Как работи суперкондензаторът. Суперкондензатор вместо батерия: пълна алтернатива на литиево-йонните батерии

За да съхраняват електричество, хората първо са използвали кондензатори. След това, когато електротехниката надхвърли лабораторните експерименти, бяха изобретени батериите, които се превърнаха в основното средство за съхранение електрическа енергия... Но в началото на XXI век отново се предлага използването на кондензатори за захранване на електрическо оборудване. Доколко е възможно това и дали батериите най-накрая ще останат в миналото?

Причината, поради която кондензаторите да бъдат изместени от батерии, се дължи на значително по-високите количества електроенергия, които могат да съхраняват. Друга причина е, че по време на разреждане напрежението на изхода на батерията се променя много малко, така че регулаторът на напрежението или не е необходим, или може да има много прост дизайн.

Основната разлика между кондензаторите и батериите е, че кондензаторите директно съхраняват електрически заряд, докато батериите преобразуват електрическата енергия в химическа енергия, съхраняват я и след това преобразуват химическата енергия обратно в електрическа енергия.

По време на трансформацията на енергията част от нея се губи. Следователно, дори в най-добрите батерииЕфективността е не повече от 90%, докато за кондензаторите може да достигне 99%. Интензивността на химичните реакции зависи от температурата, така че батериите работят много по-зле при ниски температури, отколкото при стайна температура. Освен това химичните реакции в батериите не са напълно обратими. Оттук и малкият брой цикли зареждане-разреждане (около няколко хиляди, най-често животът на батерията е около 1000 цикъла на зареждане-разреждане), както и "ефектът на паметта". Припомнете си, че "ефектът на паметта" е, че батерията винаги трябва да се разрежда до определено количество натрупана енергия, тогава капацитетът й ще бъде максимален. Ако след разреждане в него остане повече енергия, тогава капацитетът на батерията постепенно ще намалее. "Ефектът на паметта" е характерен за почти всички налични в търговската мрежа видове батерии, с изключение на киселинните (включително техните разновидности - гел и AGM). Въпреки че обикновено се смята, че литиево-йонните и литиево-полимерните батерии го нямат, всъщност го има, просто се проявява в по-малка степен, отколкото при други видове. Що се отнася до киселинните батерии, те показват ефекта на сулфатиране на пластините, което причинява необратими повреди на източника на енергия. Една от причините е дългосрочното присъствие на батерията в състояние на зареждане под 50%.

По отношение на алтернативната енергия, "ефектът на паметта" и сулфатирането на плочата са сериозни проблеми. Факт е, че потокът на енергия от източници като напр слънчеви панелиа вятърните турбини са трудни за прогнозиране. В резултат на това зареждането и разреждането на батериите става хаотично, в неоптимален режим.

За съвременния ритъм на живот се оказва абсолютно неприемливо батериите да се зареждат няколко часа. Например, как бихте си представили шофиране на електрическа кола на дълги разстояния, ако изтощена батерия се задържи няколко часа на място за зареждане? Скоростта на зареждане на батерията е ограничена от скоростта на протичащите в нея химически процеси. Можете да намалите времето за зареждане до 1 час, но не и до няколко минути. В същото време скоростта на зареждане на кондензатора е ограничена само от максималния ток, осигурен от зарядното устройство.

Изброените недостатъци на батериите направиха използването на кондензатори вместо тях спешно.

Използване на електрически двоен слой

В продължение на много десетилетия най-големият капацитет е притежаван от електролитни кондензатори... При тях едната плоча беше метално фолио, другата беше електролит, а изолацията между плочите беше метален оксид, който покриваше фолиото. При електролитните кондензатори капацитетът може да достигне стотни от фарада, което не е достатъчно за пълна подмяна на батерията.

Голям капацитет, измерен в хиляди фаради, може да се получи от кондензатори, базирани на така наречения електрически двоен слой. Принципът на тяхната работа е следният. При определени условия на границата между веществата в твърдата и течната фаза възниква електрически двоен слой. Образуват се два слоя йони със заряди с противоположен знак, но със същата величина. Ако ситуацията е много опростена, тогава се образува кондензатор, чиито "плочи" са посочените слоеве от йони, разстоянието между които е равно на няколко атома.

Кондензаторите, базирани на този ефект, понякога се наричат ​​суперкондензатори. Всъщност този термин се отнася не само за кондензатори, в които се натрупва електрически заряд, но и за други устройства за съхранение на електричество - с частично преобразуване на електрическа енергия в химическа енергия, заедно със съхраняване електрически заряд(хибриден суперкондензатор), както и за батерии на базата на електрически двоен слой (т.нар. псевдо кондензатори). Следователно терминът "суперкондензатори" е по-подходящ. Понякога вместо това се използва терминът "ултракондензатор".

Техническо изпълнение

Суперкондензаторът се състои от две плочи от активен въглен, пълни с електролит. Между тях е разположена мембрана, която позволява преминаването на електролита, но предотвратява физическото движение на частиците от активен въглен между плочите.

Трябва да се отбележи, че самите суперкондензатори нямат полярност. По това те са коренно различни от електролитните кондензатори, за които по правило е характерна полярността, чието неспазване води до повреда на кондензатора. Въпреки това, полярността се прилага и върху суперкондензаторите. Това се дължи на факта, че суперкондензаторите напускат фабричния конвейер вече зареден, маркировката означава полярността на този заряд.

Параметри на суперкондензатора

Максимален капацитетотделен суперкондензатор, постигнат към момента на това писане, е 12 000 F. За масово произвежданите суперкондензатори, той не надвишава 3 000 F. допустимо напрежениемежду плочите не надвишава 10 V. За суперкондензатори, предлагани в търговската мрежа, тази цифра обикновено е в диапазона от 2,3 - 2,7 V. Ниското работно напрежение изисква използването на преобразувател на напрежение със стабилизаторна функция. Факт е, че по време на разреждане напрежението върху плочите на кондензатора се променя в широк диапазон. Изграждане на преобразувател на напрежение за свързване на товара и зарядно устройствоне са тривиална задача. Да приемем, че трябва да захранвате 60W товар.

За да опростим разглеждането на въпроса, ще пренебрегнем загубите в преобразувателя на напрежение и стабилизатора. В случай, че работите с конвенционална батерияс напрежение 12 V, управляващата електроника трябва да издържа на ток от 5 A. Такива електронни устройства са широко разпространени и евтини. Но съвсем различна ситуация възниква при използване на суперкондензатор, чието напрежение е 2,5 V. Тогава токът, протичащ през електронни компонентипреобразувател, може да достигне 24 A, което изисква нови подходи към схемите и модерна елементна база. Именно сложността на конструирането на преобразувател и стабилизатор може да обясни факта, че суперкондензаторите, серийно производствокоито започнаха през 70-те години на XX век, едва сега те започнаха да се използват широко в различни области.

Суперкондензаторите могат да бъдат свързани към батерии с помощта на серия или паралелна връзка... В първия случай максималното допустимо напрежение се повишава. Във втория случай капацитет. Повишаването на максимално допустимото напрежение по този начин е един от начините за решаване на проблема, но това ще дойде с цената на по-нисък капацитет.

Размерите на суперкондензаторите естествено зависят от капацитета им. Типичен суперкондензатор 3000 F е цилиндър с диаметър около 5 см и дължина 14 см. При 10 F суперкондензаторът е с размерите на човешки нокът.

Добрите суперкондензатори са в състояние да издържат на стотици хиляди цикъла на зареждане-разреждане, надминавайки батериите по този параметър с около 100 пъти. Но, подобно на електролитните кондензатори, суперкондензаторите са изправени пред проблема със стареенето поради постепенното изтичане на електролит. До някое време пълна статистикаповреда на суперкондензаторите по тази причина не е натрупан, но според косвени данни експлоатационният живот на суперкондензаторите може да се оцени приблизително на 15 години.

Натрупана енергия

Количеството енергия, съхранявано в кондензатора, изразено в джаули:

където C е капацитетът, изразен във фаради, U е напрежението през плочите, изразено във волтове.

Количеството енергия, съхранявано в кондензатора, изразено в kWh, е равно на:

Следователно, кондензатор 3000 F с напрежение между плочите от 2,5 V е способен да съхранява само 0,0026 kWh в себе си. Как се отнася това например към литиево-йонна батерия? Ако го приемете изходно напрежениенезависимо от степента на разреждане и равно на 3,6 V, тогава количеството енергия 0,0026 kWh ще се съхранява в литиево-йонна батерияс капацитет 0,72 Ah. Уви, много скромен резултат.

Приложение на суперкондензатори

Системите за аварийно осветление са местата, където ползите от използването на суперкондензатори вместо батерии са значителни. Всъщност това приложение се характеризира с неравномерно изхвърляне. Освен това е желателно аварийното осветително тяло да се зарежда бързо и използваните в него резервен източникзахранването имаше голяма надеждност. Източник резервно захранванебазиран на суперкондензатор може да бъде вграден директно в led лампаТ8. Такива лампи вече се произвеждат от редица китайски компании.

Както вече беше отбелязано, развитието на суперкондензаторите до голяма степен се дължи на интереса към алтернативни източници на енергия. Но практическа употребазасега ограничени LED лампиполучаване на енергия от слънцето.

Активно се развива такава посока като използването на суперкондензатори за стартиране на електрическо оборудване.

Суперкондензаторите са в състояние да дават голям бройенергия за кратък период от време. Чрез захранване на електрическо оборудване в момента на стартиране от суперкондензатор е възможно да се намали пикови натоварванияв мрежата и в крайна сметка да намали маржа на пусковия ток, постигайки огромни спестявания на разходи.

Чрез свързване на няколко суперкондензатора, за да образуваме батерия, можем да постигнем капацитет, сравним с този на батериите, използвани в електрическите превозни средства. Но тази батерия ще тежи няколко пъти повече батерия, което е неприемливо за МПС. Проблемът може да бъде решен с помощта на суперкондензатори на базата на графен, но засега те съществуват само като прототипи. Въпреки това, една обещаваща версия на известния "Yo-mobile", работеща само от електричество, ще използва като източник на енергия суперкондензатори от ново поколение, които се разработват от руски учени.

Суперкондензаторите също ще се възползват при смяна на батериите в конвенционалните автомобили, работещи на бензин или дизелово гориво - използването им в такива превозни средствавече е реалност.

Междувременно новите тролейбуси могат да се считат за най-успешните от реализираните проекти за въвеждане на суперкондензатори. руско производствонаскоро се появи по улиците на Москва. Когато захранването с напрежение е прекъснато контактна мрежаили ако токоприемниците "отлетят" тролейбусът може да пътува с ниска (около 15 км/ч) скорост от няколкостотин метра до място, където няма да пречи на движението по пътя. Източникът на енергия за такива маневри е батерия от суперкондензатори.

Като цяло, докато суперкондензаторите могат да изместят батериите само в определени "ниши". Но технологиите се развиват бързо, което ни позволява да очакваме, че в близко бъдеще областта на приложение на суперкондензаторите ще се разшири значително.

Алексей Василиев

Идеята за кондензатор с голям специфичен капацитет е усвоена още през 60-те години на миналия век, но днес се празнува нова вълнаповишен интерес към тази технология, което се дължи на уникалната комбинация от експлоатационни свойства на крайния продукт. В днешно време на базата на тази технология се произвеждат различни модификации на суперкондензатори и ултракондензатори, които могат да се считат за пълноценна захранваща батерия. Концепциите за суперкондензатор, снимка с пример за които е представена по-долу, предполагат, че бъдещата им конкуренция с конвенционалните батерии (батерии) не е толкова фантастична.

Какво е суперкондензатор?

По същество това е оптимизирана електрохимична батерия под формата на компактен кондензатор. Дори при бегло сравнение на устройството с типична батерия за автомобил, може да се различи очевидна разлика в размера, а на практика ще изплуват и предимствата под формата на по-дълъг експлоатационен живот и мощност. С други думи, суперкондензаторите могат да се използват вместо батерии, макар и с известни резерви поради ограничения по отношение на акумулиращия енергиен потенциал. Такива нюанси все още се случват поради несъвършеното технологично развитие на йонисторите, но ситуацията се променя под натиска на пазара с нарастващите изисквания към батериите.

Дизайн на устройство и продукт

Основата на този кондензатор е образувана от два електрода, между които традиционно се поставя електролитна среда. Разликите от батерията могат да се наблюдават в структурата на материалите за производство на електроди, чиито плочи са покрити с порест активен въглен. Що се отнася до електролита, в това качество могат да се използват органични и неорганични смеси. Техническото решение на изолацията в структурата на суперкондензаторите се откроява конструктивно. Компоненти с оптимална йонна и електронна проводимост се използват вместо алуминиеви плочи с батерии с диелектричен слой. Ако продължим концепцията за възможното използване на суперкондензатор като батерия, тогава електронният проводник може да бъде порест въглерод, а йонният - разтвор на сярна киселина. По този начин може да се осигури оптимален слой за разделяне на заряда между електродите без допълнително включванеобемисти изолатори.

Разновидности на суперкондензатор

Още днес могат да бъдат идентифицирани няколко посоки в развитието на суперкондензатори. Най-забележими и обещаващи са следните видове устройства:

• Двуслойни кондензатори. Стандартен модел, който използва гореспоменатите електроди, изработени от електропроводим материал и използва специален сепаратор като електролит. Натрупването на енергиен потенциал се получава в резултат на отделянето на заряда върху електродите.
• Псевдокондензатори. Акумулаторна батерия, направена от суперкондензатор от този тип, може да бъде много успешно решение, тъй като в в такъв случайпредполагат се по-модерни методи за пестене на енергия. Първо, участва принципът на механизма на Фарадей, който е свързан с процесите на съхранение на енергия в конвенционалните батерии. И второ, основната схема на електростатично взаимодействие между електродите в електрическия двоен слой също се запазва.
• Хибридни кондензатори. Междинна концепция, която съчетава индивидуалните положителни характеристики на батериите и кондензаторите. Такива устройства обикновено използват комбинация от смесени оксидни и легирани полимерни електроди. По-нататъчно развитиеТази тенденция е свързана с използването на композитни материали, допълнени с въглеродни опори и проводими полимери.

Основни характеристики

Днес е трудно да се говори за установените показатели за производителност на суперкондензаторите, тъй като технологията непрекъснато се подобрява и с изменение на подобряването на електрохимичните източници на ток. Но ако вземем средните данни за основните характеристики на суперкондензаторите, тогава специфичните показатели ще изглеждат така:

• Време за зареждане - от 1 до 10 сек.
• Броят на циклите на зареждане е около 1 милион, което съответства на 30 000 часа.
• Напрежение на единичната клетка - диапазон от 2,3 до 2,75 V.
• Енергийно съдържание - стандартна стойност 5 W * h / kg.
• Мощност - около 10 000 W / kg.
• Издръжливост - до 15 години.
• Работна температура - от -40°С до 65°С.

Сравнение с конвенционалните батерии

Основните отличителни параметри са скоростта на натрупване на енергия и степента на връщане на електрическия заряд. Поради използването на двоен слой електрически потенциал в суперкондензатор с подобни размери, площта на работната повърхност на електродите се увеличава. Тоест можем да говорим за комбиниране най-добрите имотиБатерия и кондензатор като такива. Ако сравним разпределението на токовете на батерията и суперкондензатора към товара, тогава равномерността на консумираните токови обеми като цяло ще бъде идентична, но с две поправки. По време на работа на батерията най-високият ток може да се измести към елемента, разположен в долната част на блока, а при суперкондензаторите по принцип потенциалът ще бъде по-малък поради ниското напрежение. Също така разликата в експлоатационния живот може да се дължи на значителни разлики - суперкондензаторите издържат около 25-30% по-дълго във времето, да не говорим за по-висок коефициент на осъществими работни цикли.

Предимства на работата на суперкондензатори

Ако като цяло разгледаме положителните ефекти от използването на суперкондензатори вместо батерии, тогава на преден план ще излязат следните качества:

• Висока плътностенергията на суперкондензаторите позволява използването им в електронни устройствакато източник на краткотрайно захранване.
• Безопасност на околната среда. Разбира се, електрохимичните компоненти все още се задържат в структурата, но токсичните им ефекти непрекъснато намаляват.
• Възможност за използване на енергия от възобновяеми източници - вятър, слънце, вода и земя.
• Разширяване на възможностите за структурна интеграция на батерии – например за обслужване на сложни електроцентрали, хибридни електрически автомобили, автомобили с водород и др.

Струва си да се отбележат някои от предимствата на суперкондензатор пред конвенционалния кондензатор. Има малко от тях, но големият капацитет за съхранение на енергия е от основно значение. Според този показател не всички модификации на суперкондензаторите могат да се конкурират с батериите, но в сравнение с кондензаторите, те уверено печелят в параметъра на електрическия капацитет.

Положителни отзиви за суперкондензаторите

Суперкондензаторите са тествани и частично прилагани днес в голямо разнообразие от индустрии. Както показват прегледите на работата на тези устройства, те потвърждават твърденията на производителите висока надеждност, екологично чист и висок капацитет. Това, което е особено важно от гледна точка на сравняването на суперкондензатори и батерии, първите не са толкова взискателни за създаване специални условияс физическо лечение. Това отчасти се дължи на същата ниска токсичност на компонентите, но в по-голяма степен ергономичността на работа се дължи на висока степензащита на случая. Тоест потребителят не трябва да предоставя специални устройства за обслужване на суперкондензатори в условия под налягане. По същия начин, леките и оптимизирани размери улесняват стандартните операции по поддръжка.

Отрицателни отзиви за суперкондензатори

В този вид кондензатори също има слабости, които също са очевидни в практиката на експлоатация. По-специално, потребителите посочват ниската си енергийна плътност, слабо представянеи не винаги достатъчно ниво на напрежение, което принуждава няколко елемента да се използват за обслужване на един целеви потребителски блок. В много отношения тези недостатъци не позволяват използването на суперкондензатори вместо батерии днес, въпреки че, отново, технологичното развитие с по-вероятноще реши и тези проблеми.

Перспективи за развитие на кондензатори

Според експерти и разработчици на батерии в близко бъдеще кондензатори от ново поколение ще се използват навсякъде. Това ще стане възможно благодарение на активното увеличаване на специфичния капацитет на устройствата. Към това трябва да се добави и подобряването на техническите и структурни характеристики на суперкондензаторите, което се отнася преди всичко до размера и теглото. В същото време днес вече се организират тестове на суперкондензатори с мощност до 2,5 mW. В бъдеще подобни системи могат да се използват в експлоатация транспортни мрежи, промишлени съоръжения и жилищни комплекси.

Заключение

Разглежда се концепцията за суперкондензатор оптимално решениев ситуации, когато има краткосрочно търсене на захранване с оперативно зареждане. Отчасти това е противоречие с идеята за електрохимични батерии, които се ръководят от дългосрочно поддържане на мощност с определени параметри. Но възможно ли е да се използва суперкондензатор вместо батерия на кола, като се вземе предвид това оперативни характеристики? С голяма степен на вероятност водещите производители на автомобили ще използват кондензатори с висок специфичен капацитет, но само в специални хибридни версии, които комбинират положителни чертисуперкондензаторите като такива и традиционните електрохимични компоненти. Например, днес такива решения се използват под формата на комбинация от електрохимична оловно-киселинна структура и суперкондензатор.

Суперкондензаторите все повече се превръщат в един от основните компоненти на автомобилостроенето електронни системи... Суперкондензатор за автомобил решава проблема със стартирането на двигателя, като по този начин намалява натоварването на батерията. Освен това, поради оптимизация електрически схемимасата на превозното средство е намалена.
Суперкондензаторите са намерили широко приложение в производството на хибридни автомобили. Работата на генератора им зависи от двигателя. вътрешно горенеи машината се задвижва от електрически двигатели. Суперкондензатор за кола в такава схема е източник на бързо получена енергия при започване на движение и ускорение. По време на спиране задвижването се презарежда.
В днешно време суперкондензаторът се използва само частично вместо батерията. Въпреки това, в близко бъдеще пълна подмянасъс сигурност ще стане реалност, защото учените активно разработват такива технологии.

Кога е необходим суперкондензатор за стартиране на двигателя?
Суперкондензатор за автомобил е необходим в случаите, когато съществува риск стандартната батерия да не се справи със задачата за стартиране на двигател с вътрешно горене. Например, суперкондензатор за кола помага в следните ситуации:
- батерията хронично не получава заряд в условия на чести пътувания на къси разстояния;
- мощността на батерията не е достатъчна за стартиране на двигателя. Най-често този проблем възниква през зимата;
- необходимо е да се намалят пиковите натоварвания на батерията, за да се удължи нейният живот.
Дори когато батерията е напълно неизправна, някои използват суперкондензатор вместо батерия. Той решава проблема със стартирането на двигателя, а в бъдеще бордовата мрежа се захранва главно от генератора. Въпреки това се препоръчва използването на суперкондензатор вместо батерия само в авариен режимдокато стане възможно инсталирането на нова батерия.
В нормална ситуация суперкондензаторът се използва за стартиране на двигателя в следния формат. Свързва се успоредно с акумулаторната батерия и поема основния товар в момента на пускане в експлоатация. Забавен стартер може да извлече много висок ток (стотици ампера). Именно този начален стартов ток за фиксирания стартер и коляновия вал ще бъде генериран за автомобила. Когато основното натоварване е осигурено, суперкондензаторът заедно с батерията ще стартира двигателя в по-тих режим.
Йонисторите за автомобил не само удължават живота на батерията, но и имат положителен ефект върху работата на бордовата електроника. При използване на суперкондензатори за автомобили, спадът на напрежението в момента на стартиране се намалява, така че всички електронни компоненти работят в по-стабилен режим. По същата причина се подобрява работата на системата за запалване.
При шофиране пакет от батерия и суперкондензатор за автомобил ще изгладят спадовете на напрежението, които възникват в бордовата мрежа. Те възникват от това как се държи различно електрическо оборудване при различни натоварвания и обороти на двигателя. Наличието на суперкондензатор във веригата минимизира Отрицателно влияниетакива скокове. Повече за възможността за използване на суперкондензатор вместо батерия, както и паралелно с него, можете да разберете от нашите консултанти.

Днес технологията на батериите е напреднала значително и е по-сложна, отколкото през последното десетилетие. Но все пак за момента акумулаторните батерии остават консуматив, тъй като имат кратък ресурс.

Идеята за използване на кондензатор за съхранение и съхранение на енергия не е нова и първите експерименти са проведени с електролитни кондензатори. Капацитетът на електролитните кондензатори може да бъде значителен - стотици хиляди микрофаради, но все пак не е достатъчно дълго времеподхранвай, макар и не тежък товар, освен това има значителен ток на утечка поради конструктивните характеристики.

Съвременните технологии не стоят на едно място и суперкондензаторът е изобретен, той е кондензатор, има изключително голям капацитет - от единици фаради до десетки хиляди фаради. Фарад кондензаторите се използват в преносимата електроника за осигуряване непрекъсваемо захранванеслаботокови вериги, като микроконтролер. Суперкондензатори с капацитет от десетки хиляди фаради се използват заедно с батерии за захранване на различни електродвигатели. В тази комбинация суперкондензаторът намалява натоварването на батериите, което значително увеличава живота им и в същото време увеличава стартов ток, който е в състояние да даде хибридна система за захранване на двигателя.

Стана необходимо да захранвате температурния сензор, за да не смените батерията в него. Сензорът се захранва от батерия АА и се включва, за да изпраща данни метеорологична станцияведнъж на всеки 40 секунди. В момента на изпращане сензорът консумира средно 6 mA за 2 секунди.

Възникна идеята да се използва слънчева батерия и суперкондензатор. Въз основа на идентифицираните характеристики на потребление на сензора бяха взети следните елементи:
1. Слънчева батерия 5 волта и ток приблизително 50 mA (съветска слънчева батерия на около 15 години)
2. Суперкондензатор: Panasonic 5,5 волта и 1 фарад.
3. Йонистори 2 бр: DMF 5,5 волта и общ капацитет 1 фарад.
4. Диод на Шотки с постоянен спад на напрежението при нисък ток 0,3 V.
Диодът на Шотки е от съществено значение за предотвратяване на разреждането на капацитета през слънчевия панел.
Суперкондензаторите са свързани паралелно и общият капацитет е 2 фарада.

Снимка 1.

Експеримент №1- Свързан монохромен LCD микроконтролер и общ токконсумация от 500 μA. Въпреки че микроконтролерът с дисплея работи, но забелязах, че старият Слънчеви клеткиизключително неефективен, токът на зареждане на сянка изобщо не беше достатъчен за зареждане на суперкондензаторите, напрежението на 5-волтовата слънчева батерия на сянка беше по-малко от 2 волта. (По някаква причина микроконтролерът с дисплея не е показан на снимката).

Експеримент №2
За да увелича шанса за успех, закупих нови слънчеви клетки с номинална стойност 2 V, ток от 40 mA и 100 mA на радио пазара, произведено в Китайнапълнена с оптична смола. За сравнение, тези батерии на сянка вече издаваха 1,8 волта, с не голям ток на зареждане, но все пак много по-добър суперкондензатор за зареждане.
След като запоявах конструкцията с нова батерия, диод на Шотки и кондензатори, я поставих на перваза на прозореца, така че кондензаторът да се зареди.
Въпреки факта, че слънчевата светлина не удари директно батерията, след 10 минути кондензаторът беше зареден до 1,95 V. Той взе температурния сензор, извади батерията от него и свърза суперкондензатора със слънчева батерия към контактите на отделението за батерията.

Снимка 2.

Температурният сензор веднага започна да работи и предаде стайната температура към метеорологичната станция. След като се уверих, че сензорът работи, прикачих към него кондензатор със соларна батерия и го окачих на място.
Какво стана след това?
През целия дневен час сензорът работеше правилно, но с настъпването на тъмно, след един час, сензорът спря да предава данни. Очевидно съхраненият заряд не беше достатъчен дори за един час работа на сензора и тогава стана ясно защо ...

Експеримент №3
Реших да модифицирам леко дизайна, така че суперкондензаторът (върна модула на суперкондензатор от 2 фарада) да бъде напълно зареден. Сглобих батерия от три клетки, оказа се 6 волта и ток от 40 mA (при пълно слънчево осветление). Тази батерия на сянка вече даде до 3,7 V вместо предишните 1,8 V (снимка 1) и ток на зареждане до 2 mA. Съответно, суперкондензаторът се зарежда до 3,7 V и вече има значително повече запасена енергия в сравнение с Експеримент № 2.

Снимка 3.

Всичко би било наред, но сега имаме до 5,5 V на изхода, а сензорът се захранва от 1,5 V. Необходим е DC / DC преобразувател, което от своя страна внася допълнителни загуби. Преобразувателят, който имах в наличност, изразходва около 30 μA и дава на изхода 4,2 V. Засега не можах да намеря необходимия преобразувател, за да захраня температурния сензор от модернизирания дизайн. (Ще е необходимо да изберете преобразувател и да повторите експеримента).

Относно загубите на енергия:
По-горе беше споменато, че суперкондензаторите имат саморазряден ток, в този случай, за сглобяването на 2 фарада, той беше 50 μA, както и загубите в DC / DC преобразувателя от порядъка на 4% се добавят тук ( декларираната ефективност е 96%), а скоростта му на празен ход е 30 μA. Ако не вземем предвид загубите от преобразуване, вече имаме консумация от около 80 μA.
Необходимо е да се внимава особено с пестенето на енергия, тъй като експериментално е установено, че суперкондензатор с капацитет 2 фарада, зареден до 5,5 V и разреден до 2,5 V, има така наречения капацитет на „батерия“ от 1 mA. С други думи, като консумираме 1 mA от суперкондензатора за един час, ние ще го разредим от 5,5 V на 2,5 V.

Относно скоростта на зареждане от пряка слънчева светлина:
Токът, извлечен от слънчевата батерия, е толкова по-висок по-добра батерияосветени от пряка слънчева светлина. Съответно скоростта на зареждане на суперкондензатора се увеличава значително.

Снимка 4.

От показанията на мултиметъра се вижда (0,192 V, първоначални показания), след 2 минути кондензаторът беше зареден до 1,161 V, след 5 минути до 3,132 V и след още 10 минути 5,029 V. В рамките на 17 минути суперкондензаторът беше зареден до 90%. Трябва да се отбележи, че осветяването на слънчевия панел беше неравномерно през цялото време и се получаваше през двойното стъкло на прозореца и защитното фолио на батерията.

Експеримент № 3 Технически доклад
Спецификацииоформление:
- Слънчева батерия 12 клетки, 6 V, ток 40 mA (при пълно излагане на слънце), (в сянка на облачно време 3,7 V и ток 1 mA с натоварване на суперкондензатора).
- Суперкондензаторите са свързани паралелно, общият капацитет е 2 Фарада, допустимото напрежение е 5,5 V, токът на саморазряд е 50 μA;
- Шотки диод с преден спад на напрежението от 0,3 V, използван за разделяне на слънчевата батерия и захранването на суперкондензатора.
- Размери на оформлението 55 x 85 mm ( пластмасова карта VISA).
Успяхме да включим захранването от това оформление:
Микроконтролер с LCD дисплей (потребление на ток 500 μA при 5,5 V, време на работа без соларна батерия, приблизително 1,8 часа);
Температурен сензор, дневни часове със соларна батерия, 6 mA консумация за 2 секунди на всеки 40 секунди;
Светодиодът светеше за 60 секунди при среден ток от 60 mA без слънчева батерия;
Беше тестван и преобразувател на DC / DC напрежение (за стабилно захранване), с който беше възможно да се получи 60 mA и 4 V в рамките на 60 секунди (когато суперкондензаторът беше зареден до 5,5 V, без слънчева батерия).
Получените данни показват, че суперкондензаторите в този дизайн имат приблизителен капацитет от 1 mA (без презареждане от слънчева батерия с разреждане до 2,5 V).

заключения:
Този дизайн ви позволява да съхранявате енергия в кондензатори за непрекъснато захранване на микро-консумиращи устройства. Натрупаният капацитет от 1 mA на 2 фарада от капацитета на кондензатора трябва да е достатъчен, за да осигури работоспособността на микропроцесора с ниска консумация на тъмно за 10 часа. В този случай общите загуби на ток и консумация от товара не трябва да надвишават 100 μA. През деня суперкондензаторът се зарежда от слънчева батерия дори на сянка и е в състояние да захранва товар в импулсен режим с ток до 100 mA.

Отговаряме на въпроса в заглавието на статията - Може ли суперкондензатор да замени батерия?
- може да замени, но засега със значителни ограничения на консумацията на ток и режима на работа на товара.

Недостатъци:

• малък капацитет на енергийния резерв (приблизително 1 mA за всеки 2 фарада от капацитета на суперкондензатора)
• значителен ток на саморазреждане на кондензаторите (приблизителна загуба от 20% капацитет на ден)
• размерите на конструкцията се определят от соларната батерия и общия капацитет на суперкондензаторите.

• липса на износване химични елементи(батерии)
• работна температура от -40 до +60 градуса по Целзий
• простота на дизайна
• не висока цена

Снимка 5.

От едната страна на платката има слънчева батерия, от другата страна, комплект от суперкондензатори и DC/DC преобразувател.

Спецификации:

• Слънчева батерия 12 клетки, 6 V, ток 60 mA (при пълно излагане на слънце);
• Суперкондензатори общ капацитет 4; 6 или 16 Фарада, допустимо напрежение 5,5 V, общ ток на саморазряд, съответно 120 \ 140 \ (все още неизвестно) μA;
• Двоен диод на Шотки с преден спад на напрежението 0,15 V, използван за разединяване на захранването на соларната батерия и суперкондензатора;
• Размери на оформлението: 55 х 85 мм (пластмасова карта VISA);
• Приблизителен капацитет без презареждане от слънчеви панели при инсталиране на кондензатори 4; 6 или 16 Фарада, е приблизително 2/3/8 mA.

P. S. Ако забележите печатна грешка, грешка или неточност в изчисленията - пишете ни лично съобщение, и ние ще поправим всичко своевременно.

Следва продължение…

Суперкондензатор (или, с други думи, суперкондензатор) е устройство за съхранение на електрическа енергия, което заема междинно положение между батерията и електролита. Вярно е, че за разлика от тях, тези продукти са несравнимо по-малки и изглеждат като обикновени електролитни кондензатори (вижте фигурата по-долу).

По отношение на своите характеристики суперкондензаторът (SC) се различава значително от обикновените електролитни продукти, тъй като е по-издръжлив и има по-ниско изтичане на ток. Основната цел на разработването на тези продукти е да се създаде ново поколение устройства за съхранение на енергия, които могат да заменят обичайните акумулаторни батерии.

Характерни разлики

В допълнение към вече изброените по-горе предимства, суперкондензаторът се характеризира с по-висок специфичен капацитет от батериите, което позволява да се използва като източник на енергия в електрически превозни средства, например. Поради уникалните енергийни свойства, времето за зареждане на тази електролитна клетка е значително намалено (същото може да се каже и за периода на нейното разреждане).

Допълнителна информация. Изброени имотипозволяват използването на кондензатори голям капацитетв съвременните възобновяеми енергийни източници (слънчеви панели, вятърни генератори и др.).

По време на неговата работа е възможно да се постигне по-икономичен режим на работа поради възможността за натрупване на излишна енергия, получена от източници.

Външно суперкондензаторът изглежда редовен елементс два електрода, използвани вместо батерия.

Подобно на батерия, той също съдържа електролит във вътрешните си кухини, който при взаимодействие с плочите генерира електричество.

Характеристики на дизайна и производители

Електродите на този продукт са изработени от специални порест материалпокрита отгоре с тънък слой активен въглен. Като електролитен състав се използват смеси от неорганичен или органичен произход. Основните му разлики от обикновения кондензатор са както следва:

• В този продукт няма място между плочите. редовен слойдиелектрик и два пъти по-дебел, което ви позволява да получите много тънка междина. Този дизайн осигурява възможност за съхранение на електричество големи обеми (електрически капацитетв този случай се увеличава значително);
• Освен това, суперкондензаторът, за разлика от други проби, натрупва и изразходва заряда доста бързо;
• Поради използването на двоен слой диелектрик, общата площ на електродите се увеличава, докато размерите остават същите. В същото време техническите характеристики на продукта са значително подобрени.

Характеристиките на тези кондензатори, появили се през 1962 г., включват и енергийната структура на техните електроди, единият от които има електронна проводимост, а другият - така нареченият "йонен". В резултат на това в процеса на зареждането им се извършва разделяне на заряди с противоположен знак, което води до натрупване на положителен и отрицателен потенциал върху плочите (виж снимката).

През 1971 г. известната японска корпорация NEC получава лиценз за производството на тези уникални продукти, които успешно са усвоили по това време почти всички области на електротехниката. Именно тя успя да популяризира и накрая одобри на пазара на електронни продукти уникална технологияпроизводство на суперкондензатори. От 2000-те години той е успешно усвоен в почти всички икономически развити страни по света.

Видове суперелектролити

Всички известни проби от електролитни продукти от този клас са разделени на следните типове:

• Двуслойни кондензаторни структури (DSC);
• Хибридни електролитни клетки;
• Псевдокондензатори.

Нека разгледаме всеки един от тях малко по-подробно.

Двуслойните структури включват два порести електрода с проводимо въглеродно покритие, разделени от специален състав (електролитен сепаратор). Процесът на натрупване на енергия в тези образувания се осъществява поради разделяне на заряди с противоположен знак, придружено от образуване на потенциали със значителна амплитуда върху електродите.

Величината на електрическия заряд на такива структури се влияе значително от капацитета на двойния слой за съхранение, който служи като вид повърхностен кондензатор. Помежду си тези две системи за съхранение са свързани в последователна верига посредством електролит, който ги обединява.

Допълнителна информация.В този случай той играе ролята на диригент с йонен типпроводимост.

Хибридните електролити могат да бъдат класифицирани като преходни структури, които заемат междинно положение между батерията и кондензатора. Изборът на такова име за тези продукти се дължи на факта, че електродите в тях са изработени от материали различни видове, в резултат на което естеството на натрупването на заряди е малко по-различно.

Обикновено функцията на катода в тях се изпълнява от материал с така наречения "псевдо капацитет", а процесът на натрупване на заряд възниква поради възникването на редокс реакции. Тази "архитектура" на електролити от тази група ви позволява да увеличите общия капацитет на кондензатора, както и да разширите обхвата на допустимите напрежения.

В тези продукти най-често се използват сложни комбинации от електродни материали, които представляват комбинация от специален вид проводими полимери (или смесени оксиди). Провеждат се изследвания върху други обещаващи материали (в частност композити), получени чрез метода на отлагане на метални оксиди върху въглеродни основи или полимери.

Псевдо кондензаторите са много по-близо до акумулаторните по техническа характеристика. презареждащи се батериис два твърдотелни електрода. Тяхното действие се основава на комбинация от следните два механизма:

• Процеси на зареждане и разреждане (подобни на реакциите, протичащи в конвенционалните батерии);
• Електростатични взаимодействия, присъщи на структури с електрически двоен слой.

Префиксът "псевдо" означава, че капацитетът на тези елементи се определя не толкова от естеството на електростатичните процеси, колкото от зависимостта от реакциите, свързани с пренасянето на електролитни заряди.

Области на използване

Най-често продуктите от този клас се използват в следните образци на механизми, агрегати и оборудване:

• В системи с възобновяеми енергийни източници, които трябва да акумулират натрупани потенциали (слънчеви панели, вятърни генератори и др.);
• В съвременните превозни средства (електрически автомобили, например), както и в устройства за стартиране на двигатели на автомобили на водородно гориво;
• Поради високата си енергийна плътност и повишен специфичен капацитет, тези продукти намират широко приложение в електронното оборудване (като източници на краткотрайни и мощни импулси);
• Те са търсени и в системите за непрекъсваемо захранване, които се възползват изцяло от основното си предимство - да осигуряват моментално прехвърляне на мощност.

Забележка!Това трябва да включва и развиващи се индустрии, които включват използването на непрекъснати енергийни системи на икономично гориво.

В допълнение, суперкондензаторите могат да се използват в следните устройства:

• В системи за амортизиране на енергийни товари, както и в устройства за пускане на електродвигатели;
• В комплекси, чието функциониране е свързано с критични натоварвания (оборудване на пристанища, болници, кули мобилни комуникации, банкови центрове и др.);
• В източници на резервно захранване за компютърно оборудване и системи за събиране на данни (микропроцесори и памети), както и в мобилни телефони.

Предимства и недостатъци на кондензаторните продукти

Предимствата на продуктите от този клас включват:

• Ниска цена на единица (за единица капацитет);
• Високи показатели за капацитивна плътност и ефективност на циклите заряд-разряд (до 95% и повече);
• Надеждност, издръжливост и екологичност;
• Отлични показатели за плътност на мощността;
• Достатъчно широк диапазон от температури, при които е възможна тяхната работа;
• Най-високата възможна норма на зареждане и освобождаване за продукти от тази категория;
• Толеранс на загуба на пълен капацитет (практически до нула).

Друго важно предимство на SC е техният относително малък размер и тегло (в сравнение с други видове електролитни продукти).

Сред техните присъщи "недостатъци" бих искал да отбележа следните недостатъци:

• Сравнително ниска плътност на акумулираната енергия;
• Ниско напрежение на единица капацитет на клетката;
• Високо ниво на неконтролирано саморазреждане.

Нека добавим към това и не напълно разработената технология за производство на продукти.

Перспективи за приложение

В близко бъдеще се предполага, че суперкондензаторите ще се използват почти навсякъде, което ще бъде внедрено в повечето енергоемки индустрии (включително медицинската индустрия, космическото и военното оборудване).

Едновременно с въвеждането им се увеличава специфичният капацитет на тези продукти, което в бъдеще ще даде възможност за пълна замяна на батериите с кондензатори. Предвижда се също интегриране на суперкондензатори в различни структури на съвременното електронно производство, включително производството на контролни и регулаторни елементи.

В заключение отбелязваме, че кондензаторните продукти от този клас позволяват внедряването на екологично чисти чисти начиниикономия на енергия, много по-обещаваща от всичко известно досега. В близко бъдеще се планира допълнително разширяване на обхвата на приложение на тези технологии, които могат да обхванат цялата индустрия на автомобилния транспорт, както и комуникационните устройства и мобилното оборудване.

Видео