Superkondenzátor alebo ionistor je zariadenie na ukladanie energetických hmôt, na hranici medzi elektródou a elektrolytom dochádza k akumulácii náboja. Užitočný objem energie je uložený ako náboj statického typu. Proces akumulácie prichádza k interakcii s konštantným napätím, keď ionistor dostane potenciálny rozdiel na svojich doskách. Technologická implementácia, ako aj samotná myšlienka vytvorenia takýchto zariadení sa objavili relatívne nedávno, ale podarilo sa im experimentálne použiť na vyriešenie určitého počtu problémov. Súčiastka môže nahradiť prúdové zdroje chemického pôvodu ako záloha alebo hlavný zdroj napájania v hodinkách, kalkulačkách a rôznych mikroobvodoch.
Základnú konštrukciu kondenzátora tvorí platňa, ktorej materiálom je fólia, ohraničená suchou separačnou látkou. Ionistor pozostáva z niekoľkých kondenzátorov s nabíjačkou elektrochemického typu. Na jeho výrobu sa používajú špeciálne elektrolyty. Kryty môžu mať niekoľko druhov. Aktívne uhlie sa používa na výrobu veľkorozmerných obkladov. Môžu sa použiť aj oxidy kovov a polymérne materiály s vysokou vodivosťou. Na dosiahnutie požadovanej kapacitnej hustoty sa odporúča použiť vysoko porézne uhlíkové materiály. Okrem toho vám tento prístup umožňuje vyrobiť ionistor za pôsobivo nízku cenu. Takéto časti patria do kategórie kondenzátorov DLC, ktoré akumulujú náboj v dvojitom oddelení vytvorenom na platni.
Konštrukčné riešenie, kedy je ionistor kombinovaný s vodnou elektrolytickou bázou, sa vyznačuje nízkym odporom vnútorných prvkov, pričom nabíjacie napätie je obmedzené na 1 V. Použitie organických vodičov zaručuje napäťové úrovne cca 2...3 V a zvýšený odpor.
Elektronické obvody pracujú s vyššími energetickými nárokmi. Riešením tohto problému je zvýšenie počtu použitých napájacích bodov. Ionistor je inštalovaný nielen jeden, ale v množstve 3-4 kusov, čo dáva požadované množstvo náboja.
V porovnaní s nikel-metal hydridovou batériou je ionistor schopný obsiahnuť desatinu energetickej rezervy, pričom jeho napätie klesá lineárne, bez zón plošného výboja. Tieto faktory ovplyvňujú schopnosť plne udržať náboj v ionistore. Úroveň nabitia priamo závisí od technologického účelu prvku.
Pomerne často sa ionistor používa na napájanie pamäťových čipov a je súčasťou filtračných obvodov a vyhladzovacích filtrov. Môžu byť tiež kombinované s batériami rôznych typov na boj proti následkom náhlych prúdových skokov: pri dodávaní nízkeho prúdu sa ionistor dobije, inak uvoľní časť energie, čím sa zníži celková záťaž.
Polievková lyžica aktívneho uhlia z lekárne, pár kvapiek osolenej vody, pocínovaný tanier a plastový téglik s fotografickým filmom. Stačí urobiť DIY ionistor, elektrický kondenzátor, ktorého kapacita je približne rovnaká ako elektrická kapacita ... zemegule. Leydenská nádoba.
Je možné, že jeden z amerických novín v roku 1777 napísal práve o takomto zariadení: „... Dr. Franklin vynašiel stroj veľkosti puzdra na špáradlo, ktorý je schopný premeniť londýnsku katedrálu sv. Pavla na hrsť popola. “ Najprv však.
Ľudstvo využíva elektrinu niečo vyše dvoch storočí, no elektrické javy sú ľuďom známe už tisícky rokov a už dávno nemajú praktický význam. Až začiatkom 18. storočia, keď sa veda stala módnou zábavou, vytvoril nemecký vedec Otto von Guericke „elektroforický“ stroj špeciálne na vykonávanie verejných experimentov, pomocou ktorého získaval elektrinu v dovtedy neslýchaných množstvách.
Stroj pozostával zo sklenenej gule, o ktorú sa pri otáčaní obtieral kúsok kože. Účinok jej práce bol skvelý: iskry praskali, neviditeľné elektrické sily strhávali dámske šatky a vstávali vlasy dupkom. Verejnosť prekvapila najmä schopnosť tiel akumulovať elektrické náboje.
V roku 1745 holandský fyzik z Leidenu Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) nalial vodu do sklenenej nádoby, vložil do nej kúsok drôtu ako kvet vo váze a opatrne ho zovrel dlaňami a priniesol do elektroforový stroj. Fľaša nazbierala toľko elektriny, že z kusu drôtu vyletela jasná iskra s „ohlušujúcim revom“. Keď sa vedec nabudúce dotkol drôtu prstom, dostal úder, pri ktorom stratil vedomie; Nebyť asistenta Kuneusa, ktorý prišiel včas, záležitosť sa mohla skončiť smutne.
Vzniklo tak zariadenie, ktoré dokázalo akumulovať miliónkrát viac náboja, než ktorékoľvek vtedy známe teleso. Volalo sa to „Leydenská nádoba“. Bol to druh kondenzátora, ktorého jedna z dosiek bola dlaňami experimentátora, dielektrikom boli sklenené steny a druhou doskou bola voda.
Správa o vynáleze sa rozšírila po celej osvietenej Európe. Leydenská nádoba bola okamžite použitá na vzdelanie francúzskeho kráľa Ľudovíta XV. Začali sa predstavenia. Pri jednom z experimentov, ktoré sa zapísali do histórie, prešiel elektrický prúd reťazou strážcov, ktorí sa držali za ruky. Keď zasiahol elektrický výboj, všetci vyskočili ako jeden, akoby sa chystali pochodovať vo vzduchu. V inom experimente prešiel prúd cez reťaz 700 mníchov...
Experimenty s Leydenskou nádobou v Amerike nabrali praktickejší smer. V roku 1747 ich začal jeden zo zakladateľov USA, už spomínaný Benjamin Franklin. Prišiel s nápadom zabaliť nádobu do alobalu a jej kapacita sa mnohonásobne zvýšila a práca sa stala bezpečnejšou. Pri pokusoch s ním Franklin dokázal, že elektrický výboj môže vytvárať teplo a zvyšovať ortuťový stĺpec v teplomere. A nahradením nádoby sklenenou doskou pokrytou cínovou fóliou dostal Franklin plochý kondenzátor, mnohokrát ľahší ako dokonca aj Leydenská nádoba, ktorú vylepšil.
História mlčí o zariadení schopnom uchovať toľko energie, že, ako napísali noviny, by sa dalo použiť na „premenu Katedrály sv. Pavla na hromadu popola“, ale to neznamená, že by ho B. Franklin nedokázal vytvoriť .
A tu je čas vrátiť sa k tomu, ako to urobiť DIY ionistor. Ak máte na sklade všetko, čo potrebujete, po prispájkovaní kúska izolovaného drôtu spustite cínový plech na spodok plechovky. Na vrch položte podložku z filtračného papiera, nasypte na ňu vrstvu aktívneho uhlia a po naliatí slanou vodou prikryte váš „chlebíček“ ďalšou elektródou.
Schéma činnosti ionizátora.
Máte elektrochemický kondenzátor - ionistor. Je zaujímavé, že v póroch častíc aktívneho uhlia sa objavuje takzvaná dvojitá elektrická vrstva - dve vrstvy elektrických nábojov rôznych znakov umiestnené blízko seba, to znamená akýsi elektrochemický kondenzátor. Vzdialenosť medzi vrstvami sa počíta v angstromoch (1 angstrom - 10-9 m). A kapacita kondenzátora, ako je známe, čím väčšia, tým menšia je vzdialenosť medzi doskami.
Vďaka tomu je energetická rezerva na jednotku objemu v dvojitej vrstve väčšia ako pri najsilnejšej výbušnine. Toto Leydenská nádoba!
Ionistor funguje nasledovne. Pri absencii externého napätia je jeho kapacita zanedbateľná. Ale pod vplyvom napätia aplikovaného na póly kondenzátora sa nabijú susedné vrstvy uhlia. Ióny opačného znamienka v roztoku sa ponáhľajú k časticiam uhlia a vytvárajú na ich povrchu dvojitú elektrickú vrstvu.
Priemyselný elektrochemický kondenzátor (ionistor). Kovové puzdro veľkosti gombíka obsahuje dve vrstvy aktívneho uhlia oddelené poréznou vložkou.
Schéma ako na to DIY ionistor.
Schéma domáceho ionistora vyrobeného z plastovej nádoby a aktívneho uhlia:
1 - horná elektróda;
2 - spojovacie vodiče;
3,5 - vrstvy vlhkého aktívneho uhlia;
4 - porézne oddeľovacie tesnenie;
6 - spodná elektróda;
7 - telo.
Ak je k pólom kondenzátora pripojená záťaž, opačné náboje z vnútorného povrchu častíc uhlia budú prebiehať pozdĺž drôtov smerom k sebe a ióny umiestnené v ich póroch budú vychádzať.
To je všetko. teraz chápete, ako to urobiť DIY ionistor.
Moderné ionistory majú kapacitu desiatok a stoviek farád. Po vybití sú schopné vyvinúť veľkú silu a sú veľmi odolné. Pokiaľ ide o rezervu energie na jednotku hmotnosti a jednotku objemu, ionistory sú stále horšie ako batérie. Ale ak nahradíte aktívne uhlie najtenšími uhlíkovými nanorúrkami alebo inou elektricky vodivou látkou, energetická náročnosť ionistora môže byť fantasticky veľká.
Benjamin Franklin žil v dobe, kedy sa o nanotechnológii ani len neuvažovalo, to však neznamená, že sa nepoužívala. Ako uviedol nositeľ Nobelovej ceny za chémiu Robert Curie, pri výrobe čepelí z damaškovej ocele starí remeselníci, bez toho, aby o tom vedeli, používali nanotechnológie. Starodávna damašková oceľ zostala vždy ostrá a odolná vďaka špeciálnemu zloženiu uhlíka v kovovej konštrukcii.
Niektoré druhy nanomateriálov, ako napríklad zuhoľnatené stonky rastlín obsahujúce nanorúrky, by mohol použiť Franklin na vytvorenie superkondenzátora. Koľkí z vás chápu, čo to je? Leydenská nádoba a kto sa o to pokúsi?
Požiadavka na zmenšenie rozmerov rádiových komponentov pri súčasnom zvýšení ich technických charakteristík viedla k vzniku veľkého množstva zariadení, ktoré sa dnes všade používajú. To plne ovplyvnilo kondenzátory. Takzvané ionistory alebo superkondenzátory sú prvky s vysokou kapacitou (rozsah tohto indikátora je pomerne široký od 0,01 do 30 farad) s nabíjacím napätím 3 až 30 voltov. Okrem toho sú ich rozmery veľmi malé. A keďže predmetom nášho rozhovoru je kutilský ionistor, je potrebné v prvom rade pochopiť samotný prvok, teda čo to je.
Dizajnové vlastnosti ionistora
V podstate ide o obyčajný kondenzátor s veľkou kapacitou. Ale ionistory majú vysoký odpor, pretože prvok je založený na elektrolyte. Toto je prvé. Druhým je nízke nabíjacie napätie. Ide o to, že v tomto superkondenzátore sú dosky umiestnené veľmi blízko seba. To je práve dôvod zníženého napätia, ale práve z tohto dôvodu sa zvyšuje kapacita kondenzátora.
Továrenské ionizátory sú vyrobené z rôznych materiálov. Kryty sú zvyčajne vyrobené z fólie, ktorá je oddelená suchou látkou so separačným účinkom. Napríklad aktívne uhlie (pre veľké platne), oxidy kovov, polymérne látky, ktoré majú vysokú elektrickú vodivosť.
Zostavenie ionizátora vlastnými rukami
Zložiť si ionizátor vlastnými rukami nie je najjednoduchšie, ale aj tak to zvládnete aj doma. Existuje niekoľko návrhov, kde sú prítomné rôzne materiály. Ponúkame jeden z nich. K tomu budete potrebovať:
- kovová nádoba na kávu (50 g);
- aktívne uhlie, ktoré sa predáva v lekárňach, je možné nahradiť drvenými uhlíkovými elektródami;
- dva kruhy medeného plechu;
- vata
Najprv musíte pripraviť elektrolyt. Aby ste to dosiahli, musíte najskôr rozdrviť aktívne uhlie na prášok. Potom pripravte soľný roztok, do ktorého musíte pridať 25 g soli do 100 g vody a všetko dobre premiešajte. Potom sa do roztoku postupne pridáva prášok s aktívnym uhlím. Jeho množstvo je určené konzistenciou elektrolytu, mal by byť hustý ako tmel.
Potom sa hotový elektrolyt aplikuje na medené kruhy (na jednej strane). Upozorňujeme, že čím je vrstva elektrolytu hrubšia, tým má ionistor väčšiu kapacitu. A ešte jedna vec, hrúbka naneseného elektrolytu na dvoch kruhoch by mala byť rovnaká. Elektródy sú teda pripravené, teraz ich treba oddeliť materiálom, ktorý by prešiel elektrickým prúdom, ale nedovolil by prejsť uhlíkovým práškom. Na tento účel sa používa obyčajná vata, aj keď je tu veľa možností. Hrúbka bavlnenej vrstvy určuje priemer kovovej nádoby na kávu, to znamená, že celá táto elektródová štruktúra by sa do nej mala pohodlne zmestiť. Preto v zásade budete musieť vybrať rozmery samotných elektród (medené kruhy).
Zostáva len pripojiť samotné elektródy na svorky. To je všetko, ionistor vyrobený vlastnými rukami a dokonca aj doma je pripravený. Tento dizajn nemá príliš veľkú kapacitu - nie vyššiu ako 0,3 farada a nabíjacie napätie je iba jeden volt, ale je to skutočný ionistor. 
Záver k téme
Čo ešte možno povedať o tomto prvku navyše? Ak to porovnáme napríklad s nikel-metal hydridovou batériou, tak ionistor bez problémov pojme zásobu elektriny až do 10% výkonu batérie. Okrem toho sa jeho pokles napätia vyskytuje lineárne a nie náhle. Úroveň nabitia prvku však závisí od jeho technologického účelu.
Ľudia najskôr používali kondenzátory na skladovanie elektriny. Potom, keď elektrotechnika prekročila rámec laboratórnych experimentov, boli vynájdené batérie, ktoré sa stali hlavným prostriedkom na uchovávanie elektrickej energie. Ale na začiatku 21. storočia sa opäť navrhuje používať kondenzátory na napájanie elektrických zariadení. Ako je to možné a stanú sa batérie konečne minulosťou?
Dôvodom, prečo boli kondenzátory nahradené batériami, bolo podstatne väčšie množstvo elektriny, ktoré sú schopné akumulovať. Ďalším dôvodom je, že počas vybíjania sa napätie na výstupe batérie mení len veľmi málo, takže stabilizátor napätia buď nie je potrebný, alebo môže mať veľmi jednoduchú konštrukciu.
Hlavný rozdiel medzi kondenzátormi a batériami je v tom, že kondenzátory priamo ukladajú elektrický náboj, zatiaľ čo batérie premieňajú elektrickú energiu na chemickú energiu, ukladajú ju a potom premieňajú chemickú energiu späť na elektrickú energiu.
Pri energetických premenách sa časť z nej stráca. Preto aj tie najlepšie batérie majú účinnosť nie vyššiu ako 90%, zatiaľ čo pre kondenzátory môže dosiahnuť 99%. Intenzita chemických reakcií závisí od teploty, takže batérie fungujú v chladnom počasí výrazne horšie ako pri izbovej teplote. Navyše chemické reakcie v batériách nie sú úplne reverzibilné. Z toho vyplýva malý počet cyklov nabitia a vybitia (rádovo tisíce, najčastejšie je životnosť batérie okolo 1000 cyklov nabitia a vybitia), ako aj „pamäťový efekt“. Pripomeňme, že „pamäťový efekt“ spočíva v tom, že batéria musí byť vždy vybitá na určité množstvo naakumulovanej energie, potom bude jej kapacita maximálna. Ak v nej po vybití zostane viac energie, tak kapacita batérie bude postupne klesať. „Pamäťový efekt“ je charakteristický pre takmer všetky komerčne vyrábané typy batérií, okrem kyslých (vrátane ich odrôd - gél a AGM). Hoci sa všeobecne uznáva, že lítium-iónové a lítium-polymérové batérie ho nemajú, v podstate ho tiež majú, len sa to prejavuje v menšej miere ako u iných typov. Kyselinové batérie vykazujú efekt sulfatácie platní, čo spôsobuje nezvratné poškodenie zdroja energie. Jedným z dôvodov je, že batéria zostáva dlhodobo v stave nabitia pod 50 %.
Čo sa týka alternatívnej energie, „pamäťový efekt“ a sulfatácia platní sú vážnymi problémami. Faktom je, že dodávky energie zo zdrojov, ako sú solárne panely a veterné turbíny, je ťažké predpovedať. Výsledkom je, že nabíjanie a vybíjanie batérií prebieha chaoticky, v neoptimálnom režime.
Pre moderný rytmus života sa ukazuje ako absolútne neprijateľné, aby sa batérie museli nabíjať niekoľko hodín. Ako si napríklad predstavujete jazdu na dlhú vzdialenosť v elektromobile, ak vás vybitá batéria drží na mieste nabíjania niekoľko hodín? Rýchlosť nabíjania batérie je obmedzená rýchlosťou chemických procesov, ktoré v nej prebiehajú. Dobu nabíjania môžete skrátiť na 1 hodinu, ale nie na niekoľko minút. Zároveň je rýchlosť nabíjania kondenzátora obmedzená iba maximálnym prúdom poskytovaným nabíjačkou.
Uvedené nevýhody batérií spôsobili, že je naliehavé používať namiesto nich kondenzátory.
Použitie elektrickej dvojitej vrstvy
Po mnoho desaťročí mali najvyššiu kapacitu elektrolytické kondenzátory. V nich bola jedna z dosiek kovová fólia, druhá elektrolyt a izolácia medzi doskami bola z oxidu kovu, ktorý fóliu pokrýval. V prípade elektrolytických kondenzátorov môže kapacita dosiahnuť stotiny farada, čo nestačí na úplnú výmenu batérie.
Veľkú kapacitu, meranú v tisíckach farad, možno dosiahnuť kondenzátormi založenými na takzvanej elektrickej dvojvrstve. Princíp ich fungovania je nasledovný. Elektrická dvojvrstva vzniká za určitých podmienok na rozhraní látok v tuhej a kvapalnej fáze. Vytvárajú sa dve vrstvy iónov s nábojmi opačných znamienok, ale rovnakej veľkosti. Ak situáciu veľmi zjednodušíme, vytvorí sa kondenzátor, ktorého „dosky“ sú naznačené vrstvy iónov, pričom vzdialenosť medzi nimi sa rovná niekoľkým atómom.
Kondenzátory založené na tomto efekte sa niekedy nazývajú ionistory. V skutočnosti sa týmto pojmom neoznačujú len kondenzátory, v ktorých je uložený elektrický náboj, ale aj iné zariadenia na ukladanie elektriny - s čiastočnou premenou elektrickej energie na chemickú spolu s ukladaním elektrického náboja (hybridný ionistor), ako aj na batérie na báze dvojitej elektrickej vrstvy (tzv. pseudokondenzátory). Preto je vhodnejší termín „superkondenzátory“. Niekedy sa namiesto toho používa identický výraz „ultrakondenzátor“.
Technická realizácia
Superkondenzátor pozostáva z dvoch platní s aktívnym uhlím naplnených elektrolytom. Medzi nimi je membrána, ktorá umožňuje prechod elektrolytu, ale bráni fyzickému pohybu častíc aktívneho uhlia medzi doskami.
Treba poznamenať, že samotné superkondenzátory nemajú žiadnu polaritu. V tom sa zásadne líšia od elektrolytických kondenzátorov, ktoré sa spravidla vyznačujú polaritou, ktorej nedodržanie vedie k poruche kondenzátora. Polarita sa však aplikuje aj na superkondenzátory. Je to spôsobené tým, že superkondenzátory opúšťajú výrobnú montážnu linku už nabité a označenie označuje polaritu tohto náboja.
Parametre superkondenzátora
Maximálna kapacita jednotlivého superkondenzátora, dosiahnutá v čase písania článku, je 12 000 F. U sériovo vyrábaných superkondenzátorov nepresahuje 3 000 F. Maximálne prípustné napätie medzi doskami nepresahuje 10 V. Pre komerčne vyrábané superkondenzátory tento údaj sa spravidla pohybuje v rozmedzí 2. 3 – 2,7 V. Nízke prevádzkové napätie vyžaduje použitie meniča napätia s funkciou stabilizátora. Faktom je, že počas vybíjania sa napätie na doskách kondenzátora mení v širokom rozsahu. Zostrojenie meniča napätia na pripojenie záťaže a nabíjačky je netriviálna úloha. Povedzme, že potrebujete napájať 60W záťaž.
Pre zjednodušenie úvahy o problematike zanedbáme straty v meniči napätia a stabilizátore. Ak pracujete s bežnou 12 V batériou, potom musí riadiaca elektronika vydržať prúd 5 A. Takéto elektronické zariadenia sú rozšírené a lacné. Úplne iná situácia ale nastáva pri použití superkondenzátora, ktorého napätie je 2,5 V. Vtedy môže prúd pretekajúci elektronickými súčiastkami meniča dosiahnuť 24 A, čo si vyžaduje nové prístupy k obvodovej technike a modernú základňu prvkov. Práve zložitosť stavby meniča a stabilizátora môže vysvetliť fakt, že superkondenzátory, ktorých sériová výroba sa začala v 70. rokoch 20. storočia, sa až teraz začali vo veľkom využívať v rôznych oblastiach.
Superkondenzátory môžu byť zapojené do batérií pomocou sériového alebo paralelného zapojenia. V prvom prípade sa zvyšuje maximálne prípustné napätie. V druhom prípade - kapacita. Zvýšenie maximálneho povoleného napätia týmto spôsobom je jedným zo spôsobov, ako vyriešiť problém, ale budete za to musieť zaplatiť znížením kapacity.
Rozmery superkondenzátorov prirodzene závisia od ich kapacity. Typický superkondenzátor s kapacitou 3000 F je valec s priemerom asi 5 cm a dĺžkou 14 cm.S kapacitou 10 F má superkondenzátor rozmery porovnateľné s ľudským nechtom.
Dobré superkondenzátory dokážu vydržať státisíce cyklov nabíjania a vybíjania, pričom v tomto parametri prevyšujú batérie asi 100-krát. Ale podobne ako elektrolytické kondenzátory, aj superkondenzátory čelia problému starnutia v dôsledku postupného úniku elektrolytu. Doposiaľ neboli nazhromaždené kompletné štatistiky o poruchovosti superkondenzátorov z tohto dôvodu, ale podľa nepriamych údajov možno životnosť superkondenzátorov odhadnúť približne na 15 rokov.
Akumulovaná energia
Množstvo energie uloženej v kondenzátore vyjadrené v jouloch:
kde C je kapacita vyjadrená vo faradoch, U je napätie na doskách vyjadrené vo voltoch.
Množstvo energie uloženej v kondenzátore, vyjadrené v kWh, je:
Kondenzátor s kapacitou 3000 F s napätím medzi doskami 2,5 V je teda schopný uložiť iba 0,0026 kWh. Ako je to v porovnaní napríklad s lítium-iónovou batériou? Ak vezmeme jej výstupné napätie nezávislé od stupňa vybitia a rovná sa 3,6 V, potom sa v lítium-iónovej batérii s kapacitou 0,72 Ah uloží množstvo energie 0,0026 kWh. Bohužiaľ, veľmi skromný výsledok.
Aplikácia superkondenzátorov
V systémoch núdzového osvetlenia je použitie superkondenzátorov namiesto batérií skutočným rozdielom. V skutočnosti je to práve táto aplikácia, ktorá sa vyznačuje nerovnomerným vybíjaním. Okrem toho je žiaduce, aby sa núdzové svietidlo rýchlo nabilo a aby v ňom použitý záložný zdroj mal väčšiu spoľahlivosť. Záložný zdroj na báze superkondenzátora môže byť integrovaný priamo do LED lampy T8. Takéto svietidlá už vyrába množstvo čínskych spoločností.
Ako už bolo uvedené, vývoj superkondenzátorov je z veľkej časti spôsobený záujmom o alternatívne zdroje energie. Ale praktická aplikácia je stále obmedzená na LED lampy, ktoré prijímajú energiu zo slnka.
Použitie superkondenzátorov na spustenie elektrických zariadení sa aktívne rozvíja.
Superkondenzátory sú schopné dodať veľké množstvo energie v krátkom čase. Napájaním elektrického zariadenia pri štarte zo superkondenzátora možno znížiť špičkové zaťaženie elektrickej siete a v konečnom dôsledku možno znížiť rozpätie nábehového prúdu, čím sa dosiahnu obrovské úspory nákladov.
Spojením niekoľkých superkondenzátorov do batérie môžeme dosiahnuť kapacitu porovnateľnú s batériami používanými v elektromobiloch. Ale táto batéria bude vážiť niekoľkonásobne viac ako batéria, čo je pre vozidlá neprijateľné. Problém možno vyriešiť použitím superkondenzátorov na báze grafénu, tie však v súčasnosti existujú len ako prototypy. Sľubná verzia slávneho Yo-mobilu, poháňaná len elektrinou, však bude ako zdroj energie využívať superkondenzátory novej generácie, ktoré vyvíjajú ruskí vedci.
Superkondenzátorom prospeje aj výmena batérií v bežných benzínových či naftových vozidlách – ich použitie v takýchto vozidlách je už realitou.
Medzičasom za najúspešnejší z realizovaných projektov na zavedenie superkondenzátorov možno považovať nové trolejbusy ruskej výroby, ktoré sa nedávno objavili v uliciach Moskvy. Pri prerušení dodávky napätia do kontaktnej siete alebo pri „odletení zberačov prúdu“ môže trolejbus jazdiť nízkou rýchlosťou (asi 15 km/h) niekoľko stoviek metrov na miesto, kde nebude prekážať premávke. na ceste. Zdrojom energie pre takéto manévre je batéria superkondenzátorov.
Vo všeobecnosti môžu superkondenzátory v súčasnosti vytláčať batérie iba v určitých „výklenkoch“. Technológia sa však rýchlo rozvíja, čo nám umožňuje očakávať, že v blízkej budúcnosti sa rozsah použitia superkondenzátorov výrazne rozšíri.
Alexej Vasiliev
Superkondenzátory možno nazvať najjasnejším vývojom posledných rokov. Oproti bežným kondenzátorom s rovnakými rozmermi sa líšia kapacitou o tri rády. Na tento účel dostali kondenzátory svoju predponu - „super“. Za krátky čas dokážu uvoľniť obrovské množstvo energie.
Sú dostupné v rôznych veľkostiach a tvaroch: od veľmi malých, ktoré sa montujú na povrch zariadení, nie väčších ako minca, až po veľmi veľké valcové a hranolové. Ich hlavným účelom je duplikovať hlavný zdroj (batériu) v prípade poklesu napätia.
Energeticky náročné moderné elektronické a elektrické systémy kladú vysoké nároky na napájacie zdroje. Rozvíjajúce sa zariadenia (od digitálnych fotoaparátov po elektronické ručné zariadenia a prenosy elektrických vozidiel) potrebujú skladovať a dodávať potrebnú energiu.
Moderní vývojári riešia tento problém dvoma spôsobmi:
- Použitie batérie schopnej dodať vysoký prúdový impulz
- Paralelnym pripojením k batérii ako poistka pre superkondenzátory, t.j. „hybridné“ riešenie.
V druhom prípade funguje superkondenzátor ako zdroj energie pri poklese napätia batérie. Je to spôsobené tým, že batérie majú vysokú hustotu energie a nízku hustotu výkonu, zatiaľ čo superkondenzátory sa naopak vyznačujú nízkou hustotou energie, ale vysokou hustotou výkonu, t.j. poskytujú výbojový prúd záťaži. Zapojením superkondenzátora paralelne s batériou ho môžete využívať efektívnejšie, a tým predĺžiť jeho životnosť.
Kde sa používajú superkondenzátory?
Video: Test superkondenzátora 116,6F 15V (6* 700F 2,5V), namiesto štartovacej batérie v aute
V automobilových elektronických systémoch sa používajú na štartovanie motorov., čím sa zníži zaťaženie batérie. Umožňujú tiež znížiť hmotnosť znížením schém zapojenia. Široké využitie majú v hybridných automobiloch, kde je generátor riadený spaľovacím motorom a auto poháňa elektromotor (alebo motory), t.j. Superkondenzátor (energetická vyrovnávacia pamäť) sa používa ako zdroj prúdu pri zrýchľovaní a pohybe a pri brzdení sa „dobíja“. Ich využitie je perspektívne nielen v osobných automobiloch, ale aj v mestskej doprave, keďže nový typ kondenzátorov umožňuje znížiť spotrebu paliva o 50 % a znížiť emisie škodlivých plynov do životného prostredia o 90 %.
Batériu superkondenzátora ešte nemôžem úplne vymeniť, ale je to len otázka času. Použitie superkondenzátora namiesto batérie nie je vôbec fantastické. Ak nanotechnológovia z univerzity QUT pôjdu správnou cestou, v blízkej budúcnosti sa to stane realitou. Panely karosérie obsahujúce najnovšiu generáciu superkondenzátorov budú môcť fungovať ako batérie. Zamestnancom tejto univerzity sa podarilo spojiť výhody lítium-iónových batérií a superkondenzátorov v novom zariadení. Nový tenký, ľahký a výkonný superkondenzátor pozostáva z uhlíkových elektród s elektrolytom umiestneným medzi nimi. Nový produkt je podľa vedcov možné nainštalovať kdekoľvek v tele.
Vďaka vysokému krútiacemu momentu (rozbehovému krútiacemu momentu) dokážu zlepšiť štartovacie vlastnosti pri nízkych teplotách a teraz rozšíria možnosti hnacej sústavy. Vhodnosť ich použitia v napájacom systéme je vysvetlená skutočnosťou, že ich doba nabíjania/vybíjania je 5-60 sekúnd. Okrem toho môžu byť použité v distribučnom systéme niektorých strojových zariadení: solenoidy, systémy nastavenia zámku dverí a polohy okenných skiel.
DIY superkondenzátor
Superkondenzátor si môžete vyrobiť vlastnými rukami. Keďže jeho dizajn pozostáva z elektrolytu a elektród, musíte sa rozhodnúť pre materiál. Pre elektródy sú celkom vhodné meď, nehrdzavejúca oceľ alebo mosadz. Môžete si zobrať napríklad staré päťkopecké mince. Budete tiež potrebovať uhlíkový prášok (aktívny uhlík si môžete kúpiť v lekárni a pomlieť). Ako elektrolyt poslúži obyčajná voda, v ktorej treba rozpustiť kuchynskú soľ (100:25). Roztok sa zmieša s práškom z dreveného uhlia, aby sa vytvorila konzistencia tmelu. Teraz ho treba naniesť vo vrstve niekoľkých milimetrov na obe elektródy.
Zostáva len vybrať tesnenie, ktoré oddelí elektródy, cez ktorých póry bude elektrolyt voľne prechádzať, ale uhlíkový prášok zostane zachovaný. Na tieto účely je vhodné sklolaminát alebo penová guma.
Elektródy – 1,5; uhlík-elektrolytový povlak – 2,4; tesnenie - 3.
Ako puzdro môžete použiť plastovú škatuľu, do ktorej ste predtým vyvŕtali otvory pre drôty spájkované s elektródami. Po pripojení vodičov k batérii čakáme, kým sa nabije dizajn „ionix“, ktorý sa nazýva tak, že na elektródach by sa mali vytvárať rôzne koncentrácie iónov. Nabitie je jednoduchšie skontrolovať pomocou voltmetra.
Sú aj iné spôsoby. Napríklad pomocou plechového papiera (alobal - obal od čokolády), kúskov plechu a voskovaného papiera, ktorý si vyrobíte sami nastrihaním a ponorením prúžkov hodvábneho papiera na pár minút do roztopeného, nie však vriaceho parafínu. Šírka pásikov by mala byť päťdesiat milimetrov a dĺžka od dvesto do tristo milimetrov. Po odstránení prúžkov z parafínu je potrebné parafín zoškrabať tupou stranou noža.
Papier nasiaknutý parafínom je poskladaný do tvaru harmoniky (ako na obrázku). Na oboch stranách sú do medzier vložené staniolové plechy, ktoré zodpovedajú rozmeru 45x30 milimetrov. Takto pripravený obrobok sa zloží a potom vyžehlí teplou žehličkou. Zvyšné konce staniolu sú navzájom spojené zvonku. Na to môžete použiť kartónové dosky a mosadzné dosky s cínovými sponami, na ktoré sa neskôr pripájajú vodiče, aby sa kondenzátor dal prispájkovať pri inštalácii.
Kapacita kondenzátora závisí od počtu listov staniolu. Rovná sa to napríklad tisícke pikofarád pri použití desiatich takýchto listov a dvom tisíckam, ak sa ich počet zdvojnásobí. Táto technológia je vhodná na výrobu kondenzátorov s kapacitou do päťtisíc pikofaradov.
Ak je potrebná veľká kapacita, potom musíte mať starý mikrofaradový papierový kondenzátor, čo je rolka pásky pozostávajúca z pásikov voskovaného papiera, medzi ktorými je položený pásik staniolovej fólie.
Na určenie dĺžky pásikov použite vzorec:
l = 0,014 C/a, kde kapacita požadovaného kondenzátora v pF je C; šírka pruhov v cm – a: dĺžka v cm – 1.
Po odvinutí pásikov požadovanej dĺžky zo starého kondenzátora odrežte zo všetkých strán 10 mm fóliu, aby sa dosky kondenzátora navzájom nespájali.
Pásku je potrebné znova zvinúť, ale najskôr prispájkovaním lankových drôtov na každý pás fólie. Konštrukcia je na vrchu pokrytá hrubým papierom a na okrajoch papiera, ktoré vyčnievajú, sú nalepené dva montážne drôty (tvrdé), ku ktorým sú na vnútornej strane papierového puzdra prispájkované vývody z kondenzátora (pozri obrázok). Posledným krokom je naplnenie štruktúry parafínom.
Výhody uhlíkových superkondenzátorov
Keďže dnešný pochod elektrických vozidiel naprieč planétou nemožno ignorovať, vedci pracujú na probléme, ktorý súvisí s ich najrýchlejším nabíjaním. Vzniká veľa nápadov, no len málo z nich je realizovaných. Napríklad v Číne bola spustená nezvyčajná mestská dopravná trasa v meste Ningbo. Autobus, ktorý na ňom jazdí, poháňa elektromotor, no nabitie trvá len desať sekúnd. Na ňom prejde päť kilometrov a opäť sa pri vystupovaní/vyzdvihnutí pasažierov stihne dobiť.
To bolo možné vďaka použitiu nového typu kondenzátorov - uhlíkových.
Uhlíkové kondenzátory Vydržia asi milión nabíjacích cyklov a perfektne fungujú v rozmedzí teplôt od mínus štyridsať do plus šesťdesiatpäť stupňov. Rekuperáciou vrátia až 80 % energie.
Zahájili novú éru v správe napájania, skrátili časy vybíjania a nabíjania na nanosekundy a znížili hmotnosť vozidla. K týmto výhodám môžeme pridať nízke náklady, keďže pri výrobe sa nepoužívajú kovy vzácnych zemín a šetrnosť k životnému prostrediu.