Kondenzátor místo baterie | Publikace.

Energetika je nesmírně zajímavý obor, který se rozvíjí rychlým tempem již řadu let po sobě. Habr publikuje širokou škálu článků o alternativních zdrojích energie, bateriích od Muska, elektrických vozidlech atd.

Je tu ale jedno téma, o kterém se příliš často nemluví. Mluvíme o superkondenzátorech. Právě jim je věnován tento článek, odhaluje podstatu superkondenzátoru, oblasti jeho použití, plus popisuje případy z různých odvětví – průmysl, doprava atd., kde se tyto systémy používají.

Superkondenzátor, co jsi?

Všichni víme, co je baterie – je to zdroj konstantního výkonu omezený vybíjecím proudem. Baterie se dodávají ve velkých a malých velikostech a používají se v široké škále aplikací, od přepravy až po hračky.

Tento článek je ale o superkondenzátorech, takže je čas si o nich popovídat. Každý superkondenzátor je tedy zdrojem pulzního výkonu, nikoli konstantního výkonu. Je omezen pouze ekvivalentním vnitřním odporem, který umožňuje, aby prvek fungoval ve skutečnosti při zkratových proudech.

Zároveň je ale na rozdíl od baterie zdrojem krátkodobých, byť silných energetických pulzů. V souladu s tím se superkondenzátory používají tam, kde je potřeba vysoký výkon po krátkou dobu.

Superkondenzátory se také nazývají ionistory. Tyto prvky se obvykle skládají ze dvou elektrod ponořených v elektrolytu a separátoru. Ten je potřebný k zabránění pohybu náboje mezi dvěma elektrodami s opačnou polaritou.

Superkondenzátory mají dvě pozitivní vlastnosti: vysoký výkon a nízký vnitřní odpor, čímž se liší od kondenzátorů a baterií. Nejběžnějším materiálem elektrod superkondenzátoru je aktivní uhlík, který má dvě důležité vlastnosti, včetně velmi velkého povrchu a malé vzdálenosti mezi oddělenými náboji.

Dalším pozitivním bodem je dlouhá životnost a dlouhá životnost superkondenzátorů. To vše je způsobeno zvláštnostmi akumulace energie. Takže superkondenzátory fungují tak, že oddělují náboje. Tento proces je snadno reverzibilní, takže superkondenzátory mohou uvolnit energii opravdu rychle.

Nyní něco málo o definování vlastností superkondenzátorů. Na rozdíl od baterií, kde je hlavní charakteristikou kapacita měřená v ampérhodinách, u superkondenzátorů je to Farad. Zde je vzorec, který vám umožní určit energii superkondenzátoru:
Energie (J) = 1/2 * Kapacita (F) * Napětí na druhou (V)

Existuje několik typů superkondenzátorů:

• Dvouvrstvé nebo DSC.
• Pseudokondenzátory.
• Hybridní kondenzátory.

Ve druhém systém obsahuje dvě pevné elektrody a je založen na dvou mechanismech pro ukládání energie. Jedná se o Faradayovy procesy a elektrostatické interakce.

Třetí možností je přechod mezi kondenzátory a bateriemi. Elektrody jsou zde vyrobeny z různých materiálů a akumulace náboje se dosahuje různými mechanismy.

Kde lze superkondenzátory použít?

Zcela logická odpověď je v odvětvích, kde je potřeba uvolňovat energii rychle a ve velkém. Zejména to může být:

• Alternativní energie, skladování energie pomocí paliva, vln, větru a slunce.
• Dopravní systémy – může to být spouštění motoru automobilů, hybridních elektrických vozidel, lokomotiv atd.
• Akumulace energie v domácnostech – například tam, kde se využívají fotovoltaické články nebo větrné turbíny.
• Elektronická zařízení, kde se jako krátkodobý zdroj energie používají superkondenzátory.
• UPS – malé i velmi velké. V systémech nepřerušitelného napájení lze superkondenzátory použít ve spojení s palivovými články a jinými zdroji.
• Tradiční energetika v oblastech, kde jsou nevyhnutelné kritické zátěže, ale kde je vyžadován nepřetržitý provoz všeho. Mohou to být letiště, komunikační věže, nemocnice atd.
• Elektronická zařízení různých velikostí a výkonů.

Příklady

Je jich velké množství, které lze citovat, ale bylo by rozumné omezit se na tři nejvýraznější.

Pohon s proměnnou frekvencí. Zde jsou superkondenzátory potřeba pro poklesy napětí a krátkodobé výpadky proudu, ne více než 10 sekund. Takové pohony se používají v sekcích s nepřetržitým procesním cyklem ve výrobních zařízeních. Kromě toho by měly být superkondenzátory používány v podnicích a systémech, které zásobují zařízení plynem, vodou, teplem a energií atd. u kompresorových stanic, kotelen, čerpacích stanic atd.

Nepřerušitelný zdroj energie. Superkondenzátory v tomto případě umožňují kompenzovat poklesy napětí, které vedou k problémům s návazností technologických procesů. Zde se bavíme o velkých objektech včetně průmyslu a různých typů infrastruktury, jako je například doprava.

Superkondenzátory se používají zejména v závodě Škoda v České republice, konkrétně v robotické dílně na lakování karoserií automobilů. Pokud se proces lakování z jakéhokoli důvodu zastaví, tělo se bude muset vrátit na začátek cyklu.

Regulace výstupního výkonu větrných turbín. Velkým problémem alternativní energie je obtížnost udržení výstupního výkonu turbín na stejné úrovni. Čím vyšší je rychlost větru a čím silnější je samotný vítr, tím více energie vzniká. Čím nižší, respektive, tím méně energie. V důsledku toho se může výstupní výkon turbín měnit, a to velmi výrazně.

V tomto případě může superkondenzátor pomoci několika způsoby:

• Udržování napájení na stejné úrovni během krátkodobého výpadku proudu.
• Zajištění frekvenční a napěťové stabilizace v přenosových a distribučních sítích s vysokou koncentrací obnovitelných zdrojů energie.

Vyrábí se superkondenzátory v Rusku?

Ano, Habr před několika lety zveřejnil zprávu, že NUST MISIS vyvinul technologii, která tuzemské firmě otevřela možnost rozjet výrobu superkondenzátorů.

V roce 2017 tak společnost TEEMP zahájila výrobu vysoce účinných superkondenzátorů a modulů na nich založených v Chimki. Navíc se jedná o čistě ruský vývoj. TEEMP mimochodem vyrábí ploché jednotlivé prvky v laminovaném pouzdře, které lze použít v chemických zdrojích energie s organickými elektrolyty: superkondenzátory, lithium-iontové baterie, zdroje kov-vzduch.

TEEMP zároveň vyrábí články vlastního patentovaného designu – prizmatický článek s odběrem proudu po celém svém povrchu. A to ne proto, aby byla na odiv jeho jedinečnost, ale čistě z praktického hlediska – odběr proudu rozložený po celé ploše zajišťuje rovnoměrnost tepelných polí, čímž zpomaluje proces degradace a prodlužuje životnost superkondenzátoru.

Produkty TEEMP jsou v mnoha ohledech jedinečné. Superkondenzátorové moduly společnosti úspěšně fungují při teplotách až -60 °C. Vyznačují se nízkým vnitřním odporem, což znamená, že jsou schopny poskytovat vysoké pulzní proudy. Vlastní konstrukce článků a modulů nám umožňuje snížit hmotnost a velikost sestavy superkondenzátoru o 30 % ve srovnání s podobnými zařízeními.

V suchém zbytku

Závěrem lze shrnout naznačení výhod a nevýhod superkondenzátorů. Některé z nich byly zmíněny výše, ale nyní stojí za to je všechny uvést samostatně.

• Relativně nízké náklady na zařízení pro ukládání energie na 1 Farad.
• Extrémně vysoká hustota výkonu.
• Vysoká účinnost cyklu, dosahující 95 % a vyšší.
• Spolehlivost, dlouhá životnost.
• Široký rozsah provozních teplot.
• Obrovské množství cyklů s konstantními parametry.
• Vysoká rychlost nabíjení a vybíjení.
• Umožňuje vybití až na nulu.
• Relativně nízká hmotnost.

• Relativně nízká hustota energie.
• Vysoká rychlost samovybíjení. Nízké napětí na jednotku prvku.

K ukládání elektrické energie lidé nejprve používali kondenzátory. Později, když elektrotechnika přesáhla laboratorní experimenty, byly vynalezeny baterie, které se staly hlavním prostředkem pro ukládání elektrické energie. Ale na začátku 21. století se opět navrhuje používat k napájení elektrických zařízení kondenzátory. Jak je to možné a stanou se baterie konečně minulostí?

Důvod, proč byly kondenzátory nahrazeny bateriemi, byl způsoben mnohem větším množstvím elektrické energie, které mohly akumulovat. Dalším důvodem je, že při vybíjení se napětí na výstupu baterie mění jen velmi málo, takže stabilizátor napětí buď není potřeba, nebo může mít velmi jednoduchou konstrukci.

Hlavní rozdíl mezi kondenzátory a bateriemi je v tom, že kondenzátory přímo ukládají elektrický náboj, zatímco baterie přeměňují elektrickou energii na chemickou energii, ukládají ji a poté přeměňují chemickou energii zpět na elektrickou energii.

Během přeměn energie se část z nich ztrácí. Proto i ty nejlepší baterie mají účinnost maximálně 90 %, zatímco kondenzátory mohou dosáhnout 99 %. Intenzita chemických reakcí závisí na teplotě, takže baterie fungují v chladném počasí znatelně hůře než při pokojové teplotě. Navíc chemické reakce v bateriích nejsou plně vratné. To má za následek malý počet cyklů nabití-vybití (řádově několik tisíc, nejčastěji je životnost baterie asi 1000 cyklů nabití-vybití) a také „paměťový efekt“. Připomeňme, že „paměťový efekt“ spočívá v tom, že baterie musí být vždy vybita na určité množství akumulované energie, pak bude její kapacita maximální. Pokud v ní po vybití zbude více energie, bude kapacita baterie postupně klesat. „Paměťový efekt“ je charakteristický pro téměř všechny sériově vyráběné typy baterií, s výjimkou kyselých baterií (včetně jejich odrůd – gelové a AGM). Ačkoli se obecně má za to, že lithium-iontové a lithium-polymerové baterie tento problém nemají, ve skutečnosti jej mají, ale je méně výrazný než u jiných typů. Kyselé baterie vykazují účinek sulfatace desek, což způsobuje nevratné poškození zdroje energie. Jedním z důvodů je, že baterie zůstává po dlouhou dobu ve stavu nabití nižším než 50 %.

V souvislosti s alternativní energií jsou „paměťový efekt“ a sulfatace desek vážnými problémy. Faktem je, že dodávky energie ze zdrojů, jako jsou solární panely a větrné turbíny, je obtížné předvídat. V důsledku toho nabíjení a vybíjení baterií probíhá chaoticky, v neoptimálním režimu.

Pro moderní tempo života je absolutně nepřijatelné, aby se baterie musely nabíjet několik hodin. Jak si například představujete jízdu elektromobilem na dlouhé vzdálenosti, když vás vybitá baterie nechá hodiny čekat na nabíjecím místě? Rychlost nabíjení baterie je omezena rychlostí chemických procesů, které v ní probíhají. Dobu nabíjení můžete zkrátit na 1 hodinu, ale ne na několik minut. Rychlost nabíjení kondenzátoru je přitom omezena pouze maximálním proudem poskytovaným nabíječkou.

Uvedené nevýhody baterií způsobily, že je vhodné místo nich používat kondenzátory.

Použití elektrické dvouvrstvy

Po mnoho desetiletí měly elektrolytické kondenzátory nejvyšší kapacitu. V nich byla jedna z desek kovová fólie, druhá byl elektrolyt a izolace mezi deskami byl oxid kovu, který fólii pokrýval. Elektrolytické kondenzátory mohou mít kapacitu až setin farada, což nestačí k plné výměně baterie.

Porovnání návrhů různých typů kondenzátorů (Zdroj: Wikipedia)

Velké kapacity, měřené v tisících farad, lze dosáhnout pomocí kondenzátorů na bázi tzv. dvojité elektrické vrstvy. Princip jejich fungování je následující. Dvojitá elektrická vrstva vzniká za určitých podmínek na rozhraní látek v pevné a kapalné fázi. Vzniknou dvě vrstvy iontů s náboji opačného znaménka, ale stejné velikosti. Pro značné zjednodušení situace je vytvořen kondenzátor, jehož „desky“ jsou naznačené vrstvy iontů, jejichž vzdálenost je rovna několika atomům.

Superkondenzátory různých kapacit vyráběné firmou Maxwell

Kondenzátory založené na tomto efektu se někdy nazývají superkondenzátory. Ve skutečnosti se tento termín vztahuje nejen na kondenzátory, které akumulují elektrický náboj, ale i na další zařízení pro ukládání elektrické energie – s částečnou přeměnou elektrické energie na energii chemickou spolu s akumulací elektrického náboje (hybridní superkondenzátor), stejně jako pro baterie na bázi dvojité elektrické vrstvy (tzv. pseudokondenzátory). Proto je vhodnější termín „superkondenzátory“. Někdy se místo toho používá identický termín „ultracapacitor“.

Technická realizace

Superkondenzátor se skládá ze dvou desek z aktivního uhlí naplněných elektrolytem. Mezi nimi je membrána, která umožňuje průchod elektrolytu, ale brání fyzickému pohybu částic aktivního uhlí mezi deskami.

Je třeba poznamenat, že samotné superkondenzátory nemají polaritu. Tím se zásadně liší od elektrolytických kondenzátorů, které se zpravidla vyznačují polaritou, jejíž nedodržení vede k poruše kondenzátoru. Superkondenzátory však mají také označení polarity. To je způsobeno skutečností, že superkondenzátory vycházejí z továrního dopravníku již nabité a označení označuje polaritu tohoto náboje.

Parametry superkondenzátorů

Maximální kapacita jednoho superkondenzátoru, dosažená v době psaní tohoto článku, je 12000 3000 F. U sériově vyráběných superkondenzátorů nepřesahuje 10 2,3 F. Maximální přípustné napětí mezi deskami nepřesahuje 2,7 V. U sériově vyráběných superkondenzátorů je tento údaj obvykle v rozsahu 60. převodník s provozním napětím XNUMX s funkcí stabilizace. Faktem je, že během vybíjení se napětí na deskách kondenzátoru mění v širokých mezích. Vytvoření měniče napětí pro připojení zátěže a nabíječky je netriviální úkol. Předpokládejme, že potřebujete napájet XNUMXW zátěž.

Pro zjednodušení úvahy o problematice zanedbáme ztráty v měniči napětí a stabilizátoru. Pokud pracujete s běžnou 12V baterií, musí řídící elektronika zvládnout 5A. Taková elektronická zařízení jsou běžně dostupná a levná. Zcela jiná situace ale nastává při použití superkondenzátoru, na kterém je napětí 2,5 V. Pak může proud protékající elektronickými součástkami měniče dosáhnout 24 A, což vyžaduje nové přístupy k obvodové technice a moderní základnu prvků. Právě složitost konstrukce měniče a stabilizátoru může vysvětlit skutečnost, že superkondenzátory, jejichž sériová výroba začala v 70. letech XNUMX. století, se teprve nyní začaly široce využívat v nejrůznějších oborech.

Schematické schéma zdroje nepřerušitelného napájení
napětí na superkondenzátorech jsou implementovány hlavní jednotky
na jednom mikroobvodu vyrobeném společností LinearTechnology

Superkondenzátory lze do baterií zapojit pomocí sériového nebo paralelního zapojení. V prvním případě se zvýší maximální přípustné napětí. V druhém případě – kapacita. Zvýšení maximálního povoleného napětí tímto způsobem je jedním ze způsobů, jak problém vyřešit, ale bude to za cenu snížení kapacity.

Velikost superkondenzátorů přirozeně závisí na jejich kapacitě. Typický superkondenzátor 3000 F je válec o průměru asi 5 cm a délce 14 cm Při 10 F má superkondenzátor velikost lidského nehtu.

Dobré superkondenzátory vydrží statisíce cyklů nabití a vybití, čímž předčí baterie v tomto parametru přibližně 100krát. Ale stejně jako elektrolytické kondenzátory se superkondenzátory potýkají s problémem stárnutí v důsledku postupného úniku elektrolytu. Zatím neexistují kompletní statistiky o poruchovosti superkondenzátorů z tohoto důvodu, ale na základě nepřímých údajů lze životnost superkondenzátorů odhadnout zhruba na 15 let.

Akumulovaná energie

Množství energie uložené v kondenzátoru, vyjádřené v joulech:

E = CU 2 /2,
kde C je kapacita vyjádřená ve faradech, U je napětí na deskách vyjádřené ve voltech.

Množství energie uložené v kondenzátoru, vyjádřené v kWh, je:

W = CU 2 /7200000

Kondenzátor s kapacitou 3000 F a napětím mezi deskami 2,5 V je tedy schopen uložit pouze 0,0026 kWh. Jak se to dá srovnat například s lithium-iontovou baterií? Pokud budeme jeho výstupní napětí brát jako nezávislé na stupni vybití a rovné 3,6 V, pak se množství energie 0,0026 kWh uloží do lithium-iontové baterie o kapacitě 0,72 Ah. Výsledek je bohužel velmi skromný.

Aplikace superkondenzátorů

Systémy nouzového osvětlení jsou jedním z míst, kde může použití superkondenzátorů místo baterií poskytnout významné výhody. Ve skutečnosti je to právě pro tuto aplikaci charakteristické nerovnoměrné vybíjení. Kromě toho je žádoucí, aby se nouzové světlo dalo rychle nabít a aby záložní zdroj energie v něm použitý byl vysoce spolehlivý. Záložní zdroj superkondenzátoru lze zabudovat přímo do LED lampy T8. Takové lampy již vyrábí řada čínských společností.

LED vnitřní světlo s napájecím zdrojem
ze solárních panelů, akumulace energie
ve kterém se provádí v superkondenzátoru

Jak již bylo uvedeno, vývoj superkondenzátorů do značné míry souvisí se zájmem o alternativní zdroje energie. Ale praktická aplikace je stále omezena na LED lampy, které přijímají energii ze slunce.

Aktivně se rozvíjí využití superkondenzátorů pro spouštění elektrických zařízení.

Superkondenzátory jsou schopny dodat velké množství energie v krátkém časovém období. Napájením elektrického zařízení v okamžiku spouštění ze superkondenzátoru je možné snížit špičkové zatížení elektrické sítě a v konečném důsledku snížit rezervu pro rozběhové proudy, čímž se dosáhne obrovských úspor nákladů.

Zapojením několika superkondenzátorů do baterie můžeme dosáhnout kapacity srovnatelné s bateriemi používanými v elektromobilech. Tato baterie však bude vážit několikrát více než baterie, což je pro vozidla nepřijatelné. Problém lze vyřešit pomocí superkondenzátorů na bázi grafenu, ty však v současnosti existují pouze jako prototypy. Slibná verze slavného „Yo-mobilu“, která běží pouze na elektřinu, však bude jako zdroj energie využívat superkondenzátory nové generace, které vyvíjejí ruští vědci.

Superkondenzátory také přinesou výhody při výměně baterií v běžných benzinových nebo naftových autech – jejich použití v takových vozidlech je již realitou.

Za nejúspěšnější z realizovaných projektů zavedení superkondenzátorů lze prozatím považovat nové trolejbusy ruské výroby, které nedávno vyjely do ulic Moskvy. Při přerušení dodávky napětí do kontaktní sítě nebo při „odlétnutí sběračů proudu“ může trolejbus jet nízkou rychlostí (cca 15 km/h) několik set metrů do místa, kde nebude překážet provozu na silnici. Zdrojem energie pro takové manévry je baterie superkondenzátorů.

Obecně mohou superkondenzátory prozatím nahradit baterie pouze v určitých „výklencích“. Technologie se ale rychle vyvíjí, což nám umožňuje očekávat, že v blízké budoucnosti se rozsah použití superkondenzátorů výrazně rozšíří.

Alexej Vasiljev

👉 Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki