По своим основным характеристикам суперконденсаторы значительно отличаются от простых привычных конденсаторов. В них применены современные технологии, которые позволяют добиться увеличения срока службы, а также снизить токовые потери в процессе эксплуатации. Основной задачей производителей данных устройств является разработка, и создание изделий способных заменить аккумуляторы во многих отраслях.
Применение двойного электрического слоя
Продолжительное время обладателями высоких значений внутренней емкости являлись конденсаторы электролитического вида. В различных устройствах изготавливались разнообразные обкладки, у одних они производились из металла, в других в виде электролита, где изоляцией являлся оксид используемого металла. Причем у обыкновенных конденсаторов внутренняя емкость имеет значение значительно ниже и равна долям фарада, чего на практике недостаточно для питания потребителей вместо аккумуляторных батарей.
Для обеспечения питания для электропотребителей были разработаны устройства на основе применения двойного электрического поля. Данное явление может возникать на границах материала или вещества при определенных условиях в жидком или твердом состоянии. В результате образуются два слоя разнополярных ионов одинакового размера, получается своеобразный конденсатор с электродами, между которыми образуется минимальное расстояние равное нескольким атомам.
Интересно знать! Устройства, полученные таким способом, называют ионисторами, а также суперконденсатор или ультраконденсатор.
Резервный БП с напряжением выше 5 В
Схемы буферного питания, представленные на рисунках, оправданы для маломощных микроконтроллеров и других схем, способных работать при напряжении питания около 1,8 — 3,3 В. При необходимости получить более высокое напряжения (например USB 5 В), можно выбрать один из четырех вариантов:
- Использование суперконденсатора с более высоким допустимым рабочим напряжением — в то время как самые популярные суперконденсаторы предназначены для работы с напряжением до 5,5 В, на рынке представлены модели, состоящие из нескольких ячеек с рабочим напряжением от 1,4 В до 8,4 В в диапазоне суммарной ёмкости до 100 Фарад.
- Использование последовательных конденсаторов с одинаковой номинальной емкостью — в этом случае необходимо использовать пассивный делитель напряжения или активный балансир, защищающий конденсатор наименьшей реальной емкости от пробоя.
- Использование повышающего преобразователя DC / DC — это наиболее экономичное решение, поскольку позволяет максимально рекуперировать энергию, запасенную в суперконденсаторе.
- Применение встроенного контроллера заряда / разряда суперконденсатора — на рынке доступны специализированные контроллеры, позволяющие просто и эффективно управлять схемами питания на основе ионисторов.
Техническая реализация
Ионистор или суперконденсатор представляет собой устройство в конструкции которого имеются два электрода или пластины, изготовленные из активированного угля. Пространство между ними заполнено специальным электролитом, также между обкладками располагается мембрана, благодаря которой не происходит перемещение частиц электродов, а электролит свободно проникает в данное пространство.
Причем стоит отметить, что самостоятельно данные устройства не имеют определения полярности заряда конкретных электродов. Это свойство является одним из главных отличий от конденсаторов электролитического вида, в которых несоблюдение правильного подключения приводило к преждевременному выходу из строя. Однако при производстве на ионисторах наносится маркировка с указанием полярности, в результате того, что в процессе производства данные накопители энергии уже выходят заряженные.
Разновидности суперконденсаторов
В настоящее время все ультраконденсаторы разделяют на три основных вида:
- Двухслойные.
- Гибридные.
- Псевдоконденсаторы.
Двухслойные конденсаторы
Данные устройства представляют собой изделие в конструкции которых применяются электроды с наличием пор, покрытых углеродом повышенной проводимости между ними находится специальный сепаратор. Благодаря разделению зарядов на электродах происходит образование значительного значения потенциала, в результате чего происходит накопление энергии.
Интересно знать! На величину емкости оказывает непосредственное влияние значение двойного слоя.
Двойной слой в такой конструкции выполняет роль конденсатора поверхностного. Благодаря электролиту два слоя объединяются в последовательную цепочку.
Гибридный суперконденсатор
Данный вид накопителей электроэнергии считается промежуточным между аккумуляторами и конденсаторами. В конструкции таких устройств применяются электроды, изготовленные из различных материалов, в результате чего емкость заряд накапливается разными способами.
Непосредственно сам процесс восстановления заряда происходит благодаря реакции окислительно-восстановительного вида. Такая конструкция позволяет значительно увеличить внутреннюю емкость и повысить рабочее напряжение. Электроды состоят из соединения сложных проводящих полимеров, которые в сочетании между собой представляют материал повышенных электрических характеристик.
Псевдоконденсаторы
Данные устройства представляют собой изделия несколько похожие по свои основным характеристикам на АКБ, они имеют два твердых электрода.
В результате чего стало возможным применять конденсатор вместо аккумулятора. Принцип действия состоит из двух основных механизмов:
- рабочие циклы заряд-разряд;
- электростатические реакции, которые наблюдаются в устройствах с двойным слоем.
Интересно знать! Емкость псевдоконденсаторов зависит от реакций переноса электролитических зарядов.
Почему суперконденсатор вместо аккумулятора на практике используют так редко?
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.
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.
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 мы рассматриваем тему суперконденсаторов в максимально упрощённом варианте для массовой публики.
Польза ионисторов в регистраторах
Если вас интересует, например, подробная возможность установки конденсаторов вместо аккумуляторов в RAID-контроллерах, то напишите об этом в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.
Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.
Основные параметры
К основным характеристикам суперконденсатора следует отнести:
- время заряда, имеет малое значение и равно от 1 с до 10 с;
- в сравнении с кислотными аккумуляторами имеют значительное число рабочих циклов, практически более 30000 часов;
- номинальное рабочее напряжение имеет значение до 2,75 В;
- срок службы до 15 лет;
- диапазон рабочих температур от -45°С до +65°С;
- удельная энергоемкость имеет значение до 5 Вт*ч/ кг.
Энергетическая плотность
Способность ионисторов накапливать энергию ниже, чем у кислотных аккумуляторных батарей. Значение энергии зависит от внутреннего сопротивления устройства, чем оно ниже, тем выше плотность энергии. Современные разработки позволяют применять такие материалы как азот и графен, благодаря которым удалось добиться значительного увеличения внутренней плотности энергии.
Главные различия
Для конденсатора характерно кратковременное содержание накопленной энергии в готовом виде, которая может быть выброшена мгновенно при подключении нагрузки. В свою очередь, АКБ сохраняет запас тока на длительный срок в виде рассчитанной химической перестройки. Основные различия между электронными устройствами и особенностями их работы можно посмотреть в таблице:
| Аккумулятор | Конденсатор |
| Заряд сохранен в форме химического процесса | Для накопления применен электрический потенциал диэлектрика |
| Высокая плотность сохраняемого запаса | Низкая плотность с малым запасом |
| Только постоянный ток | Можно применять с переменным током |
| Замедленное накопление заряда | Ускоренная зарядка и разрядка |
Внимание!
Фактически – в аккумуляторной батарее заряда нет. При подключении нагрузки электричество вырабатывается за счет перехода ионов от анода к катоду.
Вне зависимости от схожести в функции, аккумулятор и конденсатор имеют значительные различия по собственному устройству и применению. Как основную разницу можно выделить то, что в батарее нет постоянного запаса энергии – ее выработка происходит только при подключении нагрузки. Для конденсатора невозможна длительная разрядка – весь потенциал сходит за короткий период.
Преимущества и недостатки
Как и любое электронное устройство ионисторы в процессе эксплуатации имеют некоторые достоинства и недостатки. К преимуществам производители относят:
- Имеют пониженную удельную стоимость, если сравнивать емкость конденсатора и аккумулятора.
- Повышенные показатели внутренней емкости, в результате чего увеличивается количество рабочих циклов заряд-разряд.
- Более надежные, а также имеют большой срок службы в отличие от кислотных и литиевых аккумуляторов.
- Отличаются экологической чистотой, благодаря применяемым материалам.
- Повышенные значения номинальной мощности.
- Возможность эксплуатирования в широком температурном диапазоне. Низкие температуры не помеха при запуске оборудования любого вида.
- Значительно увеличенный временной промежуток при восполнении заряда и при рабочем разряде.
- В отличие от аккумуляторных батарей имеют возможность полного разряда практически до нулевого значения рабочего напряжения.
Интересно знать! Суперконденсаторы имеют сравнительно малые размеры относительно других подобных приборов.
Однако при наличии многих плюсов в процессе эксплуатации присутствуют и минусы. К недостаткам относят:
- Малая плотность энергетических накоплений относительно аналогичных устройств.
- Пониженное значение напряжение на единицу внутренней емкости одного элемента.
- Увеличенное показание самостоятельного разряда.
- Не окончательно проработанная технология производства ионисторов.
Теория
Набравшись опыта коллег по цеху, решил сначала провести эксперименты на виртуальной модели гибридного аккумулятора. Для этого взял замечательную программу Yenka. Нашел в сети, то что у вазовского стартера рабочий ток примерно 150-200 амер. Но ионисторов в Yenka не нашел. Использовал обычные конденсаторы только с большой емкостью. В результате виртуальных экспериментов ионисторы в 500 фарад крутили стартер аж 3.5 секунды, пока напряжение не упало ниже 8 В.
Падение напряжения при виртуальном «прокручивании» стартера от сборки из 6 ионисторов по 500Ф
Эксперимент в программе показывает, что можно завестись от сборки из шести 500 фарадников. Но на практике у коллег не получилось. Возможные причины:
- я напутал в схеме в программе;
- программа «врет»;
- на самом деле ток стартера выше;
- на практике были поддельные ионисторы;
1 и 2 я поверил расчетами «на коленке» получился схожий с программой результат. 3 и 4 проверить не удалось.
Изначально мне сильно не понравились клеммы на 500 фарадных ионисторах, они меньше чем на UPS-ных аккумуляторах. А если посмотреть на клеммы авто аккумуляторов и толщину провода к стартеру, то можно предположить, что из-за малого сечения клемм ионисторов было сильное падение напряжения на них и тока не достаточно чтобы провернуть стартер.
У конденсаторов, в отличии от аккумуляторов, под нагрузкой нет стабильного напряжения. То есть, если подключаем стартер к заряженной до 14 вольт батареи ионисторов, то через 2 секунды работы напряжение упадет до 11 вольт, еще через 2 секунды до 7 вольт. Чтобы напряжение снова поднялось, нужно заряжать конденсаторы. Под поэтому время работы стартера сильно зависит от начального напряжения. Так как максимальное напряжение одного ионистора 2.7 вольт, а генератор в машине может выдавать до 14.5 вольт в сборе нужны минимум 6 ионисторов,тогда максимальное напряжение составит 16.2 вольт. Было бы разумно использовать весь потенциал ионисторов и заряжать их до 16 вольт. Не нашел достоверной информации о том не сгорит ли стартер от 16 вольт. Но в характеристиках других электроприборов в машине русским по белому сказано: «до 15 вольт». Решил рискнуть стартером и собрать гибридный аккумулятор, где будет 6 банок ионисторов на 16.2 В подключенные только к стартеру, балансировочная плата, обычный аккумулятор на 12 вольт для питания всего остального и заряжаемый от генератора, и повышающий преобразователь чтобы повысить напряжение от 12 до 16 вольт.
Еще существенный недостаток ионисторов, особенно китайских — быстрый саморазряд. Поэтому если оставлять преобразователь постоянно включенный то он быстро высадит аккумулятор. Так как на зарядку ионисторов требуется время, решил сделать момент включения преобразователя как можно раньше — при снятии машины с сигнализации. От сигналки идет только минус, поэтому пустил через реле.
Особенности применения
Широкую популярность ионисторы приобрели благодаря стремлению человечества найти новые и более эффективные средства для того, чтобы накапливать и сохранять энергию длительное время. Основным достоинством, определившим его распространение, стала возможность суперконденсатора за короткий период времени импульсно выделять значительную энергию от 0,1 с до 10 с.
Ионисторы нашли применение в установках и технике, где необходим быстрый и качественный запуск электрооборудования в короткий промежуток времени даже при отрицательных температурах. При этом уменьшаются максимальные токовые нагрузки и приводит к экономии средств. Не исключено и применение для запуска двигателя внутреннего сгорания.
При соединении конденсаторов в батарею возможно добиться максимальной емкости сопоставимой с аккумуляторной для питания электромобилей. Однако при этом вес источника питания будет значительно выше чем у обычных аккумуляторов. Разработчикам практически удалось решить проблему превышающего веса, для этого необходим графен однако такое возможно пока только в лабораторных условиях.
В настоящее время одним самых наиболее удачных применений ионисторов стало использование в общественном электротранспорте. В конструкции такой техники применяются устройства бесперебойного питания в которых присутствуют суперконденсаторы.
Аварийное освещение в которых установлены конденсаторы большой емкости вместо аккумуляторов имеют значительное преимущество перед системами с обычными аккумуляторами.
Интересно знать! Некоторые зарубежные производители встраивают резервные источники питания на основе ионисторов в светодиодные лампы.
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.
Перспективы развития
Современные технологии и разработки позволяют предположить, что ионисторы в скором времени будут применяться практически во всех энергоемких производствах, космической промышленности, медицине и военной технике. Постепенно будет увеличиваться внутренняя емкость суперконденсаторов, в результате чего станет возможным заменить старые свинцово-кислотные батареи.
Также станет возможным внедрение в различные электронные устройства с регулированием и управлением. Причем станет доступным производство экологически чистых источников экономии энергии, которые значительно превышают аналоги по характеристикам. А также суперконденсаторы находят широкое применение в автомобильном транспорте, мобильных и электронных устройствах.
Полное вытеснение обычных аккумуляторов пока не происходит так как суперконденсаторы используются только в определенных областях. Однако наука не стоит на месте и постоянно развивается, в результате чего в скором времени мы сможем увидеть данные устройства в автомобильной технике, мобильных и электронных устройствах.
Вам также может быть интересно
.
Аккумуляторы 0
Суперконденсатор вместо аккумулятора
Среди последних новинок науки и техники необходимо отметить появление конденсатора нового типа – ионистор, который также называют суперконденсатор. Что же это за зверь, и можно ли его использовать в автомобильном видеорегистраторе и других электронных приборах в качестве резервного источника питания?
Может ли ионистор заменить аккумулятор?
Из школьного курса физики известно, что конденсатор может запасать энергию, накапливая заряд электричества. Вот только величина этого заряда очень мала, поэтому его хватает только на хорошую искру при коротком замыкании. Также школьники используют металлобумажные конденсаторы переменного тока на 400…1000 Вольт для того, чтобы лупить друг друга электротоком, предварительно зарядив его в розетке 220 В. А в основном конденсаторы используют как радиокомпонент в электронных приборах.
Форм-фактор ионисторов, которые используются в качестве резервных аккумуляторов
Но в конце прошлого века в секретных лабораториях был придуман новый тип конденсатора, в котором вместо металлической ленты используется электролит и другие хитрые химические вещества. Благодаря такой конструкции новый тип конденсатора при малых размерах имеет громадную емкость, которую уже можно использовать для накопления заряда, достаточного для кратковременной работы электронных устройств с малым потреблением тока. Он получил название ионистор из-за того, что функционирует благодаря ионному переносу в химической среде между электродами.
Вот такой мощный ионистор на 3000 Фарад может завести автомобиль
В наше время ионисторы используются как резервный источник питания. Например, на Алиэкспресс за 5…10 баксов можно купить 5-вольтовый ионистор, который получает полную зарядку всего за 10…100 секунд. Однако он может питать средний светодиодный фонарик в течение 20…30 минут.
Обзор китайского ионистора
Теперь разберемся, сможет ли суперконденсатор заменить аккумулятор в автомобильном видеорегистраторе? В регике нет компонентов, которые бы потребляют большой ток – сервоприводы, электродвигатели, мощные лампы освещения. Поэтому расход тока достаточно мал – 50…100 мА. Средней паршивости ионистор сможет обеспечить работу видеорегистратора в течение 3…10 минут. Это более чем достаточно, чтобы дописать до конца видеоролик и корректно завершить работу.
В этом видеорегистраторе установлен суперконденсатор на 7,5 Фарад вместо аккумулятора
Так что, если вы колеблетесь — покупать ли видеорегистратор с суперконденсатором вместо встроенного аккумулятора, то все сомнения напрасны. Этот прибор выполнит все необходимые функции в вашем автомобиле, даже если в случае ДТП будет отключена бортовая сеть. Однако регистратор такого типа нельзя будет использовать как обычную переносную видеокамеру вне салона автомобиля – для уличной видеосъемки потребуется внешний источник питания.
