0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Суперконденсаторы вместо аккумулятора в автомобиле

Содержание

Питание электромобилей. За суперконденсаторами будущее?

В качестве источника хранения энергии для питания электромобилей сейчас в основном рассматривают литий-ионные аккумуляторные батареи. Первый аккумулятор данного типа изготовили в 1991 году. Основная характеристика, которая используется для оценки аккумуляторной батареи – удельная энергоемкость. Для литий-ионных аккумуляторов она около 250 Вт*ч/кг. Это означает, что в течение часа такой аккумулятор массой 1 килограмм может питать, например, электродвигатель мощностью 250 Ватт.

Если мощность электродвигателя легкового автомобиля будет 55 килоВатт (приблизительно 75 лошадиных сил), тогда для обеспечения 1 часа движения потребуется аккумулятор массой, равной 55.000/250 = 220 кг.

По сравнению с массой легкового автомобиля это не настолько много, но это только 1 час пробега, за который автомобиль проедет в среднем 60 километров пути. Если решать задачу увеличения пробега «в лоб», то необходимо по-тупому пропорционально увеличивать массу. А это, прежде всего, увеличение стоимости. Поэтому в электромобилях применяют различные электросберегающие технологии, например, во время торможения энергия возвращается в аккумуляторную батарею.

Недостатки литий-ионных аккумуляторных батарей

  1. Предельное количество циклов заряд-разряд. При последних технологиях количество этих циклов доходит до 10000. Если заряжать-разряжать АКБ пару раз в день, он может прожить лет десять, не более. Сейчас гарантийный срок работы производители определяют около 8 лет. Пока подержанный авто доберется к российским покупателям, АКБ надо будет менять, а это половина стоимости авто.
  2. Необходимость хранения АКБ в заряженном виде. Если довести заряд аккумулятора до нуля, и оставить на хранение в таком состоянии, он быстро теряет свою работоспособность.
  3. Невысокий диапазон рабочих температур. Температуры ниже минус 15 градусов Цельсия крайне опасны для литий-ионных аккумуляторов (как и выше плюс 50-ти).
  4. Опасность больших пиковых нагрузок по току.
  5. Большое время заряда в оптимальном цикле.

Что есть суперконденсатор?

Обычный конденсатор представляет собой две пластины проводника, разделенные тонким слоем диэлектрика. Конденсатор предназначен для накапливания заряда, то есть электрической энергии. Основная характеристика конденсатора – емкость. Она прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Единица емкости конденсатора – 1 Фарада. Не вдаваясь в физические тонкости, произвести конденсатор такой огромной (по физическим размерам) емкости до последнего времени было трудным и бесполезным занятием. Конденсатор емкостью 1 Фарада мог занимать место приблизительно, как тумбочка. Если пересчитать емкость в Ватт-часы:

Получится 0,5*1*3*3/3600 = 0,00125 Вт*час

То есть на такой «тумбочке» электромобиль и тронуться с места не сможет.

В начале 60-х Роберт Райтмайер запатентовал модель суперконденсатора. Вместо обычных пластин он предложил делать пористые пластины, у которых площадь на пару порядков больше. А сблизить площади этих неровных пластин он предложил с помощью электролита. Чтобы через электролит не протекал ток, пластины должны иметь разную проводимость: ионную и электронную. Потом эту технологию перекупила японская компания NEC. Практически реализовать такую технологию в полном качестве удалось только с приходом нанотехнологий. Сейчас, например, для покрытия пластин используют материал графен. Пару граммов этого вещества способны покрыть футбольное поле.

Таким образом, «тумбочка» стала размером «с ноготок».

На рисунке приведен конденсатор емкостью 10 Фарад. Конденсатор побольше выглядит солиднее. По размерам он, как граненый стакан.

Преимущества суперконденсаторов

Так чем же эти «банки» лучше привычных литий-ионных аккумуляторных батарей.

  1. Принцип накопления энергии. В аккумуляторных батареях энергия накапливается химическим способом, поэтому имеет ограниченное количество циклов. В суперконденсаторах идет накопление электрическим методом. Количество циклов заряда/разряда огромно (более 500.000).
  2. Если выбрать электролит большой плотности, рабочая температура может быть от минус 50 до плюс 80-ти градусов Цельсия. Это очень важно для наших широт.
  3. Скорость заряда минимальна. Время на зарядку суперконденсаторной батареи большой емкости предельно малое, менее пяти минут.
  4. Суперконденсатор может в течение короткого времени отдать большую энергию. На нем может быстро тронуться с места даже самосвал.
  5. Суперконденсатор без потерь свойств может очень долго находиться в полностью разряженном состоянии (спать).

Какие электромобили можно производить, используя суперконденсатор

Помимо «хороших» свойств суперконденсаторов, есть и «плохие», которые не дают его применять, где попало, прежде всего:

  • малая удельная емкость (приблизительно раз в 10 меньше, чем аккумуляторов);
  • линейная характеристика напряжения на конденсаторе при разряде (в начале разряда около 3-х вольт, посередине – 1,5 Вольта, а нужно для нормального питания — 3);
  • большой саморазряд (за суперконденсатор неделю может разрядиться наполовину);
  • большая стоимость суперконденсатора (тот, что показан на рисунке на 1200 Фарад стоит более 3.000 рублей);
  • невысокое рабочее напряжение (2,7 Вольта).

Говоря человеческим языком, масса конденсаторов значительно выше, их требуется подключать в схему последовательно, что уменьшает емкость дополнительно, увеличивает стоимость. Кроме этого, необходимы специальные схемы стабилизации питания и распределения напряжения.

Читать еще:  Ангелочки из салфеток

Для примера, размер суперконденсатора для питания смартфона должен быть не менее пресловутого граненого стакана. Не представляется электромобиль с суперконденсаторным «туалетом» на борту. Зато такой «туалет» легко можно спрятать в грузовой машине или электротранспорте. Я не случайно привел такое сравнение. Внешний вид и размеры суперконденсаторной батареи что-то напоминают.

Масса такой батареи около 1300 килограммов.

Зарядное устройство, устанавливаемое на конечной остановке, не меньше.

Такие электробусы сейчас стали привычным транспортным средством в Минске. По характеру движения они напоминают троллейбус, немного дергаются во время старта и торможения. Это не случайно: при торможении они возвращают в батарею до 30-ти процентов энергии.

Длина маршрута этого 59-го маршрута в Минске около 12-ти километров, он подзаряжается после каждой поездки из одной конечной остановки в другую. Зарядные устройства находятся на конечных остановках. Длится заряд около 3-х минут. Водитель в это время отдыхает. Суперконденсаторные батареи производится под Минском, электробусы – в Минске. Такая небольшая длина пути до подзарядки пока адаптивна только к электротранспорту или, например, к производственным большегрузным машинам. Очень полезно, что суперконденсаторы могут «рвануть» с места груженый транспорт, быстро заряжаются при торможении. Обычный аккумулятор не способен это сделать.

Преимущество быстрого заряда существенно. Представьте, когда ночью в депо стоит куча электробусов на зарядке. Каждому подай по зарядному устройству. Суперконденсаторы утром по-быстрому зарядил – и в путь. Суперконденсаторы отлично пойдут для питания городских микроавтомобилей с небольшим дневным пробегом.

Какие перспективы, за чем будущее?

Я думаю, что будущее за соединением технологий. Это будут или аккумуляторные конденсаторы, или конденсаторные аккумуляторы. Сейчас такие технологии уже используются, например, пластины аккумуляторов покрывают графеном. Обязательно последует развитие технологий, уменьшение массы, увеличение рабочего напряжения, совершенствование элементов защиты. Поживем – увидим. То, что суперконденсаторы будут стоять в электромобилях, очевидный факт.

Суперконденсатор вместо аккумулятора

Электричество играет большую роль в нашей жизни сегодня. В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление дома также должны будут перейти на электроэнергию, если мы не хотим катастрофических изменений климата.

Батарея суперконденсаторов Maxwell для автомобилей

Электричество является очень универсальной формой энергии, но у нее есть один большой недостаток: ее относительно сложно хранить в нужном количестве. Аккумуляторы могут хранить большое количество энергии, но они заряжаются часами. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но накапливают лишь незначительное количество энергии. В нашем будущем с электропитанием, когда нам нужно очень быстро накапливать и также быстро отдавать большое количество электроэнергии, вполне вероятно, что мы обратимся к суперконденсаторам (ультраконденсаторы), которые сочетают в себе все эти возможности.

Что такое суперкоденсаторы и как они работают

Как можно хранить электрический заряд? Обычная цинко — углеродная батарея заряжается электроэнергией на заводе и может быть использована только один раз, после чего ее можно будет только выбросить. Батареи, подобные этой, дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды во всем мире выбрасываются каждый год.

Аккумуляторы и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество — но совершенно другими способами. Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом, называемым электролитом. Когда вы включаете питание, происходят химические реакции с участием, как электродов, так и электролита.

В результате химической реакции на электродах выделяются положительные и отрицательные заряды. Когда все химические вещества истощаются, реакция прекращается, и батарея разряжается. В перезаряжаемом аккумуляторе, таком как литий-ионный блок питания, используемый в ноутбуке или MP3-плеере, реакции могут протекать в любом направлении, так что вы можете заряжать и разряжать сотни раз, прежде чем аккумулятор износится.

Обычный слюдяной конденсатор

Такой конденсатор накапливает столько же энергии, сколько батарея, но может заряжаться и разряжаться мгновенно, практически любое количество раз. В отличие от батареи положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никакие химические реакции не участвуют.

Небольшой обычный конденсатор

Конденсаторы используют статическое электричество (электростатику), а не химию для хранения энергии. Внутри конденсатора находятся две проводящие металлические пластины с изоляционным материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрический бутерброд, если так можно сказать. Зарядка конденсатора — это накопление зарядов на пластинах.

Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, которые изолируются, чтобы препятствовать их контакту, благодаря такому разделению пластин сохраняется энергия. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера накапливать больше заряда при данном напряжении, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они весят меньше, обычно не содержат вредных химикатов или токсичных металлов, и их можно заряжать и разряжать миллионы раз и не изнашиваются. Но у них также есть большой недостаток: конструкция конденсаторов не позволяет им сохранять такое же количество электрической энергии как в батареях. Что можно сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию, которую накопит конденсатор, либо используя лучший материал для диэлектрика, либо используя большие металлические пластины.

Чтобы сохранить значительное количество энергии, вам нужно использовать колоссальные пластины. Например, грозовые облака — это супергигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и мы все знаем, насколько они велики! А как насчет увеличения емкости конденсаторов путем улучшения диэлектрического материала между пластинами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторов в середине 20-го века.

Читать еще:  Мужская купюрница своими руками

Преимущества и недостатки аккумуляторов и конденсаторов

Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши в хранении большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор? Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора в двух важных направлениях: его пластина имеет гораздо большую эффективность площадь, а расстояние между ними много меньше, потому что разделитель между ними работает по-другому принципу отличного от обычного диэлектрика. Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются взаимозаменяемо, существует различие: они обычно изготавливаются из разных материалов и структурируются немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей простого понимания мы предположим, что это одно и то же.

Как обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, который эффективно дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда. Представьте себе, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вобрать небольшое количество воды, пористые пластины суперконденсатора делают больше похожими на кусочек губки, которая может впитывать воды во много раз больше. Пористые суперконденсаторные пластины — это губки впитывающие электричество.

Какой разделитель установлен между пластинами

В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как настраиваемый диск внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, положительные заряды образуются на одной пластине, а отрицательные — на другой, создавая электрическое поле между ними. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его прочность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при данном напряжении. Что показано на рисунке, который вы видите ниже.

Работа обычного конденсатора

Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, который называется диэлектриком (серый). Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их выравниваться противоположно полю. Это уменьшает напряженность поля и позволяет конденсатору хранить больше заряда для данного напряжения.

Суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий, «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых, обычно углеродных материалов, пропитанных электролитом. Пластины имеют большую эффективную площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность сохранять гораздо больший заряд.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, на каждой стороне сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый электрический двойной слой, толщиной всего в одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).

Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC). Если вы посмотрите на нижний рисунок, то увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. В двух словах, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость, благодаря комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшего расстояния между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, изготовленных из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологий ), графен, аэрогель и титанат бария.

Сравнение суперконденсаторов с батареями и обычными конденсаторами

Суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель с питанием от банок суперконденсаторов, также они используются в космосе (разработка НАСА). Большим преимуществом по сравнению с обычной длительной зарядкой является то, что его можно заряжать за считанные секунды, а не часы.

Базовая единица электрической емкости называется фарадом (F), названным в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в схемах электроники хранят только незначительное количество электричества (обычно оцениваемое в единицах, называемых микрофарадами (миллионные доли фарада), нанофарадами (миллиардные доли фарада) или пикофарадами (триллионные доли фарада).

В отличие от этого, обычный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, в миллионы или даже в миллиарды раз больше(оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies, имеют емкости, оцениваемые до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) от электрической энергия, которую вы можете упаковать в батарею.

Но большое преимущество суперконденсатора заключается в том, что он может накапливать и высвобождать энергию практически мгновенно — гораздо быстрее, чем батарея. Это потому, что суперконденсатор работает, накапливая статические электрические заряды на твердых телах, в то время как батарея зависит от зарядов, которые производятся медленно в результате химических реакций, часто с участием жидкостей.

Читать еще:  Модуль распознавания голоса

Обычные батареи и суперконденсаторы различаются величиной энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, использованной или произведенной за определенное время. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они накапливают больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее).

Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему важны для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени. Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольт), они могут быть подключены последовательно (например в батареи) для получения больших напряжений, для использования в более мощном варианте.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, их теоретически можно заряжать и разряжать любое количество раз (технические характеристики коммерческих суперконденсаторов предполагают, что вы можете циклически повторять их, возможно, миллион раз). Они имеют небольшое внутреннее сопротивление или вообще не имеют его, что означает, что они накапливают и выделяют энергию без затрат большого количества энергии — и работают с эффективностью, близкой к 100% (обычно 97–98%).

Для чего используются суперконденсаторы

Если вам нужно хранить большое количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии затрачивается на хранение в конденсаторе, и у вас нет времени для зарядки аккумулятора, суперконденсатор может быть как раз то, что вам нужно.

Электрическая дрель с питанием от ультраконденсаторов

Суперконденсаторы широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «резервуаров энергии», которые сглаживают источники питания для электрического и электронного оборудования. Суперконденсаторы также могут быть подключены к батареям для регулирования мощности, которую они отдают.

Суперконденсатор от автобуса, разработанный НАСА

Суперконденсаторы используются в регенеративных тормозах, широко используются в электромобилях. Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, создаваемую ветром. В электрических и гибридных транспортных средствах суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных накопителей энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно теряет при остановке, кратковременно накапливается и затем используется повторно, когда он снова начинает движение).

Почему вместо аккумулятора не используют конденсаторы?

Что если использовать электролитический конденсатор вместо аккумулятора ? Такое возможно, но есть одно слишком серьёзное препятствие — телефоны и электромобили совсем не смогут «держать заряд».

Вопрос заслуживает внимания и рассматривается на уровне инженерных проектов и даже когда-то применялся на практике.

В качестве альтернативы аккумуляторам всерьёз рассматривают суперконденсаторы (так называемые двойные электрохимические ионисторы ). Но пока на текущем уровне технологического прогресса это допустимо лишь в определённых областях.

В чём плюсы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

Мгновенно. Ионистор отлично справляется с пиковым пусковым током, накапливая и отдавая энергию практически мгновенно.

Быстро. Заряжается не за час-другой, а за считанные секунды (поэтому, например, NASA применяет суперконденсаторы в космосе).

Безопасно. Накапливает заряд на твёрдых телах, когда как литиевые батареи — в процессе химических реакций (обычно жидкостных).

Надёжно. Коммерческие суперконденсаторы гарантируют 1 миллион циклов заряда, когда как обычные аккумуляторы — в среднем 800-1200 циклов.

КПД. Суперконденсаторы отдают энергию с эффективностью порядка 98%.

Выносливо. Устойчивость к экстремальным температурам и физическим повреждениям.

В чём минусы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

Низкая ёмкость. Самый большой коммерческий суперконденсатор в фарадах (F) накапливает лишь 20% от электрической энергии в сравнимой батарее.

Не держит. Аккумуляторы предлагают намного больше плотности энергии на единицу массы, обеспечивая долгую автономность без внешнего питания.

Саморазряд. Степень саморазряда существенно превышает таковую у самого слабого аккумулятора.

Малоприменим. В итоге даже самый мощный суперконденсатор (обеспечивающий лучшую величину энергии) не сможет дольше минуты питать «аварийку» у заглушенного автомобиля и подсветку экрана у работающего телефона.

И всё-таки, почему конденсатором нельзя заменить аккумулятор?

1️⃣ У них разные цели

В аккумуляторе намного больше запасается энергии, а это самая важная его цель — не разряжаться как можно дольше в бытовых приборах, в потребительской электронике и автомобилях.

2️⃣ У конденсатора саморазряд

В аккумуляторах он тоже есть, но в значительной меньшей степени проявляется. Суперконденсаторы быстро заряжаются и быстро отдают заряд — для длительного хранения энергии они не подходят ещё и по причине утечек.

3️⃣ Разное напряжение

В то время, пока аккумулятор поддерживает ваш телефон в рабочем состоянии, напряжение практически не меняется. Конденсатор изменяет напряжение в зависимости от накопленного заряда — цифры меняются в значительных пределах, что неприемлемо для чувствительной мобильной электроники, например.

В этой статье автор рассматривает тему суперконденсаторов в максимально упрощённом варианте для массовой публики.

Если вас интересует, например, подробная возможность установки конденсаторов вместо аккумуляторов в RAID-контроллерах , то напишите об этом в комментарии.

Также по вопросам замены элементов питания в вашей электронике пишите:
• Вконтакте ,
• Одноклассники ,
• Facebook ,
• на email .
Или звоните по бесплатному в России телефону 8 (800) 555-86- 57 .

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector