Меню

Конденсатор большой емкости как аккумулятор

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.

Читайте также:  Как узнать марку аккумулятора если нет

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



Ионистор вместо аккумулятора: наглядная сборка накопителя энергии

Ионистор вместо аккумулятора-1

Ионистор вместо аккумулятора (он же суперконденсатор, ультраконденсатор) — в принципе это тот же конденсатор, только имеющий большую емкость, которую можно сравнить с аккумулятором. Вот именно такое устройство рассчитанное на напряжение 12v я собрал для нужд в бытовом хозяйстве.

Ионистор вместо аккумулятора — практический обзор сборки суперконденсатора

Практически такой прибор способен работать во много раз дольше, чем аккумуляторы различных типов, конечно при условии эксплуатации в определенных режимах. Вот в чем особенность применения ионистора вместо аккумулятора и его преимущество:

  • прибору не страшен полный разряд до нулевого значения;
  • в несколько сотен раз больше способен выдержать моментов заряда/разряда;
  • прибор не боится максимальных значений по току.

Но не только такие особенности имеются у ионистора использующегося вместо аккумулятора, о них я скажу после выполнения сборки накопителя.

Необходимые компоненты

  • Суперконденсаторы в количестве восьми штук с номиналом 2,7v х 500F
  • Одножильый провод сечением от 2 мм²
  • Пару винтов и гаек

Ионистор вместо аккумулятора-2

Ионистор вместо аккумулятора-3

  • Инструмент: паяльник, пинцет, кусачки.
  • Расходники: припой, флюс.
  • Ионистор вместо аккумулятора — порядок сборки батареи

    В данном обзоре я буду собирать накопитель энергии с применением восьми конденсаторов, включенных по встречно-параллельной схеме. В принципе будет организованно четыре пары по две емкости включенных параллельно, а пары в свою очередь соединены последовательно.

    Ионистор вместо аккумулятора-4

    Эмалированный провод нужно выровнять и убрать с него лак. Выполняется это с помощью рабочего ножа или специального инструмента для зачистки проводов ( у кого он имеется).

    Читайте также:  2021 смартфон самый емкий аккумулятор

    Ионистор вместо аккумулятора-5

    Формируем медный провод в соединительные шины

    Ионистор вместо аккумулятора-6

    Необходимо изготовить три квадратных элемента и пару полюсов для клемм «+» и «-«

    Ионистор вместо аккумулятора-7

    К сформированным изделиям для контактов припаиваем гайки, к которым будут подключаться провода питания.

    Ионистор вместо аккумулятора-8

    Залуживаем места соединения квадратов.

    Ионистор вместо аккумулятора-9

    Соединяем емкости в батарею, припаиваем проводники к выводам конденсатора, соблюдая при этом полярность.

    Ионистор вместо аккумулятора-10

    Вначале нужно собрать четыре группы.

    Ионистор вместо аккумулятора-11

    Теперь припаиваем шины для подключения проводов питания.

    Ионистор вместо аккумулятора-12

    На этом этапе нужно зарядить батарею током 5А.

    Сборка суперконденсатора-1

    По истечению пяти минут накопитель будет полностью заряжен.

    Сборка суперконденсатора

    Делаем испытательный тест лампой накаливания.

    Сборка суперконденсатора-2

    Делаем короткое замыкание выходных контактов — провод разогрелся до красного состояния.

    Сборка суперконденсатора-3

    Испытываем батарею подключением электромотора.

    Сборка суперконденсатора-4

    Где такая конструкцию используется

    Использовать можно ионистор вместо аккумулятора, там где присутствуют большие и цикличные нагрузки по току. Классический пример: накопительная емкость для сабвуфера установленного в автомобиле. Кроме этого суперконденсатор может быть задействован в устройствах где происходят постоянные циклы зарядки/разрядки, например: устройства накопления солнечной энергии с последующей ее передачей фонарям освещения в ночное время.

    Здесь приведены только два примера использования ионистора вместо аккумулятора, но на самом деле их существенно больше.
    Стоимость компонентов для сборки такого прибора вполне приемлема, особенно если взять во внимание колоссальный срок их эксплуатации с учетом применения по назначению.

    Сборка ионистора вместо аккумулятора 12v, 100A

    Источник

    Суперконденсаторы — интересная альтернатива аккумуляторам и потенциальное будущее электромобилей

    Ни для кого не секрет — электромобили жутко ограничены аккумуляторами. Аккумуляторы, по сравнению с бензином, достаточно хуёвый источник энергии. Заряжаются долго, стоят много, вес огромный, взрывоопасность куда выше. Да, зарядка электроэнергией дешевле, чем бензином, но даже у таксиста это окупается за 5 лет! Что уж говорить об обычных людях.

    А самое главное — в аккумуляторах стагнация. Ничего нового за последнее время нет. Но сначала простенькая теория.

    В бензине содержится 34 мега джоуля энергии на один литр. КПД двигателя 25 процентов, так что реально выходит 8 у.е. на литр энергии. А в батарее содержится максимум 2 у.е. на литр. Бензин заправляют 10 минут, а теслу заправят в лучшем случае за час или даже два, а если в гараже — так всю ночь.

    Далее, аккумулятор физически представляет из себя такую конструкцию — подал ток, пошёл химический процесс внутри, что-то там с электролитом произошло, энергия накопилась. Потом подключил нагрузку — всё наоборот, опять химический процесс с электролитом пошёл, энергия выделилась. 500 раз туда сюда — и всё, пиздец наступил наполовину — от ёмкости осталось 50 процентов. И химический процесс идёт очень медленно.

    Что ж за такая хуйня — суперконденсатор, он же ионистор. Физически это значит вот что — мы подаём ток на него, и тут же сам ток, то есть электрический заряд, без всяческих преобразований запрыгивает в этот суперконденсатор. Быстро и очень плотно. А потом, когда назад этот заряд нужен — он может с огромнейшей мощностью отдаться назад в сеть.

    Например — тормозит машина — всю энергию запасли в этот суперконденсатор. Надо теперь разогнаться — взяли и очень быстро её потратили. То есть прямо сейчас в некоторых автомобилях эту штуку уже используют, если нужно часто то тормозить, то разгоняться. Причём количество циклов зарядки разрядки составляет сотни тысяч и даже миллионов, и заряжать и разряжать можно просто огромными токами.

    Но, само собой, не всё идеально — общая ёмкость суперконденсаторов меньше чем у аккумуляторов, ток разряда неравномерный, ну и другая всякая хуйня, тем не менее, есть просто резкий прогресс в этой технологии за последние пару лет. И именно она позволит таки сделать электромобиль реальностью, а не игрушкой

    В чём плюсы суперконденсатора в сравнении с аккумулятором?

    • Мгновенно. Ионистор отлично справляется с пиковым пусковым током, накапливая и отдавая энергию практически мгновенно.
    • Быстро. Заряжается не за час-другой, а за считанные секунды (поэтому, например, NASA применяет суперконденсаторы в космосе).
    • Безопасно. Накапливает заряд на твёрдых телах, когда как литиевые батареи — в процессе химических реакций (обычно жидкостных).
    • Надёжно. Коммерческие суперконденсаторы гарантируют 1 миллион циклов заряда, когда как обычные аккумуляторы — в среднем 800-1200 циклов.
    • КПД. Суперконденсаторы отдают энергию с эффективностью порядка 98%.
    • Выносливость. Устойчивость к экстремальным температурам и физическим повреждениям.

    В чём минусы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

    Читайте также:  Как отремонтировать аккумулятор для мотоцикла

    • Низкая ёмкость. Самый большой коммерческий суперконденсатор в фарадах (F) накапливает лишь 20% от электрической энергии в сравнимой батарее.
    • Не держит. Аккумуляторы предлагают намного больше плотности энергии на единицу массы, обеспечивая долгую автономность без внешнего питания.
    • Саморазряд. Степень саморазряда существенно превышает таковую у самого слабого аккумулятора.
    • Малоприменим. В итоге даже самый мощный суперконденсатор (обеспечивающий лучшую величину энергии) не сможет дольше минуты питать «аварийку» у заглушенного автомобиля и подсветку экрана у работающего телефона.

    Теперь посмотрим что ж реально придумано в автотранспорте

    Вот эта штука содержит суперконденсатор как батарея на 6 киловатт часов. На каждой остановке за пару минут она заряжается. Потом на одной зарядке можно ехать аж целых 8 километров.

    За три с лишним года работы в Шанхае ни у одного Ultracap Bus не случилось ни одного отказа.
    Запас хода 11-местных мини-автобусов на суперконденсаторах составляет 16 километров, главным образом за счет низкого расхода энергии — 0,16 кВт-ч на километр.

    Удастся ли суперконденсаторам вырваться вперёд за ближайшие пару лет — никто не знает, но очень интересно понаблюдать, насколько это выгодная альтернатива батарейкам.

    Зарядка последней Теслы — 15 минут на 250 км, пробег на полной батарее — 500. Что даёт нам при поездке на полторы тысячи километров часа полтора времени просто… Читать ещё

    У Теслы батареи держатся гораздо дольше этих 500 циклов разряд-заряд с потерей 50% емкости. Из статистических данных уже существующих автомобилей со старыми мо… Читать ещё

    Источник

    Почему вместо аккумулятора не используют конденсаторы?

    Что если использовать электролитический конденсатор вместо аккумулятора ? Такое возможно, но есть одно слишком серьёзное препятствие — телефоны и электромобили совсем не смогут «держать заряд».

    Вопрос заслуживает внимания и рассматривается на уровне инженерных проектов и даже когда-то применялся на практике.

    В качестве альтернативы аккумуляторам всерьёз рассматривают суперконденсаторы (так называемые двойные электрохимические ионисторы ). Но пока на текущем уровне технологического прогресса это допустимо лишь в определённых областях.

    В чём плюсы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

    Мгновенно. Ионистор отлично справляется с пиковым пусковым током, накапливая и отдавая энергию практически мгновенно.

    Быстро. Заряжается не за час-другой, а за считанные секунды (поэтому, например, NASA применяет суперконденсаторы в космосе).

    Безопасно. Накапливает заряд на твёрдых телах, когда как литиевые батареи — в процессе химических реакций (обычно жидкостных).

    Надёжно. Коммерческие суперконденсаторы гарантируют 1 миллион циклов заряда, когда как обычные аккумуляторы — в среднем 800-1200 циклов.

    КПД. Суперконденсаторы отдают энергию с эффективностью порядка 98%.

    Выносливо. Устойчивость к экстремальным температурам и физическим повреждениям.

    В чём минусы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

    Низкая ёмкость. Самый большой коммерческий суперконденсатор в фарадах (F) накапливает лишь 20% от электрической энергии в сравнимой батарее.

    Не держит. Аккумуляторы предлагают намного больше плотности энергии на единицу массы, обеспечивая долгую автономность без внешнего питания.

    Саморазряд. Степень саморазряда существенно превышает таковую у самого слабого аккумулятора.

    Малоприменим. В итоге даже самый мощный суперконденсатор (обеспечивающий лучшую величину энергии) не сможет дольше минуты питать «аварийку» у заглушенного автомобиля и подсветку экрана у работающего телефона.

    И всё-таки, почему конденсатором нельзя заменить аккумулятор?

    1️⃣ У них разные цели

    В аккумуляторе намного больше запасается энергии, а это самая важная его цель — не разряжаться как можно дольше в бытовых приборах, в потребительской электронике и автомобилях.

    2️⃣ У конденсатора саморазряд

    В аккумуляторах он тоже есть, но в значительной меньшей степени проявляется. Суперконденсаторы быстро заряжаются и быстро отдают заряд — для длительного хранения энергии они не подходят ещё и по причине утечек.

    3️⃣ Разное напряжение

    В то время, пока аккумулятор поддерживает ваш телефон в рабочем состоянии, напряжение практически не меняется. Конденсатор изменяет напряжение в зависимости от накопленного заряда — цифры меняются в значительных пределах, что неприемлемо для чувствительной мобильной электроники, например.

    💡 В этой статье автор рассматривает тему суперконденсаторов в максимально упрощённом варианте для массовой публики.

    Если вас интересует, например, подробная возможность установки конденсаторов вместо аккумуляторов в RAID-контроллерах , то напишите об этом в комментарии.

    Также по вопросам замены элементов питания в вашей электронике пишите:
    • Вконтакте ,
    • Одноклассники ,
    • Facebook ,
    • на email .
    Или звоните по бесплатному в России телефону 📞 8 (800) 555-86- 57 .

    Источник