Superkondenzatorje lahko imenujemo najsvetlejši razvoj V zadnjih letih. V primerjavi z običajnimi kondenzatorji se pri enakih dimenzijah razlikujejo po kapaciteti za tri velikostne rede. Za to so kondenzatorji prejeli svojo predpono - "super". V kratkem času lahko sprostijo ogromne količine energije.

Na voljo so v različnih velikostih in oblikah: od zelo majhnih, ki so nameščene na površini naprav, ki niso večje od kovanca, do zelo velikih cilindričnih in prizmatičnih. Njihov glavni namen je podvajanje glavnega vira (baterije) v primeru padca napetosti.

Energijsko intenzivni sodobni elektronski in električni sistemi za napajanje gredo naprej visoke zahteve. Nastajajoča oprema (od digitalnih fotoaparatov do elektronskih ročnih naprav in prenosov električnih vozil) mora shranjevati in oskrbovati potrebno energijo.

Sodobni razvijalci to težavo rešujejo na dva načina:

• Uporaba baterije, ki lahko oddaja močan tokovni impulz
• Z vzporedno povezavo z baterijo kot zavarovanje superkondenzatorjev, tj. "hibridna" rešitev.

V slednjem primeru superkondenzator deluje kot vir energije, ko napetost akumulatorja pade. To je posledica dejstva, da imajo baterije visoka gostota energije in nizke gostote moči, medtem ko je za superkondenzatorje, nasprotno, značilna nizka energijska gostota, vendar visoka gostota moči, tj. zagotavljajo tok praznjenja bremenu. Če superkondenzator povežete vzporedno z baterijo, jo lahko učinkoviteje uporabljate in s tem podaljšate njeno življenjsko dobo.

Kje se uporabljajo superkondenzatorji?

Video: Test superkondenzatorja 116.6F 15V (6* 700F 2.5V), namesto zaganjalnika v avtu

V avtomobilu elektronski sistemi uporabljajo se za zagon motorjev, s čimer se zmanjša obremenitev baterije. Omogočajo tudi zmanjšanje telesne teže z zmanjšanjem sheme ožičenja. Veliko jih uporabljajo v hibridnih avtomobilih, kjer generator krmili motor z notranjim izgorevanjem, električni motor (ali motorji) pa poganjajo avto, tj. Superkondenzator (energijski predpomnilnik) se uporablja kot vir toka med pospeševanjem in gibanjem, med zaviranjem pa se »polni«. Njihova uporaba je obetavna ne le v osebnih avtomobilih, temveč tudi v mestnem prometu, saj novi tip kondenzatorjev omogoča 50-odstotno zmanjšanje porabe goriva in 90-odstotno zmanjšanje emisij škodljivih plinov v okolje.

Baterije superkondenzatorja še ne morem popolnoma zamenjati, vendar je samo vprašanje časa. Uporaba superkondenzatorja namesto baterije sploh ni fantastična. Če bodo nanotehnologi z univerze QUT sledili pravi poti, bo to v bližnji prihodnosti postalo resničnost. Karoserije s superkondenzatorji v notranjosti lahko delujejo kot baterije. zadnja generacija. Zaposleni na tej univerzi so v novi napravi uspeli združiti prednosti litij-ionskih baterij in superkondenzatorjev. Nov tanek, lahek in močan superkondenzator je sestavljen iz ogljikovih elektrod z elektrolitom, ki se nahaja med njimi. Novi izdelek, po mnenju znanstvenikov, je mogoče namestiti kjerkoli v telesu.

Zahvaljujoč visokemu navoru (zagonski moment) lahko izboljšajo zagonske lastnosti pri nizkih temperaturah in razširijo zmogljivosti elektroenergetskega sistema. Primernost njihove uporabe v elektroenergetskem sistemu je razložena z dejstvom, da je njihov čas polnjenja / praznjenja 5-60 sekund. Poleg tega se lahko uporabljajo v distribucijskem sistemu nekaterih strojnih naprav: solenoidov, sistemov za nastavitev vratnih ključavnic in položajev okenskih stekel.

DIY superkondenzator

Superkondenzator lahko naredite z lastnimi rokami. Ker je njegova zasnova sestavljena iz elektrolita in elektrod, se morate odločiti za material zanje. Za elektrode so zelo primerni baker, nerjavno jeklo ali medenina. Lahko vzamete na primer stare kovance za pet kopeck. Potrebovali boste tudi oglje v prahu (aktivno oglje lahko kupite v lekarni in ga zmeljete). Kot elektrolit je primerna navadna voda, v kateri morate raztopiti kuhinjsko sol (100:25). Raztopino zmešamo z ogljem v prahu, da nastane konsistenca kita. Zdaj ga je treba nanesti v nekaj milimetrski plasti na obe elektrodi.

Ostaja le še izbrati tesnilo, ki ločuje elektrode, skozi pore katerih bo elektrolit prosto prehajal, ogljikov prah pa bo ostal. Za te namene je primerna steklena vlakna ali penasta guma.

Elektrode – 1,5; ogljikovo-elektrolitski premaz – 2,4; tesnilo - 3.

Kot ohišje lahko uporabite plastično škatlo, v kateri ste predhodno izvrtali luknje za žice, spajkane na elektrode. Po priključitvi žic na baterijo počakamo, da se napolni zasnova "ionix", imenovana tako, ker naj bi se na elektrodah oblikovale različne koncentracije ionov. Napolnjenost je lažje preveriti z voltmetrom.

Obstajajo tudi drugi načini. Na primer z uporabo kositrnega papirja (kositrna folija - ovitek za čokolado), kosov kositra in povoščenega papirja, ki ga lahko izdelate sami tako, da narežete trakove svilenega papirja in jih za nekaj minut potopite v stopljeni, a ne vreli parafin. Širina trakov mora biti petdeset milimetrov, dolžina pa od dvesto do tristo milimetrov. Ko trakove odstranite iz parafina, morate parafin strgati s topo stranjo noža.

S parafinom namočen papir zložimo v obliko harmonike (kot na sliki). Na obeh straneh so v reže vstavljene staniolne plošče, ki ustrezajo velikosti 45x30 milimetrov. Tako pripravljen obdelovanec ga zložimo in nato likamo s toplim likalnikom. Preostali staniolni konci so med seboj povezani z zunanje strani. Za to lahko uporabimo kartonske ploščice in medeninaste ploščice s kositrnimi sponkami, na katere kasneje prispajkamo vodnike, da lahko med namestitvijo prispajkamo kondenzator.

Kapacitivnost kondenzatorja je odvisna od števila staniolnih listov. Enak je na primer tisoč pikofaradov pri uporabi desetih takih listov in dva tisoč, če se njihovo število podvoji. Ta tehnologija je primerna za izdelavo kondenzatorjev z zmogljivostjo do pet tisoč pikofaradov.

Če potrebujete veliko kapaciteto, potem potrebujete star mikrofaradni papirni kondenzator, ki je zvitek traku, sestavljen iz trakov povoščenega papirja, med katerimi je položen trak staniolne folije.

Za določitev dolžine trakov uporabite formulo:

l = 0,014 C/a, kjer je kapacitivnost zahtevanega kondenzatorja v pF C; širina trakov v cm – a: dolžina v cm – 1.

Ko od starega kondenzatorja odvijete trakove potrebne dolžine, na vseh straneh odrežite 10 mm folijo, da preprečite spajanje plošč kondenzatorja med seboj.

Trak je treba znova zviti, vendar najprej tako, da na vsak trak folije prispajkate nasedle žice. Struktura je zgoraj prekrita z debelim papirjem, na robove papirja, ki štrlijo, pa sta prilepljeni dve pritrdilni žici (trdi), na katera so na notranji strani papirnatega tulca prispajkani vodi iz kondenzatorja (glej sliko). Zadnji korak je napolniti strukturo s parafinom.

Prednosti ogljikovih superkondenzatorjev

Ker današnjega pohoda električnih vozil po planetu ne moremo prezreti, se znanstveniki ukvarjajo z vprašanjem v zvezi z najhitrejše polnjenje. Idej se poraja veliko, le nekaj pa se jih uresniči. Na Kitajskem so na primer v mestu Ningbo uvedli nenavadno pot mestnega prometa. Avtobus, ki vozi po njem, poganja električni motor, a se polni le v desetih sekundah. Na njem prevozi pet kilometrov in zopet med izkrcanjem/prevzemom potnikov uspe napolniti.

To je postalo mogoče zaradi uporabe nove vrste kondenzatorjev - ogljika.

Ogljikovi kondenzatorji Lahko prenesejo približno milijon ciklov polnjenja in odlično delujejo v temperaturnem območju od minus štirideset do plus petinšestdeset stopinj. Z regeneracijo vrnejo do 80 % energije.

Začeli so novo dobo upravljanja z energijo, s čimer so skrajšali čas praznjenja in polnjenja na nanosekunde ter zmanjšali težo vozila. Tem prednostim lahko dodamo nizke stroške, saj se v proizvodnji ne uporabljajo redke zemeljske kovine in okolju prijaznost.

Ljudje so najprej uporabili kondenzatorje za shranjevanje električne energije. Potem, ko je elektrotehnika presegla laboratorijske poskuse, so bile izumljene baterije, ki so postale glavno sredstvo za shranjevanje električne energije. Toda na začetku 21. stoletja se ponovno predlaga uporaba kondenzatorjev za napajanje električne opreme. Kako mogoče je to in ali bodo baterije končno postale preteklost?

Razlog, da so kondenzatorje zamenjali z baterijami, je v bistveno večjih količinah električne energije, ki so jo sposobni shraniti. Drugi razlog je, da se med praznjenjem napetost na izhodu akumulatorja zelo malo spremeni, tako da stabilizator napetosti bodisi ni potreben ali pa je lahko zelo preprost.

Glavna razlika med kondenzatorji in baterijami je v tem, da kondenzatorji neposredno shranjujejo električni naboj, medtem ko baterije pretvorijo električno energijo v kemično energijo, jo shranijo in nato pretvorijo kemično energijo nazaj v električno.

Med transformacijami energije se del le-te izgubi. Zato imajo tudi najboljše baterije učinkovitost največ 90%, medtem ko lahko pri kondenzatorjih doseže 99%. Intenzivnost kemičnih reakcij je odvisna od temperature, zato se baterije v hladnem vremenu obnesejo opazno slabše kot pri sobni temperaturi. Poleg tega kemične reakcije v baterijah niso povsem reverzibilne. Od tod majhno število ciklov polnjenja in praznjenja (približno na tisoče, najpogosteje je življenjska doba baterije približno 1000 ciklov polnjenja in praznjenja), pa tudi "spominski učinek". Spomnimo se, da je "spominski učinek" ta, da mora biti baterija vedno izpraznjena do določene količine akumulirane energije, potem bo njena zmogljivost največja. Če po izpraznitvi v njem ostane več energije, se bo zmogljivost baterije postopoma zmanjšala. "Učinek spomina" je značilen za skoraj vse komercialno proizvedene vrste baterij, razen kislinskih (vključno z njihovimi sortami - gel in AGM). Čeprav je splošno sprejeto, da litij-ionski in litijeve polimerne baterije ni značilen, pravzaprav ga imajo tudi oni, le manifestira se v manjši meri kot pri drugih tipih. Kar zadeva kislinske baterije, imajo učinek ploščate sulfatizacije, ki povzroči nepopravljivo škodo na viru energije. Eden od razlogov je, da je baterija dolgo časa napolnjena pod 50 %.

V zvezi z alternativno energijo sta "spominski učinek" in sulfatizacija plošč resna problema. Dejstvo je, da je oskrba z energijo iz virov kot npr sončni kolektorji in vetrne turbine je težko predvideti. Posledično se polnjenje in praznjenje baterij odvija kaotično, v neoptimalnem načinu.

Za sodoben ritem življenja se izkaže za popolnoma nesprejemljivo, da je treba baterije polniti več ur. Kako si na primer predstavljate vožnjo na dolge razdalje z električnim vozilom, če ste zaradi prazne baterije več ur obtičali na polnilnem mestu? Hitrost polnjenja baterije je omejena s hitrostjo kemičnih procesov, ki potekajo v njej. Čas polnjenja lahko skrajšate na 1 uro, vendar ne na nekaj minut. Hkrati je hitrost polnjenja kondenzatorja omejena le z največjim tokom, ki ga zagotavlja polnilnik.

Naštete pomanjkljivosti baterij so povzročile nujnost uporabe kondenzatorjev namesto njih.

Uporaba dvojnega električnega sloja

Dolga desetletja so imeli največjo kapaciteto elektrolitski kondenzatorji. Pri njih je bila ena od plošč kovinska folija, druga elektrolit, izolacija med ploščama pa kovinski oksid, ki je prevlekel folijo. Pri elektrolitskih kondenzatorjih lahko zmogljivost doseže stotinke farada, kar ni dovolj za popolno zamenjavo baterije.

Primerjava modelov različni tipi kondenzatorji (Vir: Wikipedia)

Veliko kapacitivnost, merjeno v tisočih faradih, lahko dosežemo s kondenzatorji na osnovi tako imenovane dvojne električne plasti. Načelo njihovega delovanja je naslednje. Dvojno električni sloj se pojavi pod določenimi pogoji na meji snovi v trdni in tekoči fazi. Nastaneta dve plasti ionov z naboji nasprotnih predznakov, vendar enakih velikosti. Če zelo poenostavimo situacijo, se oblikuje kondenzator, katerega "plošče" so označene plasti ionov, katerih razdalja je enaka več atomom.

Superkondenzatorji različnih kapacitet proizvaja Maxwell

Kondenzatorje, ki temeljijo na tem učinku, včasih imenujemo ionistorji. Pravzaprav se ta izraz ne nanaša samo na kondenzatorje, v katerih je shranjen električni naboj, temveč tudi na druge naprave za shranjevanje električne energije – z delno pretvorbo električne energije v kemično energijo ob shranjevanju električnega naboja (hibridni ionistor), kot tudi za baterije na osnovi dvojne električne plasti (tako imenovani psevdokondenzatorji). Zato je izraz "superkondenzatorji" bolj primeren. Včasih se namesto tega uporablja enak izraz "ultracapacitor".

Tehnična izvedba

Superkondenzator je sestavljen iz dveh plošč aktivnega oglja, napolnjenih z elektrolitom. Med njimi je membrana, ki prepušča elektrolit, vendar preprečuje fizično premikanje delcev aktivnega oglja med ploščama.

Treba je opozoriti, da sami superkondenzatorji nimajo polarnosti. V tem se bistveno razlikujejo od elektrolitskih kondenzatorjev, za katere je praviloma značilna polarnost, neupoštevanje katere vodi do okvare kondenzatorja. Vendar pa polarnost velja tudi za superkondenzatorje. To je posledica dejstva, da superkondenzatorji zapustijo tovarniško tekočo linijo že napolnjeni, oznaka pa označuje polarnost tega naboja.

Parametri superkondenzatorja

Največja zmogljivost posameznega superkondenzatorja, dosežena v času pisanja, je 12.000 F. Za serijsko proizvedene superkondenzatorje ne presega 3.000 F. Največja dovoljena napetost med ploščama ne presega 10 V. Za komercialno proizvedene superkondenzatorje ta številka je praviloma znotraj 2,3 - 2,7 V. Nizka delovna napetost zahteva uporabo napetostnega pretvornika s funkcijo stabilizatorja. Dejstvo je, da se med praznjenjem napetost na ploščah kondenzatorja spreminja v širokem razponu. Izdelava napetostnega pretvornika za povezavo bremena in polnilec so netrivialna naloga. Recimo, da morate napajati 60 W obremenitev.

Da bi poenostavili obravnavo vprašanja, bomo zanemarili izgube v napetostnem pretvorniku in stabilizatorju. V primeru, da delate z običajna baterija z napetostjo 12 V, potem mora krmilna elektronika prenesti tok 5 A. Takšne elektronske naprave so razširjene in poceni. Toda povsem drugačna situacija nastane pri uporabi superkondenzatorja, katerega napetost je 2,5 V. Potem lahko tok, ki teče skozi elektronske komponente pretvornika, doseže 24 A, kar zahteva nove pristope k tehnologiji vezja in sodobno elementno bazo. Prav težava pri izdelavi pretvornika in stabilizatorja lahko pojasni dejstvo, da superkondenzatorji, serijska proizvodnja ki so se začele že v 70. letih 20. stoletja, so se šele sedaj začele množično uporabljati na najrazličnejših področjih.

Shematski diagram vir brezprekinitveno napajanje
napetosti na superkondenzatorjih so izvedene glavne komponente
na enem mikrovezju, ki ga proizvaja LinearTechnology

Superkondenzatorje lahko povežemo v baterije s serijsko ali vzporedno povezavo. V prvem primeru se največja dovoljena napetost poveča. V drugem primeru - zmogljivost. Povečanje največje dovoljene napetosti na ta način je eden od načinov za rešitev problema, vendar ga boste morali plačati z zmanjšanjem kapacitivnosti.

Dimenzije superkondenzatorjev so seveda odvisne od njihove kapacitete. Tipičen superkondenzator s kapaciteto 3000 F je valj s premerom približno 5 cm in dolžino 14 cm, s kapaciteto 10 F ima superkondenzator dimenzije, primerljive s človeškim nohtom.

Dobri superkondenzatorji lahko prenesejo več sto tisoč ciklov polnjenja in praznjenja in v tem parametru presegajo baterije za približno 100-krat. Toda tako kot elektrolitski kondenzatorji se superkondenzatorji soočajo s problemom staranja zaradi postopnega uhajanja elektrolita. Do zdaj ni bilo zbranih popolnih statističnih podatkov o okvarah superkondenzatorjev iz tega razloga, vendar je po posrednih podatkih življenjska doba superkondenzatorjev približno ocenjena na 15 let.

Akumulirana energija

Količina energije, shranjene v kondenzatorju, izražena v joulih:

E = CU 2 /2,
kjer je C kapacitivnost, izražena v faradih, U je napetost na ploščah, izražena v voltih.

Količina energije, shranjene v kondenzatorju, izražena v kWh, je:

W = CU 2 /7200000

Zato lahko kondenzator s kapaciteto 3000 F z napetostjo med ploščama 2,5 V shrani le 0,0026 kWh. Kakšno je to v primerjavi z na primer litij-ionsko baterijo? Če ga sprejmeš izhodna napetost neodvisno od stopnje izpraznjenosti in enaka 3,6 V, potem bo količina energije 0,0026 kWh shranjena v litij-ionski bateriji s kapaciteto 0,72 Ah. Žal, zelo skromen rezultat.

Uporaba superkondenzatorjev

Sistemi zasilne razsvetljave so tisti, kjer uporaba superkondenzatorjev namesto baterij naredi resnično razliko. Pravzaprav je ravno za to aplikacijo značilno neenakomerno praznjenje. Poleg tega je zaželeno, da se zasilna svetilka hitro napolni in da ima rezervni vir energije, ki se uporablja v njej, večjo zanesljivost. Rezervni vir energije na osnovi superkondenzatorja je mogoče integrirati neposredno v LED svetilka T8. Takšne svetilke že proizvajajo številna kitajska podjetja.

Ozemljitvena LED lučka z napajanjem
iz sončnih kolektorjev, shranjevanje energije
pri katerem se izvaja v superkondenzatorju

Kot smo že omenili, je razvoj superkondenzatorjev v veliki meri posledica zanimanja za alternativne vire energije. Ampak praktično uporabo doslej omejeno na LED sijalke, ki energijo prejemajo od sonca.

Uporaba superkondenzatorjev za zagon električne opreme se aktivno razvija.

Superkondenzatorji so sposobni zagotoviti velike količine energije v kratkem času. Z napajanjem električne opreme ob zagonu iz superkondenzatorja je mogoče zmanjšati konične obremenitve električnega omrežja in navsezadnje zmanjšati rezervo zagonskega toka, s čimer dosežemo velike prihranke pri stroških.

Z združitvijo več superkondenzatorjev v baterijo lahko dosežemo kapaciteto, primerljivo z baterijami, ki se uporabljajo v električnih vozilih. Toda ta baterija bo tehtala nekajkrat več kot baterija, kar je nesprejemljivo za vozila. Težavo je mogoče rešiti z uporabo superkondenzatorjev na osnovi grafena, ki pa trenutno obstajajo le kot prototipi. Bo pa obetavna različica slovitega Yo-mobila, ki ga poganja le elektrika, kot vir energije uporabljala superkondenzatorje nove generacije, ki jih razvijajo ruski znanstveniki.

Superkondenzatorji bodo koristili tudi zamenjavi baterij v klasičnih bencinskih ali dizelskih vozilih – njihova uporaba v takih vozilih je že realnost.

Medtem se lahko najuspešnejši od izvedenih projektov za uvedbo superkondenzatorjev šteje za nove ruske trolejbuse, ki so se pred kratkim pojavili na ulicah Moskve. Ob prekinitvi dovoda napetosti v kontaktno omrežje ali ko »odletijo« tokovni odjemniki, lahko trolejbus z nizko hitrostjo (približno 15 km/h) potuje nekaj sto metrov do mesta, kjer ne bo oviral prometa. na poti. Vir energije za takšne manevre je baterija superkondenzatorjev.

Na splošno lahko za zdaj superkondenzatorji izpodrinejo baterije le v določenih "nišah". Toda tehnologija se hitro razvija, kar nam omogoča, da pričakujemo, da se bo v bližnji prihodnosti obseg uporabe superkondenzatorjev znatno razširil.

Ljudje so najprej uporabili kondenzatorje za shranjevanje električne energije. Potem, ko je elektrotehnika presegla laboratorijske poskuse, so bile izumljene baterije, ki so postale glavno sredstvo za shranjevanje električne energije. Toda na začetku 21. stoletja se ponovno predlaga uporaba kondenzatorjev za napajanje električne opreme. Kako mogoče je to in ali bodo baterije končno postale preteklost?

Razlog, da so kondenzatorje zamenjali z baterijami, je v bistveno večjih količinah električne energije, ki so jo sposobni shraniti. Drugi razlog je, da se med praznjenjem napetost na izhodu akumulatorja zelo malo spremeni, tako da stabilizator napetosti bodisi ni potreben ali pa je lahko zelo preprost.

Glavna razlika med kondenzatorji in baterijami je v tem, da kondenzatorji neposredno shranjujejo električni naboj, medtem ko baterije pretvorijo električno energijo v kemično energijo, jo shranijo in nato pretvorijo kemično energijo nazaj v električno.

Med transformacijami energije se del le-te izgubi. Zato imajo tudi najboljše baterije učinkovitost največ 90%, medtem ko lahko pri kondenzatorjih doseže 99%. Intenzivnost kemičnih reakcij je odvisna od temperature, zato se baterije v hladnem vremenu obnesejo opazno slabše kot pri sobni temperaturi. Poleg tega kemične reakcije v baterijah niso povsem reverzibilne. Od tod majhno število ciklov polnjenja in praznjenja (približno na tisoče, najpogosteje je življenjska doba baterije približno 1000 ciklov polnjenja in praznjenja), pa tudi "spominski učinek". Spomnimo se, da je "spominski učinek" ta, da mora biti baterija vedno izpraznjena do določene količine akumulirane energije, potem bo njena zmogljivost največja. Če po izpraznitvi v njem ostane več energije, se bo zmogljivost baterije postopoma zmanjšala. "Učinek spomina" je značilen za skoraj vse komercialno proizvedene vrste baterij, razen kislinskih (vključno z njihovimi sortami - gel in AGM). Čeprav je splošno sprejeto, da ga litij-ionske in litij-polimerne baterije nimajo, ga pravzaprav tudi imajo, le da se kaže v manjši meri kot pri drugih vrstah. Kar zadeva kislinske baterije, imajo učinek ploščate sulfatizacije, ki povzroči nepopravljivo škodo na viru energije. Eden od razlogov je, da je baterija dolgo časa napolnjena pod 50 %.

V zvezi z alternativno energijo sta "spominski učinek" in sulfatizacija plošč resna problema. Dejstvo je, da je dobavo energije iz virov, kot so sončni kolektorji in vetrne turbine, težko predvideti. Posledično se polnjenje in praznjenje baterij odvija kaotično, v neoptimalnem načinu.

Za sodoben ritem življenja se izkaže za popolnoma nesprejemljivo, da je treba baterije polniti več ur. Kako si na primer predstavljate vožnjo na dolge razdalje z električnim vozilom, če ste zaradi prazne baterije več ur obtičali na polnilnem mestu? Hitrost polnjenja baterije je omejena s hitrostjo kemičnih procesov, ki potekajo v njej. Čas polnjenja lahko skrajšate na 1 uro, vendar ne na nekaj minut. Hkrati je hitrost polnjenja kondenzatorja omejena le z največjim tokom, ki ga zagotavlja polnilnik.

Naštete pomanjkljivosti baterij so povzročile nujnost uporabe kondenzatorjev namesto njih.

Uporaba dvojnega električnega sloja

Dolga desetletja so imeli največjo kapaciteto elektrolitski kondenzatorji. Pri njih je bila ena od plošč kovinska folija, druga elektrolit, izolacija med ploščama pa kovinski oksid, ki je prevlekel folijo. Pri elektrolitskih kondenzatorjih lahko zmogljivost doseže stotinke farada, kar ni dovolj za popolno zamenjavo baterije.

Veliko kapacitivnost, merjeno v tisočih faradih, lahko dosežemo s kondenzatorji na osnovi tako imenovane dvojne električne plasti. Načelo njihovega delovanja je naslednje. Na meji snovi v trdni in tekoči fazi se pod določenimi pogoji pojavi dvojna električna plast. Nastaneta dve plasti ionov z naboji nasprotnih predznakov, vendar enakih velikosti. Če zelo poenostavimo situacijo, se oblikuje kondenzator, katerega "plošče" so označene plasti ionov, katerih razdalja je enaka več atomom.

Kondenzatorje, ki temeljijo na tem učinku, včasih imenujemo ionistorji. Pravzaprav se ta izraz ne nanaša samo na kondenzatorje, v katerih je shranjen električni naboj, temveč tudi na druge naprave za shranjevanje električne energije – z delno pretvorbo električne energije v kemično energijo ob shranjevanju električnega naboja (hibridni ionistor), kot tudi za baterije na osnovi dvojne električne plasti (tako imenovani psevdokondenzatorji). Zato je izraz "superkondenzatorji" bolj primeren. Včasih se namesto tega uporablja enak izraz "ultracapacitor".

Tehnična izvedba

Superkondenzator je sestavljen iz dveh plošč aktivnega oglja, napolnjenih z elektrolitom. Med njimi je membrana, ki prepušča elektrolit, vendar preprečuje fizično premikanje delcev aktivnega oglja med ploščama.

Treba je opozoriti, da sami superkondenzatorji nimajo polarnosti. V tem se bistveno razlikujejo od elektrolitskih kondenzatorjev, za katere je praviloma značilna polarnost, neupoštevanje katere vodi do okvare kondenzatorja. Vendar pa polarnost velja tudi za superkondenzatorje. To je posledica dejstva, da superkondenzatorji zapustijo tovarniško tekočo linijo že napolnjeni, oznaka pa označuje polarnost tega naboja.

Parametri superkondenzatorja

Največja zmogljivost posameznega superkondenzatorja, dosežena v času pisanja, je 12.000 F. Za serijsko proizvedene superkondenzatorje ne presega 3.000 F. Največja dovoljena napetost med ploščama ne presega 10 V. Za komercialno proizvedene superkondenzatorje ta številka je praviloma znotraj 2,3 - 2,7 V. Nizka delovna napetost zahteva uporabo napetostnega pretvornika s funkcijo stabilizatorja. Dejstvo je, da se med praznjenjem napetost na ploščah kondenzatorja spreminja v širokem razponu. Izdelava napetostnega pretvornika za povezavo tovora in polnilnika je netrivialna naloga. Recimo, da morate napajati 60 W obremenitev.

Da bi poenostavili obravnavo vprašanja, bomo zanemarili izgube v napetostnem pretvorniku in stabilizatorju. Če delate z navadno 12 V baterijo, mora biti krmilna elektronika sposobna prenesti tok 5 A. Takšne elektronske naprave so razširjene in poceni. Toda povsem drugačna situacija nastane pri uporabi superkondenzatorja, katerega napetost je 2,5 V. Potem lahko tok, ki teče skozi elektronske komponente pretvornika, doseže 24 A, kar zahteva nove pristope k tehnologiji vezja in sodobno elementno bazo. Prav z zahtevnostjo izdelave pretvornika in stabilizatorja je mogoče razložiti dejstvo, da so superkondenzatorji, katerih serijska proizvodnja se je začela v 70. letih 20. stoletja, šele zdaj začeli široko uporabljati na najrazličnejših področjih.

Superkondenzatorje lahko povežemo v baterije s serijsko ali vzporedno povezavo. V prvem primeru se največja dovoljena napetost poveča. V drugem primeru - zmogljivost. Povečanje največje dovoljene napetosti na ta način je eden od načinov za rešitev problema, vendar ga boste morali plačati z zmanjšanjem kapacitivnosti.

Dimenzije superkondenzatorjev so seveda odvisne od njihove kapacitete. Tipičen superkondenzator s kapaciteto 3000 F je valj s premerom približno 5 cm in dolžino 14 cm, s kapaciteto 10 F ima superkondenzator dimenzije, primerljive s človeškim nohtom.

Dobri superkondenzatorji lahko prenesejo več sto tisoč ciklov polnjenja in praznjenja in v tem parametru presegajo baterije za približno 100-krat. Toda tako kot elektrolitski kondenzatorji se superkondenzatorji soočajo s problemom staranja zaradi postopnega uhajanja elektrolita. Do zdaj ni bilo zbranih popolnih statističnih podatkov o okvarah superkondenzatorjev iz tega razloga, vendar je po posrednih podatkih življenjska doba superkondenzatorjev približno ocenjena na 15 let.

Akumulirana energija

Količina energije, shranjene v kondenzatorju, izražena v joulih:

kjer je C kapacitivnost, izražena v faradih, U je napetost na ploščah, izražena v voltih.

Količina energije, shranjene v kondenzatorju, izražena v kWh, je:

Zato lahko kondenzator s kapaciteto 3000 F z napetostjo med ploščama 2,5 V shrani le 0,0026 kWh. Kakšno je to v primerjavi z na primer litij-ionsko baterijo? Če vzamemo, da je njena izhodna napetost neodvisna od stopnje izpraznjenosti in enaka 3,6 V, bo v litij-ionski bateriji s kapaciteto 0,72 Ah shranjena količina energije 0,0026 kWh. Žal, zelo skromen rezultat.

Uporaba superkondenzatorjev

Sistemi zasilne razsvetljave so tisti, kjer uporaba superkondenzatorjev namesto baterij naredi resnično razliko. Pravzaprav je ravno za to aplikacijo značilno neenakomerno praznjenje. Poleg tega je zaželeno, da se zasilna svetilka hitro napolni in da ima rezervni vir energije, ki se uporablja v njej, večjo zanesljivost. Rezervno napajanje na osnovi superkondenzatorja je mogoče integrirati neposredno v svetilko T8 LED. Takšne svetilke že proizvajajo številna kitajska podjetja.

Kot smo že omenili, je razvoj superkondenzatorjev v veliki meri posledica zanimanja za alternativne vire energije. Toda praktična uporaba je še vedno omejena na LED sijalke, ki prejemajo energijo od sonca.

Uporaba superkondenzatorjev za zagon električne opreme se aktivno razvija.

Superkondenzatorji so sposobni zagotoviti velike količine energije v kratkem času. Z napajanjem električne opreme ob zagonu iz superkondenzatorja je mogoče zmanjšati konične obremenitve električnega omrežja in navsezadnje zmanjšati rezervo zagonskega toka, s čimer dosežemo velike prihranke pri stroških.

Z združitvijo več superkondenzatorjev v baterijo lahko dosežemo kapaciteto, primerljivo z baterijami, ki se uporabljajo v električnih vozilih. Toda ta baterija bo tehtala nekajkrat več kot baterija, kar je nesprejemljivo za vozila. Težavo je mogoče rešiti z uporabo superkondenzatorjev na osnovi grafena, ki pa trenutno obstajajo le kot prototipi. Bo pa obetavna različica slovitega Yo-mobila, ki ga poganja le elektrika, kot vir energije uporabljala superkondenzatorje nove generacije, ki jih razvijajo ruski znanstveniki.

Superkondenzatorji bodo koristili tudi zamenjavi baterij v klasičnih bencinskih ali dizelskih vozilih – njihova uporaba v takih vozilih je že realnost.

Medtem se lahko najuspešnejši od izvedenih projektov za uvedbo superkondenzatorjev šteje za nove ruske trolejbuse, ki so se pred kratkim pojavili na ulicah Moskve. Ob prekinitvi dovoda napetosti v kontaktno omrežje ali ko »odletijo« tokovni odjemniki, lahko trolejbus z nizko hitrostjo (približno 15 km/h) potuje nekaj sto metrov do mesta, kjer ne bo oviral prometa. na poti. Vir energije za takšne manevre je baterija superkondenzatorjev.

Na splošno lahko za zdaj superkondenzatorji izpodrinejo baterije le v določenih "nišah". Toda tehnologija se hitro razvija, kar nam omogoča, da pričakujemo, da se bo v bližnji prihodnosti obseg uporabe superkondenzatorjev znatno razširil.

Aleksej Vasiljev

Ionistorji so elektrokemične naprave, namenjene shranjevanju električne energije. Zanje je značilna velika stopnja polnjenja in praznjenja (do več deset tisočkrat), imajo zelo dolgo življenjsko dobo, za razliko od drugih baterij ( polnilne baterije in galvanski členi), nizek tok uhajanja, in kar je najpomembneje, ionistorji imajo lahko veliko kapaciteto in zelo majhne dimenzije. Ionistorji so našli široko uporabo v osebni računalniki, avtoradio, mobilne naprave in tako naprej. Zasnovan za shranjevanje pomnilnika, ko je glavna baterija odstranjena ali je naprava izklopljena. V zadnjem času se ionistorji pogosto uporabljajo v avtonomnih sistemih napajanja s sončnimi baterijami.

Ionistorji tudi zelo dolgo shranjujejo naboj, ne glede na vremenske razmere, so odporni na zmrzal in vročino, kar na noben način ne bo vplivalo na delovanje naprave. V nekaterih elektronska vezja za shranjevanje pomnilnika morate imeti napetost, ki je višja od napetosti ionistorja; za rešitev tega problema so ionistorji povezani zaporedno, za povečanje zmogljivosti ionistorja pa so povezani vzporedno. Slednja vrsta povezave se uporablja predvsem za povečanje časa delovanja ionistorja, pa tudi za povečanje toka, ki se dovaja obremenitvi; za uravnoteženje toka v vzporedni povezavi je na vsak ionistor priključen upor.

Ionistorji se pogosto uporabljajo z baterijami in se za razliko od njih ne bojijo kratkih stikov in nenadne spremembe temperature okolja. Že danes se razvijajo posebni ionistorji z veliko kapaciteto in tokom do 1 A. Kot je znano, tok ionistorjev, ki se danes uporabljajo v tehniki za shranjevanje pomnilnika, ne presega 100 miliamperov, to je eden in najbolj Pomembna pomanjkljivost ionistorjev, vendar je to odstopanje kompenzirano z zgoraj naštetimi prednostmi ionistorjev. Na internetu lahko najdete veliko modelov, ki temeljijo na tako imenovanih superkondenzatorjih - so tudi ionistorji. Ionistorji so se pojavili pred kratkim - pred 20 leti.

Po mnenju znanstvenikov je električna kapaciteta našega planeta 700 mikrofaradov, primerjajte s preprostim kondenzatorjem... Ionistorji so večinoma narejeni iz oglja, ki po aktivaciji in posebni obdelavi postane porozno, dve kovinski plošči sta tesno pritisnjeni na prostor z premog. Izdelava ionistorja doma je zelo preprosta, vendar je pridobivanje poroznega ogljika skoraj nemogoče; doma morate predelati oglje, kar je nekoliko problematično, zato je lažje kupiti ionistor in na njem izvajati zanimive poskuse. Na primer, parametri (moč in napetost) enega ionistorja zadostujejo, da LED sveti močno in dolgo ali deluje

Jedilna žlica aktivnega oglja iz lekarne, nekaj kapljic slane vode, pločevinasta plošča in plastični kozarec fotografskega filma. Dovolj je narediti DIY ionistor, električni kondenzator, katerega kapacitivnost je približno enaka električni kapacitivnosti ... zemeljske oble. Leyden kozarec.

Možno je, da je eden izmed ameriških časopisov leta 1777 pisal prav o takšni napravi: »... Dr. Franklin je izumil stroj v velikosti ohišja zobotrebca, ki je sposoben spremeniti londonsko katedralo svetega Pavla v prgišče pepela. ” Vendar pa najprej.

Človeštvo uporablja elektriko že nekaj več kot dve stoletji, vendar so električni pojavi ljudem znani že tisočletja in dolgo niso imeli praktičnega pomena. Šele v začetku 18. stoletja, ko je znanost postala modna zabava, je nemški znanstvenik Otto von Guericke ustvaril "elektroforični" stroj posebej za izvajanje javnih poskusov, s pomočjo katerega je prejemal elektriko v prej nezaslišanih količinah.

Stroj je bil sestavljen iz steklene krogle, ob katero se je med vrtenjem drgnil kos usnja. Učinek njenega dela je bil velik: prasketale so iskre, nevidne električne sile so damam trgale šale in jim ježile dlake pokonci. Javnost je še posebej presenetila sposobnost teles, da kopičijo električni naboj.

Leta 1745 je nizozemski fizik iz Leidna Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) natočil vodo v steklen kozarec, vanj vtaknil kos žice, kot rožo v vazo, in jo previdno objel z dlanmi in prinesel na elektroforski stroj. Steklenica je zbrala toliko elektrike, da je iz kosa žice z "oglušujočim ropotom" odletela svetla iskra. Naslednjič, ko se je znanstvenik s prstom dotaknil žice, je prejel udarec, zaradi katerega je izgubil zavest; Če ne bi bilo pomočnika Kuneusa, ki je prišel pravočasno, bi se zadeva lahko končala žalostno.

Tako je nastala naprava, ki je lahko akumulirala milijonkrat več naboja kot katero koli telo, ki je bilo takrat znano. Imenovali so ga "Leyden jar". Bil je nekakšen kondenzator, katerega ena plošča so bile dlani eksperimentatorja, dielektrik steklene stene, druga plošča pa voda.

Vest o izumu se je razširila po vsej razsvetljeni Evropi. Leydenski kozarec je bil takoj uporabljen za izobraževanje francoskega kralja Ludvika XV. Začele so se predstave. V enem od poskusov, ki so se zapisali v zgodovino, elektrikaŠli so skozi verigo stražarjev, držeč se za roke. Ko je udarila električna razelektritev, so vsi poskočili kot eden, kot da bi marširali v zrak. V drugem poskusu so tok spustili skozi verigo 700 menihov ...

Poskusi z Leydenskim kozarcem v Ameriki so ubrali bolj praktično smer. Leta 1747 jih je začel uvajati eden od ustanoviteljev ZDA, že omenjeni Benjamin Franklin. Prišel je na idejo, da bi kozarec zavil v kositrno folijo in njegova zmogljivost se je večkrat povečala, delo pa je postalo varnejše. V poskusih z njim je Franklin dokazal, da lahko električna razelektritev ustvari toploto in dvigne stolpec živega srebra v termometru. In ko je kozarec zamenjal s stekleno ploščo, prekrito s kositrno folijo, je Franklin dobil ploščat kondenzator, mnogokrat lažji celo od Leydenovega kozarca, ki ga je izboljšal.

Zgodovina molči o napravi, ki bi lahko shranila toliko energije, da bi jo, kot je zapisal časopis, lahko uporabili za »pretvorbo katedrale sv. Pavla v kup pepela«, vendar to ne pomeni, da je B. Franklin ni mogel ustvariti .

In tukaj je čas, da se vrnemo k temu, kako narediti DIY ionistor. Če ste se založili z vsem, kar potrebujete, spustite kositrno ploščo na dno pločevinke s filmom, potem ko nanjo spajkate kos izolirane žice. Na vrh položite blazinico filtrirnega papirja, nanjo nasujte plast aktivnega oglja in po prelivanju slane vode pokrijte svoj »sendvič« z drugo elektrodo.

Diagram delovanja ionistorja.

Dobili ste elektrokemijski kondenzator - ionistor. Zanimivo je, ker se v porah delcev aktivnega oglja pojavi tako imenovana dvojna električna plast - dve plasti, ki se nahajata blizu druga drugi. električni naboji različnih predznakov, torej nekakšen elektrokemijski kondenzator. Razdalja med sloji se izračuna v angstromih (1 angstrom - 10-9 m). In kapacitivnost kondenzatorja, kot je znano, večja je manjša razdalja med ploščama.

Zaradi tega je zaloga energije na prostorninsko enoto v dvojni plasti večja kot pri najmočnejšem eksplozivu. to Leyden kozarec!

Ionistor deluje na naslednji način. V odsotnosti zunanje napetosti je njegova zmogljivost zanemarljiva. Toda pod vplivom napetosti, ki se nanaša na poli kondenzatorja, se sosednje plasti premoga napolnijo. Ioni nasprotnega predznaka v raztopini hitijo k delcem premoga in na njihovi površini tvorijo dvojno električno plast.

Industrijski elektrokemijski kondenzator (ionistor). Kovinsko ohišje v velikosti gumba vsebuje dve plasti aktivnega oglja, ločeni s poroznim tesnilom.

Shema, kako to storiti DIY ionistor.

Diagram domačega ionistorja iz plastičnega kozarca in aktivnega oglja:

1 - zgornja elektroda;

2 - povezovalne žice;

3,5 - plasti mokrega aktivnega oglja;

4 - porozno ločilno tesnilo;

6 - spodnja elektroda;

7 - telo.

Če je obremenitev povezana s poli kondenzatorja, bodo nasprotni naboji z notranje površine delcev premoga potekali vzdolž žic drug proti drugemu in ioni, ki se nahajajo v njihovih porah, bodo izstopili.

To je vse. zdaj razumete, kako to storiti DIY ionistor.

Sodobni ionizatorji imajo kapaciteto več deset in sto faradov. Ko so izpraznjeni, lahko razvijejo veliko moč in so zelo vzdržljivi. Glede rezerve energije na enoto mase in prostornine so ionistorji še vedno slabši od baterij. Če pa aktivno oglje zamenjate z najtanjšimi ogljikovimi nanocevkami ali drugo električno prevodno snovjo, lahko energijska intenzivnost ionistorja postane fantastično velika.

Benjamin Franklin je živel v času, ko o nanotehnologiji niso niti razmišljali, kar pa ne pomeni, da je niso uporabljali. Kot je poročal dobitnik Nobelove nagrade za kemijo Robert Curie, so starodavni obrtniki pri izdelavi rezil iz damaščanskega jekla, ne da bi vedeli, uporabljali metode nanotehnologije. Starodavno damaščansko jeklo je vedno ostalo ostro in trpežno zahvaljujoč posebni sestavi ogljika v kovinski strukturi.

Nekakšne nanomateriale, kot so zoglenela rastlinska stebla, ki vsebujejo nanocevke, bi Franklin lahko uporabil za izdelavo superkondenzatorja. Koliko vas razume, kaj je to? Leyden kozarec, in kdo bo to poskušal narediti?