Një superkondensator ose jonistor është një pajisje për ruajtjen e masave të energjisë; akumulimi i ngarkesës ndodh në kufirin midis elektrodës dhe elektrolitit. Vëllimi i energjisë së dobishme ruhet si një ngarkesë e tipit statik. Procesi i akumulimit zbret në ndërveprim me një tension konstant kur jonistori merr një ndryshim potencial në pllakat e tij. Zbatimi teknologjik, si dhe vetë ideja e krijimit të pajisjeve të tilla, u shfaq relativisht kohët e fundit, por ata arritën të merrnin përdorim eksperimental për të zgjidhur një numër të caktuar problemesh. Pjesa mund të zëvendësojë burimet aktuale me origjinë kimike, duke qenë një rezervë ose mjeti kryesor i furnizimit me energji elektrike në orë, kalkulatorë dhe mikroqarqe të ndryshme.
Dizajni elementar i një kondensatori përbëhet nga një pllakë, materiali për të cilin është petë, i kufizuar nga një substancë ndarëse e thatë. Jonistori përbëhet nga një numër kondensatorësh me një karikues të tipit elektrokimik. Për prodhimin e tij përdoren elektrolite speciale. Mbulesat mund të jenë të disa llojeve. Karboni i aktivizuar përdoret për prodhimin e veshjeve në shkallë të gjerë. Mund të përdoren gjithashtu oksidet e metaleve dhe materialet polimer me përçueshmëri të lartë. Për të arritur densitetin e kërkuar kapacitiv, rekomandohet përdorimi i materialeve të karbonit shumë poroz. Për më tepër, kjo qasje ju lejon të bëni një jonist me një kosto mbresëlënëse të ulët. Pjesë të tilla i përkasin kategorisë së kondensatorëve DLC, të cilët grumbullojnë ngarkesë në një ndarje të dyfishtë të formuar në pllakë.
Zgjidhja e projektimit, kur jonistori kombinohet me një bazë elektrolite uji, karakterizohet nga rezistencë e ulët e elementëve të brendshëm, ndërsa tensioni i ngarkesës është i kufizuar në 1 V. Përdorimi i përçuesve organikë garanton nivele tensioni rreth 2...3 V dhe rritja e rezistencës.
Qarqet elektronike funksionojnë me kërkesa më të larta energjie. Zgjidhja e këtij problemi është rritja e numrit të pikave të energjisë të përdorura. Jonistori është instaluar jo vetëm një, por në një sasi prej 3-4 copë, duke dhënë sasinë e kërkuar të ngarkesës.
Krahasuar me një bateri nikel-metal hidride, jonistori është i aftë të përmbajë një të dhjetën e rezervës së energjisë, ndërsa tensioni i tij bie në mënyrë lineare, duke përjashtuar zonat e shkarkimit planar. Këta faktorë ndikojnë në aftësinë për të mbajtur plotësisht ngarkesën në jonistor. Niveli i ngarkimit varet drejtpërdrejt nga qëllimi teknologjik i elementit.
Shumë shpesh, një jonist përdoret për të fuqizuar çipat e memories dhe përfshihet në qarqet e filtrave dhe filtrat zbutës. Ato gjithashtu mund të kombinohen me bateri të llojeve të ndryshme për të luftuar pasojat e rritjeve të papritura të rrymës: kur furnizohet një rrymë e ulët, jonistori rimbushet, përndryshe ai çliron një pjesë të energjisë, duke zvogëluar kështu ngarkesën e përgjithshme.
Një lugë gjelle karbon aktiv nga një farmaci, disa pika ujë të kripur, një pjatë kallaji dhe një kavanoz plastik me film fotografik. Është e mjaftueshme për të bërë Jonstor DIY, një kondensator elektrik, kapaciteti i të cilit është afërsisht i barabartë me kapacitetin elektrik ... të globit. Kavanoz Leyden.
Është e mundur që një nga gazetat amerikane të shkruante pikërisht për një pajisje të tillë në vitin 1777: “... Dr. Franklin ka shpikur një makinë në madhësinë e një kutie kruese dhëmbësh, e aftë për ta kthyer Katedralen e Shën Palit të Londrës në një grusht hiri. ” Megjithatë, gjërat e para së pari.
Njerëzimi ka përdorur energjinë elektrike për pak më shumë se dy shekuj, por fenomenet elektrike janë të njohura për njerëzit për mijëra vjet dhe nuk kanë pasur rëndësi praktike për një kohë të gjatë. Vetëm në fillim të shekullit të 18-të, kur shkenca u bë një argëtim në modë, shkencëtari gjerman Otto von Guericke krijoi një makinë "elektroforike" posaçërisht për kryerjen e eksperimenteve publike, me ndihmën e së cilës ai mori energji elektrike në sasi të padëgjuara më parë.
Makina përbëhej nga një top xhami, me të cilin fërkohej një copë lëkure ndërsa rrotullohej. Efekti i punës së saj ishte i madh: kërcitnin shkëndija, forcat e padukshme elektrike ua grisnin shallet e zonjave dhe u ngrinin flokët. Publiku ishte veçanërisht i befasuar nga aftësia e trupave për të grumbulluar ngarkesa elektrike.
Në vitin 1745, fizikani holandez nga Leiden Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) derdhi ujë në një kavanoz qelqi, futi një copë teli brenda, si një lule në një vazo dhe, duke e shtrënguar me kujdes me pëllëmbët e tij, e çoi në makinë elektrofore. Shishja mblodhi aq shumë energji elektrike sa një shkëndijë e ndritshme fluturoi nga copa e telit me një "ulërimë shurdhuese". Herën tjetër që shkencëtari preku telin me gisht, ai mori një goditje nga e cila humbi ndjenjat; Nëse nuk do të ishte për ndihmësin Kuneus, i cili mbërriti në kohë, çështja mund të kishte përfunduar me trishtim.
Kështu, u krijua një pajisje që mund të grumbullonte miliona herë më shumë ngarkesë se çdo trup i njohur në atë kohë. Quhej "kavanozi Leyden". Ishte një lloj kondensatori, një nga pllakat e të cilit ishin pëllëmbët e eksperimentuesit, dielektriku ishte mure qelqi dhe pllaka e dytë ishte uji.
Lajmi i shpikjes u përhap në të gjithë Evropën e ndritur. Kavanozi Leyden u përdor menjëherë për të edukuar mbretin francez Louis XV. Shfaqjet filluan. Në një nga eksperimentet që ranë në histori, një rrymë elektrike kaloi përmes një zinxhiri rojesh të kapur për dore. Kur goditi shkarkimi elektrik, të gjithë u hodhën si një, sikur të ishin gati të marshonin në ajër. Në një eksperiment tjetër, rryma kaloi përmes një zinxhiri prej 700 murgjsh...
Eksperimentet me kavanozin Leyden në Amerikë morën një drejtim më praktik. Në 1747, ato u krijuan nga një nga themeluesit e Shteteve të Bashkuara, Benjamin Franklin i përmendur tashmë. Atij i lindi ideja për ta mbështjellë kavanozin me letër kallaji dhe kapaciteti i tij u rrit shumë herë dhe puna u bë më e sigurt. Në eksperimentet me të, Franklin vërtetoi se një shkarkesë elektrike mund të gjenerojë nxehtësi dhe të ngrejë kolonën e merkurit në një termometër. Dhe duke e zëvendësuar kavanozin me një pjatë qelqi të mbuluar me fletë kallaji, Franklin mori një kondensator të sheshtë, shumë herë më të lehtë se edhe kavanoza Leyden që ai përmirësoi.
Historia hesht për një pajisje të aftë për të ruajtur aq shumë energji, saqë, siç shkruante gazeta, mund të përdoret për ta "shndërruar Katedralen e Shën Palit në një grumbull hiri", por kjo nuk do të thotë se B. Franklin nuk mund ta krijonte atë. .
Dhe këtu është koha për t'u kthyer se si të bëni Jonstor DIY. Nëse keni rezervuar gjithçka që ju nevojitet, uleni pllakën e kallajit në fund të kanaçes së filmit, pasi të keni bashkuar një copë teli të izoluar në të. Vendosni sipër një jastëk letre filtri, hidhni mbi të një shtresë karboni aktiv dhe pasi të keni derdhur ujë të kripur, mbulojeni “sanduiçin” me një elektrodë tjetër.
Diagrami i funksionimit të jonistorit.
Ju keni një kondensator elektrokimik - jonistor. Është interesante sepse në poret e grimcave të karbonit të aktivizuar shfaqet një e ashtuquajtur shtresë elektrike e dyfishtë - dy shtresa ngarkesash elektrike me shenja të ndryshme të vendosura afër njëra-tjetrës, domethënë një lloj kondensatori elektrokimik. Distanca midis shtresave llogaritet në angstrom (1 angstrom - 10-9 m). Dhe kapaciteti i një kondensatori, siç dihet, aq më i madh është distanca midis pllakave.
Për shkak të kësaj, rezerva e energjisë për njësi vëllimi në shtresën e dyfishtë është më e madhe se ajo e eksplozivit më të fuqishëm. Kjo Kavanoz Leyden!
Jonistori funksionon si më poshtë. Në mungesë të tensionit të jashtëm, kapaciteti i tij është i papërfillshëm. Por nën ndikimin e tensionit të aplikuar në polet e kondensatorit, shtresat ngjitur të qymyrit ngarkohen. Jonet e shenjës së kundërt në tretësirë nxitojnë drejt grimcave të qymyrit dhe formojnë një shtresë elektrike të dyfishtë në sipërfaqen e tyre.
Kondensator elektrokimik industrial (jonistor). Shtresa metalike e madhësisë së butonit strehon dy shtresa karboni aktiv, të ndara nga një ndarës poroz.
Skema se si ta bëni atë Jonstor DIY.
Diagrami i një jonistori shtëpiak të bërë nga një kavanoz plastik dhe karboni aktiv:
1 - elektroda e sipërme;
2 - telat lidhës;
3.5 - shtresa të karbonit aktiv të lagësht;
4 - copë litari ndarëse poroze;
6 - elektroda e poshtme;
7 - trupi.
Nëse një ngarkesë është e lidhur me polet e kondensatorit, atëherë ngarkesat e kundërta nga sipërfaqja e brendshme e grimcave të qymyrit do të kalojnë përgjatë telave drejt njëri-tjetrit, dhe jonet e vendosura në poret e tyre do të dalin jashtë.
Kjo eshte e gjitha. tani ju e kuptoni se si ta bëni atë Jonstor DIY.
Jonistorët modernë kanë një kapacitet prej dhjetëra e qindra faradësh. Kur shkarkohen, ato janë të afta të zhvillojnë fuqi të madhe dhe janë shumë të qëndrueshme. Për sa i përket rezervës së energjisë për njësi masë dhe njësi vëllimi, jonistët janë ende inferiorë ndaj baterive. Por nëse zëvendësoni karbonin e aktivizuar me nanotubat më të hollë të karbonit ose substanca të tjera përçuese elektrike, intensiteti i energjisë i jonstorit mund të bëhet jashtëzakonisht i madh.
Benjamin Franklin jetoi në një kohë kur nanoteknologjia as që mendohej, por kjo nuk do të thotë se nuk përdorej. Siç raportoi fituesi i çmimit Nobel në kimi, Robert Curie, kur bënin tehe nga çeliku i Damaskut, mjeshtrit e lashtë, pa e ditur, përdornin metoda të nanoteknologjisë. Çeliku i lashtë i damaskut mbeti gjithmonë i mprehtë dhe i qëndrueshëm falë përbërjes së veçantë të karbonit në strukturën metalike.
Një lloj nanomaterialesh, të tilla si rrjedhjet e bimëve të djegura që përmbajnë nanotuba, mund të përdoren nga Franklin për të krijuar një superkondensator. Sa prej jush e kuptoni se çfarë është? Kavanoz Leyden, dhe kush do të përpiqet ta bëjë atë?
Kërkesa për të zvogëluar madhësinë e komponentëve të radios duke rritur karakteristikat e tyre teknike çoi në shfaqjen e një numri të madh pajisjesh që përdoren kudo sot. Kjo ndikoi plotësisht në kondensatorët. Të ashtuquajturit jonistorë ose superkondensatorë janë elementë me një kapacitet të lartë (gama e këtij treguesi është mjaft e gjerë nga 0.01 në 30 farad) me një tension karikimi prej 3 deri në 30 volt. Për më tepër, madhësia e tyre është shumë e vogël. Dhe meqenëse tema e bisedës sonë është një jonist i bërë vetë, para së gjithash është e nevojshme të kuptojmë vetë elementin, domethënë çfarë është.
Karakteristikat e projektimit të jonistorit
Në thelb, ky është një kondensator i zakonshëm me një kapacitet të madh. Por jonistorët kanë një rezistencë të lartë, sepse elementi bazohet në një elektrolit. Kjo është e para. E dyta është tensioni i ulët i karikimit. Gjë është se në këtë superkondensator pllakat janë të vendosura shumë afër njëra-tjetrës. Kjo është pikërisht arsyeja e uljes së tensionit, por pikërisht për këtë rritet kapaciteti i kondensatorit.
Jonizuesit e fabrikës janë bërë nga materiale të ndryshme. Mbulesat zakonisht janë prej fletë metalike, e cila ndahet nga një substancë e thatë me një efekt ndarës. Për shembull, karboni i aktivizuar (për pllaka të mëdha), okside metalike, substanca polimere që kanë përçueshmëri të lartë elektrike.
Montimi i jonizuesit me duart tuaja
Montimi i një jonizuesi me duart tuaja nuk është gjëja më e lehtë, por gjithsesi mund ta bëni në shtëpi. Ka disa dizajne ku materiale të ndryshme janë të pranishme. Ne ofrojmë një prej tyre. Për ta bërë këtë do t'ju duhet:
- kavanoz kafeje metalike (50 g);
- karboni i aktivizuar, i cili shitet në barnatore, mund të zëvendësohet me elektroda të karbonit të grimcuar;
- dy rrathë pjatë bakri;
- leshi pambuku
Para së gjithash, ju duhet të përgatisni elektrolitin. Për ta bërë këtë, së pari duhet të shtypni karbonin e aktivizuar në pluhur. Më pas bëni një tretësirë të kripur, për të cilën duhet të shtoni 25 g kripë në 100 g ujë dhe përzieni të gjitha mirë. Më pas, pluhuri i karbonit të aktivizuar shtohet gradualisht në tretësirë. Sasia e tij përcaktohet nga konsistenca e elektrolitit, duhet të jetë aq i trashë sa stuko.
Pas së cilës elektroliti i përfunduar aplikohet në rrathët e bakrit (nga njëra anë). Ju lutemi vini re se sa më e trashë të jetë shtresa e elektrolitit, aq më i madh është kapaciteti i jonistorit. Dhe një gjë tjetër, trashësia e elektrolitit të aplikuar në të dy rrathët duhet të jetë e njëjtë. Pra, elektrodat janë gati, tani ato duhet të ndahen nga një material që do të kalonte rrymë elektrike, por nuk do të lejonte pluhurin e karbonit të kalojë. Për këtë, përdoret leshi i zakonshëm i pambukut, megjithëse ka shumë opsione këtu. Trashësia e shtresës së pambukut përcakton diametrin e kavanozit metalik të kafesë, domethënë, e gjithë struktura e elektrodës duhet të përshtatet rehat në të. Prandaj, në parim, do t'ju duhet të zgjidhni vetë dimensionet e elektrodave (rrathët e bakrit).
E tëra që mbetet është të lidhni vetë elektrodat me terminalet. Kjo është ajo, jonistori, i bërë me duart tuaja, dhe madje edhe në shtëpi, është gati. Ky dizajn nuk ka një kapacitet shumë të madh - jo më të lartë se 0.3 farad, dhe voltazhi i karikimit është vetëm një volt, por ky është një jonist i vërtetë. 
Përfundim mbi temën
Çfarë tjetër mund të thuhet për këtë element përveç kësaj? Nëse e krahasojmë atë, për shembull, me një bateri hidride nikel-metal, atëherë jonistori mund të mbajë lehtësisht një furnizim me energji elektrike deri në 10% të fuqisë së baterisë. Për më tepër, rënia e tensionit të tij ndodh në mënyrë lineare, dhe jo befas. Por niveli i ngarkesës së elementit varet nga qëllimi i tij teknologjik.
Njerëzit fillimisht përdorën kondensatorët për të ruajtur energjinë elektrike. Pastaj, kur inxhinieria elektrike shkoi përtej eksperimenteve laboratorike, u shpikën bateritë, të cilat u bënë mjeti kryesor i ruajtjes së energjisë elektrike. Por në fillim të shekullit të 21-të, përsëri propozohet përdorimi i kondensatorëve për të fuqizuar pajisjet elektrike. Sa e mundur është kjo dhe a do të bëhen më në fund bateritë një gjë e së kaluarës?
Arsyeja pse kondensatorët u zëvendësuan me bateri ishte për shkak të sasive dukshëm më të mëdha të energjisë elektrike që ata mund të ruajnë. Një arsye tjetër është se gjatë shkarkimit voltazhi në daljen e baterisë ndryshon shumë pak, kështu që një stabilizues i tensionit ose nuk kërkohet ose mund të jetë i një dizajni shumë të thjeshtë.
Dallimi kryesor midis kondensatorëve dhe baterive është se kondensatorët ruajnë drejtpërdrejt ngarkesën elektrike, ndërsa bateritë e shndërrojnë energjinë elektrike në energji kimike, e ruajnë atë dhe më pas e kthejnë energjinë kimike përsëri në energji elektrike.
Gjatë transformimeve të energjisë, një pjesë e saj humbet. Prandaj, edhe bateritë më të mira kanë një efikasitet jo më shumë se 90%, ndërsa për kondensatorët mund të arrijë 99%. Intensiteti i reaksioneve kimike varet nga temperatura, kështu që bateritë funksionojnë dukshëm më keq në mot të ftohtë sesa në temperaturën e dhomës. Përveç kësaj, reaksionet kimike në bateri nuk janë plotësisht të kthyeshme. Prandaj numri i vogël i cikleve të ngarkimit-shkarkimit (në rendin e mijërave, më shpesh jetëgjatësia e baterisë është rreth 1000 cikle ngarkimi-shkarkimi), si dhe "efekti i memories". Le të kujtojmë se "efekti i kujtesës" është se bateria duhet të shkarkohet gjithmonë në një sasi të caktuar të energjisë së akumuluar, atëherë kapaciteti i saj do të jetë maksimal. Nëse, pas shkarkimit, mbetet më shumë energji në të, atëherë kapaciteti i baterisë gradualisht do të ulet. "Efekti i kujtesës" është karakteristik për pothuajse të gjitha llojet e baterive të prodhuara në treg, përveç atyre acidike (përfshirë varietetet e tyre - xhel dhe AGM). Megjithëse përgjithësisht pranohet që bateritë litium-jon dhe litium-polimer nuk e kanë atë, në fakt e kanë edhe ato, thjesht manifestohet në një masë më të vogël se në llojet e tjera. Sa i përket baterive acide, ato shfaqin efektin e sulfimit të pllakave, i cili shkakton dëme të pakthyeshme në burimin e energjisë. Një nga arsyet është se bateria qëndron në një gjendje karikimi më pak se 50% për një kohë të gjatë.
Në lidhje me energjinë alternative, "efekti i kujtesës" dhe sulfimi i pllakave janë probleme serioze. Fakti është se furnizimi me energji nga burime të tilla si panelet diellore dhe turbinat me erë është i vështirë të parashikohet. Si rezultat, ngarkimi dhe shkarkimi i baterive ndodh në mënyrë kaotike, në një mënyrë jo optimale.
Për ritmin modern të jetës, rezulton të jetë absolutisht e papranueshme që bateritë të ngarkohen për disa orë. Për shembull, si e imagjinoni të vozitni një distancë të gjatë në një automjet elektrik nëse një bateri e ngordhur ju mban të mbërthyer në pikën e karikimit për disa orë? Shpejtësia e karikimit të një baterie është e kufizuar nga shpejtësia e proceseve kimike që ndodhin në të. Mund ta ulni kohën e karikimit në 1 orë, por jo në disa minuta. Në të njëjtën kohë, shkalla e karikimit të kondensatorit është e kufizuar vetëm nga rryma maksimale e ofruar nga ngarkuesi.
Disavantazhet e listuara të baterive e kanë bërë urgjente përdorimin e kondensatorëve.
Përdorimi i një shtrese elektrike të dyfishtë
Për shumë dekada, kondensatorët elektrolitikë kishin kapacitetin më të lartë. Në to, njëra prej pllakave ishte fletë metalike, tjetra ishte elektrolit dhe izolimi midis pllakave ishte oksid metali, i cili e mbulonte fletën. Për kondensatorët elektrolitikë, kapaciteti mund të arrijë të qindtat e faradit, gjë që nuk mjafton për të zëvendësuar plotësisht baterinë.
Kapaciteti i madh, i matur në mijëra faradë, mund të arrihet nga kondensatorët e bazuar në të ashtuquajturën shtresë elektrike të dyfishtë. Parimi i funksionimit të tyre është si më poshtë. Një shtresë elektrike e dyfishtë shfaqet në kushte të caktuara në ndërfaqen e substancave në fazën e ngurtë dhe të lëngshme. Formohen dy shtresa jonesh me ngarkesa me shenja të kundërta, por me të njëjtën madhësi. Nëse e thjeshtojmë shumë situatën, atëherë formohet një kondensator, "pllakat" e të cilit janë shtresat e treguara të joneve, distanca midis të cilave është e barabartë me disa atome.
Kondensatorët e bazuar në këtë efekt nganjëherë quhen jonistorë. Në fakt, ky term nuk i referohet vetëm kondensatorëve në të cilët ruhet ngarkesa elektrike, por edhe pajisje të tjera për ruajtjen e energjisë elektrike - me shndërrimin e pjesshëm të energjisë elektrike në energji kimike së bashku me ruajtjen e ngarkesës elektrike (jonistor hibrid), si dhe për bateritë e bazuara në shtresë elektrike të dyfishtë (të ashtuquajturit pseudokondensatorë). Prandaj, termi "superkondensator" është më i përshtatshëm. Ndonjëherë në vend të kësaj përdoret termi identik "ultrakondensator".
Zbatimi teknik
Superkondensatori përbëhet nga dy pllaka karboni aktiv të mbushura me elektrolit. Midis tyre ekziston një membranë që lejon elektrolitin të kalojë, por parandalon lëvizjen fizike të grimcave të karbonit të aktivizuar midis pllakave.
Duhet të theksohet se vetë superkondensatorët nuk kanë polaritet. Në këtë, ato ndryshojnë rrënjësisht nga kondensatorët elektrolitikë, të cilët, si rregull, karakterizohen nga polariteti, mosrespektimi i të cilit çon në dështimin e kondensatorit. Megjithatë, polariteti zbatohet edhe për superkondensatorët. Kjo për faktin se superkondensatorët largohen nga linja e montimit të fabrikës tashmë të ngarkuar, dhe shënimi tregon polaritetin e kësaj ngarkese.
Parametrat e superkondensatorit
Kapaciteti maksimal i një superkondensatori individual, i arritur në momentin e shkrimit, është 12,000 F. Për superkondensatorët e prodhuar në masë, ai nuk i kalon 3,000 F. Tensioni maksimal i lejuar midis pllakave nuk kalon 10 V. Për superkondensatorët e prodhuar komercialisht, kjo shifër, si rregull, qëndron brenda 2. 3 – 2.7 V. Tensioni i ulët i funksionimit kërkon përdorimin e një konverteri të tensionit me funksion stabilizues. Fakti është se gjatë shkarkimit, voltazhi në pllakat e kondensatorit ndryshon në një gamë të gjerë. Ndërtimi i një konverteri të tensionit për të lidhur ngarkesën dhe ngarkuesin është një detyrë jo e parëndësishme. Le të themi se duhet të fuqizoni një ngarkesë 60 W.
Për të thjeshtuar shqyrtimin e çështjes, ne do të neglizhojmë humbjet në konvertuesin e tensionit dhe stabilizuesin. Nëse jeni duke punuar me një bateri të rregullt 12 V, atëherë elektronika e kontrollit duhet të jetë në gjendje të përballojë një rrymë prej 5 A. Pajisje të tilla elektronike janë të përhapura dhe të lira. Por një situatë krejtësisht e ndryshme lind kur përdoret një superkondensator, voltazhi i të cilit është 2.5 V. Pastaj rryma që rrjedh nëpër komponentët elektronikë të konvertuesit mund të arrijë 24 A, gjë që kërkon qasje të reja në teknologjinë e qarkut dhe një bazë elementare moderne. Është pikërisht kompleksiteti i ndërtimit të një konverteri dhe stabilizuesi që mund të shpjegojë faktin se superkondensatorët, prodhimi serik i të cilëve filloi në vitet 70 të shekullit të 20-të, vetëm tani kanë filluar të përdoren gjerësisht në fusha të ndryshme.
Superkondensatorët mund të lidhen në bateri duke përdorur lidhje seri ose paralele. Në rastin e parë, tensioni maksimal i lejuar rritet. Në rastin e dytë - kapaciteti. Rritja e tensionit maksimal të lejuar në këtë mënyrë është një mënyrë për të zgjidhur problemin, por do të duhet të paguani për të duke zvogëluar kapacitetin.
Dimensionet e superkondensatorëve varen natyrshëm nga kapaciteti i tyre. Një superkondensator tipik me një kapacitet prej 3000 F është një cilindër me një diametër prej rreth 5 cm dhe një gjatësi prej 14 cm. Me një kapacitet prej 10 F, një superkondensator ka dimensione të krahasueshme me një thonjtë të njeriut.
Superkondensatorët e mirë mund të përballojnë qindra mijëra cikle ngarkimi-shkarkimi, duke tejkaluar bateritë me rreth 100 herë në këtë parametër. Por, si kondensatorët elektrolitikë, superkondensatorët përballen me problemin e plakjes për shkak të rrjedhjes graduale të elektrolitit. Deri më tani, nuk janë grumbulluar statistika të plota për dështimin e superkondensatorëve për këtë arsye, por sipas të dhënave indirekte, jeta e shërbimit të superkondensatorëve mund të vlerësohet afërsisht në 15 vjet.
Energjia e akumuluar
Sasia e energjisë së ruajtur në një kondensator, e shprehur në xhaul:
ku C është kapaciteti, i shprehur në farad, U është voltazhi në pllaka, i shprehur në volt.
Sasia e energjisë së ruajtur në kondensator, e shprehur në kWh, është:
Prandaj, një kondensator me një kapacitet 3000 F me një tension midis pllakave prej 2.5 V është i aftë të ruajë vetëm 0.0026 kWh. Si krahasohet kjo, për shembull, me një bateri litium-jon? Nëse marrim tensionin e daljes të tij të pavarur nga shkalla e shkarkimit dhe të barabartë me 3,6 V, atëherë një sasi energjie prej 0,0026 kWh do të ruhet në një bateri litium-jon me kapacitet 0,72 Ah. Mjerisht, një rezultat shumë modest.
Aplikimi i superkondensatorëve
Sistemet e ndriçimit të urgjencës janë ato ku përdorimi i superkondensatorëve në vend të baterive bën një ndryshim të vërtetë. Në fakt, është pikërisht ky aplikacion që karakterizohet nga shkarkimi i pabarabartë. Përveç kësaj, është e dëshirueshme që llamba e urgjencës të ngarkohet shpejt dhe që burimi i energjisë rezervë i përdorur në të të ketë besueshmëri më të madhe. Një furnizim me energji rezervë i bazuar në superkondensator mund të integrohet drejtpërdrejt në llambën LED T8. Llampa të tilla prodhohen tashmë nga një numër kompanish kineze.
Siç u përmend tashmë, zhvillimi i superkondensatorëve është kryesisht për shkak të interesit për burimet alternative të energjisë. Por zbatimi praktik është ende i kufizuar në llambat LED që marrin energji nga dielli.
Përdorimi i superkondensatorëve për të nisur pajisjet elektrike po zhvillohet në mënyrë aktive.
Superkondensatorët janë të aftë të japin sasi të mëdha energjie në një periudhë të shkurtër kohe. Duke fuqizuar pajisjet elektrike në nisje nga një superkondensator, ngarkesat maksimale në rrjetin elektrik mund të reduktohen dhe, në fund të fundit, diferenca e rrymës së hyrjes mund të reduktohet, duke arritur kursime të mëdha në kosto.
Duke kombinuar disa superkondensatorë në një bateri, ne mund të arrijmë një kapacitet të krahasueshëm me bateritë e përdorura në automjetet elektrike. Por kjo bateri do të peshojë disa herë më shumë se bateria, gjë që është e papranueshme për automjetet. Problemi mund të zgjidhet duke përdorur superkondensatorë me bazë grafeni, por ato aktualisht ekzistojnë vetëm si prototipe. Megjithatë, një version premtues i Yo-mobile-it të famshëm, i mundësuar vetëm nga energjia elektrike, do të përdorë si burim energjie superkondensatorë të gjeneratës së re, të cilët po zhvillohen nga shkencëtarët rusë.
Superkondensatorët do të përfitojnë gjithashtu nga zëvendësimi i baterive në automjetet konvencionale me benzinë ose naftë - përdorimi i tyre në automjete të tilla është tashmë një realitet.
Ndërkohë, më të suksesshmit nga projektet e zbatuara për futjen e superkondensatorëve mund të konsiderohen trolejbusët e rinj të prodhimit rus që u shfaqën së fundmi në rrugët e Moskës. Kur furnizimi me tension në rrjetin e kontaktit ndërpritet ose kur kolektorët e rrymës "fluturojnë", trolejbusi mund të udhëtojë me një shpejtësi të ulët (rreth 15 km/h) për disa qindra metra në një vend ku nuk do të ndërhyjë në trafik. ne rruge. Burimi i energjisë për manovra të tilla është një bateri superkondensatorësh.
Në përgjithësi, tani për tani superkondensatorët mund të zhvendosin bateritë vetëm në "kamera" të caktuara. Por teknologjia po zhvillohet me shpejtësi, gjë që na lejon të presim që në të ardhmen e afërt fusha e aplikimit të superkondensatorëve do të zgjerohet ndjeshëm.
Alexey Vasiliev
Superkondensatorët mund të quhen zhvillimi më i ndritshëm i viteve të fundit. Krahasuar me kondensatorët konvencionalë, me të njëjtat dimensione, ato ndryshojnë në kapacitet me tre renditje të madhësisë. Për këtë, kondensatorët morën prefiksin e tyre - "super". Ata mund të çlirojnë sasi të mëdha energjie në një periudhë të shkurtër kohe.
Ato janë në dispozicion në madhësi dhe forma të ndryshme: nga ato shumë të vogla, të cilat montohen në sipërfaqen e pajisjeve, me përmasa jo më të mëdha se një monedhë, deri te ato cilindrike dhe prizmatike shumë të mëdha. Qëllimi i tyre kryesor është të dyfishojnë burimin kryesor (baterinë) në rast të rënies së tensionit.
Sistemet moderne elektronike dhe elektrike me energji intensive vendosin kërkesa të larta për furnizimin me energji elektrike. Pajisjet në zhvillim (nga kamerat dixhitale te pajisjet elektronike të dorës dhe transmetimet e automjeteve elektrike) duhet të ruajnë dhe furnizojnë energjinë e nevojshme.
Zhvilluesit modernë e zgjidhin këtë problem në dy mënyra:
- Përdorimi i një baterie të aftë për të dhënë një puls të lartë të rrymës
- Duke u lidhur paralelisht me baterinë si sigurim për superkondensatorët, d.m.th. zgjidhje "hibride".
Në rastin e fundit, superkondensatori vepron si një burim energjie kur tensioni i baterisë bie. Kjo për faktin se bateritë kanë një densitet të lartë të energjisë dhe densitet të ulët të fuqisë, ndërsa superkondensatorët, përkundrazi, karakterizohen nga densitet i ulët i energjisë, por densitet i lartë i fuqisë, d.m.th. ato sigurojnë rrymë shkarkimi në ngarkesë. Duke lidhur një superkondensator paralelisht me baterinë, mund ta përdorni atë në mënyrë më efikase dhe, për rrjedhojë, të zgjasni jetën e tij të shërbimit.
Ku përdoren superkondensatorët?
Video: Prova e një superkondensatori 116.6F 15V (6* 700F 2.5V), në vend të një baterie fillestare në një makinë
Në sistemet elektronike të automobilave ato përdoren për të ndezur motorët., duke zvogëluar kështu ngarkesën në bateri. Ato gjithashtu bëjnë të mundur uljen e peshës duke reduktuar diagramet e instalimeve elektrike. Ato përdoren gjerësisht në makinat hibride, ku gjeneratori kontrollohet nga motori me djegie të brendshme, dhe një motor elektrik (ose motorë) drejton makinën, d.m.th. Superkondensatori (cache i energjisë) përdoret si burim rrymë gjatë përshpejtimit dhe lëvizjes, dhe "rimbushet" gjatë frenimit. Përdorimi i tyre është premtues jo vetëm në makinat e pasagjerëve, por edhe në transportin urban, pasi lloji i ri i kondensatorëve bën të mundur uljen e konsumit të karburantit me 50% dhe uljen e emetimit të gazrave të dëmshëm në mjedis me 90%.
Ende nuk mund ta zëvendësoj plotësisht baterinë e superkondensatorit, por është vetëm çështje kohe. Përdorimi i një superkondensatori në vend të një baterie nuk është aspak fantastike. Nëse nanoteknologët nga Universiteti QUT ndjekin rrugën e duhur, atëherë në të ardhmen e afërt kjo do të bëhet realitet. Panelet e trupit që përmbajnë gjeneratën e fundit të superkondensatorëve do të jenë në gjendje të veprojnë si bateri. Punonjësit e këtij universiteti arritën të kombinojnë avantazhet e baterive litium-jon dhe superkondensatorëve në një pajisje të re. Superkondensatori i ri i hollë, i lehtë dhe i fuqishëm përbëhet nga elektroda karboni me një elektrolit të vendosur midis tyre. Produkti i ri, sipas shkencëtarëve, mund të instalohet kudo në trup.
Falë çift rrotullues të lartë (çift rrotullues fillestar), ata mund të përmirësojnë karakteristikat e fillimit në temperatura të ulëta dhe të zgjerojnë aftësitë e sistemit energjetik tani. Përshtatshmëria e përdorimit të tyre në sistemin energjetik shpjegohet me faktin se koha e karikimit/shkarkimit të tyre është 5-60 sekonda. Përveç kësaj, ato mund të përdoren në sistemin e shpërndarjes së disa pajisjeve makinerike: solenoidet, sistemet e rregullimit të bllokimit të dyerve dhe pozicionet e xhamit të dritareve.
Superkondensator DIY
Ju mund të bëni një superkondensator me duart tuaja. Meqenëse dizajni i tij përbëhet nga një elektrolit dhe elektroda, ju duhet të vendosni për materialin për ta. Bakri, çelik inox ose bronzi janë mjaft të përshtatshme për elektroda. Ju mund të merrni, për shembull, monedha të vjetra me pesë kopekë. Do t'ju duhet gjithashtu pluhur karboni (mund të blini karbon të aktivizuar në farmaci dhe ta grini). Uji i zakonshëm do të jetë një elektrolit, në të cilin ju duhet të shpërndani kripën e tryezës (100:25). Zgjidhja përzihet me pluhur qymyri për të formuar një konsistencë stuko. Tani duhet të aplikohet në një shtresë prej disa milimetrash në të dy elektrodat.
Mbetet vetëm të zgjidhni një copë litari që ndan elektrodat, përmes poreve të së cilës elektroliti do të kalojë lirshëm, por pluhuri i karbonit do të mbahet. Tekstil me fije qelqi ose gome shkumë është e përshtatshme për këto qëllime.
Elektroda – 1,5; Veshje karbon-elektroliti – 2,4; copë litari - 3.
Ju mund të përdorni një kuti plastike si shtresë e jashtme, pasi të keni shpuar më parë vrima në të për telat e bashkuar me elektroda. Pasi kemi lidhur telat me baterinë, presim që të ngarkohet modeli "ionix", i quajtur kështu sepse në elektroda duhet të formohen përqendrime të ndryshme jonesh. Është më e lehtë të kontrollosh ngarkesën duke përdorur një voltmetër.
Ka mënyra të tjera. Për shembull, duke përdorur letrën e kallajit (fletë kallaji - mbështjellës çokollate), copa kallaji dhe letër të dylluar, të cilat mund t'i bëni vetë duke prerë dhe zhytur shirita letre të shkrirë në parafinë të shkrirë, por jo të zier për disa minuta. Gjerësia e shiritave duhet të jetë pesëdhjetë milimetra dhe gjatësia nga dyqind deri në treqind milimetra. Pasi të keni hequr shiritat nga parafina, duhet të gërvishtni parafinën me anën e hapur të një thike.
Letra e njomur me parafinë paloset në formë fizarmonike (si në foto). Në të dy anët, fletët e staniolit futen në boshllëqe, të cilat korrespondojnë me një madhësi prej 45x30 milimetra. Pasi përgatitet kështu pjesa e punës, ajo paloset dhe më pas hekuroset me një hekur të ngrohtë. Skajet e mbetura të staniolit janë të lidhura me njëri-tjetrin nga jashtë. Për këtë, mund të përdorni pllaka kartoni dhe pllaka bronzi me kapëse kallaji, në të cilat më vonë bashkohen përçuesit në mënyrë që kondensatori të mund të bashkohet gjatë instalimit.
Kapaciteti i kondensatorit varet nga numri i gjetheve të staniolit. Është e barabartë, për shembull, me një mijë pikofarad kur përdorni dhjetë fletë të tilla, dhe dy mijë nëse numri i tyre dyfishohet. Kjo teknologji është e përshtatshme për prodhimin e kondensatorëve me një kapacitet deri në pesë mijë pikofarad.
Nëse nevojitet një kapacitet i madh, atëherë duhet të keni një kondensator letre të vjetër mikrofarad, i cili është një rrotull shiriti i përbërë nga shirita letre të dylli, midis të cilave është hedhur një rrip me fletë staniol.
Për të përcaktuar gjatësinë e shiritave, përdorni formulën:
l = 0,014 C/a, ku kapaciteti i kondensatorit të kërkuar në pF është C; gjerësia e shiritave në cm – a: gjatësia në cm – 1.
Pasi të hiqni shiritat e gjatësisë së kërkuar nga kondensatori i vjetër, pritni fletë metalike 10 mm nga të gjitha anët për të parandaluar që pllakat e kondensatorit të lidhen me njëra-tjetrën.
Shiriti duhet të mbështillet përsëri, por së pari duke bashkuar telat e bllokuar në çdo rrip fletë metalike. Struktura është e mbuluar me letër të trashë në majë, dhe dy tela montimi (të forta) janë mbyllur në skajet e letrës që dalin, në të cilat telat nga kondensatori janë ngjitur në pjesën e brendshme të mëngës së letrës (shih figurën). Hapi i fundit është mbushja e strukturës me parafinë.
Përparësitë e superkondensatorëve të karbonit
Meqenëse marshimi i automjeteve elektrike në të gjithë planetin sot nuk mund të injorohet, shkencëtarët po punojnë për çështjen që lidhet me karikimin më të shpejtë të tyre. Shfaqen shumë ide, por vetëm disa vihen në praktikë. Në Kinë, për shembull, një rrugë e pazakontë transporti urban është nisur në qytetin e Ningbo. Autobusi që funksionon në të fuqizohet nga një motor elektrik, por nevojiten vetëm dhjetë sekonda për t'u ngarkuar. Në të, ai përshkon pesë kilometra dhe përsëri, gjatë zbarkimit/marrjes së pasagjerëve, arrin të rimbushet.
Kjo u bë e mundur falë përdorimit të një lloji të ri kondensatorësh - karboni.
Kondensatorët e karbonit Ata mund të përballojnë rreth një milion cikle rimbushjeje dhe të punojnë në mënyrë të përsosur në intervalin e temperaturës nga minus dyzet në plus gjashtëdhjetë e pesë gradë. Ata kthehen deri në 80% të energjisë përmes rikuperimit.
Ata futën në një epokë të re në menaxhimin e energjisë, duke reduktuar kohën e shkarkimit dhe karikimit në nanosekonda dhe duke reduktuar peshën e automjetit. Këtyre avantazheve mund t'u shtojmë kosto të ulët, pasi metalet e rralla të tokës dhe mirëdashësia mjedisore nuk përdoren në prodhim.