Опубліковано 04.04.2016 2:39 Автор: Abramova Olesya
Суперконденсатор, також відомий як ультраконденсатор або двошаровий конденсатор, відрізняється від звичайного конденсатора тим, що має дуже велику ємність. Конденсатор зберігає енергію за допомогою статичного заряду, на противагу електрохімічних реакцій батареї. Застосування диференціального напруги на позитивну і негативну пластини заряджає конденсатор. Це схоже на накопичення статичного заряду при терті. Дотик ж до пластини конденсатора вивільнить енергію.
Існує три типи конденсаторів, основним серед них є електростатичний конденсатор з сухим сепаратором. Ця класична модель конденсатора має дуже маленьку ємність і в основному використовується в радіоелектроніці. Ємність конденсатора вимірюється в Фарада і для електростатичного коливається в діапазоні пикофарад (пФ).
Наступний тип конденсатора - електролітичний, він забезпечує більш високу ємність в порівнянні електростатичним і оцінюється в мікрофарадах (мкФ), що в мільйон разів більше пікофарад. Сепаратор в таких конденсаторах вологого типу. Як і в електричних батареях, конденсатори мають різні полюси, яких необхідно дотримуватися при використанні.
Третій тип - це суперконденсатор, його ємність оцінюється в Фарада і в тисячі разів більше ємності електролітичного. Суперконденсатор використовується для зберігання енергії, яка піддається частим циклам заряду / розряду при високих значеннях сили струму і короткою тривалістю.
Одиниця виміру ємності фарад, названа так на честь англійського фізика Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад зберігає один кулон електричного заряду при напрузі один вольт. Один микрофарад в мільйон разів менше Фарада, а пикофарад в мільйон разів менше мікрофарад.
Інженери General Electric почали експериментувати з ранньою версією суперконденсатора ще в 1957 році, але комерційного інтересу ці розробки не викликали. У 1966 році Standart Oil заново випадково виявили ефект двошарового конденсатора під час роботи з експериментальними конструкціями паливних елементів. Двошарова структура значно покращувала здатність накопичувати енергію. Технологія знову була комерціалізувати і лише 1990-х знайшла своє застосування.
Розвиток суперконденсаторів тісно переплетено з технологіями електрохімічних джерел струму, саме звідти були запозичені спеціальні електроди і електроліт. У той час як основний електрохімічний двошаровий конденсатор (EDLC) залежить від електростатичного дії, асиметричний двошаровий електрохімічний конденсатор (AEDLC) використовує батарееподобние електроди для одержання більш високої щільності енергії, але це обмежує його життєвий цикл і наділяє обмеженнями, подібними на обмеження електрохімічного джерела струму. Багатообіцяючим виглядає використання графена в якості матеріалу електрода, але дослідження в цьому напрямку поки тільки ведуться.
Було випробувано багато типів електродів, і найбільш поширеною системою електрохімічного двошарового суперконденсатора сьогодні є версія на основі вуглецю з органічним електролітом. Незаперечною перевагою такого суперконденсатора є простота виготовлення.
Всі конденсатори мають межа напруги. У той час як електростатичний конденсатор є високовольтним, суперконденсатор обмежений напругою в 2,5-2,7 В. Підвищення значення напруги вище цього рівня можливо, але негативно позначається на тривалості терміну служби. Тому для отримання більш високої напруги використовують послідовне з'єднання декількох суперконденсаторів. У свою чергу, послідовне з'єднання зменшує загальну ємність і збільшує внутрішній опір. Таке з'єднання більш ніж трьох конденсаторів вимагає додаткової балансування для уникнення перенапруги окремої комірки. Схожим чином реалізована система захисту літій-іонного акумулятора.
Питома енергоємність суперконденсатора коливається від 1 до 30 Вт * ч / кг, що в 10-50 разів менше показника літій-іонного акумулятора. Ще одним недоліком є крива розряду. У той час як електрохімічні батареї забезпечують постійну напругу в корисному діапазоні потужності, напруга суперконденсаторів зменшується лінійно, що скорочує спектр доступної потужності. (Дивіться: Базові знання про розряді електрохімічного джерела струму ).
Візьміть джерело струму з номінальною напругою 6 В і напругою відсічення 4,5 В. Якщо це джерело струму - суперконденсатор, то через свого лінійного характеру розряду він досягне точки відсічення ще в першій чверті циклу, решта три чверті енергетичного резерву будуть недоступними для використання . Можна звичайно додатково використовувати перетворювач напруги - він дозволить користуватися джерелом живлення і з низьким значенням напруги, але це додає додаткові витрати і призводить до втрат енергії. Електрична ж батарея має графік розряду у вигляді відносно прямої лінії, що дозволяє використовувати від 90 до 95% накопиченої в ній енергії.
На малюнках 1 і 2 показані характеристики струму і напруги при заряді і розряді суперконденсатора. При зарядці напруга збільшується лінійно, а струм просідає, коли конденсатор повністю зарядився, внаслідок цього навіть відпадає необхідність використання системи детектування повного заряду. При розрядці напруження зменшується також лінійно. Для підтримки постійного рівня споживаної потужності при падінні напруги, перетворювач напруги буде споживати все більшу силу струму. Розряд буде досягнутий, коли навантажувальні вимоги більше не можуть бути задоволені.
Малюнок 1: Зарядні характеристики суперконденсатора. Напруга лінійно зростає при постійному рівні струму заряду. При повному заповненні конденсатора зарядний струм падає.
Малюнок 2: Розрядні характеристики суперконденсатора. При розряді напруга знижується лінійно. Опціональний перетворювач напруги може підтримувати певний показник напруги, але це збільшує показник сили струму розряду.
Час зарядки суперконденсатора становить від 1 до 10 секунд. Зарядні характеристики аналогічні характеристикам електрохімічних батарей, і в значній мірі обмежені допустимої силою струму зарядного пристрою. Суперконденсатор неможливо зарядити понад його ємності, внаслідок цього йому не потрібна система детектування повного заряду - ток просто перестає текти в нього.
У таблиці 3 порівнюються суперконденсатор і стандартний літій-іонний акумулятор.
Характеристики Суперконденсатор Стандартний літій-іонний акумулятор Час зарядки 1-10 секунд 10-60 хвилин Кількість циклів 1 мільйон або 30 тисяч годин 500 і вище Напруга осередку Від 2,3 до 2,75 В 3,6 В номінал Питома енергоємність (Вт * год / кг) 5 (стандартно) 120-240 Питома потужність (Вт / кг) до 10 тисяч 1000-3000 Вартість кілограм вати $ 10000 (стандартно) $ 250-1000 (великі системи) Час життя 10-15 років від 5 до 10 років допустимий зарядний діапазон температур від -40 ° С до 65 ° С від 0 ° С до 45 ° С допустимий розрядний діапазон температур від -40 ° С до 65 ° С від -20 ° С до 60 ° С
Таблиця 3: Порівняння продуктивності суперконденсатора і літій-іонного акумулятора.
Суперконденсатор можна заряджати та розряджати практично необмежену кількість разів. На відміну від електрохімічної батареї, в яку закладено життєвий цикл певного розміру, суперконденсатор практично нечутливий до впливу циклічного режиму роботи. Також слабкіше на нього діють і вікові зміни, пов'язані з деградацією матеріалів. При нормальних умовах ємність суперконденсатора після 10 років експлуатації зберігається на рівні 80% від номінальної. Але робота з високими напругами може знизити його термін життя. Також варто відзначити перевагу суперконденсатора за температурними показниках - слабким місцем всіх електрохімічних джерел струму.
Саморозряд суперконденсатора значно вище у звичайних конденсаторів і трохи перевищує показник електрохімічної батареї. Причиною такого високого саморазряда, головним чином, виступають властивості органічного електроліту. Для порівняння, суперконденсатор втрачає половину збереженої енергії за 30-40 днів, а свинцеві і літієві акумулятори саморазряжаются всього на 5% в місяць.
Суперконденсатори є ідеальним вибором у випадках, де виникає короткострокова потреба в харчуванні і є можливість швидкої зарядки. На противагу цьому, електрохімічні батареї оптимізовані для забезпечення щодо довгострокового електроживлення. Об'єднання цих двох систем в гібридний джерело живлення дозволяє використовувати сильні сторони кожної. Такі гібриди вже існують, наприклад, у вигляді союзу суперконденсатора і свинцево-кислотного електрохімічної системи .
Суперконденсатори знаходять своє застосування в системах, де необхідне забезпечення харчування тривалістю від декількох секунд до декількох хвилин, і також можуть бути швидко заряджені. Подібними властивостями володіє і маховик (інерційний акумулятор), тому суперконденсатор може виступати йому альтернативою в певних процесах, наприклад, транспортній сфері.
Сьогодні тривають випробування системи суперконденсаторів потужністю 2 мВт і системи маховиків потужністю 2,5 мВт для забезпечення руху Нью-Йоркській залізниці (Long Island Rail Road - LIRR). Метою цих випробувань є пошук рішення проблеми просідання напруги при розгоні. Обидві системи повинні забезпечувати безперебійну подачу електроенергії певної потужності протягом 30 секунд, а також заряджатися за такий же період часу. Головними вимогами є коливання напруги в діапазоні не більше 10%, низькі експлуатаційні витрати і довговічність не менше 20 років. (Поки що більший інтерес викликали маховики, так як вважається, що вони більш міцні й економічні, але випробування ще тривають).
Японія також активно досліджує і розвиває використання суперконденсаторів. Вже існують 4 мВт системи, встановлені в будівлях, призначення яких полягає в зменшенні навантаження на електромережі в години пік. Також існують системи, що забезпечують короткочасне електроживлення в моменти між відключенням електрики і запуском резервних генераторів.
Технології суперконденсаторів також змогли проникнути в область електротранспорту. Можливість зарядки за рахунок сил гальмування і здатність забезпечення високих показників сили струму для прискорення роблять суперконденсатори вкрай цікавими для гібридних і електричних транспортних засобів. Широкий діапазон робочих температур і довговічність дають перевагу над електрохімічними батареями в цій сфері.
Але недоліки суперконденсаторів, такі як низька питома енергоємність і висока вартість, спонукають деяких розробників робити вибір на користь більш ємного акумулятора за ту ж вартість. У таблиці 4 наведені переваги та недоліки суперконденсаторів.
Переваги Практично необмежений життєвий цикл; може бути перезаряджаючи мільйони разів
Висока питома потужність і низький внутрішній опір забезпечують високі струми навантаження
Процес зарядки займає секунди; сам припиняє процес зарядки
Простий процес і умови зарядки
Безпечний, стійкий до неправильної експлуатації
Відмінні показники роботи при низьких температурах Недоліки: низька питома енергоємність
Лінійний характер зниження напруги не дозволяє використовувати всю накопичену енергію
Високий саморозряд, вище, ніж у електричних батарей
Низька напруга осередку, необхідність послідовного з'єднання і балансування систем з декількох осередків
Висока вартість вата енергії
Таблиця 4: Переваги і недоліки суперконденсаторів.
Останнє оновлення 2016-02-29