Меню

Мощные конденсаторы постоянного тока

Суперконденсаторы: что это, зачем и где применяется

Энергетика — крайне интересная сфера, которая развивается бурными темпами много лет подряд. На Хабре публикуются самые разные статьи об альтернативных источниках энергии, аккумуляторных батареях от Маска, электромобилях и т.п.

Но есть одна тема, которая затрагивается не так уж и часто. Речь идет о суперконденсаторах. Им как раз посвящена эта статья, в ней раскрывается суть суперконденсатора, сферы применения, плюс описываются кейсы из разных отраслей — промышленности, транспорта и т.п., где используются эти системы.

Суперконденсатор, что ты такое?

Все мы знаем, что такое аккумулятор — это источник постоянной мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и маленькие, применяются они крайне широко — от транспорта до игрушек.

Но эта статья посвящена суперконденсаторам, так что пришло время рассказать о них. Так вот, любой суперконденсатор — это источник не постоянной, а импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах короткого замыкания.

Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на небольшой срок.

Суперконденсаторы называют еще ионисторами. Эти элементы состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора. Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью.

У суперконденсаторов два положительных свойства — высокая мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода суперконденсаторов — активный углерод, у которого две важные особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое расстояние между разделенными зарядами.

Еще один положительный момент — длительный срок хранения и продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это — благодаря особенностям накопления энергии. Так, суперконденсаторы работают за счет разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию суперконденсаторы могут действительно быстро.

Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В отличие от аккумуляторов, где основная характеристика — это емкость, измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула, которая позволяет определить энергию суперконденсатора:
Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)

image

Есть несколько видов суперконденсаторов:

  • Двойнослойные, или ДСК.
  • Псевдоконденсаторы.
  • Гибридные конденсаторы.

В первом случае система состоит из двух пористых электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором. Запас энергии идет за счет разделения заряда на электродах с очень большой разностью потенциалов.

Во втором — система включает два твердых электрода и базируется на двух механизмах сохранения энергии. Это фарадеевские процессы и электростатическое взаимодействие.

Третий вариант — переходный между конденсаторами и аккумуляторами. Электроды здесь выполнены из разных материалов, а накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.

Где могут использоваться суперконденсаторы?

Вполне логичный ответ — в отраслях, где нужно отдавать энергию быстро и в большом объеме. В частности, это может быть:

  • Альтернативная энергетика, накопление энергии при помощи топлива, волн ветра и солнца.
  • Транспортные системы — это может быть запуск двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, локомотивы и т.п.
  • Накопители энергии в домохозяйствах — например, там, где используются фотоэлементы или ветрогенераторы.
  • Электронные устройства, где суперконденсаторы используются в качестве источника кратковременного питания.
  • ИБП — как небольшого размера, так и очень большие. В системах бесперебойного электропитания суперконденсаторы можно использовать совместно с топливными элементами и другими источниками.
  • Традиционная энергетика, в сферах, где неизбежны критические нагрузки, но где требуется бесперебойная работа всего и вся. Это могут быть аэропорты, вышки связи, больницы и т.п.
  • Электронные устройства разного размера и мощности.

Что касается ветроэнергетики и солнечной энергетики, то суперконденсаторы здесь стоит использовать для развертывания гибридных систем накопления энергии, которые включают в себя как накопитель на Li-Ion батареях, так и накопитель на основе суперконденсаторов.

Примеры

Их можно привести большое количество, но разумно будет ограничиться тремя наиболее показательными.

Частотно-регулируемый электропривод. Здесь суперконденсаторы нужны при просадках напряжения и кратковременном, не более 10 секунд, блэкауте. Такие приводы используются на участках непрерывного технологического цикла на производственных объектах. Кроме того, суперконденсаторы стоит использовать на предприятии и в системах, которые снабжают объект газом, водой, теплом и энергией, т.п. на компрессорных станциях, в котельных, насосных станциях и т.п.

Источник бесперебойного питания. В этом случае суперконденсаторы дают возможность компенсировать провалы напряжения, которые приводят к проблемам с непрерывностью технологических процессов. Здесь речь идет о крупных объектах, включая промышленность и разного рода инфраструктуру — например, транспортную.

Суперконденсаторы, в частности, используются на заводе Skoda в Чехии, а именно — роботизированном цехе по покраске корпусов автомобилей. Если процесс окрашивания по какой-либо причине остановится, потом корпус придется возвращать в начало цикла.

Регулирование выходной мощности турбин ветрогенераторов. Большая проблема альтернативной энергетики — сложность поддержания выходной мощности турбин на одном уровне. Чем выше скорость ветра и сам он мощнее, тем больше вырабатывается энергии. Чем ниже, соответственно — тем энергии меньше. В итоге выходная мощность турбин может меняться, и очень значительно.

В этом случае суперконденсатор может помочь, причем сразу несколькими способами:

  • Поддержание электропитания на прежнем уровне на время кратковременного пропадания напряжения.
  • Обеспечение стабилизации частоты и напряжения в передающих и распределительных сетях с высокой концентрацией возобновляемых источников энергии.

Производят ли суперконденсаторы в России?

Да, на Хабре еще несколько лет назад публиковалась новость о том, что в НИТУ «МИСис» разработала технологию, которая открыла возможность отечественной компании запустить производство суперконденсаторов.

Так, в 2017 году компания ТЭЭМП запустила в г. Химки производство высокоэффективных суперконденсаторов и модулей на их основе. При этом все это — чисто российские разработки. ТЭЭМП, к слову, производит плоские единичные элементы в ламинированном корпусе, который может использоваться в химических источниках тока с органическими электролитами: суперконденсаторах, литий-ионных аккумуляторах, металло-воздушных источниках тока.

При этом, ТЭЭМП производит ячейки собственной запатентованной конструкции – призматическая ячейка с токосъемом по всей ее поверхности. И сделано это не для того, чтобы показать свою уникальность, а чисто с практической точки зрения – распределенный по всей поверхности токосъем обеспечивает равномерность тепловых полей, тем самым замедляя процесс деградации и продлевая срок службы суперконденсатора.

Продукция «ТЭЭМП» уникальна по многим параметрам. Суперконденсаторные модули компании успешно работают при температурах до -60°С. Они отличаются низким внутренним сопротивлением, а значит, способны обеспечить большие импульсные токи. Собственная конструкция ячеек и модулей позволяет снизить массу и размер суперконденсаторной сборки на 30% по сравнению с аналогичными устройствами.

В сухом остатке

В качестве вывода можно подвести итоги, указав преимущества и недостатки суперконденсаторов. Некоторые из них упоминались выше, но сейчас стоит перечислить все это отдельно.

  • Относительно невысокая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 Фарад.
  • Крайне высокая плотность мощности.
  • Высокий КПД цикла, который достигает 95% и выше.
  • Надежность, длительный срок службы.
  • Широкий диапазон рабочих температур.
  • Огромное количество циклов с неизменными параметрами.
  • Высокая скорость заряда и разряда.
  • Допустимость разряда до нуля.
  • Относительно небольшой вес.

Недостатки:

  • Относительно небольшая энергетическая плотность.
  • Высокая степень саморазряда. Небольшое напряжение из расчета на единицу элемента.

Достоинств все же больше, чем недостатков, и благодаря этому технология активно внедряется во все большее количество отраслей. Сейчас удельная емкость суперконденсаторов увеличивается, а время заряда — наоборот, снижается. При достижении определенного предела можно будет говорить о полной замене аккумуляторов на суперконденсаторов в некоторых сферах, что, в целом, уже и происходит.

Источник

Суперконденсаторы: принцип работы и алгоритм выбора

Все чаще в составе современных электронных устройств можно встретить суперконденсаторы. Суперконденсаторы способны выступать как в качестве основных элементов питания, так и в качестве буферных элементов для сглаживания провалов напряжения аккумуляторов при работе с импульсной нагрузкой.

Наравне с термином «суперконденсатор» в литературе часто применяют альтернативные названия, например, «ультраконденсатор» или «ионистор». Все эти именования используются для обозначения одного и того же компонента – конденсатора с двойным электронным слоем. Впервые суперконденсатор был создан в далеком 1957 году компанией General Electric. Позднее аналогичные компоненты выпускались различными производителями по всему миру, в том числе и в СССР (например, ионисторы КИ1-1).

Принцип работы суперконденсатора

Структура и принцип работы суперконденсатора поясняются на рис. 1. Суперконденсатор состоит из электродов, графитового сепаратора и электролита. При приложении внешнего напряжения носители заряда образуют два электронных слоя на границе сепаратора и электролита. Чем больше площадь поверхности сепаратора, тем больше будет накапливаемый заряд. Из рисунка видно, что в отличие от аккумуляторов в суперконденсаторе отсутствуют химические реакции, а энергия накапливается в виде статического заряда, как и в обычных конденсаторах.

Структура и принцип действия суперконденсатора

Рис. 1. Структура и принцип действия суперконденсатора

Основные характеристики суперконденсаторов

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. В последнее время, благодаря большой емкости, суперконденсаторы становятся отличной альтернативой для аккумуляторов в широком спектре малопотребляющих устройств. Сравнение некоторых параметров суперконденсаторов и аккумуляторов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение параметров суперконденсаторов и аккумуляторов

Параметр

Суперконденсатор

Литий-ионный аккумулятор

Срок службы (циклов)

1 миллион циклов
или 30 000ч

Удельная энергия (Вт·ч/кг)

Удельная мощность (Вт/кг)

Время наработки на отказ)

Диапазон температур заряда

Диапазон температур разряда

Емкость – один из важнейших параметров для любого накопителя энергии. По величине удельной емкости на единицу массы суперконденсаторы значительно превосходят обычные конденсаторы (в том числе, электролитические), но в свою очередь так же сильно уступают аккумуляторам (рис. 2). По этой же причине стоимость единицы емкости для суперконденсаторов оказывается существенно выше, чем для аккумуляторов.

Сравнение удельной емкости накопителей энергии

Рис. 2. Сравнение удельной емкости накопителей энергии

Вторым по важности параметром накопителя энергии является разрядный ток. По этому показателю лидируют обычные конденсаторы, которые из-за низкого собственного сопротивления способны выдерживать огромные импульсы тока. Аккумуляторы наоборот отличаются высоким сопротивлением и чрезвычайно чувствительны к большим разрядным токам. Например, литий-ионные аккумуляторы склонны к перегреву и разрушению при быстром разряде. Суперконденсаторы характеризуются более высоким последовательным сопротивлением, чем простые конденсаторы, однако существуют модели, способные выдерживать разрядные токи до сотен ампер.

Высокое сопротивление создает проблемы не только с точки зрения разогрева, но и с точки зрения просадки напряжения при импульсной нагрузке. Импульсное потребление характерно для большинства современных систем, но особенно ярко оно проявляется в устройствах с беспроводными радиопередатчиками. На рис. 3 представлен пример преждевременного отключения системы с аккумуляторным питанием из-за просадки напряжения. При передаче данных по беспроводному каналу потребление системы существенно возрастает, однако аккумулятор не способен выдать требуемую мощность мгновенно. Из-за этого напряжение на нагрузке проседает и может опуститься ниже порогового значения. Пороговое значение ограничивает минимально допустимое напряжение питания, ниже которого происходит отключение устройства. На рис. 3 пороговое значение составляет 1 В. В результате просадки напряжения устройство отключается, несмотря на то, что уровень заряда аккумулятора на самом деле остается высоким. Во многих случаях с данной проблемой не могут справиться даже развязывающие конденсаторы.

Читайте также:  Потребление электроэнергии по току нагрузки

Провалы напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления аккумулятора

Рис. 3. Провалы напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления аккумулятора

Суперконденсаторы способны выдавать достаточно высокую импульсную мощность и позволяют решить проблему просадки напряжения (рисунок 4). Для этого суперконденсатор включается параллельно с аккумулятором. В данном случае ультраконденсатор не только предотвращает ложные выключения системы, но и защищает аккумулятор от пиковых токов, которые негативно влияют на срок его службы и могут в некоторых случаях банально вызвать его перегрев и разрушение. Таким образом, режим буферного элемента является одним из основных вариантов использования суперконденсаторов. Подробнее об этом вопросе рассказывается в статье «Расстояние не помеха. Эффективный радиус действия суперконденсаторов CAP-XX».

 Суперконденсатор не только предотвращает ложные выключения, но и защищает аккумулятор от пиковых токов

Рис. 4. Суперконденсатор не только предотвращает ложные выключения, но и защищает аккумулятор от пиковых токов

В последнее время наблюдается бурное развитие малопотребляющей электроники. Современные электронные системы могут потреблять всего лишь сотни мкА в активном режиме и доли мкА в режиме ожидания. Очень часто для питания таких устройств используют различные маломощные харвестеры энергии: солнечные батареи, виброхарвестеры, термогенераторы и т.д. Для накопления энергии этих преобразователей не всегда можно использовать конденсаторы. Например, устройство может накапливать энергию несколько часов, после чего выполнять быструю отправку данных по радиоканалу и снова засыпать. Высокий саморазряд конденсаторов не позволит работать в таком режиме. В то же время суперконденсатор окажется вполне приемлемым вариантом на роль накопителя энергии. Пример такого режима работы рассматривается в статье «Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей».

Однако при использовании суперконденсатора в качестве основного элемента питания необходимо учитывать две важные особенности. Во-первых, суперконденсаторы обладают низким рабочим напряжением 2,3…2,75 В (хотя на рынке присутствуют модели с напряжением 3 В, например, суперконденсаторы от VINATech). Этого не всегда достаточно, а значит, может потребоваться последовательное включение нескольких элементов, что приведет к уменьшению суммарной емкости. В то же время у литий-ионных аккумуляторов номинальное напряжение составляет 3,6 В, что является оптимальным значением для большинства современных микросхем.

Во-вторых, еще одним недостатком суперконденсаторов становится линейный характер разряда. Разумеется, предсказуемая форма разряда это хорошо, но не всегда. На рис. 5 представлен пример, в котором система достигает граничного напряжения (минимально допустимое напряжение питания) в тот момент, когда суперконденсатор разряжен всего лишь на 50%. По этой причине для нормальной работы устройства может потребоваться дополнительный повышающий регулятор. В то же время аккумуляторы характеризуются относительно небольшим уменьшением напряжения в рабочем диапазоне.

Разрядные характеристики аккумуляторов и суперконденсаторов

Рис. 5. Разрядные характеристики аккумуляторов и суперконденсаторов

Еще одним преимуществом суперконденсаторов перед аккумуляторами является широкий диапазон рабочих температур. Это касается как процесса заряда, так и процесса разряда. На рынке присутствуют модели суперконденсаторов, которые способны работать при отрицательных температурах до -40°С и при положительных до +125 °С. В качестве примера можно привести ультраконденсторы от компания FastCAP (рис. 6). Разумеется, на рынке присутствуют и аккумуляторы с широким диапазоном рабочих температур, однако речь идет о специализированных решениях.

Существуют модели ультарконденсаторов, способные работать в широком диапазоне температур

Рис. 6. Существуют модели ультарконденсаторов, способные работать в широком диапазоне температур, например, ультраконденсторы от компания FastCAP

Примеры суперконденсаторов

В заключение краткого экскурса по суперконденсатором приведем некоторые конкретные примеры.

Широкий спектр суперконденсаторов выпускает компания LS Mtron, которая была создана на базе одного из подразделений LG Electronics. В номенклатуре LS Mtron можно найти модели с традиционной рулонной и прямоугольной конструкцией, а также суперконденсаторные батареи и модули (рис. 7).

Суперконденсаторы FastCAP отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С

Рис. 7. Суперконденсаторы FastCAP отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С

Еще одним известным производителем суперконденсаторов является компания SPSCAP, которая предлагает несколько серий одноячеечных суперконденсаторов с диапазоном выходных токов 0,9…250 А (рис. 8). SPSCAP также выпускает ультраконденсаторные батареи.

Суперконденсаторы от компании SPSCAP

Рис. 8. Суперконденсаторы от компании SPSCAP

Интересный модельный ряд суперконденсаторов предлагает корейская компания VINATech. Кроме того, это один из немногих производителей, который выпускает суперконденсаторы с рабочим напряжением 3,0 В.

Суперконденсаторы и суперконденсаторные батареи от VINATech с рабочим напряжением до 3 В

Рис. 9. Суперконденсаторы и суперконденсаторные батареи от VINATech с рабочим напряжением до 3 В

На портале УНИТЕРа мы также неоднократно рассказывали и о некоторых уникальных решениях, к числу которых можно отнести и сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 от компании Murata. Эти суперконденсаторы имеют толщину всего 0,4 мм (рис. 10).

Сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0

Рис. 10. Сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 имеют толщину всего 0,4 мм

В одной из статей мы также рассказывали о суперконденсаторах от компании FastCAP , которые отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С (рис. 11).

Суперконденсаторы от компании FastCAP с широким диапазоном рабочих температур

Рис. 11. Суперконденсаторы от компании FastCAP с широким диапазоном рабочих температур

Алгоритм выбора суперконденсаторов

Как уже отмечалось выше, суперконденсаторы могут использоваться либо в качестве основного накопителя энергии, либо в качестве буферного элемента при работе в связке с основным аккумулятором. Разумеется, алгоритм выбора суперконденсатора в этих случаях будет отличаться, однако основные шаги будут примерно одинаковыми.

Для начала следует определиться с основными параметрами суперконденсатора – с рабочим напряжением и с максимальным выходным током.

Суперконденсаторы не любят перенапряжений, по этой причине при выборе подходящего накопителя следует позаботиться о согласовании рабочего напряжения. Для увеличения рабочего напряжения можно использовать последовательное включение суперконденсаторов, однако не стоит забывать, что в таком случае емкость будет уменьшаться. Кроме того, при необходимости следует предусмотреть защитные цепи для ограничения напряжения.

Далее следует рассчитать величину емкости. Рассмотрим алгоритм расчета, предложенный компанией SPSCAP. Для начала необходимо выбрать сценарий разряда суперконденсатора. Разряд может происходить либо с постоянным током, либо с постоянным напряжением.

Разряд с постоянным током. При таком сценарии ток разряда имеет фиксированное значение, а емкость будет рассчитываться по формуле:

C = It / (Vwork -Vmin),

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, I – ток разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если Vwork=5 В, Vmin=4,2 В, t = 10 с, I =100 мА = 0,1 А, тогда:

C = 0,1 * 10 / (5 -4,2) = 1,25 Ф.

При выборе конкретной модели суперконденсатора необходимо предусмотреть некоторый запас по емкости. Кроме того, следует учесть температурную зависимость емкости. После выбора конкретной модели суперконденсатора следует свериться с температурной характеристикой, чтобы убедиться в том, что емкость превышает рассчитанное значение во всем диапазоне рабочих температур.

Разряд с постоянной мощностью. В таком случае мощность разряда остается фиксированной, а емкость будет рассчитываться по формуле:

C = 2Pt/ (Vwork 2 -Vmin 2 )

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, P – мощность разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если предполагается разряд суперконденсатора в течение 10 секунд при постоянной мощности 200 кВт, а диапазон рабочего напряжения составляет 450 В — 750 В, тогда требуемая емкость составит:

С = 2 * 200 кВт * 10 / (750 2 -450 2 ) = 11 Ф

В данном случае вновь следует предусмотреть некоторый запас и температурную зависимость емкости.

Источник

Суперконденсатор

Научно-технический прогресс во всех сферах деятельности человечества всё более нуждается в резервных источниках электрической энергии. Современные аккумуляторы сложны в обслуживании и ограничены в объёме электрического заряда. Суперконденсатор (ионистор) – это мощный накопитель электричества, который в будущем заменит традиционные аккумуляторы.

Суперконденсаторы

Концепция

Конденсаторы большой ёмкости накапливают электрический заряд за счёт двойного электрического слоя. Двойной электрический слой (ДЭС) позволяет сохранять энергетический потенциал на несколько порядков выше, чем это может обычный конденсатор.

ДЭС – это прослойка между обкладками из ионов, покрывающая поверхность частиц на границе фаз. Заряд одного слоя ионов компенсируется потенциалом второго слоя противоионов. Толщина ДЭС ничтожно мала, в то же время площадь пористых обкладок огромна.

Ионистор использует ДЭС между углем и электролитом. Электрод – это твёрдый активированный уголь, а электролит представлен в жидкой форме. При плотном контакте этих двух сред положительные и отрицательные полюсы имеют между собой очень узкий зазор. При воздействии электрического поля образуется двойной электрический слой на граничащей с углём поверхности электролита.

Ионистор с двойным электрическим слоем

Применение двойного электрического слоя вместо диэлектрика даёт возможность неограниченно увеличивать поверхность электрода. В результате небольшой суперконденсатор может обладать ёмкостью в несколько фарад при напряжении от 2 до 10 вольт.

Важно! Совершенствование ионистора приведёт к тому, что в большинстве случаев будут использовать суперконденсатор вместо аккумулятора.

История создания суперконденсатора

В 1957 году американской фирмой General Electric был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем и пористыми угольными электродами. Концепция патента заключалась в том, что накопление электрического потенциала происходило в угольных порах.

Однако уже в 1966 году фирма из штата Огайо SOHIO получила патент на ионистор, скапливающий заряд в двойном электрическом слое. В 1971 году фирма NEC, перекупившая патент у SOHIO, стала производить изделия под названием Суперконденсатор (Supercapacitor).

В 1978 году японский производитель радиотехники Panasonic заполнил рынок ионисторами под названием Золотой конденсатор (Gold capacitor). В этом же году в СССР были разработаны и изготовлены первые суперконденсаторы ёмкостью от 0,1 до 50 фарад.

Типы ионисторов

Суперконденсаторы делят на три типа:

  1. «Идеальный» ионистор – конденсатор с идеально поляризуемыми угольными электродами. Заряд происходит за счёт ионного переноса с одного на другой электрод. В качестве электролита применяют 30% раствор гидрооксида калия (КОН) или 38% раствор серной кислоты (H2SO4).
  2. Конденсаторы со слабо поляризуемыми катодами или анодами – гибридные ионисторы. Электрохимическая реакция происходит только на одном из электродов.
  3. Псевдоконденсаторы – это ионисторы с электродами, на поверхности которых происходят обратимые электрохимические процессы. Изделия обладают высокой удельной ёмкостью.

Сравнение

Суперконденсаторы (СК) в основном используют тогда, когда нужно сохранить информацию в памяти различных устройств и кратковременно поддержать их питание. Ионисторы препятствуют потере данных и сбросу настроек в мобильных электронных аппаратах во время смены элементов питания (батарейки, аккумуляторные батареи).

Обратите внимание! Наряду с этим, нельзя полноценно использовать суперконденсатор вместо аккумулятора (АКБ). Если сравнивать ионистор с АКБ, то можно отметить определённые преимущества и недостатки СК.

Преимущества

  • Зарядка и разрядка большого по силе тока;
  • Устойчивость к потере качеств после 100 тыс. циклов заряда – разряда;
  • Внутреннее сопротивление не позволяет возникать быстрому саморазряду, перегреву и разрушению СК;
  • После 50 тыс. часов эксплуатации ионистор теряет незначительную часть ёмкости;
  • Ионистор обладает незначительной массой, по сравнению с аналогичными электролитическими конденсаторами;
  • Невосприимчивость к резким перепадам температуры окружающей среды;
  • Стойкость к внешним механическим воздействиям.

Недостатки

  • Высокий риск разрушения при коротком замыкании для СК большой ёмкости и низким внутренним сопротивлением;
  • Низкое рабочее напряжение;
  • Высокая степень саморазряда;
  • Замедленная отдача заряда;
  • Высокая стоимость.

Материалы

Основным материалом для СК является активированный уголь в измельчённом состоянии. Из него формируют электроды ионисторов. Общая площадь поверхности гранул позволяет концентрировать большой величины электрический потенциал.

Плотность энергии

По этому показателю ионисторы находятся между электролитическими конденсаторами и свинцовыми, полимерными аккумуляторами. Последние разработки позволили получить СК, по своим характеристикам приближенные к параметрам аккумуляторов.

Последнее достижение в этой области – это суперконденсатор, созданный индийскими и корейскими учёными с применением графена и азота. Опытный образец превосходил в два раза характеристики свинцового аккумулятора.

Практическое применение суперконденсаторов

Современные ионисторы нашли широкое применение в таких сферах, как:

  1. Транспортные средства;
  2. Бытовая электроника.
Читайте также:  Какую роль выполняют сторонние силы в источнике тока

Транспортные средства

Суперконденсаторы с недавнего времени стали встраивать в транспортные средства, питанием которых является электроэнергия.

Тяжёлый и общественный транспорт

Не так давно на улицы Минска вышли на маршруты электробусы совместного производства южно-корейской компании Hyundai Motor и белорусского предприятия Белкоммунмаш. Новый общественный транспорт оснащён электрическим двигателем, питающимся энергией бортовых ионисторов. Москвичей порадовали электрические автобусы отечественного производства, вышедшие на городские маршруты в мае 2019 года.

Городской транспорт на ионисторах способен проходить маршрут до конечной остановки с подзарядкой на 2 или 3 остановках. Время подзарядки занимает 2-3 минуты, что вполне хватает для высадки и посадки пассажиров. Полную зарядку конденсаторной системы питания производят на конечных станциях в течение 8-10 минут.

Автомобили

Мировые лидеры по производству автомобилей постоянно совершенствуют свои электромобили. На международных выставках особое внимание уделяется машинам, питание которых обеспечивают суперконденсаторы.

Автомобильный суперконденсатор

Недавно российскими производителями был представлен Ё-мобиль, использующий суперконденсаторы как основной источник электроэнергии.

Дополнительная информация. В автомашинах, работающих на жидком топливе, стали всё чаще применять ионисторы для лёгкого пуска двигателя в условиях низких температур.

СК для пуска двигателя

Автогонки

Автомобильные компании, производящие электромобили и их гибридные модификации, регулярно проводят автогонки с участием машин на ионисторах. Это делается для рекламы и продвижения своей продукции на мировом авторынке.

Бытовая электроника

Ни одно сложное электронное устройство не обходится без суперконденсаторов. Их можно найти в резервном питании ноутбуков, смартфонов и в других приборах бытового назначения. Ионисторы необходимы там, где нужно поддержать электропитание во время прерывания связи с основным источником тока.

Источники бесперебойного питания (ИБП) построены на ионисторах. ИБП незаменимы там, где электроснабжение зависит от непостоянных источников электроэнергии, таких как ветрогенераторы, солнечные батареи и пр.

Ионистор для ИБП

Перспективы развития

В недалёком будущем ожидается массовое производство гибридного общественного транспорта. Это троллейбусы, которые смогут преодолевать участки дорог без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Они смогут маневрировать в тех местах, где штанги будут непреодолимой помехой движению транспорта.

Учёными всего мира ведутся поиски новых материалов для создания особо мощных суперконденсаторов. Такие ионисторы могли бы полностью заменить традиционные аккумуляторы.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора в домашних условиях понадобятся:

  • фольга из пачки сигарет (диэлектрик);
  • таблетки активированного угля (электрод);
  • водорастворимый акриловый лак или клей ПВА (электролит).

Изготовить самодельный ионистор можно следующим образом:

  1. Из фольги вырезают 2 прямоугольника.
  2. Таблетки угля размалывают в ступке до состояния мелкого порошка. Это можно сделать и в кофемолке.
  3. Угольный порошок перемешивают с акриловым лаком.
  4. Полученную смесь наносят кисточкой на один из отрезков фольги.
  5. После просушки наносят второй угольный слой, затем процесс повторяют.
  6. Используя клей ПВА, приклеивают второй прямоугольник из фольги. Суперконденсатор готов.
  7. Подсоединив проводки к двум противоположным сторонам изделия, можно зарядить ионистор с помощью любой батарейки.

Суперконденсатор своими руками

Научно-технический прогресс в создании совершенных источников электроэнергии ни на секунду не замирает. В скором будущем будут созданы высоковольтные суперконденсаторы высокого качества, которые сделают технологический переворот практически во всех сферах деятельности человечества.

Видео

Источник



Стражи больших энергий: мощные конденсаторы Vishay из линейки ESTA

23 августа 2011

Силовая электроника на сегодняшний день является одной из востребованных и быстроразвивающихся областей техники. К основным тенденциям данной отрасли можно отнести улучшение силовых характеристик управляющих полупроводниковых приборов и применение систем интеллектуального управления. Не менее важным является стремление к экономичным и энергосберегающим решениям.

Vishay ESTA является одним из немногих мировых производителей, предлагающих практически полный спектр силовых конденсаторов для различных условий и сфер применения — фильтрации гармоник, уменьшения энергопотерь, стабилизации напряжения, улучшения массогабаритных характеристик.

Один из целевых сегментов рынка конденсаторов Vishay — энергогенерирующие установки, «зеленые» технологии — ветряные электростанции и солнечные панели.

Кроме этого силовые конденсаторы Vishay находят свое применение в высоко-, средне- и низковольтных сетях транспортировки и распределения электроэнергии. Их эффективная работа позволяет снизить потери энергии на передачу и, как следствие, снизить выбросы СО2 в атмосферу.

Еще одна область применения включает в себя RFI-фильтры, преобразователи напряжения в тяговых и промышленных двигателях.

Конденсаторы для печей
индукционного нагрева

Основная функция силовых конденсаторов в печах индукционного нагрева — подстройка рабочих контуров. Сейчас помимо печей, работающих на токах промышленной частоты (как правило, это печи высокой мощности или печи старой конструкции), более популярными в применении (и более экономичными) становятся индукционные печи с полупроводниковыми преобразователями частоты (тиристорными или транзисторными). Реализуются два варианта исполнения стационарных мощных полупроводниковых преобразователей:

  • Инвертор тока с параллельной батареей конденсаторов;
  • Инвертор напряжения с последовательной батареей конденсаторов.

Конденсаторы Vishay для печей индукционного нагрева (рис. 1) отвечают требованиям стандартов EN 60110/1 (2) и IEC 60110/1.

Конденсаторы для печей индукционного нагрева

Рис. 1. Конденсаторы для печей индукционного нагрева

Конденсаторы для сетей промышленной частоты (50/60 Гц) напряжений 230…3000 В мощностью до 800 кВар; для средней частоты — 150…100000 Гц, мощностью до 10000 кВар. Основные серии:

  • Phao- 850…3000В (50/60Гц), однофазные с естественным охлаждением, -25…40°С;
  • Phao…/mF- среднечастотные конденсаторы (

4000Гц) с естественным охлаждением, -10…65°С;

  • Phawo…k- 230…2500В, частоты от 150 до 5000Гц, водяное охлаждение (температура воды на выходе максимум 40°С), температурный диапазон 1…50°С (возможно подключение датчиков давления или температуры);
  • Phawo…kS- 230…3000В, частоты от 150 до 10000Гц, с промежуточными выводами (до8), водяное охлаждение (температура воды на выходе максимум 40°С), температурный диапазон 1…50°С (возможно подключение датчиков давления или температуры);
  • Phawo- 500…1000В, частоты от 10 до 100кГц, с промежуточными выводами (6), водяное охлаждение (температура воды на выходе максимум 40°С), температурный диапазон 1…50°С;
  • Phawoz- 230…2500В, частоты от 1000 до 10000Гц, с двойными выходами для повышения нагрузки, водяное охлаждение (температура воды на выходе максимум 40°С), температурный диапазон 1…50°С (возможно подключение датчика давления);
  • Phmkp- 230…525В (50/60Гц), однофазные с естественным охлаждением, -25…40°С;
  • Phmkp…-DR/Phmkpg…-DR- 200…1000В (50/60Гц), однофазные с естественным охлаждением, -25…40°С, самовосстанавливающиеся с аварийным отключением в случае избыточного давления или возникновения утечки.
    • Компактное исполнение;
    • Адаптация под приложения заказчика;
    • Возможность работы в экстремальных условиях;
    • Легкость интеграции;
    • Низкая индуктивность.

    Конденсаторы для силовой электроники

    Конденсаторы для источников питания, стабилизаторов, преобразователей напряжения или частоты работают в условиях больших коммутируемых токов, реактивных нагрузок, с напряжением различной формы. Типичные области применения включают в себя:

    • Преобразователи напряжения в локомотивах, электропоездах, городском электротранспорте, промышленных источниках питания;
    • Источники питания постоянного тока;
    • Промышленные источники питания;
    • Системы тестирования высоковольтных линий;
    • Импульсные разрядники.

    Предлагаемые Vishay конденсаторы для силовой электроники (рис. 2) отвечают требованиям стандартов IE C 61071, IEC 61881, также возможна адаптация продукции под спецификации заказчика.

    Конденсаторы для силовой электроники

    Рис. 2. Конденсаторы для силовой электроники

    Ассортимент конденсаторов позволяет сделать оптимальный выбор практически для любого типа приложений с переменным напряжением вплоть до 24 кВ, для постоянного напряжения — до 125 кВ с уровнями концентрации энергии в конденсаторе до 15 кДж.

    Серия DCMKP — низкоиндуктивные конденсаторы ( -4 на 2 кГц), предназначенная для конверторов напряжения и частоты, промышленных и тяговых двигателей, источников бесперебойного питания, медицинского оборудования. Номиналы 1 пФ…230 мкФ при напряжениях 700…2150 В.

    HDKMP — конденсаторы для сетей постоянного тока с высоким уровнем среднеквадратичного тока до 150 А и пиковым током до 25 кА, обладают низкой индуктивностью и устойчивостью к механическим воздействиям. Основное целевое применение — фильтры питания в различных силовых установках (тяговые двигатели, ветровые турбины, источники бесперебойного питания).

    Низковольтные конденсаторы
    для силовой электроники

    Низковольтные (относительно, конечно — «всего» 230…1000 В) применения конденсаторов включают в себя, прежде всего, компенсацию перепадов напряжения и фильтрацию гармоник в системах, использующих токи промышленной частоты (50…60 Гц). Предназначены для работы с напряжениями диапазона 230…1000 В с уровнями энергий порядка 2,5…56,2 кВар для алюминиевых корпусов и до 500 кВар в стальном корпусе. Выпускаются в сериях для применения внутри помещений — PhMKD и для условий внешней среды — PhMKDg (рис. 3).

    Низковольтные конденсаторы для силовой электроники

    Рис. 3. Низковольтные конденсаторы для силовой электроники

    В качестве преимуществ можно указать низкий коэффициент потерь, компактные размеры, хорошее рассеяние излишнего тепла, длительное время наработки на отказ (свыше 150000 часов), соответствие стандартам EN 60831/1 и 2, EIC 60831/1 и 2.

    Высоковольтные конденсаторы
    для силовой электроники

    Основное назначение:

    Высоковольтные конденсаторы Vishay выпускаются вплоть до уровней напряжения 24 кВ и мощности до 900 кВар. Предлагаются также банки конденсаторов, позволяющие оперировать напряжениями до 800 кВ.

    Выпускаются в версиях с одной и двумя контактными втулками, предлагаются одно- и трехфазные конденсаторы (рис. 4).

    Высоковольтные конденсаторы для силовой электроники

    Рис. 4. Высоковольтные конденсаторы для силовой электроники

    Конструктивные решения позволяют объединять отдельные конденсаторы в банки и конденсаторные поля с защитой от дисбаланса фаз.

    Конденсаторы для высоковольтных
    источников питания

    Высоковольтные источники питания находят применение в системах формирования медицинских изображений, CRT-мониторах, электростатическом нанесении покрытий (автомобильная индустрия), электростатических фильтрах (промышленные помещения).

    Высоковольтные конденсаторы Vishay соответствуют стандартам EN 50176, EN 50177, EN 50223, EN 50348. Диапазоны рабочих постоянных напряжений 1…100 кВ (рис. 5).

    Конденсаторы для высоковольтных источников питания

    Рис. 5. Конденсаторы для высоковольтных источников питания

    Конденсаторы являются компактным, гибким, надежным решением для высоковольтных источников питания широкого спектра назначений и областей промышленности. Предлагаются в виде высоковольтных систем серий BG 1971-000-9000A, BG 1971-000-9700 и BG 1972-6100-010, BG 1972-6123-01.

    BG 1971-000-9000A, BG 1971-000-9700 — компактные приборы с интегрированной платой управления для систем нанесения жидкой краски или напыления порошковых покрытий. Напряжение питания 30 В при токе потребления 1,5…5 А, выходное напряжение до 100 кВ, ток 250…500 мкА.

    BG 1972-6100-010, BG 1972-6123-01 — компактные высоковольтные генераторы в цилиндрическом корпусе с напряжением питания 1…24 В и выходным напряжением до 100 кВ.

    Заключение

    В российских условиях наиболее интересны приложения, связанные с системами производства, преобразования и распределения электроэнергии, источники вторичного питания, электротранспорт (от локомотивов до городского транспорта и погрузчиков в торговых центрах), аппаратура для нанесения покрытий.

    Вследствие разнообразия реализованных параметров, эффективных решений с низкими активными и реактивными потерями, а также благодаря конструктивным решениям конденсаторы Vishay являются перспективной элементной базой для применения в устройствах силовой электроники, как для новых разработок, так и для замены старых и вышедших из строя элементов. Несложно подсчитать, что переход на элементы с меньшими потерями в установках, где энергия измеряется киловаттами, даст ощутимый эффект даже при уменьшении потерь на единицы процентов.

    Литература

    6. Vishay — Capacitors — Pha… Power Capacitors — High Voltage Power Capacitors http://www.vishay.com/capacitors/list/product-13045/

    Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: discret.vesti@compel.ru

    Vishay Precision Group Inc. запустила в производство VHZ Hermetic (Z-Foil) — новую серию сверхпрецизионных резисторов в герметичном корпусе

    Предлагаемые изделия имеют следующие области применения: первичное и вторичное выпрямление, обратная связь в операционных усилителях, прецизионные делители напряжения, шунты измерительных приборов.

    • Величина ТКС ±0,2ppm/°C (-55…125°C)
    • Уход номинала после 10000 часов работы (0,15Вт; 70°C) не более 0,005%
    • Номиналы 5 Ом…121 кОм
    • Заказ нестандартного номинала (1К2345) не влияет на стоимость изготовления
    • Устойчивость к электростатическому напряжению 25кВ
    • Рассеиваемая мощность 0,6Вт при 70°C; 0,3Вт при 125°C
    • Наводимая термоЭДС 0,1мкВ/°C
    • Безындуктивный и безъемкостной корпус
    • Уровень токовых шумов менее -40дБ
    • Уход номинала под воздействием напряжения менее 0,1ppm/В
    • Стабилизация номинала в течение 1с после шокового температурного воздействия (уход номинала 10ppm)
    • Паразитная индуктивность менее 0,08мкГн.

    Компания Vishay Intertechnology Inc. запустила в производство новые серии низкопрофильных индуктивностей в форм-факторе 1212 серии IHLP

    Предлагаемые изделия имеют максимальную рабочую частоту 1 МГц, диапазон рабочих температур -55…125°C.

    Области применения: DC/DC-преобразователи, распределенные системы питания, питание FPGA в электронных устройствах.

    • Номиналы 0,22…0,56мкГн
    • Диапазон токов насыщения 6,7…9,3А
    • Сопротивление по постоянному току 9,5…18,7мОм
    • Номиналы 0,22…1мкГн
    • Диапазон токов насыщения 5,3…9А
    • Сопротивление по постоянному току 9,5…29,5мОм

    Источник

    Конденсатор вместо аккумулятора

    Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

    Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

    Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

    При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

    Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

    Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

    Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

    Использование двойного электрического слоя

    На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

    Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

    Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.


    Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

    Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

    Техническая реализация

    Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

    Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

    Параметры суперконденсаторов

    Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

    Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.


    Принципиальная схема источника бесперебойного питания
    напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
    на одной микосхеме производства LinearTechnology

    Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

    Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

    Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

    Накапливаемая энергия

    Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

    E = CU 2 /2,
    где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

    Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

    W = CU 2 /7200000

    Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

    Применение суперконденсаторов

    Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.


    Грунтовый светодиодный светильник с питанием
    от солнечных батарей, накопление энергии
    в котором осуществляется в суперконденсаторе

    Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

    Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

    Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

    Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

    Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

    Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

    В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

    Источник