Supercondensator pentru a ajuta bateria. Supercondensatori sau ionistori în loc de baterie. Noua tehnologie Yo-mobile

Oamenii au folosit mai întâi condensatori pentru a stoca electricitate. Apoi, când ingineria electrică a depășit experimentele de laborator, au fost inventate bateriile, care au devenit principalul mijloc de stocare a energiei electrice. Dar la începutul secolului al XXI-lea, se propune din nou utilizarea condensatoarelor pentru alimentarea echipamentelor electrice. Cât de posibil este acest lucru și vor deveni în sfârșit un lucru din trecut?

Motivul pentru care condensatorii au fost înlocuiți cu baterii s-a datorat cantităților semnificativ mai mari de energie electrică pe care sunt capabili să le stocheze. Un alt motiv este că atunci când este descărcată, tensiunea la ieșirea bateriei se modifică foarte puțin, astfel încât un stabilizator de tensiune fie nu este necesar, fie poate avea foarte design simplu.

Principala diferență dintre condensatori și baterii este că condensatoarele stochează direct sarcina electrică, în timp ce bateriile convertesc energia electrică în energie chimică, o stochează și apoi convertesc energia chimică înapoi în energie electrică.

În timpul transformărilor energetice, o parte din ea se pierde. Prin urmare, chiar cele mai bune baterii Eficiența nu este mai mare de 90%, în timp ce la condensatoare poate ajunge la 99%. Intensitatea reacțiilor chimice depinde de temperatură, astfel încât bateriile funcționează considerabil mai rău pe vreme rece decât la temperatura camerei. În plus, reacțiile chimice din baterii nu sunt complet reversibile. De aici și numărul mic de cicluri de încărcare-descărcare (de ordinul a miilor, cel mai adesea durata de viață a bateriei este de aproximativ 1000 de cicluri de încărcare-descărcare), precum și „efectul de memorie”. Să ne amintim că „efectul de memorie” este că bateria trebuie să fie întotdeauna descărcată la o anumită cantitate de energie acumulată, atunci capacitatea sa va fi maximă. Dacă, după descărcare, rămâne mai multă energie în el, atunci capacitatea bateriei va scădea treptat. „Efectul de memorie” este caracteristic pentru aproape toate tipurile de baterii produse comercial, cu excepția celor acide (inclusiv soiurile lor - gel și AGM). Deși este în general acceptat că bateriile litiu-ion și litiu-polimer nu o au, de fapt o au și ele, pur și simplu se manifestă într-o măsură mai mică decât la alte tipuri. În ceea ce privește bateriile cu acid, acestea prezintă efectul sulfatării plăcii, care provoacă daune ireversibile sursei de alimentare. Unul dintre motive este că bateria rămâne într-o stare de încărcare mai mică de 50% pentru o perioadă lungă de timp.

În ceea ce privește energia alternativă, „efectul de memorie” și sulfatarea plăcilor sunt probleme serioase. Cert este că furnizarea de energie din surse precum panouri solare iar turbinele eoliene sunt greu de prezis. Ca urmare, încărcarea și descărcarea bateriilor are loc haotic, într-un mod non-optim.

Pentru ritmul modern al vieții, se dovedește a fi absolut inacceptabil ca bateriile să fie încărcate timp de câteva ore. De exemplu, cum vă imaginați că conduceți o distanță lungă într-un vehicul electric dacă o baterie descărcată vă va întârzia câteva ore la punctul de încărcare? Viteza de încărcare a unei baterii este limitată de viteza proceselor chimice care au loc în ea. Puteți reduce timpul de încărcare la 1 oră, dar nu la câteva minute. În același timp, rata de încărcare a condensatorului este limitată doar de curentul maxim furnizat de încărcător.

Dezavantajele enumerate ale bateriilor au făcut să fie urgentă utilizarea condensatoarelor.

Folosind un strat dublu electric

Timp de multe decenii, condensatoarele electrolitice au avut cea mai mare capacitate. În ele, una dintre plăci era folie metalică, cealaltă era un electrolit, iar izolația dintre plăci era oxid metalic, care a acoperit folia. Pentru condensatoarele electrolitice, capacitatea poate ajunge la sutimi de farad, ceea ce nu este suficient pentru a înlocui complet bateria.

Comparația modelelor diferite tipuri condensatori (Sursa: Wikipedia)

Capacitatea mare, măsurată în mii de faradi, poate fi obținută prin condensatoare bazate pe așa-numitul strat dublu electric. Principiul funcționării lor este următorul. Un strat dublu electric apare in anumite conditii la interfata substantelor in faza solida si lichida. Se formează două straturi de ioni cu sarcini de semne opuse, dar de aceeași mărime. Dacă simplificăm foarte mult situația, atunci se formează un condensator, ale cărui „plăci” sunt straturile indicate de ioni, distanța dintre care este egală cu mai mulți atomi.

Supercondensatoare de diferite capacități produse de Maxwell

Condensatorii bazați pe acest efect sunt uneori numiți ionistori. De fapt, acest termen nu se referă numai la condensatoare în care este stocată sarcina electrică, ci și la alte dispozitive pentru stocarea energiei electrice - cu conversie parțială a energiei electrice în energie chimică împreună cu stocarea. sarcina electrica(ionistor hibrid), precum și pentru bateriile bazate pe un strat dublu electric (așa-numitii pseudocondensatori). Prin urmare, termenul „supercondensatori” este mai potrivit. Uneori se folosește în schimb termenul identic „ultracondensator”.

Implementare tehnica

Supercondensatorul este format din două plăci de cărbune activ umplute cu electrolit. Între ele există o membrană care permite trecerea electrolitului, dar împiedică mișcarea fizică a particulelor de cărbune activ între plăci.

Trebuie remarcat faptul că supercondensatorii în sine nu au polaritate. Prin aceasta, ele diferă fundamental de condensatoarele electrolitice, care, de regulă, sunt caracterizate prin polaritate, nerespectarea acesteia duce la defectarea condensatorului. Cu toate acestea, polaritatea se aplică și supercondensatorilor. Acest lucru se datorează faptului că supercondensatorii părăsesc linia de asamblare din fabrică deja încărcată, iar marcajul indică polaritatea acestei încărcări.

Parametrii supercapacitorului

Capacitate maxima supercondensatorul individual, atins la momentul scrierii, este de 12.000 F. Pentru supercondensatoarele produse în masă, nu depășește 3.000 F. Tensiunea maximă admisă între plăci nu depășește 10 V. Pentru supercondensatoarele produse comercial, această cifră, ca un regula, se află în intervalul 2,3 - 2,7 V. Tensiunea scăzută de funcționare necesită utilizarea unui convertor de tensiune cu funcție de stabilizator. Faptul este că în timpul descărcării, tensiunea de pe plăcile condensatorului se modifică într-o gamă largă. Construcția unui convertor de tensiune pentru conectarea sarcinii și încărcător sunt sarcină non-trivială. Să presupunem că trebuie să alimentați o sarcină de 60 W.

Pentru a simplifica luarea în considerare a problemei, vom neglija pierderile în convertorul de tensiune și stabilizatorul. Dacă lucrați cu o baterie convențională de 12 V, atunci electronica de control trebuie să poată rezista la un curent de 5 A. Astfel de dispozitive electronice răspândită și ieftină. Dar o situație complet diferită apare atunci când se folosește un supercondensator, a cărui tensiune este de 2,5 V. Apoi, curentul care curge prin componentele electronice ale convertorului poate ajunge la 24 A, ceea ce necesită noi abordări ale tehnologiei circuitelor și o bază de elemente modernă. Tocmai complexitatea construirii unui convertor și stabilizator poate explica faptul că supercondensatorii, a căror producție în serie a început în anii 70 ai secolului XX, abia acum au început să fie utilizați pe scară largă într-o varietate de domenii.

Diagrama schematică sursă alimentare neîntreruptibilă
tensiune pe supercondensatoare, componentele principale sunt implementate
pe un microcircuit produs de LinearTechnology

Supercondensatoarele pot fi conectate la baterii folosind seria sau conexiune paralelă. În primul caz, tensiunea maximă admisă crește. În al doilea caz - capacitatea. Creșterea tensiunii maxime admise în acest fel este o modalitate de a rezolva problema, dar va trebui să plătiți pentru aceasta prin reducerea capacității.

Dimensiunile supercondensatoarelor depind în mod natural de capacitatea lor. Un supercondensator tipic cu o capacitate de 3000 F este un cilindru cu un diametru de aproximativ 5 cm și o lungime de 14 cm Cu o capacitate de 10 F, un supercondensator are dimensiuni comparabile cu o unghie umană.

Supercondensatorii buni pot rezista la sute de mii de cicluri de încărcare-descărcare, depășind bateriile de aproximativ 100 de ori în acest parametru. Dar, ca și condensatorii electrolitici, supercondensatorii se confruntă cu problema îmbătrânirii din cauza scurgerii treptate a electrolitului. Până în prezent, nu s-au acumulat statistici complete cu privire la defecțiunea supercondensatorilor din acest motiv, dar conform datelor indirecte, durata de viață a supercondensatorilor poate fi estimată la aproximativ 15 ani.

Energia acumulată

Cantitatea de energie stocată într-un condensator, exprimată în jouli:

E = CU 2/2,
unde C este capacitatea, exprimată în faradi, U este tensiunea de pe plăci, exprimată în volți.

Cantitatea de energie stocată în condensator, exprimată în kWh, este:

W = CU 2 /7200000

Prin urmare, un condensator cu o capacitate de 3000 F cu o tensiune între plăci de 2,5 V este capabil să stocheze doar 0,0026 kWh. Cum se compară asta cu, de exemplu, o baterie litiu-ion? Dacă considerăm că tensiunea de ieșire este independentă de gradul de descărcare și egală cu 3,6 V, atunci cantitatea de energie 0,0026 kWh va fi stocată în baterie litiu-ion capacitate 0,72 Ah. Din păcate, un rezultat foarte modest.

Aplicarea supercondensatorilor

Sisteme iluminat de urgență sunt acolo unde utilizarea supercondensatoarelor în loc de baterii oferă beneficii semnificative. De fapt, tocmai această aplicație se caracterizează prin descărcare neuniformă. În plus, este de dorit ca lampa de urgență să fie încărcată rapid și ca sursa de alimentare de rezervă utilizată în ea să aibă o fiabilitate mai mare. O sursă de alimentare de rezervă bazată pe supercondensator poate fi integrată direct în Lampa LED T8. Astfel de lămpi sunt deja produse în apropiere companii chineze.

Lumină de sol cu LED alimentată
din panouri solare, stocare energie
în care se realizează într-un supercondensator

După cum sa menționat deja, dezvoltarea supercondensatorilor se datorează în mare parte interesului față de sursele alternative de energie. Dar aplicare practică limitat pentru moment Lămpi cu LED-uri primind energie de la soare.

Utilizarea supercondensatorilor pentru pornirea echipamentelor electrice se dezvoltă activ.

Supercondensatorii sunt capabili să furnizeze cantități mari de energie într-o perioadă scurtă de timp. Prin alimentarea echipamentelor electrice la pornire de la un supercondensator, sarcinile de vârf pe rețeaua de energie pot fi reduse și, în cele din urmă, marja curentului de pornire poate fi redusă, realizând economii uriașe de costuri.

Prin combinarea mai multor supercondensatori într-o baterie, putem obține o capacitate comparabilă cu bateriile folosite la mașinile electrice. Dar această baterie va cântări de câteva ori mai mult decât bateria, ceea ce este inacceptabil pentru vehicule. Problema poate fi rezolvată folosind supercondensatori pe bază de grafen, dar în prezent există doar ca prototipuri. Cu toate acestea, o versiune promițătoare a celebrului Yo-mobile, alimentată doar de electricitate, va folosi ca sursă de energie supercondensatori de nouă generație, care sunt dezvoltați de oamenii de știință ruși.

Supercondensatorii vor oferi, de asemenea, beneficii la înlocuirea bateriilor în mașinile convenționale care funcționează cu benzină sau motorină - utilizarea lor în astfel de vehicule este deja o realitate.

Până acum cel mai de succes dintre proiecte finalizate Introducerea supercondensatorilor poate fi considerată noi troleibuze de fabricație rusă care au lovit recent străzile Moscovei. Când alimentarea cu tensiune este întreruptă reteaua de contact sau atunci când colectoarele actuale „zboară”, troleibuzul poate călători cu o viteză mică (aproximativ 15 km/h) câteva sute de metri până la un loc în care să nu interfereze cu traficul pe drum. Sursa de energie pentru astfel de manevre este o baterie de supercondensatoare.

În general, deocamdată supercondensatorii pot înlocui bateriile doar în anumite „nișe”. Dar tehnologia se dezvoltă rapid, ceea ce ne permite să ne așteptăm că, în viitorul apropiat, domeniul de aplicare al supercondensatorilor se va extinde semnificativ.

De îndată ce o persoană a venit cu un cărucior autopropulsat alimentat de un motor cu abur (1768), iar mai târziu (1886) a îmbunătățit motorul la un motor cu ardere internă, șoferul avea sarcina nu numai de a direcționa caii putere în direcția corectă. , dar și punându-l la treabă.

Problema la pornirea motorului timpuri diferite s-a rezolvat altfel. Pentru o mașină cu abur, era suficient să aprinzi un foc sub boiler, motoarele pe benzină necesitau putere musculară sau o sursă chimică de curent.

Odată cu apariția bateriilor, a apărut necesitatea menținerii și monitorizării încărcării bateriilor de pornire, mai ales iarna. Adesea, pentru a ajuta bateria standard, proprietarul mașinii trebuia să o folosească sursă externă curent: un dispozitiv de pornire în rețea, o baterie plumb-acid de rezervă sau un produs nou din ultimii ani, dispozitive de pornire compacte bazate pe polimeri de litiu.

Principala problemă a surselor de curent chimic este autodescărcarea și îmbătrânirea. Durata de viață a unei baterii clasice plumb-acid cu electrolit liber este de aproximativ 3 ani. Bateriile cu gel și AGM durează mai mult, dar nu rezistă pentru totdeauna. Chiar dacă bateria este inactivă, în ea apar procese chimice, care duc la o pierdere treptată a capacității bateriei.

Această observație este valabilă și pentru dispozitivele de pornire pe bază de baterii, de exemplu, durata medie de viață a unui starter Li-Po este de 3-5 ani, timp în care gelul conductor cu care sunt umplute bateriile se întărește și își pierde treptat proprietățile. Inginerii de proiectare caută de multă vreme o sursă de curent care să înlocuiască bateriile și să salveze proprietarii de mașini de „ puncte slabe» Baterie

Acest articol se va concentra pe condensatori. Mai exact, despre super-condensatori sau ionistori, care sunt capabili să furnizeze curenți uriași și au o serie de avantaje față de baterii. Cum să înlocuiți baterie mașini pentru asamblare din condensatoare, proiectanții nu au venit încă cu, ci ingineri de la Carku a reușit să creeze un dispozitiv capabil să ajute la pornirea unui motor de mașină, același ATOM 1750.

Principal Diferența dintre acest dispozitiv și analogii săi alimentați cu baterie este durata de viață veșnică! Dacă vorbim de dispozitive de pornire bazate pe baterii Litiu-polimer sau Plumb-acid, timpul lor de funcționare este limitat la una până la trei mii de cicluri de încărcare/descărcare. Demaroarele condensatoare oferă până la un milion de cicluri. Pentru a face o idee despre scară, să presupunem că utilizați ATOM 1750 de două ori pe zi pentru un an calendaristic. Resursa dispozitivului la o asemenea intensitate de lucru este suficientă (1.000.000: (365x2)) = 1 milion. : 730= 1369 de ani.

A doua caracteristică– lipsa de pretenții a ionistorilor. Nu sunt necesare condiții speciale pentru depozitarea dispozitivelor de pornire a condensatorului: puteți pune dispozitivul în torpedo sau sub scaunul mașinii și să vă amintiți despre asta numai atunci când bateria mașinii are nevoie de ajutor. Dispozitivul este o opțiune ideală pentru șoferii uituci. Dacă nu aveți nici timpul și nici dorința de a monitoriza nivelul bateriei, dispozitivul poate fi depozitat în siguranță în mașină, la frigul sau căldura cea mai puternică.

Al treilea plus– prezenta unei baterii cu litiu incorporata. Rezerva de energie care este stocată într-o baterie Li-Ion complet încărcată a dispozitivului cu o capacitate de 6000mAh– va putea încărca condensatorii dispozitivului pentru mai mult de 6 porniri la rând. Bateria nu este implicată în pornire și este destinată doar încărcării condensatoarelor. Aici se află musca din unguent: orice baterie se teme de descărcarea profundă. Dacă bateria este pornită pentru o lungă perioadă de timp Pleacă fără încărcare - baterie, mai devreme sau mai târziu, va eșua. Autodescărcarea, care este inerentă într-un grad sau altul oricărei baterii, va termina o baterie descărcată. Vă reamintim că încărcarea preventivă nu este utilizată baterie cu litiu trebuie efectuată O dată la șase luni.

Temperaturile de depozitare ridicate și scăzute accelerează procesele de autodescărcare și degradare baterie. Temperatura de depozitare a bateriei încorporate recomandată de producător este de la 0 la + 25 C. Cu toate acestea, chiar dacă bateria standard a dispozitivului eșuează, condensatorii ATOM 1750 - alimentați de la o mașină descărcată baterie vor putea în continuare să pornească motorul mașinii.

Plus numărul patru. Posibilitatea de a încărca ionistorii dispozitivului de la o descărcare baterie mașini. Pentru a porni motorul, trebuie doar să conectați crocodilii dispozitivului la terminale " obosit» baterieși deja după 45-60 sec. – mașina va fi gata de pornire.

Mai multe detalii despre caracteristicile ATOM 1750:

Aparatul este un starter profesional. Spre deosebire de analogii Li-Po, motorul este pornit nu folosind energia stocată în baterie, ci folosind ultracondensatori puternici. Lansatorul are suficientă putere pentru a porni benzină motoare până la 5lși pentru lucrul cu diesel motoare până la 2l.

PUTERE

Un ansamblu de cinci ionistori cu o capacitate 350F fiecare, produce curenți de aprindere până la 350A, ceea ce indică o gamă largă de aplicații pentru acest dispozitiv.

Curentul ridicat de pornire al ATOM 1750 este susținut de tensiune stabilă, care este produs de condensatori. Aparatul furnizează curentul declarat timp de 3 secunde, care este una dintre cele mai importante condiții pentru pornirea motorului.

MOBILITATE

Greutatea lansatorului este de 1,3 kg. Pentru comparație, un amplificator de plumb-acid cu capacități similare cântărește mai mult decât 6 kg (DRIVE 900), iar diferența de dimensiuni este și mai impresionantă.

Pe fețele laterale ale ATOM 1750 există:

Pe panoul frontal se afla:

Display (1) pentru afișarea parametrilor de funcționare, buton „Boost” (2) pentru încărcarea ionistorilor din bateria încorporată, butoane pentru aprinderea lanternei și alimentarea dispozitivului (3).

PROTECŢIE

Dispozitivul folosește fire de cupru cu o secțiune transversală de 6mm2, lung 300 mm.

Unitatea inteligentă nu numai că protejează dispozitivul de pornire de inversarea polarității, scurtcircuitul și curenții generatorului invers, dar vă permite și să diagnosticați bateria mașinii în câteva minute și să afișați rezultatele testului pe afișaj.

ATOM 1750 - va spune proprietarului că bateria mașinii trebuie încărcată sau că este timpul să înlocuiți bateria cu una nouă.

Dacă, atunci când este conectat la bateria mașinii, pe ecran apare mesajul JUMP START gata– circuitul funcționează normal. Puteți porni motorul.

Inscripția " INversat» rapoarte despre conexiune incorectă crocodili. Ar trebui să verificați polaritatea - clema roșie trebuie conectată la borna pozitivă a bateriei, cea neagră la borna negativă.

ÎNCĂRCĂTOR

Vă rugăm să rețineți când vă conectați ATOM la sursa de curent, ultracondensatorii sunt mai întâi încărcați, apoi bateria încorporată a dispozitivului începe să se încarce.

Să ne imaginăm o situație în care nu este nimeni în jur și bateria standard a mașinii nu poate porni motorul.

Primul mod de a porni mașina folosind ATOM 175– constă în încărcarea condensatoarelor direct de la bornele unei baterii auto descărcate. După conectarea dispozitivului, așteptați să apară mesajul JUMP START gatași porniți motorul fără a scoate clemele crocodil de la borne. Timpul de încărcare pentru condensatori depinde de nivelul de descărcare a bateriei și variază de la 45 de secunde la 2,5 minute.

Doilea metoda de încărcare este prin priza brichetei. Atom 1750 poate fi conectat la rețeaua de bord folosind un adaptor special inclus în kit. Timpul de încărcare este de aproximativ 2 minute.

Treilea Sursa de energie este bateria încorporată a dispozitivului. După apăsarea butonului Boost– dispozitivul folosește energia stocată în Baterie cu litiu. Timp de încărcare - 2-3 min.

Ei bine, ultima varianta de incarcare, daca nu mai sunt alte surse la indemana, va trebui sa cauti o priza. Utilizarea unei surse de alimentare de la electronice mobile ( 5V, 2A) – condensatoarele pot fi încărcate și de la rețea.

Altul Punct important. Puteți încărca Atom 1750 nu numai de la descărcat baterie, dar și din CINEVA mașină donatoare (mașini mari și mici - spectacol). Spre deosebire de „aprindere”, funcționarea de încărcare a ionistorilor ATOM 1750 este absolut sigură și nu necesită respectarea niciunei convenții, cu excepția polarității conexiunii.

PORNIREA MAȘINII

Pentru a începe să utilizați Jump Starter, proprietarul mașinii trebuie să se asigure că contactul mașinii este oprit. La conectare trebuie respectată polaritatea: cablul roșu al dispozitivului este conectat la borna pozitivă a bateriei auto, cablul negru este conectat la borna negativă.

Odată conectat, puteți începe să porniți motorul. Dacă motorul nu pornește în 3 secunde, ar trebui să încărcați din nou condensatorii și să încercați din nou.

După ce motorul a pornit, „crocodilii” trebuie îndepărtați de la bornele bateriei.

ATOM 1750 este furnizat într-o cutie de carton.

Inclus cu dispozitivul:

Cablu pentru incarcarea dispozitivului de la bricheta masinii;

Cablu USB.

Vă reamintim că una dintre condițiile pentru durata lungă de viață a dispozitivului este încărcarea în timp util a bateriei încorporate a dispozitivului, prin urmare, după fiecare pornire folosind energia bateriei, trebuie să trimiteți ATOM pentru încărcare. La depozitare pe termen lung Vă recomandăm să încărcați dispozitivul la nivelul 80-90% o dată la fiecare 6 luni. Aparatul trebuie depozitat la temperaturi peste zero.

Este posibil să folosiți condensatori în transport în loc de baterii capricioase, de scurtă durată și care necesită întreținere? Se pare că este posibil, iar un condensator are avantaje baterie Acest lucru este suficient pentru a abandona bateriile și, dacă nu complet, atunci măcar suplimentați capacitatea bateriei, care se reduce foarte mult la frig, cu capacitatea condensatorului. Despre avantajele și dezavantajele ambelor surse de energie electrică vom vorbi în acest articol.

Cu doar câțiva ani în urmă, condensatoarele cu o capacitate de unul sau doi farazi erau considerate exotice și erau expuse doar la expozițiile iubitorilor de muzică bogați. Acum, acești condensatori pot fi cumpărați de la orice magazin audio auto, iar condensatorii cu o capacitate și mai mare nu sunt greu de găsit în magazinele specializate care vând servicii grele. Sisteme audio Hi-Fi(despre muzica pe mașină sau motocicletă).

Și ceea ce mă bucur în mod deosebit este că în prezent industria rusă, cu câțiva ani înaintea producătorilor din est și din vest, a stăpânit producția la scară mică a celui mai recent tip de supercondensatori, a căror capacitate este de zeci de mii de farazi!

Puțină teorie.

După cum știți, un condensator constă din sarcini separate - pozitive pe un electrod al plăcii și sarcini negative pe celălalt. Fără a intra în prea multe detalii, voi observa doar că energia (capacitatea) pe care o poate absorbi un condensator depinde direct de aria plăcilor electrodului, precum și de distanța dintre ele. Și cu cât această zonă este mai mare și cu cât distanța dintre plăci este mai mică, cu atât este mai favorabilă pentru acumularea unei sarcini mai mari.

De aici rezultă că prin creșterea primei condiții și scăderea celei de-a doua, se poate obține succesul în această chestiune. Dar este atât de simplu în cuvinte. Cum merge în realitate? În cei mai noi condensatori, un material poros de carbon este folosit pentru a face electrodul negativ și aici este distracția. Datorită acestui material, o placă plată aparent obișnuită, datorită structurii sale poroase, pare să aibă o a doua dimensiune (aria plăcilor crește). Din aceasta, zona de acumulare a încărcăturii crește semnificativ!

Am realizat o creștere a suprafeței plăcilor, nu rămâne decât să lucrăm cu distanța. Noul nume pentru cei mai noi supercondensatori este condensatori electrici cu strat dublu. Particularitatea lor este că electricitatea se acumulează într-o regiune specială, adică la interfața dintre electrolit și solid. De aici, distanța dintre regiunea de negativ și sarcini pozitive, este mult redusă, cu până la 2-3 ordine de mărime!

Din toate cele de mai sus, putem spune în sfârșit că este timpul ca aceste super capacități să ocupe un loc sub capota mașinii, dar în ce calitate? Există mai multe opțiuni, dar să le luăm în considerare pe cele mai realiste.

Utilizarea unui condensator ca sursă principală de energie electrică pentru motor (tracțiune electrică).

Autobuzul electric Luzhok circulă destul de repede. De jos se vede fumul care iese din încălzitorul pe benzină al cabinei.

Recent, nimeni nu a luat în serios bateriile pentru mașinile electrice. Dar mașinile electrice încep deja să inunde lumea, de exemplu, taxiurile electrice funcționează deja la Londra. Asta înseamnă că calea condensatoarelor este extrem de clară, mai ales dacă iei în calcul avantajele acestora față de baterie, dar despre avantaje puțin mai târziu. Permiteți-mi să spun doar că un exemplu „în direct” care funcționează cu electricitate de la condensatoare de tracțiune poate fi văzut în fotografia din stânga. Acesta este un autobuz prietenos cu mediul sau, mai exact, un autobuz electric numit Luzhok, care este produs în serii mici în orașul Troitsk de lângă Moscova (la uzina Esma). Doar pentru a încălzi interiorul pe vreme rece, trebuie să porniți aragazul, care funcționează pe benzină, dar, după cum se spune, acestea sunt lucruri minore.

Pentru a transporta turiștii se folosește un autobuz electric distante scurte(până la 10 km), de exemplu, pe teritoriul parcurilor și rezervațiilor în care au fost introduse restricții stricte de mediu. Luzhok va efectua primele zboruri comerciale pe teritoriul Centrului Expozițional All-Russian din Moscova. O încărcare a condensatorului este suficientă pentru aproximativ 8-10 km. Apoi o încărcare de 10-15 minute și din nou pe drum (bateriile ar trebui să fie încărcate cel puțin 20 de ore). De exemplu, dacă mergeți la serviciu, care în orașele mici poate fi doar pe o rază de 5 - 10 km, atunci o astfel de mașină ar fi potrivită, mai ales pentru călătoriile de zi cu zi. La urma urmei, ciclul de încărcare și descărcare a condensatorilor, spre deosebire de baterie, este aproape nesfârșit. În plus, mașina nu este la fel de grea ca un autobuz, ceea ce înseamnă că kilometrajul cu o singură încărcare poate crește.

Pe lângă autobuze, compania produce câteva Gazele, mai multe încărcătoare și o mașină electrică pentru transportul mărfurilor în jurul uzinei. Principala diferență între toată această tehnologie de condensator și tehnologia bateriei este că poate fi folosită non-stop, deoarece încărcarea lor durează doar câteva minute. Și, deși se descarcă rapid, durata de viață a condensatoarelor este de zeci de ori mai mare decât durata de viață a bateriilor.

Folosirea unui condensator ca asistent al bateriei la pornirea la frig.

Utilizarea de noi tipuri de condensatoare în mașini ca forță de tracțiune este cu siguranță utilă și interesantă, dar nu cea mai relevantă. Este mult mai util să le folosiți ca putere electrică pe termen scurt de mare capacitate și, în primul rând, pentru a porni motorul unei mașini. Inginerii de echipamente militare folosesc deja acest lucru, iar testele și îmbunătățirile sunt efectuate în mod constant asupra echipamentelor armatei. De exemplu, două baterii puternice de 190 Amperi ore fiecare, într-un îngheț de minus 45 de grade, sunt capabile să execute doar o pornire de cincisprezece secunde a demarorului Kamaz (și, în consecință, a motorului Kamaz înghețat). Dar dacă conectați un condensator cu o capacitate de numai 0,18 kF în paralel, atunci demarorul motorului Kamaz va face deja mai multe astfel de manivele reci! Diferența este evidentă, acest lucru este util în special pentru echipamentele utilizate în nordul îndepărtat, de exemplu, echipamentele militare și de construcții.

Desigur, pentru șoferii care trăiesc în climat mai calde, beneficiile condensatoarelor rezistente la frig nu sunt la fel de benefice. Dar principalul lucru este diferit. Densitățile mari de curent nu sunt periculoase pentru condensatoare și pot rezista la un număr mare de cicluri de încărcare-descărcare și chiar nu necesită întreținere. Dar cel mai important lucru este că condensatorul va dubla durata de viață a bateriei. La urma urmei, atunci când există o singură baterie (mai ales nu una nouă), este considerată inutilizabilă dacă începe să facă față prost sarcinilor de pornire, mai ales pe vreme rece. Dar asociată cu un condensator conectat în paralel, vechea baterie va servi atâta timp cât este capabilă să o reîncarce. Și așa cum am spus deja, bateria se transformă într-un ficat lung.

În plus, împreună cu un alt condensator, capacitatea bateriei mașinii sau motocicletei dumneavoastră poate fi redusă la jumătate. Pentru o mașină de pasageri cu motor de 1,5 - 1,8 cc vor fi de ajuns 25 Ah, dar pentru un camion vor fi de ajuns doar 60 Ah. Și nu va mai trebui să utilizați o baterie de tip starter, care este concepută pentru curenți mari, ci să folosiți una obișnuită, care are de obicei o durată de viață de 2-3 ori mai mare. Ca rezultat, combinația dintre o baterie plus un condensator va crește semnificativ durata de viață a acestei perechi. Și pentru a nu schimba bateria mașinii tale timp de 15 ani, mulți oameni visează la asta și, în acest moment, oamenii își schimbă de obicei mașina cu una mai recentă. Deci, se pare că un astfel de cuplu (baterie și condensator) va fi suficient pentru întreaga durată de viață a mașinii. Dar principalul lucru este că șoferii vor uita de pornirea dificilă în frig și astfel de cuvinte „frate, lasă-mă să aprind o țigară, nu pot porni” pot fi uitate (cum să aprind în siguranță o țigară din mașina altcuiva, ).

Ce pot sa spun pana la urma? Supercondensatoarele din noua generație încă se produc în cantități mici, costă de două ori mai mult decât o baterie obișnuită și probabil că nu își vor găsi curând cumpărătorii, cel puțin pe cei casnici. Câțiva condensatori merg la consumatorii străini, dar acest lucru nu este un sprijin prea mare pentru industria noastră. Dar cu dorința și sponsorii normali pentru publicitate și dezvoltarea unei producții de masă mai ieftine, această chestiune poate fi pusă la punct într-un mod normal. Orice este posibil. La urma urmei, nimeni nu a vrut să cumpere nici baterii scumpe din noua generație, la începutul producției. Și acum producătorii de mașini electrice cumpără tone de ele, iar acesta este doar începutul. Cred că noi condensatori vor fi în curând la mare căutare și, chiar dacă nu înlocuiesc complet bateriile, vor deveni asistenți de încredere pentru ei. Așteaptă și vezi. Mult succes tuturor!

Motivul pentru care condensatorii au fost înlocuiți cu baterii s-a datorat cantităților semnificativ mai mari de energie electrică pe care sunt capabili să le stocheze. Un alt motiv este că în timpul descărcării tensiunea la ieșirea bateriei se modifică foarte puțin, astfel încât un stabilizator de tensiune fie nu este necesar, fie poate avea un design foarte simplu.

Principala diferență dintre condensatori și baterii este că condensatoarele stochează direct sarcina electrică, în timp ce bateriile convertesc energia electrică în energie chimică, o stochează și apoi convertesc energia chimică înapoi în energie electrică.

În timpul transformărilor energetice, o parte din ea se pierde. Prin urmare, chiar și cele mai bune baterii au o eficiență de cel mult 90%, în timp ce la condensatoare poate ajunge la 99%. Intensitatea reacțiilor chimice depinde de temperatură, astfel încât bateriile funcționează considerabil mai rău pe vreme rece decât la temperatura camerei. În plus, reacțiile chimice din baterii nu sunt complet reversibile. De aici și numărul mic de cicluri de încărcare-descărcare (de ordinul a miilor, cel mai adesea durata de viață a bateriei este de aproximativ 1000 de cicluri de încărcare-descărcare), precum și „efectul de memorie”. Să ne amintim că „efectul de memorie” este că bateria trebuie să fie întotdeauna descărcată la o anumită cantitate de energie acumulată, atunci capacitatea sa va fi maximă. Dacă, după descărcare, rămâne mai multă energie în el, atunci capacitatea bateriei va scădea treptat. „Efectul de memorie” este caracteristic pentru aproape toate tipurile de baterii produse comercial, cu excepția celor acide (inclusiv soiurile lor - gel și AGM). Deși este în general acceptat că bateriile litiu-ion și litiu-polimer nu o au, de fapt o au și ele, pur și simplu se manifestă într-o măsură mai mică decât la alte tipuri. În ceea ce privește bateriile cu acid, acestea prezintă efectul sulfatării plăcii, care provoacă daune ireversibile sursei de alimentare. Unul dintre motive este că bateria rămâne într-o stare de încărcare mai mică de 50% pentru o perioadă lungă de timp.

În ceea ce privește energia alternativă, „efectul de memorie” și sulfatarea plăcilor sunt probleme serioase. Cert este că aprovizionarea cu energie din surse precum panourile solare și turbinele eoliene este greu de prevăzut. Ca urmare, încărcarea și descărcarea bateriilor are loc haotic, într-un mod non-optim.

Pentru ritmul modern al vieții, se dovedește a fi absolut inacceptabil ca bateriile să fie încărcate timp de câteva ore. De exemplu, cum vă imaginați că conduceți o distanță lungă într-un vehicul electric dacă o baterie descărcată vă va întârzia câteva ore la punctul de încărcare? Viteza de încărcare a unei baterii este limitată de viteza proceselor chimice care au loc în ea. Puteți reduce timpul de încărcare la 1 oră, dar nu la câteva minute. În același timp, rata de încărcare a condensatorului este limitată doar de curentul maxim furnizat de încărcător.

Dezavantajele enumerate ale bateriilor au făcut să fie urgentă utilizarea condensatoarelor.

Folosind un strat dublu electric

Timp de multe decenii, condensatoarele electrolitice au avut cea mai mare capacitate. În ele, una dintre plăci era folie metalică, cealaltă era un electrolit, iar izolația dintre plăci era oxid metalic, care a acoperit folia. Pentru condensatoarele electrolitice, capacitatea poate ajunge la sutimi de farad, ceea ce nu este suficient pentru a înlocui complet bateria.

Capacitatea mare, măsurată în mii de faradi, poate fi obținută prin condensatoare bazate pe așa-numitul strat dublu electric. Principiul funcționării lor este următorul. Un strat dublu electric apare in anumite conditii la interfata substantelor in faza solida si lichida. Se formează două straturi de ioni cu sarcini de semne opuse, dar de aceeași mărime. Dacă simplificăm foarte mult situația, atunci se formează un condensator, ale cărui „plăci” sunt straturile indicate de ioni, distanța dintre care este egală cu mai mulți atomi.

Condensatorii bazați pe acest efect sunt uneori numiți ionistori. De fapt, acest termen nu se referă numai la condensatoarele în care este stocată sarcina electrică, ci și la alte dispozitive pentru stocarea energiei electrice - cu conversia parțială a energiei electrice în energie chimică împreună cu stocarea sarcinii electrice (ionistor hibrid), precum și pentru baterii pe bază de dublu strat electric (așa-numitele pseudocondensatoare). Prin urmare, termenul „supercondensatori” este mai potrivit. Uneori se folosește în schimb termenul identic „ultracondensator”.

Implementare tehnica

Supercondensatorul este format din două plăci de cărbune activ umplute cu electrolit. Între ele există o membrană care permite trecerea electrolitului, dar împiedică mișcarea fizică a particulelor de cărbune activ între plăci.

Trebuie remarcat faptul că supercondensatorii în sine nu au polaritate. Prin aceasta, ele diferă fundamental de condensatoarele electrolitice, care, de regulă, sunt caracterizate prin polaritate, nerespectarea acesteia duce la defectarea condensatorului. Cu toate acestea, polaritatea se aplică și supercondensatorilor. Acest lucru se datorează faptului că supercondensatorii părăsesc linia de asamblare din fabrică deja încărcată, iar marcajul indică polaritatea acestei încărcări.

Parametrii supercapacitorului

Capacitatea maximă a unui supercondensator individual, atinsă la momentul scrierii, este de 12.000 F. Pentru supercondensatoarele produse în masă, aceasta nu depășește 3.000 F. Tensiunea maximă admisă între plăci nu depășește 10 V. Pentru supercondensatoarele produse comercial, această cifră, de regulă, este cuprinsă între 2, 3 – 2,7 V. Tensiunea scăzută de funcționare necesită utilizarea unui convertor de tensiune cu funcție de stabilizator. Faptul este că în timpul descărcării, tensiunea de pe plăcile condensatorului se modifică într-o gamă largă. Construirea unui convertor de tensiune pentru a conecta sarcina și încărcătorul este o sarcină non-trivială. Să presupunem că trebuie să alimentați o sarcină de 60 W.

Pentru a simplifica luarea în considerare a problemei, vom neglija pierderile în convertorul de tensiune și stabilizatorul. Dacă lucrați cu o baterie obișnuită de 12 V, atunci electronica de control trebuie să poată rezista la un curent de 5 A. Astfel de dispozitive electronice sunt răspândite și ieftine. Dar o situație complet diferită apare atunci când se folosește un supercondensator, a cărui tensiune este de 2,5 V. Apoi, curentul care curge prin componentele electronice ale convertorului poate ajunge la 24 A, ceea ce necesită noi abordări ale tehnologiei circuitelor și o bază de elemente modernă. Tocmai complexitatea construirii unui convertor și stabilizator poate explica faptul că supercondensatorii, a căror producție în serie a început în anii 70 ai secolului XX, abia acum au început să fie utilizați pe scară largă într-o varietate de domenii.

Supercondensatorii pot fi conectați la baterii folosind conexiuni în serie sau paralele. În primul caz, tensiunea maximă admisă crește. În al doilea caz - capacitatea. Creșterea tensiunii maxime admise în acest fel este o modalitate de a rezolva problema, dar va trebui să plătiți pentru aceasta prin reducerea capacității.

Dimensiunile supercondensatoarelor depind în mod natural de capacitatea lor. Un supercondensator tipic cu o capacitate de 3000 F este un cilindru cu un diametru de aproximativ 5 cm și o lungime de 14 cm Cu o capacitate de 10 F, un supercondensator are dimensiuni comparabile cu o unghie umană.

Supercondensatorii buni pot rezista la sute de mii de cicluri de încărcare-descărcare, depășind bateriile de aproximativ 100 de ori în acest parametru. Dar, ca și condensatorii electrolitici, supercondensatorii se confruntă cu problema îmbătrânirii din cauza scurgerii treptate a electrolitului. Până în prezent, nu s-au acumulat statistici complete cu privire la defecțiunea supercondensatorilor din acest motiv, dar conform datelor indirecte, durata de viață a supercondensatorilor poate fi estimată la aproximativ 15 ani.

Energia acumulată

Cantitatea de energie stocată într-un condensator, exprimată în jouli:

unde C este capacitatea, exprimată în faradi, U este tensiunea de pe plăci, exprimată în volți.

Cantitatea de energie stocată în condensator, exprimată în kWh, este:

Prin urmare, un condensator cu o capacitate de 3000 F cu o tensiune între plăci de 2,5 V este capabil să stocheze doar 0,0026 kWh. Cum se compară asta cu, de exemplu, o baterie litiu-ion? Dacă considerăm că tensiunea de ieșire este independentă de gradul de descărcare și egală cu 3,6 V, atunci o cantitate de energie de 0,0026 kWh va fi stocată într-o baterie litiu-ion cu o capacitate de 0,72 Ah. Din păcate, un rezultat foarte modest.

Aplicarea supercondensatorilor

Sistemele de iluminat de urgență sunt acolo unde utilizarea supercondensatoarelor în loc de baterii face o diferență reală. De fapt, tocmai această aplicație se caracterizează prin descărcare neuniformă. În plus, este de dorit ca lampa de urgență să fie încărcată rapid și ca sursa de alimentare de rezervă utilizată în ea să aibă o fiabilitate mai mare. O sursă de alimentare de rezervă bazată pe supercondensator poate fi integrată direct în lampa LED T8. Astfel de lămpi sunt deja produse de o serie de companii chineze.

După cum sa menționat deja, dezvoltarea supercondensatorilor se datorează în mare parte interesului față de sursele alternative de energie. Dar aplicarea practică este încă limitată la lămpile LED care primesc energie de la soare.

Utilizarea supercondensatorilor pentru pornirea echipamentelor electrice se dezvoltă activ.

Supercondensatorii sunt capabili să furnizeze cantități mari de energie într-o perioadă scurtă de timp. Prin alimentarea echipamentelor electrice la pornire de la un supercondensator, sarcinile de vârf pe rețeaua de energie pot fi reduse și, în cele din urmă, marja curentului de pornire poate fi redusă, realizând economii uriașe de costuri.

Prin combinarea mai multor supercondensatori într-o baterie, putem obține o capacitate comparabilă cu bateriile folosite la mașinile electrice. Dar această baterie va cântări de câteva ori mai mult decât bateria, ceea ce este inacceptabil pentru vehicule. Problema poate fi rezolvată folosind supercondensatori pe bază de grafen, dar în prezent există doar ca prototipuri. Cu toate acestea, o versiune promițătoare a celebrului Yo-mobile, alimentată doar de electricitate, va folosi ca sursă de energie supercondensatori de nouă generație, care sunt dezvoltați de oamenii de știință ruși.

Supercondensatorii vor beneficia și de înlocuirea bateriilor în vehiculele convenționale pe benzină sau diesel - utilizarea lor în astfel de vehicule este deja o realitate.

Între timp, cele mai de succes dintre proiectele implementate de introducere a supercondensatorilor pot fi considerate noile troleibuze de fabricație rusă care au apărut recent pe străzile Moscovei. Când alimentarea cu tensiune a rețelei de contact este întreruptă sau când colectoarele de curent „zboară”, troleibuzul poate călători cu o viteză mică (aproximativ 15 km/h) câteva sute de metri până la un loc în care nu va interfera cu traficul. pe drum. Sursa de energie pentru astfel de manevre este o baterie de supercondensatoare.

În general, deocamdată supercondensatorii pot înlocui bateriile doar în anumite „nișe”. Dar tehnologia se dezvoltă rapid, ceea ce ne permite să ne așteptăm că, în viitorul apropiat, domeniul de aplicare al supercondensatorilor se va extinde semnificativ.

Alexei Vasiliev

Ionistorii devin din ce în ce mai mult unul dintre elementele principale ale automobilelor sisteme electronice. Un supercondensator pentru o mașină rezolvă problema pornirii motorului, reducând astfel sarcina bateriei. În plus, prin optimizarea schemelor electrice, greutatea vehiculului este redusă.
Ionistorii auto sunt utilizați pe scară largă în fabricarea de mașini hibride. Funcționarea generatorului lor depinde de motorul cu ardere internă, iar mașina este antrenată de motoare electrice. Un ionistor pentru o mașină într-un astfel de circuit este o sursă de energie primită rapid atunci când începe să se miște și să accelereze. În timpul frânării, dispozitivul de stocare este reîncărcat.
În prezent, un supercondensator este folosit doar parțial în locul unei baterii. Cu toate acestea, în viitorul apropiat înlocuire completă va deveni cu siguranță reală, deoarece oamenii de știință dezvoltă în mod activ astfel de tehnologii.

Când este necesar un ionistor pentru a porni un motor?
Un supercondensator pentru o mașină este necesar în cazurile în care există riscul ca bateria standard să nu facă față sarcinii de pornire a motorului cu ardere internă. De exemplu, un ionistor pentru o mașină ajută în următoarele situații:
- bateria nu primește în mod cronic suficientă încărcare în timpul călătoriilor frecvente pe distanțe scurte;
- puterea bateriei nu este suficientă pentru a porni motorul. Cel mai adesea această problemă apare iarna;
- este necesar să se reducă sarcinile de vârf ale bateriei pentru a prelungi durata de viață a acesteia.
Chiar și atunci când bateria s-a defectat complet, unii oameni folosesc un supercondensator în loc de o baterie. Rezolvă problema pornirii motorului, iar ulterior rețeaua de bord este alimentată în principal de generator. Cu toate acestea, se recomandă utilizarea unui supercondensator în loc de baterie doar în modul de urgență până când devine posibilă instalarea unei baterii noi.
Într-o situație normală, ionistorul este utilizat pentru a porni motorul în următorul format. Este conectat în paralel cu bateria și în momentul pornirii preia sarcina principală. Un demaror blocat poate consuma un curent foarte mare (sute de amperi). Acest curent de pornire inițial pentru demarorul și arborele cotit staționar este generat pentru mașină. Când este furnizată sarcina principală, ionistorul împreună cu bateria vor porni motorul într-un mod mai relaxat.
Ionistorii pentru o mașină nu numai că prelungesc durata de viață a bateriei, dar au și un efect pozitiv asupra funcționării electronicelor de bord. Când folosiți supercondensatori pentru mașini, căderea de tensiune la pornire este redusă, astfel încât toate componentele electronice funcționează într-un mod mai stabil. Din același motiv, performanța sistemului de aprindere se îmbunătățește.
Când conduceți, o combinație de baterie și supercondensator pentru o mașină va atenua căderile de tensiune care apar în rețeaua de bord. Acestea apar din cauza modului în care diferite echipamente electrice se comportă la diferite sarcini și turații ale motorului. Prezența unui ionistor în circuit minimizează impactul negativ al unor astfel de supratensiuni. Puteți afla mai multe despre posibilitatea de a utiliza un ionistor în locul unei baterii, precum și în paralel cu acesta, de la consultanții noștri.