Применение суперконденсаторов EDLC в возобновляемой энергетике. Мировая практика

Содержание

Суперконденсатор. Их принцип действия. Применение

Применение суперконденсаторов EDLC в возобновляемой энергетике. Мировая практика

   Супер- или ультраконденсаторы, известные также как высокоёмкие конденсаторы, накапливают энергию электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. В процессе накопления энергии в суперконденсаторе не задействованы химические реакции, хотя суперконденсатор – электрохимическое устройство.

Высокоёмкие или суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться тысячи раз в силу высокой обратимости механизма накопления энергии.

 Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, обладающий способностью накапливать чрезвычайно большое, по отношению к его размеру и в сравнении с традиционным конденсатором, количество энергии.

Это свойство суперконденсатора представляет особый интерес для автомобильной промышленности в производстве гибридных транспортных средств, а также в производстве транспорта на аккумуляторной электротяге, где суперконденсатор используется в качестве дополнительного накопителя энергии.

Свойства суперконденсаторов

   Среди свойств следует отметить:

  • Самую высокую плотность емкости
  • Самую низкую стоимость в расчете на 1 фараду
  • Надежный, длительный срок службы
  • Высокий кпд цикла (95% и выше)
  • Бесперебойную эксплуатацию
  • Экологическую безопасность
  • Широкий диапазон рабочих температур
  • Высокую удельную мощность и достаточно высокую удельную энергию
  • Очень высокую скорость заряда/разряда
  • Большое количество (тысячи) циклов с незначительным ухудшением параметров
  • Хорошую обратимость механизма накопления энергии
  • Сниженную токсичность используемых материалов
  • Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС)

   Суперконденсаторы, емкость которых обеспечивается их двухслойной структурой, накапливают энергию в поляризованном жидком слое толщиной всего несколько ангстрем, расположенном на границе между раствором электролита с ионной проводимостью и электродом с электронной проводимостью.

По мнению специалистов в этой области, например, г-на Калерта (Dr. Kahlert), суперконденсаторами следует считать конденсаторы емкостью минимум 10 фарад.

Суперконденсаторы – это преимущественно двухслойные конденсаторы; конденсаторы, изготовленные по другим технологиям, например, плёночные или керамические, суперконденсаторами не считают.

 Обычно, в суперконденсаторе два активных электрода, разделенные пористым непроводящим материалом, размещены между двумя металлическими токовыми коллекторами. Электролит, водный либо органический, пропитывает пористые электроды и обеспечивает возникновение носителей заряда с последующим его накоплением.

   Суперконденсатор обычно используют для обеспечения импульсной или пиковой мощности в каком-либо устройстве. Суперконденсатор также используется для кратковременного снабжения устройств энергией и для поглощения энергии из области своего применения.

Примером применения пиковой мощности являются линии электропередачи, примером кратковременного снабжения энергией – сотовые телефоны/бытовая электроника и радиотехника, а примером поглощения энергии – устройства регенеративного торможения в гибридных/электрических транспортных средствах.

Область применения суперконденсаторов

   Области применения суперконденсаторов можно классифицировать, основываясь на существующем и потенциальном применении.

Среди развивающихся областей применения: накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, например, солнца, ветра и океанской волны, топливных элементов; транспортные средства, например, гибридные электрические транспортные средства, устройства запуска двигателя обычных транспортных средств, работающих на бензине, локомотивы поездов и транспортные средства, работающие на водородном топливе. Суперконденсаторы также могут использоваться как накопители энергии в жилищном секторе, например, в домах с солнечными фотоэлектрическими системами, где требуются не обычные аккумуляторные батареи, а иные накопительные устройства. В ближайшем будущем многообещающими областями применения могут стать военная техника, авиакосмическая и медицинская промышленность.

   Благодаря высокой удельной емкости и плотности энергии, суперконденсаторы используются как источник кратковременного электропитания в электронных устройствах. Их также очень широко используют в системах бесперебойного электропитания (UPS).

Преимуществом является то, что они обеспечивают мгновенную мощность в критических областях применения. Среди развивающихся областей применения суперконденсаторов — кратковременное параллельное питание для стационарных систем бесперебойного электропитания с топливными элементами.

В наибольшей степени они пригодны для использования в устройствах запуска двигателя, а также в устройствах демпфирования пиковой нагрузки.

   Среди существующих областей применения — электроэнергетика с критическими нагрузками (энергосистемы общего пользования), больницы, банковские центры, вышки беспроводной связи и коммуникации аэропортов.

Суперконденсаторы обеспечивают критическую нагрузку в течение нескольких секунд и даже миллисекунд. Самое широкое применение они нашли на рынке бытовой электроники в виде источника резервного питания запоминающих устройств, микропроцессоров и материнских плат.

На рынке потребительской электроники суперконденсаторы во всевозрастающем количестве используются в мобильных телефонах.

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы — история создания и развития технологии

   7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем».

 Если в обычном конденсаторе алюминиевые обкладки, традиционно, были изолированы слоем диэлектрика, то в предлагаемом изобретателем варианте акцент делался непосредственно на материал обкладок.

Электроды должны были иметь различную проводимость: один электрод должен был обладать ионной проводимостью, а другой – электронной. 

   Таким образом, в процессе заряда конденсатора происходило бы разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике, и разделение катионов и анионов в ионном проводнике.

 Электронный проводник предлагалось сделать из пористого углерода, тогда ионным проводником мог бы быть водный раствор серной кислоты. Заряд в таком случае сохранялся бы на границе раздела этих особых проводников (тот самый двойной слой).

Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость – единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

   В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, занимающейся к тому моменту всеми направлениями электронной коммуникации. Японцам удалось успешно продвинуть технологию на рынок электроники под названием «Суперконденсатор».

   Спустя семь лет, в 1978 году, компания Panasonic, в свою очередь, выпустила «Золотой конденсатор» («Gold Cap»), так же завоевавший успех на этом рынке.

Успех был обеспечен удобством применения ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM.

Однако эти ионисторы обладали высоким внутренним сопротивлением, которое ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а значит, сильно сужала диапазон сфер применения.

   Gold Cap от Panasonic

   В 1982 году специалисты американского Научно-исследовательского Института Pinnacle (PRI), расположенного в городе Лос-Гатос, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионисторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, которые появились на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».

   Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позже сменившая название на Maxwell Technologies, г. Сан-Диего, штат Калифорния, США) начала развивать технологию PRI под названием «Boost Caps». Целью теперь стало создание конденсаторов высокой емкости с низким сопротивлением, чтобы получить возможность питания мощного электрооборудования.

   В 1999 году тайванская компания UltraCap Technologies Corp. также начала сотрудничество с PRI, которые разработали к тому времени электродную керамику чрезвычайно большой площади, и к 2001 году на рынок вышел первый высокоемкостной ультраконденсатор производства Тайваня. С этого момента началось активное развитие технологии во многих НИИ мира.

Применение ионисторов

   Ионисторы получили заслуженное применение в качестве источников резервного питания во множестве устройств. Начиная с питания таймеров телевизоров и СВЧ-печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. На платах памяти, как правило, установлены ионисторы.

 При смене батареи в видео или фотокамере, ионистор поддерживает питание схем памяти, отвечающих за настройки, это же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники.

Телефоны, электронные счетчики электроэнергии, охранные системы сигнализации, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения – везде нашли применение суперконденсаторы.

   Малые ионисторы на основе органических электролитов обладают максимальным напряжением около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений, ионисторы соединяют в батареи, обязательно применяя шунтирующие резисторы. 

   К преимуществам ионисторов относится:

  • высокая скорость заряда-разряда
  • устойчивость к сотням тысяч циклов перезаряда по сравнению с аккумуляторами
  • малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами
  • низкий уровень токсичности
  • допустимость разряда до нуля

Разработки и перспективы

    При разработке ионисторов все более и более повышается их удельная емкость, и по всей вероятности, рано или поздно это приведет к полной замене аккумуляторов на суперконденсаторы во многих технических сферах.

 Последние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионисторов на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на графен, превосходят лучшие аналоги почти в два раза. Исследователи обнаружили, что поры «графеновой пены» обладают наноразмерами, подходящими для удержания частиц оксидов переходных металлов.

Суперконденсаторы на основе оксида рутения теперь являются самым перспективным из вариантов. Безопасно работающие на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и повышают допустимую силу тока вдвое по сравнению с самыми лучшими из доступных на рынке ионисторов.

 Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объёма, поэтому ими целесообразно будет заменить аккумуляторы. Прежде всего, речь идёт о носимой и имплантируемой электронике, но в перспективе новинка может обосноваться и на персональном электротранспорте.

   На частицы никеля послойно осаживают графен, выступающий опорой для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном формируют пористую углеродную структуру.

В полученные нанопоры последней из водного раствора проникают частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм.

Удельная ёмкость ионистора на основе полученной структуры составляет 503 фарад на грамм, что соответствует удельной мощности 128 кВт/кг.

   Возможность масштабирования этой структуры уже положила начало и создала основу на пути создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «графеновой пены» прошли успешно первые тесты, где показали способность к перезаряду более восьми тысяч раз без ухудшения характеристик.

Ионисторы в энергетике

Применение суперконденсаторов EDLC в возобновляемой энергетике. Мировая практика

Ионисторы, они же электрохимические конденсаторы, они же суперконденсаторы, они же ультраконденсаторы, уже несколько десятилетий успешно применяются в бытовой электронике, компьютерной технике, медицинских и других приборах. Но только недавно их характеристики достигли уровня, необходимого для применения в электроэнергетике.

«АКТИВИРОВАННЫЙ» КОНДЕНСАТОР

Ещё в начале 1950-х инженеры компании General Electric начали экспериментировать с активированным углём, пробуя его в качестве материала для электродов конденсаторов.

Активированный уголь обладает пористой структурой и поэтому имеет очень большую удельную поверхность. В 1957 г. был запатентован «низковольтный электролитический конденсатор с электродами из пористого углерода», но автор патента Г.

Беккер не смог правильно понять природу происходящих в нём процессов.

В 1966 г. инженеры американской компании Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) разработали другой вариант устройства, но даже в 1970-м их патент назывался примерно так же, как у Беккера.

В их конденсаторе две ленты из алюминиевой фольги (электроды), покрытые слоем активированного угля и разделённые тонким слоем пористого изолятора, погружались в электролит (водный раствор серной кислоты). Ёмкость такого конденсатора достигала одного фарада, т. е.

значительно превышала ёмкость электролитического конденсатора аналогичных размеров.

SOHIO не довела свою разработку до промышленного выпуска, продав лицензию японской компании NEC. Она наладила выпуск ионисторов под торговой маркой «суперконденсатор» и стала устанавливать их в качестве резервных источников питания на свои платы оперативной памяти.

В 1978 г. японская компания Panasonic выпустила «золотой конденсатор» (“Gold Cap”), также завоевавший успех на этом рынке. Однако эти ионисторы обладали высоким внутренним сопротивлением, которое ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а значит, сильно сужало диапазон сфер применения.

В период 1975-1980 гг. профессор Брайан Конвей из Университета Оттавы провёл масштабную исследовательскую и конструкторскую работу по ионисторам на оксиде рутения. В 1991 г. он подробно описал различия между ионистором (он называл его суперконденсатором) и аккумулятором как электрохимическими хранилищами энергии.

Повышенную ёмкость суперконденсатора он объяснял поверхностными окислительно-восстановительными реакциями, сопровождающимися переносом заряда между электродами и ионами электролита.

Суперконденсатор хранит электрический заряд частично в «двойном слое» Гельмгольца, возникающем на границе между электродом с электронной проводимостью и электролитом с ионной, а частично – благодаря «псевдоёмкости», т. е.

переносу зарядов электронами и протонами между электродом и электролитом, происходящему в результате окислительно-восстановительных реакций, интеркаляции (обратимого включения молекулы или их группы между другими молекулами или группами) и электросорбции (абсорбции на поверхность).

В 1982 г. специалисты американского научно-исследовательского института Pinnacle (PRI), работая над задачей по улучшению материалов электродов и электролитов, создали ионисторы с очень высокой плотностью энергии, которые появились на рынке под названием PRI Ultracapacitor.

Спустя десятилетие, в 1992 г., компания Maxwell Laboratories (впоследствии переименованная в Maxwell Technologies) начала развивать технологию PRI под названием Boost Caps.

Цель проекта Maxwell – создание ионисторов высокой ёмкости с низким внутренним сопротивлением, чтобы получить возможность питания мощного электрооборудования.

Сейчас Maxwell Technologies – мировой лидер в разработке и производстве ионисторов, занимающий на глобальном рынке долю около 40%.

В 1999 г. тайваньская корпорация UltraCap Technologies также начала сотрудничество с PRI, которая к тому времени разработала электродную керамику с очень большой удельной площадью поверхности, и к 2001 г. на рынок был выпущен первый ультраконденсатор, произведённый на Тайване. С этого момента началось активное развитие технологии во многих научно-исследовательских институтах по всему миру.

Недавно группа учёных из Калифорнийского университета в Риверсайде в своих работах показала, что ионисторы нового типа на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на графен, имеют отличные перспективы.

Калифорнийские исследователи обнаружили, что поры «графеновой пены» обладают наноразмерами, подходящими для удержания частиц оксидов переходных металлов. Ионисторы на основе оксида рутения теперь рассматриваются как наиболее перспективные.

Работающие на безопасном водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и допустимой силы тока разряда вдвое по сравнению с лучшими из имеющихся сейчас на рынке.

Примерно год назад японская компания Spacelink продемонстрировала свою новую разработку. Для достижения высоких технических показателей ионистора на его электроды, выполненные из нанотрубок углерода, наносится тонкий слой оксида металла.

Плотность накапливаемой электрической энергии может достигать 150 Вт·ч/л. Заслуга разработчиков в том, что они смогли создать растворитель, который позволяет вязкому электролиту всасываться внутрь нанотрубок, повышая эффективную площадь соприкосновения с электродными пластинами.

Это решение ускоряет химические реакции и обмен зарядами.

По своим основным техническим характеристикам (ёмкость – 650 Ф, объём – 520 мл, плотность электрической энергии – 58 Вт·ч/кг, масса – 0,5 кг) суперконденсатор Spacelink уже может конкурировать с литий-ионным аккумулятором, а по скорости заряда и отдачи энергии опережает его.

КЛЮЧЕВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

К преимуществам ионисторов относятся высокая скорость заряда-разряда, устойчивость к сотням тысяч циклов перезаряда по сравнению с тысячами (в лучшем случае) у аккумуляторов, малые масса и габариты по сравнению с электролитическими конденсаторами, низкий уровень токсичности компонентов, допустимость разряда до нуля.

Рабочее напряжение современного ионисторного элемента составляет 1,8-3 В, номинальная ёмкость – до 5000 Ф, масса – до 1 кг. Диапазон температур – от -40 до +65 °C. Удельная мощность, запасаемая ионисторами, может достигать 20 кВт/кг. Рабочие токи элементов доходят до 1000 А.

При последовательном соединении элементов применяются схемыбалансировки напряжения (на зелёных платах).

Titan Power Solutions.

Для повышения рабочего напряжения ионисторные элементы соединяют последовательно в цепочки. При этом используются схемы балансировки, которые не допускают, чтобы напряжение на каждом элементе превысило максимально допустимое. Если это произойдёт, элемент выйдет из строя, после чего откажет вся цепочка.

После сборки ионисторный модуль проходит обязательное
многочасовое циклирование. Titan Power Solutions.
Соединяемые в цепочку элементы должны иметь минимальный разброс ёмкостей – в пределах ±5-8%.

Разброс от -20% до +80%, как у некоторых электролитических конденсаторов, недопустим.

Из-за наличия схем балансировки, которые потребляют определённый ток, время хранения энергии в ионисторных сборках обычно ограничено несколькими сутками.

ВАРИАНТЫ ПРИМЕНЕНИЯ

В настоящее время сфера применения ионисторов быстро расширяется. Благодаря перечисленным преимуществам эти приборы уже используются в тысячах различных устройств и имеют очень хорошие перспективы для ещё более широкого распространения.

Ионисторы наилучшим образом дополняют первичные источники энергии, такие как генератор с двигателем внутреннего сгорания, топливный элемент или аккумулятор, которые не могут выдавать кратковременные импульсы высокой мощности.

Будущее ионисторного рынка выглядит многообещающе.

Рассмотрим, каким образом ионисторы применяются в разных отраслях.

Автомобильная промышленность: аккумулируют энергию торможения и отдают её для разгона, обеспечивают многократный гарантированный запуск двигателя, стабилизацию параметров бортовой сети.

Железнодорожный транспорт: аккумулируют энергию торможения и отдают её для разгона, стабилизируют параметры бортовой и контактной сети.

Производство: используются в качестве источника импульсной мощности для различных старт-стопных систем и электроприводов.

Строительство: в системах рекуперации энергии строительных кранов поддерживают подъёмные операции.

Авиация: используются в качестве аварийного источника энергии для экстренного открывания дверей, стабилизации параметров бортовой сети.

Бытовая электроника: в смартфонах и планшетах питают светодиодную вспышку, предохраняя аккумулятор от перегрузки.

Центры обработки данных (ЦОД) с системами бесперебойного питания, которые при перерыве электроснабжения до момента запуска аварийных генераторов получают энергию от ионисторов.

Система накопления энергии на ионисторах для метрополитена

Российская компания Titan Power Solutions, выпускающая различные изделия на основе ионисторов, предложила концепцию асимметричного источника бесперебойного питания с двойным преобразованием напряжения.

Такой ИБП, помимо аккумуляторов, включает ионисторы. Асимметрия в том, что мощность выходного преобразователя намного превышает мощность входного.

Потребителям энергии, которые имеют импульсные нагрузки, создающие сильные броски тока, подобный ИБП поможет снизить мощность сетевых энергопринимающих устройств.

ПОМОЩНИКИ ДЛЯ ВИЭ

Накопители энергии становятся важным средством для оптимизации режимов работы систем на основе возобновляемых источников энергии, поддержки малой распределённой энергетики.

Накопители также играют существенную роль в повышении качества электроэнергии у потребителей, стабилизируя напряжение и выравнивая графики нагрузок (особенно при наличии нагрузок резкопеременного, импульсного, характера).

Весьма перспективно использование ионисторных накопителей для выравнивания графиков выдачи мощности в энергосистемах на основе ВИЭ.

В сфере ВИЭ наиболее распространены и интенсивно строятся солнечные фотоэлектрические станции (ФЭС) и ветроэнергетические установки (ВЭУ).

Подобные энергообъекты отличаются непостоянным характером генерации и потому требуют резервирования традиционными источниками энергии или применения накопителей энергии внушительного объёма.

В автономных системах электроснабжения на основе ВИЭ стоимость накопителей энергии (аккумуляторных батарей) может доходить до половины стоимости всего оборудования, а срок их службы напрямую зависит от количества и характера зарядно-разрядных циклов в процессе эксплуатации.

И вот здесь-то на помощь приходит ионистор, способный практически неограниченное число раз быстро заряжаться и разряжаться за время от нескольких миллисекунд до нескольких минут, отдавая в нагрузку высокие мощности. Применение ионисторов наиболее эффективно, если требуются накопление энергии и отдача большой мощности на коротких промежутках времени – до 10 с.

С учётом упомянутых выше особенностей ионисторов их использование наиболее целесообразно в гибридных ветродизельных и солнечно-дизельных системах в связке с аккумуляторами.

В подобных системах ионисторы берут на себя короткие пики и быстрые колебания мощности генерации и потребления электроэнергии, продлевая срок службы аккумуляторных батарей и сокращая время отклика всей схемы на внешние воздействия.

Применение ионисторов будет эффективным, например, в автономных фотоэлектрических водоподъёмных установках (часто используются для орошения полей), где запуск двигателя насоса сопровождается кратковременным броском пускового тока.

АККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

В любой электроэнергетической системе должно непрерывно поддерживаться равенство генерируемой и потребляемой энергии. Традиционно для этого отслеживают величину потребления и соответствующим образом подстраивают генерируемую мощность.

Однако мощным генераторам большинства типов частая смена рабочих режимов противопоказана – она крайне неблагоприятно сказывается на их работе, снижая надёжность, долговечность и даже приводя к авариям. За примером далеко ходить не нужно: катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 г.

случилась из-за разрушения гидрогенератора, мощность которого регулировали 232 раза за полгода.

Проблему балансировки генерируемой и потребляемой мощностей можно решать включением в энергосистему балансирующих накопителей электроэнергии.

На роль таких накопителей в последнее время претендуют ионисторные силовые сборки.

Их параметры достигают впечатляющих величин: ёмкость – до 300 Ф, запасаемая энергия – до 50 МДж, рабочее напряжение – до 800 В, ток разряда – до 5 кА, удельная энергия – до 50 кДж/кг.

Аккумулирующую электростанцию ёмкостного типа моно строить путём параллельного соединения большого числа однотипных модулей мощностью несколько киловатт каждый.

В таком модуле организовано двойное преобразование энергии: сначала переменного тока частотой 50 Гц в постоянный с помощью выпрямителей с дальнейшим накоплением электроэнергии ионисторами, а затем – преобразование постоянного тока в переменный частотой 50 Гц с помощью электронных полупроводниковых инверторов.

Аккумулирующая электростанция собирается из множества (до нескольких тысяч) таких модулей, мощность которых суммируется с помощью трансформаторов. Управление модулями – автоматическое по программе.

В результате аккумулирующая электростанция не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала, контролируется и управляется дистанционно по радиоканалу или через волоконно-оптическую линию связи.

___________________________________

Еще больше интересных материалов ищите на нашем портале Энерговектор.com или подписывайтесь на наш канал.

ПорталЭнерговектор– ​это ​ всегда свежие новости, комментарии финансовых аналитиков, оперативные фото- и видеорепортажи.

На портале также размещаются расширенные версии статей, публикуемых в газете Энерговектор, с дополнительными иллюстрациями и видеовставками.

Мы придаём большое значение вопросам престижа энергетических профессий, развитию отечественного энергетического машиностроения и энергоинжиниринга, обмену опытом и новым «прорывным» технологиям.

Графеновые суперконденсаторы. Быстрая зарядка электромобилей и рекуперация энергии

Применение суперконденсаторов EDLC в возобновляемой энергетике. Мировая практика

Китайские и британские ученые утверждают, что нашли способ накапливать в 10 раз больше энергии на единицу объема, чем разработанные ранее суперконденсаторы, используя графен.

Суперконденсаторы могут заряжаться практически мгновенно и при необходимости разряжать огромное количество энергии за короткий промежуток времени. Они могли бы полностью стереть ахиллесову пяту электромобилей – их продолжительное время зарядки, если бы они могли хранить больше энергии.

Классический принцип работы суперконденсатора

Суперконденсаторы, также известные как EDLC (электрические двухслойные конденсаторы), содержат две металлические пластины, покрытые пористым материалом (активированный уголь) могут хранить значительное количество энергии.

Они погружены в электролит из положительных и отрицательных ионов, находящихся в растворителе. Одна пластинка положительна, а другая отрицательна.

Во время заряда ионы из электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием.

Кроме того, суперконденсаторы хранят энергию также в электрическом поле, которое образуется между двумя противоположно заряженными электродами, поскольку имеется электролит, в котором равномерно распределено равное количество положительных и отрицательных ионов. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда (электрический двухслойный).

Во время заряда суперконденсатора ионы из электролита накапливаются не только на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием, а также сохраняются в электрическом поле. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда

Аккумуляторы и суперконденсаторы

В отличие от конденсаторов и суперконденсаторов, аккумуляторы накапливают энергию в процессе химической реакции. При этом ионы вставляются в атомную структуру электрода, а не просто цепляются за него, как в суперконденсаторах.

Это позволяет суперконденсаторам заряжаться и разряжаться намного быстрее (поскольку энергия храниться без химических реакций), чем батареи.

Из-за того, что суперконденсатор не подвержен такому износу, как аккумуляторная батарея, принцип работы которой основанная на химической реакции, он может выдержать сотни тысяч циклов заряда и разряда.

Суперконденсаторы обладают высокой емкостью накопления энергии по сравнению с обычными конденсаторами, но они все еще отстают от батарей в этой области. Суперконденсаторы также обычно дороже на единицу емкости, чем батареи.

 

Графен предлагается в качестве замены активированного угля в суперконденсаторах, частично из-за его высокой относительной площади поверхности (которая более значительна, чем у активированного угля).

Площадь поверхности является одним из ограничений емкости, а более высокая площадь поверхности означает большее накопление электростатического заряда.

Кроме того, суперконденсаторы на основе графена будут использовать его малый вес, упругие свойства и механическую прочность.

Графен представляет собой тонкий слой чистого углерода, плотно упакованный и связанный в шестиугольную сотовую решетку.

Он широко известен как «чудодейственный материал», потому что он наделен множеством удивительных черт: это самое тонкое соединение, известное человеку с толщиной в один атом, а также самый известный проводник.

Он также обладает удивительными характеристиками прочности и поглощения света и даже считается экологически чистым и устойчивым, так как углерод широко распространен в природе и даже в человеческом теле.

Суперконденсаторы на основе графена накапливают почти столько же энергии, сколько простые литий-ионные аккумуляторы, заряжаются и разряжаются за считанные секунды и поддерживают все это в течение десятков тысяч циклов зарядки.

Одним из способов достижения этого является использование высокопористой формы графена с большой площадью внутренней поверхности (изготовленной путем упаковки порошка графена в ячейку в форме монеты, а затем высушивания и прессования).

Графеновые суперконденсаторы, основанные на быстром накоплении ионов, обеспечивают высокую мощность, длительную стабильность и эффективное накопление энергии с использованием высокопористых электродных материалов.

Используя масштабируемый метод синтеза нанопористого графена, включающий процесс отжига в водороде, суперконденсаторы с высокопористыми графеновыми электродами, способны достигать не только высокой плотности мощности 41 кВт кг-1 и кулоновского КПД 97,5%, но также высокой плотность энергии 148,75 Вт.ч. кг-1.

Устройства могут сохранять 100% емкость даже после 7000 циклов заряда/разряда при плотности тока 8 А г-1 . Превосходные характеристики суперконденсаторов обусловлены их идеальным размером пор, однородностью пор и хорошей ионной доступностью синтезированного графена.

В 10 раз больше энергии на единицу объема!

Команда Университетского колледжа Лондона и Китайской академией наук, выпустила исследование и доказательство концепции нового дизайна суперконденсатора с использованием пленок графенового ламината и сосредоточения внимания на расстоянии между слоями. Исследователи обнаружили, что они могут радикально повысить плотность энергии, подогнав размеры пор в мембранах точно к размеру ионов электролита.

Общий дизайн и технологический процесс изготовления суперконденсатора на основе электрохимически адаптированных трехмерных восстановленных сеток из оксида графена

Используя эту конструкцию, команда утверждает, что достигнуто значительное увеличение объемной плотности энергии.

В то время как аналогичные коммерческие технологии с быстрой зарядкой обычно предлагают около 5-8 ватт-часов на литр, новая разработка была протестирована при рекордных 88,1 Вт.ч / л.

Команда заявляет, что это «самая высокая из когда-либо зарегистрированных плотностей энергии для углеродных суперконденсаторов».

Графеновые суперконденсаторы очень гибкие. При тестировании суперконденсатор мог функционировать практически одинаково, лежал ли он горизонтально или был согнут на 180 градусов.

Последние исследования и инновации 

Исследователи LLNL (Лоуренс Ливермор) разработали новые суперконденсаторные электроды из модифицированных графеновых аэрогелей. Эти электроды имеют высокую площадь поверхности, отличную электрическую проводимость, химическую инертность и долговременную стабильность при большом количестве циклов заряда/разряда.

Исследователи сообщают, что графеновый аэрогель может улучшить эксплуатационные характеристики электродов на основе углерода на суперконденсаторах более чем на 100%, а также иметь лучшую плотность, распределение пор и повышенную проводимость.

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что мятая графеновая бумага (изготовленная из листов графена, соединенных вместе) приводит к получению недорогого материала, который полезен для чрезвычайно растяжимых суперконденсаторов для гибких устройств. Мятую графеновую бумагу, «хаотическую массу складок», используют в суперконденсаторе, который можно сгибать, складывать или растягивать до 80% от исходного размера . Его можно смять и сгладить много раз без значительной потери производительности.

Исследователи из Калифорнийского университета разработали новый материал на основе графена, который может значительно повысить плотность энергии суперконденсаторов. Они называют новый материал дырявым графеновым каркасом. Это 3D материал, в котором есть крошечные отверстия.

Дырочный графен обладает превосходной электрической проводимостью, исключительной механической гибкостью и уникальной иерархической пористостью.

Это позволило исследователям создать конденсатор с беспрецедентной плотностью энергии 35 ватт-часов на килограмм (49 ватт-часов на литр), что в 10 раз выше, чем у современных коммерческих суперконденсаторов.

Обычная сложенная геометрия, используемая для материала электрода на основе углерода (вверху) и конфигурации суперконденсатора в плоскости, изготовленной из графеновых электродов (внизу). На схеме изображены механизмы увеличения протекания электролита для повышения производительности

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Конденсатор вместо аккумулятора

Применение суперконденсаторов EDLC в возобновляемой энергетике. Мировая практика

  • 18 февраля 2014 г. в 15:22
  • 67359

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» свойственнен 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.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

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.

Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

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.

Принципиальная схема источника бесперебойного питания напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы

на одной микосхеме производства LinearTechnology

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:

E = CU2/2,
где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

W = CU2/7200000

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.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием от солнечных батарей, накопление энергии

в котором осуществляется в суперконденсаторе

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.
Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.