Суперконденсатор предназначен для установки в легковые автомобили различных типов, это современный источник для накопления и выдачи импульсной энергии в нужный момент. Эта энергия может использоваться как для запуска двигателя при севшем или замерзшем аккумуляторе, так и для стабилизации напряжения бортовой сети автомобиля.
Модули Titan позволяют:
- выдавать необходимое напряжения для запуска двигателя при низких температурах (до -40°С);
- осуществлять запуск ДВС при разряженном аккумуляторе, который не способен обеспечить пусковой ток, но обладает достаточной энергией для заряда суперконденсаторного модуля;
- завести двигатель на замерзшей или разряженной предпусковым подогревателем АКБ;
- выдавать нужное количество импульсной энергии для стабильной работы бортовой сети при больших нагрузках;
- повысить надежность работы, снизить риск выхода из строя элементов электрической сети транспортного средства из-за перегрузки;
- увеличить срок службы АКБ в 2-4 раза.
Стабилизация напряжения бортовой сети при больших нагрузках
Модуль подключается параллельно штатной АКБ. Такой тип подключения требует хорошего состояния штатной аккумуляторной батареи. Применяется для стабилизации напряжения бортовой сети.
Суперконденсатор поможет при функционировании устройств, которые в короткий промежуток времени потребляют большое количество энергии. Такие нагрузки возникают, например, при работе серьезных аудиосистем или лебедки на внедорожном автомобиле. Такие ударные нагрузки наносят ущерб АКБ. За счет более низкого внутреннего сопротивления и способности принимать на себя импульсную нагрузку суперконденсатор обеспечивает комфортный режим эксплуатации для аккумулятора и продлит срок его службы.
Titan поможет запустить двигатель на морозе. Температуры ниже -10°С отрицательно влияют на емкость аккумулятора, что может привести к проблемам при запуске ДВС. Емкость суперконденсатора в морозы практически не меняется, это позволит ему всегда отдать максимальную энергию в цепь для прокрутки стартера.
Параллельный тип подключения, с буферным модулем
|
|||
 |
Наименование | МСКА-54-16 | |
| Номинальное напряжение (В) | 16 | ||
| Номинальная емкость (Ф) | 54 | ||
| <10,9 | |||
| 270 | |||
| Габариты (мм) | Длина | 254 | |
| Ширина | 40 | ||
| Высота | 80 | ||
| Вес (кг) | 1 | ||
| Объем двигателя (см 3) | До 1600 | ||
Нет в наличии |
|||
 |
Наименование | МСКА-108-16-К | |
| Номинальное напряжение (В) | 16 | ||
| Номинальная емкость (Ф) | 108 | ||
| Внутреннее сопротивление (мОм) | <5,2 | ||
| Максимальный разрядный ток, (А) (импульс не более 1 сек) | 540 | ||
| Габариты (мм) | Длина | 254 | |
| Ширина | 40 | ||
| Высота | 150 | ||
| Вес (кг) | 2 | ||
| Объем двигателя | До 2200 | ||
Нет в наличии |
|||
|
Наименование | МСКА-162-16 | |
| Номинальное напряжение (В) | 16 | ||
| Номинальная емкость (Ф) | 162 | ||
| Внутреннее сопротивление (мОм) | <3,4 | ||
| Максимальный разрядный ток, (А) (импульс не более 1 сек) | 800 | ||
| Габариты (мм) | Длина | 244 | |
| Ширина | 100 | ||
| Высота | 100 | ||
| Вес (кг) | 2,4 | ||
| Объем двигателя | До 3500 | ||
Нет в наличии |
|||
Запуск двигателя с севшим аккумулятором
Модуль подключается последовательно к штатной АКБ и непосредственно к клеммам стартера.Данный вариант обеспечивает наличие постоянного напряжения на клеммах стартера, которое необходимо для уверенного запуска ДВС. Использование модулей Titan для последовательного подключения будет актуально для автомобилей с большим количеством дополнительного оборудования, потребляющего электроэнергию. Например, в автомобилях такси, полиции, скорой помощи и др., где постоянно работает световое оборудование, рация, GPS-навигация. Работа оборудования постоянно высаживает заряд аккумулятора, а генератор, при постоянной работе ДВС на холостых оборотах, не дает достаточного заряда. Применение суперконденсаторов с низким внутренним сопротивлением, высокой удельной мощность и надежной отдачей энергии при низких температурах, позволяет осуществить запуск при невысоком заряде АКБ (от 9-ти Вольт) и в условиях низких температур.
Суперконденсатор будет также полезен для владельцев автомобилей с установленной системой , которая обеспечивает подготовку ДВС к старту в холодную погоду. Все предпусковые подогреватели питаются от аккумулятора и разряжают его в процессе подогрева, таким образом уже на прогретом двигателе существует возможность получить проблемы с запуском.
Особенности работы модуля Titan с предпусковыми подогревателями:
- Гарантированный пуск прогретого ДВС, при разряженной подогревателем АКБ;
- Снижение нагрузки на замерзшую АКБ.
Прокрутка стартера может быть не произведена только по причине сильного износа и/или очень низкого заряда аккумулятора, который не в состоянии обеспечить током втягивающее реле.
Последовательный тип подключения, с преобразователем DC-DC
|
|||
 |
Наименование | МСКА-108-16-П | |
| Номинальное напряжение (В) | 16 | ||
| Номинальная емкость (Ф) | 108 | ||
| Внутреннее сопротивление (мОм) | <5,7 | ||
| Максимальный разрядный ток, (А) (импульс не более 1 сек) | 540 | ||
| Габариты (мм) | Длина | 250 | |
| Ширина | 100 | ||
| Высота | 100 | ||
| Вес (кг) | 2,4 | ||
| Объем двигателя | До 2200 | ||
Нет в наличии |
|||
|
Наименование | МСКА-162-16-П | |
| Номинальное напряжение (В) | 16 | ||
| Номинальная емкость (Ф) | 162 | ||
| Внутреннее сопротивление (мОм) | <3,8 | ||
| Максимальный разрядный ток, (А) (импульс не более 1 сек) | 800 | ||
| Габариты (мм) | Длина | 320 | |
| Ширина | 100 | ||
| Высота | 100 | ||
| Вес (кг) | 3 | ||
| Объем двигателя | До 3500 | ||
Нет в наличии |
|||
Уверенный запуск двигателя и стабилизация напряжения бортовой сети
В данном случае, модуль с повышающим DC-DC, подключенный непосредственно к стартеру, обеспечивает надежную прокрутку и запуск ДВС, а буферный модуль, подключенный параллельно к АКБ, – питание втягивающего реле. Такой суперконденсатор сочетает в себе все преимущества модулей с буферным и последовательным типами подключений. Таким образом, даже при изношенных АКБ обеспечивается самый высокий уровень стабилизации всех параметров электрической бортовой сети и уверенный запуск двигателя при самых низких температурах.
Установка модуля Titan с гибридным типом подключения позволит:
- осуществить запуск при разряженных аккумуляторных батареях, которые не способны обеспечить пусковой ток, но обладают достаточной энергией для заряда
суперконденсаторов; - осуществить запуск в условиях низких температур;
- увеличить срок службы аккумуляторных батарей в 2-4 раза;
- при работе совместно с предпусковым подогревателем, гарантировать пуск прогретого ДВС, при разряженной подогревателем или замерзшей АКБ;
- обеспечить импульсной энергией дополнительные устройства и системы, повысить надежность работы электрической сети автомобиля в целом.
Гибридный тип подключения, с буферным модулем и DC-DC преобразователем
|
|||
|
Наименование | МСКА-108/54-16-ПБ | |
| Номинальное напряжение (В) | 16 | ||
| Номинальная емкость основной батареи (Ф) | 108 | ||
| Номинальная емкость бустерной батареи (Ф) | 54 | ||
| Внутреннее сопротивление основной батареи (мОм) | <5,7 | ||
| Внутреннее сопротивление бустерной батареи (мОм) | <11,4 | ||
| Максимальный разрядный ток основной батареи, (А) (импульс не более 1 сек) | 540 | ||
| Максимальный разрядный ток бустерной батареи, (А) (импульс не более 1 сек) | 270 | ||
| Габариты (мм) | Длина | 325 | |
| Ширина | 100 | ||
| Высота | 100 | ||
| Вес (кг) | 4 | ||
Нет в наличии |
|||
Основные преимущества суперконденсаторов
- Высокая удельная мощность Идеальное устройство для работы при резких и значительных изменениях мощности (в несколько раз).
- Высокие стабилизационные свойства. Быстрый заряд/разряд (секунды).
- Эффективность при рекуперации энергии и пусках двигателей.
- Широкий диапазон рабочих температур от -45 до 70°C.
- Возможность работы в экстремальных условиях.
- Срок службы не менее 10 лет, до 1 млн. циклов заряда-разряда.
- Отсутствие необходимости замены в течение долгого времени.
- Снижение эксплуатационных затрат систем.
- Герметичность и экологичность.
- Низкая стоимость владения, отсутствие затрат на эксплуатацию и утилизацию.
- Небольшая масса и малые габариты.
- Широкий спектр применений, автономность, мобильность.
- Совместная работа с предпусковыми подогревателями.
- Устройства сертифицированы по ГОСТ.
Примеры установки суперконденсаторов
Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?
Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.
Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.
При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности - гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.
Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.
Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.
Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.
Использование двойного электрического слоя
На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой - электролит, а изоляцией между обкладками - окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.
Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.
Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии - с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».
Техническая реализация
Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.
Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.
Параметры суперконденсаторов
Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.
Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.
Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае - емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.
Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.
Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.
Накапливаемая энергия
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:
где C - емкость, выраженная в фарадах, U - напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:
Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.
Применение суперконденсаторов
Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.
Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.
Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.
Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.
Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.
Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе - их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.
Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.
В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.
Алексей Васильев
На сегодняшний день аккумуляторные технологии значительно продвинулись и стали более совершенными по сравнению с прошлым десятилетием. Но все же, пока что аккумуляторные батареи остаются расходным материалом, потому как имеют небольшой ресурс.
Мысль о том, чтобы использовать, конденсатор для накопления и хранения энергии не нова и первые эксперименты проводились с электролитическими конденсаторами. Ёмкость у электролитических конденсаторов бывает значительной – сотни тысяч микрофарад, но все же ее недостаточно для того, чтобы длительное время питать хоть и не большую нагрузку, притом присутствует значительный ток утечки, обусловленный особенностями конструкции.
Современные технологии не стоят на месте, и был изобретен ионистор, это конденсатор, имеет сверхбольшую емкость – от единиц фарад и до десятков тысяч фарад. Ионисторы емкостью единицы фарад используются в портативной электронике, для обеспечения бесперебойного питания слаботочных цепей, например микроконтроллера. А ионисторы емкостью десятки тысяч фарад используются совместно с аккумуляторами для питания различных электродвигателей. В такой комбинации ионистор позволяет уменьшить нагрузку на аккумуляторные батареи, что значительно увеличивает их срок службы аккумулятора и одновременно увеличивает стартовый ток, который способна отдать гибридная система питания двигателя.
Появилась необходимость запитать датчик температуры, таким образом, чтобы не менять в нем батарейку. Датчик питается от батареи типоразмера АА и включается для отправки данных на погодную станцию один раз в 40 секунд. В момент отправки датчик потребляет в среднем 6 мА в течение 2 секунд.
Возникла идея использовать солнечную батарею и ионистор. Исходя из выявленных характеристик потребления датчика, были взяты следующие элементы:
1. Солнечная батарея 5 Вольта и ток примерно 50 мА (Солнечная батарея Советского производства возрастом примерно 15 лет)
2. Ионистор: Panasonic 5.5 Вольт и емкостью 1 фарад.
3. Ионисторы 2 шт: DMF 5.5 Вольт и общей емкостью 1 фарад.
4. Диод Шотки с прямым падением напряжения при малом токе 0.3 В.
Диод Шотки необходим для того чтобы предотвратить разряд емкости через солнечную батарею.
Ионисторы соединены параллельно, и общая емкость составляет 2 фарады.
Фото 1.
Эксперимент №1 – Подключил микроконтроллер с монохромным ЖК-дисплеем и общим током потребления 500 мкА. Хотя микроконтроллер с дисплеем и заработали, но я заметил, что старые солнечные элементы крайне не эффективны, ток заряда в тени был недостаточным для того, чтобы хоть сколько-нибудь зарядить ионисторы, напряжение на 5ти вольтовой солнечной батареи в тени было меньше 2 вольт. (По некоторым обстоятельствам микроконтроллер с дисплеем на фото не показаны).
Эксперимент №2
Для повышения шанса на успех я приобрел на радиорынке новые солнечные элементы номиналами 2 В, током 40 мА и 100 мА, китайского производства залитые оптической смолой. Для сравнения данные батареи в тени уже выдавали 1,8 вольт, при этом не большой ток заряда, но все же заметно лучше заряжающий ионистор.
Спаяв конструкцию уже с новой батареей, диодом шотки и конденсаторами я положил ее на подоконник для того, чтобы конденсатор зарядился.
Притом, что солнечный свет напрямую не попадал на батарею, уже через 10 минут конденсатор зарядился до 1,95 В. Взял датчик температуры, вынул из него батарею и подключил ионистор с солнечной батареей к контактам батарейного отсека.
Фото 2.
Датчик температуры сразу же заработал и передал на метеостанцию комнатную температуру. Убедившись, что датчик работает, закрепил на него конденсатор с солнечной батареей и повесил на место.
Что же было дальше?
Все светлое время суток датчик исправно работал, но с наступлением темного времени суток, уже через час, датчик перестал передавать данные. Очевидно, что запасенного заряда не хватало даже на час работы датчика и потом выяснилось почему…
Эксперимент №3
Решил немного доработать конструкцию таким образом, чтобы ионистор (вернул сборку ионисторов 2 фарады) был полностью заряжен. Собрал батарею из трех элементов, получилось 6 вольт и ток 40 мА (при полном освещении солнцем). Данная батарея в тени уже давала до 3,7 В вместо предыдущей 1,8 В (фото 1) и ток заряда до 2 мА. Соответственно ионистор заряжаясь до 3,7 В и имел уже значительно больше запасенной энергии в сравнении с Экспериментом №2.
Фото 3.
Все бы хорошо, но мы теперь имеем на выходе до 5,5 В, а датчик питается от 1,5 В. Необходим DC\DC преобразователь, что в свою очередь вносит дополнительные потери. Тот преобразователь, который у меня был в наличии, потреблял порядка 30 мкА и на выходе давал 4,2 В. Пока мне не удалось найти нужный преобразователь, для того чтобы запитать датчик температуры уже от модернизированной конструкции. (Нужно будет подобрать преобразователь и повторить опыт).
О потерях энергии:
Выше упоминалось, что ионисторы имеют ток саморазряда, в данном случае у сборки 2 фарада он составлял 50 мкА, так же сюда добавляются потери в DC\DC преобразователе порядка 4% (заявленная эффективность 96%) и его холостой ход 30 мкА. Если не брать во внимание потери на преобразование, мы уже имеем потребление порядка 80 мкА.
Отнестись к энергосбережению необходимо особо внимательно, потому как экспериментальным путем установлено, что ионистор емкостью 2 фарады заряженный до 5,5 В и разряженный до 2,5 В имеет так скажем «аккумуляторную» емкость 1 мА. Иначе говоря – потребляя 1 мА с ионистора в течении часа, мы его разрядим с 5,5 В до 2,5 В.
О скорости заряда прямым солнечным светом:
Ток, получаемый от солнечной батареи тем выше, чем лучше батарея освещена прямыми солнечными лучами. Соответственно скорость заряда ионистора увеличивается в разы.
Фото 4.
Из показаний мультиметра видно (0.192 В, начальные показания), через 2 минуты конденсатор зарядился до 1,161 В, через 5 минут до 3,132 В и еще через 10 минут 5,029 В. В течении 17 минут ионистор был заряжен на 90%. Нужно отметить, что освещение солнечной батареи было неравномерным в течении всего времени и происходило через двойное оконное стекло и защитную пленку батареи.
Технический отчет по Эксперименту №3
Технические характеристики макета:
- Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 40 мА (при полной засветке солнцем), (в тени пасмурной погоды 3,7 В и ток 1 мА с нагрузкой на ионистор).
- Ионисторы соединены параллельно, суммарная емкость 2 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, ток саморазряда 50 мкА;
- Диод Шотки с падением прямого напряжения 0,3 В, используется для развязки по питанию солнечную батарею и ионистор.
- Размеры макета 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA).
От данного макета удалось запитать:
Микроконтроллер с ЖК-дисплеем (ток потребления 500 мкА при 5,5 В, время работы без солнечной батареи, приблизительно 1,8 часа);
Датчик температуры, время работы световой день с солнечной батареей, потребление 6 мА в течении 2 секунд каждые 40 секунд;
Светодиод светился 60 сек при среднем токе 60 мА без солнечной батареи;
Так же был испробован DC\DC преобразователь напряжения (для стабильного питания), с которым удалось получить 60 мА и 4 В, в течении 60 секунд (при заряде ионистора до 5,5 В, без солнечной батареи).
Полученные данные говорят о том, что ионисторы в данной конструкции имеют приблизительную емкость 1 мА (без подпитки от солнечной батареи с разрядом до 2,5 В).
Выводы:
Данная конструкция позволяет накапливать энергию в конденсаторах для беспрерывного питания микропотребляющих устройств. Накопленная емкость 1 мА на 2 фарады емкости конденсатора должно хватить для обеспечения работоспособности микропроцессора с низким потреблением в темное время суток в течение 10 часов. При этом суммарный ток потерь и потребления нагрузкой не должен превышать 100 мкА. Днем ионистор подзаряжается от солнечной батареи даже в тени и способен питать нагрузку в импульсном режиме током до 100 мА.
Отвечаем на вопрос в заголовке статьи - Может ли ионистор заменить аккумулятор?
– может заменить, но пока со значительными ограничениями по току потребления и режиму работы нагрузки.
Недостатки:
- малая емкость запаса энергии (приблизительно 1 мА на каждые 2 Фарад емкости ионистора)
- значительный ток саморазряда конденсаторов (ориентировочная потеря 20% емкости за сутки)
- габариты конструкции определяются солнечной батареей и суммарной емкостью ионисторов.
- отсутствие изнашиваемых химических элементов (аккумуляторов)
- диапазон рабочих температур от -40 до +60 градусов Цельсия
- простота конструкции
- не высокая стоимость
Фото 5.
С одной стороны платы располагаются солнечная батарея, с другой стороны сборка ионисторов и DC\DC преобразователь.
Технические характеристики:
- Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 60 мА (при полной засветке солнцем);
- Ионисторы суммарная емкость 4; 6 или 16 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, суммарный ток саморазряда соответственно 120\ 140\ (пока не известно) мкА;
- Диод Шотки сдвоенный с падением прямого напряжения 0,15 В, используется для развязки по питанию солнечной батареи и ионистора;
- Размеры макета: 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA);
- Расчетная емкость без подпитки от солнечных батарей при установке конденсаторов 4; 6 или 16 Фарад, составляет примерно 2\ 3\ 8 мА.
P. S. Если вы заметили опечатку, ошибку или неточность в расчетах - напишите нам личным сообщением, и мы оперативно все исправим.
Продолжение следует…
Суперконденсатор (или по-другому ионистор) представляет собой устройство для накопления электрической энергии, занимающее среднее положение между аккумуляторной батареей и электролитом. Правда, в отличие от них, эти изделия имеют несравнимо меньшие размеры и выглядят как обычные электролитические конденсаторы (смотрите рисунок ниже).
По своим характеристикам суперконденсатор (СК) существенно отличается от рядовых электролитических изделий, поскольку он более долговечен и имеет меньшую токовую утечку. Основная цель разработки этих изделий – создание накопителей энергии нового поколения, способных заменить привычные аккумуляторные батареи.
Характерные отличия
Помимо уже перечисленных выше достоинств, суперконденсатор характеризуется более высоким, чем у батарей, показателем удельной ёмкости, что позволяет использовать его в качестве источника питания в электромобилях, например. Благодаря уникальным энергетическим свойствам, время зарядки этого электролитического элемента заметно сокращается (то же самое можно сказать и о периоде его разрядки).
Дополнительная информация. Перечисленные свойства позволяют использовать конденсаторы большой ёмкости в современных источниках возобновляемой энергии (солнечных батареях, ветровых генераторах и т. п.).
При его эксплуатации удаётся добиться более экономичного режима работы за счёт возможности аккумулирования избытков полученной от источников энергии.
Внешне суперконденсатор выглядит как обычный элемент с двумя электродами, используемый вместо аккумулятора.
Подобно АКБ, в своих внутренних полостях он также содержит электролит, который при взаимодействии с пластинами вырабатывает электроэнергию.
Особенности конструкции и производители
Электроды этого изделия изготавливаются из специального пористого материала, покрытого сверху тонким слоем активированного угля. В качестве электролитического состава используются смеси неорганического или органического происхождения. Основные его отличия от привычного конденсатора состоят в следующем:
- Между обкладками в этом изделии размещается не обычный слой диэлектрика, а вдвое толще, что позволяет получить очень тонкий зазор. Такая конструкция обеспечивает возможность накапливать электроэнергию в больших объёмах (электрическая ёмкость в этом случае значительно возрастает);
- Далее суперконденсатор, в отличие от других образцов, аккумулирует и расходует заряд достаточно быстро;
- Благодаря использованию двойного слоя диэлектрика повышается общая площадь электродов, а габариты при этом остаются прежними. Технические характеристики изделия при этом заметно улучшаются.
К особенностям этих конденсаторов, появившихся в 1962 году, также следует отнести энергетическую структуру их электродов, один из которых имеет электронную проводимость, а другой – так называемую «ионную». В результате этого в процессе их зарядки осуществляется разделение противоположных по знаку зарядов, приводящее к накапливанию на обкладках положительного и отрицательного потенциала (смотрите фото).
В 1971 году лицензию на производство этих уникальных изделий получила известная японская корпорация NEC, успешно освоившая к этому времени практически все электротехнические направления. Именно ей удалось продвинуть и окончательно утвердить на рынке электронных изделий уникальную технологию производства суперконденсаторов. С 2000-х годов она успешно освоена практически во всех экономически развитых странах мира.
Виды суперэлектролитов
Все известные образцы электролитических изделий этого класса подразделяются на следующие виды:
- Двухслойные конденсаторные структуры (ДСК);
- Гибридные электролитические элементы;
- Псевдоконденсаторы.
Рассмотрим каждый из них чуть подробнее.
Двухслойные структуры имеют в своём составе два пористых электрода с проводящим углеродным покрытием, разделенных особым составом (электролитным сепаратором). Процесс аккумулирования энергии в этих образованиях осуществляется за счет разделения противоположных по знаку зарядов, сопровождающегося образованием на электродах значительных по амплитуде потенциалов.
На величину электрического заряда таких структур существенное влияние оказывает емкость двойного накопительного слоя, выполняющего функцию своеобразного поверхностного конденсатора. Между собой эти две накопительные системы соединяются в последовательную цепочку посредством объединяющего их электролита.
Дополнительная информация. В данном случае он играет роль проводника с ионным типом проводимости.
Гибридные электролиты можно отнести к категории переходных структур, занимающих промежуточное положение между аккумулятором и конденсатором. Выбор такого названия для этих изделий обусловлен тем, что электроды в них изготавливаются из материалов разного типа, вследствие чего характер накопления зарядов несколько различен.
Обычно функцию катода в них выполняет материал, обладающий так называемой «псевдо ёмкостью», а процесс аккумулирования заряда происходит вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций. Такая «архитектура» электролитов этой группы позволяет увеличить суммарную емкость конденсатора, а также расширить диапазон допустимых напряжений.
В этих изделиях чаще всего применяются сложные сочетания материала электродов, представляющих собой комбинацию из особого типа проводящих полимеров (или смешанных оксидов). Ведутся исследования по другим перспективным материалам (композитам, в частности), получаемым методом осаждения оксидов металлов на углеродные основания или полимеры.
Псевдоконденсаторы по своим техническим показателям гораздо ближе к перезаряжаемым аккумуляторным батареям, имеющим два твёрдотельных электрода. В основе их действия лежит сочетание следующих двух механизмов:
- Процессы заряда и разряда (аналогичные реакциям, происходящим в обычных аккумуляторах);
- Взаимодействия электростатического характера, присущие структурам с двойным электрическим слоем.
Приставка «псевдо» означает, что емкость этих элементов определяется не столько характером электростатических процессов, сколько зависимостью от реакций, связанных с переносом электролитических зарядов.
Области применения
Наиболее часто изделия этого класса применяются в следующих механизмах, агрегатах и образцах оборудования:
- В системах с источниками возобновляемой энергии, нуждающихся в аккумулировании накапливаемых потенциалов (солнечные батареи, ветряные генераторы и т. п.);
- В современных транспортных средствах (электрокарах, например), а также в устройствах запуска двигателей автомобилей на водородном топливе;
- За счёт высокой энергетической плотности и повышенной удельной емкости эти изделия широко применяются в электронной аппаратуре (в качестве источников кратковременного и мощного импульса);
- Также они востребованы в системах бесперебойного питания, в которых в полной мере используется их основное преимущество – обеспечивать мгновенную передачу мощности.
Обратите внимание! Сюда же следует отнести развивающиеся отрасли, предполагающие использование систем непрерывного питания на экономичном топливе.
Кроме того, суперконденсаторы могут применяться в следующих устройствах:
- В системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в устройствах запуска электродвигателей;
- В комплексах, функционирование которых связано с критическими нагрузками (оборудование портов, больничных учреждений, вышек мобильной связи, банковских центров и т. п.);
- В источниках резервного электроснабжения оборудования ПК и систем сбора данных (микропроцессоров и ЗУ), а также в мобильных телефонах.
Достоинства и недостатки конденсаторных изделий
К числу достоинств изделий рассматриваемого класса следует отнести:
- Низкую удельную стоимость (из расчета на единицу ёмкости);
- Высокие показатели ёмкостной плотности и КПД циклов заряда-разряда (до 95% и выше);
- Надёжность, долговечность и экологическая чистота;
- Прекрасные показатели удельной мощности;
- Достаточно широкий диапазон температур, при которых возможна их эксплуатация;
- Наибольшая из всех возможных для изделий данной категории скорость заряда и разряда;
- Допустимость полной потери ёмкости (практически до нуля).
Ещё одно немаловажное преимущество СК – их сравнительно малые размеры и вес (по отношению к другим типам электролитических изделий).
Среди присущих им «минусов» хотелось бы отметить следующие недостатки:
- Относительно малая плотность накапливаемых энергий;
- Низкий показатель вольтажа, приходящегося на единицу ёмкости элемента;
- Высокий уровень неконтролируемого саморазряда.
Добавим к этому не до конца проработанную технологию производства изделий.
Перспективы применения
В ближайшем будущем предполагается практически повсеместное использование суперконденсаторов, которые будут внедряться в большинство энергоёмких производств (включая медицинскую отрасль, аэрокосмическую промышленность и военную технику).
Одновременно с их внедрением всё более повышается удельная емкость этих изделий, что в перспективе позволит полностью заменить батареи конденсаторами. Также намечается процесс интегрирования суперконденсаторов в различные структуры современного электронного производства, включая изготовление управляющих и регулирующих элементов.
В заключение отметим, что конденсаторные изделия этого класса позволяют внедрить в жизнь экологически чистые способы экономии энергии, намного более перспективные, чем все известные до сих пор. В ближайшее время предполагается дальнейшее расширение сфер применения этих технологий, которые могут захватить всю автотранспортную отрасль, а также устройства связи и мобильную технику.
Видео
Можно ли на транспорте применять конденсаторы, вместо капризных, недолговечных и требующих ухода аккумуляторов? Оказывается можно, и приемуществ у конденсатора перед аккумуляторной батареей достаточно, что бы отказаться от батарей, и если не полностью, то хотя бы дополнить ёмкость аккумулятора, сильно снижающуюся на морозе, ёмкостью конденсатора. О преимуществах и недостатках обоих источников электроэнергии, мы и поговорим в этой статье.
Всего несколько лет назад, конденсаторы в одну или две фарады ёмкости, считались экзотикой и их показывали только на выставках богатых меломанов. Сейчас эти конденсаторы можно купить в любом ларьке автоакустики, а конденсаторы ещё большей ёмкости, не сложно найти в специализированных магазинах, продающих сверхмощные Hi-Fi аудиосистемы (о музыке на автомобиле или мотоцикле ).
А что мне особенно радостно, так это то, что в настоящее время российская промышленность, всё таки опередив на несколько лет как восточных, так и западных производителей, освоила мелкосерийный выпуск супер конденсаторов новейшего типа, ёмкость которых составляет десятки тысяч фарад!
Немного теории.
Как известно, конденсатор состоит из разделённых зарядов — положительных, на одном пластинчатом электроде и отрицательных зарядов на другом. Сильно не вдаваясь в подробности, лишь отмечу, что энергия (ёмкость) которую способен взять конденсатор, напрямую зависит от площади пластин электродов, а так же от расстояния между ними. И чем больше эта площадь и меньше расстояние между пластинами, тем благоприятнее для накопления большего заряда.
Из этого следует, что увеличивая первое условие, и уменьшая второе, успеха в этом деле можно добиться. Но это на словах так просто. А как всё на деле? В новейших конденсаторах, для изготовления отрицательного электрода используется углеродный пористый материал, и вот в нём то и весь прикол. Благодаря этому материалу, у казалось бы обычной плоской пластины, благодаря её пористой структуре — как бы появляется второе измерение (увеличивается площадь пластин). От этого, площадь накопления зарядов существенно возрастает!
Увеличения площади пластин добились, осталось поработать с расстоянием. Новое название новейших супер конденсаторов — это конденсаторы с двойным электрическим слоем. Их особенность в том, что электроэнергия аккумулируется в особой области, то есть на границе раздела электролита и твёрдого тела. От этого расстояние между областью положения отрицательных и положительных зарядов, намного сокращается, аж на 2-3 порядка!
Из всего вышесказанного, можно наконец то сказать, что пора этим супер ёмкостям занять место под капотом машины, а в качестве чего? Есть несколько вариантов, но рассмотрим наиболее реальные.
Использование конденсатора в качестве основного источника электроэнергии для двигателя (электротяги).
Электробус Лужок ездит довольно быстро. Снизу виден выходящий дымок от бензинового отопителя салона.
Совсем недавно, и аккумуляторы для электро-автомобилей никто всерьёз не воспринимал. Но электрокары уже начинают заполонять мир, например в Лондоне уже работает электро-такси. Значит и конденсаторам путь предельно ясен, особенно если учесть их преимущества перед аккумулятором, но о преимуществах чуть позже. Скажу лишь, что «живой»пример, который ездит на электроэнергии от тяговых конденсаторов, можно увидеть на фото слева. Это экологически чистый автобус, а если быть точным — электробус под названием Лужок, который мелкой серией изготавливают в подмосковном городке Троицке (на заводе Эсма). Только вот для обогрева салона в мороз, приходится включать печку, которая работает на бензине, но это как говорится мелочи.
Электробус используется для перевозки туристов на небольшие расстояния (до 10 км), например по территории парков и заповедников, в которые введены жёсткие экологические ограничения. Первые коммерческие рейсы Лужок совершит по территории Московского ВВЦ. Одной зарядки конденсаторов хватает где то на 8-10 км. Затем 10-15 минутная зарядка и снова в путь (аккумуляторы пришлось бы заряжать минимум часов 20). К примеру, если ездить на работу, которая в мелких городах может находиться всего в пределах 5 — 10 км, то такой автомобиль был бы самое то, особенно для каждодневных поездок. Ведь цикл заряда и разряда конденсаторов, в отличии от аккумулятора, почти бесконечен. К тому же автомобиль не такой тяжёлый как автобус, а значит километраж на одной зарядке может увеличиться.
Кроме автобусов, предприятие выпускает немного «Газелей», несколько погрузчиков и электрокар, для перевозки грузов по территории завода. Основное отличие всей этой конденсаторной техники от аккумуляторной, это то, что её можно использовать круглосуточно, ведь их зарядка занимает считанные минуты. И хоть разряжаются они тоже быстро, зато срок службы конденсаторов превышает в десятки раз срок службы аккумуляторов.
Использование конденсатора в качестве помощника батарее, при пуске на морозе.
Использование в машинах конденсаторов нового типа в качестве тяговой силы, дело конечно полезное и интересное, но не самое актуальное. Куда более полезнее их использовать в качестве кратковременной электрической силы большой ёмкости, и в первую очередь для запуска мотора автомобиля. Этим уже пользуются инженеры военной техники, и испытания и усовершенствования постоянно проводятся на армейской технике. К примеру две здоровенные аккумуляторные батареи по 190 Ампер часов, при морозе в минус 45 градусов, способны совершить всего лишь одну пятнадцатисекундную прокрутку Камазовского стартера (и соответственно замёрзшего Камазовского двигателя). Но вот если подключить паралельно конденсатор ёмкостью всего 0,18 кФ, то стартер двигателя Камаза сделает уже несколько таких холодных прокруток! Разница налицо, особенно это полезно для техники, используемой в районах Крайнего Севера, например военная и строительная техника.
Конечно же водителям, которые живут в более тёплом климате, польза конденсаторов, не боящихся холода не так полезна. Но главное другое. Конденсаторам не опасна высокая плотность тока, и они выдерживают огромнейшее количество циклов заряд-разряд, да ещё и совсем не требуют обслуживания. Но самое главное это то, что конденсатор позволит повысить срок службы аккумулятора вдвое. Ведь когда аккумулятор один (особенно не новый), он считается непригодным, если плохо начинает справляться с пусковыми обязанностями, особенно в холодную погоду. А вот в паре с конденсатором, подключенным парраллельно, старая батарея будет служить до тех пор, пока тот способен её подзаряжать. И как я уже говорил, батарея превращается в долгожителя.
К тому же, в паре с коллегой конденсатором, ёмкость аккумуляторной батареи вашего автомобиля или мотоцикла, можно будет сократить вдвое. Легковой машине с двигателем в 1,5 — 1,8 кубиков, будет достаточно 25 Ач, а грузовому автомобилю хватит всего лишь 60 Ач. И можно уже будет не использовать батарею стартерного типа, которая рассчитана на высокие токи, а пользоваться обычной, которая как правило имеет в 2-3 раза больший срок службы. В итоге, комбинация аккумулятор плюс конденсатор, позволит значительно повысить срок службы этой пары. А что бы не менять на своей машине батарею лет 15, об этом мечтают многие, да и к этому сроку, люди как правило меняют машину на более свежую. Вот и выходит, что такой парочки (аккумулятор и конденсатор) хватит на весь срок службы машины. Но главное, водители забудут о трудном запуске в мороз, а такие слова «браток, дай прикурить, не могу завестись» можно будет забыть (как безопасно прикурить от чужой машины, ).
Что можно сказать напоследок. Супер конденсаторы нового поколения пока выпускаются мелкосерийно, стоят они раза в два дороже нормальной аккумуляторной батареи, и наверное не скоро найдут своих покупателей, по крайней мере наших отечественных. Немного конденсаторов уходит заграничным потребителям, но это не особая поддержка нашей промышленности. Но при желании, и нормальных спонсорах, для рекламы и освоения более дешёвого массового производства, можно это дело настроить на нормальный лад. Всё возможно. Ведь дорогущие аккумуляторы нового поколения тоже никто не хотел покупать, в начале их производства. А сейчас их закупают тоннами производители электрокаров, и это только начало. Думаю и новые конденсаторы вскоре будут пользоваться огромным спросом, и если и не заменят полностью аккумуляторы, то станут им надёжными помощниками. Поживём — увидим. Удачи всем!