Superkondensaattori tai ionistori on laite energiamassojen varastointiin; varauksen kertyminen tapahtuu elektrodin ja elektrolyytin välisellä rajalla. Hyödyllinen energiamäärä tallennetaan staattisen tyyppisenä varauksena. Akkumulaatioprosessi laskeutuu vuorovaikutukseen vakiojännitteen kanssa, kun ionistori vastaanottaa potentiaalieron levyjensä välillä. Tekninen toteutus sekä ajatus tällaisten laitteiden luomisesta ilmestyivät suhteellisen äskettäin, mutta ne onnistuivat saamaan kokeellisen käytön tiettyjen ongelmien ratkaisemiseksi. Osa voi korvata kemiallista alkuperää olevia virtalähteitä, olla vara- tai päävirtalähde kelloissa, laskimissa ja erilaisissa mikropiireissä.
Kondensaattorin perusrakenne koostuu levystä, jonka materiaalina on kalvo, jota rajoittaa kuiva erotusaine. Ionistori koostuu useista kondensaattoreista, joissa on sähkökemiallinen laturi. Sen valmistukseen käytetään erityisiä elektrolyyttejä. Peitteitä voi olla useita erilaisia. Aktiivihiiltä käytetään laajamittaisten vuorausten valmistukseen. Myös metallioksideja ja korkean johtavuuden omaavia polymeerimateriaaleja voidaan käyttää. Vaaditun kapasitiivisen tiheyden saavuttamiseksi on suositeltavaa käyttää erittäin huokoisia hiilimateriaaleja. Lisäksi tämän lähestymistavan avulla voit valmistaa ionistorin vaikuttavan alhaisilla kustannuksilla. Tällaiset osat kuuluvat DLC-kondensaattorien luokkaan, jotka keräävät varauksen levylle muodostettuun kaksoisosastoon.
Suunnitteluratkaisulle, kun ionistori yhdistetään vesielektrolyyttipohjaan, on tunnusomaista sisäelementtien alhainen resistanssi, kun latausjännite on rajoitettu 1 V:iin. Orgaanisten johtimien käyttö takaa noin 2...3 jännitetason. V ja lisääntynyt vastus.
Elektroniset piirit toimivat korkeammalla energiantarpeella. Ratkaisu tähän ongelmaan on lisätä käytettyjen tehopisteiden määrää. Ionistoria ei asenneta vain yksi, vaan 3-4 kappaletta, mikä antaa tarvittavan määrän latausta.
Verrattuna nikkelimetallihydridiakkuun, ionistori pystyy sisältämään kymmenesosan energiareservistä, kun taas sen jännite laskee lineaarisesti, tasopurkausvyöhykkeitä lukuun ottamatta. Nämä tekijät vaikuttavat kykyyn säilyttää varaus täysin ionistorissa. Lataustaso riippuu suoraan elementin teknisestä tarkoituksesta.
Melko usein ionistoria käytetään syöttämään muistisiruja, ja se sisältyy suodatinpiireihin ja tasoitussuodattimiin. Niitä voidaan myös yhdistää erityyppisten akkujen kanssa äkillisten virranpiippujen seurausten torjumiseksi: kun syötetään matalaa virtaa, ionistori latautuu, muuten se vapauttaa osan energiasta, mikä vähentää kokonaiskuormitusta.
Ruokalusikallinen aktiivihiiltä apteekista, muutama tippa suolavettä, peltilautanen ja muovipurkki valokuvafilmiä. Tekemistä riittää DIY ionistori, sähkökondensaattori, jonka kapasitanssi on suunnilleen yhtä suuri kuin maapallon sähköinen kapasitanssi .... Leydenin purkki.
On mahdollista, että yksi amerikkalaisista sanomalehdistä kirjoitti juuri tällaisesta laitteesta vuonna 1777: "... Tri Franklin on keksinyt hammastikkukotelon kokoisen koneen, joka pystyy muuttamaan Lontoon St. Paulin katedraalin kouralliseksi tuhkaa. ” Ensimmäiset asiat kuitenkin ensin.
Ihmiskunta on käyttänyt sähköä hieman yli kaksi vuosisataa, mutta sähköilmiöt ovat olleet ihmisten tiedossa tuhansia vuosia, eikä niillä ole ollut käytännön merkitystä pitkään aikaan. Vasta 1700-luvun alussa, kun tieteestä tuli muodikasta viihdettä, saksalainen tiedemies Otto von Guericke loi "elektroforisen" koneen erityisesti julkisten kokeiden suorittamiseen, jonka avulla hän sai sähköä ennenkuulumattomissa määrin.
Kone koostui lasipallosta, jota vasten nahanpala hankautui pyöriessään. Hänen työnsä vaikutus oli suuri: kipinät rätisivät, näkymättömät sähkövoimat repivät irti naisten huivit ja saivat hiukset nousemaan pystyyn. Yleisö oli erityisen yllättynyt kehojen kyvystä kerätä sähkövarauksia.
Vuonna 1745 hollantilainen Leidenin fyysikko Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) kaatoi vettä lasipurkkiin, laittoi lankapalan sisälle, kuten kukka maljakkoon, ja tarttui varovasti kämmenillä ja toi sen elektrofori kone. Pullo keräsi niin paljon sähköä, että langanpalasta lensi kirkas kipinä "kuurottavalla pauhduksella". Seuraavan kerran kun tiedemies kosketti lankaa sormellaan, hän sai iskun, josta hän menetti tajuntansa; Jos ei olisi ajoissa saapunut avustaja Kuneus, asia olisi voinut päättyä surullisesti.
Siten luotiin laite, joka pystyi keräämään miljoonia kertoja enemmän varausta kuin mikään tuolloin tunnettu kappale. Sitä kutsuttiin "Leydenin purkiksi". Se oli eräänlainen kondensaattori, jonka yksi levyistä oli kokeilijan kämmen, dielektrinen lasiseinät ja toinen levy oli vettä.
Uutinen keksinnöstä levisi kaikkialle valaistuneeseen Eurooppaan. Leyden-purkkia käytettiin välittömästi Ranskan kuninkaan Ludvig XV:n kouluttamiseen. Esitykset alkoivat. Yhdessä historiaan jääneessä kokeessa sähkövirta johdettiin vartijaketjun läpi kädestä pitäen. Kun sähköpurkaus iski, kaikki hyppäsivät ylös yhtenä ikään kuin olisivat marssimassa ilmaan. Toisessa kokeessa virta kuljetettiin 700 munkin ketjun läpi...
Kokeilut Leyden-purkilla Amerikassa ottivat käytännönläheisemmän suunnan. Vuonna 1747 ne aloitti yksi Yhdysvaltojen perustajista, jo mainittu Benjamin Franklin. Hän keksi idean kääriä purkin folioon, ja sen kapasiteetti kasvoi moninkertaiseksi ja työstä tuli turvallisempaa. Kokeissaan Franklin osoitti, että sähköpurkaus voi tuottaa lämpöä ja nostaa elohopeapylvästä lämpömittarissa. Ja korvaamalla purkin tinafoliolla peitetyllä lasilevyllä Franklin sai litteän kondensaattorin, joka oli monta kertaa kevyempi kuin hänen parantamansa Leyden-purkki.
Historia on hiljaa laitteesta, joka pystyy varastoimaan niin paljon energiaa, että, kuten sanomalehti kirjoitti, sitä voitaisiin käyttää "muuttamaan Pyhän Paavalin katedraali tuhkakasaksi", mutta tämä ei tarkoita, etteikö B. Franklin olisi voinut luoda sitä. .
Ja tässä on aika palata siihen, miten toimia DIY ionistori. Jos olet hankkinut kaiken tarvitsemasi, laske peltilevy kalvotölkin pohjalle juotettuasi siihen palan eristettyä lankaa. Aseta päälle suodatinpaperityyny, kaada päälle kerros aktiivihiiltä ja peitä "voileipäsi" toisella elektrodilla suolalla maustetun veden kaatamisen jälkeen.
Ionistorin toiminnan kaavio.
Sinulla on sähkökemiallinen kondensaattori - ionistori. Se on mielenkiintoista, koska aktiivihiilihiukkasten huokosiin ilmestyy niin kutsuttu kaksoissähkökerros - kaksi erimerkkisten sähkövarausten kerrosta, jotka sijaitsevat lähellä toisiaan, eli eräänlainen sähkökemiallinen kondensaattori. Kerrosten välinen etäisyys lasketaan angströmeinä (1 angstrom - 10-9 m). Ja kondensaattorin kapasitanssi, kuten tiedetään, mitä suurempi on, mitä pienempi on levyjen välinen etäisyys.
Tästä johtuen kaksinkertaisen kerroksen energiareservi tilavuusyksikköä kohti on suurempi kuin voimakkaimman räjähteen. Tämä Leydenin purkki!
Ionistori toimii seuraavasti. Ulkoisen jännitteen puuttuessa sen kapasiteetti on mitätön. Mutta kondensaattorin napoihin syötetyn jännitteen vaikutuksesta viereiset kivihiilikerrokset latautuvat. Liuoksen vastakkaisen merkin ionit ryntäävät hiilipartikkeleihin ja muodostavat niiden pinnalle kaksinkertaisen sähkökerroksen.
Teollinen sähkökemiallinen kondensaattori (ionistori). Napinkokoisessa metallikotelossa on kaksi aktiivihiilikerrosta, jotka on erotettu toisistaan huokoisella välikappaleella.
Suunnittele kuinka se tehdään DIY ionistori.
Kaavio kotitekoisesta ionistorista, joka on valmistettu muovipurkista ja aktiivihiilestä:
1 - ylempi elektrodi;
2 - liitäntäjohdot;
3,5 - kerrokset märkää aktiivihiiltä;
4 - huokoinen erotustiiviste;
6 - pohjaelektrodi;
7 - runko.
Jos kondensaattorin napoihin kytketään kuorma, hiilihiukkasten sisäpinnalta vastakkaiset varaukset kulkevat johtoja pitkin toisiaan kohti ja niiden huokosissa olevat ionit tulevat ulos.
Siinä kaikki. nyt ymmärrät kuinka se tehdään DIY ionistori.
Nykyaikaisten ionistorien kapasiteetti on kymmeniä ja satoja faradeja. Purkautuessaan ne pystyvät kehittämään suurta tehoa ja ovat erittäin kestäviä. Energiareservin massa- ja tilavuusyksikköä kohden ionistorit ovat edelleen huonompia kuin akut. Mutta jos aktiivihiili korvataan ohuimmilla hiilinanoputkilla tai muulla sähköä johtavalla aineella, ionistorin energiaintensiteetti voi kasvaa fantastisen suureksi.
Benjamin Franklin eli aikana, jolloin nanoteknologiaa ei edes ajateltu, mutta tämä ei tarkoita, etteikö sitä olisi käytetty. Kuten kemian Nobel-palkinnon voittaja Robert Curie kertoi, muinaiset käsityöläiset käyttivät tietämättään teriä Damaskoksen teräksestä tehdessään nanoteknologian menetelmiä. Muinainen damastiteräs pysyi aina terävänä ja kestävänä metallirakenteen erityisen hiilikoostumuksen ansiosta.
Joitakin nanomateriaaleja, kuten nanoputkia sisältäviä hiiltyneitä kasvinvarsia, Franklin voisi käyttää superkondensaattorin luomiseen. Kuinka moni teistä ymmärtää mitä se on? Leydenin purkki, ja kuka yrittää tehdä sen?
Vaatimus radiokomponenttien koon pienentämisestä ja niiden teknisten ominaisuuksien lisäämisestä johti siihen, että syntyi suuri määrä laitteita, joita käytetään kaikkialla nykyään. Tämä vaikutti täysin kondensaattoreihin. Niin kutsutut ionistorit tai superkondensaattorit ovat elementtejä, joilla on suuri kapasiteetti (tämän indikaattorin alue on melko laaja 0,01 - 30 faradia), joiden latausjännite on 3 - 30 volttia. Lisäksi niiden koko on hyvin pieni. Ja koska keskustelumme aihe on tee-se-itse-ionistori, on ensinnäkin ymmärrettävä itse elementti, eli mikä se on.
Ionistorin suunnitteluominaisuudet
Pohjimmiltaan tämä on tavallinen kondensaattori, jolla on suuri kapasiteetti. Mutta ionistoreilla on korkea vastus, koska elementti perustuu elektrolyyttiin. Tämä on ensimmäinen. Toinen on alhainen latausjännite. Asia on, että tässä superkondensaattorissa levyt sijaitsevat hyvin lähellä toisiaan. Juuri tästä syystä jännite pienenee, mutta juuri tästä syystä kondensaattorin kapasitanssi kasvaa.
Tehdasionisaattorit valmistetaan eri materiaaleista. Päälliset valmistetaan yleensä kalvosta, jonka erottaa kuiva-aine, jolla on erotusvaikutus. Esimerkiksi aktiivihiili (suurille levyille), metallioksidit, polymeeriaineet, joilla on korkea sähkönjohtavuus.
Ionisaattorin kokoaminen omin käsin
Ionisaattorin kokoaminen omin käsin ei ole helpoin asia, mutta voit silti tehdä sen kotona. On olemassa useita malleja, joissa on erilaisia materiaaleja. Tarjoamme yhden niistä. Tätä varten tarvitset:
- metallinen kahvipurkki (50 g);
- apteekeissa myytävä aktiivihiili voidaan korvata murskatulla hiilielektrodilla;
- kaksi kupariympyrää;
- puuvilla
Ensinnäkin sinun on valmistettava elektrolyytti. Tätä varten sinun on ensin murskattava aktiivihiili jauheeksi. Tee sitten suolaliuos, jota varten sinun on lisättävä 25 g suolaa 100 g:aan vettä, ja sekoita kaikki hyvin. Seuraavaksi liuokseen lisätään vähitellen aktiivihiilijauhetta. Sen määrä määräytyy elektrolyytin koostumuksen mukaan; sen tulee olla yhtä paksua kuin kitti.
Tämän jälkeen valmis elektrolyytti levitetään kupariympyröille (toiselle puolelle). Huomaa, että mitä paksumpi elektrolyyttikerros on, sitä suurempi ionistorin kapasiteetti. Ja vielä yksi asia, levitetyn elektrolyytin paksuuden kahdessa ympyrässä tulisi olla sama. Joten, elektrodit ovat valmiita, nyt ne on erotettava materiaalilla, joka läpäisi sähkövirran, mutta ei päästäisi hiilijauhetta läpi. Tätä varten käytetään tavallista puuvillaa, vaikka täällä on monia vaihtoehtoja. Puuvillakerroksen paksuus määrää metallikahvipurkin halkaisijan, eli koko elektrodirakenteen tulee mahtua siihen mukavasti. Siksi periaatteessa sinun on valittava itse elektrodien mitat (kupariympyrät).
Jäljelle jää vain itse elektrodien liittäminen liittimiin. Siinä kaikki, omilla käsilläsi ja jopa kotona tehty ionistori on valmis. Tällä mallilla ei ole kovin suurta kapasiteettia - enintään 0,3 faradia, ja latausjännite on vain yksi voltti, mutta tämä on todellinen ionistori. 
Johtopäätös aiheesta
Mitä muuta tästä elementistä voidaan sanoa lisäksi? Jos vertaamme sitä esimerkiksi nikkelimetallihydridiakkuun, ionistori voi helposti pitää sähkön jopa 10% akun tehosta. Lisäksi sen jännitehäviö tapahtuu lineaarisesti, ei äkillisesti. Mutta elementin varaustaso riippuu sen teknisestä tarkoituksesta.
Ihmiset käyttivät ensin kondensaattoreita sähkön varastointiin. Sitten, kun sähkötekniikka ylitti laboratoriokokeet, keksittiin paristot, joista tuli tärkein sähköenergian varastointikeino. Mutta 2000-luvun alussa ehdotetaan jälleen kondensaattoreiden käyttöä sähkölaitteiden tehostamiseksi. Kuinka mahdollista tämä on ja tuleeko akuista vihdoinkin menneisyyttä?
Syy siihen, miksi kondensaattorit korvattiin paristoilla, johtui huomattavasti suuremmista sähkömääristä, joita ne pystyvät varastoimaan. Toinen syy on se, että purkautumisen aikana akun lähdön jännite muuttuu hyvin vähän, joten jännitteen stabilointia ei joko tarvita tai se voi olla hyvin yksinkertainen.
Suurin ero kondensaattoreiden ja akkujen välillä on se, että kondensaattorit varastoivat suoraan sähkövarauksen, kun taas akut muuttavat sähköenergian kemialliseksi energiaksi, varastoivat sen ja muuntavat sitten kemiallisen energian takaisin sähköenergiaksi.
Energiamuutosten aikana osa siitä menetetään. Siksi jopa parhaiden akkujen hyötysuhde on enintään 90%, kun taas kondensaattoreissa se voi olla 99%. Kemiallisten reaktioiden voimakkuus riippuu lämpötilasta, joten akut toimivat huomattavasti huonommin kylmällä säällä kuin huoneenlämmössä. Lisäksi akkujen kemialliset reaktiot eivät ole täysin palautuvia. Tästä johtuen lataus-purkausjaksojen pieni määrä (tuhansien luokkaa, useimmiten akun käyttöikä on noin 1000 lataus-purkausjaksoa) sekä "muistiefekti". Muistetaan, että "muistiefekti" on se, että akku on aina purettava tiettyyn määrään kertynyttä energiaa, niin sen kapasiteetti on maksimi. Jos siihen jää enemmän energiaa purkamisen jälkeen, akun kapasiteetti pienenee vähitellen. "Muistivaikutus" on ominaista melkein kaikille kaupallisesti tuotetuille akkutyypeille, paitsi happamille (mukaan lukien niiden lajikkeet - geeli ja AGM). Vaikka on yleisesti hyväksyttyä, että litiumioniakuissa ja litiumpolymeeriakuissa sitä ei ole, itse asiassa heilläkin on, se vain ilmenee vähemmän kuin muissa tyypeissä. Mitä tulee happoakuihin, niissä on levysulfaation vaikutus, mikä aiheuttaa peruuttamattomia vaurioita virtalähteeseen. Yksi syy on se, että akku pysyy pitkään alle 50 %:n varaustilassa.
Vaihtoehtoisen energian osalta "muistiefekti" ja levysulfaatio ovat vakavia ongelmia. Tosiasia on, että energian saantia aurinkopaneeleista ja tuulivoimaloista on vaikea ennustaa. Tämän seurauksena akkujen lataaminen ja purkaminen tapahtuu kaoottisesti, ei-optimaalisessa tilassa.
Nykyaikaisen elämänrytmin kannalta on täysin mahdotonta hyväksyä, että akkuja on ladattava useita tunteja. Miten esimerkiksi kuvittelet ajavasi pitkän matkan sähköajoneuvolla, jos tyhjentynyt akku pitää sinut jumissa latauspisteessä useita tunteja? Akun latausnopeutta rajoittaa siinä tapahtuvien kemiallisten prosessien nopeus. Voit lyhentää latausaikaa 1 tuntiin, mutta ei muutamaan minuuttiin. Samaan aikaan kondensaattorin latausnopeutta rajoittaa vain laturin tarjoama maksimivirta.
Akkujen luetellut haitat ovat tehneet kondensaattoreiden käyttämisen sen sijaan.
Käyttämällä sähköistä kaksoiskerrosta
Monien vuosikymmenten ajan elektrolyyttikondensaattoreilla oli suurin kapasiteetti. Niissä toinen levyistä oli metallifoliota, toinen elektrolyyttiä ja levyjen välinen eriste oli metallioksidia, joka pinnoitti kalvon. Elektrolyyttikondensaattorien kapasiteetti voi saavuttaa sadasosat faradista, mikä ei riitä akun vaihtamiseen kokonaan.
Suuri kapasitanssi, joka mitataan tuhansissa faradeissa, voidaan saavuttaa kondensaattoreilla, jotka perustuvat niin kutsuttuun sähköiseen kaksoiskerrokseen. Niiden toimintaperiaate on seuraava. Sähköinen kaksoiskerros muodostuu tietyissä olosuhteissa kiinteän ja nestefaasin aineiden rajapinnalle. Muodostuu kaksi ionikerrosta, joiden varaukset ovat vastakkaisia, mutta niiden suuruus on sama. Jos yksinkertaistamme tilannetta suuresti, muodostuu kondensaattori, jonka "levyt" ovat ilmoitettuja ionikerroksia, joiden välinen etäisyys on yhtä suuri kuin useita atomeja.
Tähän vaikutukseen perustuvia kondensaattoreita kutsutaan joskus ionistoreiksi. Itse asiassa tämä termi ei tarkoita vain kondensaattoreita, joihin sähkövaraus varastoidaan, vaan myös muihin sähkön varastointilaitteisiin, joissa sähköenergia muunnetaan osittain kemialliseksi energiaksi sekä sähkövarauksen varastointi (hybridi-ionistori), sekä kaksinkertaiseen sähkökerrokseen perustuvat akut (ns. pseudokondensaattorit). Siksi termi "superkondensaattorit" on sopivampi. Joskus sen sijaan käytetään identtistä termiä "ultrakondensaattori".
Tekninen toteutus
Superkondensaattori koostuu kahdesta aktiivihiililevystä, jotka on täytetty elektrolyytillä. Niiden välissä on kalvo, joka päästää elektrolyytin läpi, mutta estää aktiivihiilihiukkasten fyysisen liikkumisen levyjen välillä.
On huomattava, että superkondensaattoreilla itsessään ei ole napaisuutta. Tässä ne eroavat olennaisesti elektrolyyttikondensaattoreista, joille yleensä on ominaista napaisuus, jonka noudattamatta jättäminen johtaa kondensaattorin vikaantumiseen. Napaisuutta sovelletaan kuitenkin myös superkondensaattoreihin. Tämä johtuu siitä, että superkondensaattorit lähtevät tehtaan kokoonpanolinjalta jo ladattuina, ja merkintä osoittaa tämän varauksen napaisuuden.
Superkondensaattorin parametrit
Yksittäisen superkondensaattorin kirjoitushetkellä saavutettu maksimikapasiteetti on 12 000 F. Massatuotettujen superkondensaattorien osalta se ei ylitä 3 000 F. Suurin sallittu jännite levyjen välillä ei ylitä 10 V. Kaupallisesti tuotetuissa superkondensaattoreissa tämä luku on pääsääntöisesti välillä 2,3 – 2,7 V. Alhainen käyttöjännite edellyttää stabilointitoiminnolla varustetun jännitteenmuuntimen käyttöä. Tosiasia on, että purkauksen aikana kondensaattorilevyjen jännite muuttuu laajalla alueella. Jännitteenmuuntimen rakentaminen kuorman ja laturin yhdistämiseksi ei ole triviaali tehtävä. Oletetaan, että sinun on syötettävä 60 W kuormaa.
Asian käsittelyn yksinkertaistamiseksi jätämme huomiotta jännitteenmuuntimen ja stabilisaattorin häviöt. Jos työskentelet tavallisella 12 V akulla, ohjauselektroniikan on kestettävä 5 A virta. Tällaiset elektroniset laitteet ovat yleisiä ja edullisia. Mutta täysin erilainen tilanne syntyy käytettäessä superkondensaattoria, jonka jännite on 2,5 V. Tällöin muuntimen elektronisten komponenttien läpi kulkeva virta voi nousta 24 A:iin, mikä vaatii uusia lähestymistapoja piiriteknologiaan ja nykyaikaista elementtipohjaa. Juuri muuntimen ja stabilisaattorin rakentamisen monimutkaisuus voi selittää sen tosiasian, että superkondensaattorit, joiden sarjatuotanto aloitettiin 1900-luvun 70-luvulla, ovat vasta nyt alkaneet laajalti käyttää monilla aloilla.
Superkondensaattorit voidaan kytkeä akkuihin sarja- tai rinnakkaisliitännöillä. Ensimmäisessä tapauksessa suurin sallittu jännite kasvaa. Toisessa tapauksessa - kapasiteetti. Suurimman sallitun jännitteen lisääminen tällä tavalla on yksi tapa ratkaista ongelma, mutta joudut maksamaan siitä pienentämällä kapasitanssia.
Superkondensaattorien mitat riippuvat luonnollisesti niiden kapasiteetista. Tyypillinen superkondensaattori, jonka kapasiteetti on 3000 F, on sylinteri, jonka halkaisija on noin 5 cm ja pituus 14 cm. Kapasiteetilla 10 F superkondensaattori on mitoiltaan verrattavissa ihmisen sormenkynteen.
Hyvät superkondensaattorit kestävät satoja tuhansia lataus-purkaussyklejä ylittäen akut noin 100 kertaa tässä parametrissa. Mutta kuten elektrolyyttikondensaattorit, superkondensaattorit kohtaavat ikääntymisongelman, joka johtuu elektrolyytin asteittaisesta vuotamisesta. Toistaiseksi ei ole kertynyt täydellisiä tilastoja superkondensaattorien vioista tästä syystä, mutta välillisten tietojen mukaan superkondensaattorien käyttöiän voidaan arvioida olevan noin 15 vuotta.
Kertynyttä energiaa
Kondensaattoriin varastoidun energian määrä jouleina:
jossa C on kapasitanssi, joka ilmaistaan faradeina, U on levyjen jännite voltteina.
Kondensaattoriin varastoidun energian määrä kWh:na ilmaistuna on:
Näin ollen 3000 F:n kapasiteetin kondensaattori, jonka levyjen välinen jännite on 2,5 V, pystyy varastoimaan vain 0,0026 kWh. Miten tämä vertaa esimerkiksi litiumioniakkua? Jos otamme sen lähtöjännitteen purkausasteesta riippumattomaksi ja 3,6 V:ksi, 0,0026 kWh:n energiamäärä varastoidaan litiumioniakkuun, jonka kapasiteetti on 0,72 Ah. Valitettavasti erittäin vaatimaton tulos.
Superkondensaattorien käyttö
Hätävalaistusjärjestelmissä superkondensaattorien käyttö paristojen sijasta tekee todellisen eron. Itse asiassa juuri tälle sovellukselle on ominaista epätasainen purkaus. Lisäksi on toivottavaa, että hätälamppu latautuu nopeasti ja että siinä käytettävä varavirtalähde on luotettavampi. Superkondensaattoripohjainen varavirtalähde voidaan integroida suoraan T8 LED-lamppuun. Useat kiinalaiset yritykset valmistavat jo tällaisia lamppuja.
Kuten jo todettiin, superkondensaattorien kehitys johtuu suurelta osin kiinnostuksesta vaihtoehtoisia energialähteitä kohtaan. Käytännön käyttö rajoittuu kuitenkin LED-lamppuihin, jotka saavat energiaa auringosta.
Superkondensaattorien käyttö sähkölaitteiden käynnistämiseen kehittyy aktiivisesti.
Superkondensaattorit pystyvät toimittamaan suuria määriä energiaa lyhyessä ajassa. Syöttämällä sähkölaitteet käynnistyksen yhteydessä superkondensaattorista, voidaan vähentää sähköverkon huippukuormia ja viime kädessä pienentää käynnistysvirran marginaalia, jolloin saavutetaan valtavia kustannussäästöjä.
Yhdistämällä useita superkondensaattoreita akkuun saadaan kapasiteetti, joka on verrattavissa sähköautoissa käytettyihin akkuihin. Mutta tämä akku painaa useita kertoja enemmän kuin akku, mikä ei ole hyväksyttävää ajoneuvoille. Ongelma voidaan ratkaista käyttämällä grafeenipohjaisia superkondensaattoreita, mutta ne ovat tällä hetkellä olemassa vain prototyyppeinä. Kuuluisan Yo-mobilen lupaava versio, joka toimii vain sähköllä, käyttää kuitenkin uuden sukupolven superkondensaattoreita, joita venäläiset tutkijat kehittävät, virtalähteenä.
Superkondensaattorit hyödyttävät myös perinteisten bensiini- tai dieselajoneuvojen akkujen vaihtoa – niiden käyttö tällaisissa ajoneuvoissa on jo todellisuutta.
Tällä välin onnistuneimpana toteutetuista superkondensaattorien käyttöönottoprojekteista voidaan pitää uusia venäläisiä johdinautoja, jotka ilmestyivät äskettäin Moskovan kaduille. Kun jännitteen syöttö kontaktiverkkoon katkeaa tai virrankeräimet "lentää pois", johdinauto voi kulkea pienellä nopeudella (noin 15 km/h) useita satoja metrejä paikkaan, jossa se ei häiritse liikennettä. tiellä. Tällaisten liikkeiden energialähde on superkondensaattoriparisto.
Yleensä superkondensaattorit voivat toistaiseksi syrjäyttää akkuja vain tietyissä "rakoissa". Mutta tekniikka kehittyy nopeasti, minkä ansiosta voimme odottaa, että lähitulevaisuudessa superkondensaattorien käyttöalue laajenee merkittävästi.
Aleksei Vasiliev
Superkondensaattoreita voidaan kutsua viime vuosien kirkkaimmaksi kehitykseksi. Verrattuna perinteisiin kondensaattoreihin, joilla on samat mitat, ne eroavat kapasiteetissa kolmella suuruusluokalla. Tätä varten kondensaattorit saivat etuliitteensä - "super". Ne voivat vapauttaa valtavia määriä energiaa lyhyessä ajassa.
Niitä on saatavana eri kokoisina ja muotoisina: hyvin pienistä, jotka asennetaan laitteiden pintaan, enintään kolikon kokoisia, erittäin suuriin sylinterimäisiin ja prismaisiin laitteisiin. Niiden päätarkoitus on kopioida päälähde (akku) jännitteen pudotuksen sattuessa.
Energiaintensiiviset modernit elektroniikka- ja sähköjärjestelmät asettavat korkeat vaatimukset teholähteille. Uusien laitteiden (digitaalikameroista elektronisiin kämmenlaitteisiin ja sähköajoneuvojen voimansiirtoihin) on varastoitava ja toimitettava tarvittava energia.
Nykyaikaiset kehittäjät ratkaisevat tämän ongelman kahdella tavalla:
- Käyttämällä akkua, joka pystyy tuottamaan korkean virtapulssin
- Kytkemällä rinnan akkuun superkondensaattorien vakuutukseksi, ts. "hybridi" ratkaisu.
Jälkimmäisessä tapauksessa superkondensaattori toimii virtalähteenä, kun akun jännite laskee. Tämä johtuu siitä, että akuilla on korkea energiatiheys ja alhainen tehotiheys, kun taas superkondensaattoreille päinvastoin on ominaista alhainen energiatiheys, mutta korkea tehotiheys, ts. ne tarjoavat purkausvirran kuormaan. Kytkemällä superkondensaattorin rinnan akun kanssa voit käyttää sitä tehokkaammin ja siten pidentää sen käyttöikää.
Missä superkondensaattoreita käytetään?
Video: Superkondensaattorin 116.6F 15V (6* 700F 2.5V) testaus autossa käynnistysakun sijaan
Autojen elektronisissa järjestelmissä niitä käytetään moottoreiden käynnistämiseen., mikä vähentää akun kuormitusta. Ne mahdollistavat myös painon vähentämisen vähentämällä kytkentäkaavioita. Niitä käytetään laajalti hybridiautoissa, joissa generaattoria ohjaa polttomoottori ja sähkömoottori (tai moottorit) ohjaa autoa, ts. Superkondensaattoria (energiavälimuistia) käytetään virtalähteenä kiihdytyksen ja liikkeen aikana, ja se "latautuu" jarrutuksen aikana. Niiden käyttö on lupaavaa paitsi henkilöautoissa myös kaupunkiliikenteessä, koska uudentyyppiset kondensaattorit mahdollistavat polttoaineenkulutuksen vähentämisen 50 prosentilla ja haitallisten kaasujen päästöjen vähentämisen ympäristöön 90 prosentilla.
En voi vielä täysin vaihtaa superkondensaattorin akkua, mutta se on vain ajan kysymys. Superkondensaattorin käyttäminen akun sijaan ei ole ollenkaan fantastinen. Jos QUT-yliopiston nanoteknikot seuraavat oikeaa tietä, niin siitä tulee lähitulevaisuudessa todellisuutta. Uusimman sukupolven superkondensaattoreita sisältävät runkopaneelit voivat toimia paristoina. Tämän yliopiston työntekijät onnistuivat yhdistämään litiumioniakkujen ja superkondensaattorien edut uudessa laitteessa. Uusi ohut, kevyt ja tehokas superkondensaattori koostuu hiilielektrodeista, joiden välissä on elektrolyytti. Uusi tuote voidaan tutkijoiden mukaan asentaa mihin tahansa kehoon.
Suuren vääntömomentin (käynnistysmomentin) ansiosta ne voivat parantaa käynnistysominaisuuksia alhaisissa lämpötiloissa ja laajentaa voimajärjestelmän ominaisuuksia nyt. Niiden käytön tarkoituksenmukaisuus sähköjärjestelmässä selittyy sillä, että niiden lataus-/purkausaika on 5-60 sekuntia. Lisäksi niitä voidaan käyttää joidenkin konelaitteiden jakelujärjestelmässä: solenoideissa, ovilukkojen säätöjärjestelmissä ja ikkunalasien asennoissa.
DIY superkondensaattori
Voit tehdä superkondensaattorin omin käsin. Koska sen rakenne koostuu elektrolyytistä ja elektrodeista, sinun on päätettävä niiden materiaalista. Kupari, ruostumaton teräs tai messinki sopivat hyvin elektrodeiksi. Voit ottaa esimerkiksi vanhoja viiden kopeekan kolikoita. Tarvitset myös hiilijauhetta (voit ostaa aktiivihiiltä apteekista ja jauhaa sen). Tavallinen vesi käy elektrolyytiksi, johon sinun on liuotettava ruokasuolaa (100:25). Liuos sekoitetaan puuhiilijauheen kanssa kittimäisen koostumuksen muodostamiseksi. Nyt se on levitettävä useiden millimetrien kerroksella molemmille elektrodeille.
Jäljelle jää vain valita elektrodit erottava tiiviste, jonka huokosten läpi elektrolyytti kulkee vapaasti, mutta hiilijauhe säilyy. Näihin tarkoituksiin soveltuu lasikuitu tai vaahtokumi.
Elektrodit – 1,5; hiili-elektrolyyttipinnoite – 2,4; tiiviste - 3.
Kotelona voit käyttää muovilaatikkoa, johon on aiemmin porattu reiät elektrodeihin juotetuille johtimille. Kun johdot on liitetty akkuun, odotamme "ionix"-mallin latautumista, joka on nimetty siksi, että elektrodeihin tulisi muodostua erilaisia ionipitoisuuksia. Lataus on helpompi tarkistaa volttimittarilla.
On muitakin tapoja. Esimerkiksi peltipaperilla (peltifolio - suklaakääre), tinapapereita ja vahapaperia, jotka voit tehdä itse leikkaamalla ja upottamalla pehmopaperisuikaleita sulaan, mutta ei kiehuvaan parafiiniin pari minuutiksi. Nauhojen leveyden tulee olla viisikymmentä millimetriä ja pituuden kahdestasadasta kolmeen sataan millimetriin. Kun olet poistanut nauhat parafiinista, sinun on raaputtava parafiini pois veitsen tylppällä puolella.
Parafiinilla kasteltu paperi taitetaan haitarimuotoon (kuten kuvassa). Molemmilla puolilla on staniolilevyjä työnnetty rakoihin, jotka vastaavat kokoa 45x30 millimetriä. Kun työkappale on näin valmistettu, se taitetaan ja silitetään lämpimällä raudalla. Loput staniolipäät on liitetty toisiinsa ulkopuolelta. Tätä varten voidaan käyttää pahvilevyjä ja messinkilevyjä, joissa on tinaklipsit, joihin myöhemmin juotetaan johtimet, jotta kondensaattori voidaan juottaa asennuksen aikana.
Kondensaattorin kapasitanssi riippuu staniolilehtien lukumäärästä. Se on esimerkiksi tuhat pikofaradia käytettäessä kymmentä tällaista arkkia ja kaksi tuhatta, jos niiden määrä kaksinkertaistuu. Tämä tekniikka soveltuu enintään viiden tuhannen pikofaradin kapasiteetin kondensaattorien valmistukseen.
Jos tarvitaan suurta kapasiteettia, tarvitset vanhan microfarad-paperikondensaattorin, joka on teippirulla, joka koostuu vahapaperikaistaleista, joiden väliin asetetaan staniolifolionauha.
Nauhojen pituuden määrittämiseksi käytä kaavaa:
l = 0,014 C/a, jossa vaaditun kondensaattorin kapasitanssi pF:nä on C; raitojen leveys cm – a: pituus cm – 1.
Kun vanhasta kondensaattorista on irrotettu tarvittavan pituiset nauhat, leikkaa kaikilta puolilta 10 mm kalvo, jotta kondensaattorilevyt eivät liity toisiinsa.
Nauha on rullattava uudelleen, mutta ensin juottamalla kierretyt langat jokaiseen folionauhaan. Rakenne on päällystetty päältä paksulla paperilla ja paperin ulkoneviin reunoihin on tiivistetty kaksi kiinnityslankaa (kovaa), joihin kondensaattorin johdot juotetaan paperiholkin sisäpuolelle (ks. kuva). Viimeinen vaihe on täyttää rakenne parafiinilla.
Hiilisuperkondensaattorien edut
Koska sähköajoneuvojen marssia halki planeetan tänään ei voida sivuuttaa, tutkijat työskentelevät ongelman parissa, joka liittyy niiden nopeimpaan lataukseen. Ideoita syntyy monia, mutta vain harvat toteutuvat käytännössä. Esimerkiksi Kiinassa Ningbon kaupungissa on käynnistetty epätavallinen kaupunkiliikennereitti. Siinä ajava bussi saa voimansa sähkömoottorista, mutta lataaminen kestää vain kymmenen sekuntia. Sillä hän ajaa viisi kilometriä ja onnistuu jälleen latautumaan maihinnousun/matkustajien noudon aikana.
Tämä tuli mahdolliseksi uudentyyppisten kondensaattoreiden - hiilen - käytön ansiosta.
Hiilikondensaattorit Ne kestävät noin miljoona latausjaksoa ja toimivat täydellisesti lämpötila-alueella miinus 40 - plus kuusikymmentäviisi astetta. Ne palauttavat jopa 80 % energiasta talteenoton kautta.
Ne aloittivat uuden aikakauden virranhallinnassa, lyhentäen purkaus- ja latausajat nanosekunteihin ja vähentämällä ajoneuvon painoa. Näihin etuihin voimme lisätä alhaiset kustannukset, koska harvinaisia maametalleja ja ympäristöystävällisyyttä ei käytetä tuotannossa.