondensatorus, taču tie pašlaik pastāv tikai kā prototipi. Tomēr daudzsološā slavenā Yo-mobile versija, kas tiek darbināta tikai ar elektrību, kā enerģijas avotu izmantos jaunās paaudzes superkondensatorus, kurus izstrādā Krievijas zinātnieki.

Superkondensatori nāks par labu arī akumulatoru nomaiņai parastajos benzīna vai dīzeļa transportlīdzekļos – to izmantošana šādos transportlīdzekļos jau ir realitāte.

Tikmēr par veiksmīgākajiem no realizētajiem superkondensatoru ieviešanas projektiem var uzskatīt jaunos Krievijā ražotos trolejbusus, kas nesen parādījās Maskavas ielās. Pārtraucot sprieguma padevi kontakttīklam vai "aizlidojot" strāvas kolektoriem, trolejbuss ar nelielu ātrumu (ap 15 km/h) var braukt vairākus simtus metru līdz vietai, kur tas netraucēs satiksmi. uz ceļa. Enerģijas avots šādiem manevriem ir superkondensatoru baterija.

Kopumā pagaidām superkondensatori var izspiest baterijas tikai noteiktās “nišās”. Taču tehnoloģija strauji attīstās, kas ļauj sagaidīt, ka tuvākajā nākotnē superkondensatoru pielietojuma joma ievērojami paplašināsies.

Aleksejs Vasiļjevs

Jonistori ir elektroķīmiskas ierīces, kas paredzētas elektroenerģijas uzglabāšanai. Tiem ir raksturīgs liels uzlādes-izlādes ātrums (līdz pat vairākiem desmitiem tūkstošu reižu), atšķirībā no citiem akumulatoriem ir ļoti ilgs kalpošanas laiks ( uzlādējamās baterijas un galvaniskās šūnas), zema noplūdes strāva, un pats galvenais, jonistoriem var būt liela jauda un ļoti mazi izmēri. Jonistori ir atraduši plašu pielietojumu personālajiem datoriem, auto radio, mobilās ierīces un tā tālāk. Paredzēts atmiņas saglabāšanai, kad ir izņemts galvenais akumulators vai ierīce ir izslēgta. Pēdējā laikā jonistori bieži tiek izmantoti autonomās energosistēmās, kurās izmanto saules baterijas.

Jonistori arī uzglabā lādiņu ļoti ilgu laiku, neatkarīgi no laikapstākļiem, tie ir izturīgi pret salu un karstumu, un tas nekādā veidā neietekmēs ierīces darbību. Dažos elektroniskās shēmas lai saglabātu atmiņu, ir nepieciešams spriegums, kas ir lielāks par jonistoru, lai atrisinātu šo problēmu, jonistori ir savienoti virknē, un, lai palielinātu jonistoru jaudu, tie ir savienoti paralēli. Pēdējais pieslēguma veids galvenokārt tiek izmantots, lai palielinātu jonistora darbības laiku, kā arī palielinātu slodzei piegādāto strāvu, lai līdzsvarotu strāvu paralēlā savienojumā, katram jonistoram tiek pievienots rezistors.

Jonistori bieži tiek izmantoti ar baterijām un atšķirībā no tiem nebaidās īssavienojumi un pēkšņas apkārtējās temperatūras izmaiņas. Jau šobrīd tiek izstrādāti īpaši jonistori ar lielu jaudu un strāvu līdz 1 ampēram Kā zināms, mūsdienās atmiņas uzglabāšanas tehnoloģijās izmantoto jonistoru strāva nepārsniedz 100 miliampērus, šī ir viena un lielākā. nozīmīgs jonistoru trūkums, taču to kompensē iepriekš uzskaitītās jonistoru priekšrocības. Internetā var atrast daudzus dizainus, kuru pamatā ir tā sauktie superkondensatori – tie arī ir jonistori. Jonistori parādījās pavisam nesen - pirms 20 gadiem.

Pēc zinātnieku domām, mūsu planētas elektriskā kapacitāte ir 700 mikrofarādes, salīdziniet ar vienkāršu kondensatoru... Jonistori galvenokārt ir izgatavoti no oglēm, kas pēc aktivizēšanas un īpašas apstrādes kļūst porainas divas metāla plāksnes, kas tiek cieši piespiestas nodalījumam ar ogles. Jonistora izgatavošana mājās ir ļoti vienkārša, taču ir gandrīz neiespējami iegūt porainu oglekli, un tas ir nedaudz problemātiski, tāpēc ir vieglāk iegādāties jonistoru un ar to veikt interesantus eksperimentus. Piemēram, viena jonistora parametri (jauda un spriegums) ir pietiekami, lai gaismas diode iedegtos spilgti un ilgstoši vai darbotos

Ēdamkarote aktīvās ogles no aptiekas, daži pilieni sālīta ūdens, skārda šķīvis un plastmasas burka ar fotofilmu. Pietiek darīt DIY jonistors, elektriskais kondensators, kura kapacitāte ir aptuveni vienāda ar zemeslodes elektrisko kapacitāti .... Leidenas burka.

Iespējams, ka kāds no amerikāņu laikrakstiem 1777. gadā rakstīja tieši par šādu ierīci: “...Doktors Franklins ir izgudrojis zobu bakstāmā korpusa izmēra mašīnu, kas spēj pārvērst Londonas Svētā Pāvila katedrāli pelnu saujā. ” Tomēr vispirms vispirms.

Cilvēce elektrību izmanto jau nedaudz vairāk kā divus gadsimtus, bet elektriskās parādības cilvēkiem ir zināmas jau tūkstošiem gadu un praktiski sen nav bijušas nozīmīgas. Tikai 18. gadsimta sākumā, kad zinātne kļuva par modernu izklaidi, vācu zinātnieks Otto fon Gēriks speciāli publisku eksperimentu veikšanai radīja “elektroforu” mašīnu, ar kuras palīdzību saņēma elektrību iepriekš nedzirdētā daudzumā.

Mašīna sastāvēja no stikla lodītes, pret kuru griežoties berzējās ādas gabals. Viņas darba efekts bija liels: sprakšķēja dzirksteles, neredzami elektriskie spēki norāva dāmām šalles un lika mati stāvus. Sabiedrību īpaši pārsteidza ķermeņu spēja uzkrāt elektriskos lādiņus.

1745. gadā holandiešu fiziķis no Leidenes Pīters van Musšenbruks (1692 - 1761) ielēja stikla burkā ūdeni, ielika iekšā stieples gabalu, piemēram, ziedu vāzē, un, uzmanīgi satvēris to ar plaukstām, aiznesa uz elektrofora mašīna. Pudele savāca tik daudz elektrības, ka no stieples gabala ar "apdullinošu rūkoņu" izlidoja spilgta dzirkstele. Nākamajā reizē, kad zinātnieks pieskārās vadam ar pirkstu, viņš saņēma sitienu, no kura viņš zaudēja samaņu; Ja nebūtu asistenta Kuneusa, kurš ieradās laikā, lieta varētu beigties bēdīgi.

Tādējādi tika radīta ierīce, kas spēja uzkrāt miljoniem reižu vairāk lādiņu nekā jebkurš tajā laikā pazīstamais ķermenis. To sauca par "Leidenas burku". Tas bija sava veida kondensators, kura viena no plāksnēm bija eksperimentētāja plaukstas, dielektriķis bija stikla sienas, bet otrā plāksne bija ūdens.

Ziņas par izgudrojumu izplatījās visā apgaismotajā Eiropā. Leidenas burka nekavējoties tika izmantota franču karaļa Luija XV izglītošanai. Sākās priekšnesumi. Vienā no eksperimentiem, kas iegāja vēsturē, elektrība izgāja cauri sargu ķēdei, sadevušies rokās. Kad trāpīja elektriskā izlāde, visi kā viens uzlēca kājās, it kā grasītos maršēt gaisā. Citā eksperimentā strāva tika izlaista caur 700 mūku ķēdi...

Eksperimenti ar Leidenas burku Amerikā ieņēma praktiskāku virzienu. 1747. gadā tās aizsāka viens no ASV dibinātājiem, jau minētais Bendžamins Franklins. Viņam radās ideja ietīt burku skārda folijā, un tās ietilpība palielinājās vairākas reizes, un darbs kļuva drošāks. Eksperimentos ar to Franklins pierādīja, ka elektriskā izlāde var radīt siltumu un paaugstināt dzīvsudraba kolonnu termometrā. Un, nomainot burku ar stikla plāksni, kas pārklāta ar skārda foliju, Franklins saņēma plakanu kondensatoru, daudzkārt vieglāku par pat viņa uzlaboto Leidenas burku.

Vēsture klusē par ierīci, kas spēj uzkrāt tik daudz enerģijas, ka, kā rakstīja laikraksts, ar to varētu "pārvērst Sv. Pāvila katedrāli par pelnu kaudzi", taču tas nenozīmē, ka B. Franklins to nevarēja izveidot. .

Un ir pienācis laiks atgriezties pie tā, kā rīkoties DIY jonistors. Ja esat uzkrājis visu nepieciešamo, nolaidiet skārda plāksni līdz plēves kannas apakšai pēc tam, kad pielodējat tai izolētas stieples gabalu. Virsū uzliek filtrpapīra spilventiņu, uzlej aktīvās ogles kārtu un, uzlejot sālītu ūdeni, pārklāj savu “sviestmaizi” ar citu elektrodu.

Jonistora darbības shēma.

Jums ir elektroķīmiskais kondensators - jonistors. Tas ir interesanti, jo aktīvās ogles daļiņu porās parādās tā sauktais dubultais elektriskais slānis - divi slāņi, kas atrodas tuvu viens otram elektriskie lādiņi dažādu zīmju, tas ir, sava veida elektroķīmisko kondensatoru. Attālums starp slāņiem tiek aprēķināts angstromos (1 angstroms - 10-9 m). Un kondensatora kapacitāte, kā zināms, jo lielāka, jo mazāks attālums starp plāksnēm.

Pateicoties tam, enerģijas rezerve uz tilpuma vienību dubultajā slānī ir lielāka nekā visspēcīgākajai sprāgstvielai. Šis Leidenas burka!

Jonistors darbojas šādi. Ja nav ārējā sprieguma, tā jauda ir niecīga. Bet kondensatora poliem pieliktā sprieguma ietekmē tiek uzlādēti blakus esošie ogļu slāņi. Pretējas zīmes joni šķīdumā steidzas pie ogļu daļiņām un veido dubultu elektrisko slāni uz to virsmas.

Rūpnieciskais elektroķīmiskais kondensators (jonistors). Pogas izmēra metāla korpusā ir divi aktīvās ogles slāņi, kas atdalīti ar porainu starpliku.

Shēma, kā to izdarīt DIY jonistors.

Pašdarināta jonistora diagramma, kas izgatavota no plastmasas burkas un aktīvās ogles:

1 - augšējais elektrods;

2 - savienojošie vadi;

3,5 - mitrās aktīvās ogles slāņi;

4 - poraina atdalīšanas blīve;

6 - apakšējais elektrods;

7 - ķermenis.

Ja kondensatora poliem ir pievienota slodze, tad pretēji lādiņi no ogļu daļiņu iekšējās virsmas virzīsies pa vadiem viens pret otru, un joni, kas atrodas to porās, iznāks ārā.

Tas ir viss. tagad jūs saprotat, kā to izdarīt DIY jonistors.

Mūsdienu jonistoru jauda ir desmitiem un simtiem faradu. Izlādējoties, tie spēj attīstīt lielu jaudu un ir ļoti izturīgi. Enerģijas rezerves uz masas un tilpuma vienību ziņā jonistori joprojām ir zemāki par akumulatoriem. Bet, ja aktivēto ogli nomainīsi ar plānākajām oglekļa nanocaurulītēm vai citu elektriski vadošu vielu, jonistoru enerģijas intensitāte var kļūt fantastiski liela.

Bendžamins Franklins dzīvoja laikā, kad par nanotehnoloģiju pat nedomāja, taču tas nenozīmē, ka tās netika izmantotas. Kā ziņoja Nobela prēmijas laureāts ķīmijā Roberts Kirī, izgatavojot asmeņus no Damaskas tērauda, ​​senie amatnieki, paši to nezinot, izmantoja nanotehnoloģiju metodes. Senais damaskas tērauds vienmēr palika ass un izturīgs, pateicoties īpašajam oglekļa sastāvam metāla konstrukcijā.

Franklins varētu izmantot dažus nanomateriālus, piemēram, pārogļotus augu stublājus, kas satur nanocaurules, lai izveidotu superkondensatoru. Cik daudzi no jums saprot, kas tas ir? Leidenas burka, un kurš to mēģinās darīt?