Un supercondensator sau un ionistor este un dispozitiv pentru stocarea maselor de energie; acumularea de sarcină are loc la limita dintre electrod și electrolit. Volumul de energie utilă este stocat ca o sarcină de tip static. Procesul de acumulare se reduce la interacțiunea cu o tensiune constantă atunci când ionistorul primește o diferență de potențial peste plăcile sale. Implementarea tehnologică, precum și însăși ideea de a crea astfel de dispozitive, au apărut relativ recent, dar au reușit să primească o utilizare experimentală pentru a rezolva un anumit număr de probleme. Piesa poate înlocui sursele de curent de origine chimică, fiind o rezervă sau principalul mijloc de alimentare cu energie în ceasuri, calculatoare și diverse microcircuite.
Designul elementar al unui condensator constă dintr-o placă, al cărei material este folie, delimitată de o substanță de separare uscată. Ionistorul este format dintr-un număr de condensatori cu un încărcător de tip electrochimic. Pentru producerea acestuia se folosesc electroliți speciali. Acoperirile pot fi de mai multe soiuri. Cărbunele activat este utilizat pentru fabricarea de căptușeli la scară largă. De asemenea, pot fi utilizați oxizi metalici și materiale polimerice cu conductivitate ridicată. Pentru a obține densitatea capacitivă necesară, se recomandă utilizarea materialelor de carbon foarte poroase. În plus, această abordare vă permite să faceți un ionistor la un cost impresionant de scăzut. Astfel de piese aparțin categoriei condensatoarelor DLC, care acumulează sarcina într-un compartiment dublu format pe placă.
Soluția de proiectare, atunci când ionistorul este combinat cu o bază de electrolit de apă, se caracterizează prin rezistența scăzută a elementelor interne, în timp ce tensiunea de încărcare este limitată la 1 V. Utilizarea conductorilor organici garantează niveluri de tensiune de aproximativ 2...3 V și rezistență crescută.
Circuitele electronice funcționează cu cerințe mai mari de energie. Soluția la această problemă este creșterea numărului de puncte de alimentare utilizate. Ionistorul este instalat nu doar unul, ci într-o cantitate de 3-4 bucăți, oferind cantitatea necesară de încărcare.
În comparație cu o baterie nichel-hidrură metalică, ionistorul este capabil să conțină o zecime din rezerva de energie, în timp ce tensiunea sa scade liniar, excluzând zonele de descărcare plană. Acești factori afectează capacitatea de a reține complet sarcina în ionistor. Nivelul de încărcare depinde direct de scopul tehnologic al elementului.
Destul de des, un ionistor este folosit pentru alimentarea cipurilor de memorie și este inclus în circuitele de filtrare și filtrele de netezire. Ele pot fi, de asemenea, combinate cu baterii de diferite tipuri pentru a combate consecințele creșterilor bruște de curent: atunci când este furnizat un curent scăzut, ionistorul este reîncărcat, altfel eliberează o parte din energie, reducând astfel sarcina totală.
O lingură de cărbune activat de la o farmacie, câteva picături de apă cu sare, o farfurie de tablă și un borcan de plastic cu film fotografic. Este suficient de făcut Ionistor DIY, un condensator electric a cărui capacitate este aproximativ egală cu capacitatea electrică ... a globului. Borcan de Leyden.
Este posibil ca unul dintre ziarele americane să fi scris despre tocmai un astfel de dispozitiv în 1777: „... Dr. Franklin a inventat o mașină de mărimea unei cutii de scobitori, capabilă să transforme Catedrala Sf. Paul din Londra într-o mână de cenușă. ” Cu toate acestea, primele lucruri mai întâi.
Omenirea folosește electricitatea de puțin peste două secole, dar fenomenele electrice sunt cunoscute oamenilor de mii de ani și nu au o semnificație practică de mult timp. Abia la începutul secolului al XVIII-lea, când știința a devenit un divertisment la modă, omul de știință german Otto von Guericke a creat o mașină „electroforică” special pentru efectuarea de experimente publice, cu ajutorul căreia a primit energie electrică în cantități nemaivăzute până acum.
Aparatul era alcătuit dintr-o minge de sticlă, de care se freca o bucată de piele în timp ce se învârtea. Efectul muncii ei a fost grozav: scântei trosneau, forțele electrice invizibile smulgeau șalurile doamnelor și făceau părul pe cap. Publicul a fost deosebit de surprins de capacitatea corpurilor de a acumula sarcini electrice.
În 1745, fizicianul olandez din Leiden Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) a turnat apă într-un borcan de sticlă, a pus înăuntru o bucată de sârmă, ca o floare într-o vază, și, strângând-o cu grijă cu palmele, a adus-o la aparat electrofor. Sticla a colectat atât de multă electricitate încât o scânteie strălucitoare a zburat din bucata de sârmă, cu un „răbufnit asurzitor”. Data viitoare când omul de știință a atins firul cu degetul, a primit o lovitură din care și-a pierdut cunoștința; Dacă nu ar fi fost asistentul Kuneus, care a sosit la timp, problema s-ar fi putut termina cu tristețe.
Astfel, a fost creat un dispozitiv care ar putea acumula de milioane de ori mai multă încărcare decât orice corp cunoscut la acea vreme. Se numea „borcanul Leyden”. Era un fel de condensator, una dintre plăcile căruia erau palmele experimentatorului, dielectricul erau pereți de sticlă, iar a doua placă era apă.
Vestea invenției s-a răspândit în toată Europa iluminată. Borcanul din Leyden a fost folosit imediat pentru a-l educa pe regele francez Ludovic al XV-lea. Au început spectacolele. Într-unul dintre experimentele rămase în istorie, un curent electric a fost trecut printr-un lanț de paznici care se țineau de mână. Când a lovit descărcarea electrică, toți au sărit în sus ca unul singur, de parcă ar fi fost pe cale să mărșăluiască în aer. Într-un alt experiment, curentul a fost trecut printr-un lanț de 700 de călugări...
Experimentele cu borcanul Leyden în America au luat o direcție mai practică. În 1747, au fost începute de unul dintre fondatorii Statelor Unite, deja menționatul Benjamin Franklin. I-a venit ideea de a înveli borcanul în folie de tablă, iar capacitatea acestuia a crescut de multe ori, iar munca a devenit mai sigură. În experimente cu acesta, Franklin a demonstrat că o descărcare electrică poate genera căldură și poate ridica coloana de mercur într-un termometru. Și prin înlocuirea borcanului cu o placă de sticlă acoperită cu folie de tablă, Franklin a primit un condensator plat, de multe ori mai ușor decât chiar și borcanul Leyden pe care l-a îmbunătățit.
Istoria tace despre un dispozitiv capabil să stocheze atât de multă energie încât, după cum scria ziarul, ar putea fi folosit pentru a „transforma Catedrala Sf. Paul într-un morman de cenușă”, dar asta nu înseamnă că B. Franklin nu a putut să o creeze. .
Și aici este momentul să te întorci la cum să faci Ionistor DIY. Dacă v-ați aprovizionat cu tot ce aveți nevoie, coborâți placa de tablă pe fundul cutiei de film, după ce lipiți o bucată de sârmă izolată pe aceasta. Puneți deasupra un tampon de hârtie de filtru, turnați pe el un strat de cărbune activ și, după ce turnați apă cu sare, acoperiți „sandvișul” cu un alt electrod.
Diagrama de funcționare a ionistorului.
Ai un condensator electrochimic - ionistor. Este interesant pentru că în porii particulelor de cărbune activ apare un așa-numit strat dublu electric - două straturi de sarcini electrice de semne diferite situate aproape una de alta, adică un fel de condensator electrochimic. Distanța dintre straturi este calculată în angstrom (1 angstrom - 10-9 m). Și capacitatea unui condensator, după cum se știe, cu atât mai mare este mai mică distanța dintre plăci.
Datorită acestui fapt, rezerva de energie pe unitatea de volum din stratul dublu este mai mare decât cea a celui mai puternic exploziv. Acest Borcan de Leyden!
Ionistorul funcționează după cum urmează. În absența tensiunii externe, capacitatea sa este neglijabilă. Dar sub influența tensiunii aplicate polilor condensatorului, straturile adiacente de cărbune sunt încărcate. Ionii de semn opus din soluție se grăbesc către particulele de cărbune și formează un strat electric dublu pe suprafața lor.
Condensator electrochimic industrial (ionistor). Carcasa metalică de mărimea unui buton adăpostește două straturi de cărbune activ, separate printr-un distanțier poros.
Schema cum se face Ionistor DIY.
Diagrama unui ionistor de casă realizat dintr-un borcan de plastic și cărbune activ:
1 - electrod superior;
2 - fire de conectare;
3,5 - straturi de cărbune activ umed;
4 - garnitură de separare poroasă;
6 - electrod inferior;
7 - corp.
Dacă o sarcină este conectată la polii condensatorului, atunci sarcini opuse de pe suprafața interioară a particulelor de cărbune vor rula de-a lungul firelor una spre cealaltă, iar ionii aflați în porii lor vor ieși.
Asta e tot. acum înțelegi cum să faci Ionistor DIY.
Ionistorii moderni au o capacitate de zeci și sute de farazi. Când sunt descărcate, sunt capabile să dezvolte o putere mare și sunt foarte durabile. În ceea ce privește rezerva de energie pe unitate de masă și unitate de volum, ionistorii sunt încă inferiori bateriilor. Dar dacă înlocuiți cărbunele activ cu cele mai subțiri nanotuburi de carbon sau altă substanță conductoare de electricitate, intensitatea energetică a ionistorului poate deveni fantastic de mare.
Benjamin Franklin a trăit într-o perioadă în care nanotehnologia nici nu era gândită, dar asta nu înseamnă că nu a fost folosită. După cum a raportat Robert Curie, câștigătorul Premiului Nobel pentru chimie, când fabricau lame din oțel Damasc, meșterii antici, fără să știe, foloseau metode nanotehnologiei. Oțelul damasc antic a rămas întotdeauna ascuțit și durabil datorită compoziției speciale a carbonului din structura metalică.
Un fel de nanomateriale, cum ar fi tulpinile de plante carbonizate care conțin nanotuburi, ar putea fi folosite de Franklin pentru a crea un supercondensator. Câți dintre voi înțelegeți ce este? Borcan de Leyden, și cine va încerca să o facă?
Necesitatea de a reduce dimensiunea componentelor radio în același timp cu creșterea caracteristicilor tehnice ale acestora a condus la apariția unui număr mare de dispozitive care sunt folosite peste tot în prezent. Acest lucru a afectat complet condensatorii. Așa-numiții ionistori sau supercondensatori sunt elemente cu o capacitate mare (gama acestui indicator este destul de largă de la 0,01 la 30 farazi) cu o tensiune de încărcare de 3 până la 30 volți. În plus, dimensiunile lor sunt foarte mici. Și întrucât subiectul conversației noastre este un ionistor de tip bricolaj, este necesar în primul rând să înțelegem elementul în sine, adică ce este.
Caracteristicile de proiectare ale ionistorului
În esență, acesta este un condensator obișnuit cu o capacitate mare. Dar ionistorii au o rezistență mare, deoarece elementul se bazează pe un electrolit. Acesta este primul. Al doilea este tensiunea scăzută de încărcare. Chestia este că în acest supercondensator plăcile sunt situate foarte aproape una de alta. Acesta este tocmai motivul pentru tensiunea redusă, dar tocmai din acest motiv crește capacitatea condensatorului.
Ionizatoarele din fabrică sunt fabricate din diferite materiale. Husele sunt de obicei realizate din folie, care este separată de o substanță uscată cu efect de separare. De exemplu, cărbune activ (pentru plăci mari), oxizi de metal, substanțe polimerice care au o conductivitate electrică ridicată.
Asamblarea ionizatorului cu propriile mâini
Asamblarea unui ionizator cu propriile mâini nu este cel mai ușor lucru, dar o puteți face și acasă. Există mai multe modele în care sunt prezente materiale diferite. Oferim una dintre ele. Pentru a face acest lucru veți avea nevoie de:
- borcan metalic de cafea (50 g);
- cărbunele activ, care este vândut în farmacii, poate fi înlocuit cu electrozi de cărbune zdrobit;
- două cercuri de placă de cupru;
- lână de bumbac
În primul rând, trebuie să pregătiți electrolitul. Pentru a face acest lucru, mai întâi trebuie să zdrobiți cărbunele activ în pulbere. Apoi faceți o soluție salină, pentru care trebuie să adăugați 25 g de sare la 100 g de apă și amestecați totul bine. Apoi, pulberea de cărbune activ este adăugată treptat în soluție. Cantitatea sa este determinată de consistența electrolitului; ar trebui să fie la fel de gros ca chitul.
După care electrolitul finit este aplicat pe cercuri de cupru (pe o parte). Vă rugăm să rețineți că, cu cât stratul de electrolit este mai gros, cu atât capacitatea ionistorului este mai mare. Și încă ceva, grosimea electrolitului aplicat pe cele două cercuri ar trebui să fie aceeași. Deci, electrozii sunt gata, acum trebuie să fie separați de un material care ar trece curentul electric, dar nu ar permite trecerea pulberii de carbon. Pentru aceasta, se folosește vată obișnuită, deși aici există multe opțiuni. Grosimea stratului de bumbac determină diametrul borcanului metalic de cafea, adică întreaga structură de electrozi ar trebui să se potrivească confortabil în ea. Prin urmare, în principiu, va trebui să selectați dimensiunile electrozilor înșiși (cercuri de cupru).
Tot ce rămâne este să conectați electrozii înșiși la terminale. Asta este, ionistorul, făcut cu propriile mâini și chiar și acasă, este gata. Acest design nu are o capacitate foarte mare - nu mai mare de 0,3 faradi, iar tensiunea de încărcare este de doar un volt, dar acesta este un ionistor adevărat. 
Concluzie asupra subiectului
Ce se mai poate spune despre acest element în plus? Dacă o comparăm, de exemplu, cu o baterie nichel-hidrură metalică, atunci ionistorul poate menține cu ușurință o sursă de energie electrică de până la 10% din puterea bateriei. În plus, căderea sa de tensiune are loc liniar și nu brusc. Dar nivelul de încărcare al elementului depinde de scopul său tehnologic.
Oamenii au folosit mai întâi condensatori pentru a stoca electricitate. Apoi, când ingineria electrică a depășit experimentele de laborator, au fost inventate bateriile, care au devenit principalul mijloc de stocare a energiei electrice. Dar, la începutul secolului al XXI-lea, se propune din nou utilizarea condensatoarelor pentru alimentarea echipamentelor electrice. Cât de posibil este acest lucru și vor deveni în sfârșit un lucru din trecut?
Motivul pentru care condensatorii au fost înlocuiți cu baterii s-a datorat cantităților semnificativ mai mari de energie electrică pe care sunt capabili să le stocheze. Un alt motiv este că în timpul descărcării tensiunea la ieșirea bateriei se modifică foarte puțin, astfel încât un stabilizator de tensiune fie nu este necesar, fie poate avea un design foarte simplu.
Principala diferență dintre condensatori și baterii este că condensatoarele stochează direct sarcina electrică, în timp ce bateriile convertesc energia electrică în energie chimică, o stochează și apoi convertesc energia chimică înapoi în energie electrică.
În timpul transformărilor energetice, o parte din ea se pierde. Prin urmare, chiar și cele mai bune baterii au o eficiență de cel mult 90%, în timp ce la condensatoare poate ajunge la 99%. Intensitatea reacțiilor chimice depinde de temperatură, astfel încât bateriile funcționează considerabil mai rău pe vreme rece decât la temperatura camerei. În plus, reacțiile chimice din baterii nu sunt complet reversibile. De aici și numărul mic de cicluri de încărcare-descărcare (de ordinul a miilor, cel mai adesea durata de viață a bateriei este de aproximativ 1000 de cicluri de încărcare-descărcare), precum și „efectul de memorie”. Să ne amintim că „efectul de memorie” este că bateria trebuie să fie întotdeauna descărcată la o anumită cantitate de energie acumulată, atunci capacitatea sa va fi maximă. Dacă, după descărcare, rămâne mai multă energie în el, atunci capacitatea bateriei va scădea treptat. „Efectul de memorie” este caracteristic pentru aproape toate tipurile de baterii produse comercial, cu excepția celor acide (inclusiv soiurile lor - gel și AGM). Deși este în general acceptat că bateriile litiu-ion și litiu-polimer nu o au, de fapt o au și ele, pur și simplu se manifestă într-o măsură mai mică decât la alte tipuri. În ceea ce privește bateriile cu acid, acestea prezintă efectul sulfatării plăcii, care provoacă daune ireversibile sursei de alimentare. Unul dintre motive este că bateria rămâne într-o stare de încărcare mai mică de 50% pentru o perioadă lungă de timp.
În ceea ce privește energia alternativă, „efectul de memorie” și sulfatarea plăcii sunt probleme serioase. Cert este că aprovizionarea cu energie din surse precum panourile solare și turbinele eoliene este greu de prevăzut. Ca urmare, încărcarea și descărcarea bateriilor are loc haotic, într-un mod non-optim.
Pentru ritmul modern al vieții, se dovedește a fi absolut inacceptabil ca bateriile să fie încărcate timp de câteva ore. De exemplu, cum vă imaginați că conduceți o distanță lungă într-un vehicul electric dacă o baterie descărcată vă ține blocat la punctul de încărcare timp de câteva ore? Viteza de încărcare a unei baterii este limitată de viteza proceselor chimice care au loc în aceasta. Puteți reduce timpul de încărcare la 1 oră, dar nu la câteva minute. În același timp, rata de încărcare a condensatorului este limitată doar de curentul maxim furnizat de încărcător.
Dezavantajele enumerate ale bateriilor au făcut să fie urgentă utilizarea condensatoarelor.
Folosind un strat dublu electric
Timp de multe decenii, condensatoarele electrolitice au avut cea mai mare capacitate. În ele, una dintre plăci era folie metalică, cealaltă era un electrolit, iar izolația dintre plăci era oxid metalic, care a acoperit folia. Pentru condensatoarele electrolitice, capacitatea poate ajunge la sutimi de farad, ceea ce nu este suficient pentru a înlocui complet bateria.
Capacitatea mare, măsurată în mii de faradi, poate fi obținută prin condensatoare bazate pe așa-numitul strat dublu electric. Principiul funcționării lor este următorul. Un strat dublu electric apare in anumite conditii la interfata substantelor in faza solida si lichida. Se formează două straturi de ioni cu sarcini de semne opuse, dar de aceeași mărime. Dacă simplificăm foarte mult situația, atunci se formează un condensator, ale cărui „plăci” sunt straturile indicate de ioni, distanța dintre care este egală cu mai mulți atomi.
Condensatorii bazați pe acest efect sunt uneori numiți ionistori. De fapt, acest termen nu se referă numai la condensatoarele în care este stocată sarcina electrică, ci și la alte dispozitive pentru stocarea energiei electrice - cu conversia parțială a energiei electrice în energie chimică împreună cu stocarea sarcinii electrice (ionistor hibrid), precum și pentru baterii pe bază de dublu strat electric (așa-numitele pseudocondensatoare). Prin urmare, termenul „supercondensatori” este mai potrivit. Uneori se folosește în schimb termenul identic „ultracondensator”.
Implementare tehnica
Supercondensatorul este format din două plăci de cărbune activ umplute cu electrolit. Între ele există o membrană care permite trecerea electrolitului, dar împiedică mișcarea fizică a particulelor de cărbune activ între plăci.
Trebuie remarcat faptul că supercondensatorii în sine nu au polaritate. Prin aceasta, ele diferă fundamental de condensatoarele electrolitice, care, de regulă, sunt caracterizate prin polaritate, nerespectarea acesteia duce la defectarea condensatorului. Cu toate acestea, polaritatea se aplică și supercondensatorilor. Acest lucru se datorează faptului că supercondensatorii părăsesc linia de asamblare din fabrică deja încărcată, iar marcajul indică polaritatea acestei încărcări.
Parametrii supercapacitorului
Capacitatea maximă a unui supercondensator individual, atinsă la momentul scrierii, este de 12.000 F. Pentru supercondensatoarele produse în masă, aceasta nu depășește 3.000 F. Tensiunea maximă admisă între plăci nu depășește 10 V. Pentru supercondensatoarele produse comercial, această cifră, de regulă, este cuprinsă între 2, 3 – 2,7 V. Tensiunea scăzută de funcționare necesită utilizarea unui convertor de tensiune cu funcție de stabilizator. Faptul este că în timpul descărcării, tensiunea de pe plăcile condensatorului se modifică într-o gamă largă. Construirea unui convertor de tensiune pentru a conecta sarcina și încărcătorul este o sarcină non-trivială. Să presupunem că trebuie să alimentați o sarcină de 60 W.
Pentru a simplifica luarea în considerare a problemei, vom neglija pierderile în convertorul de tensiune și stabilizatorul. Dacă lucrați cu o baterie obișnuită de 12 V, atunci electronica de control trebuie să poată rezista la un curent de 5 A. Astfel de dispozitive electronice sunt răspândite și ieftine. Dar o situație complet diferită apare atunci când se folosește un supercondensator, a cărui tensiune este de 2,5 V. Apoi, curentul care curge prin componentele electronice ale convertorului poate ajunge la 24 A, ceea ce necesită noi abordări ale tehnologiei circuitelor și o bază de elemente modernă. Tocmai complexitatea construirii unui convertor și stabilizator poate explica faptul că supercondensatorii, a căror producție în serie a început în anii 70 ai secolului XX, abia acum au început să fie utilizați pe scară largă într-o varietate de domenii.
Supercondensatorii pot fi conectați la baterii folosind conexiuni în serie sau paralele. În primul caz, tensiunea maximă admisă crește. În al doilea caz - capacitatea. Creșterea tensiunii maxime admise în acest fel este o modalitate de a rezolva problema, dar va trebui să plătiți pentru aceasta prin reducerea capacității.
Dimensiunile supercondensatoarelor depind în mod natural de capacitatea lor. Un supercondensator tipic cu o capacitate de 3000 F este un cilindru cu un diametru de aproximativ 5 cm și o lungime de 14 cm. Cu o capacitate de 10 F, un supercondensator are dimensiuni comparabile cu o unghie umană.
Supercondensatorii buni pot rezista la sute de mii de cicluri de încărcare-descărcare, depășind bateriile de aproximativ 100 de ori în acest parametru. Dar, ca și condensatorii electrolitici, supercondensatorii se confruntă cu problema îmbătrânirii din cauza scurgerii treptate a electrolitului. Până în prezent, nu s-au acumulat statistici complete cu privire la defecțiunea supercondensatorilor din acest motiv, dar conform datelor indirecte, durata de viață a supercondensatorilor poate fi estimată la aproximativ 15 ani.
Energia acumulată
Cantitatea de energie stocată într-un condensator, exprimată în jouli:
unde C este capacitatea, exprimată în faradi, U este tensiunea de pe plăci, exprimată în volți.
Cantitatea de energie stocată în condensator, exprimată în kWh, este:
Prin urmare, un condensator cu o capacitate de 3000 F cu o tensiune între plăci de 2,5 V este capabil să stocheze doar 0,0026 kWh. Cum se compară asta cu, de exemplu, o baterie litiu-ion? Dacă considerăm că tensiunea de ieșire este independentă de gradul de descărcare și egală cu 3,6 V, atunci o cantitate de energie de 0,0026 kWh va fi stocată într-o baterie litiu-ion cu o capacitate de 0,72 Ah. Din păcate, un rezultat foarte modest.
Aplicarea supercondensatorilor
Sistemele de iluminat de urgență sunt acolo unde utilizarea supercondensatoarelor în loc de baterii face o diferență reală. De fapt, tocmai această aplicație se caracterizează prin descărcare neuniformă. În plus, este de dorit ca lampa de urgență să fie încărcată rapid și ca sursa de alimentare de rezervă utilizată în ea să aibă o fiabilitate mai mare. O sursă de alimentare de rezervă bazată pe supercondensator poate fi integrată direct în lampa LED T8. Astfel de lămpi sunt deja produse de o serie de companii chineze.
După cum sa menționat deja, dezvoltarea supercondensatorilor se datorează în mare parte interesului față de sursele alternative de energie. Dar aplicarea practică este încă limitată la lămpile LED care primesc energie de la soare.
Utilizarea supercondensatorilor pentru pornirea echipamentelor electrice se dezvoltă activ.
Supercondensatorii sunt capabili să furnizeze cantități mari de energie într-o perioadă scurtă de timp. Prin alimentarea echipamentelor electrice la pornire de la un supercondensator, sarcinile de vârf pe rețeaua de energie pot fi reduse și, în cele din urmă, marja curentului de pornire poate fi redusă, realizând economii uriașe de costuri.
Prin combinarea mai multor supercondensatori într-o baterie, putem obține o capacitate comparabilă cu bateriile utilizate în vehiculele electrice. Dar această baterie va cântări de câteva ori mai mult decât bateria, ceea ce este inacceptabil pentru vehicule. Problema poate fi rezolvată folosind supercondensatori pe bază de grafen, dar în prezent există doar ca prototipuri. Cu toate acestea, o versiune promițătoare a celebrului Yo-mobile, alimentată doar de electricitate, va folosi ca sursă de energie supercondensatori de nouă generație, care sunt dezvoltați de oamenii de știință ruși.
Supercondensatorii vor beneficia și de înlocuirea bateriilor în vehiculele convenționale pe benzină sau diesel - utilizarea lor în astfel de vehicule este deja o realitate.
Între timp, cele mai de succes dintre proiectele implementate de introducere a supercondensatorilor pot fi considerate noile troleibuze de fabricație rusă care au apărut recent pe străzile Moscovei. Când alimentarea cu tensiune a rețelei de contact este întreruptă sau când colectoarele de curent „zboară”, troleibuzul poate călători cu o viteză mică (aproximativ 15 km/h) câteva sute de metri până la un loc în care nu va interfera cu traficul. pe drum. Sursa de energie pentru astfel de manevre este o baterie de supercondensatoare.
În general, deocamdată supercondensatorii pot înlocui bateriile doar în anumite „nișe”. Dar tehnologia se dezvoltă rapid, ceea ce ne permite să ne așteptăm că, în viitorul apropiat, domeniul de aplicare al supercondensatorilor se va extinde semnificativ.
Alexei Vasiliev
Supercondensatorii pot fi numiți cea mai strălucitoare dezvoltare din ultimii ani. În comparație cu condensatoarele convenționale, cu aceleași dimensiuni, acestea diferă ca capacitate cu trei ordine de mărime. Pentru aceasta, condensatorii și-au primit prefixul - „super”. Ele pot elibera cantități enorme de energie într-o perioadă scurtă de timp.
Sunt disponibile în diferite dimensiuni și forme: de la cele foarte mici, care se montează pe suprafața dispozitivelor, nu mai mari de o monedă, până la cele cilindrice și prismatice foarte mari. Scopul lor principal este de a duplica sursa principală (bateria) în cazul unei căderi de tensiune.
Sistemele electronice și electrice moderne, consumatoare de energie, impun cerințe mari asupra surselor de alimentare. Echipamentele emergente (de la camere digitale la dispozitive electronice portabile și transmisii pentru vehicule electrice) trebuie să stocheze și să furnizeze energia necesară.
Dezvoltatorii moderni rezolvă această problemă în două moduri:
- Folosind o baterie capabilă să furnizeze un impuls de curent ridicat
- Prin conectarea în paralel la baterie ca asigurare pentru supercondensatoare, de ex. soluție „hibridă”.
În acest din urmă caz, supercondensatorul acționează ca o sursă de energie atunci când tensiunea bateriei scade. Acest lucru se datorează faptului că bateriile au o densitate mare de energie și o densitate scăzută de putere, în timp ce supercondensatorii, dimpotrivă, se caracterizează prin densitate scăzută de energie, dar densitate mare de putere, adică ele furnizează curent de descărcare sarcinii. Conectând un supercondensator în paralel cu bateria, îl puteți utiliza mai eficient și, prin urmare, îi puteți prelungi durata de viață.
Unde se folosesc supercondensatorii?
Video: Testarea unui supercondensator 116.6F 15V (6* 700F 2.5V), în locul unei baterii de pornire într-o mașină
În sistemele electronice auto sunt folosite pentru pornirea motoarelor., reducând astfel sarcina bateriei. De asemenea, fac posibilă reducerea greutății prin reducerea schemelor de cablare. Ele sunt utilizate pe scară largă în mașinile hibride, unde generatorul este controlat de motorul cu ardere internă, iar un motor electric (sau motoare) conduc mașina, de exemplu. Supercondensatorul (cache-ul de energie) este folosit ca sursă de curent în timpul accelerației și mișcării și este „reîncărcat” în timpul frânării. Utilizarea lor este promițătoare nu numai în mașinile de pasageri, ci și în transportul urban, deoarece noul tip de condensatoare face posibilă reducerea consumului de combustibil cu 50% și reducerea emisiilor de gaze nocive în mediu cu 90%.
Încă nu pot înlocui complet bateria supercondensatorului, dar este doar o chestiune de timp. Folosirea unui supercondensator în loc de baterie nu este deloc fantastică. Dacă nanotehnologii de la Universitatea QUT urmează calea cea bună, atunci în viitorul apropiat acest lucru va deveni realitate. Panourile caroseriei care conțin cea mai recentă generație de supercondensatori vor putea acționa ca baterii. Angajații acestei universități au reușit să combine avantajele bateriilor litiu-ion și ale supercondensatorilor într-un dispozitiv nou. Noul supercondensator subțire, ușor și puternic este format din electrozi de carbon cu un electrolit situat între ei. Noul produs, potrivit oamenilor de știință, poate fi instalat oriunde în corp.
Datorită cuplului mare (cuplul de pornire), acestea pot îmbunătăți caracteristicile de pornire la temperaturi scăzute și pot extinde capacitățile sistemului de alimentare acum. Oportunitatea utilizării lor în sistemul de alimentare se explică prin faptul că timpul lor de încărcare/descărcare este de 5-60 de secunde. În plus, ele pot fi utilizate în sistemul de distribuție al unor dispozitive ale mașinii: solenoizi, sisteme de reglare a încuietorilor ușilor și pozițiile geamurilor.
Supercondensator DIY
Puteți face un supercondensator cu propriile mâini. Deoarece designul său constă dintr-un electrolit și electrozi, trebuie să decideți asupra materialului pentru acestea. Cuprul, oțelul inoxidabil sau alama sunt destul de potrivite pentru electrozi. Puteți lua, de exemplu, monede vechi de cinci copeci. Veți avea nevoie și de pudră de carbon (puteți cumpăra cărbune activ de la farmacie și măcinați). Apa obișnuită va funcționa ca un electrolit, în care trebuie să dizolvați sarea de masă (100:25). Soluția se amestecă cu pulbere de cărbune pentru a forma o consistență de chit. Acum trebuie aplicat într-un strat de câțiva milimetri pe ambii electrozi.
Tot ce rămâne este să alegeți o garnitură care să separe electrozii, prin porii cărora electrolitul va trece liber, dar pulberea de carbon va fi reținută. Fibra de sticlă sau cauciucul spumă sunt potrivite pentru aceste scopuri.
Electrozi – 1,5; acoperire cu carbon-electrolit – 2,4; garnitura - 3.
Puteți folosi o cutie de plastic ca carcasă, având anterior găuri în ea pentru firele lipite la electrozi. După ce au conectat firele la baterie, așteptăm ca designul „ionix” să se încarce, numit așa deoarece pe electrozi ar trebui să se formeze concentrații diferite de ioni. Este mai ușor să verificați încărcarea folosind un voltmetru.
Există și alte moduri. De exemplu, folosind hârtie de tablă (folie de staniu - înveliș de ciocolată), bucăți de tablă și hârtie cerată, pe care le puteți face singur tăind și scufundând benzi de hârtie absorbantă în parafină topită, dar nu fierbinte, timp de câteva minute. Lățimea benzilor ar trebui să fie de cincizeci de milimetri și lungimea de la două sute la trei sute de milimetri. După ce ați îndepărtat benzile din parafină, trebuie să răzuiți parafina cu partea contonată a unui cuțit.
Hârtia înmuiată cu parafină este pliată într-o formă de acordeon (ca în imagine). Pe ambele părți, în goluri sunt introduse foi de staniol, care corespund unei dimensiuni de 45x30 milimetri. După ce a pregătit astfel piesa de prelucrat, aceasta este pliată și apoi călcată cu un fier de călcat cald. Capetele staniolului rămase sunt conectate între ele din exterior. Pentru aceasta, puteți folosi plăci de carton și plăci de alamă cu cleme de tablă, la care conductoarele sunt ulterior lipite pentru ca condensatorul să poată fi lipit în timpul instalării.
Capacitatea condensatorului depinde de numărul de frunze de staniol. Este egal, de exemplu, cu o mie de picofarade atunci când se folosesc zece astfel de foi și două mii dacă numărul lor este dublat. Această tehnologie este potrivită pentru fabricarea de condensatoare cu o capacitate de până la cinci mii de picofarads.
Dacă este nevoie de o capacitate mare, atunci trebuie să aveți un vechi condensator de hârtie microfarad, care este o rolă de bandă constând din benzi de hârtie cerată, între care este așezată o bandă de folie de staniol.
Pentru a determina lungimea benzilor, utilizați formula:
l = 0,014 C/a, unde capacitatea condensatorului necesar în pF este C; lățimea dungilor în cm – a: lungimea în cm – 1.
După desfășurarea benzilor de lungimea necesară de pe vechiul condensator, tăiați folia de 10 mm pe toate părțile pentru a preveni conectarea plăcilor condensatorului între ele.
Banda trebuie înfășurată din nou, dar mai întâi prin lipirea firelor înțepenite pe fiecare bandă de folie. Structura este acoperită cu hârtie groasă deasupra, iar două fire de montare (dure) sunt sigilate pe marginile hârtiei care ies, la care cablurile de la condensator sunt lipite pe interiorul manșonului de hârtie (vezi figura). Ultimul pas este umplerea structurii cu parafină.
Avantajele supercondensatoarelor de carbon
Deoarece marșul vehiculelor electrice de pe glob nu poate fi ignorat astăzi, oamenii de știință lucrează la problema legată de cea mai rapidă încărcare a acestora. Apar multe idei, dar doar câteva sunt puse în practică. În China, de exemplu, o rută neobișnuită de transport urban a fost lansată în orașul Ningbo. Autobuzul care circulă pe el este alimentat de un motor electric, dar durează doar zece secunde pentru a se încărca. Pe el parcurge cinci kilometri si din nou, in timpul debarcarii/preluarii pasagerilor, reuseste sa se reincarce.
Acest lucru a devenit posibil datorită utilizării unui nou tip de condensatoare - carbon.
Condensatoare de carbon Ele pot rezista la aproximativ un milion de cicluri de reîncărcare și funcționează perfect în intervalul de temperatură de la minus patruzeci la plus șaizeci și cinci de grade. Ele returnează până la 80% din energie prin recuperare.
Au inaugurat o nouă eră în gestionarea energiei, reducând timpii de descărcare și încărcare la nanosecunde și reducând greutatea vehiculului. La aceste avantaje putem adăuga costuri reduse, deoarece metalele din pământuri rare și respectarea mediului nu sunt utilizate în producție.