Batareya əvəzinə kondansatör: texniki həll. Evdə hazırlanmış ionistor - öz əllərimizlə bir superkondensator edirik Evdə bir ionistor superkondansatörünü necə etmək olar

Aptekdən bir qaşıq aktivləşdirilmiş karbon, bir neçə damcı duzlu su, bir qalay boşqab və plastik bir qab foto film. Etmək kifayətdir DIY ionistor, tutumu təxminən Yer kürəsinin elektrik tutumuna ... bərabər olan elektrik kondansatörü. Leyden qabı.

Mümkündür ki, Amerika qəzetlərindən biri məhz belə bir cihaz haqqında 1777-ci ildə yazırdı: “... Doktor Franklin Londonun Müqəddəs Pavel Katedralini bir ovuc külə çevirmək qabiliyyətinə malik diş çubuğu qutusu böyüklüyündə maşın icad etmişdir. ” Bununla belə, ilk şeylər.

Bəşəriyyət iki əsrdən bir qədər artıqdır ki, elektrik enerjisindən istifadə edir, lakin elektrik hadisələri insanlara min illərdir məlumdur və uzun müddətdir ki, praktiki əhəmiyyət kəsb etmir. Yalnız 18-ci əsrin əvvəllərində, elm dəbdə olan bir əyləncəyə çevrildikdə, alman alimi Otto von Guericke xüsusi olaraq ictimai təcrübələr aparmaq üçün "elektroforik" bir maşın yaratdı və onun köməyi ilə əvvəllər eşidilməyən miqdarda elektrik aldı.

Maşın bir şüşə kürədən ibarət idi, fırlananda bir dəri parçası sürtülürdü. Onun işinin təsiri böyük idi: qığılcımlar cırıldayırdı, gözəgörünməz elektrik qüvvələri xanımların şallarını qoparır, tükləri dirək edirdi. Cisimlərin elektrik yüklərini toplamaq qabiliyyəti ictimaiyyəti xüsusilə təəccübləndirdi.

1745-ci ildə Leydendən olan holland fiziki Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) şüşə qaba su tökdü, içərisinə vazadakı çiçək kimi bir məftil parçası qoydu və ovucları ilə diqqətlə sıxaraq onu mağaraya gətirdi. elektrofor maşını. Şüşə o qədər çox elektrik topladı ki, məftil parçasından parlaq bir qığılcım "qulağızdan gələn uğultu" ilə uçdu. Alim növbəti dəfə barmağı ilə məftilə toxunduqda huşunu itirdiyi zərbə aldı; Vaxtında gələn köməkçi Kuneus olmasaydı, məsələ kədərli bitə bilərdi.

Beləliklə, o dövrdə məlum olan hər hansı cisimdən milyonlarla dəfə çox yük yığa bilən cihaz yaradıldı. Bu, "Leyden küpü" adlanırdı. Bu, bir növ kondansatör idi, boşqablarından biri eksperimentatorun ovucları, dielektrik şüşə divarlar, ikinci lövhə isə su idi.

İxtira xəbəri bütün aydınlanmış Avropaya yayıldı. Leyden qabı dərhal Fransa kralı XV Lüdovikin maarifləndirilməsi üçün istifadə edilmişdir. Tamaşalar başladı. Tarixə düşən təcrübələrdən birində əl-ələ tutan mühafizəçilər zəncirindən elektrik cərəyanı keçirdi. Elektrik boşalması dəydikdə hamı bir nəfər kimi ayağa qalxdı, sanki havada yürüş edəcəkdilər. Başqa bir təcrübədə isə cərəyan 700 rahib zəncirindən keçirildi...

Amerikada Leyden qabı ilə aparılan təcrübələr daha praktiki istiqamət götürdü. 1747-ci ildə onları ABŞ-ın qurucularından biri, artıq adı çəkilən Benjamin Franklin başlatdı. O, qabı qalay folqa ilə bükmək ideyası ilə çıxış etdi və onun tutumu dəfələrlə artdı və iş daha təhlükəsiz oldu. Onunla apardığı təcrübələrdə Franklin sübut etdi ki, elektrik boşalması istilik yarada və termometrdə civə sütununu qaldıra bilər. Kavanozu qalay folqa ilə örtülmüş şüşə boşqab ilə əvəz edərək, Franklin hətta təkmilləşdirdiyi Leyden qabından dəfələrlə yüngül olan düz bir kondansatör aldı.

Qəzetin yazdığı kimi, “Müqəddəs Pavel Katedralini kül yığınına çevirmək” üçün istifadə oluna bilən o qədər enerji saxlaya bilən cihaz haqqında tarix susur, lakin bu o demək deyil ki, B.Franklin onu yarada bilməyib. .

Və burada necə edəcəyinə qayıtmaq vaxtıdır DIY ionistor. Lazım olan hər şeyi yığmısınızsa, bir parça izolyasiya edilmiş tel lehimlədikdən sonra qalay boşqabını film qutusunun dibinə endirin. Üstünə bir filtr kağızı yastığı qoyun, üzərinə bir qat aktivləşdirilmiş karbon tökün və duzlu su tökdükdən sonra "sendviçinizi" başqa bir elektrodla örtün.

İonistorun işinin diaqramı.

Bir elektrokimyəvi kondansatörünüz var - ionistor. Maraqlıdır, çünki aktivləşdirilmiş karbon hissəciklərinin məsamələrində ikiqat elektrik təbəqəsi meydana gəlir - bir-birinə yaxın yerləşən müxtəlif işarəli iki elektrik yükü təbəqəsi, yəni bir növ elektrokimyəvi kondansatör. Qatlar arası məsafə angstromlarla hesablanır (1 angstrom - 10-9 m). Və bir kondansatörün tutumu, məlum olduğu kimi, plitələr arasındakı məsafə nə qədər kiçik olarsa.

Bununla əlaqədar olaraq, ikiqat təbəqədə vahid həcmə düşən enerji ehtiyatı ən güclü partlayıcıdan daha böyükdür. Bu Leyden qabı!

İonistor aşağıdakı kimi işləyir. Xarici gərginlik olmadıqda, onun tutumu əhəmiyyətsizdir. Amma kondansatörün qütblərinə tətbiq olunan gərginliyin təsiri altında bitişik kömür təbəqələri yüklənir. Məhluldakı əks işarəli ionlar kömür hissəciklərinə doğru tələsir və onların səthində ikiqat elektrik təbəqəsi əmələ gətirir.

Sənaye elektrokimyəvi kondansatör (ionistor). Düymə ölçülü metal korpus məsaməli boşluqla ayrılmış iki qat aktivləşdirilmiş karbondan ibarətdir.

Bunu necə edəcəyinizi sxem DIY ionistor.

Plastik qabdan və aktivləşdirilmiş karbondan hazırlanmış evdə hazırlanmış ionistorun diaqramı:

1 - yuxarı elektrod;

2 - birləşdirən naqillər;

3.5 - yaş aktivləşdirilmiş karbon təbəqələri;

4 - məsaməli ayırıcı conta;

6 - alt elektrod;

7 - bədən.

Kondansatörün qütblərinə bir yük bağlanarsa, o zaman kömür hissəciklərinin daxili səthindən əks yüklər naqillər boyunca bir-birinə doğru axacaq və onların məsamələrində yerləşən ionlar çıxacaq.

Hamısı budur. indi bunu necə edəcəyinizi başa düşürsünüz DIY ionistor.

Müasir ionistorlar onlarla və yüzlərlə farad tutumuna malikdir. Boşaldıqda, onlar böyük güc inkişaf etdirməyə qadirdirlər və çox davamlıdırlar. Vahid kütləyə və vahid həcmə görə enerji ehtiyatı baxımından ionistorlar hələ də batareyalardan daha aşağı səviyyədədir. Ancaq aktivləşdirilmiş karbonu ən nazik karbon nanoborucuqları və ya digər elektrik keçirici maddə ilə əvəz etsəniz, ionistorun enerji intensivliyi fantastik dərəcədə böyük ola bilər.

Benjamin Franklin nanotexnologiyanın heç düşünülmədiyi bir dövrdə yaşayırdı, lakin bu, ondan istifadə olunmadığı anlamına gəlmir. Kimya üzrə Nobel mükafatı laureatı Robert Kürinin bildirdiyinə görə, Dəməşq poladından bıçaqlar hazırlayarkən qədim sənətkarlar bilmədən nanotexnologiya üsullarından istifadə edirdilər. Qədim damask poladı metal konstruksiyadakı karbonun xüsusi tərkibi sayəsində həmişə kəskin və davamlı olaraq qalmışdır.

Franklin tərəfindən bir superkondensator yaratmaq üçün istifadə edilə bilər, məsələn, nanoborular olan kömürlənmiş bitki gövdələri kimi bir növ nanomateriallar. Bunun nə olduğunu neçə nəfər başa düşür? Leyden qabı, və kim bunu etməyə çalışacaq?

İonistorlar elektrik enerjisini saxlamaq üçün nəzərdə tutulmuş elektrokimyəvi cihazlardır. Onlar böyük yükləmə-boşaltma sürəti (bir neçə on minlərlə dəfəyə qədər) ilə xarakterizə olunur, digər batareyalardan fərqli olaraq çox uzun xidmət müddətinə malikdirlər (yenidən doldurulan batareyalar və qalvanik elementlər), aşağı sızma cərəyanı və ən əsası, ionistorlar ola bilər. böyük tutumu və çox kiçik ölçüləri. İonistorlar fərdi kompüterlərdə, avtomobil radiolarında, mobil cihazlarda və s. Əsas batareya çıxarıldıqda və ya cihaz söndürüldükdə yaddaş saxlamaq üçün nəzərdə tutulmuşdur. Son zamanlarda ionistorlar günəş batareyalarından istifadə edən avtonom enerji sistemlərində tez-tez istifadə olunur.

İonistorlar həm də hava şəraitindən asılı olmayaraq çox uzun müddət bir yük saxlayır, şaxtaya və istiyə davamlıdırlar və bu heç bir şəkildə cihazın işinə təsir etməyəcək. Bəzi elektron sxemlərdə yaddaşı saxlamaq üçün ionistorun gərginliyindən daha yüksək gərginliyə malik olmaq lazımdır, bu problemi həll etmək üçün ionistorlar sıra ilə, ionistorun tutumunu artırmaq üçün isə onlar bir-birinə qoşulur. paralel. Sonuncu əlaqə növü əsasən ionistorun işləmə müddətini artırmaq, həmçinin yükə verilən cərəyanı artırmaq üçün istifadə olunur; paralel əlaqədə cərəyanı tarazlaşdırmaq üçün hər bir ionistora bir rezistor qoşulur.

İonistorlar tez-tez batareyalarla istifadə olunur və onlardan fərqli olaraq, qısa qapanmalardan və ətraf mühitin temperaturunda ani dəyişikliklərdən qorxmurlar. Artıq bu gün böyük tutumlu və 1 ampere qədər cərəyanla xüsusi ionistorlar hazırlanır.Məlum olduğu kimi, bu gün yaddaşın saxlanması texnologiyasında istifadə olunan ionistorların cərəyanı 100 milliamperdən çox deyil, bu, bir və ən çox olanıdır. ionistorların mühüm çatışmazlığıdır, lakin bu, ionistorların yuxarıda sadalanan üstünlükləri ilə kompensasiya olunur. İnternetdə sözdə superkapasitorlara əsaslanan bir çox dizayn tapa bilərsiniz - onlar da ionistorlardır. İonistorlar olduqca yaxınlarda - 20 il əvvəl ortaya çıxdı.

Alimlərin fikrincə, planetimizin elektrik gücü 700 mikrofaraddır, sadə bir kondansatörlə müqayisə edin... İonistorlar əsasən kömürdən hazırlanır, aktivləşdirildikdən və xüsusi emaldan sonra məsaməli olur, iki metal lövhə bölməyə möhkəm basılır. kömür. Evdə bir ionistor hazırlamaq çox sadədir, lakin məsaməli karbon əldə etmək demək olar ki, mümkün deyil, evdə kömür emal etməlisiniz və bu bir qədər problemlidir, buna görə bir ionistor almaq və onun üzərində maraqlı təcrübələr aparmaq daha asandır. Məsələn, bir ionistorun parametrləri (güc və gərginlik) LED-in parlaq və uzun müddət yanması və ya işləməsi üçün kifayətdir.

Superkondensator və ya ionistor enerji kütlələrini saxlamaq üçün bir cihazdır; yük yığılması elektrod və elektrolit arasındakı sərhəddə baş verir. Faydalı enerji həcmi statik yük kimi saxlanılır. Yığım prosesi ionistorun plitələri arasında potensial fərq aldıqda sabit bir gərginliklə qarşılıqlı təsirə düşür. Texnoloji tətbiqetmə, eləcə də bu cür cihazların yaradılması ideyası nisbətən yaxınlarda ortaya çıxdı, lakin müəyyən sayda problemləri həll etmək üçün eksperimental istifadə edə bildilər. Bu hissə, saatlarda, kalkulyatorlarda və müxtəlif mikrosxemlərdə ehtiyat və ya əsas enerji təchizatı vasitəsi olan kimyəvi mənşəli cari mənbələri əvəz edə bilər.

Bir kondansatörün elementar dizaynı quru ayırıcı maddə ilə ayrılmış materialı folqa olan bir boşqabdan ibarətdir. İonistor elektrokimyəvi tipli şarj cihazı olan bir sıra kondansatörlərdən ibarətdir. Onun istehsalı üçün xüsusi elektrolitlərdən istifadə olunur. Kaplamalar bir neçə növ ola bilər. Aktivləşdirilmiş karbon iri miqyaslı astarların istehsalı üçün istifadə olunur. Metal oksidləri və yüksək keçiriciliyə malik polimer materiallardan da istifadə edilə bilər. Tələb olunan kapasitiv sıxlığa nail olmaq üçün yüksək məsaməli karbon materiallarından istifadə etmək tövsiyə olunur. Bundan əlavə, bu yanaşma təsirli dərəcədə aşağı qiymətə bir ionistor hazırlamağa imkan verir. Belə hissələr boşqabda əmələ gələn ikiqat bölmədə yük toplayan DLC kondansatörlərinin kateqoriyasına aiddir.

Dizayn həlli, ionistor su elektrolit bazası ilə birləşdirildikdə, daxili elementlərin aşağı müqaviməti ilə xarakterizə olunur, yükləmə gərginliyi isə 1 V ilə məhdudlaşır. Üzvi keçiricilərin istifadəsi təxminən 2...3 gərginlik səviyyəsinə zəmanət verir. V və artan müqavimət.

Elektron sxemlər daha yüksək enerji tələbləri ilə işləyir. Bu problemin həlli istifadə olunan güc nöqtələrinin sayını artırmaqdır. İonistor yalnız bir deyil, 3-4 ədəd həcmdə quraşdırılır və lazımi miqdarda yük verir.

Nikel-metal hidrid batareyası ilə müqayisədə, ionistor enerji ehtiyatının onda birini tutmağa qadirdir, gərginliyi isə planar boşalma zonaları istisna olmaqla, xətti olaraq azalır. Bu amillər ionistorda yükü tam saxlamaq qabiliyyətinə təsir göstərir. Doldurma səviyyəsi birbaşa elementin texnoloji məqsədindən asılıdır.

Çox vaxt bir ionistor yaddaş çiplərini gücləndirmək üçün istifadə olunur və filtr sxemlərinə və hamarlaşdırıcı filtrlərə daxil edilir. Onlar həmçinin cərəyandakı qəfil artımların nəticələri ilə mübarizə aparmaq üçün müxtəlif növ batareyalarla birləşdirilə bilər: aşağı cərəyan verildikdə ionistor yenidən doldurulur, əks halda enerjinin bir hissəsini buraxır və bununla da ümumi yükü azaldır.

İnsanlar ilk dəfə elektrik enerjisini saxlamaq üçün kondansatörlərdən istifadə edirdilər. Sonra elektrotexnika laboratoriya təcrübələrindən kənara çıxdıqda, elektrik enerjisinin saxlanması üçün əsas vasitəyə çevrilən batareyalar icad edildi. Lakin 21-ci əsrin əvvəllərində elektrik avadanlıqlarını gücləndirmək üçün yenidən kondansatörlərdən istifadə etmək təklif olunur. Bu nə dərəcədə mümkündür və batareyalar nəhayət keçmişdə qalacaq?

Kondansatörlərin batareyalarla əvəz edilməsinin səbəbi, onların saxlamağa qadir olduqları əhəmiyyətli dərəcədə daha çox elektrik enerjisi idi. Başqa bir səbəb, boşalma zamanı batareyanın çıxışındakı gərginliyin çox az dəyişməsidir ki, gərginlik stabilizatoru ya tələb olunmur, ya da çox sadə dizaynda ola bilər.

Kondansatörlər və batareyalar arasındakı əsas fərq ondan ibarətdir ki, kondansatörlər elektrik yükünü birbaşa saxlayır, batareyalar isə elektrik enerjisini kimyəvi enerjiyə çevirir, saxlayır və sonra kimyəvi enerjini yenidən elektrik enerjisinə çevirir.

Enerji çevrilmələri zamanı onun bir hissəsi itirilir. Buna görə də, hətta ən yaxşı batareyaların səmərəliliyi 90% -dən çox deyil, kondansatörlər üçün isə 99% -ə çata bilər. Kimyəvi reaksiyaların intensivliyi temperaturdan asılıdır, buna görə də batareyalar soyuq havada otaq temperaturundan nəzərəçarpacaq dərəcədə pis işləyir. Bundan əlavə, batareyalardakı kimyəvi reaksiyalar tamamilə geri qaytarılmır. Beləliklə, az sayda doldurma-boşaltma dövrü (minlərlə, əksər hallarda batareyanın ömrü təxminən 1000 şarj-boşaltma dövrüdür), həmçinin "yaddaş effekti". Xatırladaq ki, "yaddaş effekti" batareyanın həmişə müəyyən miqdarda yığılmış enerjiyə boşaldılmasıdır, onda onun tutumu maksimum olacaqdır. Boşaldıqdan sonra içərisində daha çox enerji qalsa, batareyanın tutumu tədricən azalacaq. "Yaddaş effekti" turşu olanlar (o cümlədən, gel və AGM) istisna olmaqla, demək olar ki, bütün kommersiya tipli akkumulyatorlar üçün xarakterikdir. Litium-ion və litium-polimer batareyalarında bunun olmadığı ümumi qəbul edilsə də, əslində onlarda da var, sadəcə olaraq digər növlərə nisbətən daha az dərəcədə özünü göstərir. Turşu batareyalarına gəldikdə, onlar enerji mənbəyinə geri dönməz ziyan vuran boşqab sulfatlaşmasının təsirini nümayiş etdirirlər. Səbəblərdən biri də batareyanın uzun müddət 50%-dən az doldurulmuş vəziyyətdə qalmasıdır.

Alternativ enerjiyə gəlincə, “yaddaş effekti” və boşqab sulfatlaşması ciddi problemlərdir. Fakt budur ki, günəş panelləri və külək turbinləri kimi mənbələrdən enerji təchizatını proqnozlaşdırmaq çətindir. Nəticədə, batareyaların doldurulması və boşaldılması xaotik şəkildə, qeyri-optimal rejimdə baş verir.

Həyatın müasir ritmi üçün batareyaların bir neçə saat doldurulması tamamilə qəbuledilməzdir. Məsələn, bitmiş akkumulyator sizi bir neçə saat şarj nöqtəsində saxlayırsa, elektrik avtomobilində uzun məsafə sürməyi necə təsəvvür edirsiniz? Batareyanın doldurulma sürəti onda baş verən kimyəvi proseslərin sürəti ilə məhdudlaşır. Doldurma müddətini 1 saata qədər azalda bilərsiniz, lakin bir neçə dəqiqəyə qədər deyil. Eyni zamanda, kondansatörün doldurulma dərəcəsi yalnız şarj cihazı tərəfindən verilən maksimum cərəyanla məhdudlaşır.

Batareyaların sadalanan çatışmazlıqları əvəzinə kondansatörlərdən istifadə etməyi təcili etdi.

Elektrikli ikiqat təbəqədən istifadə

Bir çox onilliklər ərzində elektrolitik kondansatörlər ən yüksək tutuma malik idi. Onlarda plitələrdən biri metal folqa, digəri elektrolit idi və plitələr arasındakı izolyasiya folqa ilə örtülmüş metal oksid idi. Elektrolitik kondansatörlər üçün tutum bir faradın yüzdə birinə çata bilər, bu da batareyanı tam əvəz etmək üçün kifayət deyil.

Müxtəlif növ kondansatörlərin dizaynlarının müqayisəsi (Mənbə: Wikipedia)

Minlərlə faradla ölçülən böyük tutum, sözdə ikiqat elektrik qatına əsaslanan kondansatörlər tərəfindən əldə edilə bilər. Onların fəaliyyət prinsipi aşağıdakı kimidir. Bərk və maye fazalardakı maddələrin interfeysində müəyyən şərtlər altında ikiqat elektrik təbəqəsi yaranır. İki ion təbəqəsi əks işarəli, lakin eyni böyüklükdə yüklərlə əmələ gəlir. Vəziyyəti çox sadələşdirsək, "plitələr" göstərilən ion təbəqələri olan, aralarındakı məsafə bir neçə atoma bərabər olan bir kondansatör meydana gəlir.

Maksvell tərəfindən istehsal olunan müxtəlif tutumlu superkapasitorlar

Bu təsirə əsaslanan kondansatörlərə bəzən ionistorlar deyilir. Əslində, bu termin təkcə elektrik yükünün saxlandığı kondansatörlərə deyil, həm də elektrik enerjisinin saxlanması üçün digər cihazlara aiddir - elektrik enerjisinin qismən kimyəvi enerjiyə çevrilməsi ilə birlikdə elektrik yükünün saxlanması (hibrid ionistor), eləcə də ikiqat elektrik qatına əsaslanan batareyalar (sözdə psevdokapasitorlar). Buna görə də "superkapasitorlar" termini daha uyğundur. Bəzən bunun əvəzinə eyni "ultrakapasitor" termini istifadə olunur.

Texniki icra

Superkondensator elektrolitlə doldurulmuş iki aktivləşdirilmiş karbon lövhəsindən ibarətdir. Onların arasında elektrolitin keçməsinə imkan verən, lakin plitələr arasında aktivləşdirilmiş karbon hissəciklərinin fiziki hərəkətinə mane olan bir membran var.

Qeyd etmək lazımdır ki, superkondensatorların özlərində polarite yoxdur. Bununla onlar, bir qayda olaraq, polarite ilə xarakterizə olunan elektrolitik kondansatörlərdən əsaslı şəkildə fərqlənirlər, buna əməl edilməməsi kondansatörün sıradan çıxmasına səbəb olur. Bununla belə, polarite superkondensatorlara da tətbiq edilir. Bu, superkondensatorların zavod montaj xəttini artıq yüklənmiş tərk etməsi ilə əlaqədardır və işarələmə bu yükün polaritesini göstərir.

Superkondensator parametrləri

Yazı zamanı əldə edilən fərdi superkondensatorun maksimum tutumu 12.000 F-dir. Kütləvi istehsal edilmiş superkondensatorlar üçün o, 3000 F-dən çox deyil. Plitələr arasında icazə verilən maksimum gərginlik 10 V-dan çox deyil. Ticarət məqsədilə istehsal olunan superkapasitorlar üçün bu rəqəm, bir qayda olaraq, 2. 3 – 2.7 V daxilində yatır. Aşağı iş gərginliyi stabilizator funksiyası olan gərginlik çeviricisinin istifadəsini tələb edir. Fakt budur ki, boşalma zamanı kondansatör plitələrindəki gərginlik geniş diapazonda dəyişir. Yükü və şarj cihazını birləşdirmək üçün bir gərginlik çeviricisinin qurulması qeyri-trivial bir işdir. Deyək ki, 60W yükü gücləndirmək lazımdır.

Məsələnin nəzərdən keçirilməsini asanlaşdırmaq üçün gərginlik çeviricisi və stabilizatorda itkiləri laqeyd edəcəyik. Əgər adi 12 V batareya ilə işləyirsinizsə, onda idarəetmə elektronikası 5 A cərəyanına tab gətirə bilməlidir. Belə elektron qurğular geniş yayılmış və ucuzdur. Amma gərginliyi 2,5 V olan superkondensatordan istifadə edərkən tamamilə fərqli bir vəziyyət yaranır. Sonra çeviricinin elektron komponentləri vasitəsilə axan cərəyan 24 A-a çata bilər ki, bu da dövrə texnologiyasına və müasir element bazasına yeni yanaşmalar tələb edir. Serial istehsalına 20-ci əsrin 70-ci illərində başlanan superkapasitorların yalnız indi müxtəlif sahələrdə geniş istifadə olunmağa başlaması faktını izah edə bilən konvertor və stabilizatorun qurulmasının mürəkkəbliyidir.

Fasiləsiz enerji təchizatının sxematik diaqramı
superkondensatorlarda gərginlik, əsas komponentlər həyata keçirilir
LinearTechnology tərəfindən istehsal edilən bir mikrosxemdə

Superkondensatorlar seriyalı və ya paralel bağlantılardan istifadə edərək batareyalara qoşula bilər. Birinci halda, maksimum icazə verilən gərginlik artır. İkinci halda - tutum. Bu şəkildə icazə verilən maksimum gərginliyin artırılması problemi həll etməyin bir yoludur, ancaq tutumu azaltmaqla bunun üçün pul ödəməli olacaqsınız.

Superkondensatorların ölçüləri təbii olaraq onların tutumundan asılıdır. 3000 F tutumlu tipik bir superkondensator diametri təxminən 5 sm və uzunluğu 14 sm olan bir silindrdir.10 F tutumlu bir superkondensator insan dırnağı ilə müqayisə edilə bilən ölçülərə malikdir.

Yaxşı superkondensatorlar bu parametrdə batareyaları təxminən 100 dəfə üstələyən yüz minlərlə yükləmə-boşaltma dövrünə tab gətirə bilər. Lakin, elektrolitik kondansatörler kimi, superkapasitorlar da elektrolitin tədricən sızması səbəbindən yaşlanma problemi ilə üzləşirlər. İndiyə qədər bu səbəbdən superkondensatorların nasazlığı ilə bağlı tam statistik məlumatlar toplanmamışdır, lakin dolayı məlumatlara görə, superkapasitorların xidmət müddəti təxminən 15 il hesab edilə bilər.

Yığılmış enerji

Bir kondansatördə saxlanılan enerjinin miqdarı, joul ilə ifadə edilir:

E = CU 2/2,
burada C - faradlarla ifadə olunan tutumdur, U voltla ifadə olunan plitələrdəki gərginlikdir.

Kondensatorda saxlanılan enerjinin miqdarı kVt-saatla ifadə edilir:

W = CU 2 /7200000

Beləliklə, plitələr arasında 2,5 V gərginliyə malik 3000 F tutumlu bir kondansatör yalnız 0,0026 kVt-saat saxlamağa qadirdir. Bu, məsələn, litium-ion batareya ilə necə müqayisə olunur? Əgər onun çıxış gərginliyini boşalma dərəcəsindən asılı olmayaraq və 3,6 V-a bərabər götürsək, onda 0,0026 kVt/saat enerji miqdarı 0,72 Ah tutumlu litium-ion batareyasında saxlanacaqdır. Təəssüf ki, çox təvazökar bir nəticə.

Superkondensatorların tətbiqi

Fövqəladə işıqlandırma sistemləri, batareyalar əvəzinə superkapasitorların istifadəsinin əsl fərq yaratdığı yerdir. Əslində, qeyri-bərabər boşalma ilə xarakterizə olunan məhz bu tətbiqdir. Bundan əlavə, təcili lampanın tez doldurulması və orada istifadə olunan ehtiyat enerji mənbəyinin daha etibarlı olması arzu edilir. Superkapasitor əsaslı ehtiyat enerji təchizatı birbaşa T8 LED lampasına inteqrasiya oluna bilər. Belə lampalar artıq bir sıra Çin şirkətləri tərəfindən istehsal olunur.

Güclü LED yer işığı
günəş panellərindən, enerji anbarından
bir superkondensatorda həyata keçirilir

Artıq qeyd edildiyi kimi, superkondensatorların inkişafı əsasən alternativ enerji mənbələrinə maraqla bağlıdır. Ancaq praktik tətbiq hələ də günəşdən enerji alan LED lampalarla məhdudlaşır.

Elektrik avadanlıqlarını işə salmaq üçün superkondensatorların istifadəsi fəal şəkildə inkişaf edir.

Superkondensatorlar qısa müddət ərzində böyük miqdarda enerji ötürməyə qadirdir. Superkondensatordan işə salındıqda elektrik avadanlığını gücləndirməklə, elektrik şəbəkəsindəki pik yükləri azaltmaq və nəhayət, başlanğıc cərəyan marjasını azaltmaq və böyük xərclərə qənaət etmək olar.

Bir neçə superkondensatoru bir akkumulyatorda birləşdirərək, biz elektrik nəqliyyat vasitələrində istifadə olunan akkumulyatorlarla müqayisə olunan tutuma nail ola bilərik. Amma bu akkumulyatorun çəkisi akkumulyatordan bir neçə dəfə çox olacaq ki, bu da avtomobillər üçün qəbuledilməzdir. Problem qrafen əsaslı superkondensatorlardan istifadə etməklə həll edilə bilər, lakin onlar hazırda yalnız prototiplər kimi mövcuddur. Bununla belə, məşhur “Yo-mobile”in yalnız elektrik enerjisi ilə işləyən perspektivli versiyasında enerji mənbəyi kimi rus alimlərinin hazırladığı yeni nəsil superkondensatorlardan istifadə olunacaq.

Superkondensatorlar adi benzin və ya dizellə işləyən avtomobillərdə akkumulyatorların dəyişdirilməsindən də faydalanacaq – onların belə avtomobillərdə istifadəsi artıq reallıqdır.

Bu arada superkondensatorların tətbiqi üzrə həyata keçirilən layihələrdən ən uğurlusu bu yaxınlarda Moskva küçələrində peyda olan Rusiya istehsalı olan yeni trolleybusları hesab etmək olar. Kontakt şəbəkəsinə gərginliyin verilməsi kəsildikdə və ya cərəyan kollektorları “uçanda” trolleybus aşağı sürətlə (təxminən 15 km/saat) bir neçə yüz metr məsafədə hərəkətə mane olmayacaq yerə gedə bilər. yolda. Bu cür manevrlər üçün enerji mənbəyi superkondensatorların batareyasıdır.

Ümumiyyətlə, indiyə qədər superkondensatorlar batareyaları yalnız müəyyən "nişlərdə" sıxışdıra bilər. Lakin texnologiya sürətlə inkişaf edir ki, bu da bizə yaxın gələcəkdə superkondensatorların tətbiq dairəsinin əhəmiyyətli dərəcədə genişlənəcəyini gözləməyə imkan verir.

Bir ionistor, plitələri elektrod və elektrolit arasında ikiqat elektrik təbəqəsi olan bir kondansatördür. Bu cihazın başqa bir adı superkondensator, ultrakapasitor, iki qatlı elektrokimyəvi kondansatör və ya ionixdir. Böyük bir tutuma malikdir, bu da onu cərəyan mənbəyi kimi istifadə etməyə imkan verir.

Superkondensator cihazı

Bir ionistorun işləmə prinsipi adi bir kondansatörə bənzəyir, lakin bu cihazlar istifadə olunan materiallarda fərqlənir. Belə elementlərdə astar kimi məsaməli materiallar istifadə olunur - yaxşı keçirici olan aktivləşdirilmiş karbon və ya köpüklənmiş metallar. Bu, onların sahəsini dəfələrlə artırmağa imkan verir və kondansatörün tutumu elektrodların sahəsi ilə birbaşa mütənasib olduğundan, eyni dərəcədə artır. Bundan əlavə, bir elektrolit, elektrolitik kondansatörlərdə olduğu kimi, dielektrik kimi istifadə olunur, bu da plitələr arasındakı məsafəni azaldır və tutumu artırır. Ən ümumi parametrlər 5-10V gərginlikdə bir neçə faraddır.

İonistorların növləri

Belə cihazların bir neçə növü var:

Mükəmməl qütbləşə bilən aktivləşdirilmiş karbon elektrodları ilə. Belə elementlərdə elektrokimyəvi reaksiyalar baş vermir. Elektrolit kimi natrium hidroksid (30% KOH), sulfat turşusu (38% H2SO4) və ya üzvi elektrolitlərin sulu məhlullarından istifadə olunur;
Mükəmməl qütbləşə bilən aktivləşdirilmiş karbon elektrodu bir boşqab kimi istifadə olunur. İkinci elektrod zəif və ya polarizasiya olunmur (konstruksiyadan asılı olaraq anod və ya katod);
Psevdokapasitorlar. Bu cihazlarda plitələrin səthində geri dönən elektrokimyəvi reaksiyalar baş verir. Onların böyük tutumu var.

İonistorların üstünlükləri və çatışmazlıqları

Bu cür cihazlar batareyalar və ya akkumulyatorlar əvəzinə istifadə olunur. Onlarla müqayisədə bu cür elementlərin üstünlükləri və mənfi cəhətləri var.

Superkondensatorların çatışmazlıqları:

ümumi elementlərdə aşağı axıdma cərəyanı və bu çatışmazlığı olmayan dizaynlar olduqca bahalıdır;
boşalma zamanı cihazın çıxışındakı gərginlik düşür;
aşağı daxili müqavimətə malik yüksək tutumlu elementlərdə qısaqapanma halında kontaktlar yanır;
adi kondansatörlərlə müqayisədə icazə verilən gərginlik və boşalma sürətinin azaldılması;
batareyalara nisbətən daha yüksək özünü boşaltma cərəyanı.

Ultrakondensatorların üstünlükləri:

batareyalara nisbətən daha yüksək sürət, doldurma və boşaltma cərəyanı;
davamlılıq - 100.000 yükləmə/boşaltma dövründən sonra sınaqdan keçirildikdə, parametrlərdə heç bir pisləşmə qeyd olunmadı;
əksər dizaynlarda yüksək daxili müqavimət, qısa qapanma zamanı öz-özünə boşalmanın və uğursuzluğun qarşısını alır;
uzun xidmət müddəti;
daha az həcm və çəki;
bipolyarlıq - istehsalçı "+" və "-" işarələrini qoyur, lakin bu, istehsal sınaqları zamanı tətbiq olunan yükün polaritesidir;
geniş iş temperaturu və mexaniki həddindən artıq yüklənmələrə qarşı müqavimət.

Enerji Sıxlığı

Superkondensatorlarda enerji saxlamaq qabiliyyəti qurğuşun batareyalarından 8 dəfə, litium batareyalardan isə 25 dəfə azdır. Enerji sıxlığı daxili müqavimətdən asılıdır: nə qədər aşağı olarsa, cihazın xüsusi enerji tutumu bir o qədər yüksəkdir. Alimlərin son inkişafları enerji toplamaq qabiliyyəti qurğuşun batareyaları ilə müqayisə edilə bilən elementlər yaratmağa imkan verir.

2008-ci ildə Hindistanda plitələr qrafendən hazırlanmış ionistor yaradıldı. Bu elementin enerji intensivliyi 32 (Wh)/kq-dır. Müqayisə üçün qeyd edək ki, avtomobil akkumulyatorlarının enerji tutumu 30-40 (Wh)/kq-dır. Bu cihazların sürətləndirilmiş enerji ilə doldurulması onları elektromobillərdə istifadə etməyə imkan verir.

2011-ci ildə koreyalı dizaynerlər qrafenlə yanaşı, azotun da istifadə edildiyi cihaz yaratdılar. Bu element ikiqat xüsusi enerji intensivliyini təmin etdi.

İstinad. Qrafen 1 atom qalınlığında karbon təbəqəsidir.

İonistorların tətbiqi

Superkondensatorların elektrik xüsusiyyətləri texnologiyanın müxtəlif sahələrində istifadə olunur.

İctimai nəqliyyat

Batareya əvəzinə ionistorlardan istifadə edən elektrik avtobusları Hyundai Motor, Trolza, Belkommunmash və digər şirkətlər tərəfindən istehsal olunur.

Bu avtobuslar konstruksiya baxımından barmaqlıqsız trolleybuslara bənzəyir və əlaqə şəbəkəsinə ehtiyac yoxdur. Onlar sərnişinlərin enmə və mindirilməsi zamanı dayanacaqlarda və ya marşrutun son nöqtələrində 5-10 dəqiqə ərzində doldurulur.

İonistorlarla təchiz olunmuş trolleybuslar qırılmış təmas xətlərini və tıxacları yan keçə bilir və marşrutun son nöqtələrində depolarda və dayanacaqlarda naqillərə ehtiyac duymur.

Elektrikli avtomobillər

Elektrikli avtomobillərin əsas problemi uzun şarj müddətləridir. Yüksək doldurma cərəyanına və qısa doldurma müddətinə malik ultrakapasitor qısa dayanacaqlar zamanı yenidən doldurulmağa imkan verir.

Rusiyada batareya kimi xüsusi yaradılmış ionistordan istifadə edən Yo-mobil hazırlanıb.

Bundan əlavə, batareya ilə paralel olaraq superkondensatorun quraşdırılması işə salma və sürətlənmə zamanı elektrik mühərrikinin istehlak etdiyi cərəyanı artırmağa imkan verir. Bu sistem KERS-də, Formula 1 avtomobillərində istifadə olunur.

Məişət elektronikası

Bu cihazlar tez doldurma və boşaltma qabiliyyətinin cihazın ölçüsü və çəkisindən daha vacib olduğu flaşlarda və digər cihazlarda istifadə olunur. Məsələn, xərçəng detektoru 2,5 dəqiqəyə doldurulur və 1 dəqiqə işləyir. Bu, araşdırma aparmaq və boşalmış batareyalar səbəbindən cihazın işləməməsi vəziyyətlərinin qarşısını almaq üçün kifayətdir.

Avtomobil mağazalarında avtomobil radiosu ilə paralel istifadə üçün 1 farad tutumlu ionistorlar ala bilərsiniz. Mühərrikin işə salınması zamanı gərginlik dalğalanmalarını hamarlayırlar.

DIY ionistor

İstəyirsinizsə, öz əllərinizlə bir superkondansatör edə bilərsiniz. Belə bir cihaz daha pis parametrlərə sahib olacaq və uzun müddət davam etməyəcək (elektrolit quruyana qədər), lakin ümumiyyətlə bu cür cihazların işləməsi haqqında bir fikir verəcəkdir.

Öz əlinizlə bir ionistor etmək üçün sizə lazımdır: