Суперкондензатори – устройство, видове и приложения

 

     Суперкондензаторите, още познати като ултракондезатори или двуслойни кондензатори, се различават от обикновените кондензатори с много по-големия си капацитет.  Кондензаторът съхранява енергията като статичен заряд, а не като електрохимична реакция, както е при оловно-киселинните батерии.  Прилагането на диференциално напрежение на положителната и отрицателната плоча зарежда кондензатора. Това е подобно на натрупването на електрически заряд при ходенето върху килима.  Когато докоснем предмет,  енергията се освобождава през пръстите на ръцете.

     Инженерите от „Дженерал Електрик“ първи експериментират с електрически двуслойни кондензатори, които довели до разработването на първите суперкондензатори през 1957г. По това време не били известни търговски приложения за суперкондензаторите. През 1966 година, „Стандарт ойл“ по случайност преоткриват ефекта на двуслойните кондензатори, докато работят върху експеримент с горивни клетки. Компанията не комерсиализира откритието си, а дава лиценза му на компанията „НЕК“, която през 1978г. рекламира технологията като „суперкондензатор“ за резервна компютърна памет. Чак след 1990 г., напредъкът  в производствените методи и по-ниската цена на материалите, довежда до подобрената производителност и по-ниската цена на суперкондензаторите.

 

 

 

     Модерните суперкондензатори сами по себе си не са батерии, но използват същия принцип на работа,  само че със специални електроди и електролит. Няколко вида електроди са били изпробвани и ние ще обърнем внимание на идеята за двуслойните кондензатори. Те са базирани на въглерода и имат органичен електролит, който е лесен за производство и това е една от най-често срещаните системи в употреба днес.

    Всички кондензатори имат лимит на напрежението. Докато електростатичният кондензатор може да издържи на високо напрежение, суперкондензатора е ограничен между 2,5 – 2,7 V. Напрежения от 2,8 V и нагоре са възможни, но ще скъсят живота му драстично. За да се постигне по-голямо напрежение, няколко суперкондензатора са свързани последователно. Това естествено има и недостатък. Поредицата от свързвания намаляват общия капацитет и последователно свързани повече от три кондензатора изискват балансиране на напрежението, за да се избегне прекалено голямо напрежение на някоя от клетките. Това е подобно на защитния кръг при литиево-йонните батерии.

Устройство на суперкондензатора

 

 

 

сдфсдф

     Специфичната енергия на суперкондензаторите е ниска и варира от 1 до 30 Wh/kg. Въпреки че тази стойност е висока в сравнение с обикновенния кондензатор, 30Wh/kg е една пета от разпространените литиево-йонни батерии. Друг недостатък при суперкондензаторите е освобождаването на напрежение. Докато електрохимичните батерии предоставят стабилно напрежение в използваем диапазон от мощност, напрежението при суперкондензаторите намалява по линейна права – от максимум до нула волтове. Това намалява използваемия спектър на мощност и голяма част от складираната енергия отива на вятъра.

асдасд

     Вместо да работят като самостоятелно устройство за съхранение на енергия, суперкондензаторите работят добре като резервен запас от енергия при прекъсвания на тока. Суперкондензаторите  са направили пробив и в електрическите двигатели. Най-доброто им качество –  да подадат голямо количество напрежение и супер бързото им зареждане, ги прави идеален вариант в пиковите консумации на ток при хибридните автомобили, както и в приложения с горивни клетки.

    Времето за зареждане на суперкондензатора е около 10 сек. Зареждането е подобно на това на електрохимичните батерии и в голяма степен зависи от зареждащото устройство. Първоначално, зареждането може да се направи много бързо, като пълното зареждане може да отнеме допълнително време. Трябва да се предвиди ограничаване на първоначалното напрежение, когато се зарежда напълно изтощен суперкондензатор. Суперкондензаторът не може да се презареди и не се нуждае от индикация за напълно заредено състояние – притокът на ток към него просто спира, когато е напълно зареден.

     На теория, суперкондензатори могат да бъдат зареждани и разреждани неограничен брой пъти, за разлика от електрохимичните батерии, които имат ограничен брой цикли заряд-разряд. Годините на неизползване на суперкондензатора също не му оказват влияние, както на батериите. При нормални условия, капацитетът на суперкондезатора пада от 100% до 80% за около 10 години. Прилагането на по-голямо напрежение, отколкото е предвидено, скъсява живота му. Суперкондензаторите работят нормално и при ниски и при високи температури.

     Саморазреждането на суперкондензатора е съществено по-високо от това на електростатичния кондензатор и до известна сепен по-високо от това на електрохимичните батерии. Вътрешно свързаният електролит допринася за това. Складираната енергия на суперкондензатора спада от 100 до 50% за 30-40 дни, на батериите с никел спада с 10-15% за месец, а литиево-йонните батерии са с  5% на месец.

     Цената за ват на суперкондензаторите е доста скъпа. Някои инженери спорят дали трябва да се харчат пари за суперкондензатори или за големи батерии. Но трябва да осъзнаем, че суперкондензаторите и електрохимичните батерии не се съревновават – по-скоро те са различни продукти, обслужващи различни приложения.

Предимства

Теоретично неограничен брой цикли живот;
Висока специфична мощност и ниско съпротивление позволяващо високи токове на напрежение;
Зарежда се за секунди;
Черпи толкова ток колкото му е необходим и не може да се презареди;
Отлична работа при зареждане и разреждане при ниски температури;

Недостатъци

Ниска специфична енергия – има само част от енергията на електрохимичните батерии;
Ниско напрежение на клетка
Висока степен на саморазреждане – по-висока отколкото на повечето електрохимични батерии;
Висока цена за ват;
Линейно освобождаване на напрежението което предотвратява използването на пълния капацитет от енергия;

Видове суперкондензатори според структурата

     Засега съществуват три вида суперкондензатори, като двуслойните суперкондензатори (Double Layer Capacitor – DLC, Electric Double Layer Capacitor – EDLC) са най-масово произвежданите. Структурата на плосък суперкондензатор от този вид се състои от два електрода от активен въглен, нанесен върху алуминиево фолио. Този въглен е леко порьозно вещество с огромна площ (на 1 g. въглен тя е между 500 и 2000 m2).

     Между електродите е поставена полупропусклива мембрана, наричана сепаратор, напоена с воден разтвор на електролит. Последният може да е сярна киселина, но по-често е смес от калиева основа и органичен разтворител. Йоните в електролита на незаредения суперкондензатор са хаотично разпръснати. При зареждане, те се натрупват по стените на двата електрода и срещу всеки от тях има йон с противоположен заряд във въглена. Образуваните два слоя електрически заряди определят наименованието на тези суперкондензатори.

     Между йоните във всяка двойка има разстояние около 1 nm, което реално е d на капацитета. Натрупаното по този начин количество електричество Q и полученото напрежение U между двата електрода определят капацитета на суперкондензатора. В двата слоя има едно и също количество електричество, поради което капацитетът не зависи от приложеното напрежение.

     От структурата и действието на EDLC може да се предположи, че те не са поляризирани, както електролитните кондензатори. Това действително е така при първото им включване за зареждане след произвеждането им. Но външното напрежение предизвиква някои промени в структурата на суперкондензатора и след няколко зареждания той реално се превръща в поляризиран. Затова, подобно на електролитните кондензатори, полярността на единия от изводите е означена върху корпуса и трябва да се спазва. Прилагането на напрежение в обратна посока за продължително време скъсява експлоатационния срок на суперкондензаторите и може да доведе до изтичане на електролит.

     Вторият вид са суперкондензаторите с аерогел (Aerogel Capacitor), който представлява въглеродна пяна. Структурата и действието на тези кондензатори е подобно на EDLC, като основната разлика е значително по-еднородната структура на въглена. Това определя по-плътно подреждане на неговите частици и съответно по-малко вътрешно съпротивление ESR (5-10 пъти). Например, такива суперкондензатори са в F Serie на Cooper Bussmann. Вече съществуват ламинирани суперкондензатори от този вид с дебелина под 1 mm.

Устройство на двуслоен суперкондензатор

 

 

sadfsxc

1 – Клеми;                                                  6 – Сепаратор;

2 – Предпазен клапан;                               7 – Поляризиращ електрод;

3 – Борд на клемите;                                  8 – Колектор;

4 – Кутия на суперкондензатора;               9 – Поляризиращ електрод;

5 – Положителен полюс;                            10 – Отрицателен полюс;

     В изследователски етап е третият вид суперкондензатори – с въглеродни нанотръбички (Carbon Nanotubes Capacitor). Тръбичките са с диаметър няколко nm и дължина няколко mm. Връзката между молекулите на въглерода тук е по-силна, отколкото при диаманта, което обуславя голямата здравина на тръбичките. Основните предимства спрямо другите два вида суперкондензатори са значително по-голямата площ на единица тегло и равномерната структура на въглена. Очаква се този вид да съчетае възможността за осигуряване на мощни токови импулси, характерна за суперкондензаторите с голямото количество енергия на акумулаторите.

Приложения в автомобилите

 

     За масовото навлизане в ежедневието на хибридните (НЕV) и електрическите (ЕV) автомобили, трябва да бъдат решени множество технически проблеми, сред които са максимално ефективното използване на енергията и осигуряване на добри динамични характеристики. При спирането на класическите автомобили, тяхната кинетична енергия (за осигуряването, на която е изразходвано гориво), се превръща от спирачките в топлина. В НЕV и ЕV спирането е чрез електродвигателя, работещ като генератор, произведената от който електроенергия трябва да се съхрани. Възможността за бързо зареждане на суперкондензаторите позволява да се използва практически цялата кинетична енергия, дори при кратко задействане на спирачната система.

     Практическото решение е успоредно свързване на суперкондензатор към акумулатора, което се вижда от типичната структура на енергийната система на НЕV на фиг. 1, а стрелките в нея показват посоката на предаване на електрическата енергия. Акумулаторът  задвижва електродвигателя, като връзката между тях е чрез постояннотоковата шина. При спиране по нея, електродвигателя зарежда суперкондензатора.

     При дълъг пробег, двигателя с вътрешно горене задейства електрическият генератор, който отново по постояннотоковата шина осигурява енергия на електродвигателя и зарежда акумулатора. Доброто ускорение, при потегляне, изисква голяма енергия за кратко време, която също се осигурява от суперкондензатора. Според направени изследвания, ползването на суперкондензатор осигурява намаляване на консумацията на гориво с около 15%.

     Стартерът на класическите автомобили изисква при запалване на двигателя голям ток за кратко време, което води до увеличаване на капацитета (заедно с размерите, теглото и цената) на акумулатора и силно го натоварва. Ефикасно съвременно средство е суперкондензатор, свързан по подходящ начин, успоредно на акумулатора, който да осигурява част от тока на стартера. От друга страна, двигателите на всички видове автомобили изразходват излишно енергия, когато са спрели на светофар, в задръстване, при качване и слизане на пътници.

     Избягването на това е чрез изключване на двигателя, което в някои автомобили се прави автоматично (Stop-Start System, SSS) с цел намаляване на разхода на гориво и замърсяването на околната среда. И в тези случаи, за бързо включване на двигателя, без практическо нарушаване на динамиката ефективно могат да се използват суперкондензатори, благодарение на големия си ток, което се оказва особено полезно в бусове и камиони за зареждане на магазини и в автобусите на градския транспорт.

Структура на енергийната система на HEV (Хибриден електрически автомобил)

 

fig1

    Често суперкондензаторите се използват и за захранване на климатика при неработещ двигател. Допълнителен положителен ефект от суперкондензаторите е ползването на акумулатори с по-малък капацитет. Така, чрез подходяща комбинация на акумулатор и суперкондензатор, могат максимално да се използват предимствата им. Основните приложения на този принцип са в НЕV. За хибридни коли, автобуси и камиони се произвеждат кондензаторни батерии с напрежение 16 V, 48 V и 125 V.

Приложения във ветрогенераторите

 

     Максимално ефективната работа на ветрогенераторите, изисква непрекъсната промяна на положението на перките им, в зависимост от посоката и силата на вятъра. В голяма част от генераторите, това се осигурява от електронна система, захранвана от акумулатор. Той постепенно се заменя със суперкондензатор (по света се намират в експлоатация няколко десетки хиляди ветрогенератора от този тип), поради описаните до тук предимства, като експлоатационният срок е над 5 пъти по-голям. През следващите години се очаква нарастване на използването на суперкондензатори във ветрогенераторните системи.

Wind turbines

Индустриални приложения

 

     Независимо от усъвършенстванията на енергийните системи, нежеланите прекъсвания на захранването, са неизбежни и същевременно недопустими в много случаи. Класическият начин за избягването им чрез непрекъсваеми захранвания (UPS) с вграден акумулатор често се оказва неподходящ, тъй като времето за възстановяване на захранването от порядъка на 0,1 s често е недопустимо голямо.

     Понякога, в индустриалните системи, това време трябва да е не повече от 1 ms или дори 100 ms. От друга страна, чрез UPS е възможно, но практически твърде неефикасно и скъпо получаването на високи напрежения. Поради всичко това, през последните години бяха разработени UPS със суперкондензатори или комбинация акумулатор-суперкондензатор, някои модели, от които са предназначени за напрежения до 11 kV.

     Малкото време, през което могат да поддържат захранването, не е особен недостатък, тъй като статистическите данни за последните 20 години показват, че 98% от прекъсванията на мрежовото напрежение са за по-малко от 1s. Пример за приложението им е за захранване на мощните контактори в подстанциите. Нисковолтовите индустриални приложения на суперкондензаторите включват аварийно захранване на интелигентни електромери, видеокамери, роботи, използват се в машини за заваряване, подемни кранове и др.

apc-back-ups-pro-1500-230v-schuko-outputs-br1500g-gr-1

Хибридни акумулатори

 

     Необходимостта и ефективността на комбинацията акумулатор-суперкондензатор доведе до създаването на хибридни акумулатори (Hybrid Battery, Ultrabattery, Hybrid Capacitor, Pseudocapacitor), съчетаващи качествата на двата прибора. Предимствата са липсата на управляващия електронен блок при свързването на отделни акумулатор и суперкондензатор, по-малките размери и тегло. Засега, съществуват три основни разновидности на хибридни акумулатори.

     Първата представлява видоизменение на оловен акумулатор, като отрицателният електрод е разделен на две части – едната за работа като акумулатор и другата за работа като суперкондензатор. Различието на двата електрода определя и наименованието Asymmetric Hybrid Ultracapacitor. Експлоатационният срок на един серийно произвеждан хибриден акумулатор от този вид е 4 пъти по-дълъг от този на оловните акумулатори, а доставяната мощност – с 50% по-голяма. Първоначалните оценки са, че използването му в НЕV ще намали цената им с 2000 USD.

    Втората разновидност представлява видоизменение на суперкондензатор, като единият електрод е от порьозен въглерод с примеси от метали, от проводящи полимери или от метални окиси. Третата разновидност е на основата на литиев акумулатор с основни приложения в апаратури с батерийно захранване. Подобен, намиращ се в серийно производство модел, има капацитет 1000 F, напрежение 2,3 V, 14 mW и максимално количество на съхраняваната енергия 0,735 Wh.

 

 

15johnson-controls-blog480-v2

Оставете коментар