Hoe een supercondensator werkt. Supercondensator in plaats van batterij: een compleet alternatief voor lithium-ionbatterijen

Om elektriciteit op te slaan, gebruikten mensen eerst condensatoren. Toen elektrotechniek verder ging dan laboratoriumexperimenten, werden batterijen uitgevonden, die het belangrijkste middel voor opslag werden elektrische energie... Maar aan het begin van de eenentwintigste eeuw wordt opnieuw voorgesteld om condensatoren te gebruiken om elektrische apparatuur van stroom te voorzien. Hoe is dit mogelijk en behoren de batterijen eindelijk tot het verleden?

De reden waarom condensatoren werden vervangen door batterijen, was vanwege de aanzienlijk grotere hoeveelheden elektriciteit die ze kunnen opslaan. Een andere reden is dat tijdens het ontladen de spanning aan de uitgang van de batterij zeer weinig verandert, zodat de spanningsregelaar ofwel niet nodig is, ofwel een heel eenvoudig ontwerp kan hebben.

Het belangrijkste verschil tussen condensatoren en batterijen is dat condensatoren elektrische lading direct opslaan, terwijl batterijen elektrische energie omzetten in chemische energie, deze opslaan en vervolgens chemische energie weer omzetten in elektrische energie.

Tijdens de transformatie van energie gaat een deel ervan verloren. Daarom, zelfs in beste batterijen Het rendement is niet meer dan 90%, terwijl het voor condensatoren 99% kan bereiken. De intensiteit van chemische reacties is afhankelijk van de temperatuur, dus batterijen werken veel slechter bij vriestemperaturen dan bij kamertemperatuur. Bovendien zijn chemische reacties in batterijen niet volledig omkeerbaar. Vandaar het kleine aantal laad-ontlaadcycli (ongeveer een paar duizend, meestal is de levensduur van de batterij ongeveer 1000 laad-ontlaadcycli), evenals het "geheugeneffect". Bedenk dat het "geheugeneffect" is dat de batterij altijd moet worden ontladen tot een bepaalde hoeveelheid geaccumuleerde energie, dan is de capaciteit maximaal. Blijft er na het ontladen meer energie in zitten, dan zal de capaciteit van de accu geleidelijk afnemen. Het "geheugeneffect" is kenmerkend voor bijna alle in de handel verkrijgbare soorten batterijen, behalve voor zuurbatterijen (inclusief hun variëteiten - gel en AGM). Hoewel algemeen wordt aangenomen dat lithium-ion- en lithium-polymeerbatterijen het niet hebben, hebben ze het in feite wel, maar het manifesteert zich in mindere mate dan bij andere typen. Wat zure batterijen betreft, deze vertonen het effect van plaatsulfatie, die onomkeerbare schade aan de stroombron veroorzaakt. Een van de redenen is de langdurige aanwezigheid van de batterij in een laadtoestand van minder dan 50%.

Met betrekking tot alternatieve energie vormen het "geheugen-effect" en de sulfatering van de platen ernstige problemen. Het feit is dat de stroom van energie uit bronnen zoals: zonnepanelen en windturbines zijn moeilijk te voorspellen. Hierdoor verloopt het laden en ontladen van batterijen chaotisch, in een niet-optimale modus.

Voor het moderne levensritme blijkt het absoluut onaanvaardbaar dat de batterijen meerdere uren moeten worden opgeladen. Hoe zou je je bijvoorbeeld voorstellen om lange afstanden met een elektrische auto te rijden als een lege batterij enkele uren aan een oplaadpunt blijft hangen? De laadsnelheid van de batterij wordt beperkt door de snelheid van de chemische processen die daarin plaatsvinden. U kunt de oplaadtijd verkorten tot 1 uur, maar niet tot enkele minuten. Tegelijkertijd wordt de laadsnelheid van de condensator alleen beperkt door de maximale stroom die door de lader wordt geleverd.

De genoemde nadelen van batterijen maakten het gebruik van condensatoren in plaats van deze urgent.

Een elektrische dubbellaags gebruiken

Gedurende vele decennia was de grootste capaciteit bezeten door: elektrolytische condensatoren:... Daarin was een van de platen een metaalfolie, de andere was een elektrolyt en de isolatie tussen de platen was metaaloxide, dat de folie bedekte. In elektrolytische condensatoren kan de capaciteit honderdsten farad bereiken, wat niet genoeg is om de batterij volledig te vervangen.

Grote capaciteit, gemeten in duizenden farads, kan worden verkregen door condensatoren op basis van de zogenaamde elektrische dubbellaag. Het principe van hun werk is als volgt. Op het grensvlak tussen stoffen in de vaste en vloeibare fase ontstaat onder bepaalde omstandigheden een elektrische dubbellaag. Er worden twee lagen ionen gevormd met ladingen van het tegenovergestelde teken, maar van dezelfde grootte. Als de situatie erg vereenvoudigd is, wordt een condensator gevormd, waarvan de "platen" de aangegeven ionenlagen zijn, waarvan de afstand gelijk is aan meerdere atomen.

Condensatoren op basis van dit effect worden soms supercondensatoren genoemd. In feite verwijst deze term niet alleen naar condensatoren, waarin een elektrische lading wordt geaccumuleerd, maar ook naar andere apparaten voor het opslaan van elektriciteit - met een gedeeltelijke omzetting van elektrische energie in chemische energie, samen met opslag elektrische lading(hybride supercondensator), evenals voor batterijen op basis van een elektrische dubbellaags (zogenaamde pseudo-condensatoren). Daarom is de term "supercondensatoren" meer geschikt. Soms wordt in plaats daarvan de term "ultracapacitor" gebruikt.

Technische implementatie

De supercondensator bestaat uit twee platen van actieve kool gevuld met elektrolyt. Daartussen bevindt zich een membraan dat de elektrolyt doorlaat, maar de fysieke beweging van actieve kooldeeltjes tussen de platen verhindert.

Opgemerkt moet worden dat supercondensatoren zelf geen polariteit hebben. Hierin verschillen ze fundamenteel van elektrolytische condensatoren, waarvoor in de regel polariteit kenmerkend is, waarvan de niet-naleving leidt tot het falen van de condensator. Polariteit wordt echter ook toegepast op supercondensatoren. Dit komt door het feit dat supercondensatoren de fabriekstransportband al geladen verlaten, de markering geeft de polariteit van deze lading aan.

Supercondensatorparameters:

Maximale capaciteit een afzonderlijke supercondensator, bereikt op het moment van schrijven, is 12.000 F. Voor in massa geproduceerde supercondensatoren is deze niet hoger dan 3.000 F. toegestane spanning tussen de platen niet hoger is dan 10 V. Voor in de handel verkrijgbare supercondensatoren ligt dit cijfer meestal in het bereik van 2,3 - 2,7 V. Lage bedrijfsspanning vereist het gebruik van een spanningsomvormer met een stabilisatorfunctie. Feit is dat tijdens een ontlading de spanning over de condensatorplaten over een groot bereik verandert. Constructie van een spanningsomvormer voor het aansluiten van de belasting en oplader zijn geen triviale taak. Laten we zeggen dat je een belasting van 60 W moet voeden.

Om de overweging van het probleem te vereenvoudigen, zullen we de verliezen in de spanningsomvormer en stabilisator verwaarlozen. In het geval dat u werkt met conventionele batterij met een spanning van 12 V moet de besturingselektronica bestand zijn tegen een stroom van 5 A. Dergelijke elektronische apparaten zijn wijdverbreid en goedkoop. Maar een heel andere situatie ontstaat bij het gebruik van een supercondensator, waarvan de spanning 2,5 V is. Dan gaat de stroom erdoorheen elektronische componenten converter, kan 24 A bereiken, wat een nieuwe benadering van schema's en een moderne elementbasis vereist. Het is de complexiteit van het construeren van een omzetter en een stabilisator die het feit kan verklaren dat supercondensatoren, serieproductie die begon in de jaren 70 van de twintigste eeuw, pas nu begonnen ze op grote schaal te worden gebruikt op verschillende gebieden.

Supercondensatoren kunnen worden aangesloten op batterijen met behulp van serie of parallelle verbinding... In het eerste geval stijgt de maximaal toelaatbare spanning. In het tweede geval capaciteit. Het op deze manier verhogen van de maximaal toegestane spanning is een manier om het probleem op te lossen, maar dit gaat ten koste van een lagere capaciteit.

De afmetingen van supercondensatoren zijn natuurlijk afhankelijk van hun capaciteit. Een typische supercondensator van 3000 F is een cilinder met een diameter van ongeveer 5 cm en een lengte van 14 cm. Bij 10 F is een supercondensator ongeveer zo groot als een menselijke nagel.

Goede supercondensatoren zijn in staat om honderdduizenden laad-ontlaadcycli te weerstaan, waarbij ze batterijen in deze parameter ongeveer 100 keer overtreffen. Maar, net als elektrolytische condensatoren, hebben supercondensatoren te maken met het probleem van veroudering als gevolg van geleidelijke elektrolytlekkage. tot ooit volledige statistieken het falen van supercondensatoren om deze reden is niet geaccumuleerd, maar volgens indirecte gegevens kan de levensduur van supercondensatoren worden geschat op ongeveer 15 jaar.

geaccumuleerde energie

De hoeveelheid energie opgeslagen in de condensator, uitgedrukt in joule:

waarbij C de capaciteit is, uitgedrukt in farads, U de spanning over de platen, uitgedrukt in volt.

De hoeveelheid energie opgeslagen in de condensator, uitgedrukt in kWh, is gelijk aan:

Daarom kan een condensator van 3000 F met een spanning tussen de platen van 2,5 V in zichzelf slechts 0,0026 kWh opslaan. Hoe verhoudt zich dit tot bijvoorbeeld een lithium-ion-accu? Als je het accepteert uitgangsspanning onafhankelijk van de mate van ontlading en gelijk aan 3,6 V, dan wordt de hoeveelheid energie 0,0026 kWh opgeslagen in lithium ion batterij met een capaciteit van 0,72 Ah. Helaas een zeer bescheiden resultaat.

Toepassing van supercondensatoren

Bij noodverlichtingssystemen zijn de voordelen van het gebruik van supercondensatoren in plaats van batterijen aanzienlijk. Het is inderdaad deze toepassing die wordt gekenmerkt door ongelijkmatige ontlading. Daarnaast is het wenselijk dat het noodverlichtingsarmatuur snel wordt opgeladen, en dat het daarin gebruikte back-up bron voeding had een grote betrouwbaarheid. Een bron noodstroom gebaseerd op supercondensator kan direct worden ingebouwd in LED lamp T8. Dergelijke lampen worden al door een aantal Chinese bedrijven geproduceerd.

Zoals reeds opgemerkt, is de ontwikkeling van supercondensatoren grotendeels te danken aan de interesse in alternatieve energiebronnen. Maar praktisch gebruik tot nu toe beperkt LED-lampen ontvangen van energie van de zon.

Een dergelijke richting als het gebruik van supercondensatoren voor het starten van elektrische apparatuur is actief in ontwikkeling.

Supercondensatoren kunnen geven: een groot aantal van energie in korte tijd. Door elektrische apparatuur te voeden op het moment van opstarten vanuit een supercondensator, is het mogelijk om piekbelastingen op het net en uiteindelijk de inschakelstroommarge verminderen, waardoor enorme kostenbesparingen worden bereikt.

Door meerdere supercondensatoren met elkaar te verbinden tot een batterij, kunnen we een capaciteit bereiken die vergelijkbaar is met die van batterijen die in elektrische voertuigen worden gebruikt. Maar deze batterij zal meerdere keren wegen meer batterij, wat onaanvaardbaar is voor voertuigen. Het probleem kan worden opgelost met behulp van op grafeen gebaseerde supercondensatoren, maar tot nu toe bestaan ​​ze alleen als prototypen. Desalniettemin zal een veelbelovende versie van de beroemde "Yo-mobile", die alleen op elektriciteit werkt, supercondensatoren van de nieuwe generatie gebruiken als stroombron, die worden ontwikkeld door Russische wetenschappers.

Supercondensatoren zullen ook profiteren bij het vervangen van batterijen in conventionele auto's die op benzine of diesel rijden - hun gebruik in dergelijke voertuigen is al een feit.

In de tussentijd kunnen nieuwe trolleybussen worden beschouwd als de meest succesvolle van de geïmplementeerde projecten voor de introductie van supercondensatoren. Russische productie verscheen onlangs in de straten van Moskou. Wanneer de spanningstoevoer wordt onderbroken contact netwerk of als de stroomafnemers "wegvliegen", kan de trolleybus met een lage (ongeveer 15 km / u) snelheid van enkele honderden meters naar een plaats rijden waar hij het verkeer op de weg niet hindert. De energiebron voor dergelijke manoeuvres is een batterij supercondensatoren.

In het algemeen, terwijl supercondensatoren batterijen alleen in bepaalde "niches" kunnen verdringen. Maar de technologieën ontwikkelen zich snel, waardoor we kunnen verwachten dat het toepassingsgebied van supercondensatoren in de nabije toekomst flink zal uitbreiden.

Alexey Vasiliev

Het idee van een condensator met een grote specifieke capaciteit werd al in de jaren zestig onder de knie, maar vandaag wordt het gevierd nieuwe golf toegenomen belangstelling voor deze technologie, wat te danken is aan de unieke combinatie van prestatie-eigenschappen van het eindproduct. Tegenwoordig worden op basis van deze technologie verschillende modificaties van supercondensatoren en ultracondensatoren geproduceerd, die met recht kunnen worden beschouwd als een volwaardige powerbatterij. Supercondensatorconcepten, waarvan een foto met een voorbeeld hieronder wordt weergegeven, suggereren dat hun toekomstige concurrentie met conventionele batterijpakketten (batterijen) niet zo fantastisch is.

Wat is een supercondensator?

In wezen is het een geoptimaliseerde elektrochemische batterij in de vorm van een compacte condensator. Zelfs bij een vluchtige vergelijking van het apparaat met een typische batterij voor een auto, kan men een duidelijk verschil in grootte onderscheiden en in de praktijk zullen ook de voordelen in de vorm van een langere levensduur en vermogen naar voren komen. Met andere woorden, supercondensatoren kunnen worden gebruikt in plaats van batterijen, zij het met enig voorbehoud vanwege beperkingen in termen van accumulerend energiepotentieel. Dergelijke nuances vinden nog steeds plaats vanwege de onvolmaakte technologische ontwikkeling van ionistoren, maar de situatie verandert onder druk van de markt met zijn groeiende vraag naar batterijen.

Apparaat- en productontwerp

De basis van deze condensator wordt gevormd door twee elektroden waartussen traditioneel een elektrolytisch medium wordt geplaatst. Verschillen met de batterij kunnen worden waargenomen in de structuur van materialen voor de vervaardiging van elektroden, waarvan de platen zijn bedekt met poreuze actieve kool. Wat de elektrolyt betreft, kunnen in deze hoedanigheid organische en anorganische mengsels worden gebruikt. De technische oplossing van isolatie in de structuur van supercondensatoren valt structureel op. Componenten met optimale ionische en elektronische geleidbaarheid worden gebruikt in plaats van aluminium platen met batterijondersteuning met een diëlektrische laag. Als we doorgaan met het concept van het mogelijke gebruik van een supercondensator als batterij, dan zou de elektronische geleider heel goed poreuze koolstof kunnen zijn, en de ionische - een oplossing van zwavelzuur. Zo kan een optimale ladingsscheidingslaag tussen de elektroden worden gegarandeerd zonder extra opname dikke isolatoren.

Soorten supercondensator:

Reeds vandaag kunnen verschillende richtingen in de ontwikkeling van supercondensatoren worden geïdentificeerd. Het meest opvallende en veelbelovende zijn de volgende soorten apparaten:

• Dubbellaagse condensatoren. Standaardmodel, dat de bovengenoemde elektroden van elektrisch geleidend materiaal gebruikt en een speciale separator als elektrolyt gebruikt. De accumulatie van energiepotentiaal vindt plaats als gevolg van de scheiding van de lading op de elektroden.
• Pseudo-condensatoren. Een oplaadbare batterij gemaakt van een supercondensator van dit type kan een zeer succesvolle oplossing zijn, aangezien in in dit geval meer geavanceerde methoden van energiebesparing worden aangenomen. Ten eerste is het principe van het Faraday-mechanisme betrokken, dat verband houdt met de processen van energieopslag in conventionele batterijen. En ten tweede blijft ook het basisschema van elektrostatische interactie tussen elektroden in de elektrische dubbellaag behouden.
• Hybride condensatoren. Een tussenconcept dat de individuele positieve eigenschappen van batterijen en condensatoren combineert. Dergelijke apparaten gebruiken typisch een combinatie van elektroden van gemengd oxide en gedoteerde polymeer. Verdere ontwikkeling Deze trend hangt samen met het gebruik van composietmaterialen aangevuld met koolstofdragers en geleidende polymeren.

Belangrijkste kenmerken

Tegenwoordig is het moeilijk om te praten over de gevestigde prestatie-indicatoren van supercondensatoren, omdat de technologie voortdurend wordt verbeterd en met een wijziging van de verbetering van elektrochemische stroombronnen. Maar als we de gemiddelde gegevens over de belangrijkste kenmerken van supercondensatoren nemen, zien de specifieke indicatoren er als volgt uit:

• Oplaadtijd - van 1 tot 10 sec.
• Het aantal laadcycli is ongeveer 1 miljoen, wat overeenkomt met 30.000 uur.
• Celspanning per eenheid - bereik van 2,3 tot 2,75 V.
• Energie-inhoud - standaardwaarde 5 W * h / kg.
• Vermogen - ongeveer 10.000 W / kg.
• Duurzaamheid - tot 15 jaar.
• Werktemperatuur - van -40 ° С tot 65 ° С.

Vergelijking met conventionele batterijen

De belangrijkste onderscheidende parameters zijn de snelheid van energieaccumulatie en de mate van terugkeer van de elektrische lading. Door het gebruik van een dubbele laag elektrisch potentiaal in een supercondensator met vergelijkbare afmetingen, neemt het oppervlak van het werkoppervlak van de elektroden toe. Dat wil zeggen, we kunnen praten over combineren beste eigenschappen Batterij en condensator als zodanig. Als we de verdeling van de batterij- en supercondensatorstromen vergelijken met de belasting, dan zal de uniformiteit van de verbruikte stroomvolumes over het algemeen identiek zijn, maar met twee wijzigingen. Tijdens batterijbedrijf kan de hoogste stroom worden verplaatst naar het element dat zich in het onderste deel van de unit bevindt, en in het geval van supercondensatoren zal de potentiaal in principe minder zijn vanwege de lage spanning. Het verschil in levensduur kan ook worden toegeschreven aan aanzienlijke verschillen - supercondensatoren gaan ongeveer 25-30% langer mee, om nog maar te zwijgen van een hogere coëfficiënt van haalbare werkcycli.

Voordelen van het werken met supercondensatoren

Als we in het algemeen kijken naar de positieve effecten van het gebruik van supercondensatoren in plaats van batterijen, dan komen de volgende eigenschappen naar voren:

• Hoge dichtheid energie van supercondensatoren stelt hen in staat om te worden gebruikt in elektronische apparaten als een bron van stroomvoorziening op korte termijn.
• Milieuveiligheid. Natuurlijk blijven de elektrochemische componenten nog steeds in de structuur behouden, maar hun toxische effecten nemen voortdurend af.
• De mogelijkheid om energie te gebruiken uit hernieuwbare bronnen - wind, zon, water en aarde.
• Uitbreiding van mogelijkheden voor structurele integratie van batterijen - bijvoorbeeld voor het onderhoud van complexe energiecentrales, hybride elektrische auto's, waterstofauto's, etc.

Het is vermeldenswaard enkele voordelen van een supercondensator ten opzichte van een conventionele condensator. Er zijn er maar weinig, maar een grote capaciteit om energie op te slaan is van fundamenteel belang. Volgens deze indicator kunnen niet alle modificaties van supercondensatoren concurreren met batterijen, maar in vergelijking met condensatoren winnen ze vol vertrouwen in de parameter van elektrische capaciteit.

Positieve feedback over supercondensatoren

Supercondensatoren worden tegenwoordig getest en gedeeltelijk toegepast in een groot aantal verschillende industrieën. Zoals de beoordelingen over de werking van deze apparaten laten zien, bevestigen ze de verklaringen van de fabrikanten over: hoge betrouwbaarheid, milieuvriendelijk en hoge capaciteit. Wat vooral belangrijk is vanuit het oogpunt van het vergelijken van supercondensatoren en batterijen, de eerste zijn niet zo veeleisend om te creëren speciale condities met fysieke behandeling. Dit is deels te wijten aan dezelfde lage toxiciteit van de componenten, maar in grotere mate is de ergonomie van de bediening te danken aan hoge graad bescherming van de zaak. Dat wil zeggen, de gebruiker hoeft geen speciale apparaten te voorzien voor het onderhouden van supercondensatoren in onder druk staande omstandigheden. Evenzo maken de lichtgewicht en geoptimaliseerde afmetingen standaard onderhoudswerkzaamheden eenvoudiger.

Negatieve beoordelingen van supercondensatoren

Er zijn ook zwakke punten in dit soort condensatoren, die ook duidelijk worden in de praktijk. Gebruikers wijzen met name op hun lage energiedichtheid, slechte prestatie en niet altijd een voldoende spanningsniveau, waardoor verschillende elementen moeten worden gebruikt om één doelverbruikseenheid te bedienen. In veel opzichten maken deze tekortkomingen het gebruik van supercondensatoren in plaats van batterijen tegenwoordig niet mogelijk, hoewel, nogmaals, technologische ontwikkeling met waarschijnlijker zal deze problemen ook oplossen.

Vooruitzichten voor de ontwikkeling van condensatoren

Volgens experts en batterijontwikkelaars zullen in de nabije toekomst overal condensatoren van de nieuwe generatie worden gebruikt. Dit wordt mogelijk door het actief vergroten van de specifieke capaciteit van apparaten. Hieraan moet de verbetering van de technische en structurele kenmerken van supercondensatoren worden toegevoegd, die voornamelijk betrekking hebben op de grootte en het gewicht. Tegelijkertijd worden er vandaag al tests georganiseerd met supercondensatoren met een vermogen tot 2,5 mW. In de toekomst kunnen vergelijkbare systemen worden gebruikt in service transportnetwerken, industriële faciliteiten en wooncomplexen.

Conclusie

Het supercondensatorconcept wordt overwogen: optimale oplossing in situaties waar er een kortdurende vraag naar stroomvoorziening is met een operationele lading. Gedeeltelijk is dit in tegenspraak met het idee van elektrochemische batterijen, die worden geleid door langdurig stroomonderhoud met bepaalde parameters. Maar is het mogelijk om een ​​supercondensator te gebruiken in plaats van een batterij op een auto, rekening houdend hiermee? operationele kenmerken? Met een hoge mate van waarschijnlijkheid zullen de toonaangevende autofabrikanten condensatoren met een hoge specifieke capaciteit gebruiken, maar alleen in speciale hybride versies die combineren positieve eigenschappen supercondensatoren als zodanig en traditionele elektrochemische componenten. Tegenwoordig worden dergelijke oplossingen bijvoorbeeld gebruikt in de vorm van een combinatie van een elektrochemische loodzuurstructuur en een supercondensator.

Supercondensatoren worden steeds meer een van de belangrijkste componenten van auto's elektronische systemen... Een supercondensator voor een auto lost het probleem van het starten van de motor op, waardoor de belasting van de batterij wordt verminderd. Bovendien, dankzij optimalisatie bedradingsdiagrammen de massa van het voertuig wordt verminderd.
Supercondensatoren hebben een brede toepassing gevonden bij de vervaardiging van hybride auto's. Hun generatorwerking is afhankelijk van de motor. interne verbranding en de machine wordt aangedreven door elektromotoren. Een supercondensator voor een auto in een dergelijk schema is een bron van snel verkregen energie bij het starten en versnellen. Tijdens het remmen wordt de aandrijving opgeladen.
Tegenwoordig wordt de supercondensator slechts gedeeltelijk gebruikt in plaats van de batterij. Maar in de nabije toekomst volledige vervanging zal zeker werkelijkheid worden, omdat wetenschappers dergelijke technologieën actief ontwikkelen.

Wanneer is een supercondensator nodig om de motor te starten?
Een supercondensator voor een auto is vereist in gevallen waarin het risico bestaat dat een standaardbatterij de taak van het starten van een verbrandingsmotor niet aankan. Een supercondensator voor een auto helpt bijvoorbeeld in de volgende situaties:
- de batterij wordt chronisch niet opgeladen bij frequente ritten over korte afstanden;
- batterijvermogen is niet voldoende om de motor te starten. Meestal doet dit probleem zich voor in de winter;
- het is noodzakelijk om de piekbelasting van de batterij te verminderen om de levensduur te verlengen.
Zelfs als de batterij volledig defect is, gebruiken sommigen een supercondensator in plaats van een batterij. Het lost het probleem van het starten van de motor op en in de toekomst wordt het boordnetwerk voornamelijk gevoed door de generator. Het wordt echter aanbevolen om in plaats van een batterij alleen een supercondensator te gebruiken noodmodus totdat het mogelijk wordt een nieuwe batterij te plaatsen.
In een normale situatie wordt de supercondensator gebruikt om de motor in het volgende formaat te starten. Deze wordt parallel geschakeld met de accu en neemt de hoofdbelasting over op het moment van opstarten. Een vertraagde starter kan een zeer hoge stroom trekken (honderden ampère). Het is deze startstroom voor de vaste starter en de krukas die voor de auto wordt gegenereerd. Wanneer de hoofdbelasting wordt geleverd, zal de supercondensator samen met de batterij de motor in een stillere modus starten.
Ionistors voor een auto verlengen niet alleen de levensduur van de batterij, maar hebben ook een positief effect op de werking van de boordelektronica. Bij het gebruik van supercondensatoren voor auto's wordt de spanningsval bij het starten verminderd, zodat alle elektronische componenten in een stabielere modus werken. Om dezelfde reden zijn de prestaties van het ontstekingssysteem verbeterd.
Tijdens het rijden zal een bundel van een batterij en een supercondensator voor een auto spanningsdalingen die optreden in het boordnetwerk afvlakken. Ze komen voort uit hoe verschillende elektrische apparatuur zich gedraagt ​​bij verschillende belastingen en motortoerentallen. De aanwezigheid van een supercondensator in het circuit minimaliseert Negatieve invloed zulke sprongen. Meer informatie over de mogelijkheid om een ​​supercondensator te gebruiken in plaats van een batterij, maar ook parallel daaraan, kunt u vinden bij onze adviseurs.

Tegenwoordig is de batterijtechnologie aanzienlijk verbeterd en geavanceerder dan in het afgelopen decennium. Maar voorlopig blijven oplaadbare batterijen nog steeds een verbruiksmateriaal, omdat ze een schaars goed hebben.

Het idee om een ​​condensator te gebruiken voor het opslaan en opslaan van energie is niet nieuw en de eerste experimenten werden uitgevoerd met elektrolytische condensatoren. De capaciteit van elektrolytische condensatoren kan aanzienlijk zijn - honderdduizenden microfarads, maar toch is het niet genoeg om lange tijd voeden hoewel niet zware lading Bovendien is er vanwege de ontwerpkenmerken een aanzienlijke lekstroom.

Moderne technologieën staan ​​niet stil, en de supercondensator is uitgevonden, het is een condensator, het heeft een extra grote capaciteit - van eenheden van farads tot tienduizenden farads. Farad-condensatoren worden gebruikt in draagbare elektronica om te voorzien in: ononderbroken stroomvoorziening laagstroomcircuits, zoals een microcontroller. Supercondensatoren met een capaciteit van tienduizenden farads worden gebruikt in combinatie met batterijen om verschillende elektromotoren aan te drijven. In deze combinatie vermindert de supercondensator de belasting van de batterijen, wat de levensduur van de batterij aanzienlijk verlengt en tegelijkertijd verlengt startstroom, die in staat is een hybride motorvermogenssysteem te geven.

Het werd noodzakelijk om de temperatuursensor van stroom te voorzien om de batterij erin niet te vervangen. De sensor wordt gevoed door een AA-batterij en gaat aan om gegevens te verzenden naar weerstation eenmaal per 40 seconden. Op het moment van verzenden verbruikt de sensor gedurende 2 seconden gemiddeld 6 mA.

Het idee ontstond om een ​​zonnebatterij en supercondensator te gebruiken. Op basis van de geïdentificeerde verbruikskenmerken van de sensor zijn de volgende elementen genomen:
1. Zonnebatterij 5 Volt en stroom ongeveer 50 mA (Sovjet-en-klare zonnebatterij ongeveer 15 jaar oud)
2. Supercondensator: Panasonic 5,5 Volt en 1 farad.
3. Ionistoren 2 stuks: DMF 5,5 Volt en een totale capaciteit van 1 farad.
4. Schottky-diode met gelijkspanningsval bij lage stroomsterkte van 0,3 V.
Een Schottky-diode is essentieel om capaciteitsontlading door het zonnepaneel te voorkomen.
De supercondensatoren zijn parallel geschakeld en de totale capaciteit is 2 farads.

Foto 1.

Experiment # 1- Een monochrome LCD-microcontroller aangesloten en totale stroom verbruik van 500 A. Hoewel de microcontroller met het display werkte, maar ik merkte dat de oude Zonnepanelen extreem ineffectief, de laadstroom in de schaduw was onvoldoende om de supercondensatoren helemaal op te laden, de spanning op de 5-volt zonnebatterij in de schaduw was minder dan 2 volt. (Om de een of andere reden staat de microcontroller met het display niet op de foto).

Experiment # 2
Om de kans op succes te vergroten heb ik op de radiomarkt nieuwe zonnecellen gekocht met een nominale waarde van 2 V, een stroom van 40 mA en 100 mA, gemaakt in China gevuld met optische hars. Ter vergelijking, deze accu's in de schaduw gaven al 1,8 volt af, met geen grote laadstroom, maar toch een veel betere opladende supercondensator.
Nadat ik de structuur heb gesoldeerd met een nieuwe batterij, een Schottky-diode en condensatoren, plaats ik deze op de vensterbank zodat de condensator wordt opgeladen.
Ondanks dat zonlicht niet direct op de batterij viel, was de condensator na 10 minuten opgeladen tot 1,95 V. Hij pakte de temperatuursensor, haalde de batterij eruit en verbond de supercondensator met een zonnebatterij met de contacten van het batterijcompartiment.

Foto 2.

De temperatuursensor begon meteen te werken en gaf de kamertemperatuur door aan het weerstation. Nadat ik er zeker van was dat de sensor werkte, heb ik er een condensator met een zonnebatterij op bevestigd en op zijn plaats gehangen.
Wat er daarna gebeurde?
Alle daglichturen werkte de sensor naar behoren, maar toen het donker werd, na een uur, stopte de sensor met het verzenden van gegevens. Het is duidelijk dat de opgeslagen lading niet genoeg was, zelfs niet voor een uur sensorwerking, en toen werd duidelijk waarom ...

Experiment # 3
Ik besloot het ontwerp enigszins aan te passen, zodat de supercondensator (retourneer de supercondensatorassemblage van 2 farads) volledig was opgeladen. Ik heb een batterij van drie cellen gemonteerd, het bleek 6 volt en een stroomsterkte van 40 mA (onder volle zonverlichting). Deze accu in de schaduw gaf al tot 3,7 V in plaats van de vorige 1,8 V (foto 1) en een laadstroom tot 2 mA. Dienovereenkomstig laadde de supercondensator tot 3,7 V op en had hij al aanzienlijk meer opgeslagen energie in vergelijking met experiment nr. 2.

Foto 3.

Alles zou in orde zijn, maar nu hebben we tot 5,5 V aan de uitgang en wordt de sensor gevoed door 1,5 V. Er is een DC / DC-converter vereist, wat op zijn beurt extra verliezen met zich meebrengt. De omvormer die ik op voorraad had verbruikte ongeveer 30 μA en gaf aan de uitgang 4,2 V. Tot nu toe kon ik de benodigde omvormer niet vinden om de temperatuursensor van het gemoderniseerde ontwerp van stroom te voorzien. (Het zal nodig zijn om een ​​transducer te selecteren en het experiment te herhalen).

Over energieverliezen:
Er werd hierboven vermeld dat de supercondensatoren een zelfontladingsstroom hebben, in dit geval was het voor de montage van 2 farads 50 μA, evenals verliezen in de DC / DC-omzetter in de orde van 4% (aangegeven efficiëntie 96 %) en het stationaire toerental van 30 μA worden hier opgeteld. Als we geen rekening houden met de conversieverliezen, hebben we al een verbruik van ongeveer 80 μA.
Vooral op het gebied van energiebesparing is voorzichtigheid geboden, omdat experimenteel is vastgesteld dat een supercondensator met een capaciteit van 2 farads geladen tot 5,5 V en ontladen tot 2,5 V een zogenaamde "batterij" capaciteit van 1 mA heeft. Met andere woorden, door een uur lang 1 mA van de supercondensator te verbruiken, ontladen we deze van 5,5 V naar 2,5 V.

Over laadsnelheid door direct zonlicht:
De stroom die uit de zonnebatterij wordt getrokken, is hoe hoger de betere batterij verlicht door direct zonlicht. Dienovereenkomstig neemt de laadsnelheid van de supercondensator aanzienlijk toe.

Foto 4.

Uit de aflezingen van de multimeter is te zien (0,192 V, initiële aflezingen), na 2 minuten was de condensator opgeladen tot 1,161 V, na 5 minuten tot 3,132 V en na nog eens 10 minuten 5,029 V. Binnen 17 minuten was de supercondensator opgeladen tot 90%. Opgemerkt moet worden dat de verlichting van het zonnepaneel de hele tijd ongelijk was en plaatsvond door het dubbele vensterglas en de beschermende film van de batterij.

Experiment #3 Technisch rapport
Specificaties: indeling:
- Zonnebatterij 12 cellen, 6 V, stroom 40 mA (bij volledige blootstelling aan de zon), (in de schaduw van bewolkt weer 3,7 V en stroom 1 mA met belasting van de supercondensator).
- De supercondensatoren zijn parallel geschakeld, de totale capaciteit is 2 Farads, de toegestane spanning is 5,5 V, de zelfontladingsstroom is 50 μA;
- Schottky-diode met een voorwaartse spanningsval van 0,3 V, gebruikt om de zonnebatterij en de supercondensatorvoeding te ontkoppelen.
- Afmetingen indeling 55 x 85 mm ( een plastic kaart VISA).
We zijn erin geslaagd om op te starten vanuit deze lay-out:
Microcontroller met LCD-display (stroomverbruik 500 A bij 5,5 V, bedrijfstijd zonder zonnebatterij, ongeveer 1,8 uur);
Temperatuursensor, daglichturen met een zonnebatterij, 6 mA verbruik gedurende 2 seconden elke 40 seconden;
De LED brandde 60 seconden bij een gemiddelde stroom van 60 mA zonder zonnebatterij;
Ook is er een DC/DC spanningsomvormer getest (voor een stabiele stroomvoorziening), waarmee het mogelijk was om binnen 60 seconden 60 mA en 4 V te halen (wanneer de supercondensator was opgeladen tot 5,5 V, zonder zonnebatterij).
De verkregen gegevens geven aan dat de supercondensatoren in dit ontwerp een capaciteit van ongeveer 1 mA hebben (zonder opladen van een zonnebatterij met een ontlading tot 2,5 V).

conclusies:
Met dit ontwerp kunt u energie opslaan in condensatoren voor continue stroomvoorziening van micro-verbruikende apparaten. De geaccumuleerde capaciteit van 1 mA per 2 farads van de capaciteit van de condensator moet voldoende zijn om de werking van de microprocessor met een laag verbruik in het donker gedurende 10 uur te garanderen. In dit geval mogen de totale stroomverliezen en het totale verbruik door de belasting niet hoger zijn dan 100 A. Overdag wordt de supercondensator zelfs in de schaduw opgeladen door een zonnebatterij en kan hij een belasting in gepulseerde modus leveren met een stroomsterkte tot 100 mA.

We beantwoorden de vraag in de titel van het artikel - Kan een supercondensator een batterij vervangen?
- kan vervangen, maar tot nu toe met aanzienlijke beperkingen op het stroomverbruik en de werkingsmodus van de belasting.

nadelen:

• kleine capaciteit van de energiereserve (ongeveer 1 mA voor elke 2 Farads van de capaciteit van de supercondensator)
• aanzienlijke zelfontladingsstroom van condensatoren (ongeveer 20% capaciteitsverlies per dag)
• de afmetingen van de structuur worden bepaald door de zonnebatterij en de totale capaciteit van de supercondensatoren.

• gebrek aan slijtage chemische elementen(batterijen)
• bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +60 graden Celsius
• eenvoud van ontwerp
• geen hoge kosten

Foto 5.

Aan de ene kant van het bord bevindt zich een zonnebatterij, aan de andere kant een samenstel van supercondensatoren en een DC / DC-converter.

Specificaties:

• Zonnebatterij 12 cellen, 6 V, stroom 60 mA (blootstelling aan de volle zon);
• Supercondensatoren totale capaciteit 4; 6 of 16 Farads, toelaatbare spanning 5,5 V, totale zelfontladingsstroom, respectievelijk 120 \ 140 \ (nog niet bekend) μA;
• Dubbele Schottky-diode met een voorwaartse spanningsval van 0,15 V, gebruikt voor het ontkoppelen van de voeding van de zonnebatterij en de supercondensator;
• Afmetingen lay-out: 55 x 85 mm (kunststof VISA-kaart);
• Geschatte capaciteit zonder opladen van zonnepanelen bij installatie van condensatoren 4; 6 of 16 Farads, is ongeveer 2/3/8 mA.

P.S. Als u een typfout, fout of onnauwkeurigheid in de berekeningen opmerkt, schrijf ons dan persoonlijk bericht, en we zullen alles snel repareren.

Wordt vervolgd…

Een supercondensator (of, met andere woorden, supercondensator) is een apparaat voor het opslaan van elektrische energie, dat een tussenpositie inneemt tussen de batterij en de elektrolyt. Toegegeven, in tegenstelling tot hen zijn deze producten onvergelijkbaar kleiner en zien ze eruit als gewone elektrolytische condensatoren (zie onderstaande afbeelding).

In termen van zijn kenmerken verschilt een supercondensator (SC) aanzienlijk van gewone elektrolytische producten, omdat deze duurzamer is en een lagere stroomlekkage heeft. Het belangrijkste doel van de ontwikkeling van deze producten is het creëren van een nieuwe generatie energieopslagapparaten die de gebruikelijke opslagbatterijen kunnen vervangen.

Karakteristieke verschillen

Naast de al eerder genoemde voordelen wordt een supercondensator gekenmerkt door een hogere specifieke capaciteit dan batterijen, waardoor hij bijvoorbeeld als stroombron in elektrische voertuigen kan worden gebruikt. Door de unieke energie-eigenschappen wordt de oplaadtijd van deze elektrolysecel merkbaar verkort (hetzelfde kan gezegd worden over de periode van ontlading).

Extra informatie. Aangeboden woningen het gebruik van condensatoren toestaan grote capaciteit in moderne hernieuwbare energiebronnen (zonnepanelen, windgeneratoren, enz.).

Tijdens de werking ervan is het mogelijk om een ​​meer economische bedrijfsmodus te bereiken vanwege de mogelijkheid om overtollige energie die van bronnen wordt ontvangen, te accumuleren.

Uiterlijk ziet de supercondensator eruit: regulier element met twee elektroden, gebruikt in plaats van een batterij.

Net als een batterij bevat het ook een elektrolyt in zijn interne holtes, dat, wanneer het in wisselwerking staat met de platen, elektriciteit opwekt.

Ontwerpkenmerken en fabrikanten

De elektroden van dit product zijn gemaakt van speciaal poreus materiaal bovenop bedekt met een dunne laag actieve kool. Als elektrolytische samenstelling worden mengsels van anorganische of organische oorsprong gebruikt. De belangrijkste verschillen met de gebruikelijke condensator zijn als volgt:

• Bij dit product is er geen ruimte tussen de platen. gewone laag diëlektrisch, en twee keer zo dik, waardoor je een heel dunne opening krijgt. Dit ontwerp biedt de mogelijkheid om elektriciteit op te slaan in grote volumes (elektrisch vermogen: neemt in dit geval aanzienlijk toe);
• Verder accumuleert en verbruikt de supercondensator, in tegenstelling tot andere monsters, de lading vrij snel;
• Door het gebruik van een dubbele laag diëlektricum neemt het totale oppervlak van de elektroden toe, terwijl de afmetingen gelijk blijven. Tegelijkertijd zijn de technische kenmerken van het product merkbaar verbeterd.

De kenmerken van deze condensatoren, die in 1962 verschenen, omvatten ook de energiestructuur van hun elektroden, waarvan er één elektronische geleidbaarheid heeft en de andere - de zogenaamde "ionische". Dientengevolge, tijdens het opladen ervan, wordt de scheiding van ladingen met tegengesteld teken uitgevoerd, wat leidt tot de accumulatie van positieve en negatieve potentiaal op de platen (zie foto).

In 1971 ontving het bekende Japanse bedrijf NEC een licentie voor de productie van deze unieke producten, die tegen die tijd met succes bijna alle elektrotechnische gebieden onder de knie hadden. Zij was het die erin slaagde om de markt voor elektronische producten te promoten en uiteindelijk goed te keuren unieke technologie productie van supercondensatoren. Sinds de jaren 2000 is het met succes onder de knie in bijna alle economisch ontwikkelde landen van de wereld.

Soorten superelektrolyten

Alle bekende monsters van elektrolytische producten van deze klasse zijn onderverdeeld in de volgende typen:

• Dubbellaagse condensatorstructuren (DSC);
• Hybride elektrolytische cellen;
• Pseudo-condensatoren.

Laten we elk van hen in wat meer detail bekijken.

Tweelaagse structuren omvatten twee poreuze elektroden met een geleidende koolstofcoating, gescheiden door een speciale samenstelling (elektrolytafscheider). Het proces van het accumuleren van energie in deze formaties wordt uitgevoerd door de scheiding van ladingen met tegengesteld teken, vergezeld van de vorming van potentialen met een aanzienlijke amplitude op de elektroden.

De grootte van de elektrische lading van dergelijke structuren wordt aanzienlijk beïnvloed door de capaciteit van de dubbele opslaglaag, die dienst doet als een soort oppervlaktecondensator. Deze twee opslagsystemen zijn onderling verbonden in een serieketen door middel van een elektrolyt dat ze verenigt.

Extra informatie. In dit geval speelt het de rol van een dirigent met: ionisch type: geleidbaarheid.

Hybride elektrolyten kunnen worden geclassificeerd als overgangsstructuren die een tussenpositie innemen tussen de batterij en de condensator. De keuze voor een dergelijke naam voor deze producten is te wijten aan het feit dat de elektroden erin zijn gemaakt van materialen verschillende soorten, waardoor de aard van de lastenaccumulatie enigszins anders is.

Gewoonlijk wordt de functie van de kathode daarin uitgevoerd door een materiaal met een zogenaamde "pseudocapaciteit", en het proces van ladingsaccumulatie vindt plaats als gevolg van het optreden van redoxreacties. Deze "architectuur" van elektrolyten van deze groep stelt u in staat om de totale capaciteit van de condensator te vergroten en het bereik van toegestane spanningen uit te breiden.

In deze producten worden meestal complexe combinaties van elektrodematerialen gebruikt, die een combinatie zijn van een speciaal type geleidende polymeren (of gemengde oxiden). Er wordt onderzoek gedaan naar andere veelbelovende materialen (met name composieten) die worden verkregen door de methode van depositie van metaaloxiden op koolstofbases of polymeren.

Pseudo-condensatoren liggen qua technische prestaties veel dichter bij oplaadbare. oplaadbare batterijen met twee solid-state elektroden. Hun werking is gebaseerd op een combinatie van de volgende twee mechanismen:

• Laad- en ontlaadprocessen (vergelijkbaar met de reacties die optreden bij conventionele batterijen);
• Elektrostatische interacties die inherent zijn aan structuren met een elektrische dubbellaag.

Het voorvoegsel "pseudo" betekent dat de capaciteit van deze elementen niet zozeer wordt bepaald door de aard van elektrostatische processen als wel door de afhankelijkheid van reacties die gepaard gaan met de overdracht van elektrolytische ladingen.

Toepassingsgebieden

Meestal worden producten van deze klasse gebruikt in de volgende mechanismen, eenheden en apparatuurmonsters:

• In systemen met hernieuwbare energiebronnen die geaccumuleerd potentieel moeten accumuleren (zonnepanelen, windgeneratoren, enz.);
• In moderne voertuigen (bijvoorbeeld elektrische auto's), evenals in apparaten voor het starten van motoren van auto's op waterstofbrandstof;
• Vanwege hun hoge energiedichtheid en verhoogde specifieke capaciteit worden deze producten veel gebruikt in elektronische apparatuur (als bronnen van korte en krachtige impulsen);
• Ze zijn ook gewild in ononderbroken stroomsystemen, die volledig profiteren van hun belangrijkste voordeel - om onmiddellijke stroomoverdracht te bieden.

Opmerking! Dit moet ook de ontwikkeling van industrieën omvatten die het gebruik van continue energiesystemen op zuinige brandstof impliceren.

Bovendien kunnen supercondensatoren worden gebruikt in de volgende apparaten:

• In systemen voor het dempen van energiebelastingen, evenals in startinrichtingen voor elektromotoren;
• In complexen waarvan het functioneren gepaard gaat met kritische belastingen (apparatuur van havens, ziekenhuizen, torens mobiele communicatie, bankcentra, enz.);
• In bronnen van back-upstroomvoorziening voor pc-apparatuur en gegevensverzamelingssystemen (microprocessors en geheugenapparaten), evenals in mobiele telefoons.

Voor- en nadelen van condensatorproducten:

De voordelen van producten van deze klasse zijn onder meer:

• Lage kosten per eenheid (per capaciteit per eenheid);
• Hoge indicatoren van capacitieve dichtheid en efficiëntie van laad-ontlaadcycli (tot 95% en hoger);
• Betrouwbaarheid, duurzaamheid en milieuvriendelijkheid;
• Uitstekende vermogensdichtheidsindicatoren;
• Voldoende breed scala aan temperaturen waarbij hun werking mogelijk is;
• Het hoogst mogelijke laad- en ontlaadpercentage voor producten van deze categorie;
• Volledige tolerantie voor capaciteitsverlies (praktisch tot nul).

Een ander belangrijk voordeel van SC is hun relatief kleine formaat en gewicht (ten opzichte van andere soorten elektrolytische producten).

Onder hun inherente "nadelen" zou ik de volgende nadelen willen opmerken:

• Relatief lage dichtheid van geaccumuleerde energieën;
• Laagspanning per capaciteitseenheid van de cel;
• Hoge mate van ongecontroleerde zelfontlading.

Laten we daar de nog niet volledig ontwikkelde technologie voor de productie van producten aan toevoegen.

Toepassingsvooruitzichten

In de nabije toekomst wordt aangenomen dat supercondensatoren bijna overal zullen worden gebruikt, wat zal worden geïmplementeerd in de meeste energie-intensieve industrieën (waaronder de medische industrie, ruimtevaart en militaire uitrusting).

Gelijktijdig met hun introductie neemt de specifieke capaciteit van deze producten toe, wat het in de toekomst mogelijk zal maken om de batterijen volledig te vervangen door condensatoren. Het is ook de bedoeling om supercondensatoren te integreren in verschillende structuren van moderne elektronische productie, inclusief de productie van controle- en regelgevende elementen.

Concluderend merken we op dat condensatorproducten van deze klasse de implementatie van milieuvriendelijke schone manieren energiebesparing, veel veelbelovender dan alles wat tot nu toe bekend is. In de nabije toekomst is het de bedoeling om het toepassingsgebied van deze technologieën verder uit te breiden, die de hele wegvervoersector kunnen omvatten, evenals communicatieapparatuur en mobiele apparatuur.

Video