Зайны оронд конденсатор: техникийн шийдэл. Гэрийн ионистор - бид өөрсдийн гараар суперконденсатор хийдэг Гэртээ ионисторын суперконденсаторыг хэрхэн яаж хийх вэ

Эмийн сангаас нэг халбага идэвхжүүлсэн нүүрс, хэдэн дусал давсалсан ус, цагаан тугалга таваг, хуванцар лонхтой гэрэл зургийн хальс. Хийхэд л хангалттай DIY ионистор, багтаамж нь дэлхийн бөмбөрцгийн цахилгаан багтаамжтай ойролцоогоор ... тэнцүү цахилгаан конденсатор. Лейден сав.

Яг ийм төхөөрөмжийн тухай Америкийн нэгэн сонин 1777 онд бичсэн байх магадлалтай: “... Доктор Франклин Лондонгийн Гэгээн Паулын сүмийг атга үнс болгон хувиргах чадвартай шүдний чигчлүүрийн хэмжээтэй машин зохион бүтээжээ. ” Гэсэн хэдий ч хамгийн түрүүнд хийх зүйл.

Хүн төрөлхтөн хоёр зуун гаруй жилийн турш цахилгаан хэрэглэж ирсэн боловч цахилгааны үзэгдлүүд олон мянган жилийн туршид хүмүүст мэдэгдэж байсан бөгөөд удаан хугацааны туршид практик ач холбогдолгүй байв. Зөвхөн 18-р зууны эхээр шинжлэх ухаан нь моод зугаа цэнгэл болсон үед Германы эрдэмтэн Отто фон Герике олон нийтийн туршилт хийхэд тусгайлан зориулж "цахилгаан цахилгаан" машин бүтээж, түүний тусламжтайгаар урьд өмнө сонсож байгаагүй хэмжээгээр цахилгаан авчээ.

Уг машин нь шилэн бөмбөлөгөөс бүрдэх бөгөөд эргэлдэхэд нь арьс үрж байв. Түүний ажлын үр нөлөө маш их байсан: оч шаржигнаж, үл үзэгдэх цахилгаан хүч нь эмэгтэйчүүдийн алчуурыг урж, үсийг нь босгож байв. Биеийн цахилгаан цэнэгийг хуримтлуулах чадвар нь олон нийтийг гайхшруулсан.

1745 онд Нидерландын физикч Лейден Питер ван Мусшенбрук (1692 - 1761) шилэн саванд ус асгаж, вааранд хийсэн цэцэг шиг утсыг хийж, алгаа алгаа хавчуулж авчрав. электрофор машин. Уг лонх маш их цахилгаан цуглуулсан тул утаснаас тод оч гарч "дүлийрэх чимээ" гарав. Эрдэмтэн дараагийн удаа хуруугаараа утсанд хүрэхэд тэрээр ухаан алдсан цохилтыг хүлээн авсан; Хэрэв цагтаа ирсэн туслах Кунеус байгаагүй бол энэ хэрэг харамсалтайгаар дуусах байсан.

Ийнхүү тухайн үед мэдэгдэж байсан ямар ч биеэс хэдэн сая дахин их цэнэг хуримтлуулах төхөөрөмж бүтээгдсэн. Үүнийг "Лейден сав" гэж нэрлэдэг байв. Энэ бол нэг төрлийн конденсатор байсан бөгөөд тэдгээрийн нэг хавтан нь туршилтын алга, диэлектрик нь шилэн хана, хоёр дахь хавтан нь ус байв.

Шинэ бүтээлийн тухай мэдээ гэгээрсэн Европ даяар тархав. Лейден савыг Францын хаан Людовик XV-ийг сургахад тэр даруй ашигласан. Тоглолтууд эхэллээ. Түүхэнд мөнхөрсөн туршилтуудын нэгэнд цахилгаан гүйдэл гар барин хамгаалагчдын гинжээр дамжин өнгөрчээ. Цахилгаан гүйдэл цохиход бүгд агаарт жагсах гэж байгаа мэт нэг хүн шиг үсрэн бослоо. Өөр нэг туршилтаар 700 ламын гинжээр гүйдэл дамжуулсан...

Америкт Лейден ваартай хийсэн туршилтууд илүү практик чиглэлтэй болсон. 1747 онд тэдгээрийг АНУ-ыг үүсгэн байгуулагчдын нэг, аль хэдийн дурдсан Бенжамин Франклин эхлүүлсэн. Тэр ваарыг тугалган цаасаар боох санааг олсон бөгөөд түүний багтаамж хэд дахин нэмэгдэж, ажил аюулгүй болсон. Түүнтэй хийсэн туршилтаар Франклин цахилгаан гүйдэл нь дулааныг үүсгэж, термометр дэх мөнгөн усны баганыг өсгөж чадна гэдгийг баталжээ. Савыг тугалган цаасаар бүрхсэн шилэн хавтангаар сольсноор Франклин өөрийн сайжруулсан Лейден савнаас хэд дахин хөнгөн хавтгай конденсатор авчээ.

Сонин дээр бичсэнчлэн "Гэгээн Паулын сүмийг овоолгын үнс болгон хувиргах" боломжтой тийм их энерги хуримтлуулах чадвартай төхөөрөмжийн талаар түүх чимээгүй байгаа ч Б.Франклин үүнийг бүтээж чадаагүй гэсэн үг биш юм. .

Тэгээд яаж хийх вэ гэдэг рүүгээ буцах цаг ирлээ DIY ионистор. Хэрэв та хэрэгтэй бүх зүйлээ нөөцөлсөн бол тусгаарлагдсан утсыг гагнахын дараа цагаан тугалга хавтанг лаазны ёроолд буулгана. Дээрээс нь шүүлтүүрийн цаас байрлуулж, идэвхжүүлсэн нүүрс асгаж, давсалсан ус асгасны дараа "сэндвич" -ээ өөр электродоор таглана.

Ионисторын үйл ажиллагааны диаграмм.

Танд цахилгаан химийн конденсатор - ионистор байна. Идэвхжүүлсэн нүүрстөрөгчийн хэсгүүдийн нүхэнд давхар цахилгаан давхарга гарч ирдэг - өөр хоорондоо ойрхон байрладаг өөр өөр тэмдэг бүхий цахилгаан цэнэгийн хоёр давхарга, өөрөөр хэлбэл нэг төрлийн цахилгаан химийн конденсатор үүсдэг. Давхаргын хоорондох зайг ангстромоор (1 ангстром - 10-9 м) тооцоолно. Мэдэгдэж байгаагаар конденсаторын багтаамж нь ялтсуудын хоорондох зай бага байх тусам их байх болно.

Үүний улмаас давхар давхарга дахь нэгж эзлэхүүн дэх эрчим хүчний нөөц нь хамгийн хүчтэй тэсрэх бодисоос их байдаг. Энэ Лейден сав!

Ионистор дараах байдлаар ажилладаг. Гадны хүчдэл байхгүй тохиолдолд түүний хүчин чадал нь маш бага юм. Гэхдээ конденсаторын туйлуудад хэрэглэсэн хүчдэлийн нөлөөн дор зэргэлдээх нүүрсний давхаргууд цэнэглэгддэг. Уусмал дахь эсрэг тэмдэгтэй ионууд нүүрсний хэсгүүд рүү яаран очиж, тэдгээрийн гадаргуу дээр давхар цахилгаан давхарга үүсгэдэг.

Аж үйлдвэрийн цахилгаан химийн конденсатор (ионистор). Товчлуурын хэмжээтэй металл бүрхүүл нь сүвэрхэг жийргэвчээр тусгаарлагдсан идэвхжүүлсэн нүүрстөрөгчийн хоёр давхаргыг агуулдаг.

Үүнийг хэрхэн хийх схем DIY ионистор.

Хуванцар сав ба идэвхжүүлсэн нүүрсээр хийсэн гар хийцийн ионисторын диаграмм:

1 - дээд электрод;

2 - холбох утас;

3.5 - нойтон идэвхжүүлсэн нүүрс давхаргууд;

4 - сүвэрхэг тусгаарлах жийргэвч;

6 - доод электрод;

7 - бие.

Хэрэв конденсаторын туйлуудад ачаалал холбогдсон бол нүүрсний хэсгүүдийн дотоод гадаргуугаас эсрэг цэнэгүүд утаснуудын дагуу бие биен рүүгээ гүйж, тэдгээрийн нүхэнд байрлах ионууд гарч ирнэ.

Тэгээд л болоо. Одоо та үүнийг яаж хийхийг ойлгож байна DIY ионистор.

Орчин үеийн ионисторууд нь хэдэн арван, хэдэн зуун фарадын хүчин чадалтай. Цэнэглэх үед тэд агуу хүчийг хөгжүүлэх чадвартай бөгөөд маш бат бөх байдаг. Нэгж масс болон нэгж эзэлхүүн дэх эрчим хүчний нөөцийн хувьд ионистор нь батерейгаас доогуур хэвээр байна. Гэхдээ хэрэв та идэвхжүүлсэн нүүрсийг хамгийн нимгэн нүүрстөрөгчийн нано хоолой эсвэл бусад цахилгаан дамжуулагч бодисоор солих юм бол ионисторын эрчим хүчний эрчим нь гайхалтай том болно.

Бенжамин Франклин нанотехнологийн талаар огт бодоогүй цаг үед амьдарч байсан ч энэ нь ашиглагдаагүй гэсэн үг биш юм. Химийн салбарын Нобелийн шагналт Роберт Кюригийн хэлснээр эртний гар урчууд Дамаскийн гангаар ир хийхдээ нанотехнологийн аргыг өөрийн мэдэлгүй ашигладаг байжээ. Эртний дамаск ган нь металл бүтэц дэх нүүрстөрөгчийн тусгай найрлагын ачаар үргэлж хурц, бат бөх хэвээр байв.

Франклин нано хоолой агуулсан шатсан ургамлын иш зэрэг зарим төрлийн наноматериалуудыг супер конденсатор бүтээхэд ашиглаж болно. Энэ нь юу болохыг та нарын хэд нь ойлгож байна вэ? Лейден сав, мөн хэн үүнийг хийхийг оролдох вэ?

Ионистор нь цахилгаан энергийг хадгалах зориулалттай цахилгаан химийн төхөөрөмж юм. Эдгээр нь цэнэглэх цэнэгийн өндөр хурдаар тодорхойлогддог (хэдэн арван мянга хүртэл удаа), бусад батерейгаас ялгаатай нь маш урт үйлчилгээтэй байдаг (цэнэглэдэг батерейнууд ба гальван эсүүд), алдагдал багатай, хамгийн чухал нь ионисторууд байж болно. том хүчин чадалтай, маш жижиг хэмжээтэй. Ионисторыг хувийн компьютер, машины радио, хөдөлгөөнт төхөөрөмж гэх мэт өргөнөөр ашигладаг. Үндсэн батерейг салгах эсвэл төхөөрөмжийг унтраасан үед санах ойг хадгалах зориулалттай. Сүүлийн үед ионисторыг нарны батерей ашиглан бие даасан эрчим хүчний системд ихэвчлэн ашигладаг болсон.

Ионисторууд нь цаг агаарын нөхцөл байдлаас үл хамааран цэнэгийг маш удаан хугацаанд хадгалдаг, хүйтэнд тэсвэртэй, халуунд тэсвэртэй бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийн ажиллагаанд ямар ч байдлаар нөлөөлөхгүй. Зарим электрон хэлхээнд санах ойг хадгалахын тулд та ионисторын хүчдэлээс өндөр хүчдэлтэй байх шаардлагатай бөгөөд энэ асуудлыг шийдэхийн тулд ионисторуудыг цуваа холбож, ионисторын багтаамжийг нэмэгдүүлэхийн тулд тэдгээрийг холбодог. Зэрэгцээ. Сүүлчийн төрлийн холболтыг голчлон ионисторын ажиллах хугацааг нэмэгдүүлэх, түүнчлэн ачаалалд өгч буй гүйдлийг нэмэгдүүлэхэд ашигладаг; зэрэгцээ холболтын гүйдлийг тэнцвэржүүлэхийн тулд ионистор бүрт резистор холбогдсон байна.

Ионисторыг ихэвчлэн батерейгаар ашигладаг бөгөөд тэдгээрээс ялгаатай нь богино холболт, орчны температурын гэнэтийн өөрчлөлтөөс айдаггүй. Өнөөдөр аль хэдийн том хүчин чадалтай, 1 ампер хүртэлх гүйдэлтэй тусгай ионисторуудыг боловсруулж байна.Мэдэгдэж байгаагаар өнөөдөр санах ой хадгалах технологид ашиглагдаж буй ионисторуудын гүйдэл нь 100 миллиамперээс хэтрэхгүй бөгөөд энэ нь нэг бөгөөд хамгийн том нь юм. ионисторуудын чухал сул тал боловч энэ нь ионисторуудын дээр дурдсан давуу талуудаар нөхөгддөг. Интернет дээр та суперконденсатор гэж нэрлэгддэг олон загварыг олж болно - тэдгээр нь бас ионистор юм. Ионисторууд саяхан гарч ирсэн - 20 жилийн өмнө.

Эрдэмтдийн үзэж байгаагаар манай гарагийн цахилгааны хүчин чадал 700 микрофарад бөгөөд энгийн конденсатортай харьцуулбал... Ионисторыг голчлон нүүрсээр хийдэг бөгөөд идэвхжүүлж, тусгай боловсруулалт хийсний дараа сүвэрхэг болж, хоёр металл хавтанг тасалгааны эсрэг чанга дардаг. нүүрс. Гэртээ ионистор хийх нь маш энгийн, гэхдээ сүвэрхэг нүүрстөрөгч авах нь бараг боломжгүй, та гэртээ нүүрс боловсруулах хэрэгтэй бөгөөд энэ нь зарим талаараа асуудалтай тул ионистор худалдаж аваад сонирхолтой туршилт хийх нь илүү хялбар байдаг. Жишээлбэл, нэг ионисторын параметрүүд (хүч ба хүчдэл) нь LED нь тод, удаан хугацаанд асах эсвэл ажиллахад хангалттай.

Суперконденсатор эсвэл ионистор нь энергийн массыг хадгалах төхөөрөмж бөгөөд электрод ба электролитийн хоорондох хил дээр цэнэгийн хуримтлал үүсдэг. Ашигтай энергийн эзэлхүүнийг статик төрлийн цэнэг хэлбэрээр хадгалдаг. Хуримтлуулах үйл явц нь ионистор нь ялтсууд дээрх боломжит зөрүүг хүлээн авах үед тогтмол хүчдэлтэй харилцан үйлчлэлцдэг. Технологийн хэрэгжилт, түүнчлэн ийм төхөөрөмжийг бий болгох санаа харьцангуй саяхан гарч ирсэн боловч тодорхой тооны асуудлыг шийдвэрлэхийн тулд туршилтын хэрэглээг хүлээн авч чадсан. Энэ хэсэг нь цаг, тооны машин, янз бүрийн микро схемд цахилгаан хангамжийн үндсэн хэрэгсэл болох химийн гаралтай одоогийн эх үүсвэрийг орлуулах боломжтой.

Конденсаторын энгийн загвар нь хавтангаас бүрдэх ба түүний материал нь хуурай тусгаарлах бодисоор тусгаарлагдсан тугалган цаас юм. Ионистор нь цахилгаан химийн төрлийн цэнэглэгчтэй хэд хэдэн конденсаторуудаас бүрдэнэ. Үүнийг үйлдвэрлэхэд тусгай электролит ашигладаг. Бүрхүүл нь хэд хэдэн сорт байж болно. Идэвхжүүлсэн нүүрстөрөгчийг их хэмжээний доторлогооны үйлдвэрлэлд ашигладаг. Металл исэл, өндөр дамжуулалттай полимер материалыг мөн ашиглаж болно. Шаардлагатай багтаамжийн нягтралд хүрэхийн тулд өндөр сүвэрхэг нүүрстөрөгчийн материалыг ашиглахыг зөвлөж байна. Нэмж дурдахад энэ арга нь ионисторыг гайхалтай хямд үнээр хийх боломжийг олгодог. Ийм хэсгүүд нь хавтан дээр үүссэн давхар тасалгаанд цэнэгийг хуримтлуулдаг DLC конденсаторын ангилалд багтдаг.

Дизайн шийдэл нь ионисторыг усны электролитийн суурьтай хослуулах үед дотоод элементүүдийн эсэргүүцэл багатай байдаг бол цэнэгийн хүчдэл нь 1 В хүртэл хязгаарлагддаг. Органик дамжуулагчийг ашиглах нь ойролцоогоор 2...3 хүчдэлийн түвшинг баталгаажуулдаг. V ба эсэргүүцэл нэмэгдсэн.

Цахим хэлхээ нь илүү их эрчим хүчний хэрэгцээтэй ажилладаг. Энэ асуудлыг шийдэх арга бол ашигласан цахилгаан цэгүүдийн тоог нэмэгдүүлэх явдал юм. Ионисторыг зөвхөн нэг биш, харин 3-4 ширхэгээр суурилуулж, шаардлагатай хэмжээний цэнэгийг өгдөг.

Никель-металл гидридийн батерейтай харьцуулахад ионистор нь эрчим хүчний нөөцийн аравны нэгийг багтаах чадвартай бөгөөд түүний хүчдэл нь хавтгай цэнэгийн бүсийг эс тооцвол шугаман буурдаг. Эдгээр хүчин зүйлүүд нь ионистор дахь цэнэгийг бүрэн хадгалах чадварт нөлөөлдөг. Цэнэглэх түвшин нь элементийн технологийн зорилгоос шууд хамаарна.

Ихэнх тохиолдолд ионисторыг санах ойн чипийг тэжээхэд ашигладаг бөгөөд шүүлтүүрийн хэлхээ, гөлгөр шүүлтүүрт багтдаг. Гэнэтийн гүйдлийн үр дагаврыг арилгахын тулд тэдгээрийг янз бүрийн төрлийн батерейтай хослуулж болно: бага гүйдэл өгөх үед ионистор цэнэглэгддэг, эс тэгвээс энэ нь энергийн нэг хэсгийг ялгаруулж, улмаар нийт ачааллыг бууруулдаг.

Хүмүүс анх цахилгаан эрчим хүчийг хуримтлуулахын тулд конденсатор ашиглаж байжээ. Дараа нь цахилгаан инженерчлэл лабораторийн туршилтаас давж гарахад батерейг зохион бүтээсэн бөгөөд энэ нь цахилгаан эрчим хүчийг хадгалах гол хэрэгсэл болжээ. Гэвч 21-р зууны эхэн үед цахилгаан тоног төхөөрөмжийг тэжээхэд конденсатор ашиглахыг дахин санал болгож байна. Энэ нь хэр боломжтой вэ, батерейнууд эцэст нь өнгөрсөн зүйл болох уу?

Конденсаторыг батерейгаар сольсон шалтгаан нь цахилгаан эрчим хүчийг хадгалах чадвартай байсантай холбоотой юм. Өөр нэг шалтгаан нь цэнэглэх үед батерейны гаралтын хүчдэл маш бага өөрчлөгддөг тул хүчдэл тогтворжуулагч шаардлагагүй эсвэл маш энгийн загвартай байж болно.

Конденсатор ба батерейны гол ялгаа нь конденсатор нь цахилгаан цэнэгийг шууд хуримтлуулдаг бол батерей нь цахилгаан энергийг химийн энерги болгон хувиргаж, хуримтлуулж, улмаар химийн энергийг дахин цахилгаан энерги болгон хувиргадаг.

Эрчим хүчний өөрчлөлтийн явцад түүний нэг хэсэг нь алдагддаг. Тиймээс хамгийн сайн батерей ч гэсэн 90% -иас ихгүй үр ашигтай байдаг бол конденсаторын хувьд 99% хүрч чаддаг. Химийн урвалын эрч хүч нь температураас хамаардаг тул батерей нь өрөөний температураас илүү хүйтэн цаг агаарт мэдэгдэхүйц муу ажилладаг. Үүнээс гадна батерей дахь химийн урвалууд бүрэн буцаагдах боломжгүй юм. Тиймээс цөөн тооны цэнэглэх цэнэгийн циклүүд (хэдэн мянган удаа, батерейны ашиглалтын хугацаа нь ихэвчлэн 1000 цэнэглэх цэнэггүйдэл байдаг), мөн "санах ойн эффект" байдаг. "Санах ойн эффект" нь батерейг тодорхой хэмжээний хуримтлагдсан энерги хүртэл цэнэглэж байх ёстой бөгөөд дараа нь түүний хүчин чадал хамгийн их байх болно гэдгийг санаарай. Хэрэв цэнэглэсний дараа илүү их энерги үлдэх юм бол батерейны хүчин чадал аажмаар буурах болно. "Санах ойн эффект" нь хүчиллэгээс бусад (тэдгээрийн сортууд - гель ба AGM гэх мэт) бараг бүх төрлийн батерейны шинж чанар юм. Лити-ион ба лити-полимер батерейнд ийм зүйл байдаггүй гэж нийтээр хүлээн зөвшөөрдөг ч үнэн хэрэгтээ тэд ч бас байдаг, энэ нь бусад төрлийнхээс бага хэмжээгээр илэрдэг. Хүчиллэг батерейны хувьд тэдгээр нь хавтангийн сульфатжуулалтын үр нөлөөг харуулдаг бөгөөд энэ нь эрчим хүчний эх үүсвэрт эргэлт буцалтгүй гэмтэл учруулдаг. Үүний нэг шалтгаан нь батерей нь удаан хугацаанд 50% -иас бага цэнэгтэй байдаг.

Альтернатив эрчим хүчний хувьд "санах ойн эффект" ба хавтангийн сульфат нь ноцтой асуудал юм. Нарны хавтан, салхин турбин зэрэг эх үүсвэрээс эрчим хүч нийлүүлэхийг урьдчилан таамаглахад хэцүү байдаг. Үүний үр дүнд батерейг цэнэглэх, цэнэглэх нь эмх замбараагүй, оновчтой бус горимд явагддаг.

Амьдралын орчин үеийн хэмнэлийн хувьд батерейг хэдэн цагийн турш цэнэглэх нь туйлын хүлээн зөвшөөрөгдөхгүй юм. Жишээлбэл, цэнэггүй батарей таныг цэнэглэх цэг дээр хэдэн цагийн турш гацсан бол цахилгаан тээврийн хэрэгслээр хол замд явахыг хэрхэн төсөөлөх вэ? Батерейг цэнэглэх хурд нь түүний дотор явагдаж буй химийн процессын хурдаар хязгаарлагддаг. Та цэнэглэх хугацааг 1 цаг хүртэл багасгаж болно, гэхдээ хэдхэн минут биш. Үүний зэрэгцээ конденсаторыг цэнэглэх хурд нь зөвхөн цэнэглэгчийн өгсөн хамгийн их гүйдлээр хязгаарлагддаг.

Батерейны жагсаасан сул талууд нь конденсаторыг яаралтай ашиглахад хүргэсэн.

Цахилгаан давхар давхаргыг ашиглах

Олон арван жилийн туршид электролитийн конденсаторууд хамгийн өндөр хүчин чадалтай байсан. Тэдгээрийн дотор ялтсуудын нэг нь металл тугалган цаас, нөгөө нь электролит, ялтсуудын хоорондох тусгаарлагч нь тугалган цаасыг бүрхсэн металл исэл байв. Электролитийн конденсаторын хувьд хүчин чадал нь фарадын 100-д хүрч болох бөгөөд энэ нь зайг бүрэн солиход хангалтгүй юм.

Янз бүрийн төрлийн конденсаторуудын дизайны харьцуулалт (Эх сурвалж: Википедиа)

Мянга мянган фарадаар хэмжигддэг том багтаамжийг цахилгаан давхар давхарга гэж нэрлэгддэг конденсаторуудаар олж авах боломжтой. Тэдний үйл ажиллагааны зарчим нь дараах байдалтай байна. Цахилгаан давхар давхарга нь хатуу ба шингэн фазын бодисын интерфейс дээр тодорхой нөхцөлд үүсдэг. Ионы хоёр давхарга нь эсрэг тэмдэгтэй боловч ижил хэмжээтэй цэнэгтэй байдаг. Хэрэв бид нөхцөл байдлыг маш хялбаршуулах юм бол конденсатор үүсдэг бөгөөд тэдгээрийн "ялтсууд" нь заасан ионуудын давхаргууд бөгөөд тэдгээрийн хоорондох зай нь хэд хэдэн атомтай тэнцүү байна.

Максвеллийн үйлдвэрлэсэн янз бүрийн хүчин чадалтай суперконденсаторууд

Энэ нөлөөнд суурилсан конденсаторыг заримдаа ионистор гэж нэрлэдэг. Үнэн хэрэгтээ энэ нэр томъёо нь зөвхөн цахилгаан цэнэгийг хадгалдаг конденсаторуудад хамаарахаас гадна цахилгаан эрчим хүчийг хадгалах бусад төхөөрөмжүүдэд хамаарна - цахилгаан энергийг хэсэгчлэн химийн энерги болгон хувиргах, цахилгаан цэнэгийг хадгалах (эрлийз ионистор), түүнчлэн давхар цахилгаан давхарга (псевдоконденсатор гэж нэрлэгддэг) дээр суурилсан батерейнууд. Тиймээс "супер конденсатор" гэсэн нэр томъёо илүү тохиромжтой. Заримдаа оронд нь "ultracapacitor" гэсэн ижил нэр томъёог ашигладаг.

Техникийн хэрэгжилт

Суперконденсатор нь электролитээр дүүргэсэн идэвхжүүлсэн нүүрс бүхий хоёр хавтангаас бүрдэнэ. Тэдгээрийн хооронд электролитийг нэвтрүүлэх боломжийг олгодог мембран байдаг боловч ялтсуудын хооронд идэвхжүүлсэн нүүрстөрөгчийн хэсгүүдийн бие махбодийн хөдөлгөөнөөс сэргийлдэг.

Суперконденсаторууд нь туйлшралгүй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Үүн дээр тэд электролитийн конденсаторуудаас үндсэндээ ялгаатай бөгөөд тэдгээр нь дүрмээр бол туйлшралаар тодорхойлогддог бөгөөд үүнийг дагаж мөрдөхгүй байх нь конденсаторын эвдрэлд хүргэдэг. Гэсэн хэдий ч туйлшралыг суперконденсаторуудад бас ашигладаг. Энэ нь суперконденсаторууд нь үйлдвэрийн угсралтын шугамыг аль хэдийн цэнэглэгдсэн байдагтай холбоотой бөгөөд тэмдэглэгээ нь энэ цэнэгийн туйлшралыг илтгэнэ.

Суперконденсаторын параметрүүд

Бичиж байх үед бие даасан суперконденсаторын хамгийн их хүчин чадал нь 12,000 F. Олон тооны суперконденсаторуудын хувьд энэ нь 3,000 F-ээс ихгүй байна. Хавтануудын хоорондох зөвшөөрөгдөх дээд хүчдэл нь 10 В-оос хэтрэхгүй. Худалдааны суперконденсаторуудын хувьд, Энэ үзүүлэлт нь дүрмээр бол 2. 3 – 2.7 В-ийн дотор байна. Бага ажиллах хүчдэл нь тогтворжуулагч функцтэй хүчдэл хувиргагчийг ашиглахыг шаарддаг. Баримт нь цэнэггүй байх үед конденсаторын хавтан дээрх хүчдэл өргөн хүрээнд өөрчлөгддөг. Ачаалал ба цэнэглэгчийг холбох хүчдэлийн хувиргагчийг барих нь энгийн ажил биш юм. Та 60 Вт ачааллыг тэжээх хэрэгтэй гэж бодъё.

Асуудлыг авч үзэхийг хялбарчлахын тулд бид хүчдэлийн хувиргагч ба тогтворжуулагчийн алдагдлыг үл тоомсорлох болно. Хэрэв та ердийн 12 В зайтай ажиллаж байгаа бол хяналтын электрон төхөөрөмж нь 5 А-ийн гүйдлийг тэсвэрлэх чадвартай байх ёстой. Ийм электрон төхөөрөмжүүд нь өргөн тархсан бөгөөд хямдхан байдаг. Гэвч суперконденсаторыг ашиглах үед огт өөр нөхцөл байдал үүсдэг бөгөөд түүний хүчдэл нь 2.5 В. Дараа нь хөрвүүлэгчийн электрон бүрэлдэхүүн хэсгүүдээр дамжин урсах гүйдэл нь 24 А хүрч болох бөгөөд энэ нь хэлхээний технологи, орчин үеийн элементийн суурьтай болох шинэ арга барилыг шаарддаг. 20-р зууны 70-аад онд цуврал үйлдвэрлэж эхэлсэн супер конденсаторууд одоо л олон салбарт өргөн хэрэглэгдэж эхэлснийг хөрвүүлэгч, тогтворжуулагч барих нарийн төвөгтэй байдал нь тайлбарлаж болно.

Тасралтгүй цахилгаан хангамжийн бүдүүвч диаграм
суперконденсатор дээрх хүчдэл, үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хэрэгжүүлдэг
LinearTechnology-ийн үйлдвэрлэсэн нэг микро схем дээр

Суперконденсаторыг батерейнд цуваа эсвэл зэрэгцээ холболтоор холбож болно. Эхний тохиолдолд хамгийн их зөвшөөрөгдөх хүчдэл нэмэгддэг. Хоёр дахь тохиолдолд - хүчин чадал. Зөвшөөрөгдөх хамгийн их хүчдэлийг ийм байдлаар нэмэгдүүлэх нь асуудлыг шийдэх нэг арга боловч та багтаамжийг багасгах замаар үүнийг төлөх шаардлагатай болно.

Суперконденсаторуудын хэмжээсүүд нь тэдний хүчин чадлаас шууд хамаардаг. 3000 F-ийн багтаамжтай ердийн суперконденсатор нь ойролцоогоор 5 см диаметртэй, 14 см урттай цилиндр юм. 10 F-ийн багтаамжтай суперконденсатор нь хүний хумстай харьцуулах хэмжээтэй байдаг.

Сайн суперконденсаторууд нь хэдэн зуун мянган цэнэглэх цэнэгийн мөчлөгийг тэсвэрлэх чадвартай бөгөөд энэ үзүүлэлтээр батерейгаас 100 дахин их байдаг. Гэхдээ электролитийн конденсаторын нэгэн адил суперконденсаторууд нь электролитийн аажмаар алдагдахаас болж хөгшрөлтийн асуудалтай тулгардаг. Одоогийн байдлаар энэ шалтгааны улмаас суперконденсаторын эвдрэлийн талаархи бүрэн статистик мэдээлэл хуримтлагдаагүй байгаа боловч шууд бус мэдээллээр суперконденсаторуудын ашиглалтын хугацааг ойролцоогоор 15 жил гэж тооцож болно.

Хуримтлагдсан энерги

Конденсаторт хуримтлагдсан энергийн хэмжээг жоульоор илэрхийлнэ.

E = CU 2/2,
Энд C нь фарадаар илэрхийлэгдсэн багтаамж, U нь вольтоор илэрхийлэгдсэн хавтан дээрх хүчдэл юм.

Конденсаторт хуримтлагдсан энергийн хэмжээг кВтц-аар илэрхийлнэ:

W = CU 2 /7200000

Иймээс 2.5 В-ын хавтангийн хоорондох хүчдэлтэй 3000 F-ийн багтаамжтай конденсатор нь зөвхөн 0.0026 кВт цаг хадгалах чадвартай. Үүнийг жишээ нь лити-ион батерейтай харьцуулах нь юу вэ? Хэрэв бид түүний гаралтын хүчдэлийг цэнэгийн хэмжээнээс хамааралгүй, 3.6 В-той тэнцүү гэж үзвэл 0.72 Ah хүчин чадалтай лити-ион батерейнд 0.0026 кВт.ц энерги хуримтлагдана. Харамсалтай нь, маш даруухан үр дүн.

Суперконденсаторуудын хэрэглээ

Яаралтай гэрэлтүүлгийн систем нь батерейны оронд суперконденсатор ашиглах нь бодит өөрчлөлтийг бий болгодог. Үнэн хэрэгтээ энэ програм нь жигд бус ялгадасаар тодорхойлогддог. Нэмж дурдахад, яаралтай тусламжийн чийдэнг хурдан цэнэглэж, түүнд ашигладаг нөөц тэжээлийн эх үүсвэр нь илүү найдвартай байх нь зүйтэй юм. Супер конденсатор дээр суурилсан нөөц тэжээлийн хангамжийг T8 LED чийдэнтэй шууд холбож болно. Ийм чийдэнг Хятадын хэд хэдэн компани аль хэдийн үйлдвэрлэдэг.

Цахилгаанаар ажилладаг LED газрын гэрэл
нарны хавтан, эрчим хүчний хуримтлалаас
үүнийг суперконденсаторт гүйцэтгэдэг

Өмнө дурьдсанчлан, суперконденсаторыг хөгжүүлэх нь эрчим хүчний өөр эх үүсвэрийг сонирхож байгаатай холбоотой юм. Гэхдээ практик хэрэглээ нь нарнаас эрчим хүч авдаг LED чийдэнгээр хязгаарлагддаг.

Цахилгаан тоног төхөөрөмжийг эхлүүлэхийн тулд суперконденсаторыг ашиглах нь идэвхтэй хөгжиж байна.

Суперконденсаторууд нь богино хугацаанд их хэмжээний эрчим хүчийг дамжуулах чадвартай. Хэт конденсатораас цахилгаан тоног төхөөрөмжийг асаах үед цахилгаан эрчим хүчний сүлжээний оргил ачааллыг бууруулж, эцэст нь гүйдлийн хязгаарыг бууруулж, асар их зардал хэмнэх боломжтой болно.

Хэд хэдэн суперконденсаторыг батарей болгон нэгтгэснээр бид цахилгаан машинд ашигладаг батерейтай дүйцэхүйц хүчин чадалд хүрч чадна. Гэхдээ энэ батерей нь батерейгаас хэд дахин их жинтэй байх бөгөөд энэ нь тээврийн хэрэгслийн хувьд хүлээн зөвшөөрөгдөхгүй юм. Графен дээр суурилсан суперконденсаторуудыг ашиглан асуудлыг шийдэж болох ч одоогоор тэдгээр нь зөвхөн прототип хэлбэрээр л байгаа. Гэхдээ зөвхөн цахилгаанаар ажилладаг алдарт Yo-mobile-ын ирээдүйтэй хувилбар нь Оросын эрдэмтдийн бүтээж байгаа шинэ үеийн суперконденсаторуудыг эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашиглах юм.

Суперконденсаторууд нь ердийн бензин эсвэл дизель хөдөлгүүртэй автомашины батерейг солиход ашигтай байх болно - ийм машинд ашиглах нь аль хэдийн бодит байдал юм.

Энэ хооронд суперконденсаторыг нэвтрүүлэх төслүүдээс хамгийн амжилттай нь Москвагийн гудамжинд саяхан гарч ирсэн Оросын шинэ троллейбусууд гэж үзэж болно. Холбоо барих сүлжээнд хүчдэлийн хангамж тасалдсан эсвэл гүйдлийн коллекторууд "нисэх" үед троллейбус бага хурдтай (ойролцоогоор 15 км / цаг) хэдэн зуун метрийн зайд хөдөлгөөнд саад учруулахгүй газар хүрэх боломжтой. зам дээр. Ийм маневр хийх эрчим хүчний эх үүсвэр нь суперконденсаторуудын зай юм.

Ерөнхийдөө одоохондоо суперконденсаторууд батерейг зөвхөн тодорхой "тор" -д шилжүүлж чаддаг. Гэхдээ технологи хурдацтай хөгжиж байгаа бөгөөд энэ нь ойрын ирээдүйд суперконденсаторын хэрэглээний цар хүрээ ихээхэн өргөжих болно гэж найдаж байна.

Ионистор нь конденсатор бөгөөд хавтан нь электрод ба электролитийн хоорондох давхар цахилгаан давхарга юм. Энэ төхөөрөмжийн өөр нэр нь суперконденсатор, хэт конденсатор, хоёр давхаргат цахилгаан химийн конденсатор эсвэл ionix юм. Энэ нь том хүчин чадалтай бөгөөд энэ нь түүнийг одоогийн эх үүсвэр болгон ашиглах боломжийг олгодог.

Суперконденсатор төхөөрөмж

Ионисторын үйл ажиллагааны зарчим нь ердийн конденсатортой төстэй боловч эдгээр төхөөрөмжүүд нь ашигласан материалын хувьд ялгаатай байдаг. Ийм элементүүдэд сүвэрхэг материалыг доторлогоо болгон ашигладаг - идэвхжүүлсэн нүүрс нь сайн дамжуулагч эсвэл хөөсөрсөн металл юм. Энэ нь тэдний талбайг олон дахин нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог бөгөөд конденсаторын багтаамж нь электродын талбайтай шууд пропорциональ байдаг тул энэ нь ижил хэмжээгээр нэмэгддэг. Үүнээс гадна электролитийг электролитийн конденсаторын нэгэн адил диэлектрик болгон ашигладаг бөгөөд энэ нь ялтсуудын хоорондох зайг багасгаж, багтаамжийг нэмэгдүүлдэг. Хамгийн түгээмэл параметрүүд нь 5-10В хүчдэлтэй хэд хэдэн фарад юм.

Ионисторуудын төрлүүд

Ийм төхөөрөмжүүдийн хэд хэдэн төрөл байдаг:

Төгс туйлшрах идэвхижүүлсэн нүүрс электродтой. Ийм элементүүдэд цахилгаан химийн урвал явагддаггүй. Натрийн гидроксид (30% KOH), хүхрийн хүчил (38% H2SO4) эсвэл органик электролитийн усан уусмалыг электролит болгон ашигладаг;
Төгс туйлшрах идэвхижүүлсэн нүүрс электродыг нэг хавтан болгон ашигладаг. Хоёр дахь электрод нь сул буюу туйлшрах чадваргүй (дизайнаас хамааран анод эсвэл катод);
Псевдоконденсаторууд. Эдгээр төхөөрөмжүүдэд ялтсуудын гадаргуу дээр урвуу цахилгаан химийн урвал явагддаг. Тэд том хүчин чадалтай.

Ионисторуудын давуу болон сул талууд

Ийм төхөөрөмжийг батерей эсвэл аккумляторын оронд ашигладаг. Тэдэнтэй харьцуулахад ийм элементүүд нь давуу болон сул талуудтай байдаг.

Суперконденсаторуудын сул талууд:

нийтлэг элементүүдэд бага урсах гүйдэл, ийм дутагдалтай загвар нь өндөр үнэтэй байдаг;
цэнэгийн үед төхөөрөмжийн гаралтын хүчдэл буурдаг;
дотоод эсэргүүцэл багатай өндөр хүчин чадалтай элементүүдэд богино холболт үүссэн тохиолдолд контактууд шатдаг;
ердийн конденсатортай харьцуулахад зөвшөөрөгдөх хүчдэл ба цэнэгийн хэмжээг бууруулсан;
батерейг бодвол өөрөө цэнэглэх гүйдэл өндөр.

Хэт конденсаторуудын давуу талууд:

батерейгаас илүү өндөр хурд, цэнэг ба цэнэгийн гүйдэл;
бат бөх чанар - 100,000 цэнэглэх / цэнэггүй болгох циклийн дараа туршилтын явцад параметрийн доройтол ажиглагдаагүй;
ихэнх загварт өндөр дотоод эсэргүүцэлтэй, богино залгааны үед өөрөө цэнэглэгдэх, бүтэлгүйтэхээс сэргийлдэг;
үйлчилгээний урт хугацаа;
бага хэмжээ, жин;
хоёр туйлт - үйлдвэрлэгч нь "+" ба "-" гэж тэмдэглэдэг боловч энэ нь үйлдвэрлэлийн туршилтын явцад хэрэглэсэн цэнэгийн туйлшрал юм;
ажлын температурын өргөн хүрээ, механик хэт ачаалалд тэсвэртэй.

Эрчим хүчний нягтрал

Суперконденсаторт эрчим хүч хадгалах чадвар нь хар тугалгатай батерейгаас 8 дахин, лити батерейгаас 25 дахин бага юм. Эрчим хүчний нягтрал нь дотоод эсэргүүцэлээс хамаарна: бага байх тусам төхөөрөмжийн тодорхой эрчим хүчний багтаамж өндөр байна. Эрдэмтдийн сүүлийн үеийн бүтээн байгуулалтууд нь эрчим хүчийг хадгалах чадвар нь хар тугалганы батерейтай харьцуулах боломжтой элементүүдийг бий болгох боломжийг олгож байна.

2008 онд Энэтхэгт ионистор бүтээгдсэн бөгөөд ялтсуудыг графенээр хийсэн байна. Энэ элементийн эрчим хүчний эрчим нь 32 (Wh) / кг байна. Харьцуулбал, машины батерейны эрчим хүчний багтаамж нь 30-40 (Wh) / кг. Эдгээр төхөөрөмжүүдийг хурдасгасан цэнэглэгч нь цахилгаан машинд ашиглах боломжийг олгодог.

2011 онд Солонгосын дизайнерууд графенаас гадна азотыг ашигласан төхөөрөмж бүтээжээ. Энэ элемент нь эрчим хүчний тодорхой эрчимийг хоёр дахин нэмэгдүүлсэн.

Лавлагаа.Графен нь 1 атомын зузаантай нүүрстөрөгчийн давхарга юм.

Ионисторуудын хэрэглээ

Суперконденсаторуудын цахилгаан шинж чанарыг технологийн янз бүрийн салбарт ашигладаг.

Нийтийн тээвэр

Батерейны оронд ионистор ашигладаг цахилгаан автобусыг Хьюндай Мотор, Тролза, Белкоммунмаш болон бусад үйлдвэрүүд үйлдвэрлэдэг.

Эдгээр автобуснууд нь хийцийн хувьд бааргүй троллейбустай төстэй бөгөөд холбоо барих сүлжээ шаардлагагүй. Зорчигчдыг буух, суух үед зогсоол дээр эсвэл маршрутын төгсгөлд 5-10 минутын дараа цэнэглэдэг.

Ионистороор тоноглогдсон троллейбусууд нь эвдэрсэн холбоо барих шугам, түгжрэлийг тойрч гарах чадвартай бөгөөд маршрутын төгсгөлийн цэгүүд дэх депо, зогсоолуудад утас тавих шаардлагагүй.

Цахилгаан машинууд

Цахилгаан тээврийн хэрэгслийн гол асуудал бол удаан цэнэглэх хугацаа юм. Цэнэглэх өндөр гүйдэл, богино цэнэглэх хугацаа бүхий хэт конденсатор нь богино зогсолтын үед дахин цэнэглэх боломжийг олгодог.

ОХУ-д тусгайлан бүтээсэн ионисторыг зай болгон ашигладаг Yo-mobile бүтээжээ.

Нэмж дурдахад, суперконденсаторыг батарейтай зэрэгцүүлэн суурилуулах нь асаах болон хурдатгалын үед цахилгаан моторын зарцуулсан гүйдлийг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог. Энэ системийг KERS, Формула 1 машинуудад ашигладаг.

Хэрэглээний цахилгаан хэрэгсэл

Эдгээр төхөөрөмжүүдийг гэрэл зургийн флэш болон бусад төхөөрөмжид ашигладаг бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийн хэмжээ, жингээс илүү хурдан цэнэглэх, цэнэглэх чадвар нь чухал юм. Тухайлбал, хорт хавдар илрүүлэх төхөөрөмж 2.5 минутад цэнэглэгдэж, 1 минутын турш ажилладаг. Энэ нь судалгаа хийх, батерейны цэнэггүй байдлаас болж төхөөрөмж ажиллахгүй байх нөхцөл байдлаас урьдчилан сэргийлэхэд хангалттай юм.

Автомашины дэлгүүрүүдэд та машины радиотой зэрэгцэн ашиглахын тулд 1 фарад хүчин чадалтай ионистор худалдаж авах боломжтой. Тэд хөдөлгүүрийг эхлүүлэх үед хүчдэлийн хэлбэлзлийг жигд болгодог.

DIY ионистор

Хэрэв та хүсвэл суперконденсаторыг өөрийн гараар хийж болно. Ийм төхөөрөмж нь илүү муу параметртэй байх бөгөөд удаан үргэлжлэхгүй (электролит хатах хүртэл), гэхдээ ерөнхийдөө ийм төхөөрөмжүүдийн үйл ажиллагааны талаархи ойлголтыг өгөх болно.

Өөрийнхөө гараар ионистор хийхийн тулд танд дараахь зүйлс хэрэгтэй болно.

зэс эсвэл хөнгөн цагаан тугалган цаас;
давс;
эмийн сангаас идэвхжүүлсэн нүүрс;
хөвөн ноосон;
хар тугалгад зориулсан уян хатан утас;
хайрцагт зориулсан хуванцар хайрцаг.

Хэт конденсаторыг үйлдвэрлэх журам дараах байдалтай байна.

хоёр ширхэг тугалган цаасыг хайрцгийн ёроолд тааруулахаар томоор хайчилж ав;
утаснуудыг тугалган цаасаар гагнах;
нүүрсийг усаар чийгшүүлж, нунтаг болгон нунтаглаж, хатаана;
25% -ийн давсны уусмал бэлтгэх;
нүүрсний нунтагыг давсны уусмалаар зуурмаг болгон холино;
хөвөн ноосыг давсны уусмалаар чийгшүүлнэ;
зуурмагийг тугалган цаас дээр нимгэн, жигд давхаргад түрхэх;
"сэндвич" хийх: нүүрсээр тугалган цаас, хөвөн ноосны нимгэн давхарга, нүүрсэн тугалган цаас;
бүтцийг хайрцагт хийнэ.

Ийм төхөөрөмжийн зөвшөөрөгдөх хүчдэл нь 0.5 V. Энэ нь хэтэрсэн үед электролизийн процесс эхэлж, ионистор нь хийн батерей болж хувирдаг.